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This paper deals with the system identification of a mechanical structure supported by nonlinear springs subjected to an external load. If all mechanical parameters of the system were known, the displacement of the system subjected to this load could be easily calculated. However, the monitoring applications often deal with the inverse problem. The loads and displacements of the system are known and certain mechanical Parameters of the system are sought. The solution of such inverse problems can be difficult, especially when they have a nonlinear and multimodal character, which often makes them appear intractable at first sight. However, evolutionary computing can be applied to solve this inverse, nonlinear and multimodal problem. Sometimes a prior knowledge exists on certain system properties, which is difficult to implement into analytical or numerical solvers. This knowledge can play a decisive role in identifying the System properties and it can be easily included as a boundary condition when applying evolutionary algorithms.
This article discusses how and under what conditions the unknown spring resistances can be identified. The practical application of this procedure is exemplified here with the mechanical system of a pile foundation.
Gerammte Stahlrohrpfähle sind das wesentlichste Gründungselement für Offshore-Konstruktionen. Typischerweise kommen diese als Monopiles oder als Mehrpfahlgründungen für Jacket-Konstruktionen zum Einsatz. Für die verhältnismäßig leichten Windenergieanlagen auf See wird bei Mehrpfahlgründungen regelmäßig die Zugtragfähigkeit maßgebend in der Bemessung. Zusätzlich sind Effekte aus wiederholten zyklischen Belastungen zu beachten, die sich auch auf die Zugtragfähigkeit auswirken können. Auch hier ergibt sich eine Besonderheit dadurch, dass im extremwertverteilten Lastspektrum wenige große (Wechsel-)Last-Amplituden entscheidend sind.
Die gründungstechnischen Herausforderungen bei der Planung solcher Windparks auf See wurden von einer Reihe von Untersuchungen begleitet. Eine Versuchsserie zur Zugtragfähigkeit von großmaßstäblichen Pfählen wurde auf dem Testgelände der BAM nahe Horstwalde bei Berlin durchgeführt. Hierfür wurde ein Testfeld mit 10 Pfählen angelegt. Die Pfähle wurden monoton auf Zug und zyklisch belastet. Vergleichend wurden dynamische Pfahlprobebelastungen durchgeführt. Zwei der Pfähle wurden mit Dehnungssensoren instrumentiert und es konnte die Pfahl-Boden-Interaktion abschnittsweise ermittelt werden.
A mechanical structure supported by nonlinear springs subjected to an external load is considered. If all mechanical parameters of the system were known, the displacement of the system subjected to this load could be easily calculated. If not all of the parameters are known, but the load and the displacement are measured at one location, an inverse problem exists. In the presented problem the nonlinear springs are unknown and have to be determined. At first glance a problem needs to be solved, which is underdetermined due to the number of unknown variables. However, evolutionary computing can be applied to solve this inverse, nonlinear and multimodal problem. Sometimes a prior knowledge exists on certain system properties, which is difficult to implement into analytical or numerical solver. This knowledge can play a decisive role in identifying the system properties and it can be easily included as boundary condition when applying evolutionary algorithm. This article examines how and under what conditions the spring resistances can be identified. The procedure is exemplified at a mechanical system of a pile foundation.
Ermittlung von Beanspruchung und Verformungen von Pfahlgründungen - Messverfahren und Applikation
(2014)
Vor dem Hintergrund einer angestrebten größeren Unabhängigkeit der Energieversorgung von fossilen Energieträgern hat die Windenergie in den letzten Dekaden zunehmend an Bedeutung gewonnen. Dabei wird insbesondere die Energiegewinnung offshore in der Deutschen Nordsee, auf Grund dort vorhandener stetiger Winde und sinkender Akzeptanz von Windkraftanlagen an Land, forciert. Im Hinblick auf die Gründung dieser Anlagen wird technisches Neuland betreten.
Angesichts von Wassertiefen bis über 25 m erhalten aufgelöste Gründungsstrukturen wie Tripod und Jacket oft den Vorzug vor Monopiles. Letztere waren wegen der geringen Produktions- und Installationskosten, der bisher am häufigsten angewandte Gründungstyp in flacheren Gewässern.
Monopile- und Mehrpfahlgründung unterscheiden sich wesentlich im Abtrag der Belastung durch Beanspruchungen aus Wind und Wellen in den umgebenden Baugrund. Während beim Monopile die zyklischen Momente über laterale Bettung abgetragen werden, entstehen an den Mehrpfahlgründungen axiale Zug- und Druckbelastungspaare in gegenüberliegenden Pfählen. Die zyklischen Belastungen von Monopiles sind demnach hauptsächlich in lateraler Richtung zu erwarten, während für Mehrpfahlgründungen die zyklische Belastung einen überwiegend axialen Charakter aufweist. Die zyklischen axialen Lasten in den Pfählen der Mehrpfahlgründungen können die axialen Tragfähigkeiten insbesondere am Pfahlmantel reduzieren und damit evtl, zu einem Versagen der Gründung führen.
Die Berechnung von Verformungen lateral belasteter Pfahlgründungen bedingt in der Regel die Überführung
der transienten Belastungen aus verschiedenen Umwelteinwirkungen in eine meist sinusförmige
zyklische Belastung mit konstanter Amplitude. Dies bringt die Vernachlässigung der Reihenfolge,
in der die realen Belastungen auftreten, mit sich. Die Voraussetzung dafür ist, dass der Einfluss dieser
Reihenfolge auch tatsächlich gering ist. Da die meisten experimentellen Untersuchung hierzu sich auf
die Elementebene und relativ geringe Zyklenzahlen beschränken, wird hier eine Versuchsserie präsentiert,
in welcher Modellpfähle durch Zyklenpakete mit unterschiedlichen Amplituden in variierender
Reihenfolge und hohen Lastspielzahlen belastet werden. Es zeigt sich ein geringer bis vernachlässigbarer
Einfluss der Reihenfolge der Lastblöcke für reine Schwellbelastungen.
The aim of an ongoing research project is to develop a design approach for typical offshore driven piles (e.g. Jacket piles) based on the application of injections by compaction grouting directly at the pile shaft. The paper aims to present the results of laboratory and in-situ tests, which reveal the efficiency and the promising potential of the optimised foundation concept for a more economic dimensioning of pile foundations and to increase their bearing capacity in non-cohesive soil at any moment after installation.
The authors are currently investigating the possibility to apply compaction grouting for offshore pile foundations (Jacket piles as well as monopiles) as a possible retrofitting technique for an optimised foundation concept. In this research project, we are developing a design approach aiming to predict the ideal amount and properties of a grout for a specific soil situation and desired improvement of pile bearing capacity after Installation and during service time. Both numerical and experimental tests have been carried out to investigate the injection process during which a highly viscous grout is injected into the soil under high pressure to displace and compact the surrounding soil without fracturing it. The implicit Material Point Method (MPM) based on a mixed formulation is the numerical technique chosen to deal with the expected large deformations and the arbitrary shape of the developing grout bulb. The usage of MPM prevents both the need of remeshing and the numerical instability induced by extensive mesh distortion. For validation with experimental results, we have constructed a testing chamber with one transparent sidewall. This chamber enables us to observe the injection process directly at the transparent vertical window and to measure the in-plane soil displacements and strains by means of the Digital Image Correlation (DIC) technique.
The results already reveal the interrelation of soil and grout properties for a successful usage of this common ground improvement technique.
Numerical analysis can be useful for the investigation of important aspects of offshore foundation
prototypes that otherwise could hardly be studied experimentally, like the evolution of pore-water pressure around
the monopile foundation of an offshore wind turbine under extreme loading. A combination of mixed pressuredisplacement
formulations along with a constitutive model for sands based on the Generalized Plasticity Theory
can replicate accurately the soil behaviour in saturated conditions. However, additional issues must be taken into
account in order to perform numerical simulations of offshore piles. Some implications of the Babuska-Brezzi
restriction, as well as considerations about the pile-soil interface and suitable solution strategies are discussed
here. Due to the high cost of the transient analysis, the parallel computation offers a promising perspective, but
can be complex and needs to be implemented carefully in order to avoid a performance deterioration. A brief
overview on current trends and functional software is given here.
A comprehensive numerical model for the analysis of offshore foundations under a general transient loading is presented here. The theoretical basis of the model lies on the Swansea formulation of Biot's equations of dynamic poroelasticity combined with a constitutive model that reproduces key aspects of cyclic soil behaviour in the frame of the theory of generalised plasticity. On the practical side, the adoption of appropriate finite element formulations may prevent the appearance of spurious numerical instabilities of the pore pressure field. In this respect, the use of a coupled enhanced-strain element is here proposed. On the other hand, the practicality of the presented model depends ultimately on its computational efficiency. Some practical recommendations concerning the solution strategies, the matrix storage/handling procedures and the parallel multi-processor computation are here provided. Finally, the performance of the model with a benchmark study case and its practical application to analyse the soil–structure interaction of an offshore monopile under a realistic transient storm loading are discussed.
The saturated sand surrounding an offshore pile
foundation under quasi-static cyclic lateral load can show the
physical phenomena of macromechanical densification and
convective granular flow. Based on the results from physical
model tests at different geometrical scales, this paper
provides a certain quantification of such phenomena and discusses
their causes and consequences. The progressive sand
densification leads to subsidence of the soil surface and a significant
stiffening of the pile behaviour. Conversely, the ratcheting
convective motion of two closed cells of soil beneath
the pile-head is responsible for an endless grain migration at
the soil surface, the inverse grading of the convected material
and a direct shear of the sand at the distinct boundary of the
revolving soil domain. In this respect, and from a macromechanical
perspective considering the soil as a continuum, it
appears that the convecting material tends to follow gradient
lines of shear stress during its ratcheting motion. Concluding
the paper, the practical relevance of these phenomena and
their extrapolation to other conditions are briefly discussed.