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Monopiles are currently the predominant foundation type for offshore wind turbines in Europe. Due to the increasing dimensions of the turbines, pile diameters beyond 10m become necessary. A design-relevant failure mode of monopiles is the local buckling of the pile wall in the embedded sections. Relevant buckling guidelines do not consider the soil-structure interaction specifically, although the embedment may allow for a reduction of wall thickness. However, Eurocode-based design concepts require a validation with comparative buckling cases for validation, either in terms of buckling curve parameters for both the algebraic stress-based and semi-numerical LBA/MNA design concept or as a calibration factor kGMNIA for fully numerical GMNIA calculations. These parameters are not yet available for embedded shells. To close this gap, we have conducted experiments on piles embedded in sand to investigate local buckling under soil-structure-interaction. The results will be used to calibrate numerical models. This research was carried out as part of the VERBATIM research project, funded by PTJ/BMWK and supported by the Carbon Trust's Offshore Wind Accelerator consortium.
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.
Offshore-Pfähle in Mehrpfahlgründungsstrukturen wie Jacket-Gründungen müssen nach der Rammung überwiegend zyklisch axialen Belastungen widerstehen. Die Abmessungen der Pfähle werden sowohl von der inneren Tragfähigkeit und dem Ermüdungsverhalten des Stahlquerschnittes als auch von der äußeren Tragfähigkeit und der Pfahl-Boden-Interaktion bestimmt. Aufgrund der großen Zahl von Pfahlgründungen, die für aktuelle und zukünftige Windparkprojekte benötigt werden, besteht ein dringender Bedarf, die Dimensionierung und die damit verbundenen Kosten des Einzelpfahles zu optimieren. Bezüglich der Pfahltragfähigkeit sind wichtige aktuelle Forschungsthemen eine mögliche Traglaststeigerung durch Anwachsen und die geeignete Abschätzung der zyklischen Degradation. Zur Untersuchung beider Effekte wurde eine großmaßstäbliche Versuchsanlage auf dem Testgelände BAM TTS in Horstwalde nahe Berlin errichtet. Auf diesem Versuchsfeld können große Stahlrohrammpfähle zyklisch druck- und zugbelastet werden. Zudem kann die Untersuchung von Alterungseffekten durch zeitlichen Versatz zwischen den Messkampagnen untersucht werden. Erste Ergebnisse zeigen einen Anstieg der Pfahltragfähigkeit bis zu ca. 60 % nach einer Standzeit von ca. 18 Monaten. Für die Degradation der Tragfähigkeit der zyklisch belasteten Pfähle zeigen die ersten vorläufigen Ergebnisse ein zum Teil unerwartetes Verhalten. Zusätzliche Untersuchungen werden derzeit zur weiteren Abklärung durchgeführt.
Im Rahmen mehrerer vom Bundesumweltministerium geförderter Forschungsvorhaben untersucht die BAM Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung zusammen mit Partnern aus Industrie und Wissenschaft das Tragverhalten von zyklisch lateral und axial belasteten Rammpfählen für Offshore-Windkraftanlagen. Neben Modellversuchen im Labor werden hierbei auch Großversuche durchgeführt. In diesem Beitrag wird das neu erstellte Testfeld der BAM zur Prüfung von Pfählen in Horstwalde vorgestellt. In den laufenden Großversuchen werden Parameter wie Tragfähigkeitsminderung infolge zyklisch-axialer Lasten im Druck- und Zugbereich sowie die Zunahme von Tragfähigkeiten durch sogenannte Anwachseffekte untersucht. Bezüglich der zyklischen Belastungen werden insbesondere als unsicher anzunehmende Wertepaare in den derzeit verwendeten Interaktionsdiagrammen betrachtet, wobei hier das Hauptaugenmerk aber nicht nur auf dem Versagen des Pfahls, sondern auch auf der Ermittlung der Resttragfähigkeit nach definierten Zyklenzahlen liegt. Im Beitrag werden erste Ergebnisse zu den Anwachseffekten präsentiert und mit Ergebnissen aus der Literatur verglichen. Des Weiteren werden das Versuchsprogramm zu den zyklisch axial belasteten Pfählen vorgestellt und erste Ergebnisse gezeigt. In einem Ausblick werden weitere Ziele des Forschungsvorhabens beschrieben. Hierzu gehören die Validierung und Kalibrierung eines existierenden Modells zur Ermittlung der Tragfähigkeit unter zyklischer Belastung auf der Grundlage aktueller Messdaten am Pfahl.-----------------------------------------------------------------------------------------------
Large-scale tests on driven piles for the investigation of pile capacity under cyclic loading and ageing effects. The cyclic behaviour of axially and laterally loaded piles for the foundation of offshore wind turbines is being investigated by the Federal Institute for Materials Research and Testing (BAM) in the frame of several research projects funded by the German Federal Ministry for the Environment and carried out in cooperation with industrial and academic partners. To this end, physical model tests in reduced scale as well as large scale field tests are being performed. This paper presents the new pile testing facility in the BAM's testing site at Horstwalde. The large-scale tests being performed there are aiming at the pile capacity degradation due to cyclic axial loading (both in tension and compression) as well as at the investigation of the capacity gains due to ageing effects (pile setup). Concerning the cyclic loading, the investigations have been mainly focused on special load combinations where there is little experience and where current interaction diagrams are loosely defined. However, the aim of the tests was not the cyclic failure, but rather the assessment of the post-cyclic capacity after the application of a pre-defined number of load cycles. Here, the testing program is summarised and some key results from the first testing campaign are discussed. The paper also presents some preliminary results concerning the capacity gains through ageing and compares them to previous experience from the literature. Finally, the paper gives an outlook on further goals of the current research projects, including the validation and calibration of a design model for the cyclic capacity of piles based on measured data from real piles.
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.
Offshore piles have to withstand predominantly cyclic axial loads when they are installed in multi-pile configurations, as in jacket foundations. The dimensions of the pile are governed by both the internal capacity and the fatigue behaviour of the steel cross-section as well as by its external capacity in the pile-soil interaction. Owing to the large numbers of piled foundations required for current and future offshore wind farms, there is an urgent need to optimize the dimensions and related costs of single piles. With regard to the pile capacity, two major topics of research are the determination of possible capacity gains due to pile ageing effects and proper consideration of cyclic degradation. In order to investigate both effects, a large-scale testing facility has been constructed at the BAM TTS site in Horstwalde near Berlin. This open-air facility allows large tubular driven piles to be loaded cyclically in both tension and compression while studying the ageing effects by introducing delays between the testing campaigns. First results already show a moderate increase in pile capacity over time. Concerning the anticipated capacity degradation of cyclically loaded piles, preliminary results show an unexpected behaviour. Additional tests are currently being conducted for further clarification.
The structural performance of many geotechnical systems (e.g. axially-loaded pile foundations), depends on the shearing resistance at the soil interface, which may govern the load bearing capacity of the foundation. Experimental investigations have shown that this interaction is mainly localised within a narrow shear band next to the structure. Under cyclic loading, a contraction of the soil at the interface may arise (net volume loss), possibly leading to a stress relaxation and thus to a reduction of the load bearing capacity (the so-called friction fatigue). Based on the constitutive similarities between soil continua and interfaces, we propose here the adaption of a Generalized Plasticity model for sandy soils for the numerical analysis of interface problems. In this contribution, the results of an experimental campaign for the parameter calibration of the constitutive model are presented. The tests have been conducted with a ring shear device involving different normal stresses, roughness of the steel plates as well as cyclic loading. The new modelling approach shows promising results and has the additional practical advantage that the interface zone and the soil continuum can both be described with the same constitutive model in general boundary value problems.
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.
In diesem Beitrag wird ein grundsätzliches Untersuchungskonzept für den Schienengebundenen Verkehr in Bezug auf das langzeitliche Verhalten am Brückenübergang vorgestellt. Das damit verbundene Ziel ist die Entwicklung eines numerischen Modells zu entwickeln, dass sowohl das Langzeitverhalten wie auch das kurzzeitdynamische Verhalten beschreibt, um konstruktive Lösungen zu entwickeln und zu optimieren. In einer ersten Phase wird der Brückenübergang mittels der FEM mit zwei unterschiedlichen Randmodellierungen für das FE-Gebiet modelliert. Die Ergebnisse der Modellierung mit einer Visko-Elastischen Randmodellierung und einer Randmodellierung mittels der Scaled-Boundary-Finite-Element Methode, werden miteinander verglichen. Unterschiede in der Wirkung auf kurzzeitdynamische Kenngrößen werden gezeigt, die heranzuziehen sind, um insbesondere Setzungen im Hinterfüllungsbereich des Brückenwiderlagers abzuschätzen.