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Pore-pressure accumulation and soil softening around pile foundations for offshore wind turbines
(2012)
Relevant factors for the liquefaction susceptibility of cyclically loaded offshore monopiles in sand
(2013)
The offshore foundations may exhibit a relatively high liquefaction susceptibility due to the full saturation of the porous seabed and the cyclic nature of the typical offshore loads. Here, the particular relevance of some of the main factors that affect the liquefaction susceptibility of an offshore monopile will be addressed, focusing on the possibility of a progressive accumulation of residual pore water pressure within the saturated soil around a monopile under cyclic lateral loading. The discussion is based on numerical results obtained with a coupled FE model of the offshore foundation which includes the Biot-Zienkiewicz u-p model. A constitutive model of the Generalized Plasticity type has been used for the soil in order to reproduce important features of its behaviour under cyclic loading. This paper presents the findings derived from a parametric study of the problem and shows that the accumulation of residual pore pressure can produce significant changes of the pile's behaviour under external loading. The paper also investigates the effects caused by the loading from a realistic storm of moderate magnitude and the consequential transient degradation of the foundation's stiffness.
Sand densification around the pile has traditionally been regarded as an explanation for the grain migration and soil subsidence that often occur around cyclic laterally loaded piles embedded in sand. Supported by new empirical evidence, this paper proposes that, additionally to some soil densification around the pile, the main cause for the continuous "steady-state" grain migration is a convective cell flow of sand grains in the vicinities of the pile head. Such convective flow would be caused by a ratcheting mechanism triggered by the cyclic low-frequency lateral displacements of the pile. Furthermore, the experimental results suggest that the limit between the convective cell and the static soil is marked by a distinct direct shear surface. This might shed some light into the complex phenomena related to the pile-soil interaction in the upper layers of the bedding, which are normally the main contributor for the lateral load-bearing capacity of piles.
Porenwasserdruckaufbau und Bodenentfestigung um Pfahlgründungen von Offshore-Windenergieanlagen
(2012)
Die Gründung von Offshore-Windenergieanlagen erfordert oft die Installation von Stahl-Pfählen mit großem Durchmesser, entweder als Monopile- oder Mehrpfahl-Konfiguration (Jacket, Tripod, usw.). In dieser Veröffentlichung werden die Auswirkungen einer zyklischen lateralen Belastung auf Offshore-Pfahlgründungen untersucht. Hierbei wird besonderes Augenmerk auf die Entwicklung des Porenwasserdrucks im umgebenden gesättigten Boden gelegt. Es wird gezeigt, dass der progressive Aufbau von Porenwasserdruck zu erheblichen Veränderungen des Verhaltens der Gründung unter externer Belastung führen kann, die die Stabilität bzw. Gebrauchstauglichkeit der Anlage potenziell gefährden. Dazu werden auch einige Effekte, die während eines realistischen Sturms von moderater Stärke entstehen, untersucht. Die transiente Abminderung der Gründungssteifigkeit wird hierbei thematisiert. Die genannten Aspekte wurden von den Autoren mittels eines gekoppelten zweiphasigen numerischen Modells der Offshore-Gründung untersucht. Das verwendete Stoffgesetz für den Boden, im Rahmen der Theorie der verallgemeinerten Plastizität, kann wichtige Merkmale von zyklischem Bodenverhalten reproduzieren, wie z. B. die Tendenz zu einer fortschreitenden Verdichtung unter zyklischer Belastung, die für Verflüssigungsphänomene unter undränierten Bedingungen verantwortlich ist. Die Notwendigkeit der Verwendung eines solchen Ansatzes wird hier anhand von Vergleichsberechnungen mit einem einfacheren Stoffmodell bzw. mit einem ungekoppelten Modell erörtet. Abschließend werden einige Implikationen der untersuchten Fragenstellungen für die praktische Bemessung von Offshore-Monopiles diskutiert und spezifische Empfehlungen gegeben.---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
For the installation of wind turbines in the offshore environment and their foundation in the seabed it is customary to employ large-diameter steel piles, either in monopile or multi-pile configurations (jacket, tripod, etc. ...). The effects of cyclic lateral loading on the offshore piles and particularly the possibility of a progressive accumulation of residual pore water pressure within the saturated embedding soil are discussed in this article. Here it is shown that this can lead to significant changes of their behaviour under external loading, which can potentially compromise the foundation's stability or serviceability. Furthermore, some of the singular effects arising during a realistic storm of moderate magnitude as well as their potential for transient damages to the foundation's stiffness are addressed in the paper. For the investigation of these phenomena the authors have employed a coupled bi-phasic analytical model of the offshore foundation. The constitutive model employed for the seabed, in the frame of the theory of Generalized Plasticity, can reproduce some complex features of cyclic soil behaviour such as the tendency for a progressive densification under cyclic loading, which is responsible for the soil liquefaction phenomena in undrained conditions. Finally, some implications and specific recommendations for the design of offshore monopiles in the frame of the limit states are provided.
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.
In diesem Artikel wird ein 3D FE-Modell für den Brückenübergangsbereich vorgestellt, das eine Bewertung hinsichtlich des Langzeitverhaltens ermöglicht und an dem Optimierungsmaßnahmen diskutiert werden können. Bestandteile des numerischen Modells sind das Fahrzeug-Fahrwegmodell mit Brückenstruktur und eine Randformulierung mit der SBFEM. Die hier diskutierten Optimierungsmaßnahmen fokussieren sich auf eine reine Anpassung der Fahrwegsteifigkeit durch elastische Elemente auf der Brückenstruktur.
The main degradation process at bridge transition zones due to traffic loads is the appearance of differential settlements. Abrupt stiffness changes, repeating traffic loads and relative displacements of the superstructure ends on bridges often aggravate this problem. In this contribution, a 3D finite element (FE) model extended with a boundary formulation in the frame of the scaled-boundary finite element method (SBFEM) for a transient analysis of train-track-bridge interaction is presented. This numerical model permits an assessment of bridge transition zone with respect to permanent deformations of the track. The main focus lies on the modeling strategies for the vehicle and their impact on suitable assessment criteria for bridge transition zones. For this purpose, two different modeling strategies for the vehicle, a moving load model and a multibody model, have been compared and discussed on the basis of the assessment criteria. The results indicate that the model of the vehicle has a minor effect for an assessment on the embankment, but that the assessment on the bridge may show significant differences depending on whether the inertial components of the vehicle (multibody model) are considered.
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.