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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.
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.
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.
This paper summarizes the detailed planning of an evaluation project for dynamic load tests on bored piles in sandy soil. A test site had to be prepared, which ensures comparable conditions at all pile locations as well as a detailed knowledge on soil parameters and other boundary conditions. A detailed site investigation program was performed at a dedicated area on the BAM test site near Horstwalde south of Berlin, Germany. The site consists mainly of well graded, partly well compacted medium sands. A test program is designed that aims to give full responsibility for the testing performance to the operating consulting engineers. While each consultant is responsible for the testing of one of eight similar virgin piles, the test results will be compared to static load tests performed after the pile capacity analysis. The tests aim at a better understanding of the reliability of dynamic load tests and the necessary precautions for a good quality result.
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.
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.
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.