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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.
Static and dynamic pile tests are carried out to determine the load bearing capacity and the quality of reinforced concrete piles. As part of a round robin test to evaluate dynamic load tests, structure integrated fibre optic strain sensors were used to receive more detailed information about the strains along the pile length compared to conventional measurements at the pile head. This paper shows the instrumentation of the pile with extrinsic Fabry-Perot interferometers sensors and fibre Bragg gratings sensors together with the results of the conducted static load test as well as the dynamic load Tests and pile integrity tests.
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.
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.
Ziel des Ringversuchs war die Bewertung von dynamischen Pfahlprobebelastungen von Bohrpfählen insbesondere mit Bezug auf den „human factor“. Dafür wurde fünf Prüfern ohne weitere Vorgaben jeweils ein Pfahl zur Ermittlung der Grenztragfähigkeit zur Verfügung gestellt. Vergleiche der dynamischen mit den statischen Prüfungen wurden durch das ausgeprägte Kriechverhalten, das nur bei statischen Prüfungen ermittelt werden kann, erschwert. Unter Einbeziehung der lokalen Tragfähigkeitsunterschiede ergaben sich hinsichtlich der Schwankungen gut interpretierbare Tragfähigkeitswerte, wobei einzelne Ausreißer auf der sicheren Seite liegen. Im Wesentlichen haben alle Prüfer festgestellt, dass die Pfähle des Ringversuchs gegenüber den Erfahrungswerten der EA-Pfähle niedrige Tragfähigkeiten aufweisen. Unabhängig hiervon hat sich jedoch auch gezeigt, dass alleine die Auswertung der Messsignale eines Schlages durch den „human factor“ über 30 % abweichende Grenztragfähigkeiten ergeben können. Die aktuelle Normung berücksichtigt die unterschiedliche Aussagekraft einer dynamischen Prüfung gegenüber einer statischen mit Erhöhungen der Streuungsfaktoren, die in der gleichen Größenordnung liegen. Am Ende muss der Geotechnische Sachverständige bei jedem Bauvorhaben die Ergebnisse der dynamischen Prüfungen bewerten und die Grenztragfähigkeiten festlegen. Abschließend ist festzuhalten, dass nach Durchführung des Ringversuchs sämtliche dynamisch geprüften Pfähle zerstört waren. Ursächlich war der relativ geringe mobilisierbare Spitzendruck, wodurch die aufgebrachte Energie am Fuß als Zugwelle reflektiert wird.
Pfähle werden in Deutschland auf der Basis von Pfahlprobebelastungen oder
Erfahrungswerten bemessen. Dynamische Pfahlprobebelastungen sind deshalb
von besonderem Interesse, weil sie eine kostengünstige Messung zur
Bestimmung von Pfahltragfähigkeiten ermöglichen. Für gerammte Stahlprofile
liegen eine Reihe positiver Vergleichsstudien und somit auch eine hohe
Akzeptanz des Verfahrens vor (siehe z.B. Bergholz 2012, Baeßler et al. 2012).
Im Allgemeinen muss man davon ausgehen, dass für Bohrpfähle aber erheblich
größere Schwierigkeiten bei der Bestimmung der Tragfähigkeit durch
dynamische Pfahlprobebelastungen auftreten. Zur Evaluierung von Ergebnissen
aus dynamischen Pfahlprobebelastungen an Bohrpfählen wurde von BAW und
BAM ein Ringversuch durchgeführt, an dem sich fünf
BAW and BAM have performed a large scale comparison and calibration test on static and dynamic load capacity evaluation of bored piles in glacial sandy soil. The test was performed using eight piles at the BAM test site for technical safety at Horstwalde 50 km south of Berlin. The test area has been prepared and investigated in great detail using boreholes, cone penetration tests, pore pressure sensors and geophysical methods to assure controlled conditions for all piles and tests. The piles (10 m length, 0.9 m diameter) are mainly friction piles (low toe resistance) and have been checked by integrity testing. Five piles have been tested by five contractors using the dynamic method in a blind experiment, the other ones piles by static load and/or later on by the dynamic method. Some piles have been equipped with additional fibre optic Instrumentation which proved to be robust and helpful in interpreting the results of static, dynamic and integrity tests. We have experienced a deviation of the dynamic load test results gathered in the blind experiment from the static values of up to 20% in most cases, sometimes even up to 30%. This can be related to the known soil inhomogeneities, interpretation and modelling in CAPWAP and method inherent uncertainties. In cases where the static values were known by the testers for calibration, the deviations were significantly smaller. It has to be taken into account, that the two static load tests showed different results as well. Due to the low toe resistance, use of a big drop weight (11 tons) and large drop heights most piles suffered from cracking, which was clearly seen in follow up integrity tests and confirmed by excavation. The piles are available for further research.
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.
A great deal is possible, even on the seabed. Together, wind and waves shake the foundations of the offshore wind turbines. "ere is also the “normal” current and ebb and #ow of the tides that are so distinctive in the North Sea. Pore water pressure can also occur on the seabed, loosening it. Where monopiles are involved, the worst case is that the stability of the whole turbine can be altered – even if such a monopile rammed into the seabed has a diameter of up to eight metres. Over half the planned offshore wind turbines in the North and Baltic Seas are to have monopile foundations, and over 40 % are to have multi-pile foundations, designed for example as a tripod. "is is why pile foundations and their loads deserve special attention. For one thing above all is to be avoided in plant operations, and that is the risk of turbine tilt.
