Degradation des Pfahltragverhaltens unter zyklischer Axialbelastung

Das Forschungsprojekt ist als Teilprojekt 3.11 sowie die zugehörigen Modellversuche als TP 4.7 in das Verbundprojekt “Lebensdauer – Forschung an den OWEA-Tragstrukturen im Offshore-Testfeld alpha ventus – GIGAWIND life“ eingebunden.

Gründungspfähle von aufgelösten Tragstrukturen für Offshore-Windenergieanlagen (OWEA) unterliegen häufig hochgradig zyklischen Zug- und Druckbelastungen infolge von Wind- und Wellenbelastungen. Aus wenigen Probebelastungen und Modellversuchen ist bekannt, dass zyklisch axial belastete Pfähle eine deutliche Tragfähigkeitsreduktion gegenüber ihrer statischen Tragfähigkeit aufweisen können. Als Ursachen hierfür werden hauptsächlich die Verdichtung der pfahlmantelnahen Sande infolge der zyklischen Scherbeanspruchungen und somit die Verringerung der Radialspannung sowie die Reduktion des Reibungskontakts von der Bruch- zur Restscherfestigkeit gesehen.

Aus den wenigen verfügbaren Versuchen wurden von verschiedenen Autoren Interaktionsdiagramme entwickelt. Jedoch können mit solchen Diagrammen unterschiedliche Bodenparameter oder Pfahlgeometrien und -steifigkeit nicht berücksichtigt werden. Ein generell gültiger Berechnungsansatz für dieses Problem steht derzeit nicht zur Verfügung.

Zur Bestimmung der Degradation der Pfahltragfähigkeit infolge aller zuvor genannten Einflussgrößen wird ein zweidimensionales axialsymmetrisches Modell mit vierknotigen axialsymmetrischen Elementen (CAX4), welches im Finite-Element-Programm ABAQUS (Abaqus 2012) berechnet wird, eingesetzt. Hierbei wird im ersten Berechnungsschritt der Initialspannungszustand des Baugrunds ermittelt und anschließend werden die entsprechenden Bodenelemente durch den Pfahl mit seinem Eigengewicht und den erforderlichen Kontaktbedingungen ersetzt.

Die charakteristische statische Pfahltragfähigkeit R_k wird nun für variierende Bodenparameter und Pfahlgeometrien sowie -steifigkeiten bestimmt, indem der Pfahl bis zum Versagen auf Zug belastet wird. Hiermit können nun verschiedene mittlere X_mitt und zyklische Belastungsniveaus X_zyk definiert und der Pfahl zyklisch belastet werden.

Im initialen Belastungszyklus werden die hier aufgetretenen Scherdehnungen je Element γ_i aus den Hauptdehnungskomponenten ε₁, ε₂, und ε₃ nach Gleichung (1) berechnet und deren Extrema γ_max,i und γ_min,i zur Berechnung der Scherdehnungsamplitude γ_xy,i nach Gleichung (2) herangezogen (Abb. 3).

γ_i = (2/3⋅((ε₁-ε₂)²+(ε₂-ε3)²+(ε₁-ε₃)²)^1/2                                                                  (1)

          γ_xy,i = (γ_max,i - γ_min,i)/2                                                                                        (2)

Silver & Seeds (1971) untersuchten die normale Volumendehnung infolge einer zyklischen Scherbelastung in einer Vielzahl von weggesteuerten Einfachscherversuchen an Sand unter Variation der Lagerungsdichte, Auflast und Scherdehnung über die Zyklenzahl (Abb. 4).

Analytisch lässt sich die beobachtete zyklische Kontraktanz wie folgt beschreiben:

   ε_c = (10^{1,71-2,82⋅ID+0,94⋅ID2} ⋅10^{1,23⋅logyxy})⋅(0,3+0,7⋅logN)                               (3)

Die hieraus berechnete normale Volumendehnung wird vor Beginn des nächsten Belastungszyklus auf die Bodenelemente aufgebracht, welches zur Reduktion der Radialspannungen auf den Pfahlmantel und folglich zur Degradation der Pfahltragfähigkeit führt. Aufgrund des nahezu elastischen Verhaltens von Erdstoffen bei sehr kleinen Dehnungen, wird erst eine zyklische Kontraktanz auf die Bodenelemente aufgebracht, wenn die Grenzscherdehnung γ_lim = 5·10^-5 für Sande nach Vucetić (1994) überschritten wird.

Die bis zum Bruch des Pfahls erreichten Zyklenzahlen N können in Interaktionsdiagrammen (Abb. 2) für unterschiedliche Pfahlgeometrien und Bodeneigenschaften aufgetragen werde. Pfähle, welche Zyklenzahlen N > 1·10¹⁰ erdulden, werden als zyklisch stabil beurteilt und ihre akkumulierte Pfahlhebung ausgewertet.