Verhalten von Monopiles in nichtbindigem Seeboden unter horizontaler zyklischer Belastung

"Der Aktionsplan für Energieeffizienz" der Europäischen Kommission sieht bis zum Jahr 2020 eine Reduktion des Energieverbrauchs von 20 % vor. Die Energiegewinnung mittels Offshore-Windenergieanlagen wird dazu einen Beitrag leisten. In Deutschland sind Offshore Windparks in der Nord- und Ostsee geplant, wobei die Nordsee besonders anspruchsvolle meteorologische Bedingungen aufweist. Als eine Gründungsmöglichkeit der Offshore-Windenergieanlagen wird u.a. die Monopilegründung mit großem Durchmesser diskutiert. Die zyklisch auf die Monopilegründung einwirkende Wind- und Wellenlast, kann sich in 10E6 Zyklen über die Lebenszeit der Struktur verteilen. Die aus dieser hoch zyklischen Belastung resultierienden Verformungen von Monopiles mit großem Durchmesserlassen sich mit den derzeit existierenden Berechnungsverfahren nicht abbilden. Zwar werden im dem "Standard Baugrunderkundung des Bundesamts für Seeschifffahrt und Hydrographie" (BSH, 2003), zur Prognose des zyklischen Tragverhaltens von Monopilegründungen zyklische Laborversuche gefordert, jedoch wird die Durchführung solcher Versuche hierin nicht weiter vorgestellt. Gegenstand dieses Beitrages ist es, ein rechnerisches Verfahren zur Bestimmung der Verschiebung eines Monopiles im nichtbindigen Seeboden unter hoch zyklischer Schwellbelastung mittels zyklischer Triaxialversuchsergebnisse zu entwickeln.

Beschreibung:

Um das Verhalten einer Monopilegründung in einem nichtbindigen Boden unter zyklischer Belastung abbilden zu können, wurde ein rechnerischer Ansatz bestehend aus einer Steifigkeitsreduktion und einer Finite Elemente-Berechnungen entwickelt. Die Verschiebungsakkumulation infolge zyklischer Belastung wird hierbei als spezifische Abnahme des Sekantensteifemoduls in jedem Element des Pfahl-Boden FE-Modells interpretiert. Sofern die elastische Dehnung vernachlässigbar klein ist, kann der Sekantenmodul nach dem N-ten Lastzyklus E_sN von jedem Element mit einer bleibenden axialen Dehnung nach dem ersten Lastzyklus ε^a_p,N=1 und nach dem N-ten Lastzyklus ε^a_p,N formuliert werden. Kombiniert mit den empirischen Ansätzen nach Huurman (1996) kann die Reduktion des Sekantensteifemoduls von jedem Element des Finite Elemente-Modells mit der spannungsabhängigen Variablen X und zwei Regressionsparametern b₁ und b₂ aus zyklischen Triaxialtests bestimmt werden.

Gleichung 1

Die Regressionsparameter sind von den bodenmechanischen Eigenschaften des nichtbindigen Baugrunds abhängig und können anhand von zyklischen Triaxialversuchsergebnissen abgeleitet werden. Der spannungsabhängige Parameter X lässt sich durch die Hauptspannung im Bruchzustand im statischen Triaxialversuch σ_1,f und die durch die zyklische Axialspannung σ_1,cyc ausdrücken.

Gleichung 2

Um die zyklenbezogene Verschiebungsantwort zu ermitteln, wird die zugehörige Steifigkeitsreduktion dem elastoplastischen Material in einem Finite Elemente-Modell  zugeteilt. Mit dem vorgestellten Steifigkeitsreduktionsverfahren lassen sich die Verschiebungsakkumulationen von komplizierten und hoch zyklisch belasteten Pfahl-Boden Systemen auf der Grundlage von zur Zeit beschränkt verfügbaren zyklischen Triaxialversuchsergebnissen simulieren. Mit diesem Verfahren werden gegenwärtig die Einflüsse aus Geometrie, Pfahlsteifigkeit, Belastungsbedingungen und Bodendichte in Parameternstudien untersucht.

Publikationen:

[1] Achmus, M., Abdel-Rahman, K., Kuo, Y.-S. and Peralta, P. (2007). "Untersuchungen zum Tragverhalten von Monopilegründungengründungen unter zyklischer Belastung," Pfahlsymposium 2007, Braunschweig, pp. 95-115.

[2] Achmus, M., Abdel-Rahman, K. and Kuo, Y.-S. (2007). "Numerical Modeling of Large Diameter Steel Piles under Monotonic and Cyclic Horizontal Loading," International Symposium on Numerical Models in Geomechanics (NUMOGX), Rhodes, Greece, pp. 453-459.

[3] Kuo, Y.-S. (2007). "Numerical Modeling of Monopile Foundations under Cyclic Horizontal Loading," 2. nationalen PhD-Seminar der EAWE (Deutsche Sektion), Hannover, Germany, pp. 17-18.

[4] Achmus, M., Abdel-Rahman, K. and Kuo, Y.-S. (2007). "Zur Bemessung von Pfahlen fur Offshore-Windenergieanlagen unter statischen und zyklischen Lasten," Gigawind Symposium 2007, Hannover.

[5] Achmus, M., Abdel-Rahman, K. and Kuo, Y.-S. (2007). "Behavior of large diameter monopiles under cyclic horizontal loading," International Colloquium on Structural and Geotechnical Engineering (ICSGE), Cairo, Egypt, pp. 860-870.

[6] Kuo, Y.-S. and Achmus, M. (2008). "A numerical model to simulate the performance of foundation elements under cyclic loading," Proceeding of the BGA International Conference on Foundations, Dundee, Scotland, Vol.2, pp. 1247-1258.

[7] Achmus, M., Abdel-Rahman, K. and Kuo, Y.-S. (2008). "Design of Monopile Foundations for Offshore Wind Energy Plants," 11th Baltic Geotechnical conference -Geotechnics in maritime engineering, Gdansk, Poland, Vol. 1, pp. 463-470.

[8] Kuo, Y.-S. (2008). On the behavior of large-diameter piles under cyclic lateral load, Mitteilungsheft 65, Institut fur Grundbau, Bodenmechanik und Energiewasserbau, Leibniz Universitat Hannover.

[9] Achmus, M., Kuo, Y.-S. and Abdel-Rahman, K. (2008). "Zur Bemessung von Monopiles für zyklische Lasten," Bauingenieur, Vol.83, pp. 303-311.

[10] Achmus, M., Kuo, Y.-S. and Abdel-Rahman, K. (2008). "Behavior of monopile foundations under cycliclateral load," Computers & Geotechnics. (revised)

[11] Kuo, Y.-S, Achmus, M. and Abdel-Rahman, K. (2008). "Application of cyclic triaxial test results on estimation of lateral deforamtion of monopiles foundations," Chinese Journal of Geotechnical Engineering. (revised)