Prognose der Langzeitverformungen für Gründungen von Offshore‐Windenergieanlagen mit einem Akkumulationsmodell

Die Abschatzung der Langzeitverformungen fur Grundungen von Offshore- Windenergieanlagen (OWEA) stellt ein nach wie vor ungelostes Problem dar. Fur einzelne Grundungstypen (z. B. Monopiles) wurden zwischenzeitlich einfache Rechenmodelle vorgeschlagen, deren Validierung jedoch – wie auch im Fall der in diesem Beitrag beschriebenen Methode – fur den Prototyp-Masstab noch aussteht. Der Beitrag beschreibt die Abschatzung der Langzeitverformungen von OWEA-Grundungen mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode (FE) unter Anwendung eines speziell fur hochzyklische Belastungen entwickelten Akkumulationsmodells. Die Vorteile gegenuber den einfachen Ingenieurmodellen liegen u. a. in der Anwendbarkeit auf beliebige Grundungssysteme und -geometrien (fur Monopiles und Flachgrundungen geeignet) sowie in der bodenmechanisch fundierten Beschreibung des Stoffverhaltens auf Basis zahlreicher zyklischer Laborversuche. Im Gegensatz zu Modellen mit entkoppelten Federn werden die Interaktion benachbarter Bodenbereiche sowie Zustandsanderungen im Boden wahrend der zyklischen Belastung berucksichtigt. Nach einer einfachen Darstellung der Rechenprozedur und der Gleichungen werden die Kalibrierung der Materialparameter aus zyklischen Versuchen am Beispiel eines offshore-typischen Feinsandes sowie die vereinfachte Abschatzung der Parameter anhand der Korngrosenverteilungskurve erlautert. Neben einer Diskussion der Vorgehensweise fur Zyklenpakete werden exemplarische FE-Berechnungen an Monopile- und Schwergewichtsgrundungen gezeigt. Prediction of long-term deformations for offshore wind power plant foundations using an accumulation model. The estimation of long-term deformations for offshore wind power plant foundations (OWPP) is still an unsolved problem. For certain foundation types (e.g. monopiles) simple models have been proposed which still have to be validated for the prototype scale – similar to the method proposed in this paper. The paper describes the estimation of long-term deformations of OWPP foundations by means of the finite-element method (FE) using an accumulation model specially developed for high-cyclic loading. The advantages, compared to the simple engineering models, are the applicability to arbitrary foundation systems and geometries (applicable to monopiles and shallow foundations) and the sound description of soil behaviour based on numerous cyclic laboratory tests. In contrast to models using decoupled springs, the interaction between adjacent soil zones and changes of the soil state parameters during cyclic loading are considered. After a simple presentation of the calculation strategy and the model equations, the calibration of the material parameters from cyclic tests is shown exemplary for an offshore-typical fine sand. The simplified estimation of the parameters based on the grain size distribution curve is also explained. Beside a discussion of the procedure for packages of cycles, exemplary FE-calculations of monopile and gravity foundations are shown.

[1]  Ta num,et al.  Experimentelle Untersuchungen zum Verhalten von zyklisch horizontal belasteten Monopiles , 2011 .

[2]  Martin Achmus,et al.  Zur Bemessung von Monopiles für zyklische Lasten , 2008 .

[3]  Torsten Wichtmann,et al.  On the "elastic" stiffness in a high-cycle accumulation model for sand: a comparison of drained and undrained cyclic triaxial tests. , 2010 .

[4]  Theodor Triantafyllidis,et al.  Gilt die Minersche Regel für Sand , 2006 .

[5]  Jean-Louis Briaud,et al.  A pressuremeter method for single piles subjected to cyclic lateral loads in sand , 1988 .

[6]  Ta num,et al.  Ein Bemessungsmodell für Monopilegründungen unter zyklischen Horizontallasten , 2011 .

[7]  T. Wichtmann,et al.  Experimental evidence of a unique flow rule of non-cohesive soils under high-cyclic loading , 2006 .

[8]  Patrick Cimolini,et al.  Rules and Guidelines , 2012 .

[9]  Torsten Wichtmann,et al.  VALIDATION AND CALIBRATION OF A HIGH-CYCLE ACCUMULATION MODEL BASED ON CYCLIC TRIAXIAL TESTS ON EIGHT SANDS , 2009 .

[10]  San-Shyan Lin,et al.  PERMANENT STRAINS OF PILES IN SAND DUE TO CYCLIC LATERAL LOADS. TECHNICAL NOTE , 1999 .

[11]  J. H. Long,et al.  EFFECTS OF CYCLIC LATERAL LOADS ON PILES IN SAND , 1994 .

[12]  Theodoros Triantafyllidis,et al.  Experimentelle Untersuchung der Verformungsakkumulation eines Flachgründungsmodells von Offshore‐Windenergieanlagen , 2011 .

[13]  H. E. Stewart.  Permanent Strains from Cyclic Variable‐Amplitude Loadings , 1986 .

[14]  Torsten Wichtmann,et al.  A high-cycle accumulation model for sand , 2005 .

[15]  Torsten Wichtmann,et al.  Simplified calibration procedure for a high-cycle accumulation model based on cyclic triaxial tests on 22 sands , 2010 .

[16]  Andrzej Sawicki,et al.  A model of soil–pile interaction owing to cyclic loading , 1991 .

[17]  Gerald P Raymond,et al.  Repeated load testing of a model plane strain footing , 1978 .

[18]  Theodor Triantafyllidis,et al.  FE-Prognose der Setzung von Flachgründungen auf Sand unter zyklischer Belastung , 2005 .

[19]  Kerstin Lesny.  Grndung von Offshore-Windenergieanlagen - Entscheidungshilfen fr Entwurf und Bemessung , 2008 .

[20]  Byron W. Byrne,et al.  Response of stiff piles in sand to long-term cyclic lateral loading , 2010 .

[21]  I. Herle,et al.  Hypoplastic model for cohesionless soils with elastic strain range , 1997 .

[22]  Gary Norris,et al.  MODELING LATERAL SOIL-PILE RESPONSE BASED ON SOIL-PILE INTERACTION , 2000 .

[23]  P. V. Wolffersdorff,et al.  A hypoplastic relation for granular materials with a predefined limit state surface , 1996 .