Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-5942
Main Title: Experimentelle Untersuchungen zur Verformungsakkumulation und Tragfähigkeitsreduktion zyklisch belasteter Pfahlgründungen
Translated Title: Experimental investigations on deformation accumulation and load bearing capacity reduction of cyclic loaded pile foundations
Author(s): Georgi, Steven
Advisor(s): Savidis, Stavros
Referee(s): Savidis, Stavros
Rücker, Werner
Möller, Gerd
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: de
Abstract: Confronted with the effects of wind and waves, the foundations for offshore wind turbines are exposed to cyclic and dynamic loads. In this respect, different types of driven pile foundations, either the monopile or the multi-pile foundation, are frequently envisaged as foundation systems. Depending on the chosen variant the piles transfer the loading in different ways into the subsoil. The monopile bears the lateral loads from wind and waves through its lateral bedding and the consequent subgrade reaction. On the other hand, the lateral actions generate pairs of tension and compression axial forces in the opposite piles of a multi-pile foundation. These axial forces will be carried into the subsoil by means of the shaft friction and, whenever possible, by the pile’s tip resistance. In order to design the piles for both the ultimate and the serviceability limit states, the transient loads resulting from wind and waves are often converted into an intended “equivalent”, usually sinusoidal, cyclic loading with constant amplitude and a lower number of cycles. However, this approach neglects any influence from the order of appearance of the original loads. The implications of this fact for the discrepancy between the design predictions and the actually occurring deformations or load capacity reductions have not yet been clarified. A significant point investigated in this work is therefore to assess the independence of the deformations and load carrying capacity changes due to cyclic loading of the order of appearance of different loads in drained conditions. For this purpose, a program of experimental tests has been carried out, which for the case of the laterally loaded single pile foundation was based on physical model tests in two different scales. The validity of the hypothesis of independence of the deformations of the order of different loads for a wide range of applications has been here investigated with a variation of pertinent soil and system parameters. It is also essential to assess the quality and accuracy of the approach used for the prediction of accumulated deformations for the laterally loaded single pile foundations. This has to reflect as closely as possible the deformations that will arise in the relevant range of the numbers of load cycles. This thesis therefore also examines the quality of different empirical methods for predicting the accumulation of deformations as correlated with the results of physical model tests of a laterally loaded single pile. Thereby, the variation of the different prediction parameters with the properties of the soil system and load characteristics has been assessed. Furthermore, the validity of the prediction method across the scales is confirmed by the results of the investigations at different geometrical scales. By using different sands in the model tests, the transferability of the findings to other soil conditions is also confirmed. Concerning the axially loaded piles of a multi-pile foundation, the essential phenomena contributing to their structural behavior cannot be scaled up from a small physical model of the pile. Therefore, the experimental investigations for these piles are performed by means of element tests of the pile-soil interface at the original scale. For this purpose, the physical testing with a ring shear device has been found suitable. The results of these tests confirm the general independence of the shear strength development from the sequence of different loads in drained conditions. However, the existing empirical prediction models to estimate the change in radial stress on pile shaft due to cyclic loading, assumed to be a reason for changes in axial capacity, do not always reflect correctly the results of element tests in the shear device. For this reason, an existing empirical approach has been extended in this work in order to determine the relevant influences of the load characteristics and include them in the prediction of capacity degradation. With this extended empirical approach, the influence of the mean shear stress is taken into account on the degradation of the shear strength in addition to the influence of the shear stress amplitude. Thereby, the influence of different soil, load and system parameters were considered. Finally, the applicability of the empirical approach for the determination of the expected reduction in bearing capacity due to cyclic axial loading of pile foundations is demonstrated with a simple practical example.
Die Gründungen von Offshore-Windenergieanlagen sind angesichts der Wind- und Wellenbeanspruchung auch zyklischen und dynamischen Belastungen ausgesetzt. Häufig vorgesehene Gründungen sind verschiedene Varianten der Rammpfahlgründung. In Abhängigkeit von der gewählten Variante der Pfahlgründung, Einzelpfahl oder Mehrpfahlgründung, tragen die Gründungspfähle die Einwirkungen auf unterschiedliche Weise in den Baugrund ab. Der Einzelpfahl trägt die lateralen Einwirkungen aus Wind und Wellen über horizontale Bettung in den Baugrund ab. In den gegenüberliegenden Pfählen einer Mehrpfahlgründung hingegen entstehen aus den lateralen Einwirkungen Zug- und Druckkräftepaare. Diese axialen Beanspruchungen der Pfähle werden über Mantelreibung und ggf. Spitzendruck in den Baugrund abgetragen. Zur Bemessung der Pfahlgründungen in den Grenzzuständen der Tragfähigkeit und der Gebrauchstauglichkeit sind die transienten Belastungen aus Wind und Wellen oft in eine äquivalente, meist sinusförmige Belastung mit konstanten Amplituden und geringerer Zyklenzahl zu überführen. Dabei gehen Informationen zur Reihenfolge der ursprünglichen Belastungen verloren. Zu den Auswirkungen dieser Vorgehensweise auf die Abweichungen zwischen Prognose und tatsächlich eintretender Verformung oder Tragfähigkeitsreduktion sind noch relevante Fragen offen. Ein wesentlicher, im Rahmen dieser Arbeit untersuchter Punkt ist daher die Überprüfung der Unabhängigkeit der Verformungen und Tragfähigkeitsänderung infolge zyklischer Belastung von der Reihenfolge unterschiedlicher Belastungen unter drainierten Bedingungen. Dazu wurden im Rahmen dieser Arbeit experimentelle Untersuchungen angestellt, die im Fall der lateral belasteten Einzelpfahlgründung als 1g-Modellversuchen in zwei verschiedenen Maßstäben ausgeführt wurden. Mit der Variation von Baugrund- und Systemparametern wird die Gültigkeit der Hypothese der Unabhängigkeit der Verformungen von der Reihenfolge unterschiedlicher Belastungen für ein breiteres Spektrum von Anwendungsfällen untersucht. Wesentlich für die Genauigkeit einer Verformungsprognose für lateral beanspruchte Einzelpfahlgründungen ist die Qualität des hierzu verwendeten Prognoseansatzes. Dieser muss die Verformungen im relevanten Wertebereich der Zyklenzahlen möglichst genau wiedergeben. Für den lateral belasteten Einzelpfahl wird daher geprüft, welche empirische Methode zur Prognose der Verformungsakkumulation eine gute Vergleichbarkeit mit den Ergebnissen von Modellversuchen aufweist und auf welche Baugrund- System oder Belastungsparameter die Variablen dieser Prognose zurückführbar sind. Durch die Untersuchungen in verschiedenen Maßstäben wird die Übertragbarkeit der Prognosemethode auf andere Maßstäbe betrachtet. Durch die Verwendung verschiedener Versuchssande in den Modellversuchen wird die Übertragbarkeit der gewonnenen Erkenntnisse bzw. der Geltungsbereich der empirischen Verformungsprognose auf andere Baugrundverhältnisse ebenfalls untersucht. Für die axial belasteten Pfähle einer Mehrpfahlgründung können wesentliche zum Tragverhalten beitragende Effekt nicht skaliert werden. Deshalb werden die experimentellen Untersuchungen für diese Pfähle mit Hilfe von Elementversuchen durchgeführt. Als hierfür geeigneter Versuch hat sich der Kreisringscherversuch herausgestellt. In diesem konnte die weitgehende Unabhängigkeit der Scherfestigkeitsentwicklung von der Reihenfolge unterschiedlicher Belastungen unter drainierten Bedingungen auch bei Schubbeanspruchung nachgewiesen werden. Vorhandene empirische Prognose-Modelle zur Abschätzung der Änderung der radial auf den Pfahl wirkenden Spannungen infolge zyklischer Belastung, die als Ursache für Tragfähigkeitsänderungen angenommen werden, geben die Ergebnisse von Elementversuchen im Kreisringschergerät nicht immer zuverlässig wieder. Aus diesem Grund wurde im Rahmen dieser Arbeit ein vorhandener empirischer Ansatz erweitert, um relevante Einflüsse der Belastung erfassen und in die Degradationsprognose einbeziehen zu können. Mit dem erweiterten empirischen Prognoseansatz wird neben dem Einfluss der Belastungsamplitude auch der Einfluss der mittleren Scherbeanspruchung auf die Degradation der Scherfestigkeit berücksichtigt. Auch für die empirische Methode zur Prognose der Tragfähigkeitsänderung zyklisch axial belasteter Pfähle wurden Einflüsse von Baugrund- Belastungs- und Systemparametern betrachtet. Abschließend wird anhand einer Beispielrechnung die Anwendbarkeit der empirischen Prognose zur Ermittlung der zu erwartenden Tragfähigkeitsreduktion infolge zyklisch axialer Belastung von Pfahlgründungen dargestellt.
URI: http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/6392
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-5942
Exam Date: 11-Nov-2016
Issue Date: 2017
Date Available: 7-Jun-2017
DDC Class: DDC::600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften::620 Ingenieurwissenschaften::624 Ingenieurbau
Subject(s): Geotechnik
zyklisch
Pfahlgründung
Kreisringscherversuch
Modellversuch
geotechnical engineering
cyclic
pile foundation
ring shear test
model test
Creative Commons License: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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