Grundsatzuntersuchungen zur Drift von Pfählen unter zyklischer Horizontallast bei zeitlich veränderlicher Lastrichtung und zur Reduzierung der Pfahldrift
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die im Rahmen des Forschungsprojekts durchgeführten Untersuchungen befassen sich mit dem Phänomen der Pfahldrift bei Pfählen unter zyklischer Horizontalbelastung mit veränderlicher Richtung. Dieses bisher vernachlässigte Phänomen beschreibt die vergrößerte Verformungsakkumulation von zyklisch horizontal belasteten Pfählen bei einer Veränderung der Lastangriffsrichtung im Vergleich zu einer konstanten Lastangriffsrichtung. Aufbauend auf der 1. Förderperiode, in welcher das Phänomen Pfahldrift anhand von verschiedenen Methoden der physikalischen Modellierung (1g- und ng-Versuche mit unterschiedlichen Randbedingungen) untersucht wurde, ergaben sich für die 2. Förderperiode die Fragestellung, welche Parameter einen Einfluss auf die Größe der Verformungsakkumulation haben. Weiterhin war die Abbildung der Pfahldrift mittels numerischer Modellierung sowie der Einfluss einer räumlich veränderlichen Porenzahl auf die Verschiebungsakkumulation zu analysieren. Die Einflussparameter, welche das Phänomen Pfahldrift beeinflussen, wurden in Laborversuchen anhand von Einfachscherversuchen mit veränderlicher Scherrichtung eingehend untersucht. Dadurch konnte gezielt das Verhalten des Bodens ohne Einflüsse aus der Pfahl-Boden-Interaktion analysiert werden. Es zeigt sich, dass die Ausprägung und Größe der Verschiebungsakkumulation maßgeblich von der Kornform und anfänglichen Inhomogenitäten in der Porenzahlverteilung beeinflusst werden. Allgemein zeigen die Versuche, dass die Verschiebungsakkumulation maßgeblich von der Lagerungsdichte des Sandes beeinflusst ist. Zudem ist die Akkumulation bei dicht gelagertem Sand am größten für ψ = 30◦ und bei mitteldicht gelagertem Sand für ψ = 120◦ . Bei einer Vergrößerung der Schubbeanspruchung vergrößern sich die akkumulierten Dehnungen, wobei in diesem Zusammenhang keine eindeutige Aussage über den Einfluss des Richtungsänderungswinkel getroffen werden kann, da dieser Einfluss von anderen stärker ausgeprägten Einflüssen, wie die relative Lagerungsdichte, überlagert wird. Im Rahmen der numerischen Modellierung wurde der Einfluss einer veränderlichen Lastrichtung zunächst anhand von zyklischen Einfachscherversuchen mit veränderlicher Lastangriffsrichtung durchgeführt. Bei allen numerischen Modellierungen zeigte sich in diesem Zusammenhang, dass Abbildung von höheren Zyklenzahlen mittels konventioneller FEM besonders bei der Abbildung von veränderlicher Lastrichtung sehr rechenintensiv ist und daher sehr begrenzt möglich ist. Aus den Ergebnissen der modellierten Einfachscherversuche wird deutlich, dass das verwendete hypoplastische Stoffmodell nach Wolffersdorff (1996) mit der Erweiterung der intergranularen Dehnungen nach Niemunis und Herle (1997) nicht in der Lage ist dieses Verhalten realistisch abzubilden. Die numerische Modellierung der Pfahl- Boden-Interaktion im Prototypmaßstab wurde mit den entsprechend zu dem Pfahl in den ng-Versuchen der 1. Förderperiode skalierten Eigenschaften gewählt, welches einem typischen Offshore-Monopfahl mit einem Durchmesser von D = 5 m entspricht. Im Rahmen der numerischen Modellierung im Prototypmaßstab konnte der Einfluss einer veränderlichen Lastrichtung aufgrund begrenzter Hardwareressourcen nur für eine begrenzte Zyklenzahl berechnet werden. Für die Modellierungen in dicht gelagertem Sand ergeben sich Übereinstimmungen zu den in der 1. Förderperiode durchgeführten ng-Versuchen. Weiterhin wurde der Einfluss einer räumlich veränderlichen Porenzahl im Rahmen der numerischen Modellierung im Prototypmaßstab untersucht. Hierfür wurde ein Ansatz entwickelt, in welchem jedem Element eine von den Nachbarelementen abhängige zufällige Anfangsporenzahl zugewiesen wird. Die Änderung zwischen benachbarten Elementen wird dabei in einem vorgegebenen Bereich zufällig variiert. Es konnte gezeigt werden, dass eine inhomogene Anfangsporenzahlverteilung das Akkumulationsverhalten des zyklisch horizontal belasteten Prototypenpfahls maßgeblich sowohl in der Richtung als auch dem absoluten Betrag der Verschiebung beeinflusst.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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(2012): »Modellversuche zur Drift zyklisch horizontal belasteter Pfähle bei veränderlicher Lastrichtung«. In: Tagungsband zur 32. Baugrundtagung 2012 in Mainz, Spezialsitzung Forum für junge Geotechnik-Ingenieure, S. 119–123
Rudolph C.
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(2013): »Deformation behaviour of piles subjected to cyclic lateral loading from a varying direction«. In: Proceedings of Conference on Maritime Energy 2013 in Hamburg/Germany, Veröffentlichungen des Instituts für Geotechnik und Baubetrieb der Technischen Universität Hamburg, Heft 26, S. 147–161
Rudolph C., Grabe J. und B. Bienen
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(2013): »Untersuchungen zu zyklisch horizontal belasteten Pfählen bei veränderlicher Lastrichtung«. In: Geotechnik 36(2), S. 90–95
Rudolph C. und J. Grabe
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(2014): »Drift of piles subjected to cyclic lateral loading from a varying direction: system vs. soil element behaviour«. In: Proceedings of 33rd International Conference on Ocean, Offshore and Artic Engineering 2014 in San Francisco/USA, elektronisch publiziert unter OMAE2014-23212
Rudolph C., Grabe J. und B. Bienen
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(2014): »Effect of variation of the loading direction on the displacement accumulation of large-diameter piles under cyclic lateral loading in sand«. In: Canadian Geotechnical Journal 51, S. 1196–1206
Rudolph C., Bienen B. und J. Grabe
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(2014): »Response of monopiles under cyclic lateral loading with a varying loading direction«. In: Proceedings of International Conference on Physical Modelling in Geotechnics 2014 in Perth/Australia, Band 1, S. 453–458
Rudolph C., Grabe J. und B. Bienen
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»Simple shear tests with a varying shearing direction during cyclic shearing«. In: Geotechnique Letters 4, S. 102–107
Rudolph C., Grabe J. und I. Albrecht
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(2015): »Untersuchungen zur Drift von Pfählen unter zyklischer, lateraler Last aus veränderlicher Richtung«. Dissertation. Institut für Geotechnik und Baubetrieb der Technischen Universität Hamburg, Heft 32
Rudolph, C.
