Bearing behavior of suction bucket foundations under tensile loading in non-cohesive soils
Final Report Abstract
Obwohl die Gründung von OWEA mit Suction Buckets als vielversprechend angesehen wird, bestehen große Unsicherheiten bezüglich des Zugtragverhaltens, was die wirtschaftliche Anwendung dieser Gründung stark einschränkt. Folglich gibt es Empfehlungen, die Zugkräfte auf die Höhe der drainierten Tragfähigkeit zu begrenzen oder sogar vollständig zu vermeiden. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die Quantifizierung des Unterdrucks nicht zuverlässig möglich ist und dieser deshalb nicht berücksichtigt werden kann. Weiterhin gibt es keine zuverlässige Prognose des Verhaltens bei wiederkehrender Zugbelastung. Zur Untersuchung dieser Fragestellungen wurden im Rahmen dieses Projekts physikalische Modellversuche durchgeführt, deren Ergebnisse für die Entwicklung eines validierten FE-Modells verwendet wurden. Weiterhin wurde ein analytisches Berechnungsmodell mit Hilfe der Erkenntnisse aus den Modellversuchen und den FE-Simulationen weiterentwickelt. Aus diesen Untersuchungen ergaben sich folgende wesentliche Erkenntnisse: • Der Unterdruck hat auch bei geringen Belastungen (Verschiebungsraten oder Kräfte) einen relevanten Einfluss auf das Tragverhalten. Demnach ist das Tragverhalten auch für Kräfte unterhalb der drainierten Tragfähigkeit partiell undrainiert und eine Interaktion des auftretenden Unterdrucks mit der inneren und äußeren Mantelreibung findet statt. • Mit einer Zunahme der Verschiebungsrate vergrößert sich der Zugwiderstand erheblich. • Die Sekantensteifigkeit erhöht sich infolge einer höheren Verschiebungsrate oder schnelleren Lastaufbringung der Zugkraft. • Die Verschiebungsakkumulation wird maßgeblich von der einwirkenden Kraft, aber auch von deren Wiederkehrperiode beziehungsweise Dauer, beeinflusst. Die größte Auswirkung hat hierbei der Betrag der maximalen Kraft, gefolgt von dem Mittelwert und der Amplitude. • Eine Akkumulation des Unterdrucks stellt sich nur ein, wenn bereits große akkumulierte Verschiebungen vorhanden sind, welche außerhalb üblicher Grenzen der Gebrauchstauglichkeit liegen. • Das transiente Auftreten einer einzelnen Zugkraft, welche geringer als die drainierte Tragfähigkeit ist, induziert vernachlässigbare irreversible Verschiebungen. Überschreitet die Zugkraft die drainierte Tragfähigkeit, treten relevante Verschiebungen auf, die jedoch im Hinblick auf die Gebrauchstauglichkeit womöglich zulässig sind. • Das Zugtragverhalten kann mit einem analytischen Modell vereinfacht abgebildet werden. Für eine exakte Bemessung ist ein solches Modell beim jetzigen Entwicklungsstand jedoch noch nicht geeignet. Somit konnten die im Projektantrag beschriebenen Ziele (Untersuchung des partiell undrainierten Verhaltens inklusive Identifikation der den Unterdruck beeinflussenden Parameter, Prognose der Verschiebungsakkumulation infolge konstanter und zyklischer Kräfte und Entwicklung eines Berechnungsmodells mit Ansätzen für zukünftige Berücksichtigung diskontinuierlicher Belastungen) weitestgehend erreicht werden. Die Verwendung eines höherwertigen Stoffgesetzes für das FE-Modell konnte hingegen angesichts teilweise unplausibler Ergebnisse nicht umgesetzt werden. Die Ergebnisse des Projekts zeigen auf, dass Zugkräfte in der Bemessung von Suction Bucket-Gründungen potentiell berücksichtigt werden können. Dies gilt allerdings nur für ein Auftreten in eingeschränkter Größe und Häufigkeit sowie in gewissem zeitlichem Abstand, damit es zu keiner signifikanten Verschiebungsakkumulation kommt und der Unterdruck zwischenzeitlich dissipieren kann. Ergänzend ist zu berücksichtigen, dass an OWEA Drucklasten aus Eigengewicht wirken, die der untersuchten aufwärtsgerichteten Verschiebungsakkumulation entgegenwirken und die bleibenden Verschiebungen potentiell reduzieren. Dieses Projekt fokussierte auf Grundsatzuntersuchungen, die auf das Zugtragverhalten beschränkt sind. Zukünftige Untersuchungen sollten ausgehend von einer stetigen Drucklast das Auftreten von zyklischen oder singulären Zugkräften analysieren.
Publications
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(2016): Numerical modeling of the behavior of bucket foundations in sand under cyclic tensile loading. Proceedings of the 6th International Conference on Structural Engineering, Mechanics and Computation, SEMC 2016, Cape Town, South Africa: 2085-2091
Achmus, M. & Gütz, P.
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(2017): Comparison of methods for the determination of the tensile bearing behaviour of suction bucket foundations in sand. 3rd International Soil-Structure Interaction Symposium, Izmir, Turkey
Gütz, P., Achmus, M. & Schröder, C.
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(2017): Model testing of suction bucket foundations under tensile loading in non-cohesive soil. Proceedings of the 8th International Offshore Site Investigation and Geotechnics Conference, OSIG 2017, London, UK: 578-585
Gütz, P., Achmus, M., Thieken, K. & Schröder, C.
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(2019): Calibration of an analytical model for tensile loaded suction buckets. Proceedings of the International Offshore and Polar Engineering Conference, ISOPE 2019, Honolulu, Hawaii: 2131-2138
Gütz, P. & Achmus, M.
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(2019): Cyclic tensile response of suction bucket foundations in sand. Proceedings of the 7th International Conference on Structural Engineering, Mechanics and Computation, SEMC 2019, Cape Town, South Africa, pp. 2263-2268.
Gütz, P. & Achmus, M
