Pile groups under cyclic horizontal loading
Final Report Abstract
Zum Tragerhalten von Einzelpfählen und Pfahlgruppen unter zyklischen Einwirkungen liegt nur ein geringer Kenntnisstand vor. In der Praxi werden daher häufig mehr oder weniger willkürlich gewählte pauschale Abminderungsfaktoren für Bemessungskennwerte verwendet, die ursprünglich für monotone Einwirkungen hergeleitet wurden. Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens wurden zyklisch, horizontal belastete Pfahlgruppen daher experimentell und numerisch untersucht, um die maßgeblichen Einflussparameter auf das Tragverhalten zu identifizieren und die für monotone Einwirkungen hergeleiteten Bemessungsansätze für zyklische Einwirkungen anzupassen. Dazu wurden zunächst für verschiedene Pfahlgruppenkonfigurationen kleinmaßstäbliche 1g Modellversuche in mitteldichtem und dichtem Sand durchgeführt, wobei die Pfahlachsabstände und die Lastamplituden variiert wurden. In den Modellversuchen wurde jeweils die Horizontalverschiebung der Pfahlgruppe, die Verteilung und zyklische Änderung der Biegemomente der einzelnen Pfähle sowie die zyklenabhängige Lastverteilung innerhalb der Pfahlgruppe ermittelt. Für ausgewählte Versuche wurden zusätzlich zyklische p-y Kurven bestimmt. Aus den Ergebnissen der Modellversuche wurden zur Prognose der Verformungsakkumulation logarithmische Funktionen abgeleitet. Die Funktionen beschreiben die zyklische Zunahme der Verformungen in Abhängigkeit der Pfahlgruppenkonfiguration, der Zyklenzahl und der Lastamplitude. Die Verteilung der Biegemomente innerhalb der Pfahlgruppe weisen auf so genannte „Shadowing“- Effekte zwischen den einzelnen Pfahlpositionen hin. Dabei handelt es sich um eine Reduktion des lateralen Pfahlwiderstandes, die aus sich überlappenden Scherzonen der einzelnen Gruppenpfähle resultiert. Aus den zyklischen Änderungen der Biegemomente kann zudem auf Auflockerungsbzw. Verdichtungseffekte des Bodens im Pfahlnahbereich geschlossen werden. Die für die Bemessung von Pfahlgruppen unter monotonen horizontalen Einwirkungen verwendeten Lastverteilungsfaktoren wurden im Hinblick auf ihre Abhängigkeit von der Zyklenzahl untersucht. Aus der experimentell bestimmten Bandbreite der Lastverteilungsfaktoren wurde dann für jede Pfahlgruppenkonfiguration eine mittlere, zyklenabhängige Lastverteilung bestimmt und mittels logarithmischer Funktionen approximiert. Die Nachrechnung ausgewählter Modellversuche wurde mit einem auf der FEM basierenden Berechnungsmodell unter Berücksichtigung eines hypoplastischen Stoffmodells für den Boden durchgeführt. Dabei konnte insbesondere für niedrigere Lastamplituden eine zufriedenstellende Übereinstimmung von Messung und Simulation erzielt werden. Bei höheren Lastamplituden ergab sich aus den Berechnungen ein gegenüber den Messungen steiferes Last-Verformungsverhalten. Die numerischen Simulationen zeigten allerdings die Anwendungsgrenzen der gewählten Vorgehensweise, nämlich die Lastzyklen im Einzelnen abzubilden, auf. Dies war aufgrund der erforderlichen kleinen Berechnungsschritte mit entsprechend langen Rechenzeiten verbunden und daher lediglich für eine geringe Anzahl von Lastzyklen (max N = 70) möglich. Eine Verbesserung kann hier zukünftig durch die Verwendung hochzyklischer Akkumulationsmodelle (z.B. Wichtmann 2016) gelingen, mit denen das Spannungs-Dehnungsverhalten des Bodens nicht in den einzelnen Lastzyklen abgebildet werden muss. Unter Berücksichtigung der Ergebnisse der experimentellen und numerischen Untersuchungen wird z.Zt. ein auf dem Extended Strain Wedge Model (ESWM) basierendes Berechnungsmodell zur Analyse von zyklisch horizontal belasteten Pfahlgruppen entwickelt, das u.a. die Bestimmung der zyklischen Verformungsakkumulation erlaubt. Für den zyklisch belasteten Einzelpfahl wurde das ESWM dazu bereits erfolgreich in MATLAB implementiert. Für die Erweiterung des Ansatzes auf Pfahlgruppen wurde ein Konzept entwickelt, das z.Zt. umgesetzt wird.
Publications
- (2017) Response of piles under cyclic lateral loading – centrifuge tests. Proc. 19th International Conference on Soil Mechanics and Geotechnical Engineering, Hrsg.: Lee, W., Lee, J.-S., Kim, H.-K., Kim, D.-S., Seoul, 2317 – 2320
Niemann, C., Tian, Y., O’Loughlin, C., Cassidy, M., Reul, O.
- (2018) Centrifuge tests on the response of piles under cyclic lateral 1-way and 2-way loading. Proc. 9th International Conference on Physical Modelling in Geotechnics, London, 731 – 736
Niemann, C., Tian, Y., O’Loughlin, C., Cassidy, M., Reul, O.
- (2018) Zentrifugenmodellversuche an Pfahlgruppen unter zyklisch horizontalen Belastungen. Beiträge der Spezialsitzung "Forum für junge Geotechnik-Ingenieure", DGGT, Essen, 25-34
Niemann, C.
- (2019) Pile groups subjected to lateral cyclic loading – A comparison of 1g- and centrifuge model tests. Proc. 17th European Conference on Soil Mechanics and Geotechnical Engineering, Reykjavik, 1 - 8
Niemann, C., O’Loughlin, C., Tian, Y., Cassidy, M., Reul, O.
(See online at https://doi.org/10.32075/17ECSMGE-2019-0189) - (2019) Response of pile groups under cyclic lateral loading. International Journal of Physical Modelling in Geotechnics, Vol. 6, pp. 318–330
Niemann, C., O’Loughlin, C., Tian, Y., Cassidy, M., Reul, O.
(See online at https://doi.org/10.1680/jphmg.18.00027)
