1g Modellversuche für horizontal zyklisch belastete Pfähle

Leitung: Prof. Dr.-Ing. Martin Achmus
Bearbeiter: Dr.-Ing. Proserpine Peralta
Laufzeit: Abschluss 2011

Abb.1 Vereinfachtes System und Darstellung der prinzipiellen Variablen für horizontal belastete Pfähle Abb.1 Vereinfachtes System und Darstellung der prinzipiellen Variablen für horizontal belastete Pfähle Abb.1 Vereinfachtes System und Darstellung der prinzipiellen Variablen für horizontal belastete Pfähle
Abb.1 Vereinfachtes System und Darstellung der prinzipiellen Variablen für horizontal belastete Pfähle

Horizontal belastete Pfähle von Offshoregründungen unterliegen einer hochgradig zyklischen Beanspruchung, die eine Spannungs- und Verformungsantwort im Boden hervorrufen, die schwer zu quantifizieren ist. Die Gebrauchstauglichkeit solcher Gründungspfähle wird in der Praxis mittels des p-y Verfahrens, des Bettungsmodulverfahrens oder mittels der Methode der Finiten Elemente (FEM) untersucht. Das Bettungsmodulverfahren weist bekannte Einschränkungen auf und berücksichtigt zudem nicht alle maßgebenden Parameter. Zu nennen sind in diesem Zusammenhang Effekte des Pfahldurchmessers, die Pfahl-Boden Steifigkeit sowie die Anzahl der Lastzyklen, die nicht eindeutig über emprirische Faktoren berücksichtigt werden und daher auch innerhalb der Literatur in unterschiedlicher Größe angegeben werden. Exemplarisch seien die Bettungsmoduln nach Terzaghi 1955, Sherif 1974 und der API 2002 gennannt. Obwohl sich mittels der FEM unter Verwendung von geeigneten Stoffgesetzen das Baugrund-Pfahl Verhalten bei unterschiedlichen Randbedingungen für statische Belastungen abbilden lässt, ist dieses für zyklische Belastungen noch nicht gelungen, bzw. für eine praxisnahe Anwendung zur Pfahlbemessung aufgrund seiner Komplexität ungeeignet und zu kostenaufwändig.

Um das Verformungsverhalten von horizontal belasteten Pfählen in trockenem Sand sowohl unter statischer als auch unter zyklischer Beanspruchung zu untersuchen, werden hierzu am IGBE kleinmaßstäbliche 1g Versuche durchgeführt. Mittels 1-g Versuchen lassen sich Parameterstudien zur Untersuchung von physikalischen Vorgängen effizient und praktikabel durchführen. Unter Verwendung von geeigneten Modellgesetzen lassen sich somit die im Modell beobachteten oder gemessenen Vorgänge für einen Prototypen extrapolieren. Ziele der Versuche sind:
- das Verhalten des Pfahl-Bodensystems infolge konstanter zyklischer Belastungsamplitude   zu untersuchen, aber insbesondere
- der Einfluss der Belastungsgeschichte bei zyklischer variabler Amplitude auf das Verformungsverhalten des horizontal belasteten Pfahles zu quantifizieren,
- sowie Aufschluss über den Einfluss aus der Änderung der Belastungsrichtung zu gewinnen.

Maßgebend für die 1g Simulation in der Geotechnik ist die Dimensionsanalyse. Dabei wird als Grundidee davon ausgegangen, dass jedwedes Problem durch eine dimensionslose Gruppe von prinzipiellen Variablen beschreibbar ist. Von einer Ähnlichkeit zwischen dem Modell und dem Prototypen kann ausgegangen werden, sofern eine dimensionslose Gruppe des Modells den gleichen Wert wie die des Prototyps aufweist. Für die im 1g Modellversuch untersuchten horizontal belasteten Pfähle wird davon ausgegangen, dass folgende prinzipielle Variablen einen Einfluss auf das Verformungsverhalten haben: die aufgebrachte Last F, Anzahl der Lastzyklen N, Hebelarm h, Pfahllänge L, Durchmesser D, Biegesteifigkeit EI, Bodenwichte γ, Porosität n sowie die Verschiebungen nach dem ersten Lastzyklus w1 sowie nach N weiteren Zyklen wN. Weitere, nachrangige Variablen werden nicht berücksichtigt und Ihre Effekte auf das Verhalten werden vernachlässigt. Somit lässt sich die Pfahlverschiebung vereinfacht ausdrücken als wN = f(w1,F,γ,n,L,EI,D,N).

 

Abb.2 Kleinmaßstäbliches Modell eines horizontal belasteten Pfahls Abb.2 Kleinmaßstäbliches Modell eines horizontal belasteten Pfahls Abb.2 Kleinmaßstäbliches Modell eines horizontal belasteten Pfahls
Abb.2 Kleinmaßstäbliches Modell eines horizontal belasteten Pfahls

Um die Funktionen der dimensionslosen Gruppen zu bestimmen und die Einflüsse auf das Verformungsverhalten zu untersuchen, wurden im 1g Modellversuch die Pfahllänge, die Pfahlsteifigkeit, das Verhältnis von Durchmesser zu Pfahllänge, die Bodendichte und die zyklischen Lastamplituden variiert. Zunächst wurde anhand von statischen Probebelastungen die Grenztragfähigkeit für jedes Pfahl-Boden System bestimmt. Danach wurden die Pfahl-Boden Systeme mit Lastamplituden belastetet, die eine Größe von 10% bis 50% der horizontalen Grenzlast aufwiesen. Weiterhin wurden die Pfähle auch mit variablen Lastamplituden beaufschlagt, wobei jede Belastungsgruppe 45000 Lastzyklen beinhaltete. Zwei gleichwertige Belastungsgruppen mit jeweils ansteigender bzw. abfallender Lastamplitude werden derzeit untersucht.

 

Publikationen

[1] Achmus, M., Abdel-Rahman, K., & Peralta, P. (2005). On the Design of Monopile Foundations with respect to Static and Quasi-Static Cyclic Loading. Copenhagen Offshore Wind 2005.

[2] Achmus, M., Abdel-Rahman, K., & Peralta, P. (2005). Untersuchungen zum Tragverhalten von Monopiles für die Gründung von Offshore-Windenergieanlagen. Pfahlsymposium, Braunschweig, Heft-Nr. 80.

[3] 3. Achmus, M., Abdel-Rahman, K., Kuo, Y. & Peralta, P. (2007). Untersuchungen zum Tragverhalten von Monopilegründungen unter zyklischer Belastung. Pfahlsymposium, Braunschweig, Heft-Nr. 84.