Pfähle unter kombinierter horizontaler und vertikaler Belastung

Leitung: Prof. Dr.-Ing. Martin Achmus
Bearbeiter: Dr.-Ing. Klaus Thieken
Laufzeit: Abschluss 2012

Einführung

Abb 1: Jacket und Tripodgründung Abb 1: Jacket und Tripodgründung Abb 1: Jacket und Tripodgründung
Abb 1: Jacket und Tripodgründung

Pfähle als Gründungselemente weisen besonders bei vertikaler Belastungsrichtung ein besonders günstiges Tragverhalten auf und kommen deshalb häufig zur Anwendung, wenn hohe vertikale Belastungen in den Baugrund einzuleiten sind. Durch diese Eigenschaft prädestinierten sich Pfahlgründungen schon früh im offshore-Bereich, wo große Plattformen im Seeboden gegründet werden müssen. Die horizontalen Kräfte aus Wind- und Wellen, die auf die Plattformen und die Gründungsstrukturen wirken, gelten dabei aufgrund ihrer geringen Größe als vernachlässigbar. Somit waren lange Zeit Untersuchungen zum Einfluss der Interaktionseffekte hinsichtlich der Kombination aus horizontaler und vertikaler Belastung bei Pfählen entbehrbar.

Dieses änderte sich jedoch mit dem Beginn der weltweiten Installation von offshore-Windenergieanlagen. Bei den sich durchsetzenden, aufgelösten Gründungsstrukturen wie Tripod- oder Jacketgründungen (siehe Abb 1) gibt es hingegen Anwendungen wie den Gründungen von offshore-Plattformen keine eindeutig dominierende Belastungsrichtung mehr. Nicht zuletzt die hohe Zahl der geplanten Installation von offshore WEA rechtfertigt dabei den Aufwand dieser Untersuchungen.

 

Stand der Forschung

Der Stand der Technik bezüglich kombiniert belasteter Pfähle besteht in der getrennten Berechnung des Tragverhaltens unter den verschiedenen Lasten, ohne dass Interaktionseffekte berücksichtigt werden. Für die Bemessung werden vornehmlich Bettungsmodulverfahren eingesetzt, d. h die stützende Wirkung des Bodens wird über Federelemente mit in der Regel nichtlinearer und tiefenabhängiger, bodenartspezifischer Federkennlinie („t-z-Kurven“ bei axialer Last, „p-y-Kurven“ bei horizontaler Last) simuliert. In Deutschland darf die Biegebemessung horizontal belasteter Pfähle gemäß DIN 1054:2005-01 unter bestimmten Voraussetzungen mit einem speziellen nichtlinearen Bettungsmodulverfahren erfolgen. Eine Beeinflussung der Federkennlinien in axialer und horizontaler Richtung bzw. der zu einer bestimmten Pfahlkopfbelastung gehörenden Verschiebungskomponenten durch eine Beanspruchung in der jeweils anderen Richtung wird nicht berücksichtigt.

Aus verschiedenen Untersuchungen ist jedoch bekannt, dass durchaus bedeutsame Interaktionseinflüsse auftreten können. Diese Effekte zu quantifizieren ist Gegenstand dieses Forschungsprojektes am IGBE.

Untersuchungen

Für die Untersuchungen der Interaktionseffekte wurden dreidimensionale numerische Modelle der Pfähle im umgebenden Boden erstellt (siehe Abb. 2). Derzeit werden verschiedene Pfahlgeometrieen mit Pfahldurchmessern D=1/2/3m und Einbindelängen von L=10/20/30m mit Hilfe des FE-Programms ABAQUS untersuchet. Hierbei stehen neben der Variation der Pfahlgeometrie und –steifigkeit (EI)  die Auswirkungen der Variationen der Bodenparameter im Vordergrund. Betrachtet werden hierbei sowohl nichtbindige als auch bindige Böden.

Abb 3: Vorgehensweise zur Erstellung eines globalen Interaktionsdiagramms Abb 3: Vorgehensweise zur Erstellung eines globalen Interaktionsdiagramms Abb 3: Vorgehensweise zur Erstellung eines globalen Interaktionsdiagramms
Abb 3: Vorgehensweise zur Erstellung eines globalen Interaktionsdiagramms

Die Auswertung der auftretenden globalen Interaktionseffekte besteht jeweils in der Ermittlung der Last-Verformungskurven für den Pfahlkopf bei unterschiedlichen Belastungsrichtungen. Aus den jeweiligen Kennlinien eines Pfahls bei unterschiedlichen Belastungsrichtungen können im Anschluss daran Interaktionsdiagramme abgeleitet werden. Eine folgende Normierung der Kraftkomponenten durch die Grenzlasten ermöglicht dann einen qualitativen Vergleich der Interaktionseffekte zwischen den einzelnen Pfahl-Boden-Systemen.

Abb 4: Interaktionsdiagramme für Pfähle D=2m in mitteldichtem Sand; (1) L=10m; (2) L=20m; (3) L=30m Abb 4: Interaktionsdiagramme für Pfähle D=2m in mitteldichtem Sand; (1) L=10m; (2) L=20m; (3) L=30m Abb 4: Interaktionsdiagramme für Pfähle D=2m in mitteldichtem Sand; (1) L=10m; (2) L=20m; (3) L=30m
Abb 4: Interaktionsdiagramme für Pfähle D=2m in mitteldichtem Sand; (1) L=10m; (2) L=20m; (3) L=30m

Eine derartige Normierung wurde auch an den in Abb. 4 dargestellten Systemen durchgeführt. Die horizontalen Linien deuten dabei die vertikalen Verschiebungen, die vertikalen Linien die horizontalen Verschiebungen des Pfahlkopfes an. Gerade im Bereich der kombinierten Zugbelastungen zeigen sich so die erheblichen Unterschiede in den einbezogenen Last-Verformungskurven eines Pfahl-Boden-Systems bei unterschiedlichen Belastungswinkeln.

 

Exemplarisch wird auch das lokale Interaktionsverhalten zwischen vertikaler und horizontaler Lastrichtung untersucht. Hierbei werden in verschiedenen Tiefen die axial und lateral vom Boden auf den Pfahl wirkenden Kräfte ermittelt. Die axiale Komponente t ergibt sich aus der Integration der axialen Scherspannungen über den Umfang, die horizontale Komponente p ergibt sich aus der Integration der Änderung der Horizontalspannungen in der betrachteten Richtung gegenüber dem Initialspannungszustand:

Aus dieser Betrachtung lässt sich ableiten, in welcher Weise die in der Bemessungspraxis verwendeten t-z- und p-y-Kurven modifiziert werden müssen, um der H-V-Interaktion Rechnung zu tragen.

Publikationen

[1] Abdel-Rahman, K., Achmus, M. (2006):Numerical modelling of combined axial and lateral loading of vertical piles”. 6th European Conference on Numerical Methods in Geotechnical Engineering, Graz, Austria. 

[2] Achmus, M., Abdel-Rahman, K. (2007): Numerical Modelling of Vertical Piles in Clay under Inclined Compression Loading. 12th International Colloquium on Structural and Geotechnical Engineering, Alexandria, Egypt. 

[3] Achmus, M., Abdel-Rahman, K & Thieken, K. (2009). Numerical Study of the effect of combined loading on the behavior of piles in sand. International Symposium on Computational Geomechanics, Juan-Les-Pins, France. 

[4] Achmus, M., Thieken, K. (2010). "Behavior of piles under combined lateral and axial loading". 2nd International Symposium on Frontiers in Offshore Geotechnics, 8-10 November 2010, University of Western Australia, Perth.

[5] Achmus, M., Thieken, K. (2010). "On the behavior of piles in non-cohesive soil under combined horizontal and vertical loading". Acta Geotechnica, Volume 5, Issue 3, September 2010.

[6] Thieken, K., Achmus, M. (2011). "Zum Einfluss der kombinierten Belastung auf das Tragverhalten von Pfählen in nichtbindigem Boden". Pfahl - Symposium 2011, 17 -18 Februar 2011, Braunschweig.

[7] Thieken, K., Achmus, M. (2012). "Untersuchung der Interaktionsbeziehungen kombiniert belasteter Pfähle in bindigen und nichtbindigen Böden", Geotechnik 35 (2012), Heft 4