Deformation and Bearing Capacity of Bucket Foundations in Sand

Deformation og bæreevne af bøttefundamenter i sand

Knudsen, Bjørn Staghøj ; Østergaard, Martin Underlin

4. term

Structural and Civil Engineering, Master

2013

152

Havvind er vokset hurtigt det seneste årti. Selvom havmøller har fordele som stærkere og mere stabile vinde samt mindre visuel og støjmæssig påvirkning, er deres fundamenter dyre, fordi de skal modstå en kompleks kombination af påvirkninger fra vind, bølger, is og selve mølledriften. Denne afhandling fokuserer på et nyere fundamentkoncept fra Aalborg Universitet – sugekassefundamentet – en cylindrisk stålkasse (caisson), som er åben i bunden og lukket i toppen og installeres ved at skabe undertryk (sug) inde i kassen. Konceptet kan gøre installationen lettere og billigere og sigter mod at kunne godkendes af uafhængige klassifikationsselskaber som Det Norske Veritas (DNV). Afhandlingen har tre hoveddele: 1) Nye p‑y‑kurver til sugekassefundamenter: P‑y‑kurver er en praktisk metode, der kobler jordens vandrette modstand (p) til fundamentets sideforskydning (y). De klassiske kurver bygger på forsøg med meget slanke pæle (længde/diameter ≈ 34,4) og er derfor ikke retvisende for monopæle (≈ 5) – og slet ikke for sugekasser, som opfører sig endnu mere anderledes. For at få en mere passende beskrivelse er der opstillet 18 numeriske finite element (FEM)‑modeller af sugekassefundamenter i mættet sand under drænede forhold, med varieret jordstyrke og geometri. Ud fra disse er der kalibreret en generaliseret matematisk model – en første udkast til en ny p‑y‑formulering – der gør det let at beregne jordens modstand i drænet sand ved en given friktionsvinkel, geometri og vandret forskydning. Modellen er foreløbig og kræver yderligere validering. 2) Skalering af laboratorieforsøg og materialemodeller: I geoteknisk forskning bruges skalerede modeltests ofte sammen med numeriske beregninger. Ved små skalaer bliver spændingsniveauerne i jorden også små, og jord opfører sig da ikke lineært, som antaget i den simple Mohr‑Coulomb‑model. Det kan få skalerede forsøg til at vise højere bæreevne end beregnet. Som løsning er der implementeret en spændingsafhængig styrkemodel i PLAXIS 3D og kalibreret til Aalborg University Sand No. 1. Modellen gengiver korrekt opførsel i triaxialforsøg ved lave indeslutningstryk. Sammenlignet med faktiske sugekasseforsøg viser den, at FEM‑modellen stadig skal forbedres, men den forudsiger – som forventet – et større brudmoment end Mohr‑Coulomb‑modellen. 3) Fundamentets opførsel ved impulsbelastninger: Korte, kraftige belastninger kan opstå til havs ved brændingsbølger, særlige stormbølger eller nødstop af turbinen. En udbredt tilgang er at beregne bæreevnen i både drænede og udrænede forhold og bruge den laveste værdi. For tæt sand er det ofte den drænede bæreevne, hvilket kan være konservativt for impulslaster. Tidligere studier ved Aalborg Universitet har vist, at fundamentet ved høje lastningshastigheder opfører sig næsten udrænet: hurtig påføring af forskydning opbygger poretryk i og omkring kassen og øger bæreevnen. Nyt udstyr muliggør hastigheder op til 500 mm/s og slaglængder op til 500 mm. Afhandlingen rapporterer de første fire vellykkede tests med 150 mm tvungen forskydning ved hastigheder fra 0,1 til 100 mm/s. Resultaterne følger den tidligere trend: styrken steg mere end 20 gange fra den langsomste til den hurtigste test, og poretrykket nåede nær op til forsøgsopstillings kavitationsgrænse (cirka −290 kPa). Poretryksfordelingen viste negative tryk overalt, størst inde i kassen. Samlet bidrager arbejdet med: (a) et første bud på p‑y‑kurver skræddersyet til sugekassefundamenter, (b) en mere realistisk materialemodel til numeriske analyser ved lave spændinger, og (c) nye højhastighedsforsøg, der kvantificerer, hvordan hurtige laster kan øge bæreevnen. Tilsammen understøtter resultaterne en mere pålidelig og potentielt billigere designproces for sugekassefundamenter til havvind.

Offshore wind has grown rapidly over the past decade. Although turbines at sea benefit from stronger, steadier winds and fewer visual and noise concerns, their foundations are costly because they must resist a complex mix of wind, waves, ice, and operational loads. This thesis focuses on a newer foundation concept from Aalborg University—the “suction bucket” foundation: a cylindrical steel caisson, open at the bottom and closed at the top, installed by creating a slight vacuum inside. The concept aims to simplify installation and reduce lifetime cost, and the work contributes to validating the design so it can be accepted by independent bodies such as DNV. The thesis has three main parts: 1) New p‑y curves tailored to bucket foundations: p‑y curves are practical rules that link horizontal soil resistance (p) to lateral displacement (y). Classical curves were derived from tests on very slender piles (length/diameter ≈ 34.4) and do not represent monopiles well (≈ 5)—and are even less appropriate for suction buckets. To obtain a better fit, 18 numerical finite element (FE) models of bucket foundations in saturated sand under drained conditions, with varying soil strength and geometry, were built. From these, a generalized mathematical model—a first draft of a new p‑y formulation—was calibrated to allow easy calculation of soil resistance in drained sand for a given friction angle, geometry, and horizontal displacement. This model is preliminary and needs further validation. 2) Scaling of laboratory tests and material modeling: Geotechnical research often pairs scaled physical tests with numerical simulations. At small scales the stress levels in the soil are low, and soil response is not linear as assumed by the simple Mohr–Coulomb model. This can make scaled experiments appear stronger than numerical predictions. As a remedy, a stress‑dependent strength model was implemented in PLAXIS 3D and calibrated to Aalborg University Sand No. 1. It reproduces triaxial behavior at low confining pressures. When compared with actual bucket foundation tests, the finite element model still needs improvement, but—as expected—it predicts a higher failure moment than the Mohr–Coulomb model. 3) Foundation behavior under impulsive loads: Short, intense loads can occur offshore due to breaking waves, freak waves, or emergency turbine stops. A common practice is to compute drained and undrained capacities and take the lower value. In dense sand this often means the drained capacity, which can be conservative for impulsive loading. Earlier work at Aalborg University showed that at high loading rates the foundation behaves nearly undrained: fast imposed displacements build pore water pressure in and around the caisson and increase capacity. New equipment now allows velocities up to 500 mm/s and strokes up to 500 mm. This thesis reports the first four successful tests with 150 mm imposed displacement at rates from 0.1 to 100 mm/s. The results match previous trends: strength increased by more than 20 times from the slowest to the fastest test, and pore pressures approached the setup’s cavitation limit (about −290 kPa). The pore pressure distribution showed negative pressures at all measurement points, largest inside the caisson. Taken together, the work provides (a) a first p‑y formulation tailored to suction bucket foundations, (b) a more realistic material model for low‑stress numerical analyses, and (c) new high‑rate tests that quantify how rapid loading can boost capacity. These results support more reliable—and potentially cheaper—design of bucket foundations for offshore wind.

[This abstract was generated with the help of AI]

Geoteknik, Bøttefundament, p-y kurver, numeriske modellering, PLAXIS 3D

Download
View record in AAU Student Projects