Laterally Loaded Monopile in Dry and Saturated sand - Static and Cyclic Loading: Experimental and Numerical Studies
Translated title
Laterally Loaded Monopile in Dry and Saturated sand - Static and Cyclic Loading
Authors
Christiansen, Tina Højgaard ; Møller, Ida Folke
Term
4. term
Education
Publication year
2011
Submitted on
2011-06-17
Pages
93
Abstract
Denne afhandling undersøger, hvordan store stålrørspæle (monopæle), der bruges som fundamenter for havvindmøller, reagerer på horisontale kræfter under både statisk og cyklisk belastning. Branchen anvender typisk p–y-metoden til at estimere lateral bæreevne og afbøjninger, men pålideligheden ved stive pæle (med lav slankhed) er blevet betvivlet. Vi tester metodens ydeevne for en stiv pæl og vurderer de p–y-kurver, som anbefales i designkoder. I p–y-analyse beskriver kurverne sammenhængen mellem jordmodstand (p) og pælafbøjning (y) og indgår som fjedre i en 2D Winkler-bjælkemodel. Der gennemføres 1g-forsøg: både statiske pæleforsøg og særskilte p–y-forsøg i tør og vandmættet sand. Resultaterne viser, at designkode-anbefalede p–y-kurver overvurderer den initiale stivhed og generelt undervurderer den ultimative bæreevne. Når disse kurver anvendes som ikke-lineære fjedre i en 2D Winkler-model, fører det til for små beregnede pælafbøjninger ved en given last og en for lav forudsagt ultimativ bæreevne. Når de eksperimentelt målte p–y-kurver bruges i samme model, stemmer den globale respons med resultaterne fra de statiske forsøg. Det indikerer, at p–y-metoden er en brugbar modelleringsmetode, når input afspejler den faktiske jord–pæl-adfærd. Som alternativer til statisk dimensionering testes 3D-modellering i Plaxis 3D foundation med ikke-associeret plasticitet og i Abaqus med en brugerdefineret Mohr–Coulomb-jord med associeret plasticitet. De bedste resultater opnås med Abaqus. Ni cykliske forsøg udføres med forskydningsstyret belastning (12.000–24.000 cyklusser). Der observeres en steady state, hvor jordens egenskaber når deres maksimale niveau og ikke længere ændrer sig. Cyklisk belastning forbedrer jordens egenskaber: både sekantstivhed og ultimativ bæreevne øges markant. Efterfølgende statiske forsøg i den forbedrede jord viser, at kurvernes stivhed svarer til designkodens forudsigelser, mens designkoden fortsat betydeligt undervurderer bæreevnen.
This thesis examines how large steel monopiles used as offshore wind turbine foundations respond to horizontal forces under both static and cyclic loading. The industry commonly uses the p–y method to estimate lateral capacity and deflections, but its reliability for rigid piles (low slenderness) has been questioned. We test the method’s performance on a rigid pile and evaluate the p–y curves recommended by design codes. In p–y analysis, the curves link soil resistance (p) to pile deflection (y) and are implemented as springs in a 2D Winkler beam model. We conducted 1g laboratory tests: static pile tests and separate p–y tests in dry and saturated sand. Results show that code-recommended p–y curves overestimate initial stiffness and generally underestimate ultimate bearing capacity. Using these curves as nonlinear springs in a 2D Winkler model leads to pile displacements that are too small for a given load and an ultimate capacity that is too low. When experimental p–y curves are used in the same model, the global response matches the static test results, indicating the p–y method is reasonable when inputs reflect actual soil–pile behavior. As alternatives for static design, we tested 3D modeling in Plaxis 3D foundation with non-associated plasticity and in Abaqus with a user-defined Mohr–Coulomb soil using associated plasticity. Abaqus gave the best agreement. Nine displacement-controlled cyclic tests were run with 12,000–24,000 load cycles. A steady state was observed, where soil properties reached a maximum and no longer changed. Cyclic loading improved soil behavior: both secant stiffness and ultimate bearing capacity increased significantly. Subsequent static tests in the improved soil showed curve stiffness consistent with design-code predictions, while the design code still significantly underestimated bearing capacity.
[This abstract was generated with the help of AI]
Documents