Evaluering af Kraft-Flytnings Relationer for Pæle med Stor Diameter

Student thesis: Master thesis (including HD thesis)

  • Søren P.H. Sørensen
  • Kristian T. Brødbæk
  • Martin Møller
4. term, Structural and Civil Engineering, Master (Master Programme)
For horisontalt belastede monopæle med stor diameter installeret i sand findes på nuværende tidspunkt ingen anerkendt design procedure. Nyligt installerede monopæle, brugt til fundering af havvindmøller, har pælediametre på D=4-6 m og rammedybder på L=18-30 m. Disse pælefundamenter er som angivet i normerne for offshore konstruktioner designet efter p-y kurve metoden. Denne metode er oprindeligt udviklet på baggrund af forsøg på lange slanke pæle, og verificeringen af metoden for pæle med stor diameter og lavt slankhedsforhold, L/D, er mangelfuld. Med fokus på diametereffekten på jord-pæl interaktionen er formålet med denne rapport at udvide den eksisterende p-y kurve metode til at være anvendelig for monopæle med store diametre. Hovedvægten er lagt på initialstivheden af p-y kurverne. Ifølge de gældende normer for offshore konstruktioner er initialstivheden af p-y kurverne styret af parameteren k samt dybden målt fra jordoverfladen. Ifølge anbefalingerne kan k bestemmes ud fra jordens relative densitet eller friktionsvinklen. Hermed er det antaget, at initialstivheden af p-y kurverne er uafhængig af pælens egenskaber, herunder pælediameteren. Evalueringen af jord-pæl interaktionen er baseret på laboratorieforsøg, tre-dimensionelle numeriske analyser samt et gennemgribende litteraturstudie. Gennem litteraturstudiet bearbejdes fordele og begrænsninger ved p-y kurve metoden. Modstridende konklusioner med hensyn til pælediameterens betydning for initialstivheden af p-y kurverne er fundet i forbindelse med litteraturstudiet. Hovedparten af forskerne konkluderer, at diameterens betydning på initialstivheden er negligeabel. Det skal dog påpeges at langt størstedelen af analyserne er baseret på pæle med diametre langt mindre end nyligt installerede offshore monopæle. Yderligere er det fundet, at pæle med et lavt slankhedsforhold deformerer som næsten stive legemer, hvorfor brudfiguren antaget ved brug af p-y kurve metoden er fejlagtig. Disse konklusioner ligger til grund for laboratorieforsøgene samt de numeriske analyser. De numeriske analyser er udført ved brug af de kommercielle programmer FLAC 3Dog Plaxis 3D Foundation. I begge programmer er en Mohr-Coulomb materiale model benyttet. De numeriske modeller er valideret i forhold til seks laboratorieforsøg udført på instrumenterede pæle med diametre på 60 og 80 mm. Længden af pælene er hhv. 300 og 400 mm svarende til et konstant slankhedsforhold på L/D=5. Laboratorieforsøgene er udført i en tryktank for at kunne øge de effektive spændinger i jorden. Hermed minimeres usikkerheder som; ikke målbare tøjninger, et ikke-lineært brudkriterium samt ekstreme friktionsvinkler observeret ved 1-g forsøg. Forsøgsmetoden er udviklet løbende gennem projektet og fungerer efter hensigten. Efter valideringen af de numeriske modeller er disse udvidet til analyse af fuldskala vindmøllefundamenter med diametre på D=[2;3;5;7] m. Resultaterne sammenlignes med en Winkler model som traditionelt anvendes ved design af horisontalt belastede pæle.
LanguageEnglish
Publication date2009
Number of pages239
Publishing institutionAalborg University
ID: 17683268