Initialstivheden af p-y kurver for pæle i sand - VBN

Report
Initialstivheden af p-y kurver
for pæle i sand
Møde i Dansk Geoteknisk Forening
Forskning og udvikling af geoteknik i Danmark
22. september 2011
Søren Peder Hyldal Sørensen
Institut for Byggeri og Anlæg
Aalborg Universitet
I samarbejde med:
Anders Hust Augustesen, COWI A/S
Lars Bo Ibsen, Aalborg Universitet
1
Agenda
Hvem er jeg?
Introduktion
• Overordnet om vindmøllefundamenter
• Historik bag p-y kurver for pæle i sand
• Usikkerheder/begrænsninger for p-y kurver for pæle i sand
Numerisk evaluering af initialstivheden for p-y kurver for pæle i sand
Nyt udtryk for initialstivheden af p-y kurver for pæle i sand
Konklusion
2
Hvem er jeg?
•
Søren Peder Hyldal Sørensen
•
Ph.D. studerende ved Aalborg Universitet
•
Forskningsgruppen for geoteknik
•
Vejleder: Lars Bo Ibsen
•
Ph.D. projekt
o Varighed: 01.08.2009 – 31.07.2012
o Titel: Seabed and wind farm interaction
o Formål: At opnå en bedre forståelse for jord-pæl interaktion for
horisontalt belastede pæle med fokus på fundamenter til
havvindmøller.
o Metode: Numerisk modellering samt forsøg på horisontalt
belastede pæle i tryktanken ved Aalborg universitet.
3
Funderingskoncepter for havvindmøller
Valg af fundering afhængig af:
• Vanddybde
• Jordbundsforhold
• Miljø
• Belastningsforhold
• Økonomi
Liingaard (2006)
4
Monopælefundamenter til havvindmøller
•
•
•
Åbne pæle lavet af stål
D = 4-6 m
L/D ≈ 5
Nuværende design metode baseret på
forsøg på pæle til olie- og gas-sektoren:
• D≤2m
• L/D ≥ 10
Designparametre:
• Blivende rotation af fundamentet
• Stivhed af struktur
• Initialstivheden af p-y kurver er vigtig!
5
Winkler metoden:
•
•
•
•
•
Jord-pæl interaktion simplificeret
ved ikke-lineære fjedre.
Ukoblede fjedre.
p-y kurver angiver fjederstivhed.
Hurtige beregninger.
Få indgangsparametre
6
Nuværende p-y kurve formulering for pæle i sand
(API, DNV):
  =  tanh



pu (Reese et al. (1974), API, DNV):
 = min
1  + 2   ′ 
3  ′ 
Initialstivhed (API, DNV):
∗ =


 =0
= 



cosh2  

=0
= 
7
Usikkerheder ved den nuværende p-y kurve formulering:
Oprindelig formulering baseret på
Cox et al. (1974), Reese et al. (1974):
Monopæle fundamenter til
havvindmøller:
D = 0.61 m
Lp/D = 34
2 statiske forsøg samt 5 cykliske
forsøg med op til 100 lastcyklusser
D≥4m
Lp/D ≈ 5
Studie af Murchison and O’Neill
(1984):
 ≤ 2m
23° ≤  ≤ 42°
Fleksible pæle
8
Usikkerheder ved den
nuværende p-y kurve
formulering:
Ultimativ jordtryk:
o Tager ikke højde for brudmåde
(fleksibel/rigid)
• Sidefriktion
•
• Forskydning ved pælespids
• Initialstivheden af p-y kurver
o Afhængighed af pæleparametre
• Etc.
9
Initialstivhedens afhængighed af pæleparametre
Initialstivhedens afhængighed af D:
Terzaghi (1955)
Uafhængig
Vesic (1961)
Uafhængig
Carter (1984)
Lineært afhængig
Ling (1988)
Lineært afhængig
Ashford og Juirnarongrit
(2005)
Ubetydelig sammenhæng
Fan and Long (2005)
Ubetydelig sammenhæng
Initialstivhedens variation med dybden:
Lesny og Wiemann (2006) angiver en parabolsk variation med dybden.
10
Numerisk evaluering af initialstivheden for p-y kurver
Numerisk model:
FLAC3D
Symmetri → Halv model
Solid pæl
o Ækvivalent stivhed of densitet
• Mohr-Coulomb
• Interface: Lineær Coulomb shear
strength kriterie
•
•
•
11
Kalibrering i forhold til forsøg i tryktank
29 forsøg på horisontalt belastede pæle:
0.04 m ≤  ≤ 0.10 m

3≤  ≤6
0 kPa ≤ 0 ≤ 100 kPa
12
Kalibrering i forhold til forsøg i tryktank:
D = 80 mm, Lp/D = 5, P0 = 50 kPa:
D = 80 mm, Lp/D = 6, P0 = 100 kPa:
7000
12000
Horizontal load [N]
Horizontal load [N]
6000
FLAC3D
Test
5000
4000
3000
2000
10000
8000
6000
4000
2000
1000
0
0
FLAC3D
Test
10
20
30
Pile displacement at x = 0.37 m [mm]
40
0
0
5
10
15
20
25
30
Pile displacement at x = 0.37 m [mm]
35
13
Numerisk evaluering af initialstivheden for p-y kurver
Parameterstudie mht. initialstivheden for p-y kurver:
•
•
•
•
•
D = 1-7 m
Lp/D = 3-20
e/Lp = 0.5-2.0
φ = 30°-43°
Es = 21-93 Mpa
Jordtrykket bestemmes ved integration af interface-spændingerne.
14
Initialstivhedens variation med pælediameteren og
friktionsvinklen
Parametre:
D = 5 m, Es = 59 MPa, wt = 0.05 m,
Lp = 20 m, e/Lp = 0.75
0
0
5
5
D=1m
D=2m
D=3m
D=4m
D=5m
D=6m
D=7m
10
15
20
0
100
200
*
Epy [MN/m2]
300
400
Depth, x [m]
Depth, x [m]
Parametre:
φ = 37°, Es = 59 MPa, wt = 0.05 m,
Lp = 20 m, e/Lp = 0.75
10
 = 34
 = 37
15
 = 40
 = 43
20
0
50
E*py
100
[MN/m2]
150
200
15
Initialstivhedens variation med angrebshøjden og
elasticitetsmodulet
Parametre:
φ = 37°, Es = 93 MPa, wt = 0.05 m,
Lp = 20 m, D = 6 m
Parametre:
D = 5 m, φ = 37°, wt = 0.05 m,
Lp = 20 m, e/Lp = 0.75
0
0
e/Lp = 0.50
e/Lp = 0.75
e/Lp = 1.00
e/Lp = 1.50
10
e/Lp = 2.00
5
Depth, x [m]
Depth, x [m]
5
Es = 21 MPa
10
Es = 35 MPa
Es = 59 MPa
15
15
Es = 74 MPa
Es = 93 MPa
20
0
100
200
300
*
Epy [MN/m2]
400
500
20
0
50
100
150
200
*
2
Epy [MN/m ]
250
300
16
Nyt udtryk for initialstivheden af p-y kurver for pæle i sand
∗

=








,
 = 1 m
 = 1 m
, = 1 Mpa
 = 1000 
 = 0.3
 = 0.5
 = 0.8
x og D indsættes i m og Es indsættes i MPa.
a, b, c og d bestemt ved mindste kvadraters metode
17
Sammenligning af modificeret udtryk for initialstivheden
med FLAC3D
Es = 35 MPa, Lp = 20 m, wt = 0.05 m
and e/Lp = 0.75
Es = 93 MPa, Lp = 20 m, wt = 0.05 m
and e/Lp = 0.75
0
0
3D
Depth, x [m]
5
D = 5 m, Modified E*py
10
15
20
0
D = 3 m, FLAC3D
D = 5 m, FLAC3D
D = 3 m, Modified E*py
5
Depth, x [m]
D = 3 m, FLAC
D = 5 m, FLAC3D
D = 3 m, Modified E*py
D = 5 m, Modified E*py
10
15
50
100
*
Epy [MN/m2]
150
200
20
0
100
E*py
200
[MN/m2]
300
400
18
Konklusion
Nuværende p-y kurver for pæle i sand:
• Baseret på forsøg på fleksible pæle med lille pælediameter.
• Begrænset fokus på initialstivheden (små pæleflytninger).
• Initialstivheden antages at være uafhængig af pælens parametre.
Numerisk studie:
• Initialstivheden afhænger af jordens elasticitetsmodul, pælediameteren og
dybden der betragtes.
• Initialstivheden er uafhængig af friktionsvinklen.
• Nyt udtryk for initialstivheden er foreslået.
19
Spørgsmål?
Søren Peder Hyldal Sørensen
Ph.d.-stipendiat
Forskningsgruppen for Geoteknik
Aalborg Universitet
Institut for Byggeri og anlæg
Sohngårdsholmsvej 57
9000 Aalborg
lokale L-142b
tlf.: 99409333
e-mail: [email protected]
mobil: 60 75 58 84
20

similar documents