Initialstivheden af p - y kurver for pæle i sand

1. 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

2. 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

3. Hvem er jeg? • Søren Peder Hyldal Sørensen • Ph.D. studerende ved Aalborg Universitet • Forskningsgruppen for geoteknik • Vejleder: Lars Bo Ibsen • Ph.D. projekt • Varighed: 01.08.2009 – 31.07.2012 • Titel: Seabed and wind farm interaction • Formål: At opnå en bedre forståelse for jord-pæl interaktion for horisontalt belastede pæle med fokus på fundamenter til havvindmøller. • Metode: Numerisk modellering samt forsøg på horisontalt belastede pæle i tryktanken ved Aalborg universitet.

4. Funderingskoncepter for havvindmøller • Liingaard (2006) • Valg af fundering afhængig af: • Vanddybde • Jordbundsforhold • Miljø • Belastningsforhold • Økonomi

5. 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≤ 2 m • L/D≥ 10 • Designparametre: • Blivende rotation af fundamentet • Stivhed af struktur • Initialstivheden af p-y kurver er vigtig!

6. Winkler metoden: • Jord-pæl interaktion simplificeret ved ikke-lineære fjedre. • Ukoblede fjedre. • p-y kurver angiver fjederstivhed. • Hurtige beregninger. • Få indgangsparametre

7. Nuværende p-y kurve formulering for pæle i sand (API, DNV): pu (Reese et al. (1974), API, DNV): Initialstivhed (API, DNV):

8. Usikkerheder ved den nuværende p-y kurve formulering: Monopæle fundamenter til havvindmøller: D ≥ 4 m Lp/D≈ 5 Oprindelig formulering baseret på Cox et al. (1974), Reese et al. (1974): D = 0.61 m Lp/D = 34 2 statiske forsøg samt 5 cykliske forsøg med op til 100 lastcyklusser Studie af Murchison and O’Neill (1984): Fleksible pæle

9. Usikkerheder ved den nuværende p-y kurve formulering: • Ultimativ jordtryk: • Tager ikke højde for brudmåde (fleksibel/rigid) • Sidefriktion • Forskydning ved pælespids • Initialstivheden af p-y kurver • Afhængighed af pæleparametre • Etc.

10. Initialstivhedens afhængighed af pæleparametre Initialstivhedens afhængighed af D: Initialstivhedens variation med dybden: Lesny og Wiemann (2006) angiver en parabolsk variation med dybden.

11. Numerisk evaluering af initialstivheden for p-y kurver • Numerisk model: • FLAC3D • Symmetri → Halv model • Solid pæl • Ækvivalent stivhed of densitet • Mohr-Coulomb • Interface: Lineær Coulomb shear strength kriterie

12. Kalibrering i forhold til forsøg i tryktank 29 forsøg på horisontalt belastede pæle:

13. 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:

14. 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.

15. Initialstivhedens variation med pælediameteren og friktionsvinklen Parametre: φ = 37°, Es = 59 MPa, wt = 0.05 m, Lp = 20 m, e/Lp= 0.75 Parametre: D = 5 m, Es = 59 MPa, wt = 0.05 m, Lp = 20 m, e/Lp= 0.75

16. 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

17. Nyt udtryk for initialstivheden af p-y kurver for pæle i sand x og D indsættes i m og Es indsættes i MPa. a, b, c og d bestemt ved mindste kvadraters metode

18. 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

19. 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.

20. 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: sphs@civil.aau.dk mobil: 60 75 58 84