Initialstivheden af py kurver for ple i sand

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 gassektoren: • D ≤ 2 m • 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): 7

Usikkerheder ved den nuværende p-y kurve formulering: Monopæle fundamenter til havvindmøller: D ≥ 4 m Lp/D ≈ 5 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: • • • FLAC 3 D 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 12

Kalibrering i forhold til forsøg i tryktank: D = 80 mm, Lp/D = 5, P 0 = 50 k. Pa: D = 80 mm, Lp/D = 6, P 0 = 100 k. Pa: 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: φ = 37°, Es = 59 MPa, wt = 0. 05 m, D = 5 m, Es = 59 MPa, wt = 0. 05 m, Lp = 20 m, e/Lp = 0. 75 15

Initialstivhedens variation med angrebshøjden og elasticitetsmodulet Parametre: φ = 37°, Es = 93 MPa, wt = 0. 05 m, D = 5 m, φ = 37°, wt = 0. 05 m, Lp = 20 m, D = 6 m Lp = 20 m, e/Lp = 0. 75 16

Nyt udtryk for initialstivheden af p-y kurver for pæle i sand 17

Sammenligning af modificeret udtryk for initialstivheden med FLAC 3 D Es = 35 MPa, Lp = 20 m, wt = 0. 05 Es = 93 MPa, Lp = 20 m, wt = 0. 05 m and e/Lp = 0. 75 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-142 b tlf. : 99409333 e-mail: sphs@civil. aau. dk mobil: 60 75 58 84 20