A new numerical concept for the prediction of cyclic deformation accumulation of foundation structure in non-cohesive soil

Abstract

Zur Bemessung einer flachgegründeten Windenergieanlage wird in der Regel gefordert, dass unter der quasi-ständigen Einwirkung bzw. dem Lastniveau D.3 sowie der Annahme der linearen Sohlspannungsverteilung keine klaffende Fuge auftreten darf. Diese Regelung ist in der Praxis oft maßgebend und führt zur möglichen Überdimensionierung des Fundaments. Diese Forderung stammt aus der alten DIN 1054 (1976) Norm und geht zurück auf die Befürchtung, dass es bei Stützmauern unter ständiger Erddruckbelastung zu großen Kriechverformungen kommen kann, und ist daher kaum relevant für flachgegründete Windenergieanlagen, welche hauptsächlich auf annähernd kriechfreien nichtbindigen Baugrund gebaut wird. Ein möglicher Vorteil dieser Forderung ist die indirekte Begrenzung der zyklischen Verformungen der Flachgründung, insbesondere der zyklischen Schiefstellung. Vor diesem Hintergrund liegt der Fokus auf der Prognose der zyklischen Schiefstellung. Diese Dissertation widmet sich der Entwicklung einer neuen numerischen Methode, der zyklischen Dehnungsakkumulationsmethode (CSAM). Diese Methode ist in der Lage, das zyklische Verhalten nicht nur von Flachgründungen, sondern auch von Monopiles numerisch nachzubilden. Die CSAM wird zunächst kalibriert durch den Vergleich mit der Stiffness Degradation Method (SDM) für zyklisch belastete Monopiles. Anschließend wird die CSAM modifiziert und auf die Flachgründung angewendet, welches die Nachrechnungen der zyklischen Versuche aus der Literatur und eigener mittelmaßstäblicher Versuche umfasst. Basierend auf den kalibrierten Modellparametern aus dem eigenen mittelmaßstäblichen Versuch, wird eine Parameterstudie für hochskalierte Flachgründungmodelle durchgeführt, um einerseits das Kenntnis der exzentrisch zyklisch belasteten Flachgründung zu vertiefen und andererseits eine praktische einfache empirische Gleichung zur Prognose der zyklischen Schiefstellung abzuleiten. Es hat sich gezeigt, dass die klaffende Fuge nicht unmittelbar zum von Hettler (1981) definierten „schrittweisen Versagen“ führt und unter der klaffenden Fuge die zyklische Schiefstellung prognostizierbar ist, entweder über die CSAM oder die abgeleitete empirische Gleichung. Allgemein bieten die Untersuchungen dieser Dissertation mögliche theoretische Grundlagen zur Bemessung der Flachgründung unter exzentrischer zyklischer Last. Die entwickelte zyklische Dehnungsakkumulationsmethode (CSAM) ist eine vielversprechende numerische Methode, an der weiterhin geforscht und die für mehr Anwendungsfälle optimiert wird, um sie in der geotechnischen Praxis zu etablieren.In the design of wind turbine founded on shallow foundation, it is usually required that under the quasi-static or D.3 load case and the assumption of linear contact stress, no gapping shall occur between the foundation and subsoil. This criterion is often decisive in the practical design and leads to possible over-dimensioning of shallow foundation. This requirement, however, originated from the old DIN 1054 (1976) standard and comes from the caution, that considerable creep deformation could occur for the retaining walls, which are subjected to permanent earth pressure loads, and is therefore seldom relevant for the shallow foundation for wind turbine, which is mainly constructed on the non-creep non-cohesive subsoil. One possible favourable effect of limiting the gapping of shallow foundation is to limit cyclic deformation, especially the cyclic rotation indirectly. Under these circumstances, the focus is on prediction of the cyclic rotation. This dissertation is dedicated to develop a new numerical method, the Cyclic Strain Accumulation Method (CSAM). This method is able to to describe the cyclic behaviour of not only shallow foundation but also the monopile numerically. The CSAM is firstly calibrated through the comparison with the Stiffness Degradation Method (SDM) for cyclically loaded monopile. Then the CSAM is modified and applied on the shallow foundation, which includes the back-analyses of cyclic tests from the literature and own medium-scale test. Based on the calibrated model parameters from own medium-scale test, a parametric study is performed to extend the understanding of the eccentrically cyclically loaded shallow foundation and to derive a practical simple empirical equation for predicting the cyclic rotation. It has been shown that the gapping does not directly lead to "incremental collapse'' defined by Hettler (1981) and with the gapping, the cyclic rotation can be predicted either via CSAM or the derived empirical equation. In general, the investigations of this dissertation provide possible theoretical basis for the design of shallow foundation under eccentric cyclic load. The proposed Cyclic Strain Accumulation Method (CSAM) is a very promising numerical method that will be further researched and optimised for more applications in geotechnical practice