Installation of marine structures by suction - hydro-mechanical coupled numerical modelling
Final Report Abstract
Die wachsende Zahl von Offshore-Windparkentwicklungen impliziert eine erhöhte Nachfrage nach Gründungssystemen. Suction-Caissons, die einige der größten Offshore-Plattformen tragen, die jemals für die Öl- und Gasindustrie gebaut wurden, eignen sich auch zur Fundamentierung von Offshore-Windkraftanlagen in der Nordsee. Der Technologietransfer zur Optimierung von Caisson-Gründungen, die leichte Offshore-Windkraftanlagen tragen, hat vor fast zwei Jahrzehnten begonnen und ist bisher nicht abgeschlossen. Unsicherheiten bezüglich der Sauginstallation und des Verhaltens bei zyklischer Vertikalbelastung mit geringen mittleren Lasten bestehen weiterhin. Zudem kann ein möglicher Einfluss der Sauginstallation auf die Betriebsfähigkeit bisher nicht ausgeschlossen werden. Die Berücksichtigung des Unterdrucks im Inneren des Caissons bei schneller Vertikalbelastung bei der Bemessung ist weiterhin fraglich. Darüber hinaus sind geeignete Prognoseverfahren für das Verhalten von Suction-Caissons bei zyklischer Wechsellast nur bedingt geeignet. Die Berücksichtigung von geschichteten Bodenprofilen - Sand über Ton und Ton über Sand - und damit der Einfluss von gering durchlässigen Schichten auf die Sauginstallation und das Verhalten einer Caisson Gründung im Betrieb erhöht die Komplexität des Problems zusätzlich. Veröffentlichungen mit Caissons, die in geschichteten Böden gegründet sind, sind im Vergleich zu Untersuchungen an homogenen Ton- oder Sandprofilen kaum vorhanden. Eine experimentelle Grundlage mit Untersuchungen zum Verhalten zyklisch, vertikal belasteter Suction-Caissons wurde nach derzeitigem Kenntnisstand noch nicht veröffentlicht. Geeignete Vorhersagen des Last-Verformungsverhalten einer Caisson-Gründung, die Druck- und Zuglasten berücksichtigen, sind derzeit kaum möglich. Zukünftig wird jedoch beabsichtigt den Unterdrück im Inneren eines Caissons unter Zuglast anzusetzen. Es wurden zwei Zentrifugenversuchsreihen mit homogenen Sand- und geschienten Bodenprofilen durchgeführt. Die erste Versuchsreihe mit Sandprofilen umfasst Installationsversuche, CPTs in einem vorab installierten Suction-Caisson und Versuche zum zyklischen Vertikaltragverhalten. Anschließend wurden die experimentellen Untersuchungen auf Bodenprofile mit Sand über Ton und Ton über Sand ausgeweitet. Installationsversuche und Versuche zum zyklischen Vertikaltragverhalten wurden durch Versuche mit Halbquerschnittmodellen ergänzt, die Particle-Image-Velocimetry-Analysen ermöglichen. Die Sauginstallation wurde weiterhin durch numerische Berechnungen mithilfe der Material-Point-Method untersucht. Hierzu wurde ein axialsymmetrisches, gekoppeltes Zweiphasen-Materialpunktmodell implementiert. Zudem wurden Prognosemethoden für das vertikale, zyklische Tragverhalten einschließlich analytischer und numerischer Verfahren entwickelt bzw. erweitert. Die neuartigen Prognoseverfahren wurden unter Berücksichtigung der experimentellen Daten untersucht und verifiziert. Anders als von Houlsby und Byrne (2005) angemerkt, können Suction-Caissons nicht nur in Sand, Sand über Ton, sondern auch in Ton über Sand installiert werden. Ein systematischer Einfluss der Sauginstallation auf das Vertikaltragverhalten ist auf der Grundlage der durchgeführten Untersuchungen in Sand, Sand über Ton und Ton über Sand nicht festgestellt. Die im Inneren des Caissons zuverlässig entstehenden Porenwasserunterdrücke generieren einen erheblichen Widerstand bei Zugbelastung. Somit können Zugbelastungen, die die Mantelreibung überschreiten, bis zu einem gewissen Grad ohne dauerhafte Setzung oder Hebung, d. h. ohne die Gebrauchstauglichkeitskriterien zu verletzen, aufgenommen werden. Erhebliche Überschreitungen der Mantelreibung - mehr als das Dreifache der maximalen Mantelreibung - führen bei zyklischer Belastung zu einer permanenten Hebung, wenn die Caisson-Gründung in Sand eingebettet ist. Eine gering durchlässige (Ton-)Deckschicht erhöht die resultierenden Verschiebungsamplituden. Ein vergleichsweise geringer Spitzenwiderstand, d.h. eine in Ton gegründete Schürze, scheint vorteilhaft zu sein, da Setzungen und Hebungen hierdurch ausgeglichen werden. Eine Verschiebung der mittleren Vertikallast in den Kompressionsbereich gleicht die vertikalen Verschiebungen ebenfalls aus. Eine längere Schürze, d. h. erhöhte Mantelreibung, verringert die vertikale Verschiebungsamplitude grundsätzlich. Numerische Simulationen von Suction-Caissons sind nützlich, da experimentelle Untersuchungen ind der Regel ein Zentrifugenlabor erfordern. Solche Simulationen sind jedoch komplex: Boden-BauwerkIteration, große Verformungen, Porenwasserdruckentwicklung, Verflüssigung, Kavitation, Porenzahl- und Permeabilitätsänderung, zyklische Belastungseffekte sowie homogene und geschichtete Bodenprofile spielen hierbei eine Rolle. Die entwickelten analytischen und numerischen Modelle sowie die vorgestellten Berechnungsergebnisse liefern grundlegende Richtlinien für die computerbasierte Auslegung von Suction-Caisson-Gründungen. Hierdurch wird dazu beigetragen das volle Potential der Suction-Caisson-Technologie für Offshore-Winenergieanlagen nutzbar zu machen und somit das Streben nach klimaneutraler und nachhaltiger Energiegewinnung zu unterstützen.
Publications
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(2017): Advanced Approaches for Coupled Deformation- Seepage-Analyses of Suction Caisson Installation. In: Proceedings of ASME 2017 36th International Conference on Ocean, Offshore and Arctic Engineering. Trondheim, Norway, V009T10A004
Stapelfeldt, M.; Bienen, B.; Grabe, J.
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(2018). Centrifuge tests investigating the effect of suction caisson installation in dense sand on the state of the soil plug. In: Physical Modelling in Geotechnics, Volume 1. [S.l.]: CRC Press, pp. 669-674
Stapelfeldt, M., B. Bienen, and J. Grabe
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(2020). The inuence of the drainage regime on the installation and the response to vertical cyclic loading of suction caissons in dense sand. In: Ocean Engineering 0.0., pp. 1-19
Stapelfeldt, M., B. Bienen, and J. Grabe
