Improved Design Basis for Laterally Loaded Large Diameter Pile: experimental based approach

Siden opførsel af verdens første havvindmølle park i 1991 ved Vindeby I Danmark, er der sket en stor udvikling af inden for havvindmøller - I 1991 blev der installeret 11 møller hver med en kapacitet på 450kW i et område med vanddybder mellem 2 og 6 m, mens de nyeste parker består af optil 175 møller hver med en kapacitet på 3.6 MW og på vanddybder omkring 25 m. I gennem årerne har der til havvindmøller været anvendt forskellige funderingstyper og i dag er monopæle den mest anvendte type med en typisk diameter på 4-6 m ved vanddybder omring 25m. Den fremtidige udvikling går i retning af større parker, med større møller og ved større vanddybder. Grundet de mange erfaringer med brugen af monopæle er det interessant at undersøge muligheden for at optimere designet af monopæle, specielt med henblik på samspillet mellem jord og struktur. Målet er at gøre brugen af monopæle ved større vanddybder mere attraktiv.

Ved design af fundamenter til vindmøller er der et stort fokus på stivheden af den samlede konstruktion, mølle-tårn-fundament, da stivheden har en direkte indflydelse på størrelsen af de laster som påvirker konstruktionen og møllens produktivitet. Gældende design praksis er at anvende standard p-y kurver som oprindeligt er udviklet for slanke pæle med en diameter på 0.6 m. Den øgede fokus på den samlede stivhed af konstruktionen har medført stor forsknings aktivitet inden for monopæle med store diametre. Sammenligning af de forskellige forskningsresultater viser nogen variation og i nogle tilfælde modstridende forhold - men samlet set er konklusionerne:
• Standard p-y kurver kan ikke fyldestgørende præsentere opførslen af stive monopæle med store diametre.
• Initial stivheden af p-y kurver er afhængig af diameter, dybde og jordens styrke, og forøgelse af hver parameter øger stivheden.
• Den cykliske opførsel af tværbelastede pæle er afhængig af udformningen af den cykliske belastning (last amplitude, last retning mv.).
Opførsel af monopæle er et klassisk jord-struktur problem, som er afhængig af pælens stivhed og jordens ikke-lineære opførsel. Jordens opførsel danner grundlag for anvendelse af fysiske modeller, som kan tage hensyn til ikke-lineariteten til undersøgelse af den generelle opførsel af pælene. Det primære formål med den nærværende forskning er:
• Undersøge den statiske og cykliske opførsel af stive pæle med store diametre i sand ved brug af fysisk modellering og sammenligne de fundne resultater med standard p-y kurver.
Nærværende forskning er baseret på brug af den geotekniske centrifuge på Danmarks Tekniske Universitet (DTU). Ved opstart af forskningen blev det klart at centrifugen på DTU var ikke var tidssvarende, og formålet blev ændret til at etablere moderne centrifuge faciliteter og påbegynde forskning indenfor den statiske og cykliske opførsel af pæle med store diametre. Hovedelementer i etablering af moderne centrifuge faciliteter er: Forsøgsstyring, dataopsamling, forberedelse af sand prøver og udstyr til og gennemførelse af forsøg på tværbelastede pæle.

Forskningen er præciseret til at undersøge statisk og cyklisk opførsel af stive pæle med en diameter på 1-3 m i tørt sand ved brug af centrifuge forsøg og sammenligne resultaterne med brug af standard p-y kurver. Det er valg at undersøge pæle med en længde på 6 til 10 gange pæle diameteren.

Den generelle opførsel af monopæle i tørt sand er blevet undersøgt ved hjælp af centrifuge forsøg. Statiske pæle forsøg er brugt til at undersøge pælenes initiale stivhed og den ultimative bæreevne, mens ændringen af pælenes flytning og stivhed undersøges i de cykliske forsøg som funktion af antallet af last cykler.

Det konkluderes ud fra de udførte forsøg at standard p-y kurver ikke kan beskrive den statiske opførelse, og der er ved forsøgene er observeret et mindre stift respons og en større bæreevne end forventet fra brug af standard p-y kurver. Den målte initial stivhed af jord-pæl responset, svarende til initial stivheden af p-y kurverne, viser en afhængighed med dybden og diameteren. Der er ved de cykliske forsøg observeret problemer med styringen af forsøgene, således at pælene er påført en relativ høj og uens belastning. Forsøgene viser tendens til forøgelse af post cyklisk stivhed og ultimativ bæreevne, samt en forøgelse af flytninger med øgede antal belastningscyklusser.