Lateral Pile Group Effects

Abstract

En jacket er en vanlig benyttet fundamenttype for offshore vindmøller og plattformer. Jacketen består av et fagverk med flere bein som overfører laster til havbunnen. For å oppnå tilstrekkelig bæreevne og stivhet av fundamentet blir peler ofte benyttet. Pelegruppene består hovedsakelig av 2 til 4 peler med liten innbyrdes avstand. På grunn av store vind og bølgekrefter til havsmå pelene prosjekteres for betydelig horisontal belastning. Vanlig praksis er å betrakte pelen som en Winkler-bjelke med tilhørende p-y kurver fra standarder. Utfordringen er at p-y kurvene er utformet for enkeltpeler og på grunn av pel-jord-pel interaksjon kan den horisontale bæreevnen og stivheten til en pel i en pelegruppe ofte være betydelig mindre enn for en tilsvarende frittstående pel. P-y kurvene utarbeidet for enkeltpeler må dermed modifiseres for å ta hensyn til negative effekter som oppstår i pelegrupper. I denne studien er det utført numeriske analyser av en «flow-around» bruddmekanisme for flere ulike pelegruppe konfigurasjoner i ABAQUS. Innvirkningen av to parametere, peleavstand og lastretning, på responsen av pelegruppen er undersøkt. Reduksjonen i bæreevne og stivhet er kvantifisert med p-og y-faktorer. Funksjonsuttrykk for å bestemme p- og y-faktorer basert på peleavstand og lastretning er utviklet for bruk i prosjekteringssammenheng. P- og y-faktorenes sensitivitet til de to faktorene er avhengig av pelekonfigurasjonen. Negative gruppe-effekter er generelt størst for en peleavstand S/D = 2 med en virkningsgrad fra 72 - 85 % av fullt utnyttet bæreevne. Virkningsgraden øker etter hvert som avstanden mellom pelene blir større og nærmest full bæereevne (95 – 100%av total horisontal kapasitet) kan utnyttes for S/D = 5.

Jacket foundations are a widely used foundation type for offshore wind turbines and oil platforms. The jacket is a truss consisting of several legs that transfer the load to the seabed. Each leg is often supported by piles in order to provide sufficient bearing capacity and stiffness. The piles are typically used in groups of 2 to 4 closely spaced piles. Due to large wind and wave actions the piles must be designed for substantial lateral loading. Common practice is to model the piles as a Winkler foundation with corresponding p-y curves from relevant industry standards. The challenge is that the p-y curves are designed for isolated single piles. Because of pile-soil-pile interaction the bearing capacity and stiffness of a group-pile may be less than an equivalent isolated single pile. The p-y curves must therefore be modified to account for negative group effects. A numerical study of a flow-around failure for several 2-,3- and 4-pile group configurations is conducted in ABAQUS. The impact of two parameters, pile spacing (S/D = 2-5) and loading direction, on the group response is investigated. Reduction of ultimate bearing capacity and stiffness due to group effects is quantified in terms of group p- and y-multipliers. Functions for predicting the p- and y-multipliers based on the parameters is proposed for use in practical design situations. Depending on the pile group configuration the sensitivity of the multipliers to the two parameters varies. Group effects are generally largest for the closest pile spacing of S/D = 2 with a bearing efficiency in the range of 72 - 85 % of full capacity. As the pile spacing increase the negative group effects slowly diminish with bearing efficiency of 95-100 % for S/D = 5.