| dc.description.abstract | Pel fundamenter utsettes som oftest for både vertikale og horisontale laster samtidig. I integrerte analyser av offshore vindturbiner med monopelfundament modelleres horisontale jordreaksjoner vanligvis ved et sett av ikke-lineære fjærkurver (p-y kurver) langs pelens lengde. Fjærkurvene konstrueres da ofte fra standarder som er gitt av API og DNV. Anbefalinger gitt i disse standardene er basert på lange slanke peler, og ikke store monopeler brukt for offshore vindturbiner. Ved beregning av p-y kurvene neglisjeres da effekten av vertikal last og det antas det at de vertikale og horisontale jordreaksjonene er uavhengige av hverandre. Dette kan føre til feilaktig beregning av de horisontale jordreaksjonene rundt pelen. I dette studiet er det sett på effekten av vertikal last på den horisontale responsen til en pel installert i leire og på de horisontale p-y kurvene som representerer bruddformen for horisontal jordstrømning rundt pelen.
En stor diameter pel installert i idealisert homogen leire er analysert i elementmetodeprogrammet Plaxis 3D. Pelen er modellert med lineært elastisk materiale, og leiren er modellert med Hardening Soil (HS) modellen. Full lengde av pelen er modellert for å evaluere effekten av vertikale last på den horisontale responsen. Resultatene viser en betydelig reduksjon av den horisontale kapasiteten for vertikale laster over 60% av den vertikale kapasiteten. Videre ble effekten av pelens slankhetsforhold, L/D-forhold, vurdert. For peler med L/D>10 ble det observert en marginal effekt av vertikal last på den horisontale kapasiteten. For peler med L/D<10, ble det derimot observert en betydelig reduksjon som følge av vertikal last på den horisontale kapasiteten.
Effekten av vertikal last på de horisontale p-y fjærkurvene ble evaluert ved å se på en pel skive som representerer bruddformen for horisontal jordstrømning rundt pelen. En begrenset effekt av vertikal last ble observert på de horisontale p-y kurvene. Til tross for at det ble funnet en betydelig effekt av vertikal last på jordmateriale nær pelen, er effekten marginal lenger borte fra pelen. For horisontale laster derimot, mobiliseres skjærspenninger i en betydelig avstand fra pelen. Dermed er den ultimate horisontale kapasiteten dominert av jordmateriale som ikke er påvirket av vertikal last.
Hovedkonklusjonen i dette studiet er at det er nødvendig med en full tre-dimensjonal elementmetode-analyse av hele pelens lengde for å kunne evaluere effekten av vertikal last på den horisontale kapasiteten. Resultater fra dette studiet viser at for store monopeler med lave L/D-forhold, er det ikke-konservativt å neglisjere effekten av vertikale laster over 60% av den vertikale kapasiteten på horisontal kapasiteten av pelen. Videre er bruddformen for horisontal jordstrømning, modellert som en pel skive i Plaxis 3D, ikke i stand til å representere effekten av vertikal last på de horisontale p-y kurvene. | |
| dc.description.abstract | Pile foundations are usually exposed to simultaneous vertical and lateral loads. In integrated analyses of offshore wind turbines with a monopile foundation, the lateral foundation behaviour is usually represented by a set of non-linear springs (p-y curves) along the length of the pile. The p-y curves are then often derived from design regulations provided by API and DNV. The recommendations are based on slender piles and not large diameter monopiles used for offshore wind turbines. In the p-y curve methodology, the effect of vertical loading is neglected, and the lateral and vertical response is considered as uncoupled. This may give an inaccurate representation of the lateral pile behaviour. In this study, the effect of vertical loading on the lateral response of a large diameter pile installed in clay is studied in a series of three-dimensional finite element analyses in Plaxis 3D. The ultimate lateral response is limited by a wedge failure at shallow depth and by flow-around failure at larger depth. This study is limited to the p-y curves derived from the flow-around soil failure mechanism.
A large diameter pile installed in an idealised homogeneous clayey soil profile is analysed in Plaxis 3D. The pile is modelled with a linearly elastic material, and the soil material is modelled with the Hardening Soil (HS) model. The full length of the pile is modelled to evaluate the effect of vertical loads on the lateral response. A significant reduction in the lateral capacities is observed for applied vertical loads above 60% of the vertical capacities. Furthermore, the effect of the pile slenderness ratio, L/D-ratio, is evaluated. For piles with L/D>10, the effect of vertical loading on the lateral pile response appears to be limited. However, for non-slender piles, L/D<10, vertical loading significantly reduces the lateral capacity.
In addition, the effect of vertical loading on lateral p-y curves derived from a pile slice governing the flow-around soil failure mechanism is evaluated. The results indicate a limited effect of vertical loading on the lateral p-y curves. Although a significant effect of vertical loading was observed in the soil material close to the pile, further away from the pile, the effect is marginal. For lateral loading, on the other hand, shear stresses are mobilised at a considerable distance from the pile. Consequently, the ultimate lateral capacity is mainly governed by soil material which is not affected by vertical loading.
The overall conclusion in this study is that it is necessary with a full three-dimensional finite element analysis of the entire length of the pile to evaluate the effect of simultaneous vertical and lateral loading on the lateral pile behaviour. For non-slender piles installed in a clayey soil, it is unconservative to neglect the effect of vertical loads above 60% of the vertical capacity on the lateral pile response. Furthermore, the flow-around soil failure mechanism often used for derivation of p-y curves, as represented by a pile slice in Plaxis 3D, is not able to represent the effect of vertical loading on the lateral p-y curves. | |
