Laboratory testing of a monopile in dry sand - for verification of a macro model

Abstract

Hensikten med denne masteropppgaven var å gjennomføre et labforsøk på en monopel i tørr sand. Resultatene skulle brukes til å verifisere en makromodell som beskriver interaksjonen mellom pel og jord i intergrerte dynamiske lastanalyser. Makromodellen ble utviklet som en del av et prosjekt som har til hensikt å redusere kostnadene ved offshore vindturbiner. Tidligere har modellen blitt verifisert for grunnforhold med homogen leire, og lagdelt jord med hovedsaklig leire. Derfor er det ønsket å også verifisere modellen for sand.

Statiske pushover-analyser med ren horisontallast og rent moment påført ved sandoverflaten ble gjennomført for å generere input til makromodellen. Det ble også gjennomført forsøk der pelen ble utsatt for kombinerte laster, i og ut av planet. Disse skulle senere brukes til å sammenligne med responsen fra makromodellen. Alle forsøkene gjennomført i laben ble også modellert med elementmetodeprogrammet PLAXIS 3D til sammenligning.

Resultatene fra labforsøk og PLAXIS modellering stemte godt overens, men makromodellen feilet i kalibreringen med input fra begge tilfeller. Pelresponsen fra forsøkene med kombinerte laster kunne derfor ikke sammenlignes med responsen fra makromodellen. Det ble forsøkt å korrigere kalibreringsproblemene ved å endre på kalibreringsrutinen, men det førte til nye problemer med modellen som ikke kunne løses i denne masteroppgaven.

Det ble konkludert med at makromodellen ikke kunne verifiseres for sand med input fra gjennomførte labforsøk eller PLAXIS modellering. Det burde undersøkes om de gjennomførte forsøkene ikke egner seg til å verifisere makromodellen, på grunn av skalaeffekter som en konsekvens av at pelen var begravd nær sandoverflaten. Et alternativ er å tilpasse modellen slik at den er gyldig for tilfeller som den testede inputen.

The purpose of this master thesis was to conduct a small scale laboratory test of a monopile in dry sand, and use the results to calibrate and verify a macro model created to describe pile-soil interaction in integrated dynamic load analyses. The macro model was developed as part of a project with the aim of reducing costs of offshore wind. Previously, the model has been verified for homogeneous clay ground conditions and layered soils with mainly clay. It is therefore desired to expand its applicability by verifying it for sand conditions.

Static pushover analyses with pure horizontal force and moment applied at mudline were conducted in order to create input for the macro model. To generate data that could be used for comparison with the predicted pile response from the macro model, the pile was subjected to multidirectional loading and combined loading in-plane. All tests performed in the lab were also recreated in the FE program PLAXIS 3D for comparison.

The lab and PLAXIS results were coinciding, but the generated input from both failed to properly calibrate the macro model. Pile response predicted by the macro model could therefore not be compared with the experiments. In an attempt to solve the calibration problem, the calibration routine was adjusted, but new problems arose that were not solved in this thesis.

It was concluded that the macro model could not be verified for sand conditions with the tested input. It should therefore be investigated if the conducted experiments are unsuitable to test the macro model, due to near surface scale effects as a result of the pile being buried close to the sand surface. An alternative is to adjust the macro model to work for cases such as the tested input.