Macro-model for suction caisson

Abstract

Målet med denne masteroppgaven var å utvikle en makro-elementmodell for å simulere den ikke-lineære sammenhengen mellom kraft og forskyvning for en sugeanker i V-H-M-rommet, og videreutvikle en flyte-overflate-ligning som beskriver effektene av forskjellig retning mellom horisontale krefter og momenter i lasterom. Numeriske analyser ble utført i PLAXIS 3D for å undersøke hvordan oppførselen til krefter og forskyvninger påvirker et sugeanker i en normalkonsolidert leire. Basert på den maksimale kapasiteten fra PLAXIS 3D ble det etablert en flyte-overflate i form av kombinert last. Makroelementmodellen ble implementert i Jupyter Notebook ved hjelp av Python-kode. Modellen hadde som mål å representere den mekaniske oppførselen til sugeankeret under monotonisk belastning i et lasterom basert på forskyvningsinndata. En flyte-overflate utviklet av Bransby og O'Neill ble brukt som grunnlag for den nye flyte-overflaten som ble brukt i denne avhandlingen, i et forsøk på å beskrive effekten av forskjellig retning mellom en horisontal kraft og et moment. Mens modellen viser tilfredsstillende ytelse i H-V-planet, har den begrensninger i å nøyaktig representere oppførselen i M/D-H-planet. Avvik i M/D - H-planet reduserer modellens pålitelighet. Modellen viser tilfredsstillende resultater for lave mobiliseringsnivåer. Generelt bør flere last-forskyvningsstier testes for å ytterligere validere de oppdagede resultatene. Videre validering må gjennomføres for koplanære momentlaster. Sammenligning med modellen og resultater fra FE-modellen viser at makromodellen må justeres ytterligere. Makroelementmodellen brukte en tilknyttet flyteregel for å beskrive utviklingen av plastisk forskyvning. Dette fører til avvik i alle lasteplan ettersom det er behov for en plastisk potensialligning som ikke er lik lastoverflaten, noe som gir systemet en ikke-tilknyttet flyteregel. Herdingregelen som ble brukt i oppgaven, tilbyr en enkel implementering, men inkluderer ikke nok justeringsparametere til å nøyaktig beskrive lastene når de virker alene, og spesielt ikke under kombinasjon av laster. Derfor er det nødvendig å endre herdingsregelen som ble brukt i oppgaven for å bedre beskrive sammenhengen når plastisk forskyvning pålegges. Konklusjonen er at ytterligere justeringer og forbedringer er nødvendig for makroelementmodellen for å nøyaktig gjenskape oppførselen til sugeankeret under ulike lastforhold. Dette inkluderer å inkorporere en ikke-tilknyttet plastisk flyteregel, endre herdingsregelen og utføre mer omfattende testing av last-forskyvningsstier for å forbedre modellens pålitelighet og validere dens ytelse på tvers av ulike lasteplan.

The objective of this master thesis was to develop a macro-element model to simulate the non-linear force-displacement behavior of a suction anchor in V-H-M space and to further develop a yield surface equation describing the effects of misalignment between horizontal forces and moments in a co-planar loading space. Numerical analyses have been executed in PLAXIS 3D to investigate how the behavior of forces and displacements act on a suction anchor in a normally consolidated clay. Based on the ultimate capacities from PLAXIS 3D a yield surface in terms of combined loading was established. The macro-element model was implemented in Jupyter Notebook using Python code. The model aimed to represent the mechanical behavior of the suction caisson under monotonic loading in a loading space based on inputs of displacement. A yield surface developed by Bransby and O’Neill was used as a foundation for the new yield surface used in this thesis, trying to describe the misalignment between a horizontal force and moment. While the model demonstrates some satisfactory performance in the H-V plane, it exhibits limitations in accurately representing the behavior in the M/D-H plane. Deviations in M/D – H plane, lower the model’s reliability. The model does tend to show an okay alignment for low mobilization levels. Overall, more load-displacement paths should be tested to further validate the results discovered. Further validations need to be conducted for the co-planar moment loads. Comparison with the model and results from the FE model shows that the macro model must be further adjusted. The macro-element model used an associated flow rule to describe the development of plastic displacement. This gives deviation in all loading planes as there is a need for a plastic potential equation not equal to the loading surface, giving the system a non-associated flow rule. The hardening rule used in the thesis offers a simple implementation but does not include enough adjustments parameters to accurately describe the loads when acting alone, let alone, under a combination of loads. Therefore, the need to alter the hardening rule used in the thesis is necessary to better describe the relation when plastic displacement is imposed. In conclusion, additional adjustments and refinements are required for the macro-element model to accurately reproduce the behavior of the suction anchor under various loading conditions. This includes incorporating a non-associated plastic flow rule, modifying the hardening rule and conducting more extensive load-displacement path testing to enhance the model’s reliability and validate its performance across different loading planes.