Praktischer Ansatz zur Makroelementmodellierung der Boden-Bauwerk-Interaktion für schwimmende Offshore Strukturen
| Laufzeit: | 01.10.2022 - 30.09.2025 |
| Gefördert durch: | DAAD |
| Bearbeiter: | Kachallah Kau, M.Sc. |
Kurzbeschreibung:
Diese Forschungsarbeit befasst sich mit der Entwicklung eines praktischen Makroelementmodells für schwimmende Offshore-Strukturfundamente. Die Studien im Offshore-Bereich haben in den letzten Jahrzehnten erheblich zugenommen. Dies ist in erster Linie auf das anhaltende Interesse an der Offshore-Öl- und -Gasexploration zurückzuführen, aber auch auf die wachsende Produktion von sauberer Windenergie und die jüngste Schaffung von schwimmender Infrastruktur für Wellen- und Gezeitenenergie. Schwimmende Strukturen werden durch verschiedene Arten von Ankern am Meeresboden verankert, z. B. durch Schwerkraftfundamente, Senkkästen, Schleppanker, vertikal belastete Anker, durch Saugkraft eingebettete Plattenanker, Schwerkraftanker usw. Mit der Entdeckung weiterer Öl- und Gasvorkommen und dem Voranschreiten der Windenergieerzeugung in Richtung Tiefwasser ist ein Werkzeug für den praktischen und zuverlässigen Entwurf und die Analyse von Fundamenten für schwimmende Strukturen, das die gekoppelten Nichtlinearitäten des Verhaltens von Verankerung, Anker und Boden (Boden-Bauwerk-Interaktion - SSI) in der dynamischen Analyse der schwimmenden Struktur modellieren kann, sehr wichtig.
Zurzeit wird SSI bei der dynamischen Analyse von Strukturen mit Fundamenten nicht direkt berücksichtigt. Das übliche Verfahren, das eine iterative Analyse zwischen einem Strukturmodell mit vereinfachten Annahmen zur Bodenbefestigung und einem separaten geotechnischen Modell mit Lastannahmen aus dem Strukturmodell als umfassendes Finite-Elemente-Modell der Struktur und des tragenden Bodens beinhaltet, kann zu stark vereinfacht sein, wenn das Bodenbefestigungsmodell zu einfach ist oder die Lastannahmen nicht korrekt sind, und die Finite-Elemente-Analyse des gesamten Struktur-Gründung-Boden-Modells ist zu komplex und teuer. Die Finite-Elemente-Analyse ist rechenintensiv und ineffektiv in Bezug auf Zeit und Kosten. Aufgrund dieser Einschränkungen werden zunehmend Makroelementmodelle für die Untersuchung nichtlinearer SSI verwendet.
Aus rechnerischer Sicht sind Makroelementmodelle besonders interessant, da sie den Kern von SSI mit allen sechs (6) Freiheitsgraden erfassen können und bereits erfolgreich zur Vorhersage der mechanischen Reaktion von Onshore- und Offshore-Gründungen eingesetzt wurden. Die Hauptvorteile solcher Modelle sind ihre Einfachheit und ihre Fähigkeit, das Gesamtverhalten von tragenden Fundamenten darzustellen (z. B. Fundamentkapazität unter kombinierten Belastungen, nichtlineares Verhalten von Strukturen, Bewertung des seismischen Verhaltens von Strukturen usw.). Andererseits ist ihre Verwendung in realen Anwendungen dadurch eingeschränkt, dass die Makroelementparameter für jeden einzelnen Fall numerisch oder durch Experimente kalibriert werden müssen, wodurch sie auf spezifische Anwendungen beschränkt sind, was ihre Fähigkeit, eine Vielzahl von Problemen zu lösen, in Frage stellt. Daher würde ihre Verwendung zum jetzigen Zeitpunkt eine zeitaufwändige Finite-Elemente-Modellierung oder physikalische Tests im Vorfeld erfordern.
Diese Forschungsarbeit zielt darauf ab, das Konzept des Makroelementmodells für Offshore-Verankerungsfundamente, die schwimmende Strukturen stützen, zu untersuchen und einen praktischen Makroelementrahmen zu entwickeln, in dem Makroelementparameter mit Bodenparametern in Beziehung gesetzt werden können, die üblicherweise bei der Baugrunduntersuchung ermittelt werden.
Das neue Makroelementmodell wird in Matlab implementiert und anhand verfügbarer experimenteller oder numerischer Ergebnisse aus der Literatur validiert. Das erstellte Makroelementgerüst wird als Werkzeug für den praktischen Entwurf und die Analyse von Offshore-Gründungen für schwimmende Strukturen dienen.
Abb. 2: FEM-Modell einer Caisson-Gründung in Plaxis 3D