Entwicklung eines hochzyklischen Akkumulationsmodells für granulare Böden mit leicht brechenden Körnern

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Dr.-Ing. Meisam Goudarzy; Dr.-Ing. Merita Tafili; Professor Dr.-Ing. Torsten Wichtmann
• Fachliche Zuordnung: Geotechnik, Wasserbau
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 526158236

Eine hochzyklische Belastung, gekennzeichnet durch eine große Zyklenanzahl und kleine Dehnungsamplituden, kann zu einer Akkumulation bleibender Verformungen im Boden führen und damit die Gebrauchstauglichkeit von Gründungen gefährden. Ein aktuelles Beispiel sind die Gründungen von Offshore-Windenergieanlagen (OWEA), die durch Wind und Wellen hochzyklisch beansprucht werden. Für die Prognose der zu erwartenden bleibenden Verformungen sind hochzyklische Akkumulationsmodelle geeignet, die auf umfangreichen Laborversuchsreihen basieren und Untersuchungen der gesamten Boden-Bauwerk-Interaktion für beliebige Gründungstypen ermöglichen. In vielen Regionen der Welt müssen OWEAs in Kalksanden gegründet werden, d.h. granularen Böden mit leicht brechbaren Körnern. Der Kornbruch führt zu irreversiblen Änderungen der Korngrößenverteilungskurve und beeinflusst somit das mechanische Verhalten des Sandes. Bei einer OWEA-Gründung findet Kornbruch sowohl bei der Installation als auch während des Betriebs infolge der hochzyklischen Belastung statt, wodurch das Langzeitverhalten der OWEA signifikant beeinflusst werden kann. Da entsprechende Untersuchungen fehlen, ist der Einfluss des Kornbruchs auf verschiedene Aspekte des Verhaltens granularer Materialien mit leicht brechbaren Körnern unter hochzyklischer Belastung unklar. Ziel des Projekts ist die Entwicklung, Validierung und exemplarische Anwendung eines hochzyklischen Akkumulationsmodells für granulare Böden mit leicht brechbaren Körnern. Hierzu wird eine systematische experimentelle Untersuchung mit hochzyklischer Belastung an Triaxialproben eines Kalksandes durchgeführt, wobei verschiedene Parameter wie die Anfangslagerungsdichte, der mittlere Spannungszustand, die Spannungsamplitude, die Belastungsfrequenz und die Dränagebedingungen (dräniert / undräniert) variiert werden. Versuche mit einer mehrdimensionalen zyklischen Belastung sowie mehreren Zyklenpaketen mit jeweils unterschiedlichen Amplituden, mittleren Spannungen und Polarisationen sind ebenfalls vorgesehen. Die Quantifizierung des Kornbruchs erfolgt anhand von Siebanalysen vor und nach den Versuchen sowie Kornformanalysen. Auf Grundlage der experimentellen Ergebnisse wird ein hochzyklisches Akkumulationsmodell entwickelt, welches den Kornbruch über eine Schädigungsvariable berücksichtigt. Für die impliziten Phasen einer FE-Berechnung mit dem Akkumulationsmodell werden zudem zwei vorhandene konventionelle Stoffmodelle mit Berücksichtigung des Kornbruchs kompetitiv weiterentwickelt, was anhand zusätzlich durchgeführter Ödometer-, Triaxial- und RC-Versuche am Kalksand erfolgt. Nach der Kalibrierung und Validierung der entwickelten Stoffmodelle anhand der Elementversuche erfolgt eine exemplarische Anwendung in einer FE-Parameterstudie an einem lateral zyklisch beanspruchten Monopile. In einer zweiten Projektphase ist die Untersuchung von Effekten der Pfahlinstallation sowie eine Validierung der Stoffmodelle anhand von Modellversuchen geplant.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen