Porenwasserdruckakkumulation bei zyklisch horizontal belasteten Monopiles mit großen Durchmessern

Monopiles mit Durchmessern von bis zu 8 m werden als eine geeignete Gründungsmöglichkeit für Offshore-Windenergieanlagen (OWEA) in bis zu 40 m Wassertiefe angesehen. Durch die zyklischen Horizontalbelastungen, insbesondere aus Wind und Wellengang, finden Porenwasserdruckakkumulationen im Boden statt, die bei der Dimensionierung der Monopiles derzeit nicht berücksichtigt werden.
In diesem Beitrag wird das Verhalten der Monopiles von OWEA mit Fokussierung auf die Porenwasserdruckentwicklung für das Bemessungsszenario Extrembedingungen mittels numerischer Berechnungen untersucht. In den FE-Berechnungen wird ein Zwei-Phasen-Modell in Verbindung mit einem hypoplastischen Stoffgesetz für den wassergesättigten Sandboden verwendet. Es werden die Ergebnisse von Parameterstudien präsentiert, die eine Variation von Belastungsamplitude, -frequenz, -zyklenanzahl und -typ, Lagerungsdichte und Durchlässigkeitsbeiwert des Sandes sowie den Durchmesser des Monopiles umfassen.
Die eigenen Ergebnisse werden den in der Literatur vorhandenen Berechnungsansätzen zur Abschätzung des Verhaltens von zyklisch horizontal belasteten Monopiles gegenübergestellt. Es wird der Einfluss von Porenwasserdruckakkumulationen auf das interaktive Trag- und Verformungsverhalten des Monopile-Boden-Systems beurteilt und die Relevanz für die Bemessungspraxis aufgezeigt.

Pore water pressure accumulation due to cyclic horizontally loaded monopiles with large diameters.
Monopiles, i. e. single piles with large diameter of up to 8 m, are suitable foundations for off shore-wind power plants built in up to 40 m water depth. Cyclic loading of the monopile-soil system induced by extremely strong wind and water waves causes a change in pore water pressure. Current design practice does not account for such effects. In this paper the interaction behaviour of monopile-soil systems subjected to extreme loading is analyzed using a finite element model. A fully coupled two-phase model and a hypoplastic constitutive model for the sandy soil are used in the numerical analyses. Results from the numerical studies are presented and they include the variation of loading amplitude, frequency, number of cycles and loading type as well, initial density and permeability of the sand as well as the diameter of the monopile.
The own numerical results are compared with design equations for cyclic horizontally loaded piles from other references. Based on these investigations the importance and relevance of the consideration of pore water pressure accumulation with monopilesoil systems subjected to offshore loading conditions is demonstrated.