Mehrdimensionale hochzyklische Beanspruchungen im Experiment und im Finite-Elemente-Modell

Das Verhalten granularer Böden unter mehrdimensionaler zyklischer Beanspruchung ist für viele baupraktische Fragestellungen von großer Bedeutung. Beispielsweise können bei Offshore-Windenergieanlagen (OWEA) Wind- und Wellenbelastungen aus unterschiedlichen Richtungen sowie mit einem zeitlichen Versatz auf die geotechnische Struktur einwirken, woraus eine mehrdimensionale zyklische Beanspruchung resultiert. Es ist bekannt, dass eine mehrdimensionale zyklische Beanspruchung zu einer größeren Akkumulation der Verformung im Boden führt als eine eindimensionale Beanspruchung gleicher Amplitude. Werden die akkumulierten Verformungen zu groß, kann dies zu einem unvorhergesehenen Verlust der Gebrauchstauglichkeit führen. Die numerische Erfassung des mehrdimensionalen Problems und die Prognose der zu erwartenden Verformungen sind daher in solchen Fällen unerlässlich. Gegenstand dieses Aufsatzes ist eine Untersuchung des Bodenverhaltens unter mehrdimensionaler zyklischer Beanspruchung. In über 120 zyklischen Triaxial- und Hohlzylindertriaxialversuchen wird das Bodenverhalten unter ein- bis vierdimensionaler Beanspruchung intensiv untersucht. Erstmals kann dabei die mathematische Formulierung der mehrdimensionalen Dehnungsamplitude im hochzyklischen Akkumulationsmodell (HCA-Modell) nach Niemunis et al. für ein- bis vierdimensionale Beanspruchungen versuchstechnisch überprüft werden. Das HCA-Modell mit der validierten Definition der Dehnungsamplitude wird anschließend in exemplarischen numerischen Berechnungen einer OWEA-Monopilegründung unter einer durch Wind- und Wellenbelastung hervorgerufenen mehrdimensionalen Beanspruchung studiert. Auf diese Weise werden die Anwendbarkeit und der Mehrwert der Definition der mehrdimensionalen Dehnungsamplitude im HCA-Modell für baupraktische Zwecke verdeutlicht.

Multidimensional high-cyclic loading in experiment and in finite element model
The behaviour of granular soils under multidimensional cyclic loading is of great importance for many engineering applications or design issues. For example, wind and wave loads from different directions of incidence and with temporal offset can affect the behavior of geotechnical structures of offshore wind energy turbines (OWT), from which a multidimensional cyclic stress results. It is known that a multidimensional cyclic load leads to a greater accumulation of deformation in the soil than a one-dimensional load of the same amplitude. If the accumulated deformations become too large, this can leads to an unforeseen loss of serviceability. The numerical simulation of the multidimensional problem and the prediction of the expected deformations is therefore in such cases essential. Subject of this contribution is the investigation of the soil behaviour under multidimensional cyclic loading. Within the conduction of more than 120 cyclic triaxial and hollow cylinder tests, the soil behaviour under one to four dimensional loading is intensively investigated. For the first time, the mathematical formulation of the multidimensional strain amplitude in the high-cycle accumulation (HCA) model after Niemunis et al. with up to four dimensional loading can be proven experimentally. The HCA model with the validated definition of the strain amplitude is then used in exemplary numerical calculations of an OWT monopile foundation under multidimensional loading caused by simultaneous wind and wave action. This way, the applicability and the added value of the definition of the multidimensional strain amplitude in the HCA-model for engineering applications and design purposes.