WaSFI

Modellierung von Wellen-Bauwerk-Baugrund-Interaktion für marine Schwergewichtsbauwerke

Leitung Dr.-Ing. Hisham Elsafti
Bearbeitung Dr.-Ing. Hisham Elsafti
Förderung DFG, EL 865/1-1
Laufzeit 01.11.2016 - 2019

Kurzbeschreibung

1. Motivation und Zielsetzung

Bild 1: Konzept der Wellen-Bauwerk-Fundament Interaktion für marine Schwergewicht-Bauwerke (Elsafti, 2015)

Vorgefertigte marine Schwergewicht-Bauwerke (wie zum Beispiel Caissons) sind vorteilhaft im Bezug auf Bauzeit, Qualitätskontrolle, Wartung, Mehrzwecknutzung und Umwelt. Trotzdem sind sie anfällig gegenüber Fundamentversagen, besonders für schrittweises Versagen, das Bauwerke, welche für extreme Verhältnisse entworfen wurden, unter mäßiger, frequentierter Wellenbelastung unbrauchbar machen kann. Außerdem kann die sich aufsummierende Verschiebung des marinen Schwergewicht-Bauwerks die Gefährdung durch extreme Belastungen erhöhen.

Der schrittweise Versagensmechanismus setzt sich aus hochkomplexen Prozessen im Kreislauf der Seegangs-Bauwerk-Fundament Interaktion zusammen (Bild 1). Ungeachtet der vielen internationalen Projekte, die zur Verbesserung der Entwurfsmöglichkeiten für marine Schwergewicht-Bauwerke und ebenso für das Verständnis der maßgeblichen physikalischen Prozesse beitragen, gibt es kein zuverlässiges Verfahren um das schrittweise Versagen vorherzusagen und ebenso wurde keine solide Erklärung der physikalischen Vorgänge gegeben. Die jüngste Darlegung ist nur teilweise gültig für die Tendenz von zur Küste geneigten und zum Meer geneigten marinen Schwergewicht-Bauwerken unter Wellenbelastung. In diesem Projekt, basierend auf früheren Arbeiten im Leichtweiss Institut, wird ein neues, vollgekoppeltes CFD-CSD Modell entwickelt, um die Defizite der bisherigen Modelle zu beseitigen und eine wesentliche Verbesserung sowie eine Verfeinerung der Konzepte aus Elsafti (2015) herbeizuführen.

Bild 2: Das "Konzept der Belastungsexzentrizität" und Beispiele für die Berechnung der relativen Belastungsexzentrizität aus CFD Simulationen (Elsafti 2015)

Die sich ergebenden Anforderungen für die Kopplung des zukünftigen CFD-CSD Models werden gegeben als: (1) Notwendigkeit einer wechselseitigen Kopplung um die Auftriebsdrücke auf marine Schwergewicht-Bauwerke korrekt bilden zu können und um die zusätzliche Fluidmasse und die Fluiddämpfungseffekte am Bauwerk besser simulieren zu können. Zusätzlich sollte die Kopplung eine Lösungsmethode für verformbare poröse Medien, entgegengesetzt zu unverformbaren porösen Medien in CFD Modellen, liefern und (2) Simulationen des Fluids als mehrphasig mit geeignetem Momentenaustausch zwischen den Phasen (innerhalb und außerhalb poröser Medien) ermöglichen um das Verständnis der Funktion von Luft in einerseits brechenden Wellen und in der Reaktion des Meeresbodens auf zyklische Belastung (Änderung des Sättigungsgrads als Folge der Belastung) zu verbessern. Zusätzlich wird dies helfen die Rolle der eingeschlossenen Luft in brechenden Wellen, im Zusammenhang mit der Verringerung des Sättigungsgrades des Meeresbodens, unter der seewärtigen Kante des Bauwerks zu verstehen.

Elsafti (2015) entwickelte das "Konzept der Belastungsexzentrizität" für die Analyse des schrittweisen Versagens von marinen Schwergewicht-Bauwerken. Die Belastungsexzentrizität ist definiert als die maximale Exzentrizität der vertikalen Kraftresultierenden Fv vom Mittelpunkt der Bauwerk-Fundament Oberfläche (Bild 2a). Die relative Belastungsexzentrizität (e/B) enthält alle Informationen über die Belastung und den Eigenschaften des Schwergewicht-Bauwerks in einem einzigen Parameter. Beispiele von e/B, von den GWK Versuchen nachgebildet mit CFD Simulationen von Elsafti (2015), sind in Bild 2b dargestellt.

Bild 3: Idealisierung der Spannungen/Kräfte durch den Caisson unter beiden Kanten für verschiedene Belastungsexzentrizitätsordnugen

Die Reaktion monolithischer Wellenbrecher wurde in vier Ordnungen von Belastungsexzentrizitäten klassifiziert: Niedrig, durchschnittlich, hoch und extrem. In der niedrigen Exzentrizitätsordnung verliert das Bauwerk nicht den Kontakt mit dem Fundament (e/B ≤ 1/6), folglich ist das Eigengewicht wichtig, wenn es sich entscheidet, ob das Bauwerk seewärts oder küstenwärts kippt (Bild 3a,c). Andere Lastexzentrizitätsordnungen werden von brechenden Wellen induziert und verursachen kurzzeitigen (größtenteils partiellen) Kontaktverlust zwischen dem Bauwerk und dem darunterliegenden Fundament. Während des Wellenaufpralls und wenn das Bauwerk zur ursprünglichen Position zurückfällt können die vom Bauwerk verursachten Spannungen auf das Fundament als Kräfte idealisiert werden (Bild 3b und 2b). Für die durchschnittliche Belastungsexzentrizitätsordnung ist die Trägheitskraft (Fsea) kleiner als die durch den Aufprall entstandene Kraft (Fshore, Bild 3d). Jedoch wird für die hohe und für die extreme Belastungsexzentrizitätsordnung Fsea > Fshore (Bild 3e). Das bedeutet, dass es für Bauwerke mit durchschnittlicher Belastungsexzentrizitätsordnung warscheinlicher ist küstenwärts zu kippen, während es für Bauwerke mit hoher Exzentrizitätsordnung warscheinlicher ist dass sie seewärts kippen. Weitergehend werden Bauwerke mit extremer Exzentrizitätsordnung von übermäßigen, mit Rotation verbundenen Gleiten beansprucht, mit möglicher Erosion im Schuttfundament küstenwärts und Einbettung der küstenwärtigen Kante des Caissons im Fundament. Für die extreme Ordnung ist es für das Bauwerk warscheinlicher küstenwärts zu kippen. Allerdings würde die extreme Ordnung als katastrophales Versagen eingestuft werden, nicht als schrittweises Versagen. Ein gut entworfenes Bauwerk sollte in der Regel nicht in die extreme Exzentrizitätsordnung gelangen. Die Grenzen zwischen den 4 Exzentrizitätsordnungen wurden unverbindlich von Elsafti (2015) festgelegt, und müssen konkretisiert und exakter bestimmt werden auf Grundlage von einem überarbeiteten CFD-CSD Modell.

Elsafti(2015) führte ein nichtlineares 3-DOF Masse-Feder-Dämpfer Modell in OpenFOAM ein, genannt "caissonFoam", in dem eine idealisierte elastoplastische Feder für zyklische Belastungen entwickelt wurde (Änderung der Steifheit, Abstand der Belastungen und Entlastungen, der p-y Beziehung und der Bodenverdichtung für jeden Durchlauf). Die Modellparameter wurden für jeweilige verschiedene Lastexzentrizitäten und diesbezügliche Bodendichten kalibriert. Das caissonFoam Model beinhaltet zusätzliche nichtlineare Eigenschaften, z.B. Simulation von Bauwerk-Fundament-Trennung und -Wiederanschließung durch Deaktivierung und Wiederaktivierung vertikaler Lager, einen vertikalen Gleiter um schrittweises Gleiten des Caissons zu simulieren und Änderung der Lage des Pivots in Übereinstimmung mit der Boden-Bauwerk Interaktion. Das caissonFoam Modell wurde erfolgreich angewandt um großskalige GWK Versuche wiederzugeben.

Hauptsächlich gestützt auf Erfahrungen aus früheren Arbeiten des LWI, ist das Gesamtziel des vorgeschlagenen Projektes die Entwicklung eines strenggekoppelten CFD-CSD Modellsystems für die Analyse von Küsten- und Offshorebauwerken, mit dem Hauptaugenmerk auf der Darstellung des schrittweisen Versagensmechanismus von marinen Schwergewicht-Bauwerken. Das vorgeschlagene Modellsystem wird mithilfe der großmaßstäblichen GWK Versuche aus dem EU-LIMAS Projekt (Kudella et al. 2006) validiert.

2. Arbeitsprogramm und Methodik

Bild 4: Validierung des CFD-CSD Model Systems. Benutzt wurden großmaßstäbliche GWK Versuche für regelmäßige brechende Wellen (H = 0.7m. Und T = 6.5s.) (Elsafti, 2015)

Das semi-gekoppelte CFD-CSD Model aus Elsafti (2015) wurde erfolgreich für die Nachbildung der großmaßstäblichen GWK Caisson Wellenbrecher Versuche aus Kudella et al. (2006) (Bild 4) verwendet. Das Modellsystem kann die verbleibende Verschiebung und den sich daraus aufbauenden Porendruck unter dem marinen Schwergewicht-Bauwerk schrittweise (pro Wasserevent) nachbilden. Es wurde belegt dass die numerisch berechnete Porendruckamplitude unter der seewärtigen Kante überschätzt wird (Bild 4b), aber die der küstenwärtigen Kante unterschätzt wird (Bild 4d). Mögliche Begründungen für die Abweichungen sind: (1) Unterschiede im Grad der Sättigung unter beiden Caissonkanten aufgrund der Belastung (Einfluss der Reaktion des Meeresbodens auf die Änderung des Luftgehalts in den Poren) und (2) Dämpfungseffekte verursacht vom Fluid um das Bauwerk herum. Diese zwei Faktoren wurden im Modell nicht betrachtet und müssen in zukünftigen Entwicklungen berücksichtigt werden.

Das validierte Modellsystem wird dann angewendet um eine systematische Parameterstudie durchzuführen, was das Ziel hat, die komplexen physikalischen Prozesse im Zusammenhang mit Wellen-Bauwerk-Fundament Interaktion besser zu verstehen, mit einem genaueren Blick auf marine Schwergewicht-Bauwerke. Konkreter erlauben uns die Ergebnisse der Parameterstudie Fragen zu beantworten, die sich beim Erforschen des aktuellen Wissensstandes stellen (z.B. die Rolle der Belastung durch brechende Wellen auf Schwergewicht-Bauwerke und die dadurch induzierte Änderung des Sättigungsgrades des unterliegenden Bodens). Außerdem werden die Ergebnisse eine Entwicklung des oben erwähnten "Konzepts der Belastungsexzentrizität" hervorrufen, durch Einbringung der Auswirkungen der Eigengewichtsexzentrizität und Bauwerksmodifikationen wie z.B. Seitenbermen, und ebenso ein fundierteres Verständnis und eine genauere Definition der Grenzen zwischen den Exzentrizitätsordnungen ermöglichen. Ebenfalls wird das caissonFoam Modell verbessert und erweitert, um die Simulation von realistischeren Bedingungen des Bauwerks zu bewältigen.

3. Geplante Ergebnisse

Die spezifischen Zielsetzungen des vorgeschlagenen Projekts können wie folgt zusammengefasst werden: (i) Entwicklung eines streng gekoppelten CFD-CSD Modellystems (Inklusive Verbesserungen der Mängel des semi-gekoppelten Modells aus Elsafti (2015); z.B. multiphasige Poren Strömung), (ii) Verbesserung der Geschwindigkeit des geotechnischen Modells, (iii) Validierung des Modells mit großskaligen Caisson Wellenbrecher Experimenten, (iv) Verbesserung des Verständnisses über die physikalischen Prozesse der Reaktion von Schwergewicht-Bauwerken auf brechende Wellen und Weiterentwicklung des Konzeptes der Belastungsexzentrizität, (v) Weiterentwicklung des vereinfachten caissonFoam Modells von Elsafti(2015) für realistischere Bedingungen und (vi) Dokumentation und Publikation der entwickelten Anwendungen unter der General Public Licence (GPL), und somit Zurverfügungstellung einer Plattform für die Weiterentwicklung und eines größeren Angebotes an Anwendungen des vorausblickenden Modellsystems, durch, unter anderem, akademische Zusammenarbeit. Code-Updates befinden sich unter (www.geotechfoam.com).

Danksagung

Die finanzielle Unterstützung der DFG (Deutsche Forschungsgemeinschaft) für das WaSFI Projekt (EL 865-1/1) wurde dankbar gewürdigt.

Referenzen

www.geotechfoam.com

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