Modelling and Analysis of Wave-Structure-Foundation Interaction for Monolithic Breakwaters

Elsafti, Hisham

Caisson-Wellenbrecher werden aufgrund ökonomischer und Umweltaspekte bevorzugt. Jedoch sind sie empfindlicher gegen das Versagen des Baugrundes insbesondere gegen schrittweises Versagen. Aufgrund der Komplexität der Wellen-Bauwerk-Boden Interaktion liegt noch kein verlässliches Modell für diesen Versagensmechanismus vor. Deswegen werden ein semi-gekoppeltes CFD-CSD Modellsystem und ein vereinfachtes Modell in OpenFOAM entwickelt. Das CFD-Modell stellt eine durch Sickerströmungsgesetze und ein vereinfachtes Modell der Fluidkompressibilität erweiterte Version des mehrphasigen Strömingslösers von OpenFOAM dar. Das CFD-Modell wurde erfolgreich eingesetzt, um Druckschlagbelastungen durch brechende Wellen mit Lufteinschlüssen zu reproduzieren. Ein neues CSD-Modell wurde für die Lösung der voll dynamischen, gekoppelten Biot-Gleichungen mit einem neuen Ansatz entwickelt. Dabei wird der PISO-Algorithmus genutzt, um die Kopplung von Geschwindigkeit und Druck des Porenfluids zu lösen. Die Bauwerk-Boden Interaktion wird über ein Reibungs-Kontaktmodell eingeführt und für die Plastizität des Bodens ein Mehrflächenmodell implementiert. Die Validierung des CSD-Modells erfolgte durch analytische Modelle und Laborversuche. Mit dem Modell ist es gelungen, den Porenwasserdruckaufbau, die Bodenverdichtung und die Dissipation des Porenwasserdruckes zu reproduzieren. Es wurde eine Einweg-Kopplung der Modelle implementiert, in dem der Output des CFD-Modells als Input für das CSD-Modell aufbereitet wird. Mit dem validierten semi-gekoppelten Modellsystem ist es gelungen die Experimente im Großen Wellenkanal (GWK) zu reproduzieren. Darüber hinaus wurde das Modellsystem eingesetzt, um die getesteten Bedingungen zu erweitern. Ein neues Lastexzentrizitätskonzept wurde eingeführt, um die Gründungsverhaltens in vier Regime zu klassifizieren. Die Lastexzentrizität fasst alle relevanten Informationen der Wellenbelastung (Horizontal und Auftrieb) und der Bauwerkseigenschaften (Masse und Geometrie) zusammen. Unter Anwendung dieses Konzepts werden Empfehlungen für die Bemessung monolithisches Wellenbrechers ausgesprochen. Darüber hinaus wurde ein vereinfachtes nichtlineares 3-DOF Modell mit elasto-plastischen Federn entwickelt. Die Modellparameter wurden für unterschiedliche relative Dichte des Bodens und Lastexzentrizität kalibriert. Das vereinfachte Modell kann das schrittweise Versagen (Gleiten, Setzung und Kippen) sowie das Gesamtversagen (Umkippen) simulieren.

Monolithic breakwaters are preferred to other types of structures in terms of economical and environmental aspects. Nevertheless, they are more vulnerable to foundation failures, especially to stepwise failures. Due to the highly complex processes involved in wave-structure-foundation interaction, no reliable model yet exists for this failure mechanism. Therefore, a semi-coupled CFD-CSD model system and a simplified model are developed in OpenFOAM to describe wave-structure-foundation interaction for monolithic breakwaters, and particularly stepwise failures. The CFD model is an extension of the incompressible multiphase Eulerian solver of OpenFOAM by introducing different seepage laws and a simplified fluid compressibility model. The CFD model is successful in reproducing breaking wave impact including effect of entrapped air. A new CSD model is developed to solve the fully dynamic, coupled Biot equations with a new approach taking advantage of the PISO algorithm to resolve pore fluid velocity-pressure coupling. Soil-structure interaction is introduced via a frictional contact model and for soil behaviour, a multi-surface plasticity model is implemented. The model is validated against analytical models and physical tests. The model succeeds to reproduce wave-induced residual pore pressure buildup and soil densification followed by pore pressure dissipation. A one-way coupling of both models is achieved by transforming the CFD model output into input for the CSD model. The semi-coupled model system is applied successfully to reproduce selected results of a caisson breakwater subject to breaking wave impact in the Large Wave Flume (GWK). The model system is applied to expand the range of conditions tested in GWK for response of the soil foundation. A new load eccentricity concept, is proposed to classify response of the foundation in four load eccentricity regimes. Load eccentricity carries all significant information related to wave loads (horizontal and uplift) and to properties of the structure (mass and geometry). Using this concept, recommendations are drawn for design of monolithic breakwaters, and a new simplified nonlinear 3-DOF model is developed with elastoplastic springs. Model parameters are calibrated using results from the CFD-CSD model for different sand relative densities and different load eccentricities. The simplified model can simulate the stepwise failure (sliding, settlement and tilt) as well as the overall failure (overturning).

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Elsafti, Hisham: Modelling and Analysis of Wave-Structure-Foundation Interaction for Monolithic Breakwaters. 2015.

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