Renewed interest in the long-term pile foundations has been driven by the increase in offshore wind turbine installation to generate renewable energy. A monopile subjected to repetitive loads experiences an evolution of displacements, pile rotation, and stress redistribution along the embedded portion of the pile. However, it is not fully understood how the embedded pile interacts with the surrounding soil elements based on different pile geometries. This study investigates the long-term soil response around offshore monopiles using finite element method. The semi-empirical numerical approach is adopted to account for the fundamental features of volumetric strain (terminal void ratio) and shear strain (shakedown and ratcheting), the strain accumulation rate, and stress obliquity. The model is tested with different strain boundary conditions and stress obliquity by relaxing four model parameters. The parametric study includes pile diameter, embedded length, and moment arm distance from the surface. Numerical results indicate that different pile geometries produce a distinct evolution of lateral displacement and stress. In particular, the repetitive lateral load increases the global lateral load resistance. Further analysis provides insight into the propagation of the shear localization from the pile tip to the ground surface.
Seo, Mi Jeong;Park, Jong-Bae;Lee, Dongsoo;Lee, Jong-Sub
Geomechanics and Engineering
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v.29
no.4
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pp.407-420
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2022
Embedded piles, which are typically used in Korea, are precast piles inserted into prebored ground with cement paste. Dynamic pile tests tend to underestimate the bearing capacity of embedded piles because of the undeveloped shaft resistance prior to the curing of the cement paste and the insufficient energy transferred after the curing. In this study, a resistance combination method using the base resistance before the cement paste is cured and the shaft resistance after the cement paste is cured is proposed to obtain a combined load-settlement curve from dynamic pile tests. Two pairs of embedded piles with diameters of 600 and 500 mm are installed. Each pair comprises one pile for the dynamic pile test and another pile for the static load test. The shape of the load-settlement curve obtained using the proposed method is similar to that obtained from the static load test. Thus, the resistances evaluated using the proposed method at selected settlements are similar to those obtained from the static load test. This study shows that the resistance combination method may be used effectively in dynamic pile tests to accurately evaluate the bearing capacity of embedded piles.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.14
no.4
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pp.965-975
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1994
Opening the tip of a PHC pile, under a constant driving energy, can result in an increment of penetration depth due to the decrement of driving resistance. Therefore, the bearing capacity of an open-ended PHC pile may become larger than that of a closed-ended PHC pile by virtue of the increased embedded length. However, two main problems can be caused by opening the end of PHC pile. First problem is the variation of bearing capacity by opening the pile tip, and the second one is whether the tip of an open-ended PHC pile will be failured by a high pressure developed by the soil plug. In this study, model pile tests in calibration chamber were performed to investigate the practicability of open-ended PHC pile in view of both the pile bearing capacity and the possible failure of the pile tip. According to the test results, the total bearing capacity of open-ended piles approaches the total bearing capacity of closed-ended piles with the increase of the penetration depth. The failure of pile tip could be occurred in the region of 0.8~1.1 times as the inside diameter from the pile tip.
The standard penetration test (SPT) has been widely used because of its usability, economy, and many correlations with soil properties among other factors. In SPT, hammer energy is an important factor to evaluate and calibrate N values. To measure hammer energy, an instrumented SPT rod was developed considering that stress waves transferring on rods during SPT driving are the same as stress waves transferring on piles due to pile driving. Using this idea, an instrumented SPT rod with a pile driving analyzer was applied as a pile capacity prediction tool in this study. In order to evaluate this method, SPT and dynamic cone tests with the instrumented SPT rod were conducted and also 2 pile load tests were performed on pre-bored steel pipe piles at the same test site. End bearings were predicted by CAPWAP analysis on force and velocity waves from dynamic cone penetration tests and SPT. Comparing these predicted end bearings with static pile load tests, a new prediction method of the end bearing capacity using the instrumented SPT rod was proposed.
This paper presents the analysis of plugging effect especially when the large diameter steel pipe pile was installed by considering driveability (BPM, blow per meter). The Coupled Eulerian-Lagrangian (CEL) technique was used to simulate the driving of open-ended piles into soil. To consider the driveability, the applied driving energy for each pile was obtained from the analysis results by using the wave equation. The parametric studies were performed for different pile diameters, penetration depths of pile, soil elastic modulus and BPM. It was found that the SPI is almost constant with increasing both the pile diameter and the required driving energy. It is also found that the plugging effect increases with increasing the pile length, resulting in the increase of lateral earth pressure. Based on this study the apparent magnitude and distribution of the lateral earth pressure is proposed for inside portion mobilizing soil plug.
Kim, Dongwook;Lee, Juhyung;Nsabimana, Ernest;Jung, Young-Hoon
Ocean Systems Engineering
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v.2
no.3
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pp.205-215
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2012
Recently, interest of offshore structure construction in South Korea is growing as the land space becomes limited for further development and the renewable energy grows to be more attractive for the replacement of the fossil energy. In order for the optimal construction of optimum offshore floating structures, development of safe and economical offshore foundation technologies is a priority. In this study, the large-deformation behavior of a suction pile, which markets are rapidly growing nowadays, is analyzed for three different loading locations (top, middle, and bottom of the suction pile) with three different displacement inclinations (displacement controlled with displacement inclinations of 0, 10, and 20 degrees from the horizontal). The behavior analysis includes quantifications of maximum resistances, translations, and rotation angles of the suction pile. The suction pile with its diameter of 10 m and height of 25 m is assumed to be embedded in clay, sand, and multi layers of subsea foundation. The soil properties of the clay, sand, and multi layers were determined based on the results of the site investigations performed in the West sea of South Korea. As analyses results, the maximum resistance was observed at the middle of the suction pile with the displacement inclination of 20 degrees, while the translations and rotations resulting from the horizontal and inclined pullouts were not significant until the horizontal components of movements at the loading points reach 1.0 m.
Park, Sangwoo;Kim, Byeongyeon;Sung, Chihun;Choi, Hangseok
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.35
no.2
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pp.361-375
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2015
An energy pile is one of the novel ground heat exchangers (GHEX's) that is a economical alternative to the conventional closed-loop vertical GHEX. The combined system of both a structural foundation and a GHEX contains a heat exchange pipe inside the pile foundation and allows a working fluid circulating through the pipe, inducing heat exchange with the ground formation. In this paper, a group of energy piles equipped with parallel U-type (5, 8 and 10 pairs) heat exchange pipes was constructed in a test-bed by fabricating in large-diameter cast-in-place concrete piles. In addition, a closed-loop vertical GHEX with 30m depth was constructed nearby to conduct in-situ thermal response tests (TRTs) and to compare with the thermal performance of the cast-in-place energy piles. A series of thermal performance tests was carried out with application of an artificial cooling and heating load to evaluate the heat exchange rate of energy piles. The applicability of cast-in-place energy piles was evaluated by comparing the relative heat exchange efficiency and heat exchange rate with preceding studies. Finally, it is concluded that the cast-in-place energy piles constructed in the test-bed demonstrate effective and stable thermal performance compared with the other types of GHEX.
The paper briefs a fuel performance code, COSMOS, which can be utilized for an analysis of the thermal behavior and fission gas release of fuel, up to a high burnup. Of particular concern are the models for the fuel thermal conductivity, the fission gas release, and the cladding corrosion and creep in $UO_2$ fuel. In addition, the code was developed so as to consider the inhomogeneity of MOX fuel, which requires restructuring the thermal conductivity and fission gas release models. These improvements enhanced COSMOS's precision for predicting the in-pile behavior of MOX fuel. The COSMOS code also extends its applicability to the instrumented fuel test in a research reactor. The various in-pile test results were analyzed and compared with the code's prediction. The database consists of the $UO_2$ irradiation test up to an ultra-high burnup, power ramp test of MOX fuel, and instrumented MOX fuel test in a research reactor after base irradiation in a commercial reactor. The comparisons demonstrated that the COSMOS code predicted the in-pile behaviors well, such as the fuel temperature, rod internal pressure, fission gas release, and cladding properties of MOX and $UO_2$ fuel. This sufficient accuracy reveals that the COSMOS can be utilized by both fuel vendors for fuel design, and license organizations for an understanding of fuel in-pile behaviors.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.30
no.6C
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pp.231-239
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2010
This paper presents the thermal conduction analysis (using ABAQUS ver 6.10 and FLUENT ver 6.3.26) of geothermal energy for PHC, steel and copper energy piles by considering subsurface environment, thermal efficiency of grouting materials, and fluid velocity of circulating fluid. Results show that higher thermal efficiency for copper pile is observed followed by steel and PHC piles depending on the grouting materials and subsurface condition. The fluid velocity of 0.6m/s presents most efficient outflow temperature (275.4K) and heat exchange rate (103.1W/m) for the case of PHC pile during 8 hours operation. Analysis of operation schedule concludes that 16 hours of stand-by allows charging geothermal energy following 8 hours operation in winter season is most appropriate with 0.1K of temperature difference from the steady-state condition.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.28
no.3A
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pp.323-330
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2008
The ship collision analysis of steel pile group as protection system of bridge in navigable waterways was performed to analyze the structural characteristics of protective structure during ship collision. The analysis encompassed finite element modeling of ship and pile, modeling of material non-linearity, hard impact analysis, displacement-based analysis and soft impact analysis for collision scenarios. Through the analysis of hard impact with a rigid wall, impact load for each collision type of ship bow was estimated. In the displacement-based analysis the estimate of energy which protection system can absorb within its maximum horizontal clearance so as to secure bridge pier from vessel contact during collision was performed. Soft impact analysis for various collision scenarios was conducted and the collision behaviors of vessel and pile-supported protection system were reviewed for the design of protection system. The understanding of the energy dissipation mechanism of pile supported structure and colliding vessel would give us the optimized design of protective structure.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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