Structural behaviour and design of grouted connections cast with neat seawater mixed OPC

Bartminn, Daniel

dc.date.accessioned	2022-03-11T07:25:41Z
dc.date.available	2022-03-11T07:25:41Z
dc.date.issued	2021
dc.identifier	doi:10.17170/kobra-202112135240
dc.identifier.uri	http://hdl.handle.net/123456789/13686
dc.description.sponsorship	Zugleich: Dissertation, Universität Kassel, 2021
dc.language.iso	eng
dc.publisher	kassel university press
dc.rights	Namensnennung - Weitergabe unter gleichen Bedingungen 4.0 International	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/	*
dc.subject	seawater mixed OPC	eng
dc.subject	grouted connection	eng
dc.subject	Offshore-wind	eng
dc.subject	jacket	eng
dc.subject	neat grout	eng
dc.subject	heat of hydration	eng
dc.subject	seawater durability	ger
dc.subject	ISO 19902 vs DIN EN 1992	eng
dc.subject.ddc	624
dc.title	Structural behaviour and design of grouted connections cast with neat seawater mixed OPC	eng
dc.type	Buch
dcterms.abstract	Seawater mixed neat ordinary Portland cement (OPC) has been used to connect tubular members of offshore structures since the 1940s in the Oil and Gas industry. More recently seawater mixed neat OPC has been used to connect the foundation piles of offshore wind turbine jacket structures, some of these structures are now since over 10 years in operation. The design of these connections was carried out mostly using design guidance stipulated in ISO 19902 or DNVGL Certification Guidelines. Despite the vast amount of documented background data substantiating these codes, it was to date not possible to readily carry out or certify design in accordance with the Eurocode design family, although constituent materials OPC CEM I and seawater as a mixing water are defined in EN 206 and EN 1008. The use of neat seawater cement grout, i.e. without any aggregates, is not covered in EN 1992 as a primary load carrying material. The aim of this work is to give comprehensive guidance for a Eurocode compliant design of concentric subsea connections grouted with seawater mixed neat OPC and subject to static and cyclical axial load with coexisting bending. All critical elements of the semi-probabilistic design framework, consisting of material models of the constituent and mixed materials, durability considerations, parameters affecting the performance of the assembled connection and the structural stress model, are critically reviewed. Guidance is based on a statistical analysis of over 500 material property tests carried out to investigate all main material parameters required for design and execution. In this work the results are compared to relevant parameter descriptions of EN 206 and EN 1992 and are integrated into a guidance to use of these formulae based on statistical analysis. Durability aspects such as sulphate and chloride resistance are examined under consideration of the high heat of hydration. The validation of ISO 19902 design rules for large annuli connection is reviewed and fatigue guidance is compared to recent historic data points from over 200 static and cyclic large- and full-scale assembly tests, including a limited number of submerged cyclical tests. A three-dimensional stress model, based on Lame’s equation is derived akin to interference fit assemblies. The model is integrated into EN1992 verification rules, to assess design resistance capacity. Finally, the Eurocode compliant simplified design approach is compared in a parameter study with the substantiated ISO 19902 design formulae to test and validate the approach. The reliability levels related to the proposed design formulae are statistically validated following the guidance of DIN EN 1990 Appendix D for design assisted by testing using available data base of more than 200 large-scale tests.	eng
dcterms.abstract	Bereits in den allerersten Offshore-Ölplattformen kamen schon Zementleimverbindungen aus mit Meerwasser angemachten Portlandzement zum Einsatz, um Stahlrohrrammpfähle mit den Stahlrohrgitterstrukturen zu verbinden, wenn zunächst auch ohne lastabtragende Funktion. In der jüngeren Vergangenheit wurden lastabtragende Verbindungen aus meerwasserbasierter Zementleim eingesetzt, um Gründungsstrukturen von Offshore-Windturbinen mit Rammpfählen zu verbinden. Einige dieser Verbindungen sind nun mehr als 10 Jahre erfolgreich im Einsatz. Die Bemessung und Nachweisführung dieser Verbindungen folgte dabei meist den Richtlinien in ISO 19902 oder den Zertifizierungsvorschriften der Klassifizierungsgesellschaften wie z.B. DNVGL. Trotz einer großen Datenmenge an veröffentlichten und zum Teil unveröffentlichten Testergebnissen, welche den genannten Regelwerken zu Grunde liegen, war es meist nicht ohne weiteres möglich die Nachweisführung in das Regelwerk der Eurocode-Normenhierarchie einzugliedern. Insbesondere besteht ein wesentliches Hindernis darin, dass EN 1992 meerwasserbasierten Zementleim, d.h. ohne jegliche Feinkorn- oder Grobkornzuschläge, nicht als lastabtragendes Baumaterial umfasst, obwohl die Einzelbestandteile wie OPC CEM I und Meerwasser als Anmachwasser in EN 206 and EN 1008 beschrieben sind. Das Ziel dieser Arbeit besteht folglich darin, umfassende Anwendungshinweise für eine Nachweisführung und Ausführung zu geben, welche sich in das Sicherheitskonzept und Normengerüst der Eurocodes eingliedern lassen. Die Hinweise richten sich dabei vor allem an konzentrischen Rohrverbindungen über und unter Wasser mit meerwasserbasiertem OPC Zementleim, welche vorwiegend axial statisch wie auch zyklisch beansprucht sind. Der Einfluss von mitwirkenden Biegemomenten, zyklischer Beanspruchung sowie die hohen Hydrationstemperaturen wird im Rahmen von praxisorientierten Größenordnungen berücksichtigt. Die kritischen und maßgebenden Komponenten für eine semi-probabilistische Nachweisführung wie Normenhierarchie, Strukturspannungsmodelle, Stoffmodelle der Einzelbestandteile und des gemischten Materials, Dauerhaftigkeitsanforderungen sowie relevanter Parameter, die die Wirkungsweise der Einzelkomponenten in der zusammengesetzten Verbindung beeinflussen, werden kritisch hinterfragt und evaluiert. Die Hinweise stützen sich auf die statistische Analyse von über 500 Einzelprüfungen verschiedener Materialeigenschaften und über 200 Prüfergebnissen großformatiger Bauteilversuche. Die Arbeit vergleicht und integriert die Ergebnisse mit den relevanten Parametern, Werten, Materialbeziehungen und Hinweisen in EN 206 und EN 1992. Die Übertragbarkeit der Bemessungshinweise in ISO 19902 auf Verbindungen mit großen Ringspalten wird durch einen Vergleich von historischen mit kürzlich ermittelten Prüfergebnissen validiert und in die Hierarchie des Eurocode eingebettet. Diese Daten umfassen dabei statische, zyklische, zyklische Frühbelastungs- und Unterwasserversuche an großformatigen Prüflingen im 1:1 und 1:2 Maßstab. Schließlich leitet diese Arbeit ein dreidimensionales Strukturspannungsmodel basierend auf von Ansätzen von Lamés Gleichungen her, und ermöglicht dadurch eine Nachweisführung basierend auf Eurocode. Mittels einer Parameterstudie werden die so ermittelten Werte zur Begrenzung der Mantelflächenspannungen, mit denen gemäß ISO 19902 verglichen, um den Ansatz zu validieren. Der Nachweis der Erfüllung der Sicherheitsanforderungen für die Zuverlässigkeitsklasse RC 2 wird abschließend mittels der Empfehlungen für versuchsgestützte Bemessung gemäß DIN EN 1990 Anhang D erbracht.	ger
dcterms.accessRights	open access
dcterms.creator	Bartminn, Daniel
dcterms.dateAccepted	2021-11-03
dcterms.extent	261 Seiten
dc.contributor.corporatename	Kassel, Universität Kassel, Fachbereich Bauingenieur- und Umweltingenieurwesen
dc.contributor.referee	Fehling Ekkehard (Prof. Dr.)
dc.contributor.referee	Schmidt, Michael (Prof. Dr.)
dc.publisher.place	Kassel
dc.relation.isbn	978-3-7376-1004-9
dc.subject.swd	Offshorebauwerk	ger
dc.subject.swd	Struktur	ger
dc.subject.swd	Verwendung	ger
dc.subject.swd	Portlandzement	ger
dc.subject.swd	Mörtel	ger
dc.subject.swd	Meerwasser	ger
dc.type.version	publishedVersion
dcterms.source.series	Schriftenreihe Baustoffe und Massivbau = Structural materials and engineering series	ger
dcterms.source.volume	Heft 36 = No. 36
kup.iskup	true
kup.price	44,00
kup.series	Schriftenreihe Baustoffe und Massivbau - Structural Materials and Engineering Series	ger
kup.subject	Naturwissenschaft, Technik, Informatik, Medizin	ger
kup.typ	Dissertation
kup.institution	FB 14 / Bauingenieur- und Umweltingenieurwesen
kup.binding	Softcover
kup.size	DIN A4
ubks.epflicht	true