Dynamic Modelling of Monopiles for Offshore Wind Turbines

Abstract

Det overordnede emne for dette speciale er modellering af jord-struktur interaktion, med henblik på at bestemme den første egenfrekvens for en havvindmølle. Hertil er der taget udgangspunkt i de nuværende anbefalinger, der er inden for modellering af jord-struktur interaktion for offshore sektoren. Opstartsfasen i specialet inkluderer et litteraturstudie, hvor designmetoder inden for relevante emner som jord-struktur interaktion, modellering af dæmpning og udmattelse er præsenteret. Hernæst gennemgås relevante emner inden for dynamiske belastede konstruktioner og jorden, som konstruktionen er funderet i. Som en indledende fase til bestemmelsen af egenfrekvenser opstilles en simpel 1D model, hvor jordstruktur interaktion er ekskluderet, med henblik på at undersøge hvordan den første egenfrekvens ændres i takt med at input til selve strukturen varieres. Dette leder videre til en udvidet 1D model, der inkluderer jord-struktur interaktion ved brug af p-y kurver på baggrund af de nuværende anbefalinger i offshore sektoren. Sensitiviteten af input parametre til metoden undersøges med henblik på ændringer i den første egenfrekvens. Efterfølgende er forbedringer til de anbefalede p-y kurver undersøgt og effekten af forbedringerne er præsenteret. Udover forbedringerne til p-y kurverne er en alternativ metode introduceret, der går under navnet PISA metoden (Pile Soil Analysis). Udover den simple- og udvidede 1D model, er programmet Plaxis 3D anvendt til at opstille en mere avanceret model til f.eks. bestemmelse af den første egenfrekvens for en havvindmølle. Plaxis 3D er også anvendt til at sammenholde p-y kurver udtrukket fra programmet, med kurvenerne der er konstrueret til 1D modellerne ift. anbefalingerne fra offshore sektoren. Til sidst er der undersøgt hvordan et flytningsfelt ændres omkring en monopæl, når diameteren forøges i takt med at havvindmøllerne bliver større og større. Dette er udført med henblik på at kommentere på mangler ved de anbefalede metoder til modellering af jord-struktur interaktion.

This thesis concerns the problematics of estimating the soil-structure interaction for a monopile using the current design guidelines in the offshore sector. These recommendations are implemented in a simple 1D Finite Element model used to estimate the first eigenfrequency of the OWT analysed. The thesis is divided into four stages. The first stage serves as a base of knowledge, where the design tendencies within the field of OWT foundations are investigated and the theory for basic dynamics of soil is covered. Stage 2 considers the set up of a simple Finite Element model, representing the behaviour of an OWT by modelling a vertical stick with a mass on top and to analyse the importance of the input parameters. The purpose of Stage 3 is to incorporate the effect from the soil surrounding the foundation of the OWT, by modelling the soil-structure interaction using the original API p-y curves recommended in the current design guidelines. Investigations of improvements to the current design guidelines and the method proposed by the PISA project for estimating the soil-structure interaction are explored. Also, the Finite Element model is separated in order to model the OWT and the foundation separately and still being able to estimate the first eigenfrequency of the full system. Lastly, Stage 4 considers the utilisation of the commercial program Plaxis 3D to analyse the arising subjects from the previous stages. The stage will contain three analyses, concerning the estimation of the first eigenfrequency for an OWT, the extraction of p-y curves from a 3D model and the change in the displacement field of the soil around the monopile as the diameter of a monopile is increasing.

A master thesis from Aalborg University

Dynamic Modelling of Monopiles for Offshore Wind Turbines

[Dynamisk Modellering af Monopæle for Havvindmøller]