Dynamic Modelling of Monopiles for Offshore Wind Turbines
Translated title
Dynamisk Modellering af Monopæle for Havvindmøller
Authors
Christiansen, Kenneth ; Skov-Pedersen, Thomas ; Nielsen, Casper Østergaard
Term
4. term
Education
Publication year
2019
Submitted on
2019-06-07
Pages
243
Abstract
Havvindmøller står ofte på store stålpæle kaldet monopæle. For at designe dem sikkert og økonomisk er det vigtigt at forudsige, hvordan fundamentet og havbunden påvirker hinanden (jord–struktur-interaktion, JSI), og hvordan dette påvirker møllens naturlige svingninger. Denne afhandling undersøger, hvordan de nuværende offshore designretningslinjer kan bruges til at skønne JSI for en monopæl, og hvordan disse valg påvirker beregningen af en havvindmølles (OWT’s) første egenfrekvens. Anbefalingerne fra retningslinjerne implementeres i en enkel endimensionel (1D) finit element (FE) model – en lodret stav med en masse i toppen – der bruges til at estimere første egenfrekvens. Arbejdet er organiseret i fire trin. Trin 1 giver et overblik over udbredte fundamentløsninger for OWT’er og introducerer grundlæggende jorddynamik. Trin 2 opstiller den simple FE-model og undersøger, hvor følsom den beregnede frekvens er over for centrale inputparametre. Trin 3 inddrager havbundens påvirkning ved at modellere JSI med de oprindelige API p–y-kurver, som anbefales i gældende retningslinjer; mulige forbedringer og metoden fra PISA-projektet til at estimere JSI udforskes. I dette trin opdeles FE-modellen også, så vindmølle og fundament kan modelleres hver for sig og alligevel give et skøn for hele systemets første egenfrekvens. Endelig bruger trin 4 det kommercielle geotekniske program Plaxis 3D til at belyse de samme emner med en mere detaljeret model: at estimere første egenfrekvens, at udtrække p–y-kurver fra 3D-simuleringer og at undersøge, hvordan jordens forskydningsfelt omkring monopælen ændrer sig, når pælediameteren øges.
Offshore wind turbines (OWTs) often stand on large steel monopiles. Designing them safely and economically requires estimating how the pile and the surrounding seabed influence each other—known as soil–structure interaction (SSI)—and how this, in turn, affects the turbine’s natural vibrations. This thesis examines how current offshore design guidelines estimate SSI for a monopile and how those choices influence the prediction of the OWT’s first natural frequency. The guideline recommendations are implemented in a simple one-dimensional (1D) finite element (FE) “stick” model—a vertical beam with a mass at the top—to estimate the first eigenfrequency. The work is organized in four stages. Stage 1 reviews common foundation design practices for OWTs and introduces basic soil dynamics. Stage 2 sets up the simple FE model and studies how sensitive the predicted frequency is to key input parameters. Stage 3 adds the effect of the surrounding soil by modeling SSI with the original API p–y curves recommended by current guidelines; possible improvements to these guidelines and the PISA project method for estimating SSI are explored. In this stage, the FE model is also partitioned so that the OWT and the foundation can be modeled separately while still estimating the combined system’s first eigenfrequency. Finally, Stage 4 uses the commercial geotechnical program Plaxis 3D to examine the same topics with a more detailed model: estimating the first eigenfrequency, extracting p–y curves from 3D simulations, and investigating how the soil displacement field around the monopile changes as the pile diameter increases.
[This abstract was generated with the help of AI]
Documents