ارزیابی پاسخ لرزه‌ای فونداسیون مونوپایل توربین بادی فراساحل در خاک ماسه‌ای به‌وسیله مدل‌سازی عددی

نوع مقاله : علمی - پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی کارشناسی ارشد، دانشکده مهندسی عمران و محیط زیست، دانشگاه صنعتی شیراز، شیراز، ایران

2 استادیار گروه مهندسی زلزله، دانشکده مهندسی عمران و محیط زیست، دانشگاه صنعتی شیراز، شیراز، ایران

3 دانشیار گروه مهندسی زلزله، دانشکده مهندسی عمران و محیط زیست، دانشگاه صنعتی شیراز، شیراز، ایران

4 استادیار گروه مهندسی ژئوتکنیک، دانشکده مهندسی عمران و محیط زیست، دانشگاه ایالتی پلی‌تکنیک کالیفرنیا ، پومونا، ایالات‌متحده آمریکا

چکیده

با توجه به توسعه توربین های بادی در مناطق لرزه ‌خیز، ازجمله نواحی شرقی آسیا، نواحی جنوبی اروپا و بخش‌های غربی ایالات ‌متحده آمریکا و همچنین اهمیت فونداسیون چنین سازه‌هایی در طراحی و اجرا، بررسی رفتار لرزه‌ای فونداسیون توربین‌های بادی امری ضروری می‌باشد. در این مقاله، رفتار لرزه‌ای یک فونداسیون مونوپایل (monopile) به همراه مدل ساده ‌شده توربین بادی، تحت یک زلزله مشخص، به روش اجزاء محدود در نرم‌افزار OpenSees مدل‌ سازی و مورد ارزیابی قرار گرفته است. در ابتدا مدل عددی، با نتایج مدل‌ سازی دینامیکی سانتریفیوژ یک شمع فولادی مستقر در خاک ماسه‌ای، اعتبار سنجی و پس ‌از آن اثر تغییر پارامترهای مختلف از جمله طول مدفون و قطر فونداسیون، تراکم نسبی خاک، شرایط مونوپایل مستقر بر روی بستر سنگی و همچنین بارگذاری باد به صورت یکنواخت و چرخه ای بررسی گردید. نتایج این تحقیق نشان می‌دهد که تغییر پارامترهای مذکور تأثیر قابل ‌توجهی بر روی رفتار لرزه ای سیستم سازه و فونداسیون دارد. افزایش ابعاد مونوپایل (قطر و طول) و همچنین تراکم نسبی خاک، عملکرد لرزه‌ای سیستم سازه ـ فونداسیون را بهبود می بخشد و باعث کاهش جابه‌جایی جانبی در بالای برج و کاهش نشست و چرخش در مونوپایل می‌گردد. با تغییر رفتار مونوپایل از حالت اصطکاکی به اتکایی، موارد بیان‌شده با تغییر مثبت، منجر به بهبود رفتار در سازه و فونداسیون توربین بادی، تحت بارگذاری لرزه‌ای می‌گردد. همچنین بارگذاری باد، باعث ایجاد جابه‌جایی و چرخش بیشتر به سازه شده و اعمال بار باد به‌صورت یکنواخت شرایط بحرانی‌تری را نسبت به حالت بارگذاری چرخه‌ای، ایجاد می‌کند.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Evaluation of seismic response of monopile foundation of offshore wind turbines in sandy soil by numerical modeling

نویسندگان [English]

  • Mohammad Ali Masoumi 1
  • Seyed Mohammad Sadegh Sahraeian 2
  • Mohammad Amir Najafgholipour 3
  • َAli Shafiee 4
1 Master of earthquake engineering, Department of Civil and Environmental Engineering, Shiraz University of Technology, Shiraz, Iran
2 Assistant Professor, Department of Civil and Environmental Engineering, Shiraz University of Technology, Shiraz, Iran
3 Associate Professor, Department of Civil and Environmental Engineering, Shiraz University of Technology, Shiraz, Iran
4 Assistant Professor, Civil and Environmental Engineering Department. California State Polytechnic University, Pomona, USA
چکیده [English]

Because of the development of wind turbine farms in seismic areas, such as East Asia, southern Europe, and the United States, as well as the importance of the foundation of the wind turbines in the design and implementation, it is necessary to study the seismic behavior of wind turbine foundations. In this study, the seismic behavior of monopile foundation of a simplified offshore wind turbine model under a specific earthquake record was evaluated by using finite element method in OpenSees software. At first, the proposed numerical model was validated by the results of a dynamic centrifuge modeling of a steel pile located in sandy soil. Then, the effects of various parameters such as dimensions of monopile (diameter and length), soil relative density, end bearing pile effect and wind load effect were evaluated. The results of this study showed that the changes of these parameters have significant effects on the seismic behavior of the monopile of offshore wind turbines. Increasing dimensions of monopile (diameter and length) and soil relative density improves the seismic performance of the structure and foundation system and reduces lateral displacement at the top of tower and reduces settlement and rotation of the monopile. Chang of behavior of the monopile from frictional pile to end bearing pile, improves the behavior of the wind turbine structure and foundation under seismic loading. Also, wind loading causes more displacement and rotation to the structure, and static wind load creates more critical conditions than the dynamic wind load.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Offshore Wind turbine"
  • Finite element modeling"
  • Seismic response"
  • Monopile foundation"
  • "
  • Liquefaction"
[1] Vestergaard, J., Brandstrup, L., & Goddard, R. D. (2004, November). A brief history of the wind turbine industries in Denmark and the United States. In Academy of international business (Southeast USA Chapter) Conference proceedings (Vol. 2, pp. 322-7).‏
[2] Adib, R., Murdock, H. E., Appavou, F., Brown, A., Epp, B., Leidreiter, A., ... & Farrell, T. C. (2015). Renewables 2015 global status report. REN21 Secretariat, Paris, France, 162.
[3] Li, J., & Yu, X. (2015). Model and procedures for reliable near term wind energy production forecast. Wind Engineering, 39(6), 595-607.‏
[4] Murdock, H. E., Gibb, D., André, T., Sawin, J. L., Brown, A., Appavou, F., ... & Mastny, L. (2020). Renewables 2020-Global status report.‏
[5] Arany, L., Bhattacharya, S., Macdonald, J., & Hogan, S. J. (2015). Simplified critical mudline bending moment spectra of offshore wind turbine support structures. Wind Energy, 18(12), 2171-2197.‏
[6] Arany, L., Bhattacharya, S., Macdonald, J., & Hogan, S. J. (2017). Design of monopiles for offshore wind turbines in 10 steps. Soil Dynamics and Earthquake Engineering, 92, 126-152.‏
[7] Wang, X., Zeng, X., Yang, X., & Li, J. (2018). Feasibility study of offshore wind turbines with hybrid monopile foundation based on centrifuge modeling. Applied energy, 209, 127-139.‏
[8] Ramirez, L., Fraile, D., & Brindley, G. (2020). Offshore wind in Europe: Key trends and statistics 2019.‏
[9] Kaynia, A. M. (2019). Seismic considerations in design of offshore wind turbines. Soil Dynamics and Earthquake Engineering, 124, 399-407.‏
[10] Byrne, B. W., Burd, H. J., Gavin, K. G., Houlsby, G. T., Jardine, R. J., McAdam, R. A., ... & Zdravkovic, L. (2018, November). PISA: Recent developments in offshore wind turbine monopile design. In Vietnam Symposium on Advances in Offshore Engineering (pp. 350-355). Springer, Singapore.‏
[11] Abdel-Rahman, K., & Achmus, M. (2005, October). Finite element modelling of horizontally loaded monopile foundations for offshore wind energy converters in Germany. In Proceedings of the international symposium on frontiers in offshore geotechnics. Taylor and Francis, Perth (pp. 391-396).‏
[12] Lee, M., Bae, K. T., Lee, I. W., & Yoo, M. (2019). Cyclic py curves of monopiles in dense dry sand using centrifuge model tests. Applied Sciences, 9(8), 1641.‏
[13] Darvishi Alamouti, S., Moradi, M., & Bahaari, M. R. (2019). Centrifuge modelling of monopiles subjected to lateral loading. Scientia Iranica, 26(6), 3109-3124.
[14] Asareh, M. A., Schonberg, W., & Volz, J. (2016). Effects of seismic and aerodynamic load interaction on structural dynamic response of multi-megawatt utility scale horizontal axis wind turbines. Renewable energy, 86, 49-58.‏‏
[15] Smith, V., & Mahmoud, H. (2016). Multihazard assessment of wind turbine towers under simultaneous application of wind, operation, and seismic loads. Journal of Performance of Constructed Facilities, 30(6), 04016043.‏
[16] Cunha, A., Caetano, E., Ribeiro, P., & Müller, G. Seismic Response of Wind Turbines due to Earthquake and Wind Loading.‏
[17] Santangelo, F., Failla, G., Santini, A., & Arena, F. (2016). Time-domain uncoupled analyses for seismic assessment of land-based wind turbines. Engineering Structures, 123, 275-299.‏
[18] De Risi, R., Bhattacharya, S., & Goda, K. (2018). Seismic performance assessment of monopile-supported offshore wind turbines using unscaled natural earthquake records. Soil Dynamics and Earthquake Engineering, 109, 154-172.‏‏
[19] Esfeh, P. K., & Kaynia, A. M. (2020). Earthquake response of monopiles and caissons for Offshore Wind Turbines founded in liquefiable soil. Soil Dynamics and Earthquake Engineering, 136, 106213.‏
[20] Wang, X., Zeng, X., Li, J., & Yang, X. (2018). Lateral bearing capacity of hybrid monopile-friction wheel foundation for offshore wind turbines by centrifuge modelling. Ocean Engineering, 148, 182-192.‏
[21] Wang, X., Zeng, X., Li, X., & Li, J. (2020). Liquefaction characteristics of offshore wind turbine with hybrid monopile foundation via centrifuge modelling. Renewable Energy, 145, 2358-2372.‏
[22] Zhao, X., & Maisser, P. (2006). Seismic response analysis of wind turbine towers including soil-structure interaction. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part K: Journal of Multi-body Dynamics, 220(1), 53-61.‏
[23] Hongwang, M. (2012, September). Seismic analysis for wind turbines including soil-structure interaction combining vertical and horizontal earthquake. In 15th World Conference on Earthquake Engineering, Lisbon, Portugal.
[24] Stamatopoulos, G. N. (2013). Response of a wind turbine subjected to near-fault excitation and comparison with the Greek Aseismic Code provisions. Soil Dynamics and Earthquake Engineering, 46, 77-84.‏
[25] Yu, H., Zeng, X., Li, B., & Lian, J. (2015). Centrifuge modeling of offshore wind foundations under earthquake loading. Soil Dynamics and Earthquake Engineering, 77, 402-415.
[26] Taiebat, M., Jeremić, B., Dafalias, Y. F., Kaynia, A. M., & Cheng, Z. (2010). Propagation of seismic waves through liquefied soils. Soil Dynamics and Earthquake Engineering, 30(4), 236-257.
[27] Dafalias, Y. F., & Manzari, M. T. (2004). Simple plasticity sand model accounting for fabric change effects. Journal of Engineering mechanics, 130(6), 622-634.‏
[28] Wilson, D. W., Boulanger, R. W., & Kutter, B. L. (2000). Observed seismic lateral resistance of liquefying sand. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 126(10), 898-906.
[29] Kutter, B. L., & Wilson, D. W. (1999, August). De-liquefaction shock waves. In Proc., 7th US–Japan Workshop on Earthquake Resistant Design of Lifeline Facilities and Countermeasures Against Soil Liquefaction, Rep. MCEER-99 (Vol. 19, pp. 295-310).‏‏
[30] Jonkman, J., Butterfield, S., Musial, W., & Scott, G. (2009). Definition of a 5-MW reference wind turbine for offshore system development (No. NREL/TP-500-38060). National Renewable Energy Lab.(NREL), Golden, CO (United States).‏