نوع مقاله : علمی - پژوهشی
نویسندگان
1
دانشجوی دکتری، دانشکده مهندسی عمران، آب و محیط زیست، دانشگاه شهید بهشتی، تهران، ایران
2
دانشیار، دانشکده مهندسی عمران، آب و محیط زیست، دانشگاه شهید بهشتی، تهران، ایران
3
استادیار، دانشکده مهندسی عمران، آب و محیط زیست، دانشگاه شهید بهشتی، تهران، ایران
10.22065/jsce.2024.440282.3341
چکیده
صنعت بادی فراساحلی به‌عنوان یک راهکار مؤثر به‌منظور مقابله با تغییرات آب و هوایی ناشی از گرمایش زمین به‌سرعت در سرتاسر جهان در حال رشد و توسعه است. یکی از اجزای اساسی این صنعت، توربین‌های بادی هستند که با تبدیل انرژی حاصل از باد در فراساحل به برق، در تأمین انرژی پایدار و پاک، نقش بسیار مهمی دارند. امروزه، شالوده‌های نوین مانند صندوقه‌های مکشی نقش بسیار برجسته‌ای در کاهش هزینه‌ها و مدت زمان نصب توربین‌های بادی فراساحلی ایفا می‌کنند. در این مقاله، به تحلیل ظرفیت باربری شالوده‌های صندوقه‌ای بهکار رفته در توربین‌های بادی فراساحلی واقع در ماسه تحت بارگذاری‌های ترکیبی و متعاقبا،ً توسعه پوش‌های گسیختگی برای آن‌ها پرداخته می‌شود. برای این منظور، رویکرد عددی جدیدی به‌‌نام "روش آزمون جاروبی اصلاح شده" برای توسعه پوش‌های گسیختگی استفاده می‌شود. این روش تاکنون کم‌تر در خاک‌های ماسه‌ای بهکار گرفته شده است. پوش‌های گسیختگی با استفاده از روش اجزای محدود صریح سه‌بعدی و مدل رفتاری کشسانی-مومسانی با در نظر گرفتن اندرکنش خاک و شالوده صندوقه‌ای استخراج می‌شوند. سپس، اثر ابعاد و نسبت‌های عمق مدفون مختلف شالوده‌های صندوقه‌ای بر پوش‌های گسیختگی بررسی می‌شوند. بر این اساس، با افزایش نسبت عمق مدفون از 5/0 به 1و متعاقباً به 2، ظرفیت باربری افقی بی‌بعد شده به‌ترتیب 8/1 و 7/2 برابر و به‌طور مشابه، برای ظرفیت باربری دورانی بی‌بعد شده نیز این مقادیر به‌ترتیب 2 و 1/3 برابر شده‌اند. در مرحله بعدی، روابط تحلیلی برای توسعه پوش‌های گسیختگی ارائه می‌شوند که می‌توانند ظرفیت باربری شالوده‌های صندوقه‌ای مکشی را با دقت مناسب در فضای بارگذاری‌های ترکیبی پیش‌بینی نمایند. در انتها، به‌منظور افزایش کارایی و اثربخشی روابط تحلیلی ارائه شده در مسائل مهندسی و کاربردهای عملی، عبارات جبری ساده شده‌ای برای کمی‌سازی پارامترهای روابط تحلیلی بر حسب نسبت عمق مدفون شالوده صندوقه‌ای (از 5/0 تا 2) پیشنهاد می‌شوند.
کلیدواژه‌ها
موضوعات
عنوان مقاله [English]
Developing Failure Envelopes for Suction Caisson Foundations of Offshore Wind Turbines in Sand Using a Numerical Approach
نویسندگان [English]
-
Hamoun Alimoradi
1
-
Ali Noorzad
2
-
Babak Ebrahimian
3
1
Ph.D. Candidate, Faculty of Civil, Water and Environmental Engineering, Shahid Beheshti University, Tehran, Iran
2
Associate Professor, Faculty of Civil, Water and Environmental Engineering, Shahid Beheshti University, Tehran, Iran
3
Assistant Professor, Faculty of Civil, Water and Environmental Engineering,, Shahid Beheshti University, Tehran, Iran
چکیده [English]
The offshore wind industry is experiencing rapid growth worldwide, serving as an effective solution to counteract climate change induced by global warming. A fundamental component of this industry is offshore wind turbines, which play a pivotal role in converting wind energy into electricity, contributing to sustainable and clean energy. Today, modern foundations, such as suction caissons, play a very prominent role in reducing cost and installation time for offshore wind turbines. This article focuses on the bearing capacity analysis of caisson foundations utilized in offshore wind turbines situated in sandy soils under combined loading conditions. Additionally, the development of failure envelopes for these foundations is addressed. For this purpose, a novel numerical approach known as the "sequential swipe test" is employed to develop the failure envelopes. This method has been less commonly used in sandy soils so far. The failure envelopes are derived using a three-dimensional explicit elasto-plastic finite element method, taking into account the soil-foundation interaction. Then, the effects of dimensions and embedment ratios of the caisson foundations are investigated on the failure envelopes. The results reveal that as the embedment ratio increases from 0.5 to 1 and subsequently to 2, the normalized horizontal bearing capacity increases by 1.8 and 2.7 times, respectively. Similarly, for the normalized rotational bearing capacity, these values increase to 2 and 3.1, respectively. Afterward, analytical relationships for the development of failure envelopes are presented, offering accurate predictions of the bearing capacity of suction caisson foundations under combined loading conditions. Eventually, simplified algebraic expressions are proposed to enhance the efficiency and applicability of the introduced relationships in engineering problems and practical scenarios. These expressions quantify the parameters based on the embedment ratios of the caisson foundations, ranging from 0.5 to 2.
کلیدواژه‌ها [English]
-
Bearing capacity
-
Failure envelope
-
Soil-structure interaction
-
Sequential swipe test
-
Explicit finite element method
-
3D numerical modeling
-
Suction caisson foundation
-
Offshore wind turbine
)