Rate Effects Increasing Lateral Capacity of Monopiles - Based on Spudcan Penetration Tests

Abstract

Monopeler er peler med stor diameter, og er en vanlig fundamenttype for offshore vindturbiner. Sideveis kapasitet av monopeler har blitt et stadig viktigere forskningsfelt med veksten av havvindindustrien for å gi tilstrekkelig sideveis kapasitet mot vind- og bølgelaster overført fra vindturbinstrukturen. Denne masteroppgaven undersøker om hastighetseffekter ("rate effects") kan øke sidevis kapasitet av monopeler i leire, som antydet i nyere forskning.

Denne studien har vurdert monopeler fra havvindparken på Dogger Bank som ligger utenfor kysten av England i Nordsjøen. Jordforholdene i området er kjent for å være vanskelige å beskrive på grunn av områdets kompliserte avsetningshistorie og geologiske prosesser. Laboratorietester har vist stor spredning i styrkemålinger, spesielt for Dogger Bank-leire. For å forstå styrkeegenskapene til den komplekse jorden på Dogger Bank bedre, ble det utført penetrasjonstester med store spudcan-fundamenter av vindparkutbyggeren. Spudcan-testene ble utført med forskjellige penetrasjonshastigheter, noe som gjør det mulig å studere effekten av belastningshastighet for Dogger Bank-leire.

I denne studien ble Spudcan-testene tilbakeregnet ved bruk av elementanalyser med den koblede Eulerske-Lagrangiske metode for å beskrive store deformasjoner, og med en jordmodell som kan beskrive "strain softening"- og tøyningshastighetseffekter. Tilbakeregningene ble brukt til å kalibrere tøyningshastighet- og "softening"-parametere for materialmodellen, og ga resultater i akseptabel overensstemmelse med målinger fra penetrasjonstestene. Parameterne for hastighetseffekten ble validert med elementmodellering av en treaksial test. I tillegg ble elementmodellen for treaksial testen brukt til å undersøke "softening"- og hastighetseffekter i materialmodellen.

De tilbakeregnede parameterne for hastighetseffekt ble brukt til å undersøke effekten av belastningshastighet på monopelkapasitet i bruddgrensetilstanden med elementanalyser. Analysene besto av en monopel som er satt ned i sjøbunnen og som blir dyttet sideveis med forskjellige hastigheter, mens mostanden fra jorden blir målt. Monopelens dimensjoner, jordforhold og lastsituasjon ble valgt slik at de er representative for Dogger Bank havvindpark. Analysene viste en betydelig økning i sideveis kapasitet på grunn av hastighetseffekter for den betraktede bruddgrensetilstanden, men også for lavere belastningshastigheter. Dette indikerer at sideveis kapasitet av monopeler kan økes betraktelig hvis hastighetseffekter tas hensyn til. Dette kan brukes til å optimalisere dimensjonene til monopeler og gi betydelige økonomiske besparelser for et havvindprosjekt.

Large diameter monopiles are a common foundation type for offshore wind turbines. Monopile lateral capacity has become an increasingly important field of research with the growth of the offshore wind industry to provide sufficient lateral resistance against wind and wave loads transferred from the wind turbine structure. This thesis investigates if rate effects can increase the lateral capacity of monopiles in clay, as suggested by recent research.

This study has considered monopiles at the Dogger Bank Wind Farm located off the coast of England in the North Sea. The site is known to be difficult to characterise due to its complex depositional history and geological processes. Laboratory tests have shown large scatter in strength measurements, particularly in the Dogger Bank Clay units. To better understand the strength properties of the complex Dogger Bank soil, penetration tests with large spudcan foundations were performed by the wind farm developer. The spudcan tests were performed with different penetration rates, making it possible to study the effect of loading rate in Dogger Bank clay.

In this study, the spudcan tests were back-calculated using finite element analyses with the coupled Eulerian-Lagrangian method to describe large deformations, and with a soil model capable of describing strain softening and rate effects. The back-calculations were used to calibrate the rate and softening parameters of the material model, and the back-calculations gave results in reasonable agreement with measurements from the penetration tests. The rate effect parameters were verified by finite element (FE) modelling of a triaxial test. In addition, the triaxial FE model was used to study the behaviour of softening and rate effects in the material model.

The back-calculated rate effect parameters were used to study the effect of loading rate on monopile capacity in the ultimate limit state with FE-analyses. The analyses consisted of an embedded monopile which was pushed over at different rates while recording the resistance from the soil. The dimensions of the monopile, soil conditions and loading case were chosen to be representative for the Dogger Bank Wind Farm. The analyses showed a significant increase in lateral resistance due to rate effects for the considered ultimate limit state case, but also for lower loading rates. This indicates that monopile lateral capacity can be significantly increased when accounting for loading rate effects. This may be used to optimise monopile design and give significant financial savings for an offshore wind project.