Implementation of seismic soil-structure interaction in OpenFAST and application to a 10MW offshore wind turbine on jacket structure

Abstract

Den planlagte utbyggingen av havvindparker i områder utsatt for seismisk aktivitet, som Taiwan, Kina, Japan og Nord-Amerika, har fått industrien til å stille spørsmål ved ytelsen til fundamentene som tidligere har blitt brukt. Den mest vanlige og kostnadseffektive løsningen; monopel, som er utviklet og godt testet de siste tre tiårene i de mindre seismisk aktive områdene i Nord-Europa. En pelet jacket har vært foreslått som en alternativ løsning, som har vist seg å fungere bra når det kommer til å håndtere veltemomentet på sjøbunnen. Samtidig er det nødvendig med ytterligere undersøkelser for å fullt ut forstå oppførselen til jacketen under seismisk aktivitet og tilstrekkelige numeriske modeller som inkluderer interaksjonseffektene mellom jord og konstruksjon.

En av utfordringene i utformingen av havvindkonstruksjoner er at analysene utføres ved hjelp av spesialisert programvare dedikert til hydro-aero-servo-elastisk-dynamiske analyser som ofte ikke kan håndtere interaksjonseffektene mellom jord og konstruksjon på en god nok måte. Denne oppgaven presenterer en metodikk for å utvide den åpne kildekoden til programvaren OpenFAST til å ta hensyn til disse effektene. Det utviklede verktøyet blir deretter brukt på en vindturbin som er plassert på en pelet jacket. Interaksjonseffektene mellom jord og konstruksjon implementeres ved hjelp av en flertrinnsmetode. Metoden angir fjærstivhet og kinematisk interaksjon på grunnlag av superposisjonering, og dermed begrenses analysen strengt tatt til lineære effekter mellom jord og konstruksjon. Bunnen av jacketen er festet til lineært elastiske fjærer, og eksiteres av krefter beregnet fra bevegelsene på toppen av pelene under jordskjelvet. Bevegelsene er oppnådd ved å eksitere en jordmodell, bestående av en gitt jordprofil og peler samt med en masseløs jacket konstruksjon på toppen. Fjærstivhetene og bevegelsene er hentet fra en komplementær modell laget i elementprogrammet Abaqus. Abaqus-modellen brukes også til å verifisere implementeringen av flertrinnsmetoden i OpenFAST. Verifiseringen er gjort ved å bekrefte jordskjelvresponsen fra OpenFAST mot Abaqus-modellen. Et realistisk jordskjelv sammen med en modell av IEA 10MW referansevindturbin på INNWINDs referanse jacket brukes i verifiseringen.

Ved hjelp av den utviklede metoden undersøker oppgaven noen av de karakteristiske jordskjelresponsene til en havvind-konstruksjon. Resultatene viser hvordan forskyvningene i toppen av turbinen domineres av de vindinduserte kreftene under produksjon, mens tårnets akselerasjoner og veltemomenter domineres av belastningene fra jordskjelvet. Videre utvides Abaqus-modellen til å omfatte Mohr-Coulomb-plastisitet i jorden, og det kjøres en ikke-lineær jordskjelvanalyse. Resultatene viser hvordan kreftene fra turbinen under sterk vind kan indusere permanent vipping av konstruksjonen under et jordskjelv, og også hvordan akkumuleringen av permanent vipping er sterkt avhengig av intensiteten til jordskjelvbevegelsen. Under den ikke-lineære analysen er det ikke påført noen andre miljølaster.

Oppgaven har kun tatt for seg et midlertidig referansedesign, og strukturell optimalisering er utenfor omfanget. Mer autentisk modelldesign bør brukes til å oppnå spesifikke numeriske verdier for den jordskjelvinduserte responsen. Likevel kan det skisserte modelleringsrammeverket brukes videre til å studere jacket konstruksjonen som en løsning på de oppstående utfordringene med å etablere havvindmølleparker i seismisk aktive områder.

The planned offshore wind farm developments in areas prone to seismic action, such as Taiwan, China, Japan and North America, has made the industry question the performance of offshore wind turbine (OWT) foundations due to earthquake loading. The most common and cost-effective foundation solution is the monopile foundation, which has been developed and well tested over the last three decades in the less seismic active areas of Northern Europe. A piled jacket structure has been purposed as an alternative solution, and has been shown to perform well in terms of handling the overturning moments at the structure base. However, further research is needed to fully understand the behaviour of the jacket foundation during seismic action, and adequate numerical models including the soil-structure interaction (SSI) effects are required.

One of the challenges in design of OWTs is that the analyses are performed using specialized software dedicated to hydro-aero-servo-elasto-dynamic analyses which often cannot perform seismic SSI analyses rigorously. This thesis presents a methodology to extend these tools to include seismic SSI analyses in the open source OWT analysis tool OpenFAST. The developed tool is then applied to an offshore wind turbine on a jacket structure founded on piles. The SSI is implemented using a multi-step method. The method provides the SSI stiffness and kinematic interaction on basis of superpositioning, thus, limiting the analysis strictly speaking to linear effects. The jacket base is attached to linear elastic springs, and excited by forces calculated from the pile-head motions during the earthquake. The spring stiffness and pile-head motions are obtained from a complementary integrated model made in the finite element program Abaqus. The motions are obtained after exciting the soil domain with a massless jacket present. The integrated Abaqus model is also used to verify the implementation of the multi-step method in OpenFAST. The approach is verified by comparing the earthquake response in OpenFAST against the Abaqus model. A realistic earthquake motion together with the IEA 10MW reference OWT on the INNWIND reference jacket are used in the verification.

Using the developed model, the thesis then attempts to investigate some of the characteristic earthquake responses of the OWT structure. Simulations show how the top of tower displacements are dominated by the wind-induced forces during production form the rotor-nacelle-assembly, while the tower top accelerations and base overturning moments are dominated by the earthquake-induced loads. Further the Abaqus model is extended to include Mohr-Coulomb plasticity in the soil model, and non-linear earthquake excitation analysis are run. The results reveal how the production force from strong winds can induce permanent tilting of the structure during an earthquake, and how the tilt accumulation is highly dependent on the intensity of the earthquake motion. No environmental loads are included in the Abaqus model.

Since only a temporary reference design is analysed, and structural optimization is outside the scope of this thesis, more authentic model designs should be used to obtain specific numerical values of the behaviour. Yet, the outlined modelling framework could be utilized to further study the jacket structure as a solution to the rising challenges of establishing offshore wind farms in seismic active areas.