| dc.description.abstract | Langt fra kysten er fralandsvinden rikelig og renere i forhold til på land, da det unngår hindringer som bakker, bygninger og andre menneskelige aktiviterer. Men jo lenger unna kysten offshore vindturbinene (OWT) bygges, jo sterkere er miljøkreftene. Aero- og hydrodynamiske belastninger har alltid vært hovedanliggende i utformingen av OWT-er. Ettersom nye store havvindparkprosjekter bygges og kontinuerlig planlegges i seismikkutsatte regioner, har imidlertid den seismiske utformingen av OWT-er blitt viktigere.
Det er kjent at hvis OWT-ene bygges i områder med myk til middels jord, er det stor sannsynlighet for at jorda oppfører seg ikke-lineært. Under et jordskjelv vil OWT samhandle med den omkringliggende jorda på grunn av treghetsbelastningene på strukturen. Det er derfor av interesse å forutsi samspillet mellom OWT og omkringliggende jord, ofte referert til som jord-struktur-interaksjon (SSI). Resultater av interesse er forskyvning, rotasjoner, spenninger, akselerasjoner og krefter på grunn av SSI. For å produsere slike resultater må det imidlertid utføres en full interaksjonsanalyse, hvor en ikke-lineær elementanalyse av en numerisk modell med jord, struktur og fundament utsatt for jordskjelvlast analyseres. Slike komplekse fullt integrerte modeller krever enorm beregningskraft, begrenset av tid og kostnader. Derfor bruker geotekniske ingeniører ofte en metode kalt tre-trinns-metode, med hysteretiske fundamentfjærer i stedet for jord, da den er mer beregningsvennlig.
I denne oppgaven ble en 10 MW turbin med monopile fundament brukt for å analysere responsen til OWTs under jordskjelv. En fullt integrert modell med en godt dokumentert 10 MW turbin, en monopel fundamentstruktur og en flerlags jordprofil ble modelert i ABAQUS-programvaren. Denne helintegrerte modellen ble brukt som referanse for tre-trinns-metoden, hvor resultatene av modellene med hysteretiske fundamentfjærer ble sammenlignet med den helintegrerte modellen. Til tross for at tre-trinns-metoden er strengt begrenset til lineære modeller, generaliseres metoden ofte av ingeniører for ikke-lineære tilfeller. Derfor er det to hovedårsaker til forskjeller i resultater: 1) tre-trinns-metoden er basert på superposisjonsteoremet - et lineært teorem - og 2) ekskluderingen av off-diagonale ledd i stivhetsmatrisen. Hovedfokuset for oppgaven var dermed å identifisere om tre-trinns-metoden kunne gi en fullgod og konservativ representasjon av SSI-effektene til tross for de nevnte tilnærmingene.
Resultatene viser at med bare de diagonale leddene til stivhetsmatrisen, kan fjærmodellene gjengi responsen i en konservativ og ganske nøyaktig grad. Kreftene og momentene ser imidlertid ut til å være svært konservativt representert av fjær-modellene. Videre er det nødvendig med en nøyaktig representasjon av oppførselen til jord under syklisk belastning, da den brukes som grunnlag for utvikling av de hysteretiske fundamentfjærene. Til slutt, for å gi en ganske nøyaktig representasjon av resultatene, er det nødvendig med en god del parallelle hysteretiske fundamentfjærer. | |
| dc.description.abstract | Far from the coast, the offshore wind is abundant and cleaner in comparison to
onshore, as it avoids challenges such as hills, buildings, and other activities that would lead to obstructions. However, the farther away from the coast the offshore wind turbines (OWT) are built, the stronger the environmental forces are. Aero- and hydrodynamic loads have always been the main concern in the design of OWTs. However, as new large offshore wind farm projects are being built and continuously planned in seismic-prone regions, the seismic design of OWTs has become more important.
It is known that if the OWTs are built in areas with soft to medium soil, there is a high probability of the soil behaving non-linearly. During an earthquake, the OWT will interact with the surrounding soil because of the inertial loads on the structure. It is therefore of interest to predict the interplay between the OWT and surrounding soil, often referred to as soil-structure-interaction (SSI). Results of interest are displacement, rotations, stresses, accelerations, and forces because of the SSI. However, to produce such results a full interaction analysis needs to be carried out, where a nonlinear finite element analysis of a numerical model with soil, structure, and foundation subjected to earthquake excitation is analyzed. Such complex fully integrated models require huge computational power, restricted by time and cost. Therefore, geotechnical engineers often use a method called three-step-method, with hysteretic foundation springs instead of soil, as it is more computational-friendly.
In this thesis, a 10 MW turbine with a monopile foundation was used to analyze the response of OWTS during earthquake. A fully integrated model with a well-documented 10 MW turbine, a monopile foundation structure, and a multi-layered soil profile was developed in the ABAQUS software. This fully integrated model was used as a reference for the three-step-method, where the results of the models with hysteretic foundation springs were compared to the fully integrated model. Despite the three-step-method being strictly restricted to linear models, the method is often generalized by engineers for nonlinear cases. Therefore, there are two main causes for differences in results: 1) the three-step-method is based on the superposition theorem - a linear theorem - and 2) the exclusion of off-diagonal terms in the stiffness matrix. The main focus of the thesis was thus to identify if the three-step-method could give an adequate and conservative representation of the SSI effects despite the approximations mentioned.
Results show that with just the diagonal terms of the stiffness matrix, the spring models can reproduce the response to a conservative and fairly accurate degree. The forces and moments, however, seem to be very conservatively represented by the spring models. Furthermore, an accurate representation of the soil behavior under cyclic loading is needed as it is used as the basis for developing the hysteretic foundation springs. Lastly, to give a fairly accurate representation of the results, a fair amount of parallel hysteretic foundation springs is needed. | |