Cyclic Lateral Loading of Monopile Foundations in Cohesionless Soils
Chargement Latéral Cyclique des Fondations Monopieu dans des Sols Sans Cohésion
Résumé
The monopile is the dominant foundation type for offshore wind turbines, with current design guidance based on knowledge transferred from the oil and gas industry. Whilst there are some similarities between wind turbine and oil and gas pile design, there are also a number of key differences. Notably, offshore wind turbine monopiles are subjected to many cycles of large horizontal loads during their lifetime, whereas such loading conditions are not as prevalent in oil and gas design. As a result, the pile response due to this cyclic loading is poorly accounted for in current practice.
This thesis presents experimental and theoretical research, aimed at improving the understanding of the behaviour of rigid monopiles in cohesionless soils when subjected to lateral cyclic loading. The experimental work involves laboratory floor model tests, scaled to represent a full-scale wind-turbine monopile. The test programme is designed to identify the key mechanisms driving pile response. It is divided into four main parts, investigating loading rate effect, hysteretic behaviour during unloading and reloading, as well as pile response to long-term single and multiamplitude cyclic loads.
In particular, the results show that the pile response conforms to the extended Masing rules, with permanent deformation accumulated during nonsymmetric continuous cyclic loads. This ratcheting behaviour is characterised by two features: first, the ratcheting rate decreases with cycle number and depends on the cyclic load magnitude, and secondly, the shape of the hysteresis loop tightens progressively, involving increased secant stiffness and decreased loop area. Tests investigating multi-amplitude loading scenarios prove that the interaction between these mechanisms describes the pile response.
Finally, the continuous cyclic test results are interpreted using the p-y method combined with the Degradation Stiffness Model, and this shows a good fit to the observed pile deformation. The key experimental findings are used for the development of a constitutive model that captures ratcheting while conforming to the observed Masing behaviour. The model, called HARM, is rigorous yet simple and is framed within the hyperplasticity approach presented by Houlsby and Puzrin (2006). The model is tuned to capture the macro response of the pile under monotonic and cyclic loading and is calibrated using the experimental data. The results demonstrate that HARM can successfully reproduce the main elements of the pile response with high accuracy. The method could easily be within common design approaches, such as the p-y method.
Le monopieu est le type de fondation le plus utilisé pour l’installation des éoliennes offshore. De nos jours, leur dimensionnement est basé sur un transfert de connaissances de l’industrie pétrolière et gazière. Si des similitudes existent entre le dimensionnement des pieux pour l’éolien offshore et celui des plateformes pétrolières, plusieurs différences significatives subsistent également. En particulier, au cours de leur durée de vie, les fondations monopieux utilisées en éolien offshore sont soumises à de nombreux cycles de larges chargements horizontaux. À l’inverse, ce type de chargement n’est pas dimensionnant dans le cas des plateformes pétrolières. C’est pourquoi, les méthodes de dimensionnement actuelles ne permettent pas de prendre correctement en compte la réponse des pieux soumis à ces chargements cycliques.
Ce manuscrit présente un travail de recherche expérimental et théorique ayant pour objectif d’approfondir la compréhension du comportement des monopieux rigides soumis à des chargements cycliques latéraux dans des sols sans cohésion. Le travail expérimental est effectué au moyen d’un banc d’essai en laboratoire sur un modèle à échelle réduite, dimensionné afin de représenter des pieux de tailles réelles pour l’éolien offshore. Le programme d’essais est conçu afin d’identifier les mécanismes clés dirigeant la réponse du pieu. Il est divisé en quatre parties permettant l’étude de la dépendance en fréquence de chargement, du comportement hystérétique lors de la charge et de la décharge ainsi que de la réponse à un chargement cyclique continu à grand nombre de cycles et multi-amplitude. Les résultats montrent notamment que la réponse du pieu obéit aux règles de Masing généralisées et emmagasine des déformations permanentes sous chargement cyclique non-symétrique. Cet effet rochet est alors caractérisé par deux phénomènes : tout d’abord, le taux de rochet diminue avec le nombre de cycles et dépend de l’intensité de chargement cyclique, ensuite, la forme de la boucle d’hystérèse se resserre progressivement et induit une augmentation de la rigidité sécante et une diminution de l’aire de la boucle. Les tests étudiant des scénarios de chargement multi-amplitude démontrent que l’interaction entre ces mécanismes caractérise la réponse du pieu. Pour finir, les résultats des tests cycliques continus sont interprétés au moyen de la méthode p-y, en association avec le «Degradation Stiffness Model» (Modèle impliquant une dégradation de la rigidité), et les résultats sont en adéquation avec la déformation du pieu observée expérimentalement.
Les résultats clés de l’étude expérimentale sont utilisés pour le développement d’un modèle constitutif modélisant l’effet rochet tout en se conformant au comportement de Masing observé. Le modèle, appelé HARM, est rigoureux tout en restant simple, et est formulé dans le cadre de l’approche hyper-plastique présentée par Houlsby et Puzrin (2006). Le modèle est ensuite adapté afin de reproduire la réponse macroscopique du pieu sous chargement monotonique et cyclique, et calibré au moyen des résultats expérimentaux. Les résultats obtenus démontrent que HARM peut reproduire les éléments principaux de la réponse du pieu avec succès et grande précision. Cette méthode pourrait facilement être intégrée aux techniques de dimensionnement actuelles, telles que la méthode p-y.
| Origine | Fichiers produits par l'(les) auteur(s) |
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