Experimental and numerical study of soil-structure interaction subjected to cyclic-dynamic loading : application to offshore wind turbine monopile foundation - Archive ouverte HAL Access content directly
Theses Year : 2021

Experimental and numerical study of soil-structure interaction subjected to cyclic-dynamic loading : application to offshore wind turbine monopile foundation

Étude expérimentale et numérique de l’interaction sol-structure sous chargement cyclique dynamique : application aux fondations mono-pieux des éoliennes offshore

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Hussein Bakri
  • Function : Author

Abstract

Offshore wind turbines form one of the principal solutions adopted to ensure the cleanliness, sustainability, and renewability of energy sources. Therefore, this field is growing exponentially, as shown by the increase of the dimensions and capacities of these structures. Besides, the environmental loading acting on these structures equally increases, imposing particular attention on the design of the foundation system. Due to economic and practical reasons, mono-pile foundations are commonly adopted. The form of these mono-piles depends on wind turbines growth, moving to a smaller length-to-diameter ratio and then to more rigid behavior. The behavior of this kind of mono-piles under lateral cyclic loading still involves some knowledge gaps. Recently, several physical models have been developed to fulfill this purpose, leading to propose a conservative design method. Due to the problem complexity and despite the progress achieved in this field, conflicting findings are still encountered, depending on the considered approach to the problem.In the framework of this thesis, two reasonable sets of mono-pile dimensions are proposed in a way to obtain different factors of rigidity. The aim is to examine the cyclic behavior of each mono-pile foundation and then evaluate their performance as a foundation of “DTU 10 MW RWT” in relatively deep waters. An accurate set of scaling laws under laboratory gravity is proposed and adopted in the development of representative scaled models. The challenge is to respect the combination of the soil non-linearity, the soil-structure interaction, and the dynamic response of the system. The obtained scaled model should not only simulate the qualitative behavior of the system but also be able to offer quantitative insight into this behavior. Finite element simulations using “Cesar 3D – LCPC” are carried out to verify the dynamic similarity between the scaled models and the prototype.Conscious of the difficulties and limitations underlying the 1g physical modeling, a part of this study is dedicated to the investigation of sand behavior at different stress levels. This study aims to determine the parameters of stress-dilatancy relation for Fontainebleau (NE34) sand, permitting the determination of the sand state required to simulate the prototype sand state at the laboratory scale. Besides, specific procedures are followed to ensure the tests repeatability at corresponding low-stress levels. Cyclic strain-controlled tests are performed, showing tests repeatability and, therefore, the validity of the testing procedure. Then, cyclic tests with different excitation frequencies are performed, highlighting the dynamic aspect of the system response. The analysis of a typical test shows the capability of the proposed scaled model to fulfill some knowledge gaps. This part ends with the recommendation of a cyclic tests program, aiming at tackling some ambiguous points to assist in the scientific debate in this domain.On another side, a constitutive model is developed to simulate the sand behavior at different stress levels. This model is based on “Hoek-Brown” failure criteria and a suitable hardening function. This model is calibrated against the experimental findings of monotonic, strain-controlled, triaxial tests. Then, this model is implemented in “Cesar 3D – LCPC” finite element program and validated against a parametric study of monotonic laterally loaded rigid mono-pile. A good agreement is obtained between the numerical and experimental findings. This parametric study aims to discuss and evaluate the performance of failure criteria proposed for rigid mono-pile foundations. This discussion ends with the suggestion of a new failure criterion and the recommendation to adopt tilt criteria instead of displacement criteria in case of rigid mono-piles.
Les éoliennes offshores sont une des solutions principales adoptées pour assurer la propreté, la durabilité des sources d'énergie. Ce domaine connaît donc une croissance exponentielle, comme le montre l'augmentation des dimensions et des capacités de ces structures. En outre, les chargements agissant sur ces structures augmentent également, imposant une attention particulière à la conception des fondations. Pour des raisons économiques et pratiques, les fondations mono-pieux sont couramment adoptées. La forme de ces mono-pieux dépend de la croissance des dimensions des éoliennes, évoluant vers un élancement plus petit et un comportement plus rigide. Récemment, plusieurs modèles réduits ont été développés pour répondre à cet objectif, conduisant à proposer une méthode de conception conservatrice. En raison de la complexité du problème et malgré les progrès réalisés dans ce domaine, des résultats contradictoires sont encore rencontrés, dépendant de l'approche considérée du problème. Dans le cadre de cette thèse, deux mono-pieux ayant des dimensions raisonnables sont proposés de manière à obtenir différents facteurs de rigidité. Le but est d'examiner le comportement cyclique de chaque type de fondation et ensuite d'évaluer leur performance en tant qu’une fondation du "DTU 10 MW RWT" dans des eaux relativement profondes. Un ensemble de lois d 'échelle sous 1g est proposé et adopté dans le développement de modèles réduits représentatifs. Le défi est de respecter la combinaison de la non-linéarité du sol, l'interaction sol-structure, et la réponse dynamique du système. Les modèles réduits obtenus doivent non seulement simuler le comportement qualitatif du système mais aussi être capable d'offrir un aperçu quantitatif de ce comportement. Des simulations par éléments finis (Cesar-LCPC 3D) sont effectuées pour vérifier la similitude dynamique entre les modèles réduits et le prototype. Conscients des difficultés et des limites de la modélisation physique à 1g, une partie de cette étude est consacrée à l'investigation du comportement du sable à différents niveaux de contrainte. Cette étude vise à déterminer les paramètres de la relation contrainte-dilatation pour le sable de Fontainebleau, permettant de déterminer l'état du sable nécessaire pour simuler le sable du prototype à l'échelle du laboratoire. En outre, des procédures spécifiques sont suivies pour assurer la répétabilité des essais à des niveaux de contraintes faibles. Des essais cycliques avec déformation contrôlé sont effectués, montrant la répétabilité des essais et, par conséquent, la validité de la procédure d'essai. Ensuite, des essais cycliques en variant la fréquence d'excitation sont réalisés, mettant en évidence l'aspect dynamique du problème. L'analyse d'un essai typique montre la capacité du modèle réduit proposé à clarifier certaines lacunes dans les connaissances. Cette partie se termine par la recommandation d'un programme d'essais cycliques, visant à aborder certains points ambigus afin de contribuer au débat scientifique dans ce domaine. D'autre part, une loi de comportement est développée pour simuler la réponse du sable à différents niveaux de contrainte. Ce modèle est basé sur le critère de rupture de "Hoek-Brown" et une fonction d’écrouissage convenable. Ce modèle est calibré par rapport aux résultats expérimentaux (essais triaxiaux monotones). Ensuite, ce modèle est implémenté dans le programme d'éléments finis "Cesar-LCPC 3D" et validé par une étude paramétrique sur un mono-pieu rigide sous chargement latéral. Un bon accord est obtenu entre les résultats numériques et expérimentaux. Cette étude paramétrique a pour but de discuter et d'évaluer la performance des critères de rupture proposés pour les fondations mono-pieux rigides. Cette discussion arrive à la suggestion d'un nouveau critère et la recommandation d'adopter des critères basés sur l’angle de rotation au lieu de critères basés sur le déplacement dans le cas des mono-pieux rigides.
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tel-03657013 , version 1 (02-05-2022)

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Cite

Hussein Bakri. Experimental and numerical study of soil-structure interaction subjected to cyclic-dynamic loading : application to offshore wind turbine monopile foundation. Géotechnique. École des Ponts ParisTech, 2021. English. ⟨NNT : 2021ENPC0030⟩. ⟨tel-03657013⟩
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