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Cyclic loading design of offshore wind turbine foundations

Zorzi, Gianluca

FG Grundbau und Bodenmechanik

Offshore wind turbines (OWT) are slender flexible structures that continu-ously swing owing to the harsh offshore conditions. During the lifetime of a wind turbine’s foundation, various forms of cyclic and dynamic loads, such as wind, waves, currents, typhoons, and earthquakes can interfere with the operation of its structure and potentially cause a premature shutdown. It can be observed from the soil–structure interaction that cyclic loads cause the saturated soil to experience an accumulation of permanent deformation and an increase in the pore water pressure, which eventually, leads to the tilting of the foundation. In terms of serviceability limit state (SLS), geotech-nical engineers have to ensure that the foundation does not exceed the op-erational tolerance prescribed by the wind turbine manufacturer, e.g., 0.25°, throughout its lifetime. However, upon reviewing the relevant code of prac-tice, it would be evident there are no validated and generally accepted methodologies that are recommended to assess the SLS. In this research project, an accurate, versatile, and user-friendly method, called the soil cluster degradation method (SCM), is developed. This method can predict the lifelong deformation due to soil–structure-interaction for offshore wind turbines, which are subjected to a series of regular cyclic loads. This method bases its prediction on (i) three-dimensional (3D) finite element modelling (FEM), which enables an accurate computation of stress redistribution around the foundation and (ii) a series of cyclic laboratory tests. Moreover, this thesis aims to provide confidence to geotechnical engi-neers on implementing this method in day-to-day projects. Different numer-ical tools were proposed for improving the cyclic laboratory test campaign and the proposed method was validated with a full-scale test on a gravity-based foundation, which was subjected to hundreds of thousands of load cycles. Finally, a reliability-based-design (RBD) methodology was proposed to address the main source of uncertainty involved in verifying the SLS cri-teria and designing the foundation to an annual reliability target level. The outcome of this research provides a reliable tool to the foundation designers to deliver cost-effective and low-risk offshore wind turbine foundations, where the foundation tilting has to be predicted during the structure life-time.
Offshore-Windenergieanlagen sind in der Regel schlanke, flexible Strukturen, die aufgrund der rauen Offshore-Bedingungen kontinuierlich schwingen. Wäh-rend der Lebensdauer der Gründung können verschiedene Formen von zyklischen und dynamischen Belastungen infolge von Wind, Wellen, Strömungen, Taifune und Erdbeben den Betrieb der Anlage beeinträchtigen und möglicher-weise zu einer Abschaltung führen. In gesättigten, zyklisch belasteten Böden kann es zu einer Akkumulation permanenter Verformungen und einem An-stieg des Porenwasserdrucks kommen, was zu einer Schiefstellung der Grün-dung führen kann. In Bezug auf den Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit (serviceability limit state, SLS) muss sichergestellt sein, dass das Fundament die vom Windturbinenhersteller vorgeschriebene Betriebstoleranz von typischer-weise 0,25 % Schiefstellung während seiner gesamten Lebensdauer nicht überschreitet. In den einschlägigen Regelwerken gibt es jedoch keine validierten und allgemein anerkannten Methoden zur Ermittlung der Verformungsakkumulation. Im Rahmen dieses Forschungsprojekts wird eine genaue, vielseitig einsetzbare und benutzerfreundliche Methode entwickelt, um die akkumulierte Verfor-mung des Bodens und die Schiefstellung der Gründung für zyklisch belastete Offshore-Windenergieanlagen zu prognostizieren. Diese Methode, die im Folgenden als „soil cluster degradation method“ bezeichnet wird, basiert auf einer Reihe von zyklischen Labortests und einer dreidimensionalen Finite-Element-Modellierung, die eine genaue Ermittlung der Spannungsumverteilung um die Gründung ermöglicht. Darüber hinaus soll diese Arbeit Vertrauen in die Anwendung dieser Methode in praktischen Projekten schaffen. Zur Optimierung der zyklischen Labortests werden verschiedene numerische Tools vorgeschlagen. Die Validierung der Methode erfolgt mit einem umfangreichen Test an einem Schwerkraftfundament, das hunderttausenden regelmäßigen Belastungszyklen ausgesetzt war. Schließlich wird eine probabilistische Entwurfsmethodik vorgeschlagen, um die Hauptursache für die Ungenauigkeit bei der Überprüfung der SLS-Kriterien und bei der Gründungsbemessung für ein bestimmtes Zuverlässigkeitszielniveau zu beseitigen. Diese Forschungsarbeit bietet ein zuverlässiges Werkzeug zur kostengünstigen und risikoarmen Dimensionierung von Offshore-Windturbinengründungen, wenn die Schiefstellung der Gründung im Laufe der Lebensdauer bestimmend für den Entwurf ist.