Response of fixed offshore platforms to wave and current loadingincluding soil– structure interaction

پاسخ سکوهای دریایی ثابت به نیروی موج و جریان با در نظر گرفتن تعامل خاک و سازه

Abstract

Fixed offshore platforms supported by pile foundations are required to resist dynamic lateral loading due to wave forces. The response of a

jacket offshore tower is affected by the flexibility and nonlinear behaviour of the supporting piles. For offshore towers supported by clusters

of piles, the response to environmental loads is strongly affected by the pile–soil– pile interaction. In the present study, the response of fixed

offshore platforms supported by clusters of piles is investigated. The soil resistance to the pile movement is modelled using dynamicp–y

curves andt–zcurves to account for soil nonlinearity and energy dissipation through radiation damping. The load transfer curves for a single

pile have been modified to account for the group effect. The wave forces on the tower members and the tower response are calculated in the

time domain using a finite element package (ASAS). Several parameters affecting the dynamic characteristics of the platform and the

platform response have been investigated.

q2004 Elsevier Ltd. All rights reserved

چکیده

سکوهای دریایی ثابت که با پایه های ستونی ( پیل ) پشتیبانی می شوند برای مقاوت به نیروی جانبی دینامیک ناشی از نیروهای امواج مورد نیاز هستند . پاسخ یک برج دریایی پوشش دار ناشی از انعطاف پذیری و وضعیت غیر خطی پیل های تکیه گاه ( پشتیبان ) تحت تاثیر قرار می گیرد . برای برج های دریایی که توسط دسته ای از پیل ها ( ستون ها ) پشتیبانی می شوند ، پاسخ به نیروهای محیطی به شدت ناشی از تعامل پیل – خاک – پیل تحت تاثیر قرار می گیرد . در مطالعه ی حاضر ، پاسخ سکوهای دریایی ثابت که توسط دسته هایی از ( خوشه هایی از ) پیل ها مورد پشتیبانی قرار می گیرند ، بررسی شد ، مقاومت خاک نسبت به جابجایی پیل با استفاده از منحنی های دینامیک p – y و t – z مدلسازی شد تا وضعیت غیر خطی بودن خاک و پراکندگی انرژی از طریق استهلاک تشعشع نیز در نظر گرفته شوند . منحنی های انتقال نیرو برای یک پیل واحد تغییر داده شدند تا تاثیر کلی در نظر گرفته شود . نیروهای موج وارد بر اعضای برج و پاسخ برج در حوزه زمانی با استفاده از بسته ی نرم افزاری المان محدود ( ASAS ) محاسبه شدند. چندین پارامتر تاثیر گذار بر ویژگی های سکو و پاسخ سکو مورد بررسی قرار گرفتند

Dynamic analysis of offshore wind turbine in clay consideringsoil–monopile–tower interaction

آنالیز دینامیک توربین بادی دریایی در خاک رسی با در نظر گرفتن تعامل خاک- مونوپیل - برج

abstract

A comprehensive study is performed on the dynamic behavior of offshore wind turbine (OWT) structure

supported on monopile foundation in clay. The system is modeled using a beam on nonlinear Winkler

foundation model. Soil resistance is modeled using American Petroleum Institute based cyclicp–yandt–

zcurves. Dynamic analysis is carried out in time domain usingfinite element method considering wind

and wave loads. Several parameters, such as soil–monopile–tower interaction, rotor and wave

frequencies, wind and wave loading parameters, and length, diameter and thickness of monopile

affecting the dynamic characteristics of OWT system and the responses are investigated. The study

shows soil–monopile–tower interaction increases response of tower and monopile. Soil nonlinearity

increases the system response at higher wind speed. Rotor frequency is found to have dominant role

than blade passing frequency and wave frequency. Magnitude of wave load is important for design rather

than resonance from wave frequency.

&2014 Elsevier Ltd. All rights reserved

چکیده

مطالعه ی جامعی بر روی وضعیت دینامیک سازه ی توربین بادی دریایی ( OWT ) که بر روی پایه مونوپیل در خاک رسی استقرار یافته بود انجام گرفت . سیستم با استفاده از یک تیر در مدل پایه ی غیر خطی winkler مدلسازی شد . مقاومت خاک با کمک موسسه نفت خام آمریکا بر مبنای منحنی های P – Y و t – z چرخه ای مدلسازی شد . آنالیز دینامیک در حوزه ی زمانی با استفاده از روش المان محدود با در نظر گرفتن نیروهای باد و موج انجام گرفت . چندین پارامتر همانند تعامل خاک – مونوپیل – برج ، فرکانس روتور و موج ، پارامترهای نیروی باد و موج ، طول ، قطرو ضخامت مونوپیل که ویژگی های دینامیک سیستمOWT را تحت تاثیر قرار می دهند و نیز پاسخ ها مورد بررسی قرار گرفتند . این مطالعه نشان داد که تعامل خاک – مونوپیل – برج ، پاسخ برج و مونوپیل را افزایش داده است . غیر خطی بودن خاک ، واکنش سیستم را در سرعت بالای باد افزایش داد . فرکانس روتور مشخص شد که دارای نقش غالبی نسبت به فرکانس گذرنده از تیغه و فرکانس موج می باشد . بزرگی نیروی باد نسبت به رزونانس از فرکانس موج برای طراحی حائز اهمیت تر می باشد .

واژگان کلیدی : پویایی ، مونوپیل ، توربین بادی دریایی ، تعامل سازه – خاک ، غیر خطی بودن خاک ، نیروی باد و موج

Seismic lateral movement prediction for gravity retaining wallson granular soils

پیش بینی حرکت جانبی لرزه ای دیوار های حائل وزنی روی خاک های دانه ای

abstract

At present, methods based on allowable displacements are frequently used in the seismic design of

earth retaining structures. However, these procedures ignore both the foundation soil deformability and

the seismic amplification of the soil placed behind the retaining wall. Thus, they are not able to predict

neither a rotational failure mechanism nor seismic induced lateral displacements with an acceptable

degree of accuracy for the most general case. In this paper, a series of 2D finite-element analyses

were carried out to study the seismic behavior of gravity retaining walls on normally consolidated

granular soils. Chilean strong-motion records were applied at the bedrock level. An advanced non-linear

constitutive model was used to represent both the backfill and foundation soil behavior.

This elastoplastic model takes into account both the stress dependency of soil stiffness and coupling

between shear and volumetric strains. In unloading–reloading cycles, the non-linear shear-modulus

reduction with shear strain amplitude is considered. Interface elements were used to model

soil–structure interaction. Routine-design charts were derived from the numerical analyses to predict

the lateral movements at the base and top of gravity retaining walls located at sites with similar seismic

characteristics to the Chilean subduction zone. Thus, wall seismic rotation can also be obtained. The

developed charts consider wall dimensions, granular soil properties, bedrock depth, and seismic input

motion characteristics. As shown, the proposed charts match well with available experimental data.

&2010 Elsevier Ltd. All rights reserved

چکیده

امروزه در طراحی سازه های حائل زمین عمدتاً روش های مبتنی بر جابجایی های مجاز مورد استفاده قرار می گیرند. اما این روش ها قابلیت تغییر شکل خاک فندانسیون و دامنه لرزه ای خاک پشت دیوار حائل را نادیده می گیرند. بنابراین در اغلب موارد آنها قادر به پیش بینی مکانیزم شکست چرخشی و جابجایی های جانبی ناشی از لرزه با یک دقت قابل قبول نمی باشند. در این مقاله، به منظور مطالعه رفتار دیوارهای حائل وزنی روی خاک های دانه ای تحکیم یافته، یک سری تحلیل های المان محدود دو بعدی بکار گرفته شده است. گزارشات حرکت Chilean در سطح بستر سنگی بکارگرفته شده است. یک مدل غیر خطی پیشرفته به منظور بیان رفتار هر دو خاک فنداسیون و پشت دیوار استفاده شده است. این مدل الاستوپلاسیتک وابستگی تنش به سختی خاک و کوپلینگ بین برش وکرنش های حجمی را در نظر می گیرد.

در سیکل های بارگذاری– باربرداری، کاهشی مدول برشی غیر خطی با دامنه کرنش برشی در نظر گرفته می شود. المان های مشترکی برای مدل کردن بر هم کنش خاک و سازه استفاده شده اند. چارت های طراحی منظمی از تحلیل های عددی به منظور پیش بینی حرکت های پایین و بالای دیوارهای حائل جاگرفته در سایت های با ویژگی های لرزه ای مشابه با نواحی فرورانشی Chilean بدست آمده است. بنابراین، چرخش لرزه ای دیوار را نیز می توان بدست آورد. چارت های بدست آمده ابعاد دیوار، ویژگی های خاک دانه ای، عمق بستر سنگی و ویژگی حرکت ورودی لرزه ای را در نظر میگیرد. همانطور که نشان داده شده است، چارت های پیشنهاد شده به خوبی با اطلاعات آزمایشگاهی موجود هم خوانی دارند.