شبیه‌سازی لرزه‌ای مونوپایل‌های فراساحلی تحت بار موج در خاک ماسه‌ای

نوع مقاله : مقاله کامل پژوهشی

نویسندگان

1 گروه مهندسی عمران، دانشکده مهندسی و فناوری، دانشگاه مازندران، بابلسر

2 گروه مهندسی عمران- خاک و پی، دانشگاه تربیت مدرس، تهران

3 دانشکده مهندسی عمران و محیط‌زیست، دانشگاه تربیت مدرس، تهران

چکیده

نیاز روزافزون بشر به انرژی در دهه ­های اخیر به‌ویژه انرژی­ های پاک و تجدیدپذیر، سبب گسترش مزارع بادی در مناطق ساحلی­ شده و با هدف بهره ­وری بیشتر به­ سوی مناطق فراساحلی حرکت کرده است. بسیاری از توربین­ های بادی روی شمع ­هایی با قطر بزرگ موسوم به مونوپایل (Monopile) بنا­شده ­اند. در کشورهای اروپایی بارگذاری محیطی حاکم بر مونوپایل­ ها در نواحی فراساحلی بار موج و در برخی از کشورهای پیشرو در توسعه انرژی باد نظیر چین، ژاپن، هند و ایالت متحده بار زلزله است. باتوجه به وقوع رویدادهای طبیعی موج و زلزله به­ صورت هم ­زمان در دریاها، بررسی رفتار مونوپایل­ ها تحت اثر توأم آن­ها الزامی است. در این پژوهش شبیه‌سازی سه‌بعدی سیستم خاک- مونوپایل با استفاده از نرم‌افزار متن‌باز OpenSees به­ روش اجزای محدود انجام گرفته و تأثیر حضور موج بر پاسخ‌های لرزه‌ای مونوپایل و خاک اطرافش بررسی شده است. در مدل رفتاری غیرخطی توصیف گر خاک ماسه‌ای، اثرات سختی، نفوذپذیری، اتساع و پتانسیل تراکم خاک بر پاسخ‌های سیستم گنجانده شده است. بررسی‌ها حاکی از آن است که موج می‌تواند تأثیر قابل‌توجهی بر پاسخ‌های لرزه‌ای مونوپایل گذاشته و علاوه بر تشدید جابه ­جایی، دوران، نیروی برشی و لنگر خمشی در آن، سبب تغییر محل وقوع برش و خمش حداکثر گردد. موج می‌تواند تاریخچه­ های زمانی جابه ­جایی سطح زمین و فشار آب حفره‌ای در اعماق سطحی مجاور مونوپایل را پس از گذشت مدت زمان مؤثر زلزله به پیروی از الگوی خود وادارد. تأثیر موج بر پاسخ‌های خاک با افزایش فاصله از محور مونوپایل و افزایش عمق خاک محو می‌گردد. نتایج پژوهش نشان می‌دهد که نمی‌توان از اصل برهم‌نهی جهت برآورد پاسخ مونوپایل به اعمال توأم بارهای موج و زلزله استفاده کرد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Seismic Modelling of Monopiles under Wave Load in the Sandy Soil

نویسندگان [English]

  • Ali Asgari 1
  • Shokoofe Alsadat Alavi 2
  • Aliakbar Golshani 3
1 Geotechnical Engineering, Faculty of Technology and Engineering, University of Mazandaran, Babolsar, Iran
2 Geotechnical Engineering, Department of Civil and Environmental Engineering, Tarbiat Modares University, Tehran, Iran
3 Geotechnical Engineering, Department of Civil and Environmental Engineering, Tarbiat Modares University, Tehran, Iran
چکیده [English]

Human growing demand for energy and in recent decades for clean and renewable energy, leading to the development of wind farms inshore areas and have moved to offshore areas to achieve more production. Noticed that wind farms are a series of large, expensive and same structures, their foundations are important and it’s necessary to minimize the probability of failure all of them. Many wind turbines are founded on large piles called monopiles. In European countries particularly in offshore areas, dominant environmental loading on monopiles is the wave. But some of the pioneer countries in wind energy development, such as China, India and the United States are highly seismic areas. Following the occurrence of natural events of wave and earthquake in the sea at the same time, considering the behavior of monopiles under their combined effects are required. In this study, three-dimensional modeling of the soil-monopile system using Open Sees software by finite element analysis was carried out and the effect of wave load on seismic responses of monopile and its surrounding soil was investigated. The wave and earthquake loads applied simultaneously on the soil-monopile system. In the nonlinear behavior modeling for sandy soils, effects of the stiffness, permeability, dilation, and potential of soil compaction on system responses are included. Studies have shown that wave can be affected on the seismic responses of monopile significantly, in addition to amplification of monopile, rotation, shear force and bending moment, can change the location of maximum moment and shear in monopile.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Offshore
  • Monopiles
  • Wave load and earthquake
  • 3D nonlinear modeling
  • Dynamic analysis

مراجع

Achmus M, Kuo Y-S, Abdel-Rahman K, “Behavior of monopile foundations under cyclic lateral load”, Computers and Geotechnics, 2009, 36 (5), 725-735.
Alavi S, “Seismic simulation of monopiles under wave load in sandy soil”, M.Sc, Tarbiat Modares University (In Persian), 2016.
Asgari A, Ibsen LB, Bagheri M, Barari A, “Response of monopiles in sand subjected to one-way and transient cyclic lateral loading”, 2014, 312-322.
Asgari A, Oliaei M, Bagheri M, “Numerical simulation of improvement of a liquefiable soil layer using stone column and pile-pinning techniques”, Soil Dynamics and Earthquake Engineering, 2013, 51 77-96.
Bargi K, Hosseini SR, Tadayon MH, Sharifian H, “Seismic response of a typical fixed jacket-type offshore platform (SPD1) under sea waves”, Open Journal of Marine Science, 2011, 1 (2), 36.
DNV D, “Dnv-os-j101 offshore standard: Design of offshore wind turbine structures”, DNV AS, Høvik, Norway, 2014.
Duarte T, Gueydon S, Jonkman J, Sarmento A, “Computation of wave loads under multidirectional sea states for floating offshore wind turbines”, National Renewable Energy Laboratory, 2014.
Elgamal A, Lu J, Forcellini D, “Mitigation of liquefaction-induced lateral deformation in a sloping stratum: Three-dimensional numerical simulation”, Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 2009, 135 (11), 1672-1682.
Elgamal A, Yan L, Yang Z, Conte JP, “Three-dimensional seismic response of Humboldt Bay bridge-foundation-ground system”, Journal of Structural Engineering, 2008, 134 (7), 1165-1176.
Etemad A, Gharabaghi A, Chenaghlou M, “Nonlinear dynamic behavior of fixed jacket-type offshore platforms subjected to simultaneously acting wave and earthquake loads”, International Conference on Offshore Mechanics and Arctic Engineering, 2004.
Gerolymos N, Escoffier S, Gazetas G, Garnier J, “Numerical modeling of centrifuge cyclic lateral pile load experiments”, Earthquake Engineering and Engineering Vibration, 2009, 8 (1), 61-76.
Golshani A, Biukaghazadeh, R, Asgari, A, “Numerical Modeling of Seismic Behavior of Piles in Liquefiable Soil”, Modares Civil Engineering Journal, 2015, 15 (4), 73-84.
He L, “Liquefaction-induced lateral spreading and its effects on pile foundations”, University of California, San Diego, 2005.
Houlsby G, Ibsen L, Byrne B, “Suction caissons for wind turbines”, Frontiers in Offshore Geotechnics, ISFOG 2005-Gourvenec and Cassidy, London: Taylor and Francis Group, 2005.
Koshimura S, Hayashi S, Gokon H, “The impact of the 2011 Tohoku earthquake tsunami disaster and implications to the reconstruction”, Soils and Foundations, 2014, 54 (4), 560-572.
Kuo Y-S, Achmus M, Abdel-Rahman K, “Minimum embedded length of cyclic horizontally loaded monopiles”, Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 2012, 138 (3), 357-363.
Law HK, Lam IP, “Application of periodic boundary for large pile group”, Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 2001, 127 (10), 889-892.
Lin A, Ikuta R, Rao G, “Tsunami run-up associated with co-seismic thrust slip produced by the 2011 Mw 9.0 off Pacific Coast of Tohoku Earthquake”, Japan, Earth and Planetary Science Letters, 2012, 337 121-132.
Lu J, Elgamal A, Yang Z, “OpenSeesPL: 3D lateral pile-ground interaction user manual (Beta 1.0)”, Department of Structural Engineering, University of California, San Diego, 2011.
Mazzoni S, McKenna F, Scott MH, Fenves GL, “The open system for earthquake engineering simulation (OpenSEES) user command-language manual”, 2006.
Nielsen AW, Schlütter F, Sørensen JVT, Bredmose H, “Wave loads on a monopile in 3D waves”, International Conference on Offshore Mechanics and Arctic Engineering, American Society of Mechanical Engineers, 2012.
Prevost JH, “A simple plasticity theory for frictional cohesionless soils”, International Journal of Soil Dynamics and Earthquake Engineering, 1985, 4 (1), 9-17.
Rosquoët F, Thorel L, Garnier J, Canepa Y, “Lateral cyclic loading of sand-installed piles”, Soils and Foundations, 2007, 47 (5), 821-832.
Wang P, Chang Y, Zhao M, Han J, “Earthquake and Wave Analysis of Circular Cylinder considering Water-Structure-Soil Interaction”, Advances in Civil Engineering, 2020, 2020.
Yamada Y, Iemura H, Kawano K, Venkataramana K, “Seismic response of offshore structures in random seas”, Earthquake Engineering and Structural Dynamics, 1989, 18 (7), 965-981.
Yang Z, Elgamal A, “Influence of permeability on liquefaction-induced shear deformation", Journal of Engineering Mechanics, 2002, 128 (7), 720-729.
Zheng XY, Li H, Rong W, Li W, “Joint earthquake and wave action on the monopile wind turbine foundation: An experimental study”, Marine Structures, 2015, 44, 125-141.
نشریه مهندسی عمران و محیط زیست دانشگاه تبریز
دوره 52.4، شماره 109 - شماره پیاپی 109
زمستان 1401
بهمن 1401
صفحه 59-74

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار