New hybrid foundation solutions for offshore wind turbines

• Autorzy: Trojnar Krzysztof

Identyfikatory

DOI

10.24425/ace.2024.148897

Warianty tytułu

PL

Nowe rozwiązania fundamentów hybrydowych dla morskich turbin wiatrowych

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

This paper reviews latest developments of substructures for offshore wind turbines focusing on investigations and applications of hybrid foundations. Model tests and numerical analyses were used to simulate the loading of hybrid piles in sand. The results of pile-soil interaction were investigated to confirm the changes in soil stiffness around the hybrid monopile head. The mechanism and factors affecting the change in lateral stiffness of the hybrid foundation were explained by analysing p–y curves for M+H loading conditions in sand. Based on this research, a new shape of p–y curves for hybrid monopiles was established and a method for determining key parameters was proposed. The effectiveness of new p–y curves was verified by comparing back-calculated results with those from numerical simulations. The conducted tests confirmed that the hybrid monopile displacement is 30–50% smaller when compared to a standard monopile with similar dimensions. The gained experiences can be useful for designers and researchers to enhance the design of foundations for offshore wind turbines.

PL

W artykule dokonano przeglądu osiągnieć w zakresie posadowień morskich turbin wiatrowych koncentrując się na najnowszych rozwiązaniach fundamentów hybrydowych. Przedstawiono badania modelowe i analizy numeryczne wykorzystywane do symulacji obciążeń i oceny zachowania się pali hybrydowych w piasku. Analiza interakcji pala z gruntem wykazała korzystny efekt zmiany sztywności gruntu w strefie wokół głowicy monopala hybrydowego. Mechanizm i czynniki wpływające na zwiększenie sztywności poprzecznej fundamentu hybrydowego zostały wyjaśnione poprzez analizę krzywych p–y dla warunków obciążenia M+H dla monopala zagłębionego w piasku. Na podstawie badan ustalono nowy kształt krzywych p–y dla pali hybrydowych oraz zaproponowano metodę wyznaczania kluczowych parametrów. Skuteczność nowych krzywych p–y zweryfikowano przez wsteczne porównanie wyników przeprowadzonych badan oraz symulacji na modelach numerycznych. Wykonane analizy wykazały, że przemieszczenia monopali hybrydowych są o 30–50% mniejsze w porównaniu z przemieszczeniami standardowych monopali o podobnych wymiarach, poddanych takim samym obciążeniom bocznym. Zdobyte doświadczenia mogą być przydatne dla projektantów i naukowców w ramach doskonalenia metod projektowania fundamentów morskich turbin wiatrowych.

Słowa kluczowe

EN

hybrid foundations; offshore wind turbines; lateral load; model tests; numerical analysis

PL

obciążenie boczne; analiza numeryczna; badanie modelowe; morska turbina wiatrowa; turbina wiatrowa na morzu; fundament hybrydowy

• Wydawca: Komitet Inżynierii Lądowej i Wodnej PAN ; Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Lądowej
• Czasopismo: Archives of Civil Engineering
• Rocznik: 2024
• Tom: Vol. 70, nr 1
• Strony: 5--18
• Opis fizyczny: Bibliogr. 23 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Trojnar Krzysztof

• Rzeszów University of Technology, Faculty of Civil and Environmental Engineering and Architecture, al. Powstanców Warszawy 12, 00-959 Rzeszów, Poland

• https://orcid.org/0000-0002-4550-4670

Bibliografia

• [1] WindEurope, “Offshore Wind in Europe, key trends and statistics”, 2021. [Online]. Available: https://windeurope.org/. [Accessed: 15 Feb. 2022].
• [2] T. Asim, S.Z. Islam, A. Hemmati, and M.S. Khalid, , “A review of recent advancements in offshore wind turbine technology”, Energies, vol. 15, no. 2, 2022, doi: 10.3390/en15020579.
• [3] M. Aleem, S. Bhattacharya, L. Cui, S. Amani, A.R. Salem, and S. Jalbi, “Load utilisation ratio of monopiles supporting offshore wind turbines: Formulation and examples from European wind farms”, Ocean Engineering, vol. 248, 2022, doi: 10.1016/j.oceaneng.2022.110798.
• [4] X. Wang, X. Zeng, X. Yang, and J. Li, “Feasibility study of offshore wind turbines with hybrid monopile foundation based on centrifuge modeling”, Applied Energy, vol. 209, pp. 127–139, 2018, doi: 10.1016/j.apenergy.2017.10.107.
• [5] K. Trojnar, ”Lateral stiffness of hybrid foundations: field investigations and 3D FEM analysis”, Geotechnique, vol. 63, no. 5, pp. 355–367, 2013, doi: 10.1680/geot.9.P.0778.
• [6] K. Trojnar, “Multi scale studies of the new hybrid foundations for offshore wind turbines”, Ocean Engineering, vol. 192, 2019, doi: 10.1016/j.oceaneng.2019.106506.
• [7] K. Trojnar, “Simplified design of new hybrid monopile foundations for offshore wind turbines”, Ocean Engineering, vol. 219, 2021, doi: 10.1016/j.oceaneng.2020.108046.
• [8] K.B.M. Lehane, B. Pedram, J.A. Doherty, and W. Powrie, “Improved performance of monopiles when combined with footings for tower foundations in Sand”, Journal of Geotechechnic and Geoenvironment Engineering, vol. 140, no. 7, 2014, doi: 10.1061/(ASCE)GT.1943-5606.0001109.
• [9] D. Chen, P. Gao, S. Huang, C. Li, and X. Yu, “Static and dynamic loading behavior of a hybrid foundation for offshore wind turbines”, Marine Structures, vol. 71, 2020, doi: 10.1016/j.marstruc.2020.102727.
• [10] F. Liang, C. Wang, and X. Yu, “Widths, types, and configurations: influences on scour behaviors of bridge foundations in non-cohesive soils”, Marine Georesources & Geotechnology, vol. 37, no. 5, 2019, doi: 1080/1064119X.2018.1460644.
• [11] W.G. Qi, F. Gao, M. F. Randolph, and B. M. Lehane, “Scour effects on p–y curves for shallowly embedded piles in sand”, Geotechnique, vol. 66, no. 8, pp. 648–660, 2016, doi: 10.1680/jgeot.15.P.157.
• [12] Z. Wang, R. Hu, H. Leng, H. Liu, Y. Bai, and W. Lu, “ Deformation analysis of large diameter monopiles of offshore wind turbines under scour”, Applied Sciences, vol. 10, no. 21, 2020, doi: 10.3390/app10217579.
• [13] H. Ma and C. Chen, “Scour protection assessment of monopile foundation design for offshore wind turbines”, Ocean Engineering, vol. 231, 2021, doi: 10.1016/j.oceaneng.2021.109083.
• [14] S. Bajkowski, M. Kiraga, and J. Urbański, “ Engineering forecasting of the local scour around the circular bridge pier on the basis of experiments”, Archives of Civil Engineering, vol. 67, no. 3, pp. 469–488, 2021, doi: 10.24425/ace.2021.138066.
• [15] A. Buljan, “First monopile-caisson hybrid foundation installed at Chinese offshore wind farm”, Offshore Energy Project News, 2020. [Online]. Available: https://www.offshore-energy.biz/first-monopile-caisson-hybridfoundation-installed-at-chinese-offshore-wind-farm/. [Accessed: 15 Jul. 2020].
• [16] L.X. Xiong, H.J. Chen, Z.Y. Xu, and C.H. Yang, “Numerical simulations of horizontal bearing performances of step-tapered piles”, Archives of Civil Engineering, vol. 67, no. 3, pp. 43–60, 2021, doi: 10.24425/ace.2021.138042.
• [17] J. Wang, G. Sun, G. Chen, and X. Yang, “Finite element analyses of improved lateral performance of monopile when combined with bucket foundation for offshore wind turbines”, Applied Ocean Research, vol. 111, 2021, doi: 10.1016/j.apor.2021.102647.
• [18] S. Knauber, “World’s first: Innovative steel collars installed at RWE’s Kaskasi wind farm in German North Sea”, RWE Renewables. [Online]. Available: https://www.rwe.com/en/press/rwe-renewables/2022-06-08-innovativesteel-collars-installed-at-rwes-kaskasi-wind-farm. [Accessed: 18. Jan. 2023].
• [19] API, “Recommended Practice 2A. Planning, Designing, and Constructing Fixed Offshore”, 2014. [Online]. Available: https://api.org/pubs/. [Accessed: 18. Jan. 2023].
• [20] DNVGL, “Support Structures forWind Turbines”, 2018. [Online]. Available: https://rules.dnvgl.com/. [Accessed: 18. Jan. 2023].
• [21] B. Yuan, M. Sun, Y. Wang, and L. Zhai, “Full 3D Displacement measuring system for 3D displacement field of soil around a laterally loaded pile in transparent soil”, International Journal of Geomechanics, vol. 19, no. 5, 2019, doi: 10.1061/(ASCE)GM.1943-5622.0001409.
• [22] L. Li, X. Liu, H. Liu, W. Wu, B. M. Lehane, G. Jiang, and M. Xu, “Experimental and numerical study on the static lateral performance of monopile and hybrid pile foundation”, Ocean Engineering, vol. 255, 2022, doi: 10.1016/j.oceaneng.2022.111461.
• [23] K. Trojnar, “Experimental and numerical investigation of lateral loaded flexible hybrid piles in sand”, International Journal of Civil Engineering, vol. 21, no. 1, pp. 1–18, 2023, doi: 10.1007/s40999-022-00736-x.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa nr SONP/SP/546092/2022 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2024).