Behaviour of monopile under combined cyclic load

Le monopieu est le système de fondations le plus courant pour les structures d'éoliennes en mer, avec une occurrence d'environ 80% d’après le rapport Wind Europe de 2018. Un pieu peut être qualifié de souple ou rigide en fonction de son élancement (Le / D) et de la rigidité relative du pieu et du sol. Les codes existants pour la conception de pieux sont principalement développés pour les pieux flexibles, alors que les monopieux pour les nouvelles éoliennes en mer entrent généralement dans la catégorie des pieux rigides. Les charges dominantes dues au vent et à la houle, de nature cyclique, sur le mât de l’'éolienne et, par conséquent, sur la fondation, agissent dans la direction latérale. La réglementation API, qui représente la réponse du sol sous charges latérales et axiales au moyen de ressorts non linéaires non couplés, est développée pour les pieux flexibles et est reconnue comme étant sécuritaire pour les pieux rigides. Néanmoins, le comportement doit représenter une interaction sol / structure couplée axial-latéral puisqu’un pieu rigide présente un mode de déformation en rotation plutôt qu’une déflexion. Le mode de déformation exige en outre une formulation différente des mécanismes, incluant la distribution des moments le long du pieu ainsi que la prise en compte de la résistance au cisaillement de la base du pieu.Ce travail présente un modèle numérique visant à prendre en compte le couplage axial / latéral pour un monopieu installé dans du sable. Les essais de pénétration au cône effectués dans la chambre de calibration traités avec la méthode ICP, et la base de données des propriétés du sable de Fontainebleau NE34 disponible dans la littérature fournissent les paramètres constitutifs pour la définition du modèle.Tout d'abord, un modèle Eléments Finis PLAXIS 3D présente un pieu modèle dans la configuration de la chambre d'étalonnage avec des conditions aux limites représentatives et le comportement constitutif du sable. La géométrie du modèle de pieu ainsi que l’intensité des charges respectent les relations de similitudes entre modèle et prototype. Une masse constante placée en tête du pieu représente la charge verticale (la charge permanente de la structure de l'éolienne). Une charge ponctuelle latérale simplifiée représente les charges environnementales complexes, agissant à un certain excentrement par rapport au niveau de la fondation. Il en résulte une combinaison de charges verticale (V), latérale (H) et un moment (M), étudiée dans les cas de chargement monotone et cyclique. Différents cas de charge combinés dans les limites des capacités portantes horizontale et verticale représentent le comportement général du pieu modèle.Les variations de contraintes normale et de cisaillement à proximité de l’interface pieu/sol ont été étudiées, afin de caractériser cette interaction. L’étude des contraintes en plusieurs points stratégiques du modèle EF a fourni une base pour le calepinage des capteurs de pression utilisés dans la partie expérimentale. Une méthodologie permettant de formuler l’évolution des contraintes latérale et de cisaillement à proximité de la surface du pieu, en prenant en compte l’interaction couplée, est présentée.Deuxièmement, un modèle de macro-éléments locaux (LME), un assemblage de ressorts non linéaires formulé à l'aide d'une boîte à outils Matlab ATL4S, présente l'interaction sol-pieu avec la considération du couplage inhérent à différentes profondeurs. Les résultats du modèle PLAXIS définissent la base d'un modèle LME à l'échelle du modèle correspondant. Les résultats obtenus dans les deux études numériques démontrent l’importance de l’interaction couplée vertical-latéral pour une fondation rigide de type monopieu. Un travail de similitude concernant fournit une relation entre l’échelle du prototype et le modèle en laboratoire. Il aide en outre en comparaison et à la validation avec les résultats expérimentaux et numériques disponibles dans la littérature.Monopile is the most common foundation system for offshore wind turbine structures, statistically about 80, as per Wind Europe, 2018 report. A pile can be defined as flexible or rigid depending on the embedded length to diameter ratio (Le/D) and the relative stiffness of pile and soil. The existing codes for pile design are mainly developed for flexible piles, whereas monopile for new offshore wind turbines typically falls in the rigid category. The dominant complex cyclic wind and waves loads on offshore wind turbine structure and consequently on the monopile foundation, act in the lateral direction. The API design procedure, representing the lateral and vertical soil response through uncoupled non-linear springs, is developed for flexible piles and is recognised as conservative for rigid piles. The behaviour shall represent a coupled vertical and lateral soil-structure interaction because a rigid pile presents rotation deformation mode instead of deflection. The deformation mode further demands a different formulation mechanism, including the distributed moments along the pile shaft and shear & moment behaviours at the pile base as an essential part of the soil response investigations.This work presents the numerical models aimed to address the limited understanding of coupling consideration of monopile installed in sand. The cone penetration tests performed in the calibration chamber, data treatment with ICP method and available Fontainebleau sand NE34 properties database in the literature provide the constituent parameters for model definition.First, a PLAXIS 3D finite element model presents the model pile in the calibration chamber configuration with representative boundary conditions and the constitutive behaviour of the sand. The model pile geometry and load magnitudes are the outcomes of a similitude relationship with a representative prototype. A constant mass placed on the pile head represents the vertical load (the dead weight of the wind turbine structure). A simplified lateral point load represents the complex environmental loads, acting at a distance above foundation level, represents the lateral and moment load at mudline. Thus, vertical (V), lateral (H) and moment (M) collectively represent the combined load, investigated in both monotonic and cyclic loading cases. Different combined loading case in the limits of horizontal and vertical load capacities represent the overall behaviour of the model pile. The observation of normal and shear stress changes close to the pile-soil interface at different depths quantify the pile-soil interaction. The response investigation at some strategic stress points in the FE model soil volume provides a basis for soil-stress transducers (SSTs) layout plan in the experimental soil volume. A methodology to formulate the lateral and shear stresses evolution close to the pile surface as representative of the coupled interaction is presented.Second, a local-macro element (LME) model, an assembly of non-linear springs formulated using a Matlab toolbox ATL4S, presents the soil-pile interaction with inherent coupling considerations at different embedment depths. The PLAXIS model outcomes define the basis for a corresponding model scale LME model. The obtained results from both numerical investigations demonstrate the significance of vertical-lateral coupled interaction as a set of hypothesised equations representing the coupled interaction for rigid monopile foundation. A similitude work provides a relation between a prototype scale and the lab-scale monopile model. It further aids in comparison and validation with the available experimental and numerical results in the literature