The Flow behavior of Soil Surrounding a Monopile Foundation for Offshore Wind Turbines under Lateral Loading

RÉSUMÉ: La conception des fondations pour les éoliennes offshore (OWT) de plus grande capacité, en réponse à la demande croissante d'énergie, constitue un défi majeur. Les monopieux (MP) représentent environ 80 % des fondations utilisées pour ces structures. Cette étude utilise un modèle tridimensionnel non linéaire par éléments finis (FEM) pour analyser le comportement d’un monopieu supportant une éolienne de 5 mégawatts sous charges horizontales. Les résultats montrent que les performances du monopieu sont influencées par la résistance au cisaillement du sol et le rapport longueur/diamètre du pieu (L/D). Les profils de flexion proches de la rupture révèlent un comportement flexible, même pour de faibles rapports L/D. Ce rapport influence significativement la capacité latérale ultime normalisée, en particulier dans les argiles molles (jusqu’à un facteur cinq entre L/D = 3,33 et L/D = 13,33), et de manière moins marquée dans les argiles rigides. À l’état limite ultime, contrairement aux argiles dures, la position du point de rotation varie fortement avec la longueur du pieu dans les argiles molles. Par ailleurs, l’augmentation du rapport L/D permet de réduire jusqu’à cinq fois les déplacements et rotations maximaux à l’interface sol-mer, avec des effets plus prononcés dans les sols rigides. Dans les argiles molles, l’écoulement du sol à la capacité ultime présente deux zones distinctes : une zone supérieure caractérisée par une rupture en coin et une zone inférieure marquée par une rupture par rotation. Pour les pieux dans les argiles dures, l’écoulement du sol s’organise en trois zones : une zone en coin réduite au sommet, une zone transversale centrale avec déplacement horizontal du sol, et une zone de rotation à la base.

ABSTRACT: Designing foundations for higher-capacity offshore wind turbines (OWTs) to meet growing energy demands presents a significant challenge. Monopiles (MP) are the dominant foundation type, accounting for 80% of these turbines. This study uses a nonlinear 3 dimensional (3D) finite element model (FEM) to analyze monopile behavior for a 5-megawatt turbine under horizontal loads. Results indicate that monopile performance is affected by soil shear strength and the pile depth-to-diameter ratio (L/D). Flexural bending profiles near failure loads show that monopiles exhibit flexible behavior, even with a low L/D ratio. The L/D ratio impacts the normalized ultimate lateral capacity, significantly increasing in soft clays (up to five times for L/D ratios from 3.33 to 13.33) and less so in stiff clays. At ultimate limit state condition, in contrast to hard clays instance, the pivot point location varied significantly in soft clay when changing pile’s length. Additionally, higher L/D ratios lead to a reduction of up to five times in maximum pile displacements and rotations at the mudline, with more pronounced effects in stiffer foundations. For soft clays, the soil flow at ultimate capacity was marked by two distinctive zones, the upper zone in which a wedge failure was observed whilst for the bottom zone the rotation failure was observed. For the piles in hard clay, the soil flow around the pile was divided into three zones, a wedge shape at the top which was significantly smaller compared to the pile length than in the rigid behavior case, a transverse zone in the middle were the soil moved horizontally and a rotational zone at the bottom.