Laterally loaded monopiles for offshore wind turbines : analysis and improvement of the p-y curves

The offshore wind energy industry is setting the basis for a more sustainable expansion, in order to be competitive in a market still led by fossil-fuel-based energy sources. The development of new technologies must be supported by the optimization of existing technologies. Monopiles are by far the most popular substructure type for offshore turbines, becoming larger and also suitable for complex site conditions. Nonetheless, there is evidence that the standard design method, originally conceived for the oil and gas industry and based on the p-y curves, does not provide a correct prediction of the interaction between soil and foundation under lateral loads. In particular the stiffness response of the system must be re-assessed, as it directly affects the dynamics of the overall structure. This thesis aims to undertake a typical approach to this problem: along with 1D modelling providing the basic tools to implement the existing design methods, a 3D finite element analysis is developed for a monopile under lateral loading. A detailed analysis of the extracted p-y curves is presented for slender and short piles. Then, with a focus on soft clay soils, a direct comparison of numerical results with the standard methods prediction is conducted, resulting in specific indications for future improvement of the curves.

L’industria eolica sta gettato le basi per una espansione più sostenibile, allo scopo di essere competitiva in un mercato ancora guidato dalla produzione di energia da combustibili fossili. Lo sviluppo di nuove tecnologie deve essere affiancato dall’ottimizzazione delle tecnologie esistenti. I monopali sono di gran lunga le sottostrutture più utilizzate per turbine offshore, crescendo di dimensione e potendosi adattare anche a siti dalle condizioni più complesse. Tuttavia, ci sono evidenze che il metodo di design standard, originariamente concepito per l’industria estrattiva di gas e petrolio e basato sulle curve p-y, non caratterizza in modo adeguato le interazioni tra suolo e fondazione sotto carichi laterali. In particolare, la risposta in rigidezza del sistema dev’essere rivalutata, poiché essa influenza direttamente la dinamica dell’intera struttura. Questa tesi segue un approccio tipico per questo tipo di problema: assieme ad un modello 1D in grado di fornire gli strumenti base per l'implementazione dei modelli standard esistenti, si sviluppa un modello 3D di analisi agli elementi finiti per monopali sotto carichi laterali. Un’analisi dettagliata delle curve p-y ottenute viene presentata per monopali lunghi e corti. Infine, con particolare attenzione a argille soffici, si conduce una comparazione diretta dei risultati numerici con le previsioni fornite dai metodi standard, giungendo così a specifiche indicazioni atte ad una migliore definizione delle curve.