Time domain numerical modeling of offshore wind turbine seismic response

Under the big quest for more renewable energy sources, the rapid development of offshore wind power is winning the race, and taking the lead in the future of the sector. Offshore wind turbines, after a large development in relatively low seismic areas, are going to be installed in areas characterized by a larger seismicity. This implies that these structures shall be designed for more demanding seismic loading without dramatic cost increase. Being monopiles the most used solution to transfer the environmental loads into the subsoil, due to their large diameter and slenderness, and furthermore, their elevated ratio of lateral loads with respect to the vertical loads, their behavior differs from the standard assumptions of the pile foundations. In this context, an advanced numerical modeling approach is developed in order to assess the seismic response of an offshore turbine with emphasis on the importance of an adequate selection and scaling of time histories for earthquake response analysis. Based on a mathematical model describing the physical processes taking place in the saturated soil surrounding the foundation, the foundation and above ground simplified structure, a three-dimensional finite element (FE) model is carried out through the OpenSees simulation platform. After the development of a uniform hazard spectrum (UHS) from a probabilistic seismic hazard assessment, a series of time histories are selected to perform non linear time domain analysis. The selection of seismic input is accomplished using two different approaches. The first approach makes use of strong motion recordings manually selected based mainly on magnitude, distance, focal mechanism and spectral shape and, then, linearly scaled on peak ground acceleration to achieve an average spectrum compliant with the target (i.e. UHS from probabilistic seismic hazard assessment). In the second approach, a novel two-step algorithm is adopted: first, real accelerograms are automatically selected based on broadband spectral compatibility and, second, the selected records are iteratively scaled in the frequency domain to adapt them to the target spectrum (frequency spectral matching). Under the assumptions of an idealized sandy site and monopole foundation, with a 5MW turbine taken from literature and the Yang and Elgamal (UCSD08) constitutive model, the FE simulations are performed to give an insight into foundation and structure response, soil non-linearity, soil volumetric behavior and pore pressure evolution. Finally, recommendations for design practice are suggested together with future required developments.

Sulla scorta del crescente interesse per fonti di energia rinnovabile, l’industria dell’energia eolica offshore ha avuto un rapido sviluppo negli ultimi anni e sta assumendo un ruolo guida nel futuro del settore industriale delle energie non convenzionali. Dopo un iniziale sviluppo in aree a sismicità relativamente bassa, le turbine eoliche offshore si stanno diffondendo sempre più anche in aree a sismicità più elevata. Da ciò consegue che la progettazione di tali strutture deve tenere in conto di carichi orizzontali dovuti al sisma più elevati senza un eccessivo aumento dei costi. In tale contesto, obiettivo principale del lavoro è l’analisi della risposta sismica di una turbina eolica offshore su fondazione monopalo – la principale soluzione tecnologica per turbine in mare aperto - mediante un approccio numerico diretto che includa nello stesso modello computazionale il terreno, la fondazione e la sovra-struttura e sia, pertanto, in grado di descrivere i complessi fenomeni di interazione dinamica suolo-fondazione-struttura. Il modello numerico tri-dimensionale è stato sviluppato e calibrato utilizzando il codice di calcolo ad elementi finiti OpenSees. Per la costruzione del modello numerico, si sono considerate le seguenti ipotesi: (i) modello semplificato di una turbina eolica da 5 MW con dati da letteratura; (ii) fondazione monopalo; (iii) sito sabbioso caratterizzato dal modello costitutivo di Yang ed Elgamal (UCSD08), in grado di tenere in conto del comportamento non-lineare del terreno sotto carichi ciclici e dell’accoppiamento idro-meccanico. Si sono svolte analisi dinamiche non-lineari utilizzando come storie temporali di ingresso diverse settuple di registrazioni accelerometriche, opportunatamente selezionate e scalate, per sottolineare l’importanza di un’adeguata procedura di selezione e manipolazione dei segnali sismici da utilizzare per le analisi numeriche. Per la selezione delle storie temporali, come spettro target si è considerato lo spettro a pericolosità uniforme (UHS) derivante dalle analisi probabilistiche di pericolosità sismica svolte per il sito in esame. La selezione delle storie temporali di ingresso è stata svolta seguendo due diversi approcci. Il primo approccio si basa sull’impiego di una settupla di registrazioni accelerometriche, selezionate sulla base di parametri quali la magnitudo, distanza, meccanismo focale e forma spettrale e, successivamente, scalate linearmente sull'accelerazione del picco del suolo (PGA), al fine di garantire uno spettro di risposta medio compatibile con lo spettro UHS target. Nel secondo approccio, si adotta un algoritmo di calcolo a due fasi: in primo luogo, gli accelerogrammi reali vengono selezionati automaticamente in base a criteri di compatibilità spettrale ad ampio spettro ed, in secondo luogo, le registrazioni selezionate vengono manipolate per adattarle allo spettro target attraverso un processo di scalatura iterativa nel dominio della frequenza (algoritmo di matching spettrale). I risultati delle analisi dinamiche non-lineare per le due settuple di accelerogrammi vengono analizzati e commentati sia in termini di risposta del terreno che di risposta strutturale. Infine, vengono suggerite raccomandazioni per le pratiche di progettazione insieme ai futuri sviluppi richiesti.