Seismic finite element analysis of an offshore wind turbine

As a consequence of the need to switch to cleaner and sustainable energy sources, during the past decade numerous offshore wind farms have been installed in relatively low seismic areas like the Baltic Sea, the Irish Sea and the North Sea. Given the increasing developments of offshore wind farms in areas characterized by a larger seismicity, such as the China Sea and the Mediterranean Sea, the demand for seismic design of offshore wind turbines is arising. This implies that these structures shall be designed for more demanding seismic loading, without dramatic cost increase. This thesis conducts research about the structural dynamic response of offshore wind turbines. A three-dimensional finite element model of a hypothetical 5-MW reference wind turbine, produced by National Renewable Energy Laboratory to serve as a baseline in wind turbine design and research, ideally located in the Adriatic Sea, supported by a monopile, is created in SAP2000 and proposed as a valuable tool to develop a seismic design practice. Surrounding soil and embedded monopile foundation are modelled by means of lateral, rotational and cross-coupling springs, in order to investigate soil-structure interaction. A study of the natural frequencies, for both the models with fixed base and compliant base, reveals expected results from basic theory of soil-structure interaction, other than fairly matching previous studies results, therefore validating the model. A uniform hazard spectrum (UHS), developed form a probabilistic seismic hazard assessment, is used as design target spectrum for the selection of seven time histories, which are later linearly scaled and spectrally matched to the UHS. Before being applied to the model in SAP2000, the effects of site response analysis and kinematic interaction are considered. Response spectrum analysis and time history analysis are performed in SAP2000. Results in terms of dynamic structural response for both scaled and spectrally matched input motions, are presented and discussed. In particular, a significant vertical amplification of the input is experienced at the top of the tower, suggesting further investigation of buckling mechanism and potential damages to the fine-tuned machinery in the nacelle. In the horizontal directions mainly the second and third order modes are excited, leading to higher stresses in the sections at about 90m from tower base. The choice of a fixed base model is proven to be not conservative for this case study. Results due to scaled and matched input are on average comparable, with the first kind having slightly higher peaks.

Come conseguenza del bisogno di nuove fonti di energia rinnovabili, nel passato decennio sono stati installati numerosi parchi eolici in aree relativamente poco sismiche come il Mar Baltico, il Mare d’Irlanda e il Mare del Nord. Poiché si stanno studiando nuovi progetti simili, ma in aree caratterizzate da una sismicità più elevata, come ad esempio nel Mare Cinese o nel Mar Mediterraneo, il tema della risposta sismica di queste strutture sta assumendo maggiore importanza. Questa tesi studia il comportamento dinamico delle turbine eoliche offshore. Un modello tri-dimensionale a elementi finiti di una ipotetica turbina da 5-MW di riferimento, sviluppata dal National Renewable Energy Laboratory, situata idealmente nel mar Adriatico, supportata da un monopalo, è sviluppato in SAP2000 e viene proposto come pratico strumento per studiare la risposta sismica della struttura. Il suolo circostante e la fondazione sono modellati tramite delle molle lineari, per studiare l’interazione terreno-struttura. Uno studio delle frequenze fondamentali per il modello sia con base fissa, che con le molle alla base, viene svolto e i suoi risultati rispecchiano quelli in letteratura e quelli in precedenti studi svolti con software differenti, validando quindi il modello. Da una probabilistic seismic hazard analysis viene ricavato un uniform hazard spectrum usato come spettro target per la selezione, scalatura e matchatura di sette time histories. Prima di essere applicate al modello, vengono considerati gli effetti di sito e la presenza del monopalo di fondazione tramite l’interazione cinematica. Analisi con spettro di risposta e time history vengono effettuate con SAP2000. I risultati, in termini di risposta dinamica della struttura, per entrambi i casi di input scalati e matchati, sono presentati e discussi. In particolare, una notevole amplificazione verticale delle accelerazioni è registrata nei pressi della parte superiore della torre che si connette con la navicella, suggerendo ulteriori studi riguardo meccanismi di buckling e potenziali danni che potrebbero subire i macchinari nella navicella. Nella direzione orizzontale i modi di secondo e terzo ordine sono eccitati principalmente, portando ad avere sforzi maggiori nella parte di torre a circa 90 m di altezza dalla base. L’eventuale scelta di adottare un modello a base fissa si rivela in questo caso non conservativa. I risultati degli input scalati e matchati sono in media comparabili, con dei picchi leggermente più pronunciati per determinate time history, nel caso di input scalati.