Numerical investigation on the response of monopiles subject to combined horizontal and uplift loads

Monopile foundations are widely used in structures for the production of renewable energy, like solar panels and offshore wind turbines. The aim of the present Master thesis work is to provide the basis for the construction of a possible macro-element for these kinds of foundations. The behaviour of monopile has been investigated under different load conditions, with a particular attention to uplift actions after horizontal cyclic loads and to cyclic radial pullout loads, in order to simulate the real in situ conditions. Three dimensional numerical analyses have been performed using FLAC3D code on two different scales: the small scale, by considering purely granular material only, and the large scale, by considering both purely granular material and cohesive material. In the small scale analyses promising qualitative results have been obtained from the performed tests, in particular from the pullout tests after horizontal cyclic loads, even if the simple constitutive model adopted is not able to catch all the quantitative aspects. In the large scale, with the cohesive material, it has been possible to construct the interaction domain H-V for the monopile. Instead, with the granular material, since the used constitutive model doesn’t allow to identify the ultimate limit capacity, also multi-stage tests have been carried out in order to provide the basis for the construction of a possible macro-element for the monopile in sand.

Le fondazioni monopalo sono ampiamente usate nelle strutture per la produzione di energia rinnovabile, come i pannelli solari e le turbine eoliche offshore. Lo scopo di questo lavoro di tesi magistrale è di fornire le basi per la costruzione di un possibile macro-elemento per questi tipi di fondazioni. Il comportamento del monopalo è stato studiato sotto diverse condizioni di carico, con una particolare attenzione alle azioni di sollevamento dopo carichi ciclici orizzontali e ai carichi ciclici radiali di sollevamento, al fine di simulare le condizioni reali in sito. Sono state effettuare analisi numeriche tridimensionali usando il codice FLAC3D su due diverse scale: la piccola scala, in materiale puramente granulare, e la grande scala, sia in materiale puramente granulare sia coesivo. Nella piccola scala risultati qualitativamente promettenti sono stati ottenuti dai test effettuati, in particolare per i test di sollevamento dopo carichi ciclici orizzontali, anche se il modello costitutivo che è stato usato non è in grado di riprodurre tutti gli aspetti in modo quantitativamente accurato. Nella grande scala, con il materiale coesivo, è stato possibile costruire un dominio di interazione H-V per il monopalo. Invece, con il materiale granulare, siccome il modello costitutivo usato non permette di individuare la capacità limite ultima, sono stati eseguite anche prove multi-stage con lo scopo di fornire le basi per la costruzione di un possibile macro-elemento per il monopalo in sabbia.