Cyclic response of offshore monopile foundations in sand: analysis of centrifuge test results and 1D numerical modelling

The growing demand for renewable energy sources is driving the offshore wind industry to install ever larger wind turbines at ever greater depths. The cyclic loads to which they are subjected may lead to poor operational performance if their foundations are not properly designed. Optimising the design through an in-depth study of cyclic pile-soil interaction can therefore lead to greater sustainability in costs. The procedure includes initial processing of the results of cyclic centrifuge loading tests. These are based on interpolation of point measurements of bending moment taken on the scaled model of the pile foundation. The measurements are first scaled to the magnitude of the equivalent prototype using scaling factors and interpolated to obtain a continuous moment profile. The availability of a continuous moment function allows the calculation of the deflection of the pile using the Timoshenko beam model and the soil response to the pile itself. These are the components of the p-y interaction curves. The experimental results and their calculations are then used as a basis of comparison for calibrating the parameters of a 1D constitutive model that describes the cyclic behaviour of the soil around the foundation pile. The model is based on boundary surface plasticity and is calibrated using information from CPT tests. Test are then simulated in a finite element program and the results are compared with experimental results to evaluate their quality in terms of force-displacement relationships, bending moments and p-y curves at different depths. This procedure is applied for several tests on both long piles (having L/D ratios = 5) and short piles (with L/D = 3), to evaluate the influence of neglecting other soil-structure interaction mechanisms. The model provides encouraging results, especially with regard to the simulation of cyclic diplacement/rotation accumulation and evolving bending moment profiles. Further work on the relevant calibration procedure will be needed to generalise its application to systems featuring different geometrical-mechanical characteristics.

La crescente richiesta di fonti di energia rinnovabili spinge il settore eolico offshore verso l’installazione di pale eoliche sempre più grandi a profondità sempre maggiori. I carichi ciclici sostenuti possono creare problemi di funzionalità se le loro fondazioni non sono progettate adeguatamente. La progettazione è ottimizzabile attraverso lo studio approfondito dell’interazione ciclica palo-terreno che può portare ad una maggiore sostenibilità dei costi. Il presente studio riporta i risultati di una elaborazione dei risultati di test di carico ciclici in centrifuga. Questi si basano sull’interpolazione di misure puntuali di momento flettente acquisite sul modello in scala di palo di fondazione. Le misure sono scalate all’ordine di grandezza del prototipo equivalente, applicando dei fattori di scala, ed interpolate per ottenere un profilo continuo del momento. La disponibilità di una funzione continua permette di calcolare l’inflessione del palo, usando il modello di trave di Timoshenko, e la reazione del suolo applicata. Queste sono le componenti delle curve di interazione p-y. I risultati sperimentali e le loro elaborazioni sono poi usati come base di confronto per la calibrazione dei parametri di un modello costitutivo 1D che descrive il comportamento ciclico del terreno attorno al palo di fondazione. Il modello è basato sulla plasticità a superficie di confine calibrato su informazioni derivanti da test CPT. I test sono poi simulati in un programma ad elementi finiti e i risultati sono confrontati con quelli sperimentali, per valutarne la qualità in termini di relazioni forze-spostamenti, momenti flettenti e curve p-y a più profondità. Tale procedura è applicata per diverse prove sia su pali lunghi (con L/D = 5) sia su pali corti (con L/D = 3), per valutare l’influenza del trascurare altri meccanismi di interazione suolo-struttura. Il modello fornisce risultati preliminari incoraggianti, specialmente riguardo la simulazione dell'accumulo di spostamenti/rotazioni del palo e del corrispondente stato di flessione. Maggiori sforzi saranno dedicati al perfezionamento delle procedure di calibrazione per sistemi con diverse caratteristiche geometrico-meccaniche.