Cyclic lateral design for offshore monopiles in weak rocks

par Anaïs Lovera

Thèse de doctorat en Géotechnique

Sous la direction de Jean Sulem.

Soutenue le 27-09-2019

à Paris Est , dans le cadre de SIE - Sciences, Ingénierie et Environnement , en partenariat avec NAVIER (laboratoire) et de Laboratoire Navier / NAVIER UMR 8205 (laboratoire) .

Le président du jury était Jean-Michel Pereira.

Le jury était composé de Jean Sulem, Fabrice Emeriault, Luc Thorel, Mark Randolph, Elisabeth Palix, Ghabezloo Siavash.

Les rapporteurs étaient Fabrice Emeriault, Luc Thorel.

  • Titre traduit

    Dimensionnement sous chargement cyclique latéral des fondations de type monopieu des éoliennes en mer installées dans la roche tendre


  • Résumé

    L’Union Européenne a fixé des objectifs nationaux consistant à porter à 20 % la part des énergies renouvelables dans la consommation d’énergie totale à l’horizon 2020. Pour y répondre, le gouvernement français a notamment lancé des appels d’offre pour l’éolien en mer. Le consortium porté entre autre par EDF Renouvelables a remporté trois de ces appels d’offres pour un total de 1.5 GW utilisant des éoliennes posées. Deux de ces projets concernent des monopieux installés dans la roche tendre. L’un des principaux objectifs d’EDF Renouvelables est de sécuriser le dimensionnement de ces éoliennes ainsi que celui de leur fondation. Bien que les monopieux représentent autour de 75% des fondations installées en mer, leur dimensionnement peut être optimisé en particulier pour le type de sol rencontré. Les éoliennes en mer sont soumises à des critères de dimensionnement spécifiques tels que des critères sur leurs fréquences propres et sur leur rotation permanente en fin de vie. La réponse du monopieu joue un rôle important dans la vérification de ces critères. C’est la raison pour laquelle des essais de pieux in-situ ont été réalisés dans une ancienne carrière où les propriétés de la roche sont similaires à celles des projets en mer.Les dimensions des pieux sont choisies de sorte que leur élancement soit comparable à celui des monopieux en mer. La méthodologie utilisée pour définir le programme d’essais permet de justifier la bonne représentativité de ces essais. L’évolution de la raideur au cours du chargement cyclique ainsi que l’évolution de la rotation accumulée sont analysées puisqu’il s’agit de facteurs déterminants pour le dimensionnement. Deux phénomènes dus au fait que les pieux soient installés dans de la roche tendre sont mis en évidence: la création d’une zone de roche broyée autour du pieu lors du processus d’installation et l’apparition et la propagation de fissures dans le massif rocheux environnant.Sur la base de ces observations, une modélisation semi-analytique est développée. La procédure la plus utilisée est la méthode des courbes P−y qui permet de calculer la réponse d’un pieu sous chargement latéral. La modélisation semi-analytique est basée sur cette méthode et est étendue afin de tenir compte à la fois des critères de dimensionnement des monopieux et du fait que les monopieux soient installés dans de la roche tendre. Une attention particulière est portée sur la modélisation de la réponse initiale et la zone de roche broyée semble jouer un rôle important dans cette réponse. La méthodologie classique des courbes P–y ne prend en compte ni le chargement multidirectionnel, ni les déplacements irréversibles. Pour tenir compte du chargement multidirectionnel, nous proposons de modéliser plusieurs ressorts autour de la circonférence du pieu et des solutions analytiques sont données afin de calculer les courbes P−y pour le chargement multidirectionnel à partir des courbes P−y existantes pour un chargement unidirectionnel. Comme pour les tests de fluage, le chargement cyclique présente trois types de réponse: la stabilisation des déplacements cumulés, le phénomène de rochet et l’augmentation instable des déplacements cumulés jusqu’à la rupture. Nous utilisons donc des modèles de fluage pour modéliser la réponse cyclique. Cette procédure est validée en comparant les résultats numériques avec les données enregistrées lors des essais in-situ.Enfin, la modélisation numérique par éléments finis est implémentée à l’aide de Code_Aster. Les différents phénomènes sont d’abord analysés dans une configuration 2D. Cela permet de comprendre et quantifier les impacts de chaque phénomène: création de la zone de roche broyée, décollement derrière le pieu et apparition et propagation des fissures. Ensuite, les mêmes phénomènes sont analysés dans une configuration 3D afin de comprendre le changement de taille des monopieux d’essais sur le terrain aux monopieux en mer


  • Résumé

    The European Union sets ambitious agreement of producing 20 % of its total energy needs from renewable sources by 2020. In response, the French government has launched tenders for offshore wind. The consortium that includes EDF Renouvelables won three of them for a total of 1.5 GW. Two of these projects concern wind turbines founded on monopiles installed in soft rock. One of the main objectives for EDF Renouvelables is to secure offshore wind turbines (OWT) design as well as the design of their foundation. Although monopiles represent 75 % of foundations installed offshore, their design can be optimised especially for the type of ground encountered in these particular projects. OWTs are subjected to specific design requirements such as tight tolerances concerning their natural frequencies and permanent rotation at the end of their lifetime. The monopile response plays an important role to assess these requirements. Therefore, in situ pile tests were carried out in a former quarry with similar soft rock properties as the ones encountered in the offshore projects.The pile dimensions are selected to reproduce the ratio between the pile embedded length and the pile diameter of typical monopiles. The methodology used to define the testing programme accounts for a good representativeness of the tests compared to offshore loads. The stiffness evolution in due course of the cyclic loading is analysed as it is a key factor for the natural frequency requirement. The accumulated rotations are looked at for the long-term rotation requirement. Since the piles are installed in soft rock, two phenomena are highlighted: the creation of a crushed zone around the pile due to the driving process and the onset and propagation of cracks in the surrounding rock mass.Based on these observations, a semi-analytical modelling is developed. The most commonly used procedure for prediction of the behaviour of laterally loaded piles is the P−y curves formulation which gives an efficient framework to predict the response of the pile. The semi-analytical modelling is based on this framework and is extended to take in account the particularities of both monopiles design requirements and the fact that monopiles are installed in soft rock. Emphasis is given to the modelling of the response at small lateral displacements. To account accurately for the initial response, the soft rock zone appears to play an important role. The classical P–y curves framework accounts neither for multi-directional loading nor for irreversible displacement and accumulated displacements due to cyclic loading. Unloading paths with or without gapping are introduced to account for irreversible displacements. To account for multi-directional loading, we propose to model several springs around the pile circumference. Analytical solutions are given in order to calculate the P−y curves for multi-directional loading from the various existing P–y curves for unidirectional loading. Similarly, to creep tests, cyclic loading exhibits three main types of response: stabilisation of accumulated displacements, ratcheting and unstable increase of accumulated displacements up to failure. Therefore, we use existing creep models for simulating the cyclic response. This procedure is validated by comparing the numerical results with data recorded in field pile tests performed in soft rock.Last of all, numerical finite element modelling is implemented using Code_Aster. The different phenomena are first analysed in a 2D configuration. This helps to understand and quantify the impacts of each phenomenon: the creation of the crushed zone, the gapping behind the pile and the onset and propagation of cracks. Then the same phenomena are analysed in a 3D configuration to understand the changes of size from the piles of field testing to the offshore monopiles


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