Impedantie van de grond bij monopiles voor offshore windturbines

William Beuckelaers
Goedkopere offshore windenergie door verbeterde funderingsmodellenOm de kost van offshore windenergie te reduceren, lopen binnen de EU verschillende onderzoeksprojecten.  De grootste onzekerheid bij het ontwerp van de structuren ligt nog steeds in het funderingsontwerp. De ontwikkeling van een vernieuwde ontwerprichtlijn voor de funderingen van offshore windturbines kan de totale projectkost van offshore windparken significant terugdringen.

Impedantie van de grond bij monopiles voor offshore windturbines

Goedkopere offshore windenergie door verbeterde funderingsmodellen

Om de kost van offshore windenergie te reduceren, lopen binnen de EU verschillende onderzoeksprojecten.  De grootste onzekerheid bij het ontwerp van de structuren ligt nog steeds in het funderingsontwerp. De ontwikkeling van een vernieuwde ontwerprichtlijn voor de funderingen van offshore windturbines kan de totale projectkost van offshore windparken significant terugdringen. De verbeterde richtlijn zal een belangrijke bijdrage leveren om de kost met 35-40% terug te dringen tegen 2020.

Door de ambitieuze doelstellingen van de Europese Unie om de ecologische voetafdruk van de mens op de aarde te verminderen, kent de offshore windindustrie de laatste jaren een sterke groei. Tegen 2020 zou de offshore windenergie ongeveer 7% van het bruto Belgische elektriciteitsverbruik leveren. Hiervoor zijn in België verschillende concessies toegewezen op de grens met de Nederlandse territoriale wateren.

Voor deze windturbines op zee bestaan verschillende ondersteunende structuurtypes. De keuze van het meest efficiënte structuurtype wordt voornamelijk bepaald door de locale topologie.  Tot op een waterdiepte van ±30 meter is de monopile meestal de meest economische keuze. Dit is een holle stalen buis die in de zeebodem gedreven wordt. Hierboven komt vervolgens een transitiestuk waarop uiteindelijk de toren, gondel en rotor geïnstalleerd kunnen worden.

De fabricage- en installatiekost van een monopile fundering bedraagt ruwweg 25% van de totale projectkost. Elke vermindering in lengte, diameter of wanddikte van de monopile heeft daarom een significante impact op de projectkost van een offshore windpark. Het ontwerp van deze funderingspalen gebeurt tegenwoordig nog steeds met ontwerpcodes die hun oorsprong hebben in de olie- en gasindustrie. De dimensies van monopiles verschillen echter sterk van die voor structuren in de olie- en gasindustrie. Hierdoor zijn er vele bemerkingen bij de huidige ontwerpcode en worden monopiles momenteel niet optimaal ontworpen.

Metingen op deze constructies hebben aangetoond dat de resonantiefrequenties hoger liggen dan in het oorspronkelijk ontwerp. Dit wijst op een onderschatting van de funderingsstijfheid met de huidige ontwerpcodes. Daarom zou een kortere paallengte volstaan om te voldoen aan ontwerpcriteria zoals de minimale vereiste resonantiefrequentie.

Een ander belangrijk aspect is de demping op de structuur. Demping op de structuur zorgt ervoor dat er minder resonantie is, wat een positief effect heeft op de vermoeiing van het staal. Demping ontstaat wanneer energie van de structuur gedissipeerd wordt aan de lucht, het water of de ondergrond. Vooral op dit laatste aspect bestaat er veel onzekerheid, waardoor er ontworpen wordt met een conservatieve waarde voor de demping.

Om met deze aspecten rekening te houden, loopt er momenteel een grootschalig onderzoeksproject dat geleid wordt door het Deense DONG Energy. Het academisch consortium, onder leiding van University of Oxford samen met Imperial College London en University College Dublin, werkt met DONG en haar partners om een verbeterde richtlijn op te stellen.

“Wij verwachten aanzienlijke besparingen door onder andere de dimensies van monopiles te reduceren en door nieuwe installatiemethodes. Daarom zijn wij van mening dat dit onderzoek een belangrijke bijdrage kan leveren ten opzichte van onze inspanningen om de kost van offshore windenergie met 35-40% terug te dringen tegen 2020,” vertelt Bent Christensen, Senior Vice President bij DONG Energy Wind Power.

Inspanningen als deze maken van offshore windenergie  een concurrentieel alternatief ten opzichte van andere energiebronnen. Dit stimuleert de overschakeling naar een duurzame energiebevoorrading.

William Beuckelaers. Afgestudeerd burgerlijk ingenieur bouwkunde aan de KU Leuven met als thesisonderwerp: “Impedantie van de grond bij monopiles voor offshore windturbines”. Werkt momenteel als doctorandus aan University of Oxford.

Bibliografie

Bibliografie[1] 4C Offshore, 2014. http://www.4coffshore.com/, visited 2014-04-05.[2] M. Achmus, Y.-S. Kuo, and K. Abdel-Rahman. Behaviour of monopile foundationsunder cyclic lateral load. Computer and Geotechnics, 35(5):725–735,2009.[3] American Petroleum Institute. Recommended Practice for Planning, Designingand Constructing Fixed Offshore Platform - Working Stress Design. NumberRP 2A-WSD. Washington, D.C., October 2005.[4] L. Andersen. Assessment of lumped-parameter models for rigid footings. Computers& Structures, 88(23 - 24):1333 – 1347, 2010. Special Issue: Associationof Computational Mechanics - United Kingdom.[5] F. Baguelin, R. Frank, and Y. Said. Theoretical study on lateral reactionmechanism of piles. Géotechnique, 27(3):405–434, 1977.[6] B.O. Hardin and V.P. Drnevich. Shear modulus and damping in soils: designequations and curves. Journal of the Soil Mechanics and Foundations Division,98(7):667–692, 1972.[7] B.R.Wair, J.T. DeJong, and T. Shantz. Guidelines for Estimation of Shear WaveVelocity Profiles. Pacific Earthquake Engineering Research Center, December2012.[8] BRUWIND. http://bruwind.eu/, visited 2014-04-05.[9] G. Corbetta, I. Pineda, and J. Moccia. The European Offshore Wind Industry- Key Trends and Statistics 2013. The European Wind Energy Association,January 2012.[10] M. Damgaard, J.K.F. Andersen, L.B. Ibsen, and L.V. Andersen. Naturalfrequency and damping estimation of an offshore wind turbine structure. InProceedings of the twenty-second International Offshore and Polar EngineeringConference, Rhodes, Greece, June 2012.[11] Det Norske Veritas. Offshore Standard DNV-OS-J101, Design of Offshore WindTurbine Structures. Hovak, Norway, October 2010.95Bibliografie[12] C. Devriendt, S. Millis, and C. Vanden Haute. OWI data request. TechnicalReport 201403-005, OWI-lab - Sirris - Belwind - Vrije Universiteit Brussel, April2014.[13] C. Devriendt, P.J. Jordaens, Y. Van Ingelgem, G. De Sitter, and P. Guillaume.Monitoring of resonant frequencies and damping values of an offshore windturbine on a monopile foundation. In Proceedings of EWEA, Vienna, 2013.[14] P. Dierckx. Dynamische analyse van de fundering van het nanotechnologischlaboratorium Corelab 1B. Master’s thesis, Department of Civil Engineering,KU Leuven, 2013.[15] D.L. Pradhan. Development of p-y curves for monopiles in clay using finiteelement model Plaxis 3D Foundation. Master’s thesis, Norwegian University ofScience and Technology, Department of Civil and Transport Engineering, June2012.[16] F. Dohmen. The future of renewables. Germany’s first offshore wind farm goes online,April 2010. http://http://www.spiegel.de/international/germany/the-future-of-renewa…, visited 2014-03-16.[17] D. Dooms, M. Jansen, G. De Roeck, G. Degrande, G. Lombaert, M. Schevenels,and S. François. StaBIL: A Finite Element Toolbox for Matlab. StructuralMechanics Section of the Department of Civil Engineering, KU Leuven, 2.0edition, June 2010.[18] DUWIND. http://www.duwind.tudelft.nl/, visited 2014-04-05.[19] Electrawinds. Concessie voor offshore windpark Mermaid België,August 2012. http://www.e-mailinglist.be/Electrawinds/archief/Augustus2012.html, visited 2014-03-16.[20] Europese Commissie. Doelstellingen Europa 2020, February 2014.http://ec.europa.eu/europe2020/europe-2020-in-a-nutshell/targets/index_…, visited 2014-04-07.[21] T. Fisher and W. de Vries. Intergrated wind turbine design: final report task4.1, Deliverable D 4.1.5 (WP4: Offshore Foundations and Support Structures).Technical report, UpWind, 2011.[22] FOD Economie, K.M.O., Middenstand en Energie. Ontwikkeling vande exploitatie van hernieuwbare energiebronnen in de Noordzee, 2013.http://economie.fgov.be/nl/ondernemingen/energie/hernieuwbare_energie/o…, visited 2014-04-07.[23] S. François. Nonlinear Modelling of the Response of Structures due to GroundVibrations. PhD thesis, Katholieke Universiteit Leuven, 2008.96Bibliografie[24] Germanischer Lloyd WindEnergie GmbH. Guideline for the Certification ofOffshore Wind Turbines. Number GL Wind 2005 IV - Part 2. 2005.[25] G. Grajeda. Y a ti ¿Dónde te agarro el temblor?, January 2012. http://www.proyecto40.com/?p=22, visited 2014-05-23.[26] H.E. Krogstad and Ø.A. Arntsen. Wave Descriptions and Theory - Linear WaveTheory. Norwegian University of Science and Technology, February 2000.[27] International Electrotechnical Commission. Wind Turbines Part 3: DesignRequirements for Offshore Wind Turbines. Number IEC TC88 WG3: CDV.July 2007.[28] I.P.O. Lam. Diameter Effectos on P-Y Curves. Deep Foundations Institute,Hawthorne, NJ, 2009.[29] J.-G. Sieffert and F. Cevear. Handbook of Impedance Functions - SurfaceFoundations. Ouest Editions Presses Academiques, 1995.[30] J.A.J Donkers, A.J. Brand, and P.J. Eecen. Offshore wind atlas of the Dutchpart of the North Sea. In EWEA, Brussels, Belgium, March 2011. EnergyResearch Centre of the Netherlands.[31] J.R. Morison, M.P. O’Brien, J.W. Johnson, and S.A. Schaaf. The force exertedby surface waves on piles. Journal of Petroleum Technology, 2(5):149–154, 1950.[32] K.A. Kuo. Vibration from Underground Railways: Considering Piled Foundationsand Twin Tunnels. PhD thesis, King’s College, University of Cambridge, 2010.[33] D. Kallehave, C. LeBlanc Thilsted, and M.A. Liingaard. Modification of theAPI p-y formulation of initial stiffness of sand. September 2012.[34] E. Kavazanjian, N. Matasovic, T. Hadj-Hamou, and P.J. Sabatini. DesignGuidance: Geotechnical Earthquake Engineering for Highways, Volume I - DesignPrinciples. US Department of Transportations Federal Highway Administration,1997.[35] K.L. Rasmussen, M. Hansen, T.K. Wolf, L.B. Ibsen, and H.R. Roesen. A LiteratureStudy on the Effects of Cyclic Lateral Loading of Monopiles in CohesionlessSoils. DCE Technical Memorandum. Department of Civil Engineering, AalborgUniversity, 2013.[36] E. Kulunk. Fundamental and Advanced Topics in Wind Power, Aerodynamicsof Wind Turbines. New Mexico Institute of Mining and Technology, 2011.[37] S. Le Bot, V. Van Lancker, S. Deleu, M. De Batist, J.P. Henriet, and W. Haegeman.Geological characteristics and geotechnical properties of Eocene andQuaternary deposits on the Belgian continental shelf: synthesis in the contextof offshore wind farming. Netherlands Journal of Geosciences - Geologie enMijnbouw, 84(2):147–160, 2005.97Bibliografie[38] C. LeBlanc, G. Houlsby, and B. Byrne. Response of stiff piles to long-termcyclic lateral load. Géotechnique, 60(2):79–90, 2010.[39] L.H. Holthuijsen. Waves in Oceanic and Coastal Waters. Cambridge UniversityPress, 2007.[40] J. Long and G. Vanneste. Effects of cyclic lateral loads on piles in sand. Journalof Geotechnical Engineering, 120(1):225–244, 1994.[41] Luminosity Engineering Technologies. http://www.luminosityengtech.com/joomla/index.php/applications/wind-tur…, visited 2014-04-05.[42] T. Lunne. The fourth James K. Mitchell lecture: the CPT in offshore soilinvestigations - a historic perspective. Geomechanics and Geoengineering, 7(2):75–101, 2012.[43] M.C. McVay and L. Niraula. Development of P-Y Curves for large diameterpiles/drilled shafts in limestone for FBPIER. Technical report, University ofFlorida, Department of Civil and Coastal Engineering, September 2004.[44] M.J. Helmers. Use of ultimate load theories for design of drilled shaft sound wallfoundations. Master’s thesis, Faculty of Civil Engineering, Virginia PolytechnicInstitute and State University, June 1997.[45] M.W. O’Neill and J.M. Murchinson. An evaluation of p-y relationships in sands.A report to the American Petrolium Institute, (1048031), May 1983.[46] M. Novak. Dynamic stiffness and damping of piles. Canadian GeotechnicalJournal, 11(4):574–598, June 1974.[47] M. Novak, M. Asce, T. Nogami, and F.A. Ella. Dynamic soil reactions for planestrain case. Journal of the Engineering Mechanics Division, 104(4):953–959,July/August 1978.[48] OMS Oostende - Meteopark Zeebrugge. Jaarrapport waarnemingen Zeebruggemeteopark 2012. Technical report, 2012.[49] OpenSeesWiki. TzSimple1 Material, March 2010. http://opensees.berkeley.edu/wiki/index.php/TzSimple1_Material, visited 2014-05-23.[50] PelaFlow Consulting. Wind turbine power ouput variation with steady windspeed. http://www.wind-power-program.com/turbine_characteristics.htm, visited 2014-04-15.[51] Pile soil analysis project (PISA). http://www.eng.ox.ac.uk/geotech/research/PISA, visited 2014-04-05.[52] Projet National SOLCYP. http://www.pnsolcyp.org/, visited 2014-04-05.98Bibliografie[53] Ramboll Group. Offshore substation design. http://www.ramboll.com/services/energy%20and%20climate/offshore-wind-co…, visited2014-03-16.[54] M. Schevenels, G. Degrande, and S. François. EDT: an ElastoDynamics Toolboxfor MATLAB. In Proceedings of the Inaugural International Conference of theEngineering Mechanics Institute (EM08), Minneapolis, Minnesota, U.S.A., May2008.[55] M. Schevenels, G. Degrande, and S. François. EDT: An ElastoDynamics Toolboxfor MATLAB. Computers & Geosciences, 35(8):1752–1754, August 2009.[56] R. Schraff and M. Siems. Monopile foundations for offshore wind turbines -solutions for greater water depths. Steel Construction, 6(1), 2013.[57] H. Seed, R. Wong, I. Idriss, and K. Tokimatsu. Moduli and damping factorsfor dynamic analyses of cohesionless soils. Journal of Geotechnical Engineering,112(11):1016–1032, 1986.[58] M. Segeren. Offshore wind support structures: monopile design - part I. UniversityLecture, Delft University of Technology, 2013.[59] R. Shirzadeh, C. Devriendt, M.A. Bidakhvidi, and P. Guillaume. Experimentaland computational damping estimation of an offshore wind turbine on a monopilefoundation. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 120:96 –106, 2013.[60] S. Sokolowski. Strategische Langetermijnvisie inzake Duurzame Ontwikkeling,Bijdrage van de ICDO - Begeleidingsnota. April 2012.[61] S.P.H. Sorensen, L.B. Ibsen, and A.H. Augustesen. Effects of diameter on initialstiffness of p-y curves for large-diameter piles in sand. Numerical Methods inGeotechnical Engineering, (ISBN 978-0-415-59239-0), 2010.[62] S.S. Lin and J.C. Liao. Permanent strains of piles in sand due to cyclic lateralloads. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 125(9):789–802, 1999.[63] S. Tegen, M. Hand, B. Maples, E. Lantz, P. Schwabe, and A. Smith. 2010cost of wind energy review. Technical Report NREL/TP-5000-52920, NationalRenewable Energy Laboratory, Golden, Colorado, April 2012.[64] K. Terzaghi, R.B. Peck, and G. Mesri. Soil Mechanics in Engineering Practice.Wiley-Interscience publication. 1996.[65] United Nations. Kyoto Protocol to the United Nations Framework Conventionon Climate Change. 1998.[66] J. van der Tempel. Design of Support Structures for Offshore Wind Turbines.PhD thesis, Technische Universiteit Delft, 2006.99Bibliografie[67] K. Vanneste, T. Camelbeeck, W. De Vos, G. Degrande, M. Dusar, W. Haegeman,M. Schevenels, P. Vancampenhout, J. Van Dyck, and K. Verbeeck. ProjectVLA07-4.2 Compilatiestudie betreffende de seismiciteit in Vlaanderen - samenvatting.Technical report, Vaamse Overheid, Departement Leefmilieu, Natuuren Energie, Afdeling Land- en Bodembescherming, Ondergrond en NatuurlijkeRijkdommen, September 2009.[68] V.D. Krolis, G. L. van der Zwaag, and W. de Vries. Determining the embeddedpile length for large diameter monopiles. In EWEA, 2009.[69] A. Vesic. Beam on elastic foundations. In Proceedings, 5th ICSMFE, volume2:1, pages 24–28, Paris, France, 1961.[70] W.G. Versteijlen, A. Metrikine, J.S. Hoving, E.H. Smidt, and W.E. De Vries.Estimation of the vibration decrement of an offshore wind turbine supportstructure caused by its interaction with soil. In Proceedings of the EWEAOffshore 2011 Conference, Amsterdam, The Netherlands, November 2011.[71] T. Wichtmann and T. Triantafyllidis. Effect of uniformity coefficient on G/Gmaxand damping ratio of uniform to well-graded quartz sands. Journal of Geotechnicaland Geoenvironmental Engineering, 59(139):59–72, January 2013.[72] K. Yokota and M. Konno. Dynamic Poisson’s ratio of soil. Technical report,1979.

Universiteit of Hogeschool
Burgerlijk ingenieur: bouwkunde
Publicatiejaar
2014
Kernwoorden
Share this on: