Simplified numerical models to simulate hollow monopile wind turbine foundations

Abstract

The majority of wind turbine foundations consist of hollow monopiles inserted in the soil, requiring high computational effort to be numerically simulated. Alternative simplified models are very often employed instead. Three-dimensional solid models, in which the hollow structure and pile are substituted by solid cylinders with equivalent properties, are the most extended simplifications. Very few 2D models can be found in the literature due to the challenge of finding suitable equivalent properties and loads to fully represent the 3D nature of the problem. So far, very limited attention has been devoted to the accuracy of both 3D and 2D simplified models under dynamic and even static actions. Thus, in this paper, simplified 3D and 2D solid models are proposed and justified. An elasto-plastic constitutive model with accumulative degradation is used to simulate the soil behaviour, and frictional contact elements are implemented between the soil and pile to model their interaction. These simplified approaches are compared with the full 3D hollow model, under static and cyclic loads. The results demonstrate that the proposed simplified approaches are a reasonable alternative to the 3D hollow model, which allows researchers and designers to drastically reduce the computational effort in the simulations under long term conditions.

La mayoría de las cimentaciones de aerogeneradores consisten en monopilotes huecos insertados en el suelo, que requieren un gran esfuerzo computacional para su simulación numérica. Por ello, a menudo se utilizan modelos simplificados alternativos. modelos simplificados alternativos. Los modelos sólidos tridimensionales, en los que la estructura hueca y el pilote por cilindros sólidos con propiedades equivalentes, son las simplificaciones más extendidas. En la bibliografía se pueden encontrar muy pocos modelos 2D debido a la dificultad de encontrar propiedades y cargas equivalentes adecuadas para representar completamente el modelo 3D. equivalentes y cargas adecuadas para representar plenamente la naturaleza tridimensional del problema. Hasta ahora, se ha prestado muy poca atención a la precisión de los modelos simplificados en 3D y 2D bajo acciones dinámicas e incluso estáticas. dinámicas e incluso estáticas. Así pues, en este artículo se proponen y justifican modelos sólidos simplificados en 3D y 2D. Para simular el comportamiento del suelo se utiliza un modelo constitutivo elastoplástico con degradación acumulativa, y se emplean elementos de contacto por fricción. de contacto por fricción entre el suelo y el pilote para modelar su interacción. interacción. Estos enfoques simplificados se comparan con el modelo hueco 3D completo, bajo cargas estáticas y cíclicas. estáticas y cíclicas. Los resultados demuestran que los enfoques simplificados propuestos son una alternativa razonable al modelo hueco 3D. alternativa razonable al modelo hueco 3D, que permite a los investigadores y diseñadores reducir drásticamente el esfuerzo computacional de las simulaciones. esfuerzo computacional en las simulaciones en condiciones de larga duración.