Combined loading of shallow foundations: Application to offshore wind turbines

摘要

Le chargement combiné d'une fondation peu profonde se définit par un chargement horizontal et/ou moment s'ajoutant à la charge verticale appliquée sur la fondation. Il s'agit de l'un des problèmes classiques en géotechnique. Dans le cas de l'application à l'ingénierie offshore, les forces provenant des vagues et du vent sont responsables d'un chargement combiné pouvant être particulièrement sévère. La nature cyclique de ce chargement signifie également qu'évaluer le comportement dynamique de la structure est important, notamment si celle-ci est assez flexible. Une évaluation précise de la rigidité de la fondation est de ce fait requise. Par conséquent, afin de modéliser convenablement à la fois les comportements statique et dynamique de la structure, il convient de corréler l'analyse structurelle au dimensionnement de la fondation. Il est également essentiel de vérifier que tout changement de rigidité de la fondation soit pris en compte. L'éolien offshore, énergie renouvelable plébiscitée par de nombreuses politiques à travers l'Europe, est un domaine récent pour lequel ceci est crucial. Bien que beaucoup de fondations éoliennes soient des mono-pieux, l'utilisation de fondations peu profondes de type gravitaire ou caisson à sussion est étudiée. Cette dernière technologie, plus récente, n'a pas encore été testée à ce jour. En dépit du fait que les méthodes classiques utilisant la capacité portante des fondations peu profondes restent acceptables, elles ne permettent pas de faire des analyses dynamiques. Une démarche plus récente ayant pour but la modélisation des fondations est basée sur la plasticité avec écrouissage. Elle rend compte de la non linéarité de la réponse de la fondation et est, par conséquent, privilégiée. Cet article traite du cas des éoliennes offshore et fournit une vue d'ensemble de la modélisation des fondations peu profondes, en s'intéressant plus particulièrement au modèle de plasticité avec écrouissage.%Combined loading of shallow foundations is where a horizontal and/or moment load is applied to the foundation, in addition to the vertical load. This is one of the classic problems in geotechnical engineering. For offshore engineering applications the combined loading can be particularly severe due to wind and wave forces. As well, the cyclic nature of the loading means that assessing the structural dynamics is important, particularly if the structure is quite flexible, and this requires an accurate assessment of the foundation stiffness. Therefore to model properly both the static and dynamic behaviour of the structure requires linking the structural analysis with the foundation design, and ensuring that any changes in foundation stiffness are captured. A recent application where this is important is for offshore wind turbines, which feature as a prominent part of the renewable energy policy for many countries around Europe. Whilst a number of turbines are founded on mono-piles the option of using shallow foundations, either in the form of a gravity base or the more novel, but untested, suction caissons, is also pursued. Although the standard approach of using bearing capacity theory for shallow foundations is acceptable it is incompatible with doing dynamic analyses. A more recent approach for foundation modelling based on hardening plasticity captures the non-linearity of the foundation response and is therefore preferred. This paper outlines the offshore wind turbine application and then provides an overview of modelling of shallow foundations, focussing on hardening plasticity models.