Rigid inclusions under wind turbine foundation : Experimental behaviour and numerical studies - TEL - Thèses en ligne
Theses Year : 2023

Rigid inclusions under wind turbine foundation : Experimental behaviour and numerical studies

Inclusions rigides sous fondation d'éolienne : Etudes expérimentales et numériques

Abstract

Onshore wind turbines typically have a life span of 20-25 years, post which, retrofitting becomes imperative. This is particularly relevant as one-third of such turbines in Europe are nearing service life completion. With the evolution of wind technology, the trend is towards more potent and taller turbines, leading to amplified forces at the base of the mast. Consequently, the extant reinforced gravity concrete foundations, no longer compliant with the prevailing codes, necessitate reconstruction. The FEDRE (Durable Wind Turbine Foundations and REpowering) project, a collaborative effort between GEOMAS laboratory of INSA Lyon, Menard, and other partners, aims to enable the reuse of wind turbine foundations during the repowering phase. This involves the replacement of existing aged turbines with more powerful successors. The research interest of the project is to study the complexity of the transfer of cyclic wind load, as well as the mechanical effect of the structure on the soil reinforced by rigid inclusions, such as CMC, by simplifying the complex mechanism of the system through the study of its individual components. The research is divided into three main areas: (1) the instrumentation of a new generation wind turbine foundation founded on rigid inclusions type CMC, (2) Nonlinear finite element modelling, including soil laboratory tests, unit cells in axisymmetric modelling, and three-dimensional approach (3) Development of a novel macroelement for rigid inclusions under a gravity foundation to account for the various interactions and constrain the geometric effect, as a contribution to the design approaches. The research findings of this work can be summarised as follows: (1) The experimental work has allowed to validate the initial assumptions of the project, to quantify the load transfer to the rigid inclusions and the interaction between the columns and the soil. The stored monitoring data were used to address several subjects, including determining the moment load at the base of the foundation as a function of wind speed. (2) Soil models were derived by simulating soil laboratory tests using the finite element method. The experimentally calibrated numerical modelling showed good agreement with the available measurements and highlighted the boundary conditions in the two-dimensional models that are overcome in the three-dimensional modelling. (3) The comparison of the macroelement results with the finite element modelling was very satisfactory and validated the model with incomparable time difference.
Les éoliennes terrestres ont une durée de vie de 20 à 25 ans. Après cette période, l'exploitant est confronté au problème du rééquipement du parc. La question est d'autant plus explosive qu'un tiers des éoliennes terrestres en Europe ont atteint la fin de leur durée de vie. D'autre part, la technologie des éoliennes est en constante évolution. Aujourd'hui, la puissance du matériel tend à augmenter de manière significative, ainsi que la hauteur du mât. Cela génère des forces accrues à la base du mât. La semelle de fondation en béton armé n'est plus adaptée aux nouvelles contraintes selon les codes usuels. La solution actuellement envisagée est de déconstruire complètement la semelle en béton armé et de reconstruire une semelle plus lourde. FEDRE (Fondations d'Eoliennes Durables et REpowering) est un projet de recherche impliquant le laboratoire GEOMAS de l'INSA de Lyon, la société Menard et d'autres partenaires industriels. L'objectif de ce projet est de trouver des solutions pour la réutilisation des fondations existantes lors des phases de repowering. L'intérêt de la recherche du projet est d'étudier la complexité du transfert de la charge du vent cyclique, ainsi que l'effet mécanique de la structure sur le sol renforcé par des inclusions rigides, type CMC, en simplifiant le mécanisme complexe du système par l'étude de ses composants individuels. La recherche est divisée en trois domaines principaux : (1) Instrumentation d'une fondation d'éolienne en vraie grandeur. (2) Modélisation non linéaire par la méthode des éléments finis, calibrée par des essais de laboratoire des sols et l’essai de chargement statique, incluant une modélisation axisymétrique de cellules élémentaires et une approche tridimensionnelle. (3) Développement d'un nouveau macroélément pour modéliser les inclusions rigides sous une semelle gravitaire afin de tenir compte des différentes interactions et particularités géométriques, dans le but de compléter les approches de dimensionnement. Les principales conclusions de cette recherche sont les suivantes : (1) Les mesures ont permis de valider les hypothèses initiales du projet, de quantifier le transfert de charge vers les inclusions rigides, et l'interaction entre les colonnes et le sol. L’ensemble des données récoltées a été utilisé pour aborder plusieurs sujets, notamment la détermination du moment au niveau de la base de la fondation en fonction de la vitesse du vent. (2) Les lois de comportement des sols ont été calibrées en simulant des essais de laboratoire. La modélisation numérique ajustée expérimentalement a montré une bonne concordance avec les mesures disponibles et a souligné les conditions aux limites dans les modèles bidimensionnels qui sont surmontées dans la modélisation tridimensionnelle. (3) La comparaison des résultats du macroélément avec la modélisation par éléments finis a été très satisfaisante et a validé la nouvelle approche avec un temps de calcul incomparablement plus rapide.
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tel-04728687 , version 1 (09-10-2024)

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  • HAL Id : tel-04728687 , version 1

Cite

Adnan Sahyouni. Rigid inclusions under wind turbine foundation : Experimental behaviour and numerical studies. Civil Engineering. INSA de Lyon, 2023. English. ⟨NNT : 2023ISAL0116⟩. ⟨tel-04728687⟩
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