شبیه‌سازی لرزه‌ای مونوپایل‌های فراساحلی تحت بار موج در خاک ماسه‌ای

نیاز روزافزون بشر به انرژی در دهه های اخیر به‌ویژه انرژی های پاک و تجدیدپذیر، سبب گسترش مزارع بادی در مناطق ساحلی شده و با هدف بهره وری بیشتر به سوی مناطق فراساحلی حرکت کرده است. بسیاری از توربین های بادی روی شمع هایی با قطر بزرگ موسوم به مونوپایل (monopile) بنا شده اند. در کشورهای اروپایی بارگذاری محیطی حاکم بر مونوپایل ها در نواحی فراساحلی بار موج و در برخی از کشورهای پیشرو در توسعه انرژی باد نظیر چین، ژاپن، هند و ایالت متحده بار زلزله است. باتوجه به وقوع رویدادهای طبیعی موج و زلزله به صورت هم زمان در دریاها، بررسی رفتار مونوپایل ها تحت اثر توام آن ها الزامی است. در این پژوهش شبیه‌سازی سه‌بعدی سیستم خاک- مونوپایل با استفاده از نرم‌افزار متن‌باز opensees به روش اجزای محدود انجام گرفته و تاثیر حضور موج بر پاسخ‌های لرزه‌ای مونوپایل و خاک اطرافش بررسی شده است. در مدل رفتاری غیرخطی توصیف گر خاک ماسه‌ای، اثرات سختی، نفوذپذیری، اتساع و پتانسیل تراکم خاک بر پاسخ‌های سیستم گنجانده شده است. بررسی‌ها حاکی از آن است که موج می‌تواند تاثیر قابل‌توجهی بر پاسخ‌های لرزه‌ای مونوپایل گذاشته و علاوه بر تشدید جابه جایی، دوران، نیروی برشی و لنگر خمشی در آن، سبب تغییر محل وقوع برش و خمش حداکثر گردد. موج می‌تواند تاریخچه های زمانی جابه جایی سطح زمین و فشار آب حفره‌ای در اعماق سطحی مجاور مونوپایل را پس از گذشت مدت زمان موثر زلزله به پیروی از الگوی خود وادارد. تاثیر موج بر پاسخ‌های خاک با افزایش فاصله از محور مونوپایل و افزایش عمق خاک محو می‌گردد. نتایج پژوهش نشان می‌دهد که نمی‌توان از اصل برهم‌نهی جهت برآورد پاسخ مونوپایل به اعمال توام بارهای موج و زلزله استفاده کرد.

seismic modelling of monopiles under wave load in the sandy soil

human growing demand for energy and in recent decades for clean and renewable energy, leading to the development of wind farms inshore areas and have moved to offshore areas to achieve more production. noticed that wind farms are a series of large, expensive and same structures, their foundations are important and it’s necessary to minimize the probability of failure all of them. many wind turbines are founded on large piles called monopiles. in european countries particularly in offshore areas, dominant environmental loading on monopiles is the wave. but some of the pioneer countries in wind energy development, such as china, india and the united states are highly seismic areas. following the occurrence of natural events of wave and earthquake in the sea at the same time, considering the behavior of monopiles under their combined effects are required. in this study, three-dimensional modeling of the soil-monopile system using open sees software by finite element analysis was carried out and the effect of wave load on seismic responses of monopile and its surrounding soil was investigated. the wave and earthquake loads applied simultaneously on the soil-monopile system. in the nonlinear behavior modeling for sandy soils, effects of the stiffness, permeability, dilation, and potential of soil compaction on system responses are included. studies have shown that wave can be affected on the seismic responses of monopile significantly, in addition to amplification of monopile, rotation, shear force and bending moment, can change the location of maximum moment and shear in monopile.