Hồ Mạnh Hùng
Bentley Systems Singapore, Pte. Ltd., Singapore. E-mail: [email protected]
Phùng Đức Long
Hội Cơ Học Đất và Địa Kỹ Thuật Công Trình Việt Nam. E-mail: [email protected]
Năng lượng tái tạo đang phát triển mạnh mẽ ở nhiều nơi trên thế giới nhằm thay thế cho các nguồn năng lượng truyền thống để giảm tác động tới môi trường. Điện gió ngoài khơi (OWT – offshore wind turbines) ngày càng được đầu tư lớn. Trong các loại nền móng cho các dự án OWT, móng cọc đơn đường kính lớn – monopile được sử dụng nhiều nhất và chiếm trên 75% .
Phương pháp tính toán toán cọc chịu tải trọng ngang vẫn dựa nhiều vào phương pháp bán thực nghiệm kể tới phản lực ngang p-y . Tuy vậy phương pháp này phù hợp với các loại cọc mảnh. Gần đây phương pháp tính toán có kể tới nhiều hơn các phản lực tới cọc để phù hợp với cọc monopile nhưng chỉ áp dụng với tải trọng tĩnh. Việc tính toán tải trọng động ngày càng sử dụng nhiều các phương pháp tính FE tuy nhiên khi số lượng tải trọng lặp/ động lớn như sóng hay dòng chảy tác động lên monopile, vẫn là thử thách với đa số các phần mềm hiện nay do thời gian tính toán lớn và độ ổn định. NGI đề xuất phương pháp có thể kể tới ảnh hưởng của tải trọng động trong phân tích bài toán tĩnh khi dùng phương pháp phần tử hữu hạn (FEA) sử dụng mô hình UDCAM (undrained cyclic accumulation model) , có thể giúp tính toán được cho cọc monopile dưới tác động của số lượng lượng tải trọng lặp. Với nền cát có thể sử dụng mô hình thoát nước không hoàn toàn PDCAM (partially drained cyclic accumulation model) (Jostad et al., 2023) .
Mô hình UDCAM được tích hợp trong các phương tính toán dùng phương pháp FE được đề xuất bởi NGI . Dữ liệu đầu vào là tải trọng động và các biểu đồ về đường cong ứng suất hoăc chuyển vị ứng với số lượng tải trọng trọng lặp của nền đất. Các biểu đồ được xây dựng dựa trên ứng xử của mẫu đất không thoát nước dưới tải trọng lặp trong thí nghiệm ba trục (TC) và cắt trực tiếp (DSS). Ứng xử của đất dưới tải trọng động được xây dựng biến dạng cắt trung bình (a) và động (cy) phụ thuộc vào số lượng tải trọng lặp (N), Hình 1. Các biểu đồ đường đồng mức ứng suất (bao gồm ứng suất trung bình a và lặp cy) – biến dạng thể hiện mối liên hệ giữa a, cy, a, cy và N cho thí nghiệm DSS thể hiện ví dụ ở Hình 2.
Lịch sử tải trọng động theo thời gian (load history) được phân tách thành các gói tải trọng ứng với số lượng lặp lại (Hình 3). Để xác định mức độ suy giảm của nền đất dưới tải trọng lặp (cyclic degradation), ảnh hưởng của tải trọng lặp trong lịch sử được quy đổi về số số lượng tải lặp tương đương ứng với mức tải lớn nhất, Neq. Việc xác định Neq được thể hiện bởi Andersen (2015).
Sau khi Neq được xác định, đường cong ứng suất – biến dạng của đất nền cho các trạng thái ứng suất khác nhau, cụ thể nén, kéo và cắt phẳng, sẽ được xác định dựa trên nội suy từ biểu đồ đường đồng mức ứng với số vòng lặp Neq. Các thông số nền đất của mô hình UDCAM sẽ được xác định dựa trên tối ưu đường cong ứng suất biến dạng tính toán với biểu đồ đo đạc được, từ đó phục vụ cho việc tính toán trên mô hình FE 2D hay 3D sau này.
Như vậy việc tính toán tải trọng động được quy về tải trọng tĩnh và được thực hiện bằng phương pháp số FE. Do đó có thể tính toán được số lượng lớn vòng lặp của tải trọng động tác động lên nền móng ngoài khơi, cọc đường kính lớn – monopile. Hiện tại UDCAM-S đã được tích hợp trong PLAXIS 2D/3D , các bước xác định Neq hay xác định thông số UDCAM-S đã được tự động hóa, do vậy việc tính toán trở nên dễ dàng.
Tài liệu tham khảo
American Petroleum Institute, 2003. Recommended Practice for Planning, Designing and Constructing Fixed Offshore Platforms-Working Stress Design API
Andersen, K.H., 2015. Frontiers in offshore geotechnics III, in: The Third ISSMGE McClelland Lecturer. CRC Press.
Bentley Systems, 2020. User Manual of PLAXIS.
Burd, H.J., Taborda, D.M.G., Zdravkovic, L., Abadie, C.N., Byrne, B.W., Houlsby, G.T., Gavin, K.G., Igoe, D.J.P., Jardine, R.J., Martin, C.M., McAdam, R.A., Pedro, antonio M.G., Potts, D.M., 2020a. PISA design model for monopiles for offshore wind turbines: Application to a stiff glacial clay till. Geotechnique 70, 1030–1047. https://doi.org/10.1680/jgeot.18.P.255
Burd, H.J., Taborda, D.M.G., Zdravković, L., Abadie, C.N., Byrne, B.W., Houlsby, G.T., Gavin, K.G., Igoe, D.J.P., Jardine, R.J., Martin, C.M., McAdam, R.A., Pedro, A.M.G., Potts, D.M., 2020b. PISA design model for monopiles for offshore wind turbines application to a marine sand. Geotechnique 70, 1030–1047. https://doi.org/10.1680/jgeot.18.P.255
Byrne, B. W., Burd, H. J., Gavin, K. G., Houlsby, G. T., Jardine, R. J., McAdam, R. A., Martin, C. M., Potts, D. M., Taborda, D. M. G., Zdravkovic, L., 2020. PISA: Recent Developments in Offshore Wind Turbine Monopile Design. Travel Behav Soc 20, 331–347. https://doi.org/10.1007/978-981-13-2306-5
DNV GL, 2016. STANDARD DNV GL AS Support structures for wind turbines.
Doherty, P., Gavin, K., 2012. Laterally loaded monopole design for offshore wind farms. Proceedings of Institution of Civil Engineers: Energy 165, 7–17. https://doi.org/10.1680/ener.11.00003
Jostad, H.P., Grimstad, G., Andersen, K.H., Saue, M., Shin, Y., You, D., 2014. A FE Procedure for Foundation Design of Offshore Structures-Applied to Study a Potential OWT Monopile Foundation in the Korean Western Sea. Geotechnical Engineering Journal of the SEAGS & AGSSEA 45, 63–72.
Jostad, H.P., Liu, H., Sivasithamparam, N., Ragni, R., 2023. Cyclic Capacity of Monopiles in Sand under Partially Drained Conditions: A Numerical Approach. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering 149. https://doi.org/10.1061/jggefk.gteng-10435
Pisanò, F., Del Brocco, I., Ho, H.M., Brasile, S., 2024. 3D FE simulation of PISA monopile field tests at Dunkirk using SANISAND-MS. Geotechnique Letters 14, 1–11. https://doi.org/10.1680/jgele.23.00073
