Effect of Pile-Soil Interaction on Earthquake Behavior and Fragility Curve of Wind Turbines

Öz

The seismic wave reached to the bedrock propagates toward the foundation through the soil above it. While part of the wave reflects back into the soil from the foundation interface, the rest is transmitted into the structure and reflects back to the ground from the top of the structure. This phenomenon interacts both the dynamic behaviors of the structure as well as the soil. This entire phenomenon is referred to as Soil-Structure Interaction (SSI). There are numerous academic studies on SSI. The Turkish Building Earthquake Code (TBEC) includes detailed provisions regarding the seismic analysis of piled foundations considering SSI. In the simplest method adopted by TBEC, piles are modeled as frame elements; nonlinear horizontal and vertical springs are assigned at the nodes of these frame elements to represent the horizontal and vertical resistance of the soil; additionally, a nonlinear vertical spring is assigned at the bottom tip of the pile to represent the vertical resistance of the soil. The horizontal, vertical, and pile-tip resistance of the soil and their relating displacement properties are represented as p-y, t-z, and Q-z, respectively. In this study, the dynamic behavior of a wind turbine with a piled foundation has been examined for the following conditions: i) the case that the nonlinear soil springs described above are used, and ii) the case that the foundation is assumed to be a fixed support. For these two cases, fragility curves based on the lateral displacement of the turbine tower have also been derived. Numerical analyses have revealed that there are significant differences in the internal force demands of the tower, while the difference in the lateral displacement demands of the tower is negligible.

Anahtar Kelimeler

• Soil-structure interaction
• Pile-soil interaction
• Pile foundation
• Wind turbine

Kazık-Zemin Etkileşiminin Rüzgâr Türbinlerinin Deprem Davranışı ve Kırılganlık Eğrisi Üzerindeki Etkisi

Öz

Bir yapı konumunda, taban kayasına ulaşan sismik dalgalar, üstündeki zemin aracılığıyla temele doğru yayılır ve dalganın bir kısmı temel ara yüzünden zemine geri yansırken, diğer bir kısmı ise yapıya iletilir ve yapının tepesinden tekrar zemine yansır. Bu süreç hem zeminin ve hem de yapının dinamik davranış özellikleri ile de etkileşim içerisindedir. Bu olayın tamamına Zemin-Yapı Etkileşimi (ZYE) denilmektedir. ZYE hakkında çok sayıda akademik araştırma mevcuttur. Türkiye Bina Deprem Yönetmeliği (TBDY) kazıklı temellerinin ZYE ile deprem etkisi altında gerçekleştirilen analiziyle ilgili ayrıntılı hükümler içermektedir. TBDY tarafından benimsenen en basit yöntemde, kazıklar çubuk elemanlar olarak modellenir; çubuk elemanların düğüm noktalarına zeminin yatay ve düşey basınçlarını temsilen doğrusal olmayan yatay ve düşey yaylar tanımlanır; ayrıca kazığın alt ucuna zeminin düşey basıncını temsilen doğrusal olmayan düşey yay tanımlanır. Zeminin yatay, düşey ve kazık uç direnci için basınç-yerdeğiştirme ilişkisi sırasıyla p-y, t-z ve Q-z ile gösterilir. Bu çalışmada, kazıklı temele sahip bir rüzgâr türbininin dinamik davranışı, i) yukarıda açıklanan doğrusal olmayan zemin yaylarının dikkate alındığı ve ii) temelin ankastre mesnet kabul edildiği durumlar için incelenmiştir. Bu iki durum için ayrıca yatay yerdeğiştirmenin esas alındığı kırılganlık eğrileri elde edilmiştir. Yapılan sayısal analizler sonucunda rüzgâr türbini kulesi iç kuvvet istemlerinde önemli sayılabilecek farklılıkların oluştuğu, ancak kulenin yatay yerdeğiştirme istemindeki farkın ihmal edilebilir mertebede olduğu görülmüştür.

Anahtar Kelimeler

• Zemin-yapı etkileşimi
• Kazık-zemin etkileşimi
• Kazıklı temel
• Rüzgâr türbini

Kaynakça

1. API - American Petroleum Institute. 2002. Recommended practice for planning, designing and constructing fixed offshore platforms – working stress design, API- RP 2A-WSD. URL: https://www.api.org/~/media/files/publications/whats%20new/2a-wsd_e22%20pa.pdf (accessed date: March 18, 2024).
2. Asareh MA. 2015. Dynamic behavior of operational wind turbines considering aerodynamic and seismic load interaction, Ph.D. Thesis, Missouri University of Science and Technology, Missouri, USA, pp: 148.
3. Aydınoğlu MN. 2011. Zayıf zeminlerde yapılan binalarda dinamik yapı-kazık-zemin etkileşimi için uygulamaya yönelik bir hesap yöntemi. Boğaziçi Üniversitesi Kandilli Rasathanesi ve Deprem Araştırma Enstitüsü Rapor No. 2011/1, İstanbul, Türkiye, ss: 15.
4. Aydınoğlu MN, Celep UU, Önem G. 2014. A practical method for structure – pile – soil interaction under seismic action. Symposium on Developments and Experiences in Geotechnics, in honour of Prof. Dr. Kutay ÖZAYDIN, Yıldız Technical University, June 2, Istanbul, Türkiye, pp:68.
5. Baker JW. 2015. Efficient analytical fragility function fitting using dynamic structural analysis. Earthquake Spectra. 31(1):579-599.
6. Bildik S, Savaşeri K, Polat ŞŞ, Laman M. 2017. A case study on the investigation of the behavior of piles by kinematic interaction analysis. 7. Geoteknik Sempozyumu, November 22-24, İstanbul, Türkiye, pp: 54.
7. Federal Emergency Management Agency – FEMA. 2009. quantification of building seismic performance factors (FEMA P695, ATC-63). FEMA, Washington, USA, pp: 421.
8. Matlock H. 1970. Correlation for design of laterally loaded piles in soft clay. 2nd Annual Offshore Technology Conference, Paper No. OTC 1204, 31 March–2 April, Houston, Texas, USA, pp: 577-594

9. Mo R, H Kang and M Li. 2017. Seismic fragility analysis of monopile offshore wind turbines under different operational conditions. Energies, 10: 109414.
10. PEER 2024. NGA-West2 Database of Pacific earthquake engineering research center. URL: http://ngawest2.berkeley.edu. (accessed date: March 18, 2024).
11. Polat ŞŞ. 2008. Deformation based seismic design of pile supported marine facilities. Ph.D. Thesis, Boğaziçi University, İstanbul, Türkiye, pp: 148.
12. Reese LC, Cox WR and Koop FD. 1974. Analysis of laterally loaded piles in sand. 6th Offshore Technology Conference, 6–9 May, Paper 2080, Houston, Texas, USA, pp: 473-483.
13. Reese LC, Cox WR and Koop FD. 1975. Field testing and analysis of laterally loaded piles in stiff clay, 7th Offshore Technology Conference, 1-4 May, Paper No. OTC 2321, Houston, Texas, USA, pp: 671-690.
14. SAP2000 V25. 2024. Structural Analysis Program. Computers and Structures, Inc., Berkeley, CA, USA.
15. TBDY 2018. Turkish building seismic code, disaster and emergency management presidency. Republic of Turkey Prime Ministry, Ankara, Türkiye.
16. Vamvatsikos D and Cornell CA. 2002. Incremental dynamic analysis. Earthquake Engin Struct Dynamics 31: 491–514.
17. Welch RC and Reese LC. 1972. Laterally loaded behavior of drilled shafts. Research Report, Center for Highway Research, University of Texas, Austin, USA, pp: 3-5-65-89.