master in engineering of structures, foundations and...

119
MASTER IN ENGINEERING OF STRUCTURES, FOUNDATIONS AND MATERIALS MASTER'S THESIS INFLUENCE OF SOIL STIFFNESS ON THE DYNAMIC RESPONSE OF AN OFFSHORE WIND TURBINE Rafael Luque Suárez September 2015

Upload: others

Post on 15-Aug-2020

1 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

  

 

 

MASTER IN ENGINEERING OF STRUCTURES, FOUNDATIONS AND MATERIALS

MASTER'S THESIS

 

 

INFLUENCE OF SOIL STIFFNESS ON THE 

DYNAMIC RESPONSE OF AN OFFSHORE WIND 

TURBINE 

 

 

 

 

 

 

 

 

Rafael Luque Suárez 

September 2015 

 

   

   

  

ABSTRACT 

Offshore wind energy  industry has experienced a  significant growth over  the past 15 years, 

and  it  is expected  to continue  its growth  in  the coming years. The expansion  to  increasingly 

deep waters and the rise in power and size of the turbines have led to a need for more reliable 

and optimized  support designs, which  requires an extensive  knowledge of  the behaviour of 

these  structures.  This work  focuses  on  the  dynamic  response  of  an  offshore wind  turbine 

founded on  a monopile  and  subjected  to wind  loading. Different  soil properties have  been 

considered in order to cover the range of stiffness from a very loose to a very dense sand.  In 

this way,  the  influence of stiffness on  the structure behaviour has been assessed. Static and 

dynamic analyses have been carried out by means of a finite element model  implemented  in 

Abaqus. Head displacement and stress at the tower base have been obtained as functions of 

soil stiffness, and they have been used to calculate the dynamic amplification that is produced 

when  the  natural  frequency  of  the  system  soil‐foundation‐tower  approaches  the  load 

frequency. Two different approaches of soil modelling have been compared: soil modelled as a 

continuum and  soil  simulated with non  linear elastic  springs.  Finally, a  reliability analysis  to 

assess the probability of resonance has been performed with an analytical model, in which soil 

stiffness properties are considered as stochastic variables. 

     

RESUMEN 

La industria de la energía eólica marina ha crecido de forma significativa durante los últimos 15 

años, y se espera que siga creciendo durante los siguientes. La construcción de torres en aguas 

cada  vez más profundas  y  el  aumento  en potencia  y  tamaño de  las  turbinas han  creado  la 

necesidad  de  diseñar  estructuras  de  soporte  cada  vez  más  fiables  y  optimizadas,  lo  que 

requiere  un  profundo  conocimiento  de  su  comportamiento.  Este  trabajo  se  centra  en  la 

respuesta dinámica de una  turbina marina  con  cimentación  tipo monopilote  y  sobre  la que 

actúa  la fuerza del viento. Se han realizado cálculos con distintas propiedades del suelo para 

cubrir un  rango de  rigideces que va desde una arena muy  suelta a una muy densa. De este 

modo se ha analizado  la  influencia que tiene  la rigidez del suelo en el comportamiento de  la 

estructura. Se han  llevado a cabo análisis estáticos y dinámicos en un modelo de elementos 

finitos implementado en Abaqus. El desplazamiento en la cabeza de la torre y la tensión en su 

base  se  han  obtenido  en  función  de  la  rigidez  del  suelo,  y  con  ellos  se  ha  calculado  la 

amplificación dinámica producida cuando la frecuencia natural del sistema suelo‐cimentación‐

torre se aproxima a la frecuencia de la carga. Dos diferentes enfoques a la hora de modelizar el 

suelo  se  han  comparado:  uno  utilizando  elementos  continuos  y  otro  utilizando  muelles 

elásticos no  lineales. Por último, un análisis de fiabilidad se ha  llevado a cabo con un modelo 

analítico para calcular la probabilidad de resonancia del sistema, en el que se han considerado 

las propiedades de rigidez del suelo como variables aleatorias. 

 

   

   

  

TABLE OF CONTENTS 

 

1  INTRODUCTION AND PURPOSE .................................................................................................. 1 

2  OFFSHORE WIND TURBINES. OVERVIEW .................................................................................... 3 

2.1  TYPOLOGIES ....................................................................................................................................... 3 

2.2  LOADS ............................................................................................................................................. 13 

2.2.1  Loads on the rotor .............................................................................................................. 13 

2.2.2  Loads on the tower ............................................................................................................. 15 

2.3  NATURAL FREQUENCY AND MODAL ANALYSIS .......................................................................................... 18 

2.4  FAILURE MODES ................................................................................................................................ 21 

2.4.1  Limit States ......................................................................................................................... 21 

2.4.2  Bearing capacity ................................................................................................................. 23 

2.4.3  Examples of failure ............................................................................................................. 25 

2.5  ADVANCED DESIGN ASPECTS ................................................................................................................ 28 

2.5.1  Soil ‐ structure interaction .................................................................................................. 28 

2.5.2  Long term deformations ..................................................................................................... 31 

2.5.3  Probabilistic approach ........................................................................................................ 34 

2.6  SOLUTIONS AND IMPROVEMENTS ......................................................................................................... 35 

2.7  CODES ............................................................................................................................................ 36 

3  CASE OF STUDY ........................................................................................................................ 39 

3.1  INTRODUCTION ................................................................................................................................. 39 

3.2  STRUCTURE AND LOAD PROPERTIES ....................................................................................................... 39 

3.3  SOIL PROPERTIES ............................................................................................................................... 40 

3.4  MODEL DESCRIPTION ......................................................................................................................... 41 

3.5  ANALYSES PERFORMED ....................................................................................................................... 44 

4  RESULTS AND DISCUSSION ....................................................................................................... 53 

4.1  STATIC LOAD .................................................................................................................................... 53 

4.2  FREE OSCILLATION ............................................................................................................................. 54 

4.3  FORCED OSCILLATION ......................................................................................................................... 57 

4.4  P‐Y AND M‐ CURVES ........................................................................................................................ 66 4.5  MODAL ANALYSIS .............................................................................................................................. 72 

4.6  RELIABILITY ANALYSIS ......................................................................................................................... 75 

4.6.1  Montecarlo ......................................................................................................................... 76 

4.6.2  FORM .................................................................................................................................. 81 

5  CONCLUSIONS .......................................................................................................................... 85 

6  REFERENCES ............................................................................................................................. 87 

A.  APPENDIX ................................................................................................................................ 91 

I.  FREE OSCILLATION. DISPLACEMENTS ..................................................................................................... 91 

II.  FORCED OSCILLATION. DISPLACEMENTS ................................................................................................. 97 

III.  FORCED OSCILLATION. STRESSES ......................................................................................................... 103 

IV.  STATIC EQUIVALENT PLASTIC STRAIN. CASE E=20 MPA ........................................................................... 109 

 

LIST OF TABLES AND FIGURES 

 

Table 3.1: Soil Properties 

Table 4.1: Eigen frequencies  

Table 4.2: Comparison of both model results  

Table 4.3: Adjusted distribution functions to Montecarlo sample 

Table 4.4: FORM results 

Figure 2.1: Foundation typologies 

Figure 2.2: Gravity foundation   

Figure 2.3: Installation stages of a suction anchor 

Figure 2.4: Tripod foundation   

Figure 2.5: Jacket foundation   

Figure 2.6: Helical pile 

Figure 2.7: Spudcan foundation 

Figure 2.8: Floating turbines 

Figure 2.9: Vertical axis turbine developed by Vertax   

Figure 2.10: Gust factor   

Figure 2.11: Effect of wind turbulence   

Figure 2.12: Design approaches   

Figure 2.13: Cambell diagram 

Figure 2.14: Grouted connection 

Figure 2.15: Scour hole at Scroby Sands 

Figure 2.16: Soil idealization with springs   

Figure 2.17: P‐y curves 

Figure 2.18: Global foundation stiffness model 

Figure 3.1: Global view of the model   

Figure 3.2: Dynamic load   

Figure 3.3: Equilibrium of forces   

Figure 4.1: Horizontal displacement at the head. Static analysis    

  

Figure 4.2: Horizontal displacement at the head. Free oscillation Case E=20 MPa    

Figure 4.3: Natural frequency    

Figure 4.4: Horizontal displacement at the head. Forced oscillation Case E=10 MPa (f0<)    

Figure 4.5: Horizontal displacement at the head. Forced oscillation Case E=20 MPa (f0=)    

Figure 4.6: Horizontal displacement at the head. Forced oscillation Case E=40 MPa (f0>) 

Figure 4.7: Maximum horizontal displacement at the head. Forced oscillation     

Figure 4.8: Dynamic amplification factor     

Figure 4.9: Stress contour. Case E=20 MPa     

Figure 4.10: Stress history at seabed level. Case E=20 MPa     

Figure 4.11: Stress range at seabed level     

Figure 4.12: P‐y curve at the base of the tower. Case E=20 MPa 

Figure 4.13: M‐ curve at the base of the tower. Case E=20 MPa     

Figure 4.14: Plastic equivalent strain. Case E=20 MPa. Increment 9, F=4000 kN     

Figure 4.15: Normal forces on the pile. Case E20. Increment 3     

Figure 4.16: P‐y curve. Case E=20 MPa. Depth 4.80m     

Figure 4.17: Modes of vibration 

Figure 4.18: Natural frequency distribution         

Figure 4.19: Tested distribution functions     

 

 

   

 

Influence of soil stiffness on the dynamic response of an offshore wind turbine 

 

 

1

 

1 Introductionandpurpose

Offshore wind  energy  industry  has  grown  significantly  over  the  past  15  years, with 

Europe  leading  the  way  in  the  development  of  offshore  wind  farms,  and  it  will 

continue expanding in the coming years. Offshore wind power capacity is expected to 

reach a total of 75 GW worldwide by 2020. 

The need to build wind turbines  in  increasingly deep waters and an  increment  in the 

height  of  the  tower  to  support  more  powerful  turbines  are  two  immediate 

consequences of this growth. In this situation, horizontal loads on the structure caused 

by wind  and waves  are  dominant  factors  in  its  support  design. Due  to  the  variable 

nature of  these  loads, a dynamic analysis  is  required  to predict  the  response of  the 

structure, both in the short and the long term.  

Fatigue damages are critical in these structures and can reduce significantly its life and, 

therefore,  its  profitability.  The  reason  is  that  offshore  structures  are  subjected  to 

millions of loading cycles, whose stress amplitude determines the possible occurrence 

of  damage  on  the material.  This  stress  amplitude  will  be  higher,  due  to  dynamic 

amplification effects, if the excitation frequencies are close to the natural frequency of 

the structure. Therefore,  the dynamic behaviour of  the structure, and particularly  its 

natural frequency, is a crucial factor in the design of a wind turbine support. This factor 

is highly dependent on the stiffness of the foundation and on the characteristics of the 

soil. 

The influence of the foundation on the dynamic behaviour of an offshore wind turbine 

will  be  analyzed  in  this  document.  A  total  of  9  soil  cases with  different  degree  of 

stiffness  have  been  covered.  Static  and  dynamic  analyses  have  been  performed  to 

assess the influence of soil stiffness on displacement, natural frequency and stress on 

the  tower.  Two  different  models  have  been  tested  in  which  the  soil  has  been 

implemented  in  two  different  ways:  as  continuous  elements  in  a  finite  element 

simulation, and as  springs at  the base of  the  tower. Finally, a  reliability analysis has 

been  performed  with  an  analytical  model  to  obtain  the  probability  of  resonance, 

considering soil stiffness properties as stochastic variables. 

The main objectives to be attained by the present study are as follows: 

To review the state of knowledge and summarize the main relevant aspects. 

To define  the values  that geotechnical parameters can  take  in order  to cover 

several degrees of stiffness in a granular soil. 

1. Introduction and purpose

 

 

 

Development  in  Abaqus  of  a  numerical model  of  an  offshore  wind  turbine 

founded on monopile. Such model is subsequently employed to perform static 

and dynamic analyses that illustrate the behaviour of interest. 

To  assess  the  influence  of  soil  stiffness  on  the  natural  frequency  of  the 

structure. 

To  obtain  the  dynamic  amplification  of  the  structure  in  displacements  and 

stresses as a function of soil stiffness. 

To compare the results of two different soil modelling approaches: continuous 

elements and springs   

To estimate the probability of resonance when soil parameters are considered 

as stochastic variables. 

A better understanding of the dynamic response of the structure will lead to optimized 

designs  and more  economical  foundations;  therefore,  they  could  have  a  significant 

economic relevance, as current foundation cost  is usually about 35% of the total cost 

of the structure. Accurate estimations of the deformability of the foundation will allow 

to prevent  large displacements and to reduce maintenance operations or reparations 

of damage caused by excessive tilt, which will also imply a reduction in the shutdowns 

of power generation. Eventually, this will result in an increment of the design life and 

profitability of the wind turbine. 

Influence of soil stiffness on the dynamic response of an offshore wind turbine 

 

 

3

 

2 Offshorewindturbines.Overview

2.1 Typologies

There  are  different  typologies  available  for  offshore  wind  turbines  support.  The 

foundation  has  great  influence  both  on  the  behaviour  and  cost  of  the  structure, 

therefore  the  choice  of  its  typology  is  a  relevant  aspect  in  the  design  process, 

especially with the increase in size and water depth of the latest turbines. The designer 

must take into account, among others, the following factors when choosing a typology: 

size of the turbine, water depth, geotechnical characterization of soil, dominant loads, 

stiffness, dynamic response, cost and building process. 

The main types of foundations for offshore wind turbines are the following:    

Gravity 

Monopile and guyed monopile with tensioned wires 

Suction caisson 

Multipod 

Jacket 

Helical pile 

Spudcan 

Floating 

Vertical axis 

 

 

  

Figure 2.1: Foundation typologies: a) gravity, b) monopile, c) suction caisson, d) multipile, e) multipod caisson structure. (Byrne & Houlsby, 2006)  

2. Offshore Wind turbines. Overview

 

 

 

A brief description of these types is made in the following paragraphs. 

Gravity 

Gravity foundations are characterized by a great plant surface to reduce the unit load 

that  receives.  Its  geometry  is  usually  circular  or  polygonal  in  plant  and  the  most 

common material  is reinforced concrete. These  foundations are constructed onshore 

and  transported  by  ship.  In  some  cases  they  have  hollow modules  to  facilitate  the 

transport,  and  they  are  finally  filled with  ballast  to  reduce  costs.  It  is  necessary  to 

adapt the sea bed before its installation. They are often used with depths less than 20 

meters and begin to be expensive from 10 meters. 

 

 

  

Figure 2.2: Gravity foundation   

 

Monopile 

This is the most common type of foundation at intermediate water depth, 25 ‐ 30m. It 

consists  of  a  steel  tubular pile,  typically  4m or more  in diameter, which  is  installed 

Influence of soil stiffness on the dynamic response of an offshore wind turbine 

 

 

5

 

either by drilling and grouting, or by driving, sometimes by a combination of these two 

methods. It reduces the amount of material that a shallow foundation would need at 

intermediate depths but  the construction process  is more complex.  Its cost  is highly 

dependent on  the necessary equipment  for  the  installation, as well as  the materials. 

This typology has been used at Horns Rev, Denmark, and in several wind farms in UK. 

The size of monopiles is continuously increasing and giant monopiles designs, in up to 

60m water depth, are  currently under  study. Monopiles of 73.5m  length have been 

recently  fabricated  for  Siemens'  turbines  for  the German  Baltic  2  project,  in water 

depths of 23 to 44m. 

Suction caisson 

They are also called suction anchors, suction buckets or skirted foundations. They are 

designed to reduce the cost  increment of gravity  foundations at depths greater than 

10m.  This  foundation  type  is  like  a  large  upturned  bucket,  cylindrical  in  shape with 

larger diameters  than monopiles, 10  ‐ 15m, and  shallower penetration depths. They 

are installed by sinking them down to the seabed and pumping water out of the cavity 

by a pump. When water is pumped, a pressure difference is created and a downward 

hydrostatic force on the top of the caisson pushes the foundation to the design depth. 

The horizontality of the caisson must be controlled during the installation. 

Suction caisson are expected to be suitable for foundations in soft cohesive sediments, 

where they can be easily installed and the drainage conditions allow a suction pressure 

to be developed in the cavity when waves are soliciting the tower. This suction and the 

friction between caisson and soil counteract the uplift force.   

This typology has been used in 2008 at Horns Rev II, Denmark, and in a trial foundation 

of suction caissons at Frederikshavn, Denmark. 

2. Offshore Wind turbines. Overview

 

 

 

  

  

Figure 2.3: Installation stages of a suction anchor (Malhotra, 2011)  

 

Multipod 

As water becomes deeper than 30m and as turbines become larger, monopile designs 

tend to be too expensive to be economically viable, and equally a single caisson would 

be uneconomical. Multiple  footing  is a more attractive  solution, either a  tripod or a 

tetrapod. This typology has a longer mechanical arm and resists the bending moment 

caused by horizontal loads with less material. The feet of the structure can be founded 

either with piles or suction caissons. 

The  foundation supports a simple steel structure, which supports  the  turbine  tower. 

This steel structure allows  to  reduce  the  free  length of  the  tower, which  results  in a 

stiffer structure. This fact can make it easier to meet the dynamic requirements.  

 

Influence of soil stiffness on the dynamic response of an offshore wind turbine 

 

 

7

 

 

  

Figure 2.4: Tripod foundation   

 

Jacket 

This type of foundation, which is used to depths of 60 meters, comes from the offshore 

oil industry. It consists of a lattice structure anchored to the bottom by piles. They are 

transported on barge and  lowered onto previously executed piles. Beatrice offshore 

wind plant, Scotland, provides an example of such facilities. 

These  structures have  little  sensitivity  to  large waves due  to  the  truss  geometry.  In 

addition,  its stiffness minimizes the dynamic amplification of  loads. The tubular  joints 

are stress concentration points and have to be designed carefully to support fatigue. 

2. Offshore Wind turbines. Overview

 

 

 

 

  

Figure 2.5: Jacket foundation   

 

Helical pile 

The helical pile has been used  in onshore  installations when  large  tension capacities 

are  required,  but  its  use  in  offshore  installations  has  not  been  tested  yet.  Recent 

studies  suggest  the  suitability  of  this  typology  for  offshore wind  turbines  (Byrne & 

Houlsby, 2015). 

In a multipod  foundation  the upwind  footing  is probably under a  significant  tension 

load  for  the  ultimate  limit  state.  The  geometry  of  an  helical  pile  can  contribute  to 

support this  load with  less  length than a conventional pile due to the contribution of 

the plates. 

Influence of soil stiffness on the dynamic response of an offshore wind turbine 

 

 

9

 

 

  

Figure 2.6: Helical pile (Byrne & Houlsby, 2015) 

 

Spudcan 

Spudcan foundations are usually used in jack‐up rigs rather than in permanent towers. 

These  structures  are  used  for  oil  and  gas  exploration,  temporary  production  and 

maintenance  work,  or  in  construction  processes  of  offshore  structures,  such  as  

lowering a jacket foundation for a wind turbine. 

The  platform  of  a  jack‐up  unit  is  supported  by  independent  legs,  usually  three  in 

triangular platforms, each resting on a  large  inverted conical footing, which  is known 

as a spudcan. Supdcans are usually circular or polygonal in plant with a shallow conical 

underside  and  a  central  spigot  that  contributes  to  sliding  resistance.  Diameters  of 

more than 20m are usual in the latest designs. 

Spudcans  are  preloaded  before  the  beginning  of  the  jack‐up  operation  by  pumping 

water  into compartments  in  the hull. This preload causes  the spudcans  to penetrate 

into the sea bed until the load is equilibrated by the resistance of the underlying soil. A 

spudcan can penetrate in a soft soil between up to 2 or 3 diameters prior to reaching 

equilibrium. The purpose of preloading  is  to penetrate  the  foundation sufficiently so 

that its bearing capacity exceeds that required during extreme storm loading. 

2. Offshore Wind turbines. Overview

 

 

10 

 

 

  

Figure 2.7: Spudcan foundation (Hossain, Hu, Randolph, & White, 2005)   

 

Floating 

As water  depth  continues  to  increase,  fixed  structures  on  the  seabed  become  very 

expensive or even technically unfeasible. Floating structures are a novel solution which 

is  being  investigated  for  depths  greater  than  100m.  It  consists  of  floating  the wind 

turbine and fixing its position by cables which are anchored to the seabed. 

Floating platforms can be divided  into  three main categories based on  their strategy 

used to achieve static stability: 

1. Ballast stabiliser ‐ SPAR: Stability is achieved by using ballast weights positioned 

in  the  lower  part  of  a  buoyancy  tank, which  creates  a  righting moment  and 

inertial resistance to pitch and roll motions. 

2. Mooring  lines  stabiliser  –  Tension  Leg  Platform  (TLP):  Stability  is  achieved 

through the use of mooring line tension. 

3. Buoyancy stabiliser ‐ FLOAT: Stability is achieved through the use of distributed 

buoyancy, taking advantage of weighted water plane area for righting moment. 

Influence of soil stiffness on the dynamic response of an offshore wind turbine 

 

 

11

 

 

  

Figure 2.8: Floating turbines (Breton & Moe, 2009)   

 

Vertical axis 

This  is not a foundation  itself but a kind of turbine with a different configuration and 

therefore with different solicitations  in  its  foundation.  In a vertical axis wind  turbine 

the axis of rotation  is perpendicular to the ground. They are always aligned with the 

wind,  so  they  do  not  need  and  adjustment  when  the  wind  direction  changes.  In 

onshore  installations, the mechanical power generation equipment can be  located at 

ground level, which makes easier its maintenance. They are not self‐starting currently, 

so they require an outside power source to start the turbine.  

Offshore  floating vertical axis wind  turbines have been studied  in  the  Inflow project, 

which started in 2009 financed by the European Union.  

 

2. Offshore Wind turbines. Overview

 

 

12 

 

 

 

Figure 2.9: Vertical axis turbine developed by Vertax   

 

   

Influence of soil stiffness on the dynamic response of an offshore wind turbine 

 

 

13

 

2.2 Loads

Wind  turbines  are exposed  to  very  specific  actions. Due  to  the  stochastic nature of 

wind  and  waves,  loads  are  variable  and  difficult  to  predict.  In  addition,  structural 

components  and  ground  are  subjected  to  fatigue, which  is  a  critical  state  in  these 

structures.  The  effect  is more  critical  in  large wind  turbines:  by  increasing  its  size, 

complex aeroelastic  interactions are  created,  vibrations and  resonances are  induced 

and  they may  produce  dynamic  load  amplification. A  description  of  the main  loads 

which act in the rotor and tower is made in the next paragraphs. 

2.2.1 Loadsontherotor

The  forces  acting  on  the  rotor  are  attributable  to  the wind  and  the weight  of  the 

structure.  They  can  be  classified  according  to  their  temporary  effect  in  relation  to 

rotation of the rotor: 

Aerodynamic  loads  of  constant  winds  and  centrifugal  forces  that  generate 

stationary  loads  independent  of  time  as  long  as  the  rotor  turns  at  constant 

speed. 

Stationary  fields but spatially uneven  in  the path of  the blades, which create 

cyclical loads when the rotor is turning: 

o The wind  flow produces variable  loads according  to  the  revolution of 

the  rotor,  since  the  wind  strikes  the  blades  asymmetrically.  An 

inevitable asymmetry is due to the increase in wind speed with height: 

During each revolution,  the rotor blades are subjected to higher wind 

speeds in the upper part, and therefore to higher loads than the sector 

closets to the ground. 

o A similar asymmetry is caused by crossed winds which occur with rapid 

changes in wind direction. 

The  inertia  forces  due  to  the  dead  weight  of  the  rotor  blades  also  cause 

periodic  loads.  Furthermore,  the  gyroscopic  loads  that  occur  with  rotor 

orientation also vary depending on the number of revolutions of the rotor. As 

a result of gravity, the blade has a variable bending which changes according to 

the angle, thus being an important source of fatigue. 

In addition to the  fixed and cyclic  loads, the rotor  is exposed to non periodic 

loads, highly variable in magnitude and space, caused by wind turbulence. This 

turbulence contributes to fatigue, particularly of the rotor blades.  In order to 

consider different wind speeds, gust factors can be specified depending on the 

duration  of  the  gust.  The  frequency  of  occurrence  can  be  related  to  the 

average speed and the gust factor. 

The  following  figures  show  the  gust  factor  and  the  influence of wind  turbulence on 

dynamic  loading  in a specific wind turbine. The bending of the blades  is calculated  in 

2. Offshore Wind turbines. Overview

 

 

14 

 

two  different  analysis:  ignoring  turbulence  (dashed  line)  and  including  the  effect  of 

turbulence  (solid  line).  The  values  of  deflection  are  almost  double  due  to  wind 

turbulence.  

 

  

Figure 2.10: Gust factor   

 

 

  

Figure 2.11: Effect of wind turbulence   

 

Influence of soil stiffness on the dynamic response of an offshore wind turbine 

 

 

15

 

2.2.2 Loadsonthetower

The  forces  on  the  shaft  of  the  turbine  are  due  to  environmental  actions.  Two  

conditions can be distinguished depending of  their probability of occurrence: service 

conditions, which are expected  to occur often, and extreme conditions, which occur 

rarely during the life of the structure. The design loads of the structure will be different 

in each condition. A description of the main  loads acting on the tower of an offshore 

wind turbine is made in the following paragraphs. 

Swell 

The  swell  is usually  considered  together with  the  flow and  it affects  the part of  the 

structure that is located below the height of the incident waves. 

Waves are irregular in shape, varying in height, length, speed and frequency, and they 

can act in different directions simultaneously. 'Sea States' can be used to characterized 

the  swell with  stochastic models,  that  is, as a  superposition of components, each of 

which  is a periodic wave with amplitude, frequency and direction of propagation and 

there  are  random  phase  relationships  between  them.  A  design  sea  state must  be 

described by a wave spectrum, a significant wave height, a spectral frequency related 

to a peak period and a mean wave direction. 

It can be used either real or periodic waves as an abstraction of a real sea for design. A 

deterministic design must specify wave height, period and direction. 

Wind 

Wind exerts  considerable efforts  in every part of  the  structure  above  the  sea  level. 

Wind  speed  is  classified  into  gusts  under  a minute  duration  and  in wind  velocities 

which  are  extended  along  a minute  or more,  normally  10 minutes.   Wind  data  are 

fitted  into a reference height, typically 10 meters above the mean sea  level, by using 

wind profiles. Mean wind velocity increase with height and instant speed varies around 

the average value due to turbulences. Wind shear is lower in offshore turbines than in 

onshore ones, due to the lower roughness of the sea. 

Tide 

Tides  can  be  classified  in  astronomical,  wind  tides  and  tides  caused  by  pressure 

gradients. The  latter two are usually considered together and are called storm surge. 

The sum of these three is called storm tide. 

Tides are considered indirectly when designing a marine structure because they affect 

both ocean currents and sea level. 

Currents 

2. Offshore Wind turbines. Overview

 

 

16 

 

Although currents are usually variable in space and time, they are generally considered 

as a  flow with constant speed and direction, varying only with depth. There are  four 

types of currents: 

Wind generated currents 

Tidal currents 

Subsurface currents 

Near shore currents 

Ice 

When wind turbines are projected in an area where water can freeze or where ice can 

come adrift, this factor must be considered and it must be taken into account aspects 

such as geometry and nature of the ice, its concentration and distribution, type of ice, 

mechanical properties, velocity, direction of drift and the probability of encountering 

icebergs. 

Other conditions 

It is essential to collect any additional environmental information available, as it would 

be  the  salinity  of water,  seismicity  of  the  area,  temperature  and  so  on.  These  are 

factors that may be involved in some aspects of the design. 

2.2.2.1 Morrisonequation

The  dynamic  wave  analysis  is  indicated  when  the  foundation  of  the  wind  turbine 

allows large movements of the structure with respect to the sea, as it is the case of a 

floating structure, or when  loads are close to the natural  frequency of the structure. 

Moreover,  the  natural  frequency  of  the  structure  has  to  be  fitted  between  the 

frequency of the rotor, 1P, and the frequency of the blades, 2P or 3P, and sometimes 

wave frequencies are in this interval and therefore could be near the natural frequency 

of  the  structure. This  is a determining  factor  in  the  fatigue analysis of  the  structure 

because  the  stress  amplitude  of  each  cycle  is  larger  if  the  natural  and  excitation 

frequencies are similar. 

The force caused by waves on the shaft of the turbine  is time dependent and can be 

obtained with the Morrison equation: 

 

Where: 

Influence of soil stiffness on the dynamic response of an offshore wind turbine 

 

 

17

 

, ′:  Components  of  the  velocities  of  tower  and water  due  to  currents  and waves 

normal to the cylinder axis. 

, ′: Components of the accelerations of tower and water normal to the cylinder axis. 

: Water density 

D: Effective diameter, including marine growth. 

Cd: Drag coefficient 

Cm: Inertia coefficient 

d, (t): Limit values of water and wave depth integration 

2.2.2.2 Characterizationofwindload

Wind actions on  the structure are  time dependent and cause pressure acting on  the 

surface and producing normal forces. The overall response of the structure to wind can 

be  considered  as  a  superposition  of  a  quasi‐static  'background'  component  and  a 

'resonant' component due to the excitation of the natural frequencies. In the turbines, 

the resonant effect of wind is given by the rotation of the blades. The symmetry of the 

support structure allows not to take into account directionality, however, according to 

UNE ENV1991‐2‐4, the following  instability dynamic phenomena must be considered: 

vortex shedding, galloping, flutter, divergence, interference galloping. 

The basic wind pressure is defined by the following equation: 

 

Where: 

a: Air density 

Cs: Shape coefficient 

Vt,z: Mean wind velocity during a period T and z meters over the mean sea level 

 Vertical angle between wind direction and cylindrical axis. 

   

2. Offshore Wind turbines. Overview

 

 

18 

 

2.3 Naturalfrequencyandmodalanalysis

The response of an offshore wind turbine to wind and wave loads is highly dependent 

on  the  natural  frequency  of  the  system  hub‐tower‐foundation,  due  to  the  dynamic 

nature of  these  loads and  the  slenderness of  the  system. The natural  frequency will 

determine the stress and strain amplitudes produced by  loading cycles, which  in turn 

determine the fatigue failure of the structure. Therefore, an accurate estimation of this 

parameter is essential to assess the working life of a wind turbine. 

In order  to avoid  resonance,  the natural  frequency of  the system and  the main  load 

frequency must be  far enough  from each other. The most  repetitive  load of a wind 

turbine is that generated by mass imbalances in the rotor, whose frequency is usually 

called '1P'. The shadowing effect of wind is also related to this frequency: each time a 

blade passes  the  tower,  the wind  force stop pushing directly on  it. The  frequency of 

this effect  is n*P,  'n' being  the number of blades  in  the  turbine, which  is 3  in most 

cases. Therefore, the natural frequency of the tower must be far from 1P and 3P. 

The rotor of modern wind turbines does not operate at constant velocity but in a range 

of different velocities, therefore, there are two ranges of operating frequencies around 

1P and 3P. The natural frequency of the tower cannot be  in any of these two ranges. 

There are three classical approaches to classify the design of a wind turbine structure 

according to its natural frequency, the frequency 'P' of the rotor and frequency '3P' of 

the blades: 

Soft‐Soft: The natural frequency  is less than  '1P'. This  implies a high flexibility of  the  structure.  Furthermore,  the  frequency of waves  is usually within  this range, which can lead to resonance. 

Soft‐Stiff:  The  tower  frequency  lies  between  1P  and  3P.  This  is  the  most common design. 

Stiff‐Stiff: The tower frequency is higher than the passing blade frequency 3P. This leads to very stiff and therefore expensive foundations. 

The next  figure  illustrates  the possible design approaches depending on  the value of 

the  natural  frequency  (Bhattacharya,  2014).  The  figure  also  refers  to  possible  long 

term  changes  in  the natural  frequency  caused by  soil hardening or  softening under 

cyclic  loading. Although  these  considerations  are  outside  the  scope  of  this  study,  it 

basically means  that  if  the  soil has  a hardening  trend,  the natural  frequency of  the 

system will increase with time, therefore, its design value should be lower. In the case 

of  softening,  the design  value of  the natural  frequency  should be higher  and  it will 

decrease with time.  

 

Influence of soil stiffness on the dynamic response of an offshore wind turbine 

 

 

19

 

 

 

Figure 2.12: Design approaches   

 

In the last figure, the dash line shows the 10% increment of the ranges 1P and 3P that 

suggests  the DNV  code  (2014).  It  can  be  deduced  from  the  figure  that  the  natural 

frequency of an offshore wind turbine has to be  fitted  into a narrow range of values 

and,  therefore,  has  to  be  determined  accurately.  For  a  soft‐stiff  configuration,  the 

Cambell diagram can be used to illustrate the safe region o a wind turbine tower (L. V. 

Andersen, Vahdatirad, Sichani, & Sørensen, 2012): 

  

2. Offshore Wind turbines. Overview

 

 

20 

 

 

 

Figure 2.13: Cambell diagram (L. V. Andersen et al., 2012)   

 

The  blue  and  green  lines  represent  the  frequencies  1P  and  3P  respectively, which 

depend on  the velocity of  the  rotor. The  red  line  is  the natural  frequency of a given 

tower  and  the  two  vertical  black  lines  represents  the  minimum  and  maximum 

operation velocities of the rotor. The design  is safe  if the red  line does not cross the 

green  or  blue  line  between  the  two  black  lines,  that  is,  if  the  natural  frequency  is 

always different from 1P or 3P in the operation range.  

The way  to  calculate  the  natural  frequency  of  a  system  is  to  solve  the  eigenvalue 

problem associated with  the motion equation of  the  system.  In  the  case of a  linear 

system,  the displacement  is defined by  the  following differential equation  (Clough & 

Penzien, 1975): 

∙ ∙ ∙  

Where: 

M: Mass matrix 

U: Displacement vector 

Influence of soil stiffness on the dynamic response of an offshore wind turbine 

 

 

21

 

C: Damping matrix 

K: Stiffness matrix 

F: External forces vector 

In  the  particular  case  of  zero  damping,  the  free  vibration  problem  considering  the 

common  hypothesis  of  an  harmonic  solution,  U=A*sin(t+),  can  be  expressed  as follows: 

∙ ∙ ∙  

∙ ∙1∙  

The equation above is the eigenvalue problem for the matrix K‐1*M. For a n‐degree of 

freedoms  system,  there  are  n  number  of  modes,  each  one  with  a  frequency  of 

vibration. The lowest frequency is called the natural frequency of the structure. If the 

system  is  linear, which  implies  that all elements of  the stiffness matrix are constant, 

and  the  stiffness matrix  is  symmetrical,  the  solution of  the  forced vibration problem 

can be expressed as a superposition of the vibration modes: 

∑ ∅ ∗      for i =1,...n 

Where: 

∅ : Mode shape coordinate representing the position of the i‐mass in the j‐node. 

  : Generalized  coordinate  representing  the  variation of  the  response  in mode  j 

with time. 

When the system is very big, the solution obtained by modal superposition stops to be 

reliable. In most common structures, the solution can be expressed accurately enough 

with a few modes of vibration. 

2.4 Failuremodes

2.4.1 LimitStates

The main  limit states which have to be analyzed  in an offshore wind  turbine are the 

following: 

Ultimate Limit State (ULS). 

Fatigue Limit State (FLS). 

Accidental Limit State (ALS).  

Serviceability Limit State (SLS). 

2. Offshore Wind turbines. Overview

 

 

22 

 

The  Ultimate  Limit  State  refers  to  the  capacity  of  the  foundation  to  resist  the 

maximum  load.  It  is necessary to analyze the critical combination of moment,  lateral 

and  axial  load,  which  gives  the  failure  envelope  of  the  foundation.  Although  it  is 

necessary to study each case, the maximum  load  is usually caused by waves during a 

storm.  In  this  situation  the  power  production  is  stopped  in  order  to  reduce  the 

maximum  load  caused  by wind.  Therefore  the wind  forces  on  blades  are  of minor 

importance in this state. The DNV gives the following examples of ULS failures: 

Loss of structural resistance (excessive yielding and buckling). 

Failure of components due to brittle fracture. 

Loss  of  static  equilibrium  of  the  structure,  or  of  a  part  of  the  structure, 

considered as a rigid body, e.g. overturning or capsizing. 

Failure  of  critical  components  of  the  structure  caused  by  exceeding  the 

ultimate resistance (which in some cases is reduced due to repetitive loading) 

or the ultimate deformation of the components. 

Transformation  of  the  structure  into  a  mechanism  (collapse  or  excessive 

deformation). 

The Fatigue Limit State is the failure due to the effect of cyclic loading. Most loads that 

excite wind tower turbines are cyclic, such as rotation of blades, wind or waves; so the 

structure  is affected by repetitive cycles of  load. The repetition of these cycles, which 

can be about N=108 throughout the life of a wind turbine, reduces the resistance of the 

structure.  The  damage  caused  by  fatigue  is  highly  dependent  on  stress  amplitude, 

which  is  affected  by  the  natural  frequency  of  the  system  tower‐foundation.  If  the 

excitation  frequency  is  close  to  the  natural  frequency  of  the  structure,  the  stress 

amplitude of the load cycles is larger, therefore it is necessary to take into account the 

dynamics  effects.  The  stiffness  of  the  foundation  plays  a  fundamental  role  in  the 

mitigation or amplification of the dynamics effects. 

The  Accidental  Limit  State  corresponds  to  maximum  load‐carrying  capacity  for 

accidental loads or post‐accidental integrity for damaged structures. Some examples of 

ALS are the following: 

Structural damage caused by accidental loads. 

Ultimate resistance of damaged structures. 

Loss of structural integrity after local damage. 

The Serviceability Limit State gives  the  tolerance criteria applicable  to normal use. A 

critical aspect  in this state  is the tilt at the hub  level over the  life of the structure. To 

obtain it, it is necessary to calculate with a certain degree of reliability the settlement 

and inclination of the foundation. Usually, the tilt criterion is very exigent and leads to 

a design with a very stiff foundation, which increases its cost, this being about 35% of 

Influence of soil stiffness on the dynamic response of an offshore wind turbine 

 

 

23

 

the cost of  the  structure. A  full understanding of  the behaviour of  the  foundation  is 

necessary  in  order  to  optimize  the  design  of  the  system.  The  DNV  code  gives  the 

following examples of SLS: 

Deflections that may alter the effect of the acting forces. 

Deformations  that may  change  the  distribution  of  loads  between  supported 

rigid objects and the supporting structure. 

Excessive  vibrations  producing  discomfort  or  affecting  non‐structural 

components. 

Motions that exceed the limitation of equipment. 

Differential settlements of foundations soils causing intolerable tilt of the wind 

turbine. 

Temperature‐induced deformations. 

Taking into account the previous Limit States, the following design aspects have to be 

considered in the design of a wind tower foundation: 

Capacity. Critical in ULS and ALS. 

Stiffness and deformation. Critical in SLS and FLS. 

Long term repetition of cycles, up to N=108. Critical in FSL. 

2.4.2 Bearingcapacity

The most  critical  aspect  in  the  Ultimate  and  Accidental  Limit  States  is  the  bearing 

capacity of the foundation, especially in shallow foundations. They have some specific 

particularities  that  must  be  taken  into  account  in  the  design.  In  the  following 

paragraphs, some of these aspects will be described briefly. 

In  general,  there  are  two  situations  that  have  to  be  studied  depending  on  the  soil 

conditions: 

Undrained clays 

Fully or partially drained conditions in sands (depends on permeability) 

The  bearing  capacity  and  failure  envelopes  for  combined  loading  of  a  skirted 

foundation, considering  that  shear  strength varies with depth, have been  studied by 

Gourvenec and Randolph (2003). They concluded that in the plane V:H, with M=0, the 

shape  of  the  failure  envelope  is  independent  of  the  foundation  geometry  or  the 

degree of non homogeneity.  In the plane V:M, with H=0, they  found a simple power 

law  relationship with  the non homogeneity  ratio. However,  in  the plane H:M, where 

the failure envelope is asymmetric, they did not find a simple relationship. 

An  undrained  failure  envelope  was  studied  lately  by  some  of  these  authors, 

considering  general  3D  loading  and  shear  strength  heterogeneity  (Gourvenec  & 

2. Offshore Wind turbines. Overview

 

 

24 

 

Barnett, 2011). The authors proposed closed form expressions to predict the ultimate 

limit states V‐H‐M that provides the apex points of the failure envelope and the shape 

of  the  normalized  envelope.  The  size  and  shape  of  the  envelope  depends  on  load 

combination, embedment ratio and degree of soil strength heterogeneity. 

A six degree of  freedom model based on work hardening plasticity models has been 

developed  to  study  the  response of  shallow  foundations  to general  loading  (Bienen, 

Byrne,  Houlsby,  &  Cassidy,  2006).  This  model  provides  the  yield  surface,  plastic 

potential expressions, a hardening  law and  the elastic stiffness derived  from unload‐

reload loops of load. 

Andersen  (2009)  studied  the behaviour of  soils under cyclic  loading  in both offshore 

and  onshore  structures. He  observed  that  the  cyclic  shear  strength  and  the  failure 

mode under cyclic loading depend strongly on the strength path and the combination 

of average and cyclic shear stresses. Andersen concluded that the foundation capacity 

under  cyclic  loading  can  be  determined  on  the  basis  of  cyclic  shear  strength 

determined in laboratory tests.      

For  a  suction  caisson  there  are  two  states which must  be  analyzed,  each  one with 

different load configuration: 

Installation 

Service 

In the  installation stage  it  is necessary to estimate the self weight penetration of the 

caisson and  the suction  required. These  two parameters can be calculated  from CPT 

data and caisson geometry by using a model based on measured data (Houlsby, Ibsen, 

&  Byrne,  2005).  The  horizontality  of  the  caisson  during  the  installation  can  be 

controlled by dividing the caisson  in two section and measuring the pressure  in each 

one. 

The  cavity  depth  in  spudcan  foundations  during  the  penetration  stage  is  a  critical 

parameter and can trigger a soil  flow  failure. The cavity depth  is  limited then by this 

failure,  which  can  be  more  restrictive  than  the  wall  failure  incorporated  in  the 

guidelines, that is, collapse of the vertical sides of the soil (Hossain et al., 2005).    

Houlsby et al.  (2005) carried out  laboratory model  testing, centrifuge model  testing, 

field trials at reduced scale and a full scale installation of an offshore wind tower. From 

these experiments they developed plasticity based models to represent the behaviour 

of monopod and  tetrapod  caisson  foundations under  cyclic  loading. They  concluded 

that stiffness and fatigue are as important for turbine design as ultimate capacity. They 

also  observed  a  stiffness  reduction  and  an  increase  in  hysteresis  when  the  load 

amplitude, either vertical or moment, increases. 

Influence of soil stiffness on the dynamic response of an offshore wind turbine 

 

 

25

 

In multipod caisson foundations the uplift capacity  is a relevant parameter. A reliable 

understanding of  the  tensile  capacity  can  reduce  the  separation between  foots  and 

therefore  the  size  of  the  foundation.  Centrifuge  tests  conducted  under  undrained 

conditions  have  been  carried  out  to  study  the  relationship  between  peak  uplift 

resistance, embedment ratio, state of the skirt‐soil interface, displacement and loss of 

suction  (Mana, Gourvenec, & Randolph, 2013). They  concluded  that peak undrained 

uplift resistance  is mobilized at displacements between 2% and 5% of the foundation 

diameter, increasing with the embedment ratio.  

2.4.3 Examplesoffailure

A  failure detected  in several offshore wind  turbines with monopile  foundation  is  the 

displacement of  the  transition piece. This piece  is usually  located at sea water  level, 

between  the  turbine  steel  tower and  the monopile. The  link between  the  transition 

piece and the monopile is called the grouted connection, which is showed in the next 

figure: 

 

  

Figure 2.14: Grouted connection (Löhning, Voßbeck, & Kelm, 2013) 

 

A  failure  in  the grouted connection has been detected  in hundreds of offshore wind 

turbines  all  over  Europe,  several  years  after  construction.  The  transition  piece  slid 

several  centimetres  and  this  settlement  had  to  be  stopped  by  temporary  brackets 

2. Offshore Wind turbines. Overview

 

 

26 

 

(Löhning et al., 2013). The  repetition of cycles of bending moment  is believed  to be 

one of the main reasons of this failure. The stress amplitude of these cycles is a critical 

parameter to analyze the fatigue failure of the grouted connection. 

A very restrictive parameter in a wind turbine is the tilt of the tower. Predictions show 

that  cyclic  displacements  could  be  two  to  five  times  the  static  single  load  values, 

depending on the pile size, stiffness and depth. Therefore, to estimate the tilt of the 

tower along its whole life it is necessary to analyze the long term displacement under 

cyclic  loading. The usual  limit criteria for the tilt  is 0.25°, although there  is  little to no 

monitoring of  lateral movement  in existing turbines to justify this criterion. A rational 

analysis of the operational limits of the turbine could lead to a less restrictive tilt limit 

and therefore to a reduction in the foundation size (Golightly, 2014).   

The erosion of the sea bead around an offshore structure caused by waves or currents 

is called scour. A sinking in the scour protection was observed at Horns Rev 1 Offshore 

Wind Farm, Denmark. This farm was  installed  in 2002 and a survey  in 2005 showed a 

sinking of  the  scour protection  adjacent  to  the piles up  to 1.5m  (Nielsen,  Sumer, & 

Petersen, 2014). 

The next  figure  shows a  scour hole measured at Scroby Sands Offshore Wind Farm, 

east coast England: 

 

 

Figure 2.15: Scour hole at Scroby Sands (Whitehouse, Harris, Sutherland, & Rees, 2011)  

 

The scour can affect the following three main areas of an offshore wind turbine (J Van 

der Tempel, Zaaijer, & Subroto, 2004): 

Influence of soil stiffness on the dynamic response of an offshore wind turbine 

 

 

27

 

Foundation length 

Natural frequency 

J‐tube 

When scour occurs, the effective length of the foundation decreases. The resistance of 

the upper layers of soil is removed and the overburden pressure around the lower part 

of the pile is reduced. Therefore, scour can affect the bearing capacity of the pile. 

Scour has also impact on the natural frequency of the structure, which decreases with 

an increasing scour depth. This reduction in the natural frequency implies a reduction 

in the stiffness, which can affect the stress range and the fatigue damage.   

The J‐tube  is used to support the power cable from the turbine to the seabed. When 

scour  occurs,  the  J‐tube  could  be  free  spanning  over  the  scour  hole,  which  could 

damage the power cable. 

In deep waters the wall thickness of a monopile is conditioned by the buckling failure. 

De Vries and Krolis  (2007) have  studied  the buckling of a  section at  the mud  line  in 

several  offshore  wind  turbines  in  water  depths  ranging  from  20  to  50m.  They 

concluded  that  the  mass  of  the  support  structure  increases  dramatically  with 

increasing water depth. A ratio of the wall thickness and the diameter of the monopile 

of 1:80 is a good initial estimate.  

A possible  failure  in  a multipod  foundation  is  the uplift of one of  the  legs due  to  a 

lateral  load.  In a monopod  foundation, the uplift capacity  is also mobilized  in part of 

the  section  to  resist  a  strong  bending moment.  In  the  particular  case  of  a  skirted 

foundation, a negative excess pore pressure can be generated between the foundation 

top  plate  and  the  confined  soil  plug  during  undrained  uplift,  allowing  reverse  end 

bearing  capacity  to  be mobilized.  A  possible  failure  in  this  situation  is  the  loss  of 

suction under  the  top plate.  In order  to avoid  this,  it  is necessary  to determine  the 

minimum skirt depth  to  foundation diameter embedment ratio  required  to generate 

negative  excess  pore  pressure  under  the  top  cap.  It  is  also  important  to  determine 

over  what  duration  the  negative  excess  pore  pressure  can  be  sustained  (Mana, 

Gourvenec, Randolph, & Hossain, 2012). 

In  the case of spudcan  foundations, most codes consider  the  instability of  the cavity 

walls during the penetration stage, which limits the depth of the foundation. However, 

a more critical failure during the penetration stage  is the soil flow failure (Hossain et 

al., 2005). The soil back flow into the cavity can occur due to:  

Plastic flow around the spudcan edge 

Collapse of the vertical cavity walls into the hole 

A combination of these 

2. Offshore Wind turbines. Overview

 

 

28 

 

Liquefaction  is  a  phenomenon  that  produces  a  drastic  reduction  in  the  effective 

pressure of the soil due to an increase in the pore pressure. De Groot, Kudella, Meijers 

and Oumeraci (2006) studied the phenomenon of  liquefaction  in structures subjected 

to wave loads. They considered four types of failures: 

Liquefaction flow failure 

Stepwise liquefaction failure 

Stepwise failure 

Wobble failure 

The most spectacular failure type is the liquefaction flow failure. This is only possible in 

the case of a subsoil of very loose sand or silt combined with a low drainage potential, 

for example by the presence of a clay  layer or  large structure dimensions. The other 

three  failures are more  likely  to occur  in other conditions. Their  relevance  increases 

with decreasing relative density and decreasing drainage potential. 

Other particular situations that must be considered are the following: 

Backward rotation or self healing. Recovering of rotation by cyclic loading after 

a huge load. 

Lateral  spread  potential.  Horizontal  displacement  of  soil  at  seabed  due  to 

liquefaction. 

Pile  driveability  and  hammer  performance.  Behaviour  of  the  pile  during 

installation. 

Corrosion. 

Transportation conditions. 

2.5 Advanceddesignaspects

2.5.1 Soil‐structureinteraction

When  the deformations  that are produced at  foundation  level are  relevant and  can 

change the behaviour of the system, it is necessary to take into account the interaction 

between soil and foundation, that is, how the deformability of soil affects the response 

of the structure. The traditional approach is to model the soil as springs whose forces 

are applied at discrete points. The original concept of a beam on a elastic foundation 

was  proposed  by Winkler  in  1867  and  has  been  has  been  adapted  and  applied  to 

specific problems by several authors (Broms, 1964; Davisson, 1970; Matlock & Reese, 

1960). 

Influence of soil stiffness on the dynamic response of an offshore wind turbine 

 

 

29

 

The following figure shows the scheme of these kinds of models  in a  laterally  loaded 

pile: 

 

 

 

Figure 2.16: Soil idealization with springs   

 

In  structure  engineering,  springs  are  usually  characterized  by  a  constant  stiffness, 

which represents  the relation between  force and displacement: k=F/x.  In  the case of 

soils, the relation between  force and displacement  is not always constant, therefore, 

the stiffness of springs modelling soil depends on the displacement of the spring. The 

relation between the soil lateral resistance force and the displacement is called the P‐y 

curve. The following figure shows the P‐y curves of a laterally loaded pile: 

 

2. Offshore Wind turbines. Overview

 

 

30 

 

 

  

Figure 2.17: P‐y curves (DNV, 1992)   

 

The P‐y curves are different at each depth, given that soil deformability changes with 

depth and confinement. Therefore, each spring has associated a different curve P‐y. As 

the depth  increases,  the  stiffness of  the curve  is higher. The concept of P‐y curve  is 

associated with  lateral displacement, but can be also extended to the others degrees 

of  freedom. Thereby,  t‐z  curve  relates  the  tangential  force at  the pile  shaft and  the 

vertical  displacement;  and  Q‐z  curve  relates  the  vertical  force  at  pile  tip  and  the 

vertical displacement. 

Instead  of modelling  the  surrounding  soil  of  the  pile with  a  distribution  of  several 

springs, the whole system foundation soil can be substituted by springs at the base of 

the tower for each degree of freedom. The curves that represent the relation between 

force or moment and displacement or rotation are called global stiffness curves. The 

following figure shows an example of this kind of model: 

   

 

Influence of soil stiffness on the dynamic response of an offshore wind turbine 

 

 

31

 

 

  

Figure 2.18: Global foundation stiffness model (Adhikari & Bhattacharya, 2012)   

 

Modelling  the  soil  as  a  three  dimensional  continuous  element  is  an  alternative 

approach to the springs. This concept was originally developed by Poulos (1971), and 

was extended later to introduce soil non linearity and yield criterion (Budhu & Davies, 

1988; Poulos, 1973). These methods are not so extended as  the P‐y curves, because 

they involve more calculations and do not provide single and practical steps to obtain 

foundation  displacements.  Nowadays,  the  most  versatile  method  based  on  soil 

continuous  elements  is  the  finite  element method, which  allows  to  analyze  a wide 

range of soil behaviour. 

2.5.2 Longtermdeformations

The guidelines published by Germanischer Lloyd demand an analysis of both short and 

long  term  soil‐structure  interaction  under  cyclic  loading,  although  the methods  and  

extent  for  analysis  are not  specified.  They  recommend  to use experience  from past 

projects,  however,  this  information  is  missing  in  the  case  of  new  offshore  wind 

turbines, whose diameter and depth are steadily increasing. 

Byrne and Houlsby  (2000) proposed a model based on continuous hyperplasticity  to 

describe  the  cyclic  loading  behaviour  of  a  suction  caisson  on  sand.  In  essence  the 

theory  replaces  the plastic  strain  in  conventional plasticity  theory with a  continuous 

field of an  infinite number of plastic  strain components, each one associated with a 

separate yield surface. 

2. Offshore Wind turbines. Overview

 

 

32 

 

The  High‐Cycle  Accumulation  (HCA)  model  for  sand  (Niemunis,  Wichtmann,  & 

Triantafyllidis, 2005) quantify the phenomenon of accumulation of stress and strain for 

a  large  number  of  cycles  of  small  amplitude.  It  is  an  empirical  model  based  on 

laboratory triaxial compression and extension tests. The main parameters of the model 

are the following: 

Accumulation rate of strain 

Strain amplitude 

Number of cycles 

Average value of mean pressure during a cycle 

Average stress ratio 

Void ratio 

Change of the polarization of the strain loop 

The model  follows  an  explicit  calculation  strategy, which  can be  summarized  in  the 

following points: 

Calculation of  the  initial  stress  field. The  initial density  can be obtained  from 

CPT / SPT values. 

Implicit calculation of at least two first load cycles to obtain the spatial field of 

strain amplitude. The authors use the hypoplasticity model with  intergranular 

strain for this purpose. 

Recording of the strain path during the second cycle at each integration point. 

Evaluate  the  tensorial  strain  amplitude  from  the  recorded  strain  path.  The 

amplitude  is  assumed  constant  over  all  subsequent  cycles,  until  it  is 

recalculated  in  a  control  cycle.  The  load  cycles  are  grouped  in  packages  of 

constant amplitude and average value of bending moment and shear. 

Find  the accumulation  rate of  strain as  the product of  the parameters of  the 

model. 

Find the stress increment caused by a package of N cycles. 

The  HCA model's  authors  studied  the  application  of  their model  to  offshore  wind 

foundations. Based on  laboratory tests, they calibrated the model for a typical North 

Sea  fine  sand  and  the  parameters  were  used  for  FE  calculations  of  an  offshore 

monopile foundation (Wichtmann, Niemunis, & Triantafyllidis, 2008). They concluded 

that the application of the HCA model to offshore wind foundations has the following 

particularities: 

The  HCA  model  is  based  on  test  with  N<106  cycles,  whereas  an  OWT  is 

subjected about N=108 cycles throughout its life. 

 It  is  necessary  to  consider  changes  in  the  polarization  of  the  cycles  due  to 

variations of the direction of wind and wave loading. 

Influence of soil stiffness on the dynamic response of an offshore wind turbine 

 

 

33

 

In  case of  scour protection  it  is necessary  to determine  the  constants of  the 

HCA model for this material. 

Galindo,  Illueca,  and  Jimenez  (2014)  employed  the  HCA  model  to  account  for 

accumulated deformations in a gas turbine submitted to a high number of cycles. The 

cases of  fine, poorly graded and medium density  sand were  studied. They observed 

that  transient  situations  at  equipment's  start‐up  could  be  more  restrictive  than 

stationary  situations  corresponding  to  normal  operation.  During  these  situations,  a 

wide range of  frequencies  is traversed,  including  frequencies that could be similar to 

the natural frequencies of the ground.   

LeBlanc,  Houlsby  and  Byrne  (2009)  have  studied  the  response  of  a  monopile 

foundation in sand to long term cyclic lateral loading. They conducted laboratory tests 

where a small scale pile was subjected to between 8000 and 60000 cycles of combined 

moment and horizontal  loading. The authors concluded  that accumulated  rotation  is 

largely  affected  by  the  cyclic  characteristics  of  the  load.  The  typical  tolerances  for 

accumulated rotation are breached  if the foundation  is designed considering the ULS 

load, which suggests that accumulated rotation is the primary design driver. They also 

concluded  that  cyclic  loading  increases  the  pile  stiffness,  independently  of  relative 

density, which contrasts with the current methodology of degrading static p‐y curves. 

Cuellar (2011) studied both long and short term effects of cyclic loading in an offshore 

monopile  foundation.  In  the short  term,  the  foundation can be affected by  transient 

episodes of softening as a consequence of pore pressure accumulation, whereas in the 

long  term,  the  hardening  and  soil  densification  can  affect  the  serviceability  of  the 

structure.  The  author  used  the  Finite  Element Method  to  analyze  the  short  term 

effects and studied the long term effects by means of model tests  in a reduced scale. 

His main conclusions were the following: 

In  the  short  term,  cyclic  lateral  displacements  caused  by  extreme  loads 

produce a net accumulation of pore pressure  in the soil due to a progressive 

reduction  of  pore  volume  and  the  inability  of  the  soil  to  dissipate  the 

overpressure between consecutive cycles. 

The accumulation of pore pressure  in the short term produces a decrease of 

effective stress in the soil and can lead to considerable plastic deformations. 

An increase of pile diameter can have a beneficial effect on the accumulation 

rate of pore pressure due  to  the  lower  levels of pile displacement  and  soil 

compression. 

In the  long term, a progressive reduction of bending moments was observed 

due to an increasing rigidization of the upper layers of soil. 

The  general  trend  in  the  long  term  can  be  described  as  an  attenuating 

incremental deformation. 

2. Offshore Wind turbines. Overview

 

 

34 

 

The  densification  of  soil  around  the  pile  causes  a  general  subsidence, 

independently of scour phenomena, and affects the dynamic behaviour of the 

foundation.  The  increase  in  stiffness  of  the  soil  and  the  reduction  in 

embedment change the natural frequency of the structure. 

Experimental model  tests  on  shallow  foundations  on  dense  sand  have  shown  that 

cyclic loads following a single huge load lead to a backward rotation of the foundation 

(Wienbroer,  Zachert,  &  Triantafyllidis,  2011).  The  authors  explain  this  rotation  by 

different  compaction  rates  due  to  uneven  void  ratios  on  the  leeward  and  the 

windward  side.  They  introduce  the  Backward  Rotation  Index,  BRI,  to  quantify  the 

rotation.  1000  cycles  are  sufficient  to  revert  about  70%  of  the  rotation  due  to  the 

maximum force. 

2.5.3 Probabilisticapproach

Uncertainties  in  values  of model  parameters  are  especially  relevant  in  geotechnics. 

Unlike  concrete or  steel,  soil  is not a manufactured product  submitted  to a quality‐

controlled  process,  therefore,  it  is  difficult  to  guarantee  a  certain  value  of  its 

properties.  A  proper  characterization  of  soil  must  take  into  account  the  grade  of 

uncertainty  of  its  parameters.  This  characterization  of  uncertainties  in  the  input 

parameters of a given model allows designers to evaluate their impact on the results. 

The aim of a reliability analysis is to quantify the probability of failure of a given design, 

with the concept of "probability of failure" referring to situations in which the design is 

not fulfilling  its purpose, considering  it  in a general sense so that  it can be applied to 

any limit state. 

There  are  several  methods  to  assess  the  reliability  of  a  design,  each  one  with  a 

different  degree  of  complexity.  They  can  be  divided  into  the  following  four  levels 

(Mínguez, 2003): 

Level 1: These methods do not calculate probability of  failure. The grade of 

uncertainty is measured by partial safety factors, which are selected for each 

variable, such as load or strength. It is the traditional way and the most used 

in several codes. 

Level 2: The probability of  failure, Pf,  is  calculated  from  the  integral of  the 

joint  probability  density  function  of  all  variables  of  the  problem.  The main 

disadvantage  of  these methods  is  that  the  integral  is  difficult  to  calculate 

because of  the  complexity of both  the density  function  and  the  limit  state 

surface  that  defines  the  integration  domain.  It  is  therefore  necessary  to 

approximate  the density  function, which  at  this  level  is done by  taking  the 

two first moments of the joint probability density function.    

Influence of soil stiffness on the dynamic response of an offshore wind turbine 

 

 

35

 

 Level 3: The probability of  failure  is calculated by means of  the global  joint 

probability  function. These methods  calculate  the better approximations  to 

the  exact  probability  of  failure,  and  require  specific  integration  techniques 

and  methodologies.  The  most  common  methods  in  this  level  are  FORM, 

SORM and Montecarlo. 

A  fourth  level  is mentioned  in  some  texts  in which an economic  factor  is  taken  into 

account. The aim of these methods is to minimize the cost or to maximize the profits. 

They  involve  principles  of  engineering  economic  analysis  under  uncertainty  and  the 

problem variables are usually cost and benefits of construction, maintenance, repair, 

consequences of failure, interest on capital and so on.     

Methods  in  level  2  work  with  independent  variables  which  follow  a  normal 

distribution. In the case of dependent variables, they have to be transformed. A linear 

approximation (First Order) of the limit state surface is used to estimate the probability 

of  failure. The probability density  function  is  characterized by  its  two  first moments 

(Second  Moment).  These  methods  take  their  name  from  the  two  mentioned 

assumptions:  FOSM  (First  Order  Second  Moment).  The  main  limitation  of  these 

methods  is  that  they  are only  exact with normal distributions  and  linear  limit  state 

surfaces. 

The  First Order Reliability Methods  (FORM)  also  uses  a  linear  approximation  of  the 

limit state surface, but  it works with the exact density functions of the variables. The 

Second Order Reliability Methods approximate  the  limit state surface by means of a 

second  order  polynomial  surface.  They  are  very  precise methods  and much more 

efficient than Montecarlo simulations. 

The Montecarlo method  is  based  on  computing  a  large  number  of  simulations  for 

different realizations of the stochastic variables. This values are taken randomly, so the 

number  of  simulations  has  to  be  large  enough  to  cover  a  representative  range  of 

events (Metropolis & Ulam, 1949). 

2.6 Solutionsandimprovements

In this section, some solutions that have been either proposed or adopted previously 

to mitigate the problems that affect these structures are described. Given that this is a 

complex  and  very  changing  field,  they will be only  listed  and described briefly.  It  is 

outside the scope of this study to explain the details of each solution: 

Tuned  liquid  column  damper  (TLCD).  It  is  a U‐shaped  tube which  is  partially 

filled with liquid and attached to the structure. The liquid oscillations when the 

tower  is excited help to restore the equilibrium. They can  increase the fatigue 

life of the structure (Colwell & Basu, 2009). 

2. Offshore Wind turbines. Overview

 

 

36 

 

Roughness  in skirted  foundations. An  increase  in roughness  in the wall of this 

foundation  generates more  friction between  the  steel  and  soil  and  improves 

the uplift resistance.   

Reduction  of  gap.  A mitigation  of  gap  initiation  and  propagation  in  skirted 

foundations would increase the uplift strength.   

Electrokinetic  strengthening  of  soil.  Laboratory  experiments  carried  out  on 

clays surrounding skirted foundations have shown an increase in the undrained 

shear strength of soil, which enhances the uplift resistance (Micic, Shang, & Lo, 

2002). 

Scour  protection.  Several  studies  have  been  carried  out  in  order  to  design 

protection measures against scour. The main solutions are blankets or a  layer 

of ballast around the foundation (De Vos, De Rouck, Troch, & Frigaard, 2011). 

Reduction of cavity depth. The  flow  failure  in spudcan  foundations during the 

penetration stage can be avoided by  limiting  the cavity depth  (Hossain et al., 

2005).  

In  the  case of  grouted  connections,  there  are  three main measures  that  can be 

taken to avoid fatigue failure:  

Shear keys.  In  the  form of welded‐on profiles,  they  increase  the axial bearing 

capacity.  They  contribute  to  transfer  the  bending  moment  by  vertical 

circumferential  forces. They  reduce  the  interface opening at  the  top and  the 

bottom. 

Conical connections. They  transfer  the axial  load without  relying on  the bond 

capacity. 

Additional supports.   

2.7 Codes

The  main  codes,  recommendations  or  guidelines  that  are  used  in  the  design  and 

construction  of  an  offshore  wind  turbine  are  listed  as  follows.  Some  of  them  are 

specific of wind  turbines and others were developed  for general offshore structures, 

mainly for the petroleum industry. The main organizations that have developed these 

codes are the International Organization for Standardization (ISO), Det Norske Veritas 

(DNV)  and  Germanischer  Lloyd  (GL).  Norsok  standards  (N)  are  developed  by  the 

Norwegian petroleum industry. 

ISO  19900  (2013).  Petroleum  and  natural  gas  industries.  General  requirements  for 

offshore structures. 

Influence of soil stiffness on the dynamic response of an offshore wind turbine 

 

 

37

 

ISO  19902  (2007).  Petroleum  and  natural  gas  industries.  Fixed  steel  offshore 

structures. 

ISO  19903  (2006).  Petroleum  and  natural  gas  industries.  Fixed  concrete  offshore 

structures. 

DNV‐OS‐J101 (2014). Design of offshore wind turbine structures. 

DNV‐RP‐C203 (2011). Fatigue design of offshore steel structures. 

DNV‐RP‐C204 (2010). Design against accidental loads. 

DNV‐RP‐C205 (2010). Environmental conditions and environmental loads. 

DNV‐CN‐30.4 (1992). Foundations. 

GL‐IV‐2 (2012). Guideline for the Certification of Offshore Wind Turbines. 

GL‐IV‐6‐4 (2007). Offshore Technology. Structural design. 

GL‐IV‐6‐7  (2005).  Offshore  installations.  Guideline  for  the  construction  of  fixed 

offshore installations in ice infested waters. 

N‐003 (2007). Actions and actions effects. 

N‐004 (2013). Design of steel structures. 

API‐RP‐2A‐LRFD  (1993).  Recommended  practice  for  planning,  designing  and 

constructing fixed offshore platforms. Load and resistance factor design. 

API‐RP‐2A‐WSD  (2014).  Recommended  practice  for  planning,  designing  and 

constructing fixed offshore platforms. Working stress design 

Influence of soil stiffness on the dynamic response of an offshore wind turbine 

 

 

39

 

3 Caseofstudy

3.1 Introduction

The behaviour of an offshore wind  turbine under both monotonic and cyclic  loading 

has been  studied by means of a  finite element model  implemented  in  the  software 

Abaqus.  The  tower  is  founded  on  a  steel monopile  in  sand.  In  order  to  study  the 

influence of  the  soil properties on  the  response of  the  structure,  several cases have 

been analyzed with different soil stiffness. 

3.2 Structureandloadproperties

The geometry of the structure is typical of an offshore wind turbine installed in water 

depths around 30m. Its main properties are as follows: 

Length of the tower over the seabed:  100m 

Foundation depth:        30m 

External diameter of tower and monopile:  6m 

Thickness:          0.075m 

Steel density:          8450 kg/m3 

Friction coefficient steel‐sand:    0.3 

Young modulus of steel:      205 GPa 

Poisson coefficient of steel:      0.3 

Mass of nacelle, hub and rotor blades:  336 tn 

The  load  acting on  the  structure  is  the wind  force, which  is  applied  as  a horizontal 

concentrated force in the rotor. Two different loads have been considered: 

Monotonic load: 

o Magnitude: 700 kN 

Sinusoidal load: 

o Mean: 600 kN 

o Amplitude: 100 kN 

o Angular velocity: 1.65 rad/s 

3. Case of study

 

 

40 

 

The  load has been chosen from a study of a similar tower so that  its magnitude  is an 

intermediate  value  between  the  normal  operative  case  and  the  extreme  sea  state 

(Garcés García,  2012).  The maximum  value  of  the  cyclic  force  is  equal  to  the  static 

force, so the structure is under the same load magnitude in both cases. 

The  angular  velocity  of  the  cyclic  load  has  been  chosen  to  be within  the  range  of 

natural  frequencies obtained  in  the dynamical analysis  for different  soils. Therefore, 

the dynamic amplification of the response of the structure can be studied for different 

ratios of natural  frequency  to  load  frequency. The  load  frequency considered  is high 

for the most usual wind spectrums but is close to 3P, therefore, it is representative of 

the shadowing effect produced by the blades. 

3.3 Soilproperties

A total of ten different cases have been analyzed in order to study the influence of soil 

stiffness in the response of the structure. Geometry, structure properties and load are 

the same  in each case; soil properties vary gradually from a very loose sand to a very 

dense or cemented sand. A Mohr Coulomb failure criterion has been considered in the 

constitutive model  of  the  soil.  The  soil  properties  are  summarized  in  the  following 

table: 

  Case  E  (Mpa)

 (°) 

 (°) 

c (kPa)

k0   (Kg/m3) 

Very loose 1  5  30 8 0 0.33 0.50  1800 

2  10  32 8 0 0.32 0.47  1810 

Loose 

3  15  33 8 0 0.31 0.45  1820 

4  20  34 9 0 0.31 0.44  1830 

5  25  35 9 0 0.3 0.43  1840 

6  30  36 9 0 0.29 0.41  1855 

Dense 7  40  37 10 0 0.28 0.40  1875 

8  50  38 10 0 0.28 0.38  1900 Very dense  9  100 42 12 10 0.25 0.33  2000 

Table 3.1: Soil Properties

 

Where: 

E: Young Modulus 

: Angle of internal friction 

: Angle of dilatancy 

c: Cohesion 

Influence of soil stiffness on the dynamic response of an offshore wind turbine 

 

 

41

 

: Poisson coefficient 

K0: Lateral earth pressure coefficient at rest 

: Mass density 

As  it  is shown  in  the  table, soil properties represents a granular soil with a gradually 

increasing stiffness from Case 1 to 9. 

3.4 Modeldescription

A 3D finite element model of the system tower‐foundation‐soil has been implemented 

in the software Abaqus v6.12‐1 to obtain both the static and dynamic response of the 

system in each case. 

The tower and monopile have been modelled with shell elements, given that the steel 

thickness  is  small  compared with  the other  two dimensions.  The  top  section of  the 

tower, where the  load  is applied,  is modelled with a disc whose Yong Modulus  is 100 

times  the  steel modulus.  This  represents  a  rigid  union  between  the  tower  and  the 

nacelle and local problems derived from the application point of the load are avoided. 

The mass of the disc is the sum of the masses of the nacelle, hub and rotor blades. This 

mass at the top of the tower, and specially its inertia, has a big effect on the dynamic 

analysis of the system. 

The  soil  surrounding  the  monopile  has  been  modelled  with  continuous  elements, 

specifically with 8‐nodes bricks. The soil part consists of a concentric cylinder with the 

monopile. The cylinder has a depth of 60m, which means that there are 30m of soil, 2 

times  the monopile  length,  under  the  tip  of  the  foundation.  The  diameter  of  the 

cylinder is 120m, so that distance from the external side of the soil part to the centre 

of the monopile is 10 times its diameter. 

Soil  stresses  on  the  external  side  of  the model  have  been  checked  to  ensure  that 

during  the  load  state  they  remain  the  same  as  those  in  the  gravitational  state. 

Therefore,  the  dimensions  of  the  soil  model  are  large  enough  to  avoid  that  its 

boundary conditions affect the behaviour of the tower. 

Monopiles  are  usually  installed  by  driving, which  results  in  a  hardening  of  the  soil 

around the tip of the monopile during the construction process.  In order to take this 

into account, the region around the tip of the pile has been modelled with an increase 

of 20% in the Young modulus. The dimensions of this area are 0.5 monopile diameters 

from the lateral side of the monopile and 1 diameter under its tip. 

Given that the problem is symmetrical with respect to the plane formed by the tower 

edge and the direction of the load, only half part of the system tower‐foundation‐soil 

has  been modelled,  in order  to  reduce  the  computational  cost.  Therefore,  the  load 

3. Case of study

 

 

42 

 

applied to the head of the model has to be half the actual load. The displacements in 

perpendicular direction to the plane of symmetry have to be zero, which is introduced 

as a boundary condition. The rest of boundary conditions are applied to the external 

sides of the soil part: zero vertical displacement at the base of the cylinder and zero 

horizontal displacement, along any of  the  two edges, on  the external vertical side of 

the cylinder. 

In order to simulate the contact between the soil and the monopile, master and slave 

surfaces  have  been  implemented.  The  external  side  of  the monopile  is  the master 

surface and  the adjacent soil  is  the slave. The normal behaviour  is defined as a hard 

contact, which means that the master surface cannot cross the slave, and separation 

of both surfaces  is allowed after contact without any tensile strength. The tangential 

behaviour is defined by a friction coefficient between both surfaces. A tangential force 

is generated when there is relative displacement between both surfaces, its magnitude 

being the normal force multiplied by the friction coefficient.       

The soil column  inside the monopile has not been modelled because the state of this 

soil  after  the  construction  process  and  its  contribution  to  friction  resistance  is  not 

clear.  However,  its  weight  has  been  taken  into  account  as  a  pressure  under  the 

monopile tip. 

The  following  figure  shows  a  global  view  of  the mesh, main  dimensions,  loads  and 

boundary conditions, Ui being the displacement along the i‐axis: 

Influence of soil stiffness on the dynamic response of an offshore wind turbine 

 

 

43

 

 

 

Figure 3.1: Global view of the model   

 

Some results from this model has been  implemented  in a reduced model to perform 

other  group  of  calculations.  The  reduced  model  consists  on  a  beam  element 

representing the tower, with a point mass at the head. The system soil‐foundation has 

been modelled  as  two  spring  connectors  at  the base of  the  tower.  They  affect  two 

degrees of freedom at the base: horizontal translation and rotation. The behaviour of 

these connectors is defined by the non linear elastic curves of stiffness obtained from 

the continuous model. 

      

3. Case of study

 

 

44 

 

3.5 Analysesperformed

Two main groups of analyses have been performed in this study. The first one has been 

applied to the 9 cases of different soils detailed in the paragraph "Soil properties". Its 

aim  is to obtain the displacement at the head of the tower, the natural frequency of 

the system and the range of cyclic stresses in the steel. 

The second group of analyses has been applied to the case nº 4 and its aim is to obtain 

the  relationship between displacements  and  forces  in  the  foundation.  These  results 

are  implement  in  a  simplified model  in which  the  soil  is  substituted  by  its  reaction 

forces  and  moments  on  the  tower,  which  are  obtained  from  the  curves  force‐

displacement (P‐y) and moment‐angle (M‐). 

The first group of analyses, which are applied to the 9 cases, is formed by the following 

states: 

Static load 

Free oscillation 

Forced oscillation 

The first state consists of a static analysis in which a constant horizontal load of 700 kN 

is  applied  to  the head of  the  tower.  This  state  is divided  into  two  consecutive  load 

steps: gravity and static load. The main result obtained is the horizontal displacement 

at the head of the tower. 

The  free oscillation state consists of  the application of a static  load of 700 kN  to  the 

head of  the  tower and  then,  from  this equilibrium  state,  the  load  is  removed and a 

dynamic implicit analysis is performed in which the tower is oscillating freely during 20 

seconds. There are three consecutive  load steps  in this state: gravity, static  load and 

free oscillation. The objective of this analysis  is to obtain the oscillation  frequency of 

the  tower, which  is measured  from  the displacement at  the head of  the  tower over 

time. 

The state of free oscillation  is a non standard way to obtain the natural frequency of 

the  system.  The  usual  way  to  calculate  this  in  a  structure  is  to  perform  a modal 

analysis,  however,  in  this  case  there  are  some  particularities  which  difficult  the 

application of  this method. The main one  is  the high number of degrees of  freedom 

that the soil part  introduces  in the model. The soil nodes result  in a great amount of 

modes of vibration  that are not relevant or hardly contribute  to  the response of  the 

structure. For example, a vertical oscillation of  the soil nodes  located  in  the external 

area of the model do not mobilize any mass of the tower. Another problem  is that a 

modal  analysis  implies  a  linear  response  and  a  symmetrical  stiffness  matrix.  The 

Influence of soil stiffness on the dynamic response of an offshore wind turbine 

 

 

45

 

contact  surface between pile and  soil can  introduce  some asymmetrical elements  in 

the stiffness matrix, which invalidates or distorts the modal analysis. 

The  last  of  the  analyses  performed  for  each  case  is  the  forced  oscillation  state.  It 

consists of the application of a sinusoidal load to the head of the tower. The peak value 

of this  load  is 700 kN, which  is the magnitude of the  load applied  in the static state. 

This  forced  oscillation  state  is  dived  into  three  load  steps:  gravity,  transition  and 

sinusoidal load. The load has a been modelled with the following analytical expression: 

600 100 ∙ ∙  

Where: 

: Angular velocity. =1.65 rad/s 

t: Time, starting in the sinusoidal load state. 

The  transition  step  is  an  implicit  dynamic  analysis  of  5  seconds  in which  the  load 

increases gradually  from 0  to 700 kN  in 5s. Then,  the  sinusoidal  load  is applied and 

maintained during 40  seconds. The  response of  the  structure  is obtained during  this 

period  from an  implicit dynamic analysis. The  following graph shows  the  load  that  is 

introduced in the model over time, where the magnitude is half the actual load due to 

the symmetry of the model: 

 

 

Figure 3.2: Dynamic load   

 

3. Case of study

 

 

46 

 

The  main  results  that  are  obtained  from  the  forced  oscillation  analysis  are  the 

horizontal displacement at the head of the tower and the stresses at the base of the 

tower. The difference between  the maximum and minimum  stresses  is  the  range of 

cyclic stress at the base of the tower, which is a critical parameter in the fatigue failure 

of the steel. 

The second group of analyses has been performed  in case nº 4 and  is formed by the 

following calculations: 

P‐y and M‐ curves  Modal analysis in a reduced numerical model 

Stochastic analysis in an analytical model 

The global P‐y curve represents the relationship between the horizontal reaction force 

that the soil produces on the pile and the horizontal displacement at the base of the 

tower.  The  global  M‐  curve  is  the  relationship  between  the  resultant  reaction moment  that  the  soil  produces  respect  to  the  base  of  the  tower  and  the  angle  of 

rotation at  this point. Both curves are used  for calculations  in a  reduced model. The 

following figure shows a scheme of the equilibrium of forces in the simplified model: 

 

 

Influence of soil stiffness on the dynamic response of an offshore wind turbine 

 

 

47

 

 

 

Figure 3.3: Equilibrium of forces   

 

Where: 

F: Wind force 

P1: Weight of the nacelle, mass and rotor blades 

P2: Weight of the tower 

Rh: Horizontal reaction force 

Rv: Vertical reaction force 

M: Reaction moment  

3. Case of study

 

 

48 

 

The soil is substituted by two degrees of freedom at the base of the tower: horizontal 

displacement and rotation respect to an edge which is perpendicular to the scheme. In 

order  to  simplify  the  analysis,  the  vertical displacement  at  the base of  the  tower  is 

considered to be zero. The two degrees of freedom of the foundation are contained in 

the plane formed by the tower and the wind force F, therefore, it is a 2D model. Both 

degrees of freedom are considered to be uncoupled and they are characterized by two 

elastic springs. The horizontal reaction force Rh and the horizontal displacement at the 

base of  the  tower  lead  to  the P‐y  curve.  The  reaction moment M  and  the  angle of 

rotation at the base of the tower lead to the M‐ curve.  

Each point of  the  foundation behaviour curves  is obtained  from an equilibrium state 

for a given value of  the wind  force, F. A  total of  ten points have been calculated  to 

define  each  curve,  increasing  gradually  the  value  of  F  from  0  to  4000  kN  and 

performing  a  static  analysis  in  each  load  increment.  The  reaction  forces  can  be 

obtained from the equilibrium equations: 

 

1 ∗ 1 2 ∗ 2 ∗  

Where: 

d1: Horizontal displacement at the head of the tower 

d2: Horizontal displacement at the middle point of the tower 

Ht: Height of the tower  

In addition to the global P‐y and M‐ curves, which refer to the base of the tower, the P‐y curve at a given depth has also been obtained, that  is, the  lateral reaction of the 

soil per unit length at a given depth versus the lateral deflection. These kind of curves 

are used in Winkler models, where the soil is substituted by several springs. 

In the model analyzed, the P‐y curve for one of these springs have been obtained from 

the reactions on the contact surface at a given depth. This curve can be compared with 

that given in the DNV code, which is obtained from the following expression, valid for a 

laterally loaded pile in a cohesionless soil: 

∙ ∙∙∙

∙  

Where: 

A: Factor to account for cyclic or static loading. For static loading: 

Influence of soil stiffness on the dynamic response of an offshore wind turbine 

 

 

49

 

3 0.8 0.9 

H: Length (m) 

D: Pile diameter (m) 

Pu: Lateral resistance of soil per unit length (kN/m) 

k: Initial modulus of subgrade reaction (MN/m3). Obtained as a function of  

x: Depth (m) 

y: Lateral deflection (mm) 

The global P‐y and M‐ curves are implemented in a simplified model with the scheme 

given  in  figure  3.3.  The  soil  part  has  been  changed  for  springs  and,  therefore,  a 

considerable reduction  in the degrees of freedom  in the foundation  is produced. This 

reduction allows  to perform a modal analysis  to obtain  the natural  frequency of  the 

reduced model. This natural  frequency has been  calculated and  compared with  that 

obtained by means of the free oscillation of the whole model. The reduced model has 

also been used  to obtain  the dynamic  response under a cyclic  load.  In  this way,  the 

goodness of the soil behaviour curves obtained from a static analysis can be assessed 

for their use in a dynamic analysis. 

Finally, a  stochastic analysis of  the natural  frequency  is  carried out by  following  the 

analytical methodology proposed by Adhikari & Bhattacharya (2012). In this model, the 

foundation behaviour  is  represented by  two degrees of  freedom  at  the base of  the 

tower: horizontal translation and rotation. The global P‐y and M‐ curves are used to obtain the mean values of the translation stiffness, Kt, and rotation stiffness, Kr. These 

parameters  are  considered  as  independent  stochastic  variables  characterized  by  a 

lognormal distribution.  

The natural frequency  is obtained  from the  free vibration problem by considering no 

force on the system. The details of the analysis process to reach the solution are given 

by the authors. The problem is reduced to solve the following equation: 

| | 0 

Where R is the following 4x4 matrix: 

 

3. Case of study

 

 

50 

 

 

   Being: 

 

 

This equation in  can be solved numerically by using the Newton‐Raphson method in 

Matlab.  The  solution of  the equation which  is  closest  to  zero  gives  the  first natural 

frequency of the system. All variables detailed above are constant values except for Kr 

and Kt, which are stochastic variables. The equation will be solved for different values 

of these two variables depending on the chosen method. Two different methods have 

been  used  to  obtain  the  probability  of  failure: Montecarlo  and  FORM  (First  Order 

Reliability Method). They are detailed in the section "Reliability analysis". 

In order to compare the efficiency of each method, the computational cost has been 

defined as the number of times that the equation |R()|=0 has to be solved, which is 

Influence of soil stiffness on the dynamic response of an offshore wind turbine 

 

 

51

 

where  the most number of operations are computed and,  therefore, what consume 

most part of the time. 

Influence of soil stiffness on the dynamic response of an offshore wind turbine 

 

 

53

 

4 Resultsanddiscussion

4.1 Staticload

A horizontal constant load of 700 kN has been applied to the head of the tower for the 

9 different soils cases. A static analysis has been performed  to obtain  the horizontal 

displacement at the head of the tower under this load state. The results are shown in 

the following graph: 

 

 

 

Figure 4.1: Horizontal displacement at the head. Static analysis    

 

The horizontal axis of the graph represents the Yong modulus of each case, however, 

this parameter  is not  the only one which varies, as  it  is detailed  in  the  section  "Soil 

properties".  This  and  the  next  graphs  will  be  in  general  functions  of  the  Young 

modulus, as  it  is the most representative parameter of soil stiffness, but  it has to be 

taken  into  account  that  there  are  other  soil  properties,  such  as  angle  of  friction, 

dilatancy, Poisson coefficient, density and so on, that also change in each case. 

0.000

10.000

20.000

30.000

40.000

50.000

60.000

70.000

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110

U1 (cm

)

E (Mpa)

Soil

Rigid

0.25° limit

4. Results and discussion

 

 

54 

 

The blue  line  represents  the horizontal displacement  at  the head of  the  tower, U1,  

obtained  from  the model  for  each  case  of  soil.  The  dashed  red  line  represents  the 

commonly used  limit criterion  for the tilt of the tower of 0.25°, which  for a tower of 

100m  length  results  in  a  head  displacement  of  44  cm.  The  green  continuous  line 

represents the head displacement for the case of a completely rigid foundation, that is, 

all displacements and rotations at the base of the tower are zero. For the completely 

rigid case the displacement is around 19 cm. 

The displacement obtained from the model varies from 64 cm in the more flexible soil, 

E=5 MPa, to 29 cm in the more rigid soil, E=100 MPa. As it is shown in the graph, the 

displacement  trends  asymptotically  towards  the  rigid  value  as  the  Young modulus 

increases,  but  there  is  still  a  difference  of  34%  in  the  case  E=100  MPa.  The 

displacement decreases sharply when the Young modulus increases from 5 to 20 MPa. 

The reduction is slighter between 20 and 40 MPa, where the displacement varies from 

37  to 33  cm. Over 40 MPa  the displacement  reduction  is  very  small, even  for  large 

increments in the Young Modulus. 

In  relation  to  the  tilt  criterion of 0.25°,  the displacement  is  acceptable  if  the Young 

modulus is equal to or greater than 15 MPa. That means that cases 1 and 2 would lead 

to  excessive  displacements  at  the  head  of  the  tower, whereas  the  rest  of  the  soils 

would be stiff enough to maintain the displacement below the limit.     

The  influence  of  soil  stiffness  on  the  static  displacement  of  the  structure  is more 

relevant in the case of loose sands, which usually have a Young modulus below 20MPa. 

In these cases, the difference between a very loose sand and a loose sand can be very 

relevant, given that small increments in the Young modulus lead to large reductions in 

the static displacement. An  increment of 10 MPa  in the Young modulus, from 5 to 15 

MPa,  implies  a  displacement  reduction  of  24  cm,  which  is  around  38%  of  the 

displacement. Dense sands have normally Young moduli over 50 MPa.  In these cases 

the difference between a dense sand and very dense sand does not have a  relevant 

influence  on  the  static  displacement.  In  this  range,  an  increment  of  50 MPa  in  the 

Young modulus, from 50 to 100 MPa,  leads to a displacement reduction  lower than 3 

cm, which is around 8% of the displacement. 

4.2 Freeoscillation

An  implicit dynamic analysis has been carried out  in which the model oscillates freely 

from  a  static  equilibrium  state.  In  the  static  equilibrium  state  a  constant  horizontal 

load of 700 kN is applied to the head of the tower. Then, this load is removed and the 

oscillations of the tower allows to measure the natural frequency. The displacement at 

the  head  of  the  tower  has  been measured  over  time  during  20s  and  the  natural 

frequency is obtained from this curve. 

Influence of soil stiffness on the dynamic response of an offshore wind turbine 

 

 

55

 

The next figure shows the displacement obtained for the case E=20 MPa: 

  

 

Figure 4.2: Horizontal displacement at the head. Free oscillation Case E=20 MPa    

 

The curve starts in t=2s with a displacement of 37cm at the head. The period from t=0 

to  t=2s corresponds  to  the static states of gravity and constant  load. From  this state 

the system oscillates  freely during 20s, until t=22s. Along this time almost  five cycles 

are repeated and the oscillation period can be measured. The period is very similar in 

all cycles and the obtained value is the mean of them. 

Although  the period  is maintained over  time,  the amplitude decreases  in each cycle, 

mainly due to dissipation of energy by friction. These losses of energy are largest when 

the soil is more flexible, because the relative displacement between contact surfaces is 

greater. 

The next figure shows the natural frequencies calculated for each case: 

 

4. Results and discussion

 

 

56 

 

  

 

Figure 4.3: Natural frequency    

 

The blue  line  represents  the natural  frequency obtained  for each  soil and  the green 

line  represents  the natural  frequency  for  the  case of  a  completely  rigid  foundation, 

that  is,  if  the  displacements  and  rotations  at  the  base  of  the  tower  are  zero.  The 

frequency for the rigid case can be obtained with the following expression (Jan van der 

Tempel & Molenaar, 2002): 

03.04 ∙ ∙

0.227 ∙ ∙ 4 ∙0.399  

   

Where: 

E: Young modulus of steel 

0.15

0.20

0.25

0.30

0.35

0.40

0.45

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110

f0 (Hz)

E (MPa)

Soil

Rigid

Influence of soil stiffness on the dynamic response of an offshore wind turbine 

 

 

57

 

I: Inertia of the tower section 

M: Mass of the nacelle, hub and rotor blades 

m: Mass of the tower per unit length 

L: Height of the tower from seabed 

As  can  be  observed  in  the  graph,  the  natural  frequency  increases with  the  Young 

modulus, which means that, as  it was expected, rigid soils  lead to rigid soil‐structure 

systems. The range of frequencies varies from 0.19 Hz in the case E=5 MPa to 0.30 Hz 

in  the case E=100 MPa. The highest value obtained, 0.30 Hz  is still  far  from  the rigid 

case, 0.399 Hz,  therefore  the  influence of  a non  rigid  foundation  is  relevant on  the 

natural frequency. 

In a similar way to the results of static displacement, the variation of natural frequency 

is very sharp  for values of E under 20 MPa. When  the Young modulus varies  from 5 

MPa to 20 MPa the natural frequency  increases 0.07 Hz, or 38%. However, when the 

Young modulus varies from 50 to 100 MPa, the natural frequency  increases only 0.01 

Hz, or 3%. Therefore,  the difference between a very  loose  sand and a  loose  sand  is 

much more relevant than between a dense sand and a very dense sand.  Increases  in 

soil stiffness over values of Young modulus of 40 MPa produce very  little variation  in 

the natural frequency. 

It has to be mentioned that the frequency obtained for the case E=20 MPa has a value 

of 0.263 Hz, which  is equivalent to 1.65 rad/s. This  is the angular velocity of the  load 

described  in  the  section  "Structure  and  loads  properties".  Therefore,  resonance  is 

expected to occur around the case E=20 MPa  in the  forced oscillation of the system, 

which is described in the following section. 

4.3 Forcedoscillation

A horizontal sinusoidal load has been applied to the head of the tower and an implicit 

dynamic  analysis has been  carried out  to obtain  the displacement  at  the head over 

time and the maximum stresses  in the steel. The response of the structure has been 

obtained over time for 40s of cyclic loading. Before this 40s period there is a transition 

state of 5s in which the load increases from zero to 700 kN. The load is defined by the 

following equation: 

600 100 ∙ ∙  

Where: 

: Angular velocity. =1.65 rad/s 

4. Results and discussion

 

 

58 

 

t: Time, starting in the sinusoidal load state. 

The next three graphs show the horizontal displacement of the head of the tower for 

the cases E=10, 20 and 40 MPa. As  it was showed  in the section "Free oscillation",  in 

the  case  E=10 MPa  the  natural  frequency  is  lower  than  the  load  frequency,  both 

frequencies are equal in the case E=20 MPa, and the natural frequency is higher than 

the load frequency in the case E=40 MPa. 

  

 

Figure 4.4: Horizontal displacement at the head. Forced oscillation Case E=10 MPa (f0<)     

Influence of soil stiffness on the dynamic response of an offshore wind turbine 

 

 

59

 

  

 

Figure 4.5: Horizontal displacement at the head. Forced oscillation Case E=20 MPa (f0=)     

  

 

Figure 4.6: Horizontal displacement at the head. Forced oscillation Case E=40 MPa (f0>)     

 

As can be observed  in  the  three graphs,  the amplitude of each cycle  increases  in all 

cases over  time during  the  first part of  the  loading period.  In  the cases E=10 and 40 

MPa, the amplitude starts to decrease after 23 and 33s respectively. The 40s duration 

4. Results and discussion

 

 

60 

 

of the cyclic loading has been chosen in order to analyze the response of the system a 

few seconds after the instant that the amplitude starts to decrease, which is very close 

to 40s in the cases whose natural frequency is around the load frequency. 

In the case E=20 MPa the amplitude of the cycles  is continuously  increasing until the 

end of the loading period. The natural frequency and the load frequency are equal and 

resonance  is produced due  to  the  coupling of  these  two  frequencies,  therefore,  the 

amplitude increases steadily. Damping has not been considered specifically, but some 

losses of energy by  friction occur on  the contact surfaces. This means  that  the cycle 

amplitude would probably stop growing and stabilize after a longer period that the one 

considered  in  this  study. Due  to  the  great  computational  cost  that  implies  a  longer 

dynamic analysis, this testing has not been carried out and the maximum displacement 

for the case E=20 has been taken within the period of 40s of cyclic loading. 

The  following graph  shows  the maximum displacements  that have been obtained at 

the head of the tower for each case: 

      

 

Figure 4.7: Maximum horizontal displacement at the head. Forced oscillation     

 

0

20

40

60

80

100

120

140

160

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110

U1 (cm

)

E (MPa)

Dinamic

Static

Influence of soil stiffness on the dynamic response of an offshore wind turbine 

 

 

61

 

The  blue  line  represents  the  displacements  under  dynamic  load  and,  in  order  to 

compare  them,  the  dashed  red  line  represents  the  displacements  obtained  in  the 

section  "Static  load".  The maximum  tilt  criterion of  0.25°,  as  it was  specified  in  the 

section  "Static  load",  leads  to  a maximum displacement at  the head of 44  cm  for  a 

100m tower. This means that all cases are above this limit for the dynamic load state, 

whereas  in  the  static  load  state,  only  the  cases  E=5  and  10  MPa  presented 

unacceptable  head  displacements.  Therefore,  consideration  of  inertial  effects  is  a 

crucial issue in this kind of structures, given that the dynamic response of the system is 

likely to be above the static. In this particular study, the dynamic amplification is  high 

enough  to  exceed  the  limit  criterion  and  switch  the  response  of  the  system  from 

acceptable to unacceptable within the whole range of soil stiffness.     

The dynamic displacement curve is roughly parallel to the static curve when the Young 

modulus is under 10 MPa or over 40 MPa, which means that variations in soil stiffness 

outside this range produce small variations in displacements. However, between these 

two values the dynamic amplification is higher and reach a maximum in E=20 MPa, due 

to  resonance  effects.  In  this  case  the natural  frequency, which was obtained  in  the 

section "Free oscillation", has a value of 0.26 Hz, equal to the load frequency. There is 

a range around this value where the dynamic amplification is higher than in the rest of 

the domain. The  following graphs  shows  the amplification  factor  versus  the  ratio of 

frequencies: 

     

      

 

Figure 4.8: Dynamic amplification factor     

 

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

70 75 80 85 90 95 100 105 110 115 120

Udin / U

sta(%

)

f0/ (%)

4. Results and discussion

 

 

62 

 

Where: 

Udin: Maximum displacement under cyclic load 

Usta: Displacement under static load 

f0: Natural frequency 

: Load frequency. =0.263 Hz 

The ratio f0/ ranges from 72% in the case E=5 MPa to 115% in the case E=100 MPa, 

and  there  is  dynamic  amplification  in  all  cases  analyzed.  The  dynamic  amplification 

factor Udin/Usta reaches a maximum of 400% when the natural frequency is equal to the 

load frequency. This factor decreases to 200% when the ratio f0/  is  lower than 90% or higher than 110%. Increments of the ratio f0/ outside the range 90‐110% produce smaller variations of  the amplification  factor  than  those produced within  this  range. 

Therefore,  resonance  effects  are mainly  produced when  the  ratio  between  natural 

frequency and  load frequency  is 100% with an influence margin of 10%. This margin 

of 10% around  the  load  frequency  is  recommended by  the  code DNV  (2014), which 

suggests  that  the  ranges  of  frequencies  1P  and  3P  to  be  avoided  by  the  natural 

frequency should be extended 10% at each end, P being the rotor frequency. 

The  displacement  at  the  head  of  the  tower, which  has  been  analyzed  above,  is  an 

important factor in the Serviceability Limit State (SLS), but there are other limit states 

that must be analyzed, as it was described in the section "Failure modes". Fatigue Limit 

State (FLS) is critical in this kind of structures, due to the cyclic nature of loads, and the 

stress  range  in  the  steel  is  the  factor  that  determines  this  model  of  failure.  The 

following figure shows a stress contour of the tower for the case E=20 MPa: 

 

Influence of soil stiffness on the dynamic response of an offshore wind turbine 

 

 

63

 

      

 

Figure 4.9: Stress contour. Case E=20 MPa     

 

The contour represents the values of S22, which is the normal stress along the local 2‐

axis, parallel  to  the global z‐axis  represented  in  the  figure. The values correspond  to 

the  instant of maximum displacement, when  tensile stresses are also maximum. Red 

elements  correspond  to  tensile  stresses, which  are  positive,  and  blue  elements  to 

compression stresses, which are negative. The point of highest stress is represented in 

the  figure, which  is  reached  in  the element 300  located at seabed  level,   on  the  left 

side  of  the  tower. Due  to  oscillation,  the  stress  value  in  this  element  changes  over 

time, and  the difference between  the maximum and minimum  value will determine 

the fatigue failure. The following graph shows the value of S22 at the base of the tower 

over time for the case E=20 MPa. 

 

4. Results and discussion

 

 

64 

 

      

 

Figure 4.10: Stress history at seabed level. Case E=20 MPa     

 

After the gravity step, t=1s, the base of the tower  is compressed, so the graph starts 

with a negative value of S22. Then, the amplitude is increasing steadily over time, in a 

similar way that the displacements. In the rest of the cases the behaviour is also similar 

to  the  displacements:  the  stress  amplitude  increases  until  certain  instant  and  then 

starts  to decrease. The maximum and minimum values of stress have been obtained 

for each case and its difference, the stress range, is represented in the following graph: 

 

Influence of soil stiffness on the dynamic response of an offshore wind turbine 

 

 

65

 

      

 

Figure 4.11: Stress range at seabed level     

 

The tendency of the stress range showed in this graph is similar to that showed in the 

maximum displacements at the head, except for the left side. As it was showed in the 

figure  4.7,  the  displacements  decrease  from  case  E=5 MPa  to  10 MPa  due  to  an 

increase  in soil stiffness, and start to  increase when the Young modulus  is within the 

resonance range. However, the stress range  increases between E=5 and 10 MPa. The 

soil  flexibility  in  the case E=5 MPa produces more displacement at  the head  than  in 

case E=10 MPa, but  less stress at the base. The monopile rotation  in the  first case  is 

higher than in the second, and so the head displacement, but the steel flexion is lower, 

which results in a lower stress range. 

From  the  stress  range  calculated  above,  the  Fatigue  Limit  State  can be  analyzed by 

means of the S‐N curves. The stress range  is related to the number of cycles that the 

steel can support before a fatigue failure is produced. The number of cycles decreases 

when the stress range  increases, therefore, structures within the range of resonance 

will have a shorter lifespan than those outside this range.   

   

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110

S22 (MPa)

E (MPa)

4. Results and discussion

 

 

66 

 

4.4 P‐yandM‐curves

A static analysis has been performed in the model in order to obtain the P‐y and M‐ curves.  These  curves  represent  the  stiffness  of  the  system  soil‐foundation  and  are 

formed by the following parameters: 

P: Horizontal reaction force at the base of the tower 

y: Horizontal displacement at the base of the towe 

M: Reaction moment at the base of the tower 

: Angle of rotation at the base of the tower 

A  horizontal  force  F  is  applied  at  the  head  of  the  tower  to  obtain  these  four 

parameters. Each curve has been defined with 9 points, in addition to the (0,0) point, 

which have been calculated  from 9 equilibrium states with different values of F. The 

magnitude of F  ranges  from 0  to 4000 kN,  leading  to head displacements  from 0  to 

2.72m. Values  of  F  over  4000  kN  have  been  tested  but  not  included,  because  they 

produce excessive plastic strain around the pile and some convergence problems arise. 

Moreover, head displacements higher than 2.72m are well above the range that have 

been  analyzed  in  this  study.  The maximum head displacement obtained  in previous 

analyses  is  1.46m,  as  it  is  shown  in  the  figure  4.7.  Therefore,  a maximum  force  of 

4000kN is enough to define the stiffness curves of the foundation in this case. 

The analysis of the stiffness curves has been focused only on the case E=20 MPa, due 

to the high computational cost that it requires. There are two curves to obtain for each 

case, each of  them needs  to be defined by 9 points.  Each equilibrium  state  gives  a 

point  for  each  curve,  so  it would  be  necessary  to  perform  81  equilibrium  states  to 

obtain the curves of the 9 cases. The case E=20 MPa is considered to be representative 

to analyze the modelling issues associated with stiffness curves. 

The two following graphs represent the P‐y and M‐ curves which have been obtained according to the methodology detailed above: 

  

Influence of soil stiffness on the dynamic response of an offshore wind turbine 

 

 

67

 

      

  

Figure 4.12: P‐y curve at the base of the tower. Case E=20 MPa     

 

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

0 5 10 15 20 25

P (kN

)

y (cm)

4. Results and discussion

 

 

68 

 

      

 

Figure 4.13: M‐ curve at the base of the tower. Case E=20 MPa     

 

The derivative of  the curves P‐y and M‐  represents  the  translational and  rotational stiffness respectively: 

 

 

These parameters are used in the next sections to perform an analysis with a reduced 

numerical model and with an analytical model. Given that the curves are non linear, Kt 

and  Kr  are  not  constant  values,  and  they  depend  on  the  value  of  displacement  or 

rotation respectively. Kt ranges from 4.18107 N/m in y=0, to 1.49107 N/m in y=20cm; 

and Kr ranges from 4.771010 N*m/rad in =0, to 2.391010 Nm/rad in =0.82°. The non linearity of these curves can be taken into account in the reduced numerical model of 

the section "Modal Analysis", but not  in the analytical model which has been used  in 

the section "Reliability Analysis".  

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9

M (MN*m

)

(°)

Influence of soil stiffness on the dynamic response of an offshore wind turbine 

 

 

69

 

It  has  to  be  mentioned  that  these  stiffness  parameters,  or  modulus  of  subgrade 

reaction as  they are commonly known, are not  intrinsic soil properties. They depend 

on  soil  properties  but  also  on  geometric  factors,  such  as  pile  length  and  diameter. 

Therefore, stiffness curves have to be calculated for each problem. The advantage of 

these  curves  is  that  they  allow  to  reduce  the  computational  cost by  simplifying  the 

model. The problem is that they are geometry dependent, although there are models 

to obtain them for some common cases.   

The non  linearity of the curves calculated above can be explained by the existence of 

soil elements around the pile whose stresses have reached the  failure criterion. That 

means  that  these  elements  change  their  constitutive  law  from  a  linear  elastic 

behaviour to a perfectly plastic one, which leads to a non linear relationship between 

forces and displacements at a global level. Plastic strains start to arise in increment 4, 

when the force at the head has a value of 460 kN. From this point, stiffness curves start 

to  lose  linearity. The  first  soil elements  that present plastic  strain are  those  located 

close to the seabed level on the left side of the tower, where soil and monopile start to 

separate.  As  the  head  force  increases,  plastic  strain  arise  also  at  the  base  of  the 

monopile, due to separation between soil and steel, and at seabed  level on the right 

side, due to the compression of the monopile against soil. The following figure shows a 

contour  of  the  plastic  strain  around  the monopile  for  increment  9, when  the  head 

force value is 4000 kN: 

 

      

 

Figure 4.14: Plastic equivalent strain. Case E=20 MPa. Increment 9, F=4000 kN     

 

4. Results and discussion

 

 

70 

 

The contour represents the plastic equivalent strain, which  is a scalar measure of the 

plastic strain defined by the following expression: 

1

:  

In the  last figure, dark blue colour represents elements that do not suffer any plastic 

strain because they remain  in elastic range. Elements from  light blue to red presents 

plastic strain, red being the colour which represents the maximum value of equivalent 

plastic strain. 

The curves obtained above are called global, and they represent the reactions that the 

soil and foundation apply at the base of the tower. They can be used in a model where 

the  whole  foundation  is  substituted  by  two  springs.  When  the  foundation  is 

substituted  by  several  springs  at  different  depths,  such  as  in Winkler model,  it  is 

necessary to use a P‐y curve for each spring. In the model analyzed, the P‐y curve at a 

depth of 4.80m has been calculated from the reaction of soil on the contact surface. 

The following figure shows the forces that the soil exerts on the pile in each node: 

   

      

 

Figure 4.15: Normal forces on the pile. Case E20. Increment 3     

 

The  figure represents  the normal  forces on  the pile  for depths between 0 and 9.6m. 

The values correspond to increment 3, when the head force has a value of 280 kN. The 

resultant of  these  forces at each depth  is  the  soil  reaction at  that depth. As  can be 

inferred from the figure, the resultant force at a given depth will be a negative vector 

Influence of soil stiffness on the dynamic response of an offshore wind turbine 

 

 

71

 

parallel to the x‐axis, or opposite to the movement. The y‐component of the resultant 

is annulled by the reactions on the edge of the pile, which are the forces that the other 

half exerts on the one modelled. The forces in the figure have to be multiplied by 2 in 

order  to  take  into  account  the other half of  the pile. Then,  they are divided by  the 

height of the element to obtain the normal reaction force per unit  length of pile at a 

given  depth.  Given  that  there  is  friction  between  soil  and  steel,  there  are  also 

tangential  forces acting on  the pile. The process  is very similar  to normal  forces and 

the resultant  is also taken  into account. The total resultant reaction with the average 

lateral displacement of the nodes of a given section give a point of the curve P‐y. The 

process  is  repeated  increasing  the  value  of  the  head  force  and  solving  the  static 

equilibrium for each one of them. The P‐y curve at a depth of 4.80m has been obtained 

with 9 points. This curve is compared with the P‐y curve of the DNV code (2014) in the 

following graph: 

 

      

 

Figure 4.16: P‐y curve. Case E=20 MPa. Depth 4.80m     

 

The red  line represents the P‐y curve recommended  in DNV code, as  it  is detailed  in 

the section "Analyses performed", and the blue line represents the P‐y curve obtained 

from the model. Both curves start with a  linear range and then the stiffness, which  is 

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

0 20 40 60 80 100 120 140

P (kN

/m)

y (mm)

DNV

FEM

4. Results and discussion

 

 

72 

 

the  derivative,  decreases  gradually.  Both  curves  are  practically  coincident  for  small 

displacements,  but  they  start  to  separate  as  the  displacement  increases.  It  can  be 

observed  in  the  figure  that  both  curves  start  to  separate  from  a  value  of  'y'  under 

10mm, which correspond with interval 4 in the FEM curve. As it was explained above,  

plastic strains arise  in  this  increment and  they  imply  loss of  linearity  in  these curves. 

The  DNV  curve  remains  linear  until  values  of  'y'  around  40mm,  then  its  stiffness 

decrease  and  the  difference  between  both  curves  remains  roughly  constant,  even 

seems to decrease at the end of the curve. 

In view of  the  results discussed  in  the previous paragraph,  it  is necessary  to  further 

study this methodology in order to reach a better understanding of the problem. Local 

problems due to plastic areas can affect the soil reaction in a different way depending 

on  the  depth.  These  local  differences may  lead  to  different  tendencies  in  the  P‐y 

curves for each depth. The shape of the curve is highly affected by the failure criterion, 

which  determines  the  linear  range  of  the  curve.  The  estimation  of  the  failure 

parameters must be made carefully in order to avoid distorted results.     

4.5 Modalanalysis

Natural  frequency was obtained  from  the model by means of  a dynamic  analysis  in 

which the tower oscillates freely after  imposing a displacement at the head. A modal 

analysis  cannot  be  performed  in  the whole  due  to  the  great  number  of  degrees  of 

freedom that the soil part introduces in the model. This number of degrees of freedom 

can be reduced by substituting the system soil‐monopile by two degrees of freedom at 

the base of  the  tower: horizontal displacement and  rotation around a perpendicular 

axis. The behaviour of these two degrees of freedom  is defined by the global P‐y and 

M‐ curves obtained in the previous section. 

The  first 5  frequencies and modes of vibration have been  calculated  in  the  reduced 

model by performing a modal analysis. The eigen‐frequencies obtained are detailed in 

the following table: 

 

Mode  Frequency (Hz)

1  0.266 

2  0.387 

3  1.400 

4  2.800 

5  3.836 

Table 4.1: Eigen frequencies 

  

Influence of soil stiffness on the dynamic response of an offshore wind turbine 

 

 

73

 

The modes of vibration associated with these frequencies are shown in the next figure:  

      

 

Figure 4.17: Modes of vibration     

 

The deformed tower is represented in green and the initial state in grey. The square at 

the head of the tower represents the point mass of nacelle, hub and rotor blades.  The 

translational degree of  freedom at the base of the tower has been  introduced  in the 

simplified model along the x‐axis, and the rotational one around the z‐axis. The rest of 

degrees of freedom at the foundation are impeded. Therefore, deformations in the x‐y 

plane correspond to flexible foundation, whereas when they occur in the y‐z plane, the 

response  corresponds  to  a  perfectly  rigid  foundation.  In  this way,  the  behaviour  of 

both cases be analyzed from the same modal analysis. 

4. Results and discussion

 

 

74 

 

Mode 1  is related to deformations  in the plane x‐y, where the foundation stiffness  is 

implemented. An horizontal load at the head along the x‐axis, as the one considered in 

this study, will produce a deformed tower very similar to mode 1. Therefore, mode 1 

has high contribution  factor  in  the response of  the structure under  this kind of  load. 

The frequency associated with mode 1 is very similar to the frequency obtained in the 

section "Free oscillation", which was 0.263. Therefore, the procedure of that section to 

obtain the natural  frequency  is valid, as  long as the  initial state  imposed  is similar to 

the first mode. 

Mode  2  is  very  similar  to mode  1,  but  it  is  contained  in  the  plane  y‐z.  The  only 

difference between them is the displacement and rotation of the foundation. They are 

both zero  in mode 2 because the foundation degrees of freedom are  impeded  in the 

plane of  the deformation, unlike  in mode 1 where  they are nonzero. The  frequency 

associated with mode 2  is very close to that obtained  in the section "Free oscillation" 

with the analytical expression for a perfectly rigid foundation, which was 0.399 Hz. 

Mode  3  is  unlikely  to  occur with  a  load  at  the  head,  but  it  could  be  similar  to  the 

deformation produced by waves,  as  they  act  in  a  lower part of  the  tower  than  the 

wind. However,  the value of  the  frequency associated with  this mode  is higher  than 

the usual frequencies of wave loads, so it is unlikely that both frequencies become to 

couple.  

Mode 4 would be similar to mode 3 but for a perfectly rigid foundation, and mode 5 

could contribute together with mode 1 when the wind is acting as a linear load along 

the tower. The frequencies of these modes are also too high to be in the range of wind 

or waves frequencies. 

In addition to the frequencies calculation, a dynamic analysis has been carried out  in 

the  reduced model  to obtain  the  response of  the  structure under a  cyclic  load. The 

cyclic  load  is the same as that used  in the rest of the study, which  is described  in the 

section "Structure and load properties". In order to check the simplified model, a static 

state has also been implemented. The results obtained are compared with those of the 

whole model in the following table: 

 

Simplified model 

Complete model 

Static displacement (cm)  37.7 37.3 

Natural frequency (Hz)  0.266 0.263 

Dynamic displacement (cm)  138.908 146.278 

Table 4.2: Comparison of both model results 

 

Influence of soil stiffness on the dynamic response of an offshore wind turbine 

 

 

75

 

As it was expected, there is good agreement between the static displacements in both 

models, given that the P‐y and M‐ curves implemented in the simplified model were 

obtained from a static analysis. However, the dynamic displacements do not agree so 

well, the difference between them being of more than 7 cm. When inertial effects are 

relevant, parameters such as stiffness of the  foundation or damping must be chosen 

carefully. In this case, the static stiffness curves do not approximate well the response 

of the system soil‐foundation when cyclic  loading  is  involved. On the other hand, the 

natural  frequencies  calculated with both methodologies are practically  the  same. As 

the modal analysis of eigenvalues does not involve large displacements, inertial effects 

do not affect so much the results and the static curves are valid to simulate the system 

soil‐foundation.  

4.6 Reliabilityanalysis

In  this  section,  the  natural  frequency  has  been  calculated  from  an  analytical model 

where  translational  and  rotational  stiffness,  Kt  and  Kr  respectively,  have  been 

considered  as  stochastic  variables.  The mean  values  of  these  variables  have  been 

obtained  from  the  global  stiffness  curves  calculated  in  the  section  "P‐y  and  M‐ curves". As the curves are non linear, increment 7 has been chosen as representative, 

because  the displacement  at  the head  in  this  increment  is within  the  range of  that 

caused by the load of the problem. Then, the stochastic variables are characterized as 

follows:     

KtlogN(mean=2.37*107 N/m, COV=0.3) 

KrlogN(mean=3.30*1010 N*m/rad, COV=0.2) 

Before  starting  the analysis  it  is necessary  to obtain  the parameters  that define  the 

probability density functions of Kr and Kt, that is,  and . These are the following for a lognormal distribution: 

 

1  

Where: 

: Location parameter 

: Scale parameter 

m: Mean of the non logarithmic sample values 

s: Variance of the non logarithmic sample values.  ∙  

4. Results and discussion

 

 

76 

 

The values obtained from the equations above are the following: 

r=24.200  ,  r=0.198  ,  t=16.938  ,  t=0.294 

The result of the analysis will be the probability that the natural frequency is within the 

range  of  resonance  of  a  load  frequency. As  it was  discussed  in  the  section  "Forced 

oscillation", there is a range of 10% around the load frequency that has to be avoided 

by the natural frequency in order to prevent resonance. Therefore, the probability that 

the  natural  frequency  of  the  system  is  in  the  range  of  10%  around  a  given  load frequency is going to be calculated.  

Given  that  the mean  values of Kt  and Kr  are  calculated  from  the  case  E=20, whose 

natural frequency  is equal to the  load frequency considered  in the previous analyses, 

the probability that they are in the range of resonance would be almost 100%. In this 

section,  a  different  load  frequency  will  be  considered  in  order  to  evaluate  the 

probability of  resonance when  the mean values of natural and  load  frequencies are 

slightly far. Then, the load frequency considered in this section is the following: 

Load frequency:     =0.22 Hz 

Range of resonance (10%):   0.20 ‐ 0.24 Hz 

4.6.1 Montecarlo

The Montecarlo method  is  based  on  computing  a  large  number  of  simulations  for 

different realizations of the stochastic variables. This values are taken randomly, so the 

number  of  simulations  has  to  be  large  enough  to  cover  a  representative  range  of 

events (Metropolis & Ulam, 1949). The steps of the method are the following: 

Fix a number of simulations, n. 

Compute two series of n uniformly distributed values ranging between 0 and 1: Nr and Nt. 

Each pair of values Nr and Nt is related to a pair of values Kr and Kt. These can be obtained from the inverse cumulative distribution function of each one. In this  case we  obtain  two  series  of  values  for  Kr  and  Kt with  a  log  normal distribution. 

Compute the non dimensional parameters associated with each pair of values Kr and Kt: 

 

 

 

Influence of soil stiffness on the dynamic response of an offshore wind turbine 

 

 

77

 

 

  

Solve the equation of the natural frequency. It has to be done numerically for each pair of values Kr and Kt using the Newton‐Raphson method. The root of the equation associated with the natural frequency is that which is closest to 

zero and positive. This root is the non dimensional frequency 1:  

| | 0    1 

 

Compute the natural frequency: 

12

∙  

Compute  the  probability  of  failure, which  in  this  case  is  the  probability  of resonance, by counting the number of events: 

Where: 

n1: Number of events in which (0.9*) < f1 < (1.1*) 

The  results presented are obtained after 7000 simulations,  from which  the  following 

results have been obtained: 

Total simulations:    n=7000 

Failure events:    n1=714 

Probability of resonance:  Pf=10.20% 

Computational cost:    7000 

From  these  results we can  see  that  there  is a probability of 10.20%  that  the natural 

frequency  of  the  structure will  be within  the  resonance  range  of  the  studied  load, 

which will cause dynamic amplification problems. As we can see in the table 4.3 below, 

the mean value of the sample is 0.262 Hz, which is higher than the frequency load 0.22 

Hz. The probability of failure can be reduced by designing a stiffer foundation, which 

will result in an increase in the mean value of the natural frequency and a reduction in 

the number of events within  the  range of  resonance. The  analysed design  could be 

dangerous if the soil had a strain softening behaviour, which would cause a decrease in 

the natural frequency and, therefore, an increase in the probability of failure. 

4. Results and discussion

 

 

78 

 

Given that the result of the Montecarlo method  is obtained from a series of different 

values for the natural frequency, it is also possible not only to obtain the probability of 

failure but also to analyse the distribution of these values and characterise the natural 

frequency as a stochastic variable.  

The distribution of natural frequencies obtained is the following: 

       

Figure 4.18: Natural frequency distribution     

 

The  graph  shown  in  the  last  figure  is  not  actually  an  histogram  but  a  discrete 

probability  distribution  function.  To  obtain  it,  the  original  histogram  has  been 

normalized, that  is, the height of each bar has been divided by the total area.  In this 

way,  the  area  of  this  normalized  histogram  is  1  and  can  be  compared with  other 

probability distribution functions.  

The range of resonance is also shown in the last figure in red line, from 0.20Hz to 0.24 

Hz.  The mean  of  the  sample  is  0.262  Hz, which  is  out  of  the  range  of  resonance. 

However, as  it was detailed  in the numerical results, there are 714 events within this 

range. This mean of  the natural  frequency of 0.262 Hz obtained  from  the analytical 

model  is  very  close  to  the  natural  frequencies  obtained  in  the  sections  "Free 

Influence of soil stiffness on the dynamic response of an offshore wind turbine 

 

 

79

 

oscillation"  and  "Modal  analysis" with  the whole  and  simplified  numerical models, 

which were 0.263 and 0.266 Hz respectively.    

Once the histogram of natural  frequencies  is obtained, a probability density  function 

can be then adjusted to this histogram. The parameters of the theoretical distribution 

have  been  obtained  from  the  sample  by means  of  a maximum  likelihood  approach 

(Ledesma,  Gens,  &  Alonso,  1996).  To  check  the  goodness  of  this  adjustment,  a 

Kolmogorov‐Smirnov test (Massey Jr, 1951) has been carried out for each distribution 

function. The methodology is the following: 

Run the Montecarlo simulations and obtain the vector of natural frequencies. 

A hypothesis about  the probability distribution  function has  to be made.  It has been tested four different PDF's: 

o Lognormal o Weibull o Gamma o Beta 

Compute the parameters of each distribution using the method of maximum likelihood. This method calculates the value of the two parameters of a given distribution, looking for the best adjustment to the sample. 

Once  the  probability  function  is  defined  by  its  parameters,  a  Kolmogorov‐Smirnov test is performed to check the goodness of each hypothesis. They all have been performed at the 5% significance level. 

The results of the Kolmogorov‐Smirnov tests at the 5% significance level performed for 

each  hypothesis  are  summarized  in  the  following  table.  The  parameters  of  each 

probability  distribution  function  obtained with  the maximum  likelihood method  are 

also detailed in the table. 

 

   Lognormal  Weibull Gamma Beta Sample(MC) 

KS Test, 5%  Rejected  Rejected Rejected No rejected   

p‐value  0.11E‐02  5E‐15 1.13E‐02 4.47E‐02   

 or a  ‐1.34  0.269  292.4 216.7   

 or b  5.87E‐02  18.4942 8.94E‐04 612.115   

Mean  0.262  0.261 0.262 0.262 0.262 

Variance  2.36E‐04  3.04E‐04 2.34E‐04 2.330E‐04 2.31E‐04 

Table 4.3: Adjusted distribution functions to Montecarlo sample 

   

These functions have been drawn in the next graph:      

4. Results and discussion

 

 

80 

 

 

      

 

Figure 4.19: Tested distribution functions     

 

The graph shows that the Lognormal, Gamma and Beta distributions are very close and 

practically overlapped, whereas the Weibull distribution is far from the rest. Attending 

to the numerical results of the table, the only hypothesis which has not been rejected 

by the Kolmogorov‐Smirnov test  is that the sample follows a Beta distribution. The p‐

value  shown  in  the  table  is  related  to  the  probability  that  the  theoretical  function 

adjust to the sample, and it allows to compare the different hypothesis. High values of 

this  parameter  indicate  a  better  fit  than  lower  values.  The  p‐value  is  close  in  the 

Gamma and Beta distributions, slightly higher in this last. The little difference between 

these two values and the fact that the test rejects only one of them indicates that the 

adjustment of the Beta distribution, although it has not been rejected, is in the limit of 

rejection.  In  the  case  of  the Weibull  distribution,  the  p‐value  is  far  from  the  other 

three, and it can be seen in the graph that the function is too right skewed. 

Attending  to  the  statistics  values,  mean  and  variance,  obtained  by  the  maximum 

likelihood method,  it  can be  seen  that  they are very  similar and  close  to  the values 

obtained  from  the sample,  that  is,  from  the results of  the simulations. However,  the 

Influence of soil stiffness on the dynamic response of an offshore wind turbine 

 

 

81

 

results of the Kolmogorov‐Smirnov test show that a good fit of these parameters is not 

enough to ensure a good adjustment of the distribution function. 

4.6.2 FORM

The First Order Reliability Method, FORM  (Nikolaidis, Ghiocel, & Singhal, 2014),   has 

been used to obtain the probability of failure defined in section 2. The computational 

cost of this method  is considerably  lower than that of the Montecarlo method, given 

that  it does not give a whole distribution of  the natural  frequency. The Hasofer Lind 

and Rackwitz Fiessler method has been used to optimize the limit surface and find the 

design point. The steps of the method are described in the following paragraphs. 

The  stochastic  variables  of  the  problem  are  Kr  and  Kt.  The  parameters  of  these 

distributions were obtained in section 3: 

,  

,  

The  variables  of  R()  are  non  dimensional  and  are  obtained  from  the  following 

expressions: 

 

 

From the parameters of the distribution of Kr and Kt can be obtained the parameters 

of  the  distributions  of  r  and  t,  taking  into  account  the  rules  of  a  lognormal 

distribution: 

,  

,  

The variables r and t has to be normalized in order to apply the FORM method in a 

normal  standard  space.  It  is  necessary  the  following  change  of  variable  to  express 

them as normal standard distributions: 

,

 

0,1  

Where: 

4. Results and discussion

 

 

82 

 

,  

,  

,  

,  

To compute the probability of failure  it  is necessary to define a  limit state surface.  In 

this  case  the  LSF  is expressed  in  terms of  f1, which will be obtained by  solving  the 

equation R()=0, and the extreme values of the ranges 1P and 3P. It  is considered 

that a failure occurs when: 

0.9 , 1.1    

Therefore,  there  are  four  functions  that  define  the  limit  state  surfaces,  taking  into 

account that the fail occurs when gk0: 

, 1 ,  

, , 1  

The probability of failure is then: 

2 0 1 0  

The function g of the  limit state surface must be  in terms of the normalized variables 

ur and ut. This can be done applying the following change of variable in each function 

gk: 

 

, ,   , k=1,...4 

Finally, the HLRF method is applied to each function gk to obtain the reliability index . The steps of the HLRF method are the following: 

Fix a starting point. U1=[0 , 0] 

Obtain the reliability index for this point. 1=norm(U1) 

Fix a tolerance level. tol=0.001 

Obtain points Ui (i=1,...n) by iterations until tol<0.001 from these expression: 

1‖ ‖

∙  

Influence of soil stiffness on the dynamic response of an offshore wind turbine 

 

 

83

 

 

| | 

After a  few  iterations,  the HLRF  converges and  the  reliability  index  is obtained. The 

probability that gk0 is then: 

0  

Where (‐)  is the normal standard probability distribution  function evaluated  in  ‐. These process  is computed for each gk, k=1,2, to obtain the probability of failure as  it 

was detailed above. 

The gradient of the function g(ur,ut) has been used in the HLRF method. Given that g 

depends on f1 and this is obtained numerically by solving the equation |R()|=0, there is not an analytical expression  for g(ur,ut). The gradient of g has to be approximated 

numerically by the following expression: 

, ≅, ,

2,

, ,2

 

The values of hr and ht has been defined in function of the length of each coordinate, 

unless they are zero: 

0| |10000

 

01

10000 

0| |10000

 

01

10000 

The computational cost of this method, defined as the number of times the equation 

|R()|=0  has  to  be  solved,  is  5  per  iteration  and  gk:  1  to  evaluate  g(U)  and  4  to evaluate g(U). 

The results are the following: 

  Iterat. HLRF  Comp. cost 

  P(gk0) 

g1  4  20  4.032  2.8*10‐5 

g2  3  15  1.236  0.1082 Table 4.4: FORM results 

   

4. Results and discussion

 

 

84 

 

The total computational cost of this method is the sum of the obtained for each gk: 

Total computational cost:  35 

This  computational  cost  is much  lower  than  the obtained with Montecarlo method, 

7000.  If  the  distribution  of  the  natural  frequency  is  not  a  necessary  result  in  the 

analysis, the FORM is a more efficient option to calculate probability.  

The probability of failure is the difference of the obtained in g2 and g1: 

. % 

This  result  is  very  close  to  the  10.20%  obtained  in  the  previous  section  with 

Montecarlo method. 

Influence of soil stiffness on the dynamic response of an offshore wind turbine 

 

 

85

 

5 Conclusions

Several analyses have been  carried out  in  this  study  to analyze  the  influence of  soil 

properties on the response of an offshore wind turbine on a monopile  foundation. A 

finite  element model  has  been  implemented  in which  the  soil  is  represented  as  a 

continuous element with a Mohr‐Coulomb failure criterion. This model has been used 

as a  tool  to obtain  the  response of  the  tower under  several  load  states:  static,  free 

oscillation and  forced oscillation. P‐y and M‐  curves at  the base of  the  tower have also  been  calculated  from  the  model.  These  curves  have  been  implemented  in  a 

reduced model  in which  the system soil‐foundation  is substituted by  two degrees of 

freedom at the base of the tower: horizontal translation and rotation. The behaviour 

of  these  two degrees of  freedom  is determined by  the P‐y and M‐ curves. A modal 

analysis has been performed  in  the  reduced model  to obtain  the vibration modes of 

the  system  and  its  frequencies.  Finally,  a  reliability  analysis  has  been  performed  to 

obtain  the  probability  of  resonance.  In  this  analysis,  translational  and  rotational 

stiffness are considered as stochastic variables. The probability of resonance has been 

calculated with two different methods: Montecarlo and FORM. 

The results from the static analysis show that the head displacement decreases when 

the soil stiffness increases. The curve of displacement tends to the value of a perfectly 

rigid  foundation,  although  the  difference  in  the  stiffest  case  is  still  considerable, 

around 34%. The  influence of soil stiffness  is higher  in the case of  loose sands, where 

small increments of stiffness lead to large increments in displacement. 

Soil  stiffness  also  affects  the natural  frequency of  the  system,  as  it  is  shown  in  the 

results  of  the  free  oscillation  analysis.  As  the  soil  stiffness  increases,  the  natural 

frequency is higher. There is a trend to the frequency of the perfectly rigid foundation, 

but  the  difference  between  them  is  around  33%  in  the  stiffest  case.  Again,  the 

influence of soil stiffness on natural frequency  is higher  in  loose sands.  In the case of 

dense  sands,  the  increments  in natural  frequency  are  very  small when  soil  stiffness 

increases. 

The forced oscillation results show that dynamic amplification has been produced in all 

cases,  although  it  is much more  relevant  around  the  resonance  range.  The  natural 

frequency of the system has ranged from 72 to 115% of the load frequency. Within this 

range, the dynamic amplification has been always higher than 175%, and has reached 

a maximum of almost 400% when  the natural  frequency equals  the  load  frequency. 

There  is  a  range  of  10%  around  the  load  frequency where  the  amplification  factor 

starts  to  increase  sharply.  The  steel  stress  range  at  the  base  of  the  tower,  which 

determines  the  fatigue  life  of  the  structure,  has  shown  a  similar  behaviour  to  the 

displacements. This stress range  increases sharply when the natural frequency of the 

system is within the interval of 10% around the load frequency. 

5. Conclusions

 

 

86 

 

The global P‐y and M‐ curves obtained  from  the  incremental  static analysis  show a 

range of  linear behaviour when the displacements and rotations are small. The point 

from which the slope of the curves starts to decrease coincides with the beginning of 

plastic strain  in elements around  the pile. These plastic strains start  to arise close  to 

the seabed level, on the side where the monopile separates from the soil. As the load 

increases,  they extend  to  the opposite  side, due  to compression  in  soil produced by 

the monopile, and they also arise at the monopile tip, where the soil separates from 

steel due to rotation. 

The  first  five modes of  vibration have been  calculated  from  a modal analysis  in  the 

reduced model. The first mode is the most influential in the response of the structure 

under  a  horizontal  load.  Therefore,  the  first  frequency  of  the  system,  or  natural 

frequency,  can  get  coupled  with  the  frequency  of  a  horizontal  load  and  produce 

resonance.  Attending  to  the  shape  of  the  third mode,  it  could  be  excited  by wave 

loads, as they are applied at a lower point. However, it is unlikely that frequency of the 

third  vibration  mode  could  get  coupled  with  waves  frequencies,  given  that  their 

frequency  is much  lower.  Comparing with  the  free  oscillation  analysis,  the  natural 

frequencies  calculated  with  both  methods  are  practically  the  same.  The  static 

displacements of the reduced model are also the same as those of the whole model, 

but  there  is not good agreement  in  the dynamic displacements, due  to  fact  that  the 

global stiffness curves were obtained from a static analysis. 

The  probability  of  resonance  obtained  from  the  reliability  analysis  has  been  very 

similar  in both methods, around 10%. The  computational  cost has been  significantly 

lower  in  the  case  of  FORM  method,  35,  compared  to  Montecarlo,  7000.  If  the 

information needed from the analysis  is  just the probability of failure, FORM  is much 

more  efficient,  however,  more  information  about  the  distribution  function  of  the 

results  can  be  obtained  with  Montecarlo.  The  distribution  of  natural  frequency 

obtained with Montecarlo is similar to a Beta distribution, although the adjustment is 

not  clear  enough.  The  statistic  parameters  obtained  by  the  maximum  likelihood 

method are very similar in the four distribution tested, and also similar to those of the 

sample. 

The  variability  of  soil  properties  in  the  long  term  after  the  accumulation  of  a  high 

number of cycles, which can affect the natural frequency of the system, is proposed as 

a  future  line  of  research.  In  addition,  the  analysis  of  possible  solutions  to minimize 

damage would lead to more optimized designs.  

 

Influence of soil stiffness on the dynamic response of an offshore wind turbine 

 

 

87

 

6 References

Adhikari,  S., & Bhattacharya,  S.  (2012). Dynamic  analysis of wind  turbine  towers on  flexible foundations. Shock and vibration, 19(1), 37‐56.  

 Andersen, K. H. (2009). Bearing capacity under cyclic loading‐offshore, along the coast, and on 

land.  21st  Bjerrum  Lecture  presented  in  Oslo,  23  November  2007.  Canadian Geotechnical Journal, 46(5), 513‐535.  

 Andersen, L. V., Vahdatirad, M., Sichani, M. T., & Sørensen, J. D. (2012). Natural frequencies of 

wind  turbines  on  monopile  foundations  in  clayey  soils—A  probabilistic  approach. Computers and geotechnics, 43, 1‐11.  

 API  (American  Petroleum  Institute),  R.  A.‐W.  (2014).  Recommended  practice  for  planning, 

designing and constructing fixed offshore platforms–working stress design–.  Bhattacharya,  S.  (2014).  Challenges  in  Design  of  Foundations  for  Offshore Wind  Turbines. 

Engineering & Technology Reference, 1(1).   Bienen, B., Byrne, B., Houlsby, G., & Cassidy, M.  (2006).  Investigating  six‐degree‐of‐freedom 

loading of shallow foundations on sand. Géotechnique, 56(6), 367‐379.   Breton, S.‐P., & Moe, G.  (2009). Status, plans and  technologies  for offshore wind  turbines  in 

Europe and North America. Renewable Energy, 34(3), 646‐654.   Broms,  B.  B.  (1964).  Lateral  resistance  of  piles  in  cohesionless  soils.  Journal  of  the  Soil 

Mechanics and Foundations Division, 90(3), 123‐158.   Budhu, M., & Davies, T. G.  (1988). Analysis of  laterally  loaded piles  in  soft  clays.  Journal of 

geotechnical engineering, 114(1), 21‐39.   Byrne, B., & Houlsby, G.  (2000). Experimental  investigations of  the cyclic  response of suction 

caissons  in  sand.  Paper  presented  at  the  ANNUAL  OFFSHORE  TECHNOLOGY CONFERENCE. 

 Byrne, B., & Houlsby, G. (2006). Assessing novel foundation options for offshore wind turbines. 

Paper presented at the World Maritime Technology Conference.  Byrne,  B.,  &  Houlsby,  G.  (2015).  Helical  piles:  an  innovative  foundation  design  option  for 

offshore  wind  turbines.  Philosophical  Transactions  of  the  Royal  Society  A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences, 373(2035), 20140081.  

 Clough, R. W., & Penzien, J. (1975). Dynamics of structures.  Colwell,  S., &  Basu,  B.  (2009).  Tuned  liquid  column  dampers  in  offshore wind  turbines  for 

structural control. Engineering Structures, 31(2), 358‐368.   Cuellar,  P.  (2011).  Pile  foundations  for  offshore wind  turbines:  numerical  and  experimental 

investigations  on  the  behaviour  under  short‐term  and  long‐term  cyclic  loading. Technische Universität Berlin.    

6. References

 

 

88 

 

 Davisson, M. (1970). Lateral load capacity of piles. Highway Research Record(333).   De  Groot,  M.,  Kudella,  M.,  Meijers,  P.,  &  Oumeraci,  H.  (2006).  Liquefaction  phenomena 

underneath marine gravity structures  subjected  to wave  loads.  Journal of waterway, port, coastal, and ocean engineering, 132(4), 325‐335.  

 De Vos, L., De Rouck, J., Troch, P., & Frigaard, P. (2011). Empirical design of scour protections 

around monopile foundations: Part 1: Static approach. Coastal Engineering, 58(6), 540‐553.  

 de Vries, W., & Krolis, V.  (2007).  Effects of deep water on monopile  support  structures  for 

offshore wind turbines. EWEC, Milan.   DNV. (1992). Classification Notes No. 30.4. Foundations. Det Norske Veritas Classifications A/S, 

Høvik, Norway.   DNV. (2014). Design of offshore wind turbine structures: Det Norske Veritas.  Galindo, R.,  Illueca, M., &  Jimenez, R.  (2014). Permanent deformation estimates of dynamic 

equipment  foundations: Application  to  a  gas  turbine  in  granular  soils.  Soil dynamics and earthquake engineering, 63, 8‐18.  

 Garcés  García,  C.  (2012).  Design  and  calculus  of  the  foundation  structure  of  an  offshore 

monopile wind turbine.   GL. (2012). Guideline for the certification of offshore wind turbines.: Germanischer Lloyd. Golightly, C.  (2014). Tilting of monopiles.  Long, heavy  and  stiff; pushed beyond  their  limits. 

Ground Engineering.   Gourvenec, S., & Barnett, S. (2011). Undrained failure envelope for skirted foundations under 

general loading. Géotechnique(61), 263‐270.   Gourvenec, S., & Randolph, M.  (2003). Effect of  strength non‐homogeneity on  the  shape of 

failure  envelopes  for  combined  loading  of  strip  and  circular  foundations  on  clay. Géotechnique, 53(6), 575‐586.  

 Hossain, M.,  Hu,  Y.,  Randolph, M.,  & White,  D.  (2005).  Limiting  cavity  depth  for  spudcan 

foundations penetrating clay. Géotechnique, 55(9), 679‐690.   Houlsby, G. T., Ibsen, L. B., & Byrne, B. W. (2005). Suction caissons for wind turbines. Frontiers 

in Offshore Geotechnics: ISFOG, Perth, WA, Australia, 75‐93.   LeBlanc, C., Houlsby, G. T., & Byrne, B. W. (2009). Response of stiff piles  in sand to  long‐term 

cyclic lateral loading. Géotechnique, 60(2), 79‐90.   Ledesma,  A.,  Gens,  A.,  &  Alonso,  E.  (1996).  Estimation  of  parameters  in  geotechnical 

backanalysis—I. Maximum  likelihood approach. Computers and geotechnics, 18(1), 1‐27.  

 

Influence of soil stiffness on the dynamic response of an offshore wind turbine 

 

 

89

 

Löhning, T., Voßbeck, M., & Kelm, M. (2013). Analysis of grouted connections for offshore wind turbines. Proceedings of the ICE‐Energy, 166(4), 153‐161.  

 Malhotra, S.  (2011). Selection, design and construction of offshore wind  turbine  foundations: 

INTECH Open Access Publisher.  Mana, D. S., Gourvenec, S., & Randolph, M. F.  (2013). Experimental  investigation of  reverse 

end bearing of offshore shallow  foundations. Canadian Geotechnical  Journal, 50(10), 1022‐1033.  

 Mana, D. S., Gourvenec, S. M., Randolph, M. F., & Hossain, M. S. (2012). Failure mechanisms of 

skirted  foundations  in  uplift  and  compression.  International  Journal  of  Physical Modelling in Geotechnics, 12(2), 47‐62.  

 Massey  Jr,  F.  J.  (1951).  The  Kolmogorov‐Smirnov  test  for  goodness  of  fit.  Journal  of  the 

American statistical association, 46(253), 68‐78.   Matlock, H., & Reese, L. C.  (1960). Generalized solutions  for  laterally  loaded piles.  Journal of 

the Soil Mechanics and Foundations Division, 86(5), 63‐94.   Metropolis, N., & Ulam, S. (1949). The monte carlo method. Journal of the American statistical 

association, 44(247), 335‐341.   Micic,  S.,  Shang,  J., &  Lo,  K.  (2002).  Electrokinetic  strengthening of marine  clay  adjacent  to 

offshore  foundations.  International  Journal of Offshore and Polar Engineering, 12(1), 64‐73.  

 Mínguez, R. (2003). Seguridad, fiabilidad y análisis de sensibilidad en obras de  ingeniería civil 

mediante  técnicas de optimización por descomposición. Aplicaciones.  Tesis Doctoral. Universidad de Cantabria.    

 Nielsen, A. W., Sumer, B. M., & Petersen, T. U. (2014). Sinking of Scour Protections at HORNS 

REV 1 Offshore Wind Farm. Coastal Engineering Proceedings, 1(34), sediment. 67.  Niemunis, A., Wichtmann, T., & Triantafyllidis, T. (2005). A high‐cycle accumulation model for 

sand. Computers and geotechnics, 32(4), 245‐263.   Nikolaidis, E., Ghiocel, D. M., & Singhal, S. (2014). Engineering design reliability handbook: CRC 

Press.  Poulos, H. G.  (1971). BEHAVIOR OF LATERALLY LOADED PILES  I. SINGLE PILES.  Journal of Soil 

Mechanics & Foundations Div.   Poulos, H. G. (1973). Load‐deflection prediction for laterally loaded piles: University of Sydney, 

School of Civil Engineering.  van der Tempel, J., & Molenaar, D.‐P. (2002). Wind turbine structural dynamics‐a review of the 

principles  for modern  power  generation,  onshore  and  offshore. Wind  engineering, 26(4), 211‐222.  

 

6. References

 

 

90 

 

Van der Tempel,  J.,  Zaaijer, M., &  Subroto, H.  (2004). The  effects of  Scour on  the design of Offshore Wind Turbines. Paper presented at the Proceedings of the 3rd  International conference on marine renewable energy Marec. 

 Whitehouse,  R.  J.,  Harris,  J.  M.,  Sutherland,  J.,  &  Rees,  J.  (2011).  The  nature  of  scour 

development and scour protection at offshore windfarm foundations. Marine Pollution Bulletin, 62(1), 73‐88.  

 Wichtmann, T., Niemunis, A., & Triantafyllidis, T. (2008). Prediction of long‐term deformations 

for monopile foundations of offshore wind power plants. Paper presented at the 11th Baltic Sea Geotechnical Conference: Geotechnics in Maritime Engineering. 

 Wienbroer, H., Zachert, H., & Triantafyllidis, T.  (2011). Cyclic  loading on shallow foundations‐

experimental  investigations on the accumulation of deformations. Paper presented at the Proc. of the EURODYN2011 Conference, Leuven, Belgium. 

 

 

Influence of soil stiffness on the dynamic response of an offshore wind turbine 

 

 

91

 

A. Appendix

I. Freeoscillation.Displacements

 

 

 

Head displacement. E=5MPa 

 

 

 

Head displacement. E=10MPa 

 

AI. Free oscillations. Displacements

 

 

92 

 

 

 

Head displacement. E=15MPa 

 

 

 

Head displacement. E=20MPa 

 

   

Influence of soil stiffness on the dynamic response of an offshore wind turbine 

 

 

93

 

 

 

 

Head displacement. E=25MPa 

 

 

 

 

Head displacement. E=30MPa 

 

   

AI. Free oscillations. Displacements

 

 

94 

 

 

 

 

Head displacement. E=40MPa 

 

 

 

 

Head displacement. E=50MPa 

 

   

Influence of soil stiffness on the dynamic response of an offshore wind turbine 

 

 

95

 

 

 

 

Head displacement. E=100MPa 

 

Influence of soil stiffness on the dynamic response of an offshore wind turbine 

 

 

97

 

II. Forcedoscillation.Displacements

 

 

 

Head displacement. E=5MPa 

 

 

 

 

Head displacement. E=10MPa 

 

AII. Forced oscillations. Displacements

 

 

98 

 

 

 

 

Head displacement. E=15MPa 

 

 

 

 

Head displacement. E=20MPa 

 

 

Influence of soil stiffness on the dynamic response of an offshore wind turbine 

 

 

99

 

 

 

 

Head displacement. E=25MPa 

 

 

 

 

Head displacement. E=30MPa 

 

 

AII. Forced oscillations. Displacements

 

 

100 

 

 

 

 

Head displacement. E=40MPa 

 

 

 

 

Head displacement. E=50MPa 

 

 

Influence of soil stiffness on the dynamic response of an offshore wind turbine 

 

 

101

 

 

 

 

Head displacement. E=100MPa 

 

 

 

 

 

 

Influence of soil stiffness on the dynamic response of an offshore wind turbine 

 

 

103

 

III. Forcedoscillation.Stresses

 

 

 

Base S22 stress. E=5MPa 

 

 

 

 

Base S22 stress. E=10MPa 

 

AIII. Forced oscillations. Stresses

 

 

104 

 

 

 

 

Base S22 stress. E=15MPa 

 

 

 

 

Base S22 stress. E=20MPa 

 

   

Influence of soil stiffness on the dynamic response of an offshore wind turbine 

 

 

105

 

 

 

 

Base S22 stress. E=25MPa 

 

 

 

 

Base S22 stress. E=30MPa 

 

   

AIII. Forced oscillations. Stresses

 

 

106 

 

 

 

 

Base S22 stress. E=40MPa 

 

 

 

 

Base S22 stress. E=50MPa 

 

   

Influence of soil stiffness on the dynamic response of an offshore wind turbine 

 

 

107

 

 

 

 

Base S22 stress. E=100MPa 

 

 

 

Influence of soil stiffness on the dynamic response of an offshore wind turbine 

 

 

109

 

IV. Staticequivalentplasticstrain.CaseE=20MPa

 

 

 

Equivalent plastic strain. Case E=20 MPa. F=460 kN 

 

 

 

 

Equivalent plastic strain. Case E=20 MPa. F=730 kN 

 

AIV. Static equivalent plastic strain. Case E=20 MPa

 

 

110 

 

 

 

 

Equivalent plastic strain. Case E=20 MPa. F=1140 kN 

 

 

 

 

Equivalent plastic strain. Case E=20 MPa. F=1740 kN 

 

   

Influence of soil stiffness on the dynamic response of an offshore wind turbine 

 

 

111

 

 

 

 

Equivalent plastic strain. Case E=20 MPa. F=2650 kN 

 

 

 

 

Equivalent plastic strain. Case E=20 MPa. F=4000 kN