Een CEL-simulatiebenadering voor penetratie-uitlijning van de meeremmers-fundatie met de temperatuuranalogiemethode

Zeetorens rechtop houden

Offshore windparken en platformen vertrouwen op stevige fundaties die zijn verankerd in zachte zeebodemsedimenten. Wanneer deze fundaties tijdens de installatie kantelen, verminderen hun draagkracht en veiligheid, en het corrigeren van die helling op zee is duur en moeilijk te testen. Deze studie laat zien hoe computersimulaties goedkoop en betrouwbaar kunnen voorspellen hoe een speciaal type fundatie, bestaande uit meerdere grote “emmers”, zakt en zichzelf uitlijnt op de zeebodem, inclusief hoe zeewater door het zand stroomt terwijl dit gebeurt.

Waarom meeremmersfundaties ertoe doen

In plaats van veel lange palen in de zeebodem te slaan, kunnen ingenieurs meeremmersfundaties gebruiken, die eruitzien als een cluster omgekeerde blikken verbonden door een frame. Deze systemen zijn aantrekkelijk omdat ze sneller te installeren zijn, soms herbruikbaar kunnen zijn en de zeebodem minder verstoren dan traditionele methoden. Ongelijke zeebodemcondities of plaatselijke variatie in grondsterkte kunnen er echter toe leiden dat de hele fundatie scheef zakt. Normen voor offshore constructies beperken deze helling tot enkele graden, dus moeten installateurs nauwkeurig regelen hoe elke emmer met zuiging in de zeebodem wordt getrokken—een zachte vacuümtoepassing binnen de emmers. Tot nu toe kwam de meeste richtlijn hiervoor uit kleine, tijdrovende tankexperimenten.

Stroming als warmte gebruiken in een digitale sandbox

Het simuleren van dit proces is ingewikkeld omdat de grond rond de emmers sterk vervormt en tegelijk zeewater door de poriën sijpelt. Gangbare numerieke hulpmiddelen worstelen wanneer het grondnet te veel uitrekt en draait, en veel tools behandelen waterstroom niet rechtstreeks bij grote vervormingen. De auteurs gebruiken een techniek genaamd de gekoppelde Euleriaanse-Lagrangiaanse methode (CEL), waarbij de grond door een vast rooster mag “stromen” terwijl de stalen emmers daarin bewegen. Om waterbeweging vast te leggen zonder speciale vloeistofelementen, benutten ze een wiskundige overeenkomst: de vergelijkingen die stationaire doorstroming door grond beschrijven hebben dezelfde vorm als die voor warmteverspreiding door een vaste stof. Door de waterdruk te behandelen alsof het temperatuur is, en doorstroming alsof het warmtestroom is, kunnen ze de doorstroming volgen met de warmtetransportmodule van de software.

De analogie en het model testen

Voordat ze op deze vereenvoudiging vertrouwen, toetsen de onderzoekers het op twee klassieke problemen: water dat door een hoge zandkolom stroomt en water dat rond een ondoorlatende wand in de grond beweegt. Voor beide gevallen komen de op “temperatuur” gebaseerde simulaties overeen met conventionele doorstromingsberekeningen qua spanningen, drukveranderingen en stroompatronen, wat aantoont dat de analogie geldig is voor langzame, verzadigde stromingen. Daarna bouwen ze een gedetailleerde virtuele versie van een vier-emmerfundatie die eerder in een laboratoriumtank is getest. Door slechts een paar bodemparameters binnen realistische grenzen aan te passen, reproduceert de simulatie de gemeten invaldiepte onder eigen gewicht, de extra kracht nodig om de fundatie naar een doeldiepte te duwen, en hoeveel helling wordt gecorrigeerd wanneer op de hogere emmer een milde zuiging wordt toegepast.

In de zeebodem kijken tijdens het uitlijnen

Met vertrouwen in het model gebruiken de auteurs de temperatuuranalogie om in de grond te kijken tijdens het uitlijnen, iets dat in het laboratorium niet mogelijk is. Zij bevriezen de beweging van de emmers op verschillende belangrijke momenten en berekenen het stationaire doorstromingspatroon rond een paar emmers. De resultaten tonen dat veranderingen in poriewaterdruk geconcentreerd zijn onder en dicht bij de emmer waar zuiging wordt toegepast, en dat die veranderingen dieper naar beneden verspreiden dan zijwaarts. De hoogste watersnelheden doen zich voor bij de emmerrand, vooral langs de binnenwand, terwijl de stroom in het middengebied binnen de emmer veel langzamer is. Naarmate de emmers dieper doordringen, nemen deze doorstromingssnelheden geleidelijk af, wat suggereert dat diepere inbouw iets sterkere zuiging toelaat zonder bodemdeformatie te veroorzaken.

Wat dit betekent voor offshore ontwerp

In eenvoudige bewoordingen levert de studie een snelle en praktische manier om uitlijnstrategieën voor meeremmersfundaties digitaal te testen in plaats van alleen te vertrouwen op kostbare tanktesten. Binnen zijn beperkingen—langzame, verzadigde omstandigheden en een vereenvoudigd bodemmodel—kan de benadering voorspellen hoeveel een gekantelde fundatie zal bewegen wanneer zuiging wordt aangepast en waar in het omringende zand doorstroming het intensst is. Dit geeft ingenieurs een hulpmiddel om installatieplannen te verfijnen, het risico op excessieve helling of lokale bodemeroderende effecten te verminderen en beter te begrijpen hoe deze emmerclusters met de zeebodem interacteren naarmate offshore wind en andere maritieme constructies naar diepere wateren uitbreiden.

Bronvermelding: Gao, K., Cheng, Z., Yu, K. et al. A CEL simulation approach for penetration-leveling of the multi-bucket foundation incorporating the temperature analogy method. Sci Rep 16, 16165 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-45440-1

Trefwoorden: fundaties voor offshore wind, meeremmersfundatie, bodemdoorstroming, numerieke simulatie, zeebodemtechniek