Étude numérique des effets de chargements stochastiques sur l'interaction sol–pieu dans les monopieux offshore // Numerical Investigation of Stochastic Loading Effects on Soil - Pile Interaction in Offshore Monopiles

L'éolien offshore, l'une des sources d'énergie renouvelable majeures, est appelé à jouer un rôle clé dans la transition énergétique mondiale. Avec une capacité mondiale projetée de 441 GW d'ici 2034, l'optimisation des fondations, notamment des monopieux de grand diamètre, est cruciale pour réduire le coût actualisé de l'énergie (LCOE) et renforcer la compétitivité du secteur.

Les méthodes traditionnelles de conception reposent sur des approches déterministes, limitées dans leur capacité à capturer les effets complexes et à long terme des environnements marins stochastiques. Cela peut conduire à des conceptions trop conservatrices, augmentant les coûts, ou à une sous-estimation des risques, affectant la fiabilité et la durée de vie des structures.

Cette thèse vise à combler le fossé entre simulations avancées des charges aéro-hydrodynamiques et modélisation géotechnique haute fidélité, en développant un cadre numérique intégré pour prédire la performance des fondations dans des conditions océaniques réalistes et à long terme. Le projet contribuera à un déploiement rentable de l'éolien offshore, soutiendra la compétitivité industrielle, renforcera la sécurité énergétique et favorisera la transition vers un système bas carbone et socialement responsable.

Le programme de 36 mois se structure autour de quatre axes :

État de l'art et revue critique : collecte et synthèse des données sur l'interaction sol–pieu (laboratoire, centrifugeuse, essais sur site comme SOLCYP, PISA et MUTANC), analyse critique des méthodes de conception actuelles et identification des limites sous charges cycliques et stochastiques.

Simulation de charges stochastiques : utilisation d'outils aéro-hydro-servo-élastiques (OpenFAST ou similaires) pour générer des séries temporelles de vent et vagues représentatives des conditions extrêmes et opérationnelles, fournissant des conditions aux limites réalistes pour les analyses géotechniques.

Modélisation 3D par éléments finis et analyse couplée : développement de modèles tridimensionnels haute fidélité, calibrés sur données expérimentales, pour représenter le comportement non linéaire et cyclique des sables offshore sous charges latérales. Couplage avec les séries temporelles de charges pour un cadre intégré sol–structure réaliste.

Outils de conception et applications pratiques : développement de méthodes simplifiées adaptées à la pratique, améliorant la prédiction des déplacements, la dégradation de la raideur et les effets cycliques, et adaptant les méthodes existantes pour les fondations de pieux offshore.
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As one of the most essential renewable energy sources, offshore wind is expected to play a pivotal role in the global energy transition. With global offshore wind capacity projected to reach 441 GW by 2034, optimizing foundation designs - particularly for large-diameter monopiles - has become crucial to reducing the Levelized Cost of Energy (LCOE) and enhancing the competitiveness of the sector.

Traditional design approaches typically rely on deterministic methods, which remain limited in their ability to capture the complex, cumulative, and long-term effects of stochastic marine environments. This limitation may lead either to overly conservative designs, increasing construction costs, or to underestimated risks, potentially affecting structural reliability and service life.

This PhD research aims to bridge the gap between advanced aero-hydrodynamic load simulations and high-fidelity geotechnical response modelling. The objective is to develop an integrated numerical framework capable of accurately predicting foundation performance under realistic, long-term oceanic and environmental conditions. Beyond its scientific contribution, the project carries significant economic and societal implications. By improving design reliability while reducing unnecessary conservatism, the research will contribute to cost-effective offshore wind deployment, support industrial competitiveness, enhance energy security, and facilitate the transition toward a low-carbon and socially responsible energy system.


The successful candidate will undertake a 36-month research programme structured around the following key pillars:

1. State of the Art and Critical Review:
The project will begin with the systematic collection, critical review, and synthesis of lateral soil-pile interaction data from international literature and established databases. This includes laboratory element tests, centrifuge modelling, and full-scale field investigations (e.g., SOLCYP, PISA, and MUTANC frameworks). The objective is to establish a comprehensive reference dataset for model calibration and validation. In addition, the candidate will critically analyze current pile design methods, assessing their underlying assumptions, advantages, and limitations, particularly in the context of cyclic and stochastic loading.

2. Stochastic Load Simulation (Wind and Wave):
Using advanced aero-hydro-servo-elastic tools (e.g., OpenFAST or similar platforms), the researcher will simulate stochastic wind and wave loading conditions. The objective is to generate realistic load time series representative of both extreme and operational sea states. These simulations will provide reliable and physically consistent boundary conditions for subsequent geotechnical analyses.

3. 3D Finite Element Modelling and Coupled Analysis:
A central innovation of this thesis lies in the development of high-fidelity three-dimensional finite element models. The researcher will implement and calibrate advanced constitutive models based on the compiled experimental data, enabling accurate representation of the nonlinear and cyclic behaviour of offshore sands under lateral loading. Particular emphasis will be placed on coupling the geotechnical FEM models with the stochastic load time series generated in Task 2, ensuring an integrated and realistic soil–structure interaction framework.

4. Design Tool Development and Engineering Applications:
Building upon the coupled stochastic-FEM simulations, the project will develop simplified design approaches suitable for engineering practice. This includes the adaptation and improvement of existing offshore pile foundation design methods. The candidate will contribute to enhanced prediction tools, incorporating cyclic effects, stiffness degradation, and long-term displacement accumulation under stochastic marine loading.
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Début de la thèse : 01/10/2026

Programmes gouvernementaux hors France et Union Européenne

Université de Lille

632 ENGSYS Sciences de l'ingénierie et des systèmes

Les candidats doivent être titulaires d'un master en Génie Géotechnique, Génie Civil ou Mécanique Numérique. Ils doivent démontrer une solide expérience en modélisation par éléments finis, de préférence avec ABAQUS, et posséder une bonne maîtrise des modèles constitutifs avancés des sols. Une connaissance préalable de OpenFAST ou d'outils similaires de simulation aéro-hydro-servo-élastique est fortement souhaitée. La capacité à synthétiser et analyser de manière critique des données issues de sources expérimentales variées, y compris la modélisation en centrifugeuse et les essais sur site à grande échelle, sera considérée comme un atout majeur. Les candidats doivent être proficients en anglais et posséder de fortes compétences en programmation en MATLAB, et/ou Python, et/ou Fortran, et/ou C++. La capacité à travailler efficacement au sein d'une équipe de recherche interdisciplinaire est essentielle.
Candidates should hold a Master's degree in Geotechnical Engineering, Civil Engineering, or Computational Mechanics. They must demonstrate strong experience in finite element modelling, preferably using ABAQUS, and have a solid understanding of advanced soil constitutive models. Background knowledge of OpenFAST or similar aero-hydro-servo-elastic simulation tools is highly desirable. The ability to synthesize and critically analyze data from diverse experimental sources-including centrifuge modelling and full-scale field tests-will be considered a significant asset. Candidates should be proficient in English and have strong programming skills in MATLAB and/or Python/or Fortran/or C++. The ability to work effectively within an interdisciplinary research team is essential.