Fundamental investigations of violent wave actions and impact response

Havkonstruksjoner designes typisk for å tåle de verste stormene som opptrer i løpet av 100 år. Senarioer hvor 100 års bølger bryter, og krasjer inn i søyler og skrog har lenge vært et lasttilfelle som det har vært knyttet særlig stor usikkerhet til. Usikkerheten rundt lasten medfører usikkerhet rundt dimensjoneringen av konstruksjonen. Ny forskning i SLADE KPN prosjektet avdekker at gjeldende designprosedyrer er tildels svært konservative og ikke gir et konsistent sikkerhetsnivå. Det er også et potensial for kostnadsreduksjoner dersom man evner å lage mer nøyaktige designprosedyrer. Designkritiske bølgeslag er så krevende fysiske problemer å kvantifisere nøyaktig at man i stor grad benytter modelltester i havbasseng for å studere dem. Da bygges det en nedskalert modell av konstruksjonen før den settes ut i et basseng hvor den utsettes bølger, strøm og vind. Skroget består oftest av stål og i noen tilfeller av betong. I SLADE KPN prosjektet har vi studert begge deler. I SLADE KPN ble det gjennomført avanserte modellforsøk, og responsberegninger i henhold til eksisterende designpraksis. I forsøkene påmonteres konstruksjonen bølgekraftsensorer i området rett over vannlinjen, der trykkene fra bølgeslag er størst. Trykket måles for å kunne dimensjonere stål- eller betongveggen som skal ta opp disse lastene i full skala. De målte lastene fra de største bølgeslagene påføres da en "finite-element"-modell for at dimensjonerende responser skal kunne beregnes. Utfordringen rundt slike analyser er at de beregnede lastresponsene ofte er meget store. Dette er knyttet til de enorme bølgelastene som måles. Industrien mistenker at beregningene er konservative og at dette fører til overdimensjonering. I forsøk måles lastene på en helt stiv konstruksjon, mens virkelige konstruksjoner deformeres (gir etter) når bølgen treffer konstruksjonen. I SLADE KPN har vi studert hvordan konstruksjonsdeformasjonen demper bølgeslaget og reduserer lastene. Dette har vi studert ved å designe skalerte elastiske modeller av de vanligste konstruksjonstypene i stål og betong. Skalerte modelltester i bølger følger Froude skalering. Når man skal designe elastiske modeller som skal representere generelle konstruksjoner viser skaleringslovene at man bør representere konstruksjonen med andre materialer enn materialet brukt i full skala. Videre er det slik at modelltester som lar seg realisere i store havbasseng krever at modellen er mellom 40 til 60 ganger mindre enn havkonstruksjonen er i virkeligheten. Relevante modell-materialer for stål og betong er forskjellige typer polymer som termoplast. Det er viktig at modell-materialet oppfører seg lineært elastisk nok innenfor spenningsområdet. I SLADE KPN prosjektet brukte vi blant annet moderne 3D-printing kombinert med avansert material modellering for å lage modellene. De elastiske skalerte modellene ble testet i bølgetanker der de ble utsatt for hundreårsstormer hver med varighet på tre timer. Målingene ble sammenlignet med beregnede tøyninger. Resultatene viser at gjeldene beregningsmetodikk gir høyere designtøyninger enn det som ble målt eksperimentelt både for stål og betong. Dette skyldes at dagens designpraksis bruker krefter målt på en stiv konstruksjon, mens virkelige konstruksjoner gir etter litt når bølgen treffer. Resultatene fra SLADE KPN prosjektet er det første i sitt slag som kvantiserer denne effekten, og hvor konservative eksisterende praksis er. Videre i SLADE KPN prosjektet har vi jobbet med matematiske modeller som kan beskrive effekten av konstruksjonsdeformasjoner på de hydrodynamiske bølge slag lastene. Disse lastmodifikasjonene forårsaket av konstruksjonsdeformasjon kan forenkles til å være effekten av hydrodynamisk tilleggsmasse, men også med en mer ubeskrevet effekt som vi har kalt hydrodynamisk slag demping (slam damping). I SLADE KPN har vi studert effekten av slag demping på beregnede tøyninger både for stål og betongkonstruksjoner og funnet at denne effekten er betydelig. De hydroelastiske modell testene som er gjennomført i SLADE KPN prosjektet er de første i sitt slag, hvor man har fått innsikt i nøyaktigheten av beregnede tøyninger basert på bølgekraft målinger. Prosjektet viser at det finnes potensial for kostnadsreduksjoner knyttet til både nybygg og re kvalifikasjon dersom man evner å lage mer nøyaktige designprosedyrer. I SLADE KPN har vi studert den hydroelastiske fysikken inngående og kommet opp med modeller som kan være med på å forklare konservatismen og som kan danne grunnlaget i nye og mindre konservative beregningsprosedyrer. Norge har som ambisjon å bygge ut mye vindkraft. Da er kostnad per installerte vindmølle veldig viktig. Arbeidet med å få ned konservatisme, der konservatismen kan dokumenteres, gir muligheter for kostnadsreduksjoner. I SLADE KPN prosjektet har vi kvantifisert konservatismen i eksisterende beregningsprosedyrer og pekt på fysikk som kan forklare den. Det som gjenstår, er å få denne kunnskapen inn i en ny og mer nøyaktig designmetodikk.

SLADE has documented that the current calculation methodology gives higher design strains than what was experimentally measured for both steel and concrete. Current design practices use forces measured on a rigid structure, while real structures will deform slightly when the wave hits. Furthermore, the SLADE KPN project has developed mathematical models that can describe the effect of structural deformations on the hydrodynamic wave loads. The hydroelastic model tests conducted in the SLADE KPN project are the first of their kind, demonstrating the conservativeness of existing practices and providing new knowledge on the accuracy of calculated strains based on wave force measurements. The project shows that there is potential for cost reductions associated with both new structures and requalification of structures if more accurate design procedures are applied. SLADE results have already been applied in the design of the FPSO for the Wisting field, where the inclined section above waterline was exposed to large wave impact forces. Analyses following the procedure developed in SLADE documented significant hydroelastic effects and avoided costly re-design had present design practices been followed. Norway has the ambition to develop a significant amount of wind power. Therefore, the cost per installed wind turbine is crucial. Working on reducing conservatism, where conservatism can be documented, provides opportunities for cost reductions.

One of the fundamental unresolved problems in design of large volume ocean structures is the accurate prediction of structural response due to wave slamming. Establishing a practical and reliable solution to this problem would make a significant contribution towards safer and more cost-efficient marine operations and installations. Real progress within this field cannot be achieved without the systematic study of practical experience, combined with the development of experimental, numerical and analytical methods. The critical waves causing the largest horizontal slamming loads on ocean structures originates from typical 100 year storms in steep and high sea states. These wave conditions contain massive wave breaking. The present project does not aim at modelling the full problem numerically. The present project will study the local structural response due to steep wave impacts. The emphasis is structural response due to wave slamming on column structures, like offshore and offshore wind structures. The emphasis is on the local structural response due to this type of impacts. This means areas covering parts of a column or walls of the living quarter. The present project will contribute to new knowledge in the field of hydroelasticity and fluid structure interaction. The knowledge on local hydroelastic response of steel structures due to slamming on calm water will be extended in order to describe large plastic deformations. The studies will be compared with original drop tests at a large scale. The knowledge from the drop tests will be used to define original wave tests with flexible local models. These model tests will be compared with a new numerical procedure for calculating response based on slamming force measurements. This in turn will qualify a new procedure for response calculations which can be used by industry.