Structural Dynamics of Subsea Structures in Earthquake Prone Regions

Abstract

Med utviklingen som har funnet sted innenfor den norske oljebransjen de siste årene har både teknologien og utfordringene blitt mer komplekse. Subsea-operasjoner har blitt mer vanlig og gir utslag i at det på havbunnen i mange felt er sammenkoblede systemer av konstruksjoner. I relasjon til seismisk aktivitet reises da spørsmålet om disse systemene med brønner, rør og andre konstruksjoner kan tåle å bli utsatt for et jordskjelv av en viss størrelse. For å ta et steg i retningen av å besvare dette spørsmålet, dreier denne hovedoppgaven seg om studien av en beskyttelseskonstruksjon som utsettes for grunnakselerasjoner funnet ved probabilistisk evaluering av valgte jordskjelvdata tilgjengelig for den norske kontinentalsokkelen.Den valgte konstruksjonen er lokalisert i Åsgårdfeltet på Haltenbanken vest for midt-Norge. Det er en ganske liten og slank konstruksjon hvis funksjon er å beskytte oljeinstallasjoner fra eventuelle skader forårsaket fra trål og fallende objekter i forbindelse med fiskeriindustrien. I modelleringen av konstruksjonen vurderes den som et produkt av tre forskjellige systemer. Det første systemet er konstruksjonen alene, det andre systemet er jordsystemet og det tredje er fluidsystemet. Dermed ble tre modeller laget der de forskjellige systemegenskapene (fjærer/dempere, hydrodynamiske krefter) ble introdusert stegvis.For å undersøke konstruksjonens respons i forhold til påsatte grunnakselerasjoner, måtte representative tidsrekker for jordskjelv brukes. Disse tidsrekkene ble funnet ved hjelp av probabilistisk vurdering av en syntetisk jorskjelvkatalog. Denne jordskjelvkatalogen ble generert ved å bruke Gutenberg-Richter relasjonen, og de tilhørende parametrene og områdene de gjelder for ble funnet i en rapport angående seismisk inndeling av Norge \cite{zonation}. Jordskjelvparameteren som ble valgt var maksimum grunnakselerasjon (PGA) i både horisontal og vertikal retning estimert ved en relasjon funnet av Ambraseys, med flere \cite{ambhor}\cite{ambver}. Videre ble ordningsstatistikk brukt på de genererte PGA-verdiene ved å bruke Gumbels fordeling for maksima. De resulterende PGA-verdiene i horisontal og vertikal retning ble så brukt for å finne en passende tidsrekke for akselerasjon i en database over jordskjelv for Europa og Midtøsten \cite{esmd}. Deretter ble disse akselerasjonene påsatt de tre modellene og responsen ble evaluert ved ikkelineær direkte implisitt integrasjon. Videre ble en modal analysis av responene utført på den fullt neddykkede modellen for sammenlikningens skyld. Enda en tidsserie ble også påsatt den fullt neddykkede modellen som ble generert basert på det området med høyest seismisk aktivitet, funnet i rapporten nevnt ovenfor for å vurdere det verst tenkelige tilfellet.Resultatene av disse analysene viste at med introduksjon av jord-konstruksjon-interaksjon modellert ved fjærer og dempere, så økte forskyvningene sammenliknet med den fast innspente modellen (konstruksjonen alene). Videre så økte forskyvningene ytterligere ved å introdusere hydrodynamiske krefter. På grunn av små forskyvninger dominerte treghetskreftene responsen for den neddykkede modellen. Med tanke på konstruksjonens oppførsel så ble konstruksjonen nesten ikke affisert av de påsatte grunnakselerasjonene - som er et godt tegn. Imidlertid er det vanskelig å konkludere hvordan andre typer konstruksjoner som rør og platformer ville ha respondert hvis de ble utsatt for de samme grunnakselerasjonene ettersom disse har mye større dimensjoner og annerledes geometri.