Structural integrity of Offshore Wind Power Substructures

Abstract

Offshore wind turbine structures are now being developed in relatively deep waters with the purpose of capturing and utilizing the strong winds at sea. The structures must be robust in order to resist extreme loads. To be competitive, a cost reduction in fabrication and installation of wind substructures is necessary and the use of high strength steel has been suggested as one way of achieving this through the design of light-weight structures.

The thesis gives an overview of offshore wind turbine substructure concepts and discusses design solutions, material selection and fabrication methodologies. It identifies the jacket concept as the one best suited for large waters depths.

This thesis focuses on fracture as failure mechanism. Conventional theories on fracture assume that the fracture toughness is characterized by a single parameter. This thesis argues that increased accuracy in predicting the causes of fracture in structures can be obtained by implementing two-parameter fracture mechanics (constraint theory) such as the J-T for elastic material and the J-Q for elastic and elastic‐plastic material.

Three-dimensional finite element simulations fracture mechanics are performed for the MBL model (reference model), three specimen geometries (SENB a/W=0.2, 0.5 and SENT a/W=0.2) with the purpose of quantifying the geometry effects on fracture toughness. In addition, analyses are executed for local Y-joint with different crack sizes (6mm and 10mm) inserted in the brace and chord. Furthermore, the RKR criterion is applied to scale the toughness. In all fracture analyses carried out, the J-integral is used as fracture toughness parameter.

The results from this analysis suggests that a local tubular Y-joint of high strength steel of 460MPa, with surface crack depth of 6 and 10mm and length of 250mm, will not fail by brittle fracture under the load scenarios considered in this thesis.

Offshore vindkraftturbinstrukturer utvikles nå på relativt dypt vann for å utnytte de sterke vindforholdene til havs. Disse strukturene må være robuste for å kunne motstå ekstreme belastninger. Kostnadsreduksjon i fabrikasjon og installasjon er nødvendig for å gjøre havbaserte vindkraftturbinstrukturer konkurransedyktige. Bruk av høyfast stål har blitt foreslått som en metode for å oppnå dette, gjennom konstruksjon av lettvekt strukturer.

Masteroppgaven gir en oversikt over havbaserte vindkraftsubstrukturer med fokus på designløsninger, materialvalg og fabrikasjonsmetoder. Den identifiserer jacket konseptet som best egnet for store dyp. Brudd som feilmekanisme er hovedfokus i oppgaven. Tradisjonelle bruddteorier antar at bruddseighet kan forklares ved hjelp av én parameter. Masteroppgaven hevder at to-parameter bruddmekanikk, slik som J-T for elastisk material og J-Q for elastisk‐plastisk material, vil gjøre det mulig å beregne brudd i strukturer med større nøyaktighet.

Tredimensjonale FE simuleringer ble utført for MBL-modellen (referansemodellen), tre prøvegeometrier (SENB en/W = 0,2, 0,5 og SENT en/W = 0,2) for å kvantifisere geometrieffekter relatert til bruddseighet. I tillegg gjennomføres analyser for et lokalt Y-knutepunkt med ulike sprekkstørrelser (6 mm og 10 mm) satt inn i avstivning og gurt. Videre anvendes RKR kriteriet for å skalere seigheten. I alle bruddanalyser anvendes J-integral som bruddseighetsparameter.

Resultatene fra denne analysen tyder på at sprøbrudd ikke vil inntreffe i en lokal knutepunkt av høyfast stål på 460MPa, med sprekkdybder på 6 mm og 10 mm under de belastningsscenarioene studert i denne oppgaven.