Ice loading on Semi-Submersible: Local Analysis of Structural Response

Abstract

Interessen for Arktis ha vært økende de siste årene, og en økning i aktivitet i denne regionen en setettersom søken etter olje og gass fortsetter. Nye utfordinger oppstår siden miljøet i disse områdene er tøffe og utfordrende. Konstruksjoner designet for operasjoner i Arktis må derfor ta dette i betraktning. Den første delen er en litteraturstudie som gir en introduksjon i forskjellige aspekter ved is fra et ingeniør-synspunkt. Et sammendrag av isegenskaper, ismekanikk og islast-formuleringer for flytende skrogkonstruksjoner er gjennomført for å øke kunnskapen om oppførselen og tilstander man står ovenfor i Arktis. En gjennomgang av utfordringer i beregninger av islaster på vertikale, flytende, flerbente konstruksjoner,såvel som en nærmere kikk på lokale islaster er også gjennomført. Hoveddelen av masteroppgaven består av strukturanalyse av en del av en semi-submersible. Analysene er gjennomført ved bruk av elementmetode-programvaren Abaqus. Platetykkelsen og stiverene er dimensjonert i henhold til IACS Requirements concerning POLAR CLASS, hvor isklassen PC4 er brukt for å sørge for tilstrekkelig isforsterkning. En konvergensstudie ble gjennomført for å finne hvilket element og elementstørrelse som ga korrekte resultater. Konvergensstudien resulterte i valget av S4R-elementer med en elementstørrelse på 100 mm, siden det ga en god balanse mellom korrekt resultat og akseptabel beregningstid. Enda en studie ble gjennomført for å finne konservative grensebetingelser. De nedre grensene ble antatt å være frie til å rotere i vertikal retning, mens alle andre translasjoner og rotasjoner ble fasthold. De øvre grensene ble antatt å være fri til å bevege seg og rotere i vertikal retning, mens alle andre translasjoner og rotasjoner ble fastholdt. Lokale islaster ble beregnet fra tre forskjellige reguleringer. IACS ga et gjennomsnittstrykk på 4.74 MPa over et lastområde på 7.14 m2. Både plater og stivere ble sjekket for å se om den strukturelle integriteten var kompromittert. Platen kunne stå imot denne lasten, med spenninger godt under flytspenning for denne lastbetingelsen. Stiverne viste noe flyt, men siden denne formuleringen er basert på plastiske metoder er noe flyt forventet. Formuleringene av DNV og ISO 19906 ble så sammenlignet, og de mest konservative resultatene ble implementert. Disse lastene ble anvendt over lastområder for plate, stiver, stringer og skott. Plate og stringer erfarte begge flyt med disse designlastene anvendt. Stiver og skott derimot, hadde spenninger under flytgrensen, og ble dermed ansett som sterke nok. Parameterstudier viste at spesielt stringeren behøver mer styrking for å stå imot de store lastene man møter i havområder som inneholder is.

The interest in the Arctic has been increasing over the recent years, and there is an increase in activity in this region as the search for oil and gas continues. New challenges arise since the environment in these areas can be very harsh and challenging. Structures designed for operation in the Arctic has to bedimensioned accordingly. The first section is a literature study that gives an introduction into the subject of ice from an engineering standpoint. A summary of ice properties, ice mechanics and ice load formulations for floating hull structures is made to increase the knowledge about the behaviour and the conditions one is faced with in the Arctic. A review of the challenges in calculating ice actions on vertical, floating, multi-legged structures, as well as a more in depth look at the local ice loads is also performed. The main part of this master thesis is to perform a structural analysis of a section of a semi-submersible. The analyses are performed by use of the finite element software Abaqus. The plate thickness and the stiffeners have been dimensioned according to IACS’ Requirements concerning POLAR CLASS, using ice class PC4 to ensure sufficient ice strengthening. A convergence study was conducted in order to find what element to use and what element size would give accurate results. The convergence study resulted in the choice of S4R-elements with an element size of 100 mm, as that gave a good balance between accurate results and acceptable computational time. Another sensitivity study was performed for the boundary conditions in order to conserve conservatism. The bottom boundary was assumed to be free to rotate in vertical direction, while all other translations and rotations were kept fixed. The top boundary was assumed to be free to translate and rotate in vertical direction, while other translations and rotations were kept fixed. Local ice pressures were calculated from three different regulations. IACS gave an average pressure of 4.74MPa over a load patch of 7.14 m2. Both the plating and the stiffeners were checked to see if the structural integrity had been compromised. The plate could withstand this load, with stresses being well under the yield strength for this load condition. The stiffeners exhibited some yielding, but since this formulation is based on plastic methods, some yielding is expected. The formulations by DNV and ISO 19906 was then compared, and the most conservative results were implemented. These loads were applied over design areas for plating, stiffener, stringer and bulkhead. The plating and stringer both experienced yielding with these design loads applied. The stiffener and bulkhead on the other hand had stresses below yield strength, and was thus deemed sufficiently strengthened. Parameter studies suggested that especially the stringer needed further strengthening to withstand the large loads encountered in ice infested waters.