Seaquake Response of a Floating Wind Turbine

Abstract

For å kunne utnytte tilgjengelige energiressurser tilknyttet havvind, utvikles flytende vindturbiner for å overkomme utfordringene relatert til vanndybde for bunnfaste turbiner. Gjennom det Horizon 2020 støttede LIFES50+ forskningsprogrammet, ble et plattform-konsept kalt "OO-Star Wind Floater" valgt ut som en kandidat for videre utvikling og full-skala testing. Plattform-konseptet er utviklet av Dr. techn. Olav Olsen (OO). I denne oppgaven er effektene på grunn av seismisk aktivitet i sjøbunnen på en flytende vindturbin og dets forankringssystem studert. I tillegg er responsen av et nytt og innovativt ankerdesign for flytende vindturbiner, på grunn av jordskjelv-eksitasjon i sjøbunnen, studert. Navnet på ankerdesignet er "OO-Anchor" og er også utviklet av OO. Vertikal jordskjelv-eksitasjon i sjøbunnen genererer trykkbølger i vann, som propagerer mot vannoverflaten. Propageringen av trykkbølger i vann i forbindelse med jordskjelv kalles et sjøskjelv. Spesifikke verdier for vanndybde, oseanografi og meteorologiske forhold brukt for modelleringen er hentet fra en LIFES50+ rapport, som beskriver forhold ved Gulf of Maine på østkysten av USA.

Trykket som oppstår under et sjøskjelv blir bestemt ved hjelp av akustiske finite element (FE) modeller i Abaqus. Akselerasjoner målt under jordskjelvet Loma Prieta 18. Oktober 1989 i California blir brukt for alle studiene i oppgaven. Flere én-dimensjonale akustiske modeller utvikles og valideres mot tilsvarende analytiske løsninger. En to-dimensjonal akustisk FE modell utvikles, hvor plattformen til den flytende vindturbinen representeres av et fastholdt stivt legeme. Ingen kobling mellom bevegelsen til plattformen og trykket under bunnen av strukturen er tatt hensyn til i de akustiske modellene. Vertikale akselerasjoner er påført bunnen av de akustiske modellene, og trykket under plattformen blir hentet ut. Sjøskjelvlasten blir bestemt ved å integrere trykket over bunnen av plattformen. Lastene påføres deretter som konsentrerte krefter i en SIMA modell av vindturbinen, hvor kobling mellom plattform-bevegelsen og det omkringliggende vannet er inkludert.

Sjøskjelvlasten i SIMA-modellen blir skalert, for å undersøke hvilke vertikale akselerasjons-amplituder ved sjøbunnen som gjør at effektene av sjøskjelvbelastningen på plattformen blir viktig for ulike komponenter av vindturbinen. Responsen på grunn av miljølaster som vind, strøm, og bølger blir også undersøkt og brukes som referanse for responsen under sjøskjelv. Betraktelige vertikale akselerasjoner kan oppstå i nacellen på grunn av amplifikasjon av plattform-akselerasjonene gjennom tårnet. Nacelle-akselerasjonene overskrider en vanlig operasjonell grense på 0.2-0.3g for alle betraktede skaleringer av vertikal akselerasjon ved sjøbunnen. Dette burde tas med i betraktning under dimensjonering av flytende vindturbiner i områder med høy seismisk aktivitet. Moderate spenninger oppstår i tårnet på grunn av sjøskjelv. Strekk i ankerliner, på grunn av plattformbevegelse under sjøskjelv, overskrider ikke dimensjonerende strekk basert på respons på grunn av store miljølaster. Ankerlinene opplever dog null strekk under sjøskjelv, som muligens kan føre til smell i enkelte kjetting-lekker.

Ankerdesignet er studert med tanke på interaksjon mellom jord og struktur under et jordskjelv. Et utgangspunkt for geometrien til ankeret er foreslått av OO. Platetykkelser er bestemt basert på analyser som betrakter geostatiske spenninger, gitt av en Plaxis modell som inneholder strukturen og et generelt jordprofil, i tillegg til en dimensjonerende ankerlast anbefalt av OO. En modell for jord-struktur-interaksjon, som inneholder ankeret og jordprofilet, er etablert i Abaqus. Forskjellige alternativer for modellering av jorden og ankeret er undersøkt og validert mot teoretiske løsninger. Horisontale og vertikale akselerasjoner introduseres i bunnen av jordprofilet i modellen. De resulterende spenningene i ankeret og forskyvningene av jorden rundt strukturen er betraktet. Tilleggsspenningene på grunn av jordskjelv fører til overskridelse av kapasiteten til enkelte komponenter av ankeret. Forskyvningene og tøyningene i jorden viser at det er mulig at ankeret kan bli dratt ut av sjøbunnen i løpet av et jordskjelv. Disse resultatene tilsier at effekter på grunn av jordskjelv burde tas i betraktning for ankerets utforming.

In order to further exploit available offshore wind for energy production, floating wind turbines (FWT) are being developed to surpass the challenges w.r.t. water depth for bottom fixed turbines. Through the Horizon 2020 funded LIFES50+ research program, a platform concept for wind turbines, called the "OO-Star Wind Floater", was chosen as a candidate for further development and full-scale testing. The platform concept is developed by Dr. techn. Olav Olsen (OO). In this thesis, the effects on an FWT and its mooring system, due to seismic activity in the seabed, are studied. Moreover, the response of an innovative new anchor design for FWT's during earthquake excitation in the seabed is studied. The design is called the "OO-Anchor" and is also developed by OO. The vertical earthquake excitation of the seabed generates pressure waves in the water, propagating towards the water surface. The propagation of pressure waves in water resulting from an earthquake is referred to as a seaquake. Specific values regarding ocean depth, oceanography and meteorological conditions used for the modelling purposes are collected from a LIFES50+ report, describing conditions at the Gulf of Maine on the east coast of the United States.

The pressure during a seaquake is determined using acoustic finite element (FE) models in Abaqus. Accelerations measured during the Loma Prieta earthquake on October 18th, 1989 in California are considered for all of the studies in the thesis. Several one-dimensional acoustic models are developed and validated against corresponding analytical solutions. A two-dimensional acoustic FE model is then developed, where the platform of the FWT is represented by a rigid body. No coupling between the motion of the platform and the pressure under the structure is accounted for in the acoustic models. Vertical accelerations are applied at the bottom of the acoustic models and the resulting pressure under the platform is extracted. The seaquake loading is determined by integrating the pressure over the area of the bottom of the platform. This seaquake loading is then applied as concentrated forces in a SIMA model of the FWT, where coupling between the motion of the platform and forces from the surrounding water is included.

The seaquake loading in the SIMA model is scaled, to investigate for which peak vertical accelerations (PVA) at the seabed the effects due to seaquake become important for the capacity of the components of the FWT. The response due to environmental loads, such as wind, current and waves, is also studied and used as a reference for the seaquake response. Considerable vertical accelerations can occur in the nacelle due to amplification of the platform accelerations through the tower. The nacelle accelerations exceed a commonly used operational limit range of 0.2-0.3g for all of the considered PVA's of the seabed. This should be taken into account for the design of FWT's in regions prone to seismic activity. Moderate stresses occur in the tower during a seaquake. The mooring tensile forces, due to motion of the platform during a seaquake, do not exceed the design tension obtained by considering harsh environmental conditions. However, the mooring lines experience zero tension during seaquake, which could cause snap-tension.

The anchor design is studied w.r.t. soil-structure interaction (SSI) effects during an earthquake. An initial geometry of the anchor is proposed by OO. Plate thicknesses are determined based on analyses considering geostatic stresses from a Plaxis model comprising the structure and a general soil profile, in addition to a design mooring tension recommended by OO. An SSI model of the anchor and the soil profile is established using Abaqus. Several modelling options for the soil and the anchor are investigated and validated against theoretical solutions. Horizontal and vertical accelerations are applied at the bottom of the soil profile in the SSI model. The resulting stresses which occur in the anchor, and the displacements of the surrounding soil are studied. The additional stresses due to earthquake accelerations results in exceedance of the capacity of certain components of the anchor. The soil displacements and -strains indicate that the anchor could be pulled out of the seabed during earthquake excitation. These results suggest that the effects of earthquakes should be taken into account for the design of the anchor.