Ship Collision and Earthquake Analysis of Monopile Offshore Wind Turbines

Abstract

Offshore vindindustri har opplevd en hurtig utvikling de siste årene. På bare to tiår har turbinene vokst fra å være relativt små til å bli enorme strukturer på flere hundre meter som genererer strøm til tusenvis av mennesker. Den innledende delen av denne rapporten beskriver utviklingen av havvind-turbiner som har blitt gjort de siste årene. Økningen i størrelse, vanndybde og avstand til land brukes til å presentere de potensielle utfordringene dette kan medføre. I dette tilfellet er utfordringen skipskollisjoner med fartøyer som opererer i nærliggende områder. Skipskollisjoner med vindturbiner er av interesse fordi det kan forårsake økonomisk tap, materielle skader og i verste fall skader på mennesker.

Hoveddelen av denne avhandlingen tar for seg endelig elementmodellering og analyser av en offshore vindturbin utsatt for skipskollisjoner, i tillegg til en jordskjelvhendelse. Vindturbinen blir analysert i både parkert og operasjonell tilstand. Hovedmålet er å undersøke vindmøllens forskjellige responser, og finne ut om noen av de er kritiske når det gjelder strukturens integritet. Modelleringen og analysene har blitt utført ved hjelp av dataprogrammene USFOS og LS-DYNA. Skipet som brukes til kollisjonene er et standard forsyningsfartøy på 7500 tonn. To kollisjonshastigheter på 3m/s og 5m/s har blitt undersøkt. Dette tilsvarer en initiell kinetisk energi på 37MJ og 103MJ for sammenstøtet. Skipet er modellert for å kollidere i massesenteret til overgangsstykket mellom monopælen og tårnet til vindturbinen. Dette er en konservativt tilnærmelse.

Resultatene viser at vindturbinen generelt har høy motstand mot global kollaps for alle de studerte scenariene. De mest kritiske resultatene når det kommer til svikt av turbinen er spenningene som oppstår i nedre og midtre del av tårnet, og akselerasjonen av nacellen på toppen av tårnet. Monopælen og overgangsstykket mellom denne og tårnet ble mindre påvirket av lastene. Utnyttelsen av jordkapasiteten ble funnet til å være høy for de øverste lagene, men betydelig mindre i de dypere lagene. Effekten av den operasjonelle tilstanden viste seg å ha positiv effekt på jordutnyttelsen og en negative effekt på momentkraften i bunnen av tårnet.

For de mest kritiske tilfellene ble det oppservert noe lokal buling i bunnen og den midtre delen av tårnet for henholdsvis den største kollisjonen og jordskjelvet. Selv om dette oppsto, førte det ikke til at strukturen kollapset. For å undersøke kollapsmekanismen til vindturbinen ble knekkingen utløst enten ved reduksjon av veggtykkelse eller økning av påført last. Alle kollapsmekanismene som oppsto var ønskelig, siden de førte til at vindturbinen falt i motsatt retning av det kolliderende skipet.

The offshore wind industry has shown rapid development in recent years. In only two decades, the turbines have grown from being relatively small to becoming huge structures of several hundred meters, generating power for thousands of people. The first part of this report describes the development of the offshore wind turbines in recent years. The increase in size, water depth and distance to shore is used to present the potential challenges it may cause concerning ship impacts from vessels operating in the same area. Ship impact events are of interest as it causes economic loss, property damage, and at worst human injuries.

The major part of this thesis considers finite element modeling and analyses of a monopile supported offshore wind turbine, subjected to ship impacts and an earthquake event. Both parked and operating conditions of the turbine are considered. The main goal is to investigate the different responses of the wind turbine, and to find out if any of the responses are critical concerning the structural integrity. The modeling and analyses are performed using the computer programs USFOS and LS-DYNA. The ship used for the collision is a standard supply vessel of 7500 tons displacement, with a bulbous bow. Two impact velocities of 3m/s and 5m/s are investigated, corresponding to an initial kinetic energy of 37MJ and 103MJ. The ship is modeled to collide head-on in the center of mass of the transition piece of the wind turbine, which is a conservative approach.

The results showed that the offshore wind turbine, in general, has a high resistance against global collapse for all the studied scenarios. The most critical results concerning the failure of the turbine were found to be the forces in the bottom and mid part of the tower and the accelerations of the nacelle. The monopile and transition piece were less affected. The soil utilization was found to be high in the upper layers, but considerably lower in the deeper layers. The operating condition proved to have a positive effect on the soil utilization and a negative effect on the moment force in the bottom part of the tower.

For the most critical scenarios, the tower experienced some local buckling in the bottom and middle part for the collision and earthquake, respectively. However, this did not cause a collapse of the structure. In order to investigate the collapse mechanisms, buckling in these sections were triggered by either reducing the thickness or increasing the loads. All collapse mechanisms were found to be desirable, as they resulted in the wind turbine falling away from the vessel.