Analysis of Dropped Objects on Offshore Installations
Master thesis
Permanent lenke
https://hdl.handle.net/11250/3019857Utgivelsesdato
2022Metadata
Vis full innførselSamlinger
- Institutt for marin teknikk [3397]
Sammendrag
Denne masteroppgaven tar for seg den strukturelle responsen av et avstivet panel etter støt fra fallende laster, med hovedvekt på en fallende container. Responsen er funnet ut fra den ikke-lineær elementmetoden med programvaren Abaqus/eksplisitt. En typisk container og dekkstruktur er modellert i Abaqus ved bruk av ekstruderte skall. Forskjellige støtscenarioer er analysert med hovedvekt på energi-absorpsjonen og skaden mellom containeren og dekket. Mesteparten av analysene er utført dynamisk med både deformerbar container og dekk for å oppnå en realistisk respons.
Et overblikk over relevante objekter som vanligvis løftes over plattform dekk er presentert. Dette er ofte utstyr som løftes i containere eller løfterammer. Litteraturstudie av typiske frekvenser for løftede objekter er gitt, men viste seg å være vanskelig. De er enten konfidensielle eller så er statistikken utdatert. Typiske kinetiske energier involvert er regnet ut basert på forenklede beregninger for forskjellige masser og fallhøyder. En 20 tonns container fra en fallhøyde på 24 meter resulterer i en støtenergi på 4.71MJ. For en standard 10 000 tonns sideveis drivende skipskollisjon er støtenergien på 28MJ, noe som gir en indikasjon på at 4.71MJ er en betydelig energi og kan føre til fatale konsekvenser.
Scenarioer for fallende laster er gitt, der mest kritisk vil være å treffe kritisk utstyr under dekk. Dette kan blant annet være tanker eller hydrokarbonrør og kan føre til eksplosjon eller brann. Typiske dekk-konfigurasjoner er også presentert. Utstyret er generelt løftet direkte via korteste og tryggeste vei, så lavt som mulig. Dekket består ofte av plasser laget for nedsenking og løfting av utstyr og forbudte soner. Fallende laster i de forbudte sonene vil kunne føre til katastrofale følger. Kritisk utstyr skal være beskyttet mot fallende laster hvis det er en sannsynlighet for gjennomtrenging i dekket.
Den mest relevante teorien for fallende laster fra DNV-RP-C204, DNV-RP-C208 og DNV-OS-A101 er presentert. Beregning av støtenergien, kraft-deformasjonskurver, lokal knekking og brudd fra DNV-RP-C204 er inkludert. I tillegg er forenklede plastiske metoder for å finne resistansen av det avstivede panelet presentert. Viktigheten av tøyningshastighet og treghetseffekter er diskutert. Effekten av tøyningshastigheten kan inkluderes med Cowper-Symonds modellen som også er diskutert.
I den marine industrien er det ofte brukt en uskreven regel at en viss prosent av energien er absorbert av containeren. Denne antagelsen kan gi ikke-konservative eller konservative resultater og er veldig usikker å bruke. For enkelthetsskyld er det ofte antatt at containeren ikke kan deformere seg, noe som kan resultere i en urealistisk respons av panelet. Resultater fra Abaqus viser at rundt 32-62% av total plastisk tøyningsenergi er absorbert av containeren. Dette er fra de valgte støtscenarioene, men vil gi oss en indikasjon på andelen energi containeren kan absorbere. Den nøyaktige prosenten avhenger av støtvinkel og støtsone på panelet. Det er dermed konkludert at å anta at containeren ikke kan deformere seg kan være veldig konservativt og urealistisk. Resultatene er videre sammenlignet med skaden på panelet fra en analyse der containeren ikke kan deformere seg. I tillegg, er total gjennomtrenging av dekket funnet for de ulike støtscenarioene der den verste resulterer i en gjennomtrenging på nesten 1.4 meter.
Videre er en parametrisk studie av dekkstrukturer utført for å fastslå effekten det har på den strukturelle resistansen til panelet. Det er ønskelig at containeren skal absorbere så mye som mulig av energien og at panelet blir designet slik at dette er mulig. Studien er utført ved å forandre på stiverstørrelsen, bærerstørrelsen, platetykkelsen, stiveravstanden og den tverrgående bæreravstanden. Et skript er utviklet for å raskt kunne endre geometrien i dekket uten å måtte modellere på nytt. Endring i stiverstørrelse, bærerstørrelse, platetykkelse, stiveravstand og bærer-avstand er gjort så den totale vekten av panelet øker likt for hver endring. Bakgrunnen er at kostnaden av stål er antatt et relevant mål for å designe panelet effektivt mot fallende laster. Effekten av å endre geometrien er avhengig av støtscenarioet. Endring av stiver- og bærerstørrelsen er effektiv for container fallende 45 grader mellom to stivere med nederste hjørne først, mens fallende med nederste horisontale bjelke første gir neglisjerbar økning i styrken av panelet. Endring av platetykkelsen og stiveravstanden er også effektivt for container fallende med nederste hjørne først. Endring av den tverrgående bæreravstanden er effektivt for container fallende 45 grader med hele fronten først, mens endring av stiveravstanden resulterer i en lavere andel energi absorbert av containeren.
Kvasi-statiske analyser er inkludert der containeren er tvunget ned med en konstant hastighet. Sensitivitetsanalyser av meshstørrelse, grensebetingelser, friksjonskoeffisient, masse av container og hastighet av container er inkludert. Videre er deformasjonsmekanismer fra den ikke-lineære elementmetoden analysen sammenlignet med teorien. I tillegg er den strukturelle responsen i panelet funnet med håndberegninger ved bruk av plastisk teori med flyteledd og med membraneffekter ved hjelp av teori fra DNV-RP-C204. Plastisk teori med flyteledd resulterer i en betydelig undervurdering av resistansen i panelet, mens resultatene der membraneffektene er inkludert korresponderer bra til resultatene fra elementmetoden i Abaqus. The present master's thesis assesses the structural response of a stiffened panel due to impact from dropped objects, with emphasis on a falling container. The response is carried out using the non-linear finite element software Abaqus/Explicit. A typical container and deck structure are modelled in Abaqus using extruded shells. Different impact scenarios are analysed with emphasis on the energy absorption and damage between the container and the deck. Most of the analyses are performed dynamic with deformable container and deck to obtain a realistic structural response.
An overview of relevant objects which may be lifted above platform decks is presented. This will most often be equipment lifted in containers or lifting frames. A literature study of typical frequencies of the lifted object is given, but is shown to be difficult to obtain. This is since it is either confidential or the statistics are old. Typical kinetic energies involved are calculated based on simplified calculations for different impact mass and drop heights. A 20Te container from a drop height of 24m results in an impact energy of 4.71MJ. For a standard 10 000Te sideways drifting ship collision the impact energy is 28MJ, which indicates that 4.71MJ is a significant high energy and could lead to fatal consequences.
Scenarios for dropped objects are given, among the most critical could be hitting critical equipment below deck. The critical equipment could be tanks, hydrocarbon pipelines etc, and may lead to explosion and fire. Typical deck configurations are also presented. The equipment is in general lifted directly by the shortest and safest way, as low as possible. The deck often consists of several laydown areas and forbidden zones. Objects falling into forbidden zones may result in catastrophic consequences. Critical equipment should be protected by dropped object protection if it is a probability of penetrating the deck in case of a dropped object.
The most important from DNV-RP-C204, DNV-RP-C208 and DNV-OS-A101 in relation to dropped objects is presented. From DNV-RP-C204 the calculation of impact energy, force-deformation curves, local buckling and tensile fracture in yield hinges is included. In addition, a review of simplified plastic methods used to assess the resistance of the stiffened panel is given. The importance of strain rate and inertia effects is included with a review of methods that include these effects. The effect of strain rate may be included by the Cowper-Symonds model which is discussed in this report.
In the marine industry many use an informal norm saying that a certain percentage of the energy is absorbed by the container. This assumption can result in non-conservative or conservative results and is very uncertain. The container is often assumed rigid for simplicity, which may result in an unrealistic response of the panel. Results from Abaqus show that around 32-62% of the total plastic dissipation energy is absorbed by the container. This is for the chosen impact scenarios, but will give an indication of the amount of energy the container will be able to absorb. The exact value is dependent on the impact angle and impact location on the panel. It is hence concluded that assuming a rigid container may be very conservative and unrealistic. The results are further compared with the deck damage caused by a rigid container. In addition, the final indentation of deck for the different impact scenarios are found where the worst results in almost 1.4m indentation of the deck.
Further, a parametric study of the deck structure is performed to determine the effect on the structural resistance of the panel. It is desirable to obtain a high energy absorption in the container and the panel should be designed such that this is possible. The parametric study is performed by changing the stiffener size, girder size, plate thickness, stiffener spacing and transverse girder spacing. A script is developed to be able to easily change the geometry of the deck structure instead of remodelling. Each change in stiffener size, girder size, plate thickness, stiffener spacing and girder spacing is done such that the total weight of the panel is increased the same amount for each change. The background is that the cost of steel is assumed a relevant measure to design the panel efficient for dropped objects. The effect of changing the geometry is found to be dependent on the impact scenario. Changing the stiffener size and girder size is efficient for container falling 45 degrees between two stiffeners with one bottom edge first, while falling with the bottom horizontal beam first shows a negligible increase in the strength of the panel. Changing the plate thickness and stiffener spacing is also efficient for container falling with one edge first. Changing the transverse girder spacing is efficient for container falling 45 degrees with the whole front first, while changing the stiffener spacing results in a decrease in the energy absorption of the container.
Quasi-static analyses are included where the container is forced down with constant velocity. Sensitivity studies of mesh size, boundary condition, friction coefficient, impact mass and impact velocity is included to ensure accurate results. Further, deformation mechanisms from the nonlinear finite element analysis are compared to theory. In addition, the structural response in the panel is assessed with hand calculation using plastic theory with yield hinges and including membrane effects corresponding to theory from DNV-RP-C204. Plastic theory using yield hinges results in a significant underestimation of the resistance of the panel, while the results including membrane effects correspond quite well with the results from the finite element analysis.