Modelling and design of Pre/post tensioned reinforced concrete floaters of FOWTs against ship collisions

Abstract

Utviklingen av flytende offshore vind turbiner er nødvendig for den økende etterspørselen av bærekraftig energi. Fremtidens vindparker kan ligge i mer åpne havområder, og utsettes for mer krevende driftsforhold. Det kreves større servicefartøy og øker faren for skipskollisjoner. Trafikk av laste -og passasjerskip nær vindparkene utgjør en ekstra risiko for skipskollisjoner. Denne master oppgaven ser på en numerisk studiet av skipskollisjoner mot en generisk flyter for en flytende offshore vind turbin, konstruert med forspent betong med tre forskjellige tykkelser. Dette har blitt utført ved hjelp av analyse programmet LS-DYNA.

Material oppførselen til armert betong ble undersøkt med LS-DYNA når den utsettes for impulsive belastninger. Tre ulike materialmodeller ble undersøkt (72R3, 84 og 159), og ble validert mot eksperimentelle data fra et forsøk fra litteraturen. Resultatene konkluderte med at material modell 159 ga gode resultater, selv uten mye forkunnskap av betong egenskapene.

Etterspent betong brukes i underkonstruksjonen til vind turbinen, på grunn av høye bøyemomenter fra tårnet. Ulike numeriske modelleringsteknikker har blitt presentert, der \textit{Dynamic Relaxation} metoden er den mest attraktive. Metoden ble brukt på enklere strukturer og validert med resultater fra litteraturen, før implementert i underkonstruksjonen. Forspenningsnivået i de numeriske modellene varier med tykkelsen, men er gjennomsnitt 10 MPa.

Den strukturelle ytelsen til den forspente betongen er undersøkt for ulike skipskollisjon senarioer. Effekten av ulike veggtykkelser (1.2 m, 0.8 m og 0.5 m) ble undersøkt med søkelys på mulig betong svikt. Potensielt skjærbrudd i underkonstruksjonen er sjekket opp mot formuleringer i Eurokode 2 standarden, og bøyebrudd er kontrollert opp mot betongens styrkekapasiteter. Det er lav sannsynlighet for skjærbrudd for den forspente underkonstruksjonen med 0.5 m tykkelse når utsatt for skipskollisjon med det ordinære containerskipet. Situasjonen endres til en høy sannsynlighet for mulig skjærbrudd med null forspenning i konstruksjonen. Total svikt vil derimot ikke oppstå med tykkelse på 0.5 m. Med en sterkere skipstype kan skjærbrudd til og med oppstå for en ikke-forspent konstruksjon med tykkelse 1.2 m. Totalt svikt i betongunderstellet oppstår ved en tykkelse 0.8 m eller lavere uten forspenning. Total svikt er en kombinasjon av skjær -og bøyebrudd, ved at skjærbruddet initierer svikten og bøyebruddet fortsetter den progressive svikten av konstruksjonen. Utvikling av store bøyninger av betongveggen skjer etter innledende penetrasjon på grunn av bulben.

Resultatene tilsier at økt veggtykkelse og spenningsnivå påvirker underkonstruksjonen sin evne til å motstå kollisjonskrefter, og reduserer sannsynligheten for total kollaps. Den relative styrken mellom de involverte strukturene avgjør hvilken konstruksjon som tar opp kollisjonenergien.

The development of floating offshore wind turbines is necessary to meet the increasing demand for sustainable energy. Future offshore wind farms can be located at open ocean areas, introducing harsher operational conditions. This requires larger service vessels, which increases the risk of ship collisions. Traffic lanes of cargo and passenger vessels close to the farms constitute an additional risk of ship collisions. This thesis presents a comprehensive numerical investigation of ship impacts on a generic prestressed concrete Floating Offshore Wind Turbine (FOWT) floater, with three different thicknesses using the LS-DYNA finite element analyses software.

The material behavior of reinforced concrete, particularly when subjected to impulsive loads, was investigated. Three different material models were utilized in the investigation (72R3, 84, and 159), and the accuracy of these models was validated against experimental data from a reinforced concrete beam impact test. The results showed that material model 159 gave reasonable results, even without comprehensive knowledge about the properties of the concrete.

Post-tensioned concrete is used in FOWT substructures, due to high bending moments from the tower structure. Different numerical modeling techniques have been presented, favoring the Dynamic Relaxation method. The method was applied to simpler structures and validated with results from the literature, before being implemented into the FOWT. The obtained prestress level in the numerical model varied with the thickness and was approximately 10 MPa on average.

The numerical investigation explores the prestressed concrete structural performance under ship impact scenarios. The effect of different wall thicknesses (1.2m, 0.8m, and 0.5m) was investigated with a focus on potential failure. Potential punching shear failure of the substructures was checked against standard formulations from Eurocode 2, and the flexural failure was checked against the strength capacity of the concrete. There was a low probability of punching shear failure for the 0.5 m thick prestressed substructure when subjected to an impact with the ordinary container ship. For zero prestress, the situation shifted to a high probability for punching shear failure. When a stronger ship type is applied the punching shear failure can even occur for a 1.2 m non-prestressed concrete substructure. A total failure of the concrete substructure occurs for a thickness lower than 0.8 m without prestress. The total failure is found to be a combination of punching shear, initiating the failure, and flexural failure as the failure progresses. Large bending of the concrete wall occurs after the initial penetration of the ship.

The results indicate that increased wall thickness and the prestress level significantly affect the impact resistance of the substructures, reducing the probability of total failure. The relative strength between the involved structures determines which structure dissipates the impact energy and will therefore experience the most damage.