Behavior of plate anchors for offshore floating wind system

Abstract

Det er en global interesse av å utnytte forbybar energi, deriblant havvindturbiner, som har ført til omfattende forskning rettet mot å optimalisere alle aspekter ved vindenergi. Masteroppgaven ser nærmere på forankringen brukt i havvindsystemer og funskjonen knyttet til dem. Fokusert spesifikt på SEPLA - Suction Embedded Plate Anchor - og belysning av dets forankringsprosess. SEPLA plasseres i sjøbunnen ved hjelp av en vakum pele som trekkes ut etter plassering av ankeret. Deretter strammes ankerkjettingen, som er festet i ankeret og den flytende fundamenteringen av vindturbinen. Når ankerkjettingen strammes, begynner ankret sin rotasjon inntil den er forankret i jorden. Under forankringsprosessen, oppstår det visse usikkerheter angående ytelsen til ankeret. Siden den her gjennomgår ulike mengde påført kraft, og jorden omliggende påvirker styrken, kapasitet og plasseringen. For å se nærmere på hva som skjer med ankeret, har forskning gjennomført omfattende numeriske, laboratorie- og sentrifugale tester for å undersøke de påkjenningene ankret utsettes for og kunne bidra til å oppnå en optimal forankring. Det har blitt fastslått at optimalisering av geometri og belastning på ankret er avgjørende, ettersom både geometri og omgivende jord i stor grad påvirker dets oppførsel, inkludert vinkler, plassering og friksjon. Denne avhandlingen undersøker videre disse aspektene, og en makroelementtilnærming har blitt benyttet. Det er en etterligning av en tidligere modell, CASPA, med visse modifikasjoner som er brukt. Flere forsøk med varierende parametere har blitt utført for å sammenligne og analysere effektene de har. Resultatene indikerer at blant annet en større tykkelsen på ankerplaten ikke har en betydelig effekt på kapasiteten under forankringen, i motsetning til den først teknte hypotesen. I tillegg er en forskyvning i anker øyet, til under midten av platen nødvendig for å forankre platen riktig, og lettere hjelpe til med rotasjon. Likevel vil en økning i denne forskyvningen av anker øyet øke rotasjonen som kan føre til at ankret løftes fra sin opprinnelige posisjon inn i svakere jord og miste sin plasseringsdybde. På samme måte gir forskjellige startvinkler lignende effekter, der lavere vinkler resulterer i mer vertikal rettet kraft, men gir dog mindre horisontalt dybdetap. Denne studien har som mål å bekrefte og forsvare viktigheten av riktig geometrivalg for ankers ytelse.

The growing interest in offshore wind turbines has spurred extensive research aimed at optimizing all aspects of wind energy generation processes. This surge in interest arises from the global pursuit of harnessing renewable and abundant wind energy. This thesis delves into the anchoring used in offshore wind systems and the behavior of plate anchors utilized in offshore wind turbines. Specifically focusing on SEPLA - Suction Embedded Plate Anchor - shedding light on its anchoring mechanisms. SEPLA is embedded into the soil through a suction follower, and then the mooring, attached to the floating foundation of the wind turbine, is tightened. As it tightens, the anchor begins its movement until it is securely embedded in the soil. During this keying process, where the chain load is tightened and the anchor begins to rotate, uncertainties arise regarding the anchors performance. The installation process is crucial as it undergoes various stages, with the surrounding soil influencing strength, capacity, and embedment loss. By changing the geometry, chain load angle, and soil conditions this change the impact of the performance. To address this, previous research extensive numerical, laboratory, and centrifuge tests have been conducted to examine the stresses the anchor undergoes, contributing to achieving peak anchorage. It has been determined that optimizing the geometry and load of the anchor is essential, as both the geometry and surrounding soil significantly influence its behavior, including angles, embedment depth, and friction. This thesis further investigates these aspects, and a macroelement approach has been employed. Utilizing a replica of a previous model, CASPA, with certain modifications. Multiple experiments with a specter of parameters have been conducted to compare and analyze the effects. Results indicate that the thickness of the anchor plate does not significantly affect its capacity under the keying, contrary to the initial hypothesis. Additionally, a padeye offset below the midpoint of the fluke is necessary to anchor the plate correctly, facilitating rotation. Yet, increasing this padeye offset will increase the rotation and may cause the anchor to lift from its original position into weaker soil, lose its embedment depth. Similarly, different initial pullout angles yield similar effects, with lower angles resulting in more vertical force but less horizontal depth loss. This study aims to confirm and defend the importance of correct geometry selection for anchor performance.