Utforsking av sjeldne og ukjente belastninger i ekstremt vær: Betydning av eksperimentelle studier

Transkript

1 Utforsking av sjeldne og ukjente belastninger i ekstremt vær: Betydning av eksperimentelle studier Carl Trygve Stansberg, Trondheim 1 Uvær - Store bølger Oseberg GBS plattform (Nordsjøen), Nov 2006 (Kilde: Teknisk Ukeblad

2 Oseberg GBS plattform (Nordsjøen), Nov 2006 (Kilde: Teknisk Ukeblad - (Fra: MMS 3 Innhold - Bakgrunn: Utforsking av sjeldne / ekstreme hendelser til havs - Modellskala eksperimenter - Undersøke fysiske mekanismer i høye bølger - Estimere ekstrem last og respons fra modelltester 4 2

3 Utforsking av sjeldne / ekstreme hendelser til havs Mer kunnskap om fysisk havmiljø (bølger, strøm, vind), og resulterende laster på skip og marine konstruksjoner, er viktig: - Økte aktiviter i utsatte områder - Ukjente forhold i nye områder? - Nye løsninger utvikles - Mulig klimaforverring mer uvær på havet? 5 Ekstreme hendelser - Nye (og eksisterende) installasjoner /skip må konstrueres så de tåler forventede ekstreme laster - Sjeldne (selvsagt) begrenset tilgang på virkelige observasjoner - Fysiske mekanismer forskjellig fra dem i moderat sjø? Hvor godt fungerer tilgjengelige teoretiske modeller? - Probabilistiske metoder trengs hvilke sannsynlighetsfordelinger gjelder? Modellskala eksperimenter kan gi verdifull kunnskap og forståelse 6 3

4 Teoretiske hydrodynamiske modeller og eksperimenter: - Teoretiske/numeriske modeller langt mer avanserte i dag enn for år siden - Skyldes flere ting: Kraftigere og bedre datamaskiner; nye metoder og teoretisk innsikt; læring fra eksperimenter og fullskala - Håndterer moderate forhold bra - Ekstreme / komplekse situasjoner trenger eksperimentell verifikasjon - noen ganger må man stole på kun eksperimenter - Nye modeller, for eksempel CFD, må valideres mot eksperimenter - Bruk av modellforsøk også anbefalt i NORSOK for noen laster 7 Modellskala eksperimenter - Skrogmodell med tilhørende utstyr (eks. ankerliner og stigerør) - Modellering av ekstreme bølger, strøm og vind - Måleinstrumenter; video - Hvilken skala? Typisk 1:30 1:100 - Skaleringslover / Froude s lov - Noen forenklinger må gjøres. Fokusere på de viktigste mekanismer - Modellforsøk er ikke identisk med virkeligheten; data må brukes korrekt i forhold til hva som er modellert 8 4

5 Eksempel: Instrumentering for å måle vann på dekk og slamming 9 Ultra småskala-testing: Sammenligning av tester i 3 skalaer 10 5

6 RAO & Phase Tension vs. fairlead motion Scales 1:55 1:100 1:150 RAO Motion vs. wave Scales 1:55 1:100 1: Undersøke fysiske mekanismer i høye bølger Eksempler: - Slaglaster p.g.a. grønt vann på baug og dekksinstallasjoner - Oppskylling og bølgeslag i plattformdekk og på overhengende utstyr - Store saktevarierende driftbevegelser i høye bølger -Ekstreme ankerlinelinestrekk - Høyere ordens bølgelaster på søylekonstruksjoner (kan føre til for eksempel ringing ) Felles for all disse: Ikke-lineære prosesser, dvs. man kan ikke bruke standard antagelse om normalfordelte prosesser for å estimere ekstremverdier 12 6

7 Fra video-opptak av ekstrem hendelse / grønn sjø (FPSO i 100-års storm) 13 Kameravinkel fra broa: Sammenligning med og uten skansekledning (uvanlig steil og energirik bølgetopp) 14 7

8 Test av nytt flyterkonsept i års bølge (Hs=20m, Tp=16.5s) - SEVAN 15 Eksempel på forankret plattform i store bølger 16 8

9 Bølgeslag i stor bølge November, Forenklede tester i en liten glasstank høyhastighetskamera Bølgen treffer dekket Bølgen slipper dekket 18 9

10 Lokal bølgeforsterkning foran en enkel søyle 19 Hastighetsfelt foran søyle: Sammenligning Particle Imaging Velocimetry (PIV) mot avanserte CFD-beregninger PIV CFD (VOF) 20 10

11 Bølgeforsterkning mellom 4 søyler (Norsk Hydro / / WaveLand 2 JIP 21 Statfjord A GBS model: Test in high regular wave (H=40m, T=17s) (1) 22 11

12 Statfjord A GBS model: Test in high regular wave (H=40m, T=17s) (2) 23 Måling av bølgeslag i dekk ekstreme bølger T=17s, H=40m, 270deg, ηdeck=21.7m Total z-kraft Lokal slamming-kraft i front horizontal vertical Water entry Water exit 24 12

13 TLP i års bølger 25 Eksempel på ekstrem oppskylling på GBS terminal - grunt vann 26 13

14 Eksempel på bølgeslag i tank (sloshing) Ekstreme ankerlinekrefter Ringing på TLP i steil bølge 14

15 Estimere ekstrem last og respons fra modelltester - For sterkt ikke-lineære fenomener (for eksempel bølgeslag): Ekstremverdier for design bestemmes av og til direkte fra modelltester ved probabilistiske metoder - Standard antagelse om normalfordelte prosesser kan ikke benyttes; informasjon om fordelingen må finnes empirisk - Graden av ikke-linearitet er avgjørende for de statistiske egenskaper, som igjen er bestemmende for ekstremene. Dette illustreres i en forenklet versjon i det følgende: 29 En forenklet fremstilling av forskjellige typer mekanismer: Lineær Y=X Svakt ikke-lineær Y=X**2 Y=X**4 12 Y=f(X) ,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 2,2 2,4 2,6 2,8 X (normalisert) (X kan være for eksempel bølgehøyde) 30 15

16 Resulterende sannsynlighets-modeller for underliggende prosess: Sannsynlighetstettheter; 4 forskjellige modeller 2 1,8 1,6 Normalfordelingen Svakt ikke-lineær prosess Eksponentialfordelingen Sterkt ikke-lineær (x**4) 1,4 1,2 p(y) 1 0,8 0,6 0,4 0, y (normalisert) 31 Zoom-in på halen i fordelingene (sannsynlighet av ekstrem-verdier): Sannsynlighetstettheter; zoom-in 0,05 0,04 Normalfordelingen Svakt ikke-lineær prosess Eksponentialfordelingen Sterkt ikke-lineær (x**4) 0,03 p(y) 0,02 0, y (normalisert) 32 16

17 -I sterkt ikke-lineære tilfeller kan ekstremverdier være mange ganger høyere enn for normalfordelte prosesser med samme standardavvik - I tillegg er også den statistiske usikkerheten mye høyere - For å finne ekstrem-fordelingen fra forsøk: Stormer med lang varighet simuleres (for eksempel 50 timer) - De største toppene brukes til å estimere 3-timers ekstremfordeling, og 90% fraktil-nivå brukes ofte for design 33 Konklusjon, oppsummering - Fremtidens løsninger krever at vi må ta hensyn til hendelser i sterke stormer, bl.a. p.g.a. muligheten for forverret klima - Viktig å lære mer om de sjeldne, men kritiske fenomener som kan oppstå - Mekanismer og statistiske egenskaper kan avvike fra dem i moderat sjø - Lærdom fra nøye planlagte eksperimenter er nyttig, og noen ganger nødvendig. - Både visuell og kvantitativ info - Eksperimenter kombinert med probabilistiske metoder kan brukes for ekstremverdier i design - Mer avanserte regneverktøy utvikles også. En optimal kombinasjon med eksperimenter er viktig

18 Takk til samarbeidpartnere bak studiene, spesielt StatoilHydro og WaveLand JIP. Også takk til kolleger som har deltatt i å frembringe disse resultatene