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 - www.tu.no) 2 1
Oseberg GBS plattform (Nordsjøen), Nov 2006 (Kilde: Teknisk Ukeblad - www.tu.no) (Fra: MMS http://onlinepubs.trb.org/webmedia/2006am/553smith.pdf 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
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
Teoretiske hydrodynamiske modeller og eksperimenter: - Teoretiske/numeriske modeller langt mer avanserte i dag enn for 20 30 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
Eksempel: Instrumentering for å måle vann på dekk og slamming 9 Ultra småskala-testing: Sammenligning av tester i 3 skalaer 10 5
RAO & Phase Tension vs. fairlead motion Scales 1:55 1:100 1:150 RAO Motion vs. wave Scales 1:55 1:100 1:150 11 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
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
Test av nytt flyterkonsept i 10000-års bølge (Hs=20m, Tp=16.5s) - SEVAN 15 Eksempel på forankret plattform i store bølger 16 8
Bølgeslag i stor bølge November, 2006 17 Forenklede tester i en liten glasstank høyhastighetskamera Bølgen treffer dekket Bølgen slipper dekket 18 9
Lokal bølgeforsterkning foran en enkel søyle 19 Hastighetsfelt foran søyle: Sammenligning Particle Imaging Velocimetry (PIV) mot avanserte CFD-beregninger PIV CFD (VOF) 20 10
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
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
TLP i 10000-års bølger 25 Eksempel på ekstrem oppskylling på GBS terminal - grunt vann 26 13
Eksempel på bølgeslag i tank (sloshing) 27 28 Ekstreme ankerlinekrefter Ringing på TLP i steil bølge 14
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: 20 18 16 14 Lineær Y=X Svakt ikke-lineær Y=X**2 Y=X**4 12 Y=f(X) 10 8 6 4 2 0 0 0,2 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
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 0,2 0-4 -2 0 2 4 6 8 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 0,01 0-4 -2 0 2 4 6 8 y (normalisert) 32 16
-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. 34 17
Takk til samarbeidpartnere bak studiene, spesielt StatoilHydro og WaveLand JIP. Også takk til kolleger som har deltatt i å frembringe disse resultatene. 35 18