Loading and Dynamic Response of Jacket Structures to Breaking and Non-breaking Waves

Khansari, Arash

Among different types of loads on jacket structures, wave loads, especially breaking wave loads, are the most likely to threat the stability of the structure; therefore, the correct estimation of the wave loading of an offshore jacket structure is crucial for the design of these structures. Despite the importance of the correct estimation of breaking wave induced forces on jacket structures, so far, no slamming formulae to predict these forces are available in the design standards and guidelines or in other publications. Moreover, the implications of such extreme wave load events and the associated uncertainties for the dynamic response of the entire jacket structure, including the response of the foundation piles, are still not fully clarified. This PhD study attempts to improve the understanding of processes associated with the interaction of waves and jacket structures and to develop reliable wave slamming formulae for the prediction of breaking wave-induced loads on jacket structures. First, the present knowledge is analysed to identify the processes involved in the interaction as well as the related knowledge gaps. Second, the data available from previous tests performed on a truss structure under breaking and non-breaking waves in the Large Wave Flume (GWK tests) in Hannover are analysed to identify the most relevant influencing parameters and to provide reliable slamming formulae for breaking waves on legs and braces of jacket structures. Third, using a CFD model set-up for the waves generated in the large wave flume GWK and a CSD model for the truss structure tested in GWK, the laboratory tests are reproduced and a methodology is proposed to predict total forces induced by near-breaking and breaking waves on jacket structures. Finally, the proposed methodological approach including the slamming force formulae developed in this study is implemented to calculate total forces by breaking waves on a full-scale jacket structure (OC4 jacket). The Finite Element FE model of the OC4 jacket is extended by pile foundation model and the structural performance of the entire structure was examined by comparing the results by those of the numerical models developed for the same jacket structure. Finally, the dynamic response of the jacket structure with pile foundation to breaking waves is systematically analysed to achieve a substantially improved understanding of the processes involved in the wave-jacket-pile foundation interaction.

Unter den vielfältigen Belastungen, die auf die Jacket-Strukturen wirken, gefährden die Seeganglasten, insbesondere der Druckschlag brechender Wellen, die Standsicherheit der Konstruktion am stärksten. Daher ist eine verlässliche Abschätzung der Wellenbelastung entscheidend für die Bemessung der Jacket-Strukturen. Trotz der vitalen Bedeutung der Krafteinwirkung durch brechende Wellen liegen bisher in den Regelwerken und Normen für die Bemessung sowie in weiteren Publikationen noch keine Ansätze zur Abschätzung der Druckschlagbelastungen vor. Darüber hinaus sind die Auswirkungen solche extreme Wellenbelastungen sowie die einhergehenden Unsicherheiten im dynamischen Verhalten des gesamten Jacket-Bauwerkes, einschließlich des Verhaltens der Gründungspfähle, noch nicht vollständig erforscht. Diese Arbeit zielt daher darauf ab, das Verständnis um die Interaktionsprozesse zwischen Wellen und Jacket-Strukturen zu verbessern und folglich Bemessungsformeln für die Belastung dieser Offshore-Bauwerke durch Wellendruckschlag zu entwickeln. Zunächst wird der Stand der Wissenschaft systematisch und kritisch analysiert, um die Interaktionsprozesse sowie die einhergehenden Wissenslücken und Modelleinschränkungen zu identifizieren. Anschließend werden die vorliegenden Daten früherer Versuchen an einer maßstäblichen Fachwerkskonstruktion im Großen Wellenkanal (GWK) in Hannover analysiert, die brechenden und nicht-brechenden Wellen ausgesetzt wurde. Hierdurch werden die relevanten Bemessungsparameter identifiziert und neue belastbare Berechungsansätze für den Druckschlag auf die Stützen und Streben einer Jacket-Struktur entwickelt. Unter Verwendung eines CFD-Modells zur Simulation der Wellen und eines CSD-Modells der Fachwerkstruktur werden die physikalischen Modellversuche im GWK numerisch nachgestellt und ein methodischer Ansatz zur Berechnung der Belastungen erarbeitet, die durch nahezu-brechende und brechende Wellen induziert werden. Dieser Ansatz, einschließlich der Formel zur Berechnung der Druckschlagbelastung, wird zur Berechnung der Gesamtbelastung einer Jacket-Struktur ohne Pfahlgründung im Naturmaßstab (OC4 Jacket) durch brechende Wellen angewandt. Das Finite Elemente (FE) Modell der OC4 Jacket wird um ein Modell der Pfahlgründung erweitert, so dass das Verhalten der gesamten Konstruktion numerisch mit dem Modell der Tragstruktur ohne Gründungselemente verglichen werden kann.

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Khansari, Arash: Loading and Dynamic Response of Jacket Structures to Breaking and Non-breaking Waves. 2018.

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