ERMÜDUNGSANALYSE EINER EISKONUSSTRUKTUR UNTER SEEGANGSLASTEN

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1 HOCHTIEF GESCHÄFTSBEREICH OFFSHORE ERMÜDUNGSANALYSE EINER EISKONUSSTRUKTUR UNTER SEEGANGSLASTEN Dipl.-Ing. Theodor Neufeld HOCHTIEF Infrastructure GmbH Marine and Offshore Technology Hamburg, Deutschland 1

2 HOCHTIEF Numerische Untersuchungen einer Eiskonusstruktur einer Offshore-Windenergieanlage unter Seegangslasten in Bezug auf Ermüdungsverhalten mit ANSYS 1. Problembeschreibung 2. Modellierung 3. Belastung 4. Analyse 5. Ergebnisse 2

3 Problembeschreibung Typische Anhaltswerte deutsche Ostsee Eisdicke: bis zu 0,50m Geschwindigkeit: bis 0,80 m/s Größe: bis zu 2km Druckkraft: bis zu 2MN F t istockphoto/michel de Nijs 3

4 Problembeschreibung Korzhavin F Ralston F F 4

5 horiz. Eislast in MN ERMÜDUNGSANALYSE EINER EISKONUSSTRUKTUR Problembeschreibung Zylinderform Kegelform Kegelform Konuswinkel in Grad 5

6 Modellierung Abmessungen Höhe: ca. 3,5 m Durchmesser oben: ca. 5 m Durchmesser unten: ca. 2 m Konuswinkel: ca. 65 Material Stahl: S420 / S355 Wandstärke: bis 40 mm Gewicht Gesamtgewicht: ca. 15 t 6

7 Modellierung ANSYS 15.0 Mechanical APDL Elemente Schalenelemente (shell) Rohrelemente (pipe) Flächen - Lastelemente (surf) Netz automatische Vernetzung Verfeinerung an relevanten Stellen Pfade für die Auswertung der Spannungen Randbedingungen Festhaltung des Jacketbeins oben und unten 7

8 Belastung Eis Wellen Bootsanprall REGELWERKE DIN EN Germanischer Lloyd DNV istockphoto/orchidpoet HOCHTIEF/ Magnus Reinke HOCHTIEF/ Luigi Martens statisch / dynamisch statisch / dynamisch statisch / dynamisch 8

9 Belastung Wellenlasten auf hydrodynamisch transparente Strukturen Morison Gleichung Wellenlasten auf hydrodynamisch kompakte Strukturen Froude-Krylov (Anteil infolge ungestörter Welle) Diffraktion (Anteil infolge gestörter Welle) Radiation (Anteil infolge Relativbewegung des Körpers) keine geschlossene Formel 9

10 Belastung Wellenlasten auf hydrodynamisch transparente Strukturen ANSYS Structural pipe Elemente ungestörte Welle Morison 10

11 Belastung Wellenlasten auf hydrodynamisch transparente Strukturen Morison Kopplung pipe Elemente shell Elemente Linienlasten Wellendruck Wellensog 11

12 Belastung Wellenlasten auf hydrodynamisch kompakte Strukturen ANSYS - AQWA ANSYS - Structural ANSYS - AQWA Diffraktion gestörte Welle Druckverteilung Export nach APDL 12

13 Belastung Wellenlasten auf hydrodynamisch kompakte Strukturen Diffraktion Flächenlasten Druckverteilung SURF-Elemente 13

14 Belastung Beanspruchungskollektive verschiedene Wellenrichtungen Wellenhöhen von 0,5m bis 4,0m 36 Schritte pro Wellendurchlauf wind wave misalignment min mean Hs,3h Tp w aves in 0 w aves in 0 w aves in 0 w aves in 90 w aves in 90 w aves in 90 w aves in 180 w aves in 180 w aves in 180 w aves in 270 w aves in 270 w aves in 270 wind speed at [m] [s] w ind in 330 w ind in 0 w ind in 30 w ind in 60 w ind in 90 w ind in 120 w ind in 150 w ind in 180 w ind in 210 w ind in 240 w ind in 270 w ind in m MSL sum

15 HOCHTIEF ERMÜDUNGSANALYSE EINER EISKONUSSTRUKTUR Analyse Berechnung der Strukturspannungen Ausgabe der Spannungen senkrecht zur Schweißnaht Stützstellen bei 0,5t und 1,5t (t=wandstärke) Extrapolation der Strukturspannung Strukturspannung 0,5t 1,5t 15

16 Schwingbreite ERMÜDUNGSANALYSE EINER EISKONUSSTRUKTUR Analyse Ermittlung der Spannungsschwingbreite Lastschritte Phasenwinkel 10 Wellenperiode 360 / 10 = 36 Schwingbreite Ds = s max s min 16

17 Ergebnisse Vergleich der Berechnungsansätze MORISON DIFFRAKTION Welle Höhe: 0,5m Periode: 2,6s Schwingbreite Abweichung ca. 86% Ds = 3,0 MPa Ds = 0,4 MPa 17

18 Ergebnisse Vergleich der Berechnungsansätze MORISON DIFFRAKTION Welle Höhe: 3,0m Periode: 6,4s Schwingbreite Abweichung ca. 13% Ds = 9,8 MPa Ds = 8,5 MPa 18

19 Ergebnisse Vergleich der Berechnungsansätze Ds [MPa] Morison Diffraktion Wellenperiode T [s] 19

20 Ergebnisse 90 Nachweis gegen Ermüdung Wellenhöhe Wellenperiode Wellenrichtung Schwingbreite Ds vorh. Lastspielzahl ni zul. Lastspielzahl Ni Schädigung D Lebensdauer [ ] [m] [s] [N/mm²] [-] [-] [-] [Jahre] E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E Summe: Morison Schädigung = 0,41 Diffraktion Schädigung = 0,22 20

21 FABRIKATION HOCHTIEF/ Neufeld HOCHTIEF 21

22 ENDE Fabian Kaschke 22