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Nichtlineare Vorhersage kritischer Strukturantworten in irregulärem Seegang
Dudek, Matthias
Die Durchführbarkeit von Offshore-Operationen hängt von limitierenden Designkriterien wie Absolut- bzw. Relativbewegungen der beteiligten Strukturen ab. Daher müssen vor der Operation, die oft nur ein bis zwei Minuten andauert, der vorherrschende Seegang und die damit einhergehenden Bewegungen exakt analysiert werden. Für das Erreichen größtmöglicher Betriebssicherheit und Wirtschaftlichkeit sind präzise Methoden gefordert, welche zuverlässige Entscheidungshilfen bei grenzwertigen Umweltbedingungen liefern. Eine exakte deterministische Bewegungsvorhersage für schwimmende Strukturen ist bis heute nicht zufriedenstellend gelöst. Nach konventionellen Methoden werden die zu erwartenden Betriebszustände mittels stochastischer Verfahren analysiert. Damit lässt sich für einen festgelegten Zeitrahmen die Wahrscheinlichkeit für das Überschreiten einer limitierenden Bewegungsgröße innerhalb eines Seegebietes bestimmen sowie Aussagen über Zulässigkeit bzw. Unzulässigkeit bestimmter Seegänge machen. Dieses Vorgehen impliziert zwei grundsätzliche Nachteile: Zum einen ermöglicht die Wahrscheinlichkeitsbetrachtung die Abschätzung des Risikos hinsichtlich der Überschreitung tolerierbarer Bewegungen. Sehr seltene Seegangsereignisse -- ungünstige Wellenfolgen oder hohe Einzelwellen -- können jedoch trotzdem auftreten und gefährden somit die Betriebssicherheit jeglicher Operation. Zum anderen ergibt sich aus dem stochastischen Verfahren ein schwerwiegender wirtschaftlicher Nachteil. Sind die vorherrschenden Seegangsparameter laut stochastischer Analyse unzulässig für die geplante Operation, warten die beteiligten Strukturen ab, bis der Seegang zulässige Charakteristik aufweist. In den meisten Seegängen treten jedoch häufig günstige Wellensequenzen auf, die eine kurzfristige Operation im Minutenbereich erlaubt hätten, so aber ungenutzt verstreichen. Mit dieser Arbeit liegt erstmals ein validiertes, ganzheitliches, numerisches Verfahren vor, um kurzfristige, geeignete Seegangsbedingungen bzw. Operationsfenster - meist genügen 90s für kurzfristige Offshore-Operationen, wie Hubschrauberlandungen oder kritische Kranoperationen - im laufenden Betrieb mittels deterministischer Bewegungsvorhersage zu identifizieren und so Sicherheit und Wirtschaftlichkeit von Offshore-Operationen zu erhöhen. Hierfür wird in einem ersten Teilschritt der stochastische Seegang in größerer Entfernung vom Operationsgebiet kontinuierlich mittels Radar erfasst. Aufbauend hierauf wird die Entwicklung des Wellenfeldes bei Annäherung an die Strukturen nach numerischen, nichtlinearen Methoden berechnet. Zur Vorhersage des Seegangs werden die Nichtlineare Schrödinger Gleichung (NLS) sowie die Higher Order Spectral Method (HOSM) implementiert, die die Berechnung der Wellenentwicklung unter Berücksichtigung nichtlinearer Welle-Welle-Interaktion in sehr kurzer Rechenzeit erlauben. Die numerischen Verfahren werden mit Hilfe bewährter, numerischer, voll nichtlinearer Methoden sowie umfangreichen Modellversuchen validiert und bewertet. Hieraus folgen die am Ort der Strukturen wirkenden Wellensequenzen, über die die Strukturantworten - in Form von Absolut- und Relativbewegungen - in einem letzten Teilschritt mit Hilfe einer Weiterentwicklung der Impulsantwortfunktion (F2T+) direkt im Zeitbereich ermittelt werden. Als Ergebnis liegt ein ganzheitliches Bewegungsvorhersageprogramm vor - dies umfasst die automatische Registrierung und Auswertung des Seegangs, die Seegangsvorhersage für ein Operationsgebiet, die daraus resultierenden Strukturbewegungen sowie die Identifizierung und Empfehlung für mögliche Operationszeitfenster. Die generelle Nutzung numerischer Methoden mit sehr schnellen Berechnungsalgorithmen ermöglicht die vorausschauende Bewegungsprognose - den Blick in die Zukunft - für die geplanten Offshore-Operationen.
The general feasibility of offshore operations is constrained by limiting design criteria such as absolute or relative motions of the participating structures. For short term operations, the prevailing sea state and the accompanied structure responses have to be analysed precisely in advance. Maximum reliability of operation and economic feasibility require accurate methods for reliable decision support in rough or precarious conditions. A precise deterministic motion prediction system for floating offshore operations is still missing. Conventional procedures analyse and assess the expected operating conditions via stochastic methods. This enables the determination of probability for the excess of limiting structure responses - for definite time and region - as well as the classification of incoming sea states in feasible and infeasible. This also includes two major disadvantages: First of all, the stochastic analysis determines the probability of exceedance of design structure responses. Rare sea state events - in terms of critical wave trains or rogue waves - can appear anyway and therefore jeopardise the reliability of offshore operations. Secondly, the stochastic analysis implies a critical economic drawback. If the corresponding parameter exceeds a certain limit, the whole operation has to be intermitted, which frequently results in serious, weather-related downtime and unpredictable operation costs. However, most of the infeasible sea states based on stochastic analysis will feature favourable wave sequences - in particular in the transition area between feasible and infeasible region of a scatter diagram - which would allow safe short-term offshore operations but are elapsed unused. In this thesis, the first validated holistic numerical method to identify short term, suitable wave sequences and operation conditions via deterministic wave and motion prediction is presented. Suitable wave sequences within infeasible sea states (downtime reduction) as well as critical wave elevations in moderate sea conditions (safety issues) can be detected and therefore lead to a significant increase of safety and efficiency of offshore operations. The presented numerical method divides into three major parts. In a first step, the approaching stochastic sea state is registered continuously via radar, far ahead of the operating ground. In the next step, the developing wave train is calculated using numerical, non-linear methods. For the numerical calculation, the Non-linear Schroedinger Equation (NLS) as well as the Higher Order Spectral Method (HOSM) are applied, which enable the estimation of wave propagation considering non-linear wave-wave interactions within very short calculation time. Both numerical procedures are compared to a well established non-linear numerical method as well as validated by extensive model tests. Finally, the predicted wave sequences lead to the structure responses - in terms of absolute and relative motions - in time domain, which are determined using an advanced form of Impulse Response Functions (F2T+) in time domain exclusively. As a result, a holistic sea state and motion prediction program is presented - this includes the automatic registration and evaluation of the incoming sea state, the sea state prediction for the operational ground, the resulting structure responses and the identification and recommendation for favourable operation windows. The application of very fast numerical algorithms allows the future motion prediction - the operational foresight - for the intended offshore operation.
