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Rogue Wave Impact on Marine Structures

Schmittner, Christian E.

Inst. Land- und Seeverkehr (ILS)

In der vorliegenden Arbeit wird dem Mysterium so genannter Rogue Waves, zu deutsch "Schurkenwellen", auf den Grund gegangen und die Wirkung dieser Wellen auf Offshore-Strukturen untersucht. Das Ziel der Arbeit ist es, Verfahren zur Analyse der Auswirkungen von Rogue Waves zu entwickeln und anzuwenden. Es werden Beispiele gemessener Rogue Waves präsentiert und ihre Auftrittshäufigkeit durch die Analyse eines fünftägigen Sturms in der Nordsee untersucht. Für die Realisierung von deterministischen Rogue Waves im Wellenkanal wird eine lineare Optimierung vorgestellt, mit der es möglich ist, extreme Wellensequenzen unter Einhaltung vordefinierter Parameter zu synthetisieren. Zur Verbesserung der Genauigkeit dieser Wellensequenzen wird eine experimentelle Optimierung entwickelt und angewandt, welche die im Wellenkanal gemessenen Wellen an die Zielparameter anpasst. Die so erzeugten Wellenszenarien werden für die Untersuchung der Wirkung von Rogue Waves auf verschiedene maritime Strukturen eingesetzt. Es werden die Bewegungen und Biegemomente eines FPSOs und eines Kranschiffs sowie die Bewegungen und Splitting Forces einer Halbtaucherplattform untersucht. Die New Year Wave, eine an der Draupner Plattform in der Nordsee gemessene Rogue Wave, wird im Modellmaßstab realisiert. Zudem werden die lokalen Eigenschaften Wellenhöhe und Wellenperiode dieser Extremwelle im Versuch variiert. Die daraus resultierenden Bewegungen und strukturellen Belastungen werden sowohl gemessen als auch mit Programmen zur Seegangssimulation berechnet. Die Ergebnisse werden mit gängigen Frequenzbereichsverfahren für den Entwurf und mit Bauvorschriften verglichen, um festzustellen, ob diese auf Rogue Wave impacts anwendbar sind. Für die präzise numerische Berechnung der nichtlinearen Wellenausbreitung werden numerische Wellenkanäle basierend auf der Potentialtheorie und den Navier-Stokes Gleichungen vorgestellt. Eine neu entwickelte Kopplung der beiden Methoden eröffnet dabei die Möglichkeit, nichtlineare Effekte wie Wellenbrechung und Welle-Struktur-Interaktionen zeiteffizient und präzise zu berechnen.
In this work, the mystery of Rogue Waves is revealed and the impact of these waves on marine structures is investigated. The aim of this thesis is the development and application of methods for the analysis of Rogue Wave impacts. Examples of recorded Rogue Waves are given and the frequency of occurrence is examined by analyzing a five day storm measured in the North Sea. For the realization of deterministic Rogue Wave scenarios in the model basin a linear optimization approach is proposed, synthesizing extreme wave sequences based on predefined parameters. In order to improve the accuracy of the generated wave sequences an experimental optimization method is introduced fitting the wave sequences measured in the wave basin precisely to the target parameter. Resultant wave environments of the optimizations are applied for the analysis of Rogue Wave impacts on different marine structures. In particular, the motions and bending moments of an FPSO and of a crane vessel as well as the motions and splitting forces of a semisubmersible due to Rogue Waves are investigated. The New Year Wave, a Rogue Wave that was recorded at the Draupner platform located in the North Sea, is realized at model scale and varied in experiment with respect to the local wave height and period. The responses of the structures are assessed by numerical simulations applying state of the art ship motion codes and model test. Resultant motions and structural responses are compared to frequency-domain methods for design and to rules from classification societies and discussed with regard to their applicability to Rogue Wave impacts. For the precise numerical simulation of nonlinear wave propagation, numerical wave tanks based on potential theory and on the Navier-Stokes equations are presented. A new coupling approach for the fast and accurate simulation of nonlinear wave evolution is proposed, combining the advantages of two different numerical strategies.