Beam finite element for nonlinear analysis of floating structures

The thesis deals with the static analysis of floating structures, with emphasis on floating breakwaters and floating bridges anchored by cables to the seabed. The formulation of a beam finite element on elastic foundation is developed by taking into account the nonlinearities associated with both the fluid-structure interaction and the large displacements due the change of configurations of the anchoring cables. The effects of the nonlinear fluid structure-interaction are evaluated at the sectional level by considering arbitrary geometry and loading conditions. The cross-sectional formulation is extended at the structural level based on the principle of virtual displacements to obtain the stiffness matrices and the equivalent nodal force vectorsof both the beam finite element on elastic foundation and the cable finite element under large displacements. The accuracy of theproposed formulationis validated by means of several benchmarks and applicative examples. The effectiveness and applicability in engineering practice of the presented approach is demonstratedthrough the structural analysis of an existing anchored floating bridge under different loading conditions.

La tesi riguarda l’analisi statica di strutture galleggianti, con particolare riferimento a strutture frangiflutti e ponti galleggianti ancorati al fondale mediante cavi. Viene sviluppata la formulazione di un elemento finito di trave su suolo elastico tenendo conto delle non linearitàconseguenti sia all’interazione fluido-struttura, sia ai grandi spostamenti associati al cambio di configurazione dei cavi di ancoraggio.Gli effetti non lineari dell’interazione fluido-struttura sono valutati a livello sezionale considerando geometrie e condizioni di carico arbitrarie. La formulazione sezionale viene estesa a livello di struttura mediante l’applicazione del principio degli spostamenti virtuali che fornisce le matrici di rigidezza e i vettori delle forze nodali equivalenti dell’elemento finito di trave su suolo elastico e dell’elemento finito di cavo in grandi spostamenti. L’accuratezza della formulazione proposta viene validatamediante numerosi casi prova ed esempi applicativi. L’analisi strutturale di un ponte galleggiante esistente ancorato al fondale e soggetto a diverse condizioni di carico mostra infine l’efficacia e le potenzialità applicative dell’approccio proposto.