Global modeling of a tension leg platform (for offshore wind turbine structures) to quantify the wave load effects on the tendon axial forces

Due to the rising demand for renewable resources, offshore wind energy has gained widespread interest, and experienced rapid growth over the past few years. Offshore wind turbines are planned to meet a large portion of energy demand in the coming years. The global cumulative offshore wind capacity is expected to increase from 26 GW (its actual capacity) to 230 GW by 2030, according to the International Renewable Energy Agency (IRENA). However, these structures also present many engineering challenges: limited guidelines available for analysis and design of foundation/support structures, inadequate logistics for construction/fabrication, and comparatively expensive operation and maintenance costs. Their structural behavior is influenced by non-linearities, uncertainties of loading conditions and complex interactions between their components. In this thesis research, in collaboration with DNV (Milano technical office), we developed a global numerical model of an offshore wind turbine, having a tension leg platform as the floating foundation, and calibrated it according to a benchmark model developed by the Massachusetts Institute of Technology (MIT). Using the calibrated numerical model, we performed a parametric analysis to quantify the effects of wave loading on the tendon axial forces. The results showed that the axial forces in the tendons are significantly influenced by several wave parameters, such as wave height, wave period, wave direction and phase angle. The values of the tendon axial forces (Nxx) were shown to be increasing by 2400% for short wave periods (T=3.5s), as the incoming wave direction was increasing from 0° to 90°, however this effect was not relevant for long wave periods as became Nxx constant. On the other hand, the wave height effect was significantly influencing the response for short wave periods: considering the wave height rising from 0.5m to 12.5m, Nxx increased by 2000% for T=3.5s and by 1500% for T=14.5s. Regarding the wave period parameter, short wave periods were inducing higher axial forces with respect to the long wave periods, as Nxx presented a decreasing rate of up to 96% for increasing wave period. Using our global TLP model, we also performed a qualitative stochastic fatigue analysis to identify the hotspot regions, and the effects of the incoming wave direction and wave period on the stress concentrations. Finally, outlooks for some new approaches, developments and areas for further research are identified.

A causa della crescente domanda di risorse rinnovabili, l'energia eolica offshore ha guadagnato un interesse diffuso, e ha registrato una rapida crescita negli ultimi anni. Le turbine eoliche offshore sono progettate per soddisfare una grande parte della domanda di energia nei prossimi anni. Si prevede che la capacità eolica offshore cumulativa globale aumenta da 26 GW (la sua effettiva capacità) a 230 GW entro il 2030, secondo l'International Renewable Energy Agency (IRENA). Tuttavia, queste strutture presentano anche molti sfide: linee guida limitate disponibili per l'analisi e la progettazione di strutture di fondazione/supporto, logistica inadeguata per la costruzione/fabbricazione, e funzionamento e manutenzione relativamente costosi. Il loro comportamento strutturale è influenzato da non linearità, incertezze delle condizioni di carico e complesse interazioni tra i loro componenti. In questa ricerca di tesi, in collaborazione con DNV (ufficio tecnico di Milano), abbiamo sviluppato un modello numerico globale di turbina eolica offshore, con piattaforma gamba di tensione (TLP) come fondazione galleggiante, e calibrato secondo un modello di riferimento sviluppato dal Massachusetts Institute of Technology (MIT). Utilizzando il modello numerico calibrato, ha eseguito un'analisi parametrica per quantificare gli effetti del carico d'onda sulle forze assiali del tendine. Le risultati hanno mostrato che le forze assiali nei tendini sono significativamente influenzate da diverse onde parametri, come l'altezza dell'onda, il periodo d'onda, la direzione dell'onda e l'angolo di fase. I valori del tendine forze assiali (Nxx) hanno mostrato di aumentare del 2400% per i periodi di onde corte (T=3,5s), in quanto la direzione dell'onda in entrata stava aumentando da 0° a 90°, tuttavia questo effetto non è stato rilevante a lungo periodi d'onda come divenne costante Nxx. D'altra parte, l'effetto dell'altezza dell'onda è stato significativamente influenzare la risposta per periodi di onde corte: considerando l'altezza dell'onda che sale da 0,5 m a 12,5 m, Nxx è aumentato del 2000% per T=3,5s e del 1500% per T=14,5s. Per quanto riguarda il parametro del periodo d'onda, periodi di onde corte stavano inducendo forze assiali più elevate rispetto ai periodi di onde lunghe, come Nxx ha presentato un tasso decrescente fino al 96% per l'aumento del periodo delle onde. Utilizzando il nostro modello TLP globale, ha inoltre effettuato un'analisi qualitativa della fatica stocastica per identificare le regioni hotspot e gli effetti direzione dell'onda in entrata e il periodo d'onda sulle concentrazioni di sollecitazione. Infine, le prospettive per alcuni nuovi approcci vengono individuati.