Numerical methods for dynamic analysis and vibration-based inspection for offshore structures under storm conditions

This thesis aims to address two issues related to offshore structures under storm conditions. The first one is about the dynamic response analysis of the offshore structures during storms. This part begins with an introduction to physical models of waves and winds. Then, based on Morison equation, wave and wind forces are derived respectively. Subsequently, the dynamic response of structures induced by these forces is processed in the frequency domain and in the time domain. Apart from the synoptic wind and wave, downburst, one extreme destructive weather, is introduced and its physical model is derived. What’s more, the dynamic analysis of structures under the downburst is achieved by the revised response spectrum technique. The second issue is vibration-based inspection. Since the storm will pose a threat to offshore structures, frequent damage detection is mandatory. In this part, three inspection methods are introduced: wavelet packet energy rate index, singular value damage index, and nonlinear cointegration analysis. For all three methods, case studies have been carried out. The model used in these case studies is a finite element model of a steel fixed jack-up platform generated in ANSYS. This model is subjected to a wind and wave load case. Various conditions including operational conditions (different amounts of oil stored) and damage conditions (different stiffness in different elements) are considered. Using the displacement and acceleration results of this model at different nodes under different conditions, three methods are analyzed respectively to test their effectiveness.

Questa tesi mira ad affrontare due questioni relative alle strutture offshore in condizioni di tempesta. La prima riguarda l'analisi della risposta dinamica delle strutture offshore durante le tempeste. Questa parte inizia con un'introduzione ai modelli fisici di onde e venti. Quindi, sulla base dell'equazione di Morison, vengono derivate rispettivamente le forze del moto ondoso e del vento. Successivamente, la risposta dinamica delle strutture sottoposte a queste forze viene elaborata nel dominio della frequenza e nel dominio del tempo. Oltre al vento e all'onda sinottici, viene introdotto il downburst, una condizione climatica estremamente distruttiva, e viene derivato il suo modello fisico. Inoltre, l'analisi dinamica delle strutture sotto downburst è ottenuta tramite una rivisitazione della tecnica dello spettro di risposta. Il secondo aspetto indagato è il monitoraggio strutturale basato sulle vibrazioni. Poiché la tempesta rappresenterà una minaccia per la struttura offshore, un monitoraggio frequente è necessario. In questa parte vengono introdotti tre metodi di ispezione: il cosiddetto indice del tasso di energia del pacchetto wavelet (wavelet packet energy rate index o WPERI), l’indice di danno al valore singolare (singular value damage index), e la cointegrazione non lineare basata. Per tutti e tre i metodi sono stati effettuati casi di studio. Il modello utilizzato in questi casi di studio è una piattaforma jack-up in ANSYS. Questo modello agli elementi finiti è stato soggetto ad un caso di carico del vento e delle onde. Vengono considerate varie condizioni comprese le condizioni operative (diverse quantità di olio immagazzinato) e le condizioni di danneggiamento (diversi livelli di rigidità ridotta in diversi elementi). Utilizzando i risultati di spostamento e accelerazione di questo modello su nodi diversi ed in condizioni diverse, sono stati analizzati rispettivamente i tre metodi per verificarne l'efficacia.