Thesis on the Bending Stiffness of Submarine Cables

The thesis proposes a non-Finite Elements modelling tool to derive the non-linear bending stiffness and bending moment of submarine power cables. Submarine cable are linear nonhomogeneous structures that are composed by various layers of different materials. The main non-linearities come from the “stick-slip” behaviour of helical structures, such as conductor and armour. The transition between the two is driven by frictional forces exchanged by stranded wires. Analytical models present in literature for stranded structures are considered. Most relevant findings in literature are reviewed and gathered to formulate a general model that takes into account both stranded and solid components. The model is implemented in VBA (Visual Basic for Applications) to generate a bending moment and bending stiffness curves as function of curvature. The experimental method adopted by Prysmian is compared with the ones found in literature, highlighting the differences and common parts. After the review of the experimental method, tests are performed to increase the already available internal database of sample data. The proposed model is then calibrated and validated with experimental data. The results from the calibrated model show an overall good match with sample bending behaviour, however sample data are still not enough to fully validate the model. When fully validated, the tool presented could be adopted during the design phase to derive the bending behaviour of the cable, when time or prototypes are not available to perform FE analysis or tests.

La tesi propone uno strumento di modellazione che non consideri Elementi Finiti per ricavare la rigidezza flessionale non lineare e il momento flettente dei cavi elettrici sottomarini. I cavi sottomarini sono strutture lineari non omogenee composte da vari strati di materiali diversi. Le principali non linearità derivano dal comportamento "stick-slip" delle strutture elicoidali, come il conduttore e l'armatura. La transizione tra i due regimi è guidata dalle forze di attrito scambiate dai fili a trefolo. I modelli analitici presenti in letteratura per le strutture a trefoli sono stati presi in considerazione. I risultati più rilevanti della letteratura sono stati esaminati e raccolti per formulare un modello che tenga conto sia dei componenti a trefoli che di quelli solidi. Il modello è implementato in VBA (Visual Basic for Applications) per generare le curve del momento flettente e di rigidità flessionale in funzione della curvatura. Il metodo sperimentale adottato da Prysmian viene confrontato con quelli presenti in letteratura, evidenziando le differenze e le parti comuni. Dopo la revisione del metodo sperimentale, vengono eseguiti dei test per incrementare il database interno di dati campione già disponibile. Il modello proposto viene quindi calibrato e validato con i dati sperimentali. I risultati del modello calibrato mostrano una buona corrispondenza con il comportamento a flessione dei campioni, ma i dati non sono ancora in quantità sufficiente per validare completamente il modello. Una volta validato completamente, lo strumento presentato potrebbe essere adottato durante la fase di progettazione per ricavare il comportamento a flessione del cavo, quando il tempo a disposizione non è sufficiente per condurre tests.