Structural healt monitoring : analisi di damage detecting finalizzata allo studio del comportamento dinamico di una struttura offshore per l'estrazione petrolifera

This thesis describes the application of a modal-based damage identification method for the Structural Health Monitoring (SHM) of a fixed steel offshore platform. The main idea behind this technology is that modal parameters (frequencies, modal shapes and modal damping) are closely related to physical properties of the structure (mass, damping and stiffness). Changes in physical characteristics, due to a damage, should cause detectable changes in modal properties. The development of modal based damage detection, in the offshore oil industry, stem from studies performed in the 1970s and early 1980s, with a large amount of results related to damage detection using shifts in resonant frequencies. These studies were less than successful. Environmental conditions such as marine growth that add significant mass to the structure, equipment noise and changing mass associated with fluid tank levels variations, often corrupted the data, so that damage induced frequency shifts are difficult to distinguish from shifts resulting from the other parameters variation , especially in case of slight dissimilarity of them. The low sensitivity of frequency shifts to damage requires either very precise measurements or large level of damage. Moreover, because modal frequencies are global property of the structure, it is not clear that shifts in this parameter can be used to identify more than the mere existence of damage, generally frequencies cannot provide spatial information about structural changes. Because of the lack of success, the oil industry generally abandoned this technology in the mid-1980s. Some further application of the technology has been however used in some selected situations, like the comparison between the results of the structural calculation models (FEM) and the effective behaviour of the structure, so that a calibration of the FEM model has been carried out. In this thesis the application of the method is proposed for SQUALO offshore platform, in order to investigate the feasibility to detect and localize main failures in the foundation system of the structure. This kind of failure, as a matter of fact, shall cause relevant changes in the stiffness properties of the structure with consequent changes in modal properties much over the level due to other parameters variation. A failure in the platform foundation is not common defect on an offshore structure, usually made with welded piles. SQUALO foundations piles are instead made with screw joints, now in place over the service life of the platform. In the first part of the thesis the modal-based damage identification method is described, then the application performed to SQUALO platform is reported. The main results confirm that for this situation, the method provided is able to detect the existence of serious failure and, partially, is also able to determine the damage location.

In questa tesi si descrive un’articolata analisi basata sul metodo modale finalizzata all’identificazione di danneggiamenti strutturali per una piattaforma offshore a Jacket portante in acciaio. L’assunto alla base di questo progetto è il fatto che i parametri modali (frequenze proprie, modi di vibrare e smorzamento modale), siano strettamente correlati alle proprietà fisiche della struttura (massa, smorzamento e rigidezza).e quindi che una variazione in tali caratteristiche fisiche, dovuta all’insorgere di un danneggiamento, possa indurre un cambiamento apprezzabile in quelle modali. Lo sviluppo di tale metodologia di studio, applicata alla ricerca per l’industria petrolifera, vede la sua prima applicazione a partire dagli anni 70 fino ai primi ’80, studi dai quali si ottennero molteplici risultati basati essenzialmente sulla variazione delle frequenze proprie. Tali applicazioni tuttavia, spesso non comportarono risultati incontrovertibili ai fini dell’identificazione e risoluzione delle problematiche, furono utili a comprovare la variazione del comportamento del sistema a seguito della rottura ma, quasi mai studiati per risolvere il problema inverso. Aspetti quali le particolari condizioni ambientali, l’accrescimento marino comportante un effetto di massa aggiunta alla struttura, le vibrazioni indotte dagli equipment, piuttosto che modifiche nella massa della parte sommitale dovute a semplici variazioni del livello dei fluidi nei serbatoi, si mostrarono molto influenti sulle misurazioni eseguite, alterando spesso i dati e rendendo difficile la distinzione della variazione dei parametri modali indotta da danneggiamenti, rispetto a quella causata da altri fenomeni, soprattutto per lievi difformità. La limitata sensibilità dello shift di frequenze rispetto al manifestarsi di un danneggiamento, inoltre, richiede necessariamente un’elevata accuratezza delle misurazioni eseguite e quindi degli strumenti impiegati piuttosto che il palesarsi di danni di grande entità. Le frequenze naturali vanno poi interpretate come proprietà globali della struttura e le relative modificazioni possono non essere sufficienti a garantire la localizzazione dell’anomalia. Alcune successive applicazioni, basate sulla comparazione di risultati derivanti da simulazioni di modelli FEM con l’effettivo comportamento rilevato sul campo e successivo model updating, presentarono invece risultati decisamente migliori. In questa tesi viene proposta l’applicazione di tale metodologia per lo studio della piattaforma SQUALO al fine d’identificare e localizzare il manifestarsi di un danneggiamento nel sistema di fondazione della stessa. Tipologia di degenerazione delle proprietà strutturali, questa, tale da indurre cambiamenti apprezzabili nella rigidezza globale e quindi nei parametri modali, ben al di sopra delle altre variabili che possono influire sulle misurazioni. Questo tipo di rottura non così consueta per le piattaforme, solitamente realizzate con pali saldati, è stata studiata per la particolare costituzione dei main pile ottenuti mediante l’unione di virole con giunti filettati non ispezionabili e a rischio degenerazione per obsolescenza. A seguito di una descrizione della metodologia d’indagine basata sull’analisi modale si riporta lo studio sul caso applicativo SQUALO. I risultati dell’implementazione confermano per queste condizioni, la capacità d’identificare l’insorgere di danneggiamenti rilevanti e quindi di determinare parzialmente la localizzazione della rottura.