Måler virkningen av ekstreme bølger
Kraftige stormer kan føre til høye, brytende bølger som kan smelle inn i plattformer og vindturbiner med voldsom kraft. Forskere ved NTNU og SINTEF studerer oppførselen til konstruksjoner utsatt for slike bølgeslag. Målet er økt sikkerhet til havs.
Kraftige bølgeslag kan gjøre enorm skade på offshore rigger, vindturbinpilarer, skip eller andre konstruksjoner til havs.
Ett av de grunnleggende – og uløste – problemene med å designe så store konstruksjoner, er å kunne forutsi nøyaktig hvordan de reagerer på slike ekstreme påkjenninger. Hva er egentlig belastningen fra slike bølgeslag?
Å løse disse utfordringene vil være et stort skritt mot sikrere og mer kostnadseffektive, marine operasjoner.
Samspillet mellom last og lastvirkning
– Det er helt avgjørende å forstå det gjensidige samspillet mellom lasten fra bølgen og oppførselen til konstruksjonen, sier Rene Kaufmann.
Hvordan store konstruksjoner reagerer på kraftige bølger, er ennå ikke fullt ut forstått. Post.doc Rene Kaufmann er en av forskerne som arbeider med å finne svarene. Foto: Vegard Aune, SIMLab
Han er post.doc ved NTNU SIMLab (Structural Impact Laboratory), og en av forskerne i det som kalles SLADE KPN-prosjektet.
Dette er et kompetanseprosjekt for næringslivet, der forskere fra SINTEF Ocean og NTNU samarbeider om grunnleggende undersøkelser.
Det overordnede målet er økt sikkerhet til sjøs.
Bygger broer og bedre design
For å få ny kunnskap er det behov for systematiske studier av bølgeeffekter. Målet er å utvide kunnskapen som finnes, og avlede hvordan konstruksjonens oppførsel virker på lastene som påføres den.
Forskerne skal utvikle eksperimentelle metoder for å måle dette. Bedre beregningsmetoder kan hjelpe industrien når nye konstruksjoner til havs skal utformes.
SIMLabs Rene Kaufmann jobber med å måle effekten av lokale overflatedeformasjoner.
Det må skje uten at måleutstyret selv påvirker egenskapene til konstruksjonen. For å få til det, har forskerne ved SIMLab brukt sin erfaring med kamerabaserte teknikker for å måle på konstruksjoner under støt- og eksplosjonslast.
Mer om det senere. Først skal vi en tur ut i Norskehavet.
– En veldig stor bølge er på vei
Monsterbølgene som kan gi de voldsomme horisontale bølgeslagene mot skip og andre innretninger til havs, stammer fra såkalte 100-årsstormer.
I 1995 ble offshoreplattformen «Draugen» satt på en alvorlig prøve ved Haltenbanken. Den 12. mars raste en orkan gjennom Norskehavet, og plattformsjef Magne Gundersen fikk en uventet telefon fra Aberdeen Weather Center.
De advarte om en massiv bølge som var på vei mot plattformen. De hadde kun 30 minutter på seg til å forberede seg. Produksjonen ble stoppet umiddelbart. Gundersen samlet mannskapet på 134 personer i et større rom i det indre av plattformen. Der beroliget han alle med å erklære ubetinget tillit til ingeniørene som hadde designet Draugen.
Draugen på Haltenbanken. Foto: Svema / Creative Commons Attribution-Share Alike 4.0
– Plattformen ristet under føttene våre
– Akkurat i det jeg hadde sagt dette, kom det høyeste, og mest øredøvende smellet jeg noen gang har hørt, uttalte han i et intervju etter hendelsen.
– Vi kjente stadig større bevegelser under føttene våre. (…) Rommet fortsatte å riste. Jeg kan ikke si nøyaktig hvor lenge det varte, men jeg antar at det pågikk i mer enn et minutt.
Først hadde den enorme bølgen truffet skaftet, før den løftet seg opp under dekk med en voldsom styrke. Luftspalten på Draugen, fra stille vannstand og opp til kjellerdekket, er på 30 meter.
Inn i bølgeslagenes fysikk
Et sentralt spørsmål for SLADE er: Hva er den faktiske påkjenningen av slike bølgelaster?
– Vi må forstå lasten før vi kan studere detaljene i konstruksjonenes oppførsel, sier Vegard Aune, førsteamanuensis ved SIMLab.
Det er behov for presis kunnskap om materialer, belastninger og fysikken i dette for å forstå hvordan konstruksjoner opptrer seg under ekstreme stormer, forteller førsteamanuensis Vegard Aune ved NTNU SIMLab.
En annen hendelse som danner noe av motivasjonen til SLADE skjedde i Nordsjøen i desember 2015. Da dundret en stor, brytende bølge inn i boreriggen COSL Innovator. Plattformen var designet i henhold til regelverket, men klarte likevel ikke å motstå belastningen.
Hendelsen tok ett menneskeliv, ytterligere fire personer ble skadet – i tillegg til omfattende materielle ødeleggelser.
Må forstå lasten for å kunne forutsi lastevirkningen
– Ulykker som COSL Innovator reiser spørsmålet om vi fullt ut forstår den underliggende fysikken til belastningen fra voldsomme bølgeslag. Det er veldig viktig at konstruksjonsingeniører har detaljert kunnskap, både om belastninger, underliggende fysikk og materialer. Alt dette må til for å forstå og forutsi hvordan konstruksjoner reagerer under ekstreme påkjenninger, sier Aune.
Kontrollerte modelltester
Nylig tilbrakte Rene Kaufmann, Bjørn Christian Abrahamsen fra SINTEF Ocean Transport & Energy, samt prosjektingeniørene Trond Auestad (SIMLab) og Jens Åge Havmo (SINTEF Ocean) flere dager i Havbassenget på Tyholt i Trondheim. Her gjorde de bølgeslagstester på småskala modeller.
De prøvde ut måleteknikken de har jobbet fram – som går ut på å måle belastningen idet bølgen treffer konstruksjonen.
I dag måles dette med trådbaserte punktmålere. I SLADE har de nå utforsket bruk av laser og kamerateknikker som ikke bare gir målinger i ett punkt, men potensielt kan bestemme utviklingen i tid og rom av hele det innkommende bølgefeltet mot konstruksjonen.
Dette betyr at de nærmer seg et annet mål for SLADE, nemlig å tette gapet mellom fysiske tester og pålitelige datasimuleringer.
I bassenget gjenskapte de brytende bølger som smalt inn i en flat stålplate. Platen var integrert i en stålsøyle, som representerer en nedskalert stålkonstruksjon til havs.
I Havbassenget på Tyholt i Trondheim skapte forskerne brytende bølger som traff en flat stålplate. Platen er integrert i en søyle, som representerer en nedskalert stålkonstruksjon til havs.
Målinger på mikronivå
Kaufmann har bakgrunn fra strømningsmekanikk. Han er ekspert på deflektometri, som han beskriver som en «full-felt målingsteknikk for overflatekrumning». Den er svært følsom og tillater måling av deformasjoner ned til mikrometernivå.
Kaufmann tok doktorgrad ved University of Southampton, Storbritannia i 2019. Teknikken han bruker i SLADE er relatert til avhandlingen hans.
Forskere som utfyller hverandre
Prosjektleder i SLADE, Dr. Øyvind Hellan, beskriver prosjektet som et «inspirerende samarbeid mellom forskningsmiljøer som utfyller hverandre».
Visedirektør Øyvind Hallan
Hellan er visedirektør for forskning i SINTEF Ocean. Han forteller at da de lanserte SLADE, ville de satse på å samle et topplag av norske forskere. SINTEF Ocean, verdensledende innen marin teknologi og marin bioforskning, gikk sammen med NTNUs Institutt for marin teknikk (IMT) og SIMLab ved Institutt for konstruksjonsteknikk.
IMT er verdensledende innen utdanning, forskning og innovasjon for tekniske systemer i marine miljø. SIMLab har samme status innen bærende konstruksjoner utsatt for ekstreme belastninger.
Samlet toppforskere på feltet
– Dette er de to akademiske miljøene ved NTNU som rangerer høyest innen sine respektive felt i Forskningsrådets internasjonale evalueringer, sier Hellan.
SLADE KPN ble lansert i 2019, men de involverte partnerne har en lang felles historie med samarbeid.
Finansiering av SLADE KPN
Prosjektet finansieres av Forskningsrådet og profilerte maritime aktører. Blant disse er det internasjonale energiselskapet Equinor med virksomhet i over 30 land, og Aker Solutions som er global leder innen levering av offshore energiproduksjonsanlegg. Også prosjekterings- og rådgiverselskapet Multiconsult, Rederiforbundet, Sjøfartsdirektoratet og Petroleumstilsynet støtter prosjektet. I tillegg har KPN SLADE U.S. Navy som internasjonal partner.
