Il carico dovuto alle onde e alle correnti non dovrebbe essere trattato semplicemente come due carichi indipendenti, calcolati separatamente e poi sommati.Nell'analisi strutturale offshore, l'approccio corretto consiste nel determinare innanzitutto il movimento locale delle particelle d'acqua causato da onde e correnti nella stessa posizione e nello stesso istante, combinare le loro componenti di velocità in un sistema di coordinate coerente e quindi calcolare la forza idrodinamica risultante.

Questa distinzione diventa particolarmente importante per le strutture offshore esposte a onde alte, forti correnti e profili di corrente complessi. Può influenzare significativamente la forza di resistenza calcolata, soprattutto quando si utilizza l'equazione di Morison per elementi tubolari snelli.

Questo articolo spiega i principi ingegneristici alla baseInterazione onda-corrente, allungamento del profilo di corrente, combinazione del vettore velocità, forza di trascinamento di Morison e modellazione del carico onda-corrente in SACS.

1. Perché i carichi di onde e di corrente non possono sempre essere aggiunti direttamente

Un approccio comune nell'analisi strutturale offshore consiste nel calcolare separatamente i carichi dovuti alle onde e quelli dovuti alle correnti, per poi sommare le forze risultanti.

Tuttavia, ciò non rappresenta necessariamente il carico idrodinamico effettivo su una struttura.

La questione fondamentale è:

Qual è la velocità effettiva dell'acqua attorno all'elemento strutturale nello stesso punto e nello stesso istante?

Nell'acqua coesistono la velocità indotta dalle onde e la velocità della corrente. Pertanto, è necessario innanzitutto determinare la velocità locale dell'acqua combinando i rispettivi vettori velocità. La velocità risultante viene poi utilizzata per calcolare la forza idrodinamica.

Ciò è particolarmente importante per ilcomponente di resistenza dell'equazione di Morison, poiché la forza di resistenza è proporzionale al quadrato della velocità relativa.

Perciò:

Combinare prima le velocità ambientali e poi calcolare la forza idrodinamica non è generalmente equivalente a calcolare le forze delle onde e delle correnti in modo indipendente e sommare i risultati in seguito.

2. Da dove proviene la corrente al di sopra del livello dell'acqua calma?

Consideriamo una struttura offshore situata in una zona soggetta a tempesta, dove:

• Il livello dell'acqua ferma è definito comez = 0
• La profondità dell'acqua è80 m
• Il profilo della corrente in ingresso è definito solo fino al livello dell'acqua ferma.
• La cresta dell'onda raggiungeη = +8 m

Quando la cresta dell'onda passa accanto alla struttura, la superficie libera istantanea si innalza fino a +8 m.

Un elemento strutturale situato az = +4 mè quindi temporaneamente sommerso.

Tuttavia, il profilo di corrente originale non fornisce direttamente una velocità di corrente a +4 m perché il profilo originale è stato definito solo fino al livello dell'acqua calma.

Il problema ingegneristico non è quindi quello di determinare la correntesopra la cresta dell'ondaSi tratta invece di determinare la velocità attuale nella regione che è:

al di sopra del livello dell'acqua calma ma al di sotto della superficie istantanea dell'onda.

Un approccio ingegneristico consiste nel trasformare il profilo attuale in base all'elevazione istantanea della superficie libera. Il profilo attuale viene effettivamente allungato o compresso in modo tale che:

• Il fondale marino rimane associato al fondale marino
• La superficie d'onda istantanea corrisponde al limite superiore del profilo di corrente originale

Ciò garantisce una distribuzione uniforme della velocità della corrente in tutta la regione bagnata istantanea.

3. Estensione del profilo attuale: mappatura dell'elevazione locale

L'allungamento del profilo di corrente non deve essere interpretato semplicemente come la moltiplicazione di ogni velocità di corrente per un fattore di scala.

L'operazione chiave èmappare l'attuale quota strutturale su una corrispondente quota di riferimento nel profilo attuale originalee quindi ricavare la velocità attuale da quella posizione mappata.

Per un approccio semplificato di allungamento lineare, la relazione può essere espressa come:

z' = -d + (z + d) × d / (d + η)

Dove:

• d= profondità dell'acqua piovana
• η= elevazione istantanea dell'onda
• z= quota attuale nel punto in cui si trova la struttura
• z'= quota altimetrica mappata nel profilo attuale originale

Lo stesso sistema di riferimento verticale deve essere utilizzato perz, z' e η, con valori positivi verso l'alto.

Ad esempio, supponiamo:

• Profondità dell'acqua:d = 80 m
• Elevazione dell'onda:η = +8 m

La mappatura può essere illustrata come segue:

Ciò significa che la velocità attuale az = +4 msi ottiene valutando il profilo corrente originale a circaz' = −3,64 m.

Esempio di interpolazione della velocità corrente

Supponiamo che il profilo corrente originale abbia:

• Velocità attuale a z = 0 m:1,5 m/s
• Velocità attuale a z = −20 m:1,2 m/s

Se si utilizza l'interpolazione lineare, la velocità mappata a circa -3,64 m può essere ottenuta da questi due valori.

Il punto importante è:

Lo stiramento modifica la posizione da cui viene ottenuta la velocità corrente. Non si tratta semplicemente di moltiplicare tutte le velocità correnti per 88/80.

Questa distinzione è essenziale quando si interpretano le trasformazioni del profilo di corrente nell'analisi idrodinamica offshore.

4. Estensione del profilo di corrente lineare vs. non lineare

L'allungamento del profilo attuale non è necessariamente limitato a un solo metodo matematico.

API RP 2A-WSD, 22a edizione, Sezione 5.3.1.2.6Il documento identifica lo stretching non lineare come il metodo preferibile nelle condizioni descritte dalla norma, discutendo al contempo approcci approssimati per particolari caratteristiche del profilo di corrente.

Per una lastra superficiale relativamente spessa con una distribuzione di velocità approssimativamente uniforme, una semplice estensione verticale può fornire una ragionevole approssimazione allo stiramento non lineare.

Per altri tipi di profili correnti,Lo stretching lineare può essere utilizzato anche come approssimazione ingegneristica, a seconda delle condizioni applicabili e della metodologia di analisi.

Pertanto, è opportuno evitare due conclusioni:

• Non è corretto presumere che ogni profilo attuale possa essere semplicemente esteso verso l'alto senza alcuna valutazione.
• Non è corretto nemmeno presumere che lo stiramento lineare sia universalmente inaccettabile.

La selezione deve basarsi sulle caratteristiche del profilo attuale, sulla norma di progettazione applicabile e sui requisiti di analisi.

Profilo di corrente vs. cinematica dell'onda

Un'altra distinzione importante è cheL'allungamento del profilo di corrente e la cinematica delle onde non sono lo stesso processo fisico.

L'allungamento della corrente determina come il profilo di velocità della corrente viene mappato nella regione bagnata istantanea.

Metodi comeWheeler allungamentosono associati al trattamento della cinematica ondulatoria.

Sebbene concetti simili di mappatura altimetrica possano apparire in formulazioni diverse, non devono essere automaticamente interpretati come la stessa impostazione del software o la stessa correzione fisica.

5. Le velocità delle onde e delle correnti devono essere combinate come vettori

Una volta determinata la velocità locale della corrente, questa può essere combinata con la velocità indotta dalle onde.

Tuttavia, le velocità dovrebbero essere combinate comevettori, piuttosto che semplicemente sommare le loro grandezze.

Ad esempio, in un determinato momento:

• velocità dell'onda =3 m/s verso est
• Velocità attuale =1 m/s verso nord

La velocità orizzontale risultante è:

U = √(3² + 1²) ≈ 3,16 m/s

Pertanto non è 4 m/s.

Se le velocità dell'onda e della corrente sono collineari e nella stessa direzione, le loro velocità con segno possono essere sommate direttamente.

Per esempio:

3 m/s + 1 m/s = 4 m/s

Ma quando le direzioni sono diverse, è necessaria la somma vettoriale.

6. La velocità rilevante per un elemento strutturale è la componente normale

Per le strutture tubolari offshore, un altro aspetto importante da considerare è la direzione della forza idrodinamica rispetto all'elemento.

La velocità utilizzata per la componente di resistenza dovrebbe essere generalmente considerata in relazione allacomponente del flusso normale all'elemento strutturale.

Ciò significa che l'entità della velocità ambientale complessiva non dovrebbe essere applicata automaticamente a ogni elemento tubolare inclinato o orientato in modo diverso.

Per un membro con un orientamento arbitrario:

1. Determinare la velocità locale dell'onda.
2. Determinare la velocità locale della corrente.
3. Uniscili in un sistema di coordinate coerente.
4. Determinare la velocità relativa del flusso.
5. Scomporre la velocità nella componente normale all'elemento.
6. Applicare la formulazione idrodinamica appropriata.

Se l'elemento strutturale stesso si muove, la quantità rilevante deve tenere conto anche delvelocità relativa tra l'acqua e il membro.

7. Perché la differenza diventa significativa nel termine di trascinamento di Morison

L'importanza di combinare correttamente le velocità delle onde e delle correnti diventa più chiara esaminando l'equazione di Morison.

Per un cilindro circolare fisso soggetto a un flusso trasversale unidimensionale, la forza di resistenza per unità di lunghezza può essere espressa in forma semplificata come:

Fᴅ = ½ ρ Cᴅ DU |U|

Dove:

• Fᴅ= forza di trascinamento per unità di lunghezza
• ρ= densità dell'acqua
• Cᴅ= coefficiente di resistenza
• D= diametro dell'elemento
• U= velocità di flusso relativa con segno normale all'elemento

La caratteristica importante è il termine:

U |U|

Pertanto, la forza di resistenza aerodinamica è non lineare rispetto alla velocità.

8. Esempio: Carichi separati di onde e correnti rispetto alla velocità combinata

Consideriamo un caso semplificato in cui:

• velocità dell'onda =3 m/s
• Velocità attuale =1 m/s
• Entrambi agiscono nella stessa direzione

Se le forze di resistenza dovute alle onde e alle correnti vengono calcolate separatamente e poi sommate, i termini del quadrato della velocità sono:

3² + 1² = 10

Se le velocità vengono prima combinate e poi si calcola la forza di resistenza:

(3 + 1)² = 16

La differenza deriva dal termine incrociato:

2 × 3 × 1 = 6

I valori10 e 16 sono termini della velocità al quadrato, con unità di misura m²/s². Non si tratta di forze in kN e non rappresentano da sole il carico idrodinamico totale.

Questo esempio semplificato dimostra il perché:

Calcolare la resistenza dovuta alle onde e alle correnti separatamente e poi sommare i risultati non è generalmente equivalente a calcolare la resistenza a partire dalla velocità locale combinata.

La differenza è particolarmente significativa quando le velocità delle onde e delle correnti sono elevate e agiscono nella stessa direzione.

9. Cosa succede quando onda e corrente agiscono in direzioni opposte?

Lo stesso principio si applica quando le velocità delle onde e delle correnti agiscono in direzioni opposte, ma è necessario conservare il segno della velocità.

Per esempio:

• Velocità dell'onda = +3 m/s
• Velocità attuale = −1 m/s

La velocità combinata è:

U = +3 − 1 = +2 m/s

Il termine di resistenza corrispondente al quadrato della velocità si basa su:

U |U| = 2 × 2 = 4

Questo illustra perché non è corretto concludere che un calcolo separato produrrà sempre un carico inferiore.

A seconda della direzione e della fase relative delle velocità dell'onda e della corrente, la differenza può variare in ampiezza e direzione.

10. L'equazione di Morison include anche un termine di inerzia

L'esempio semplificato qui sopra si concentra solo sul componente di trascinamento.

Una formulazione completa di Morison contiene anche untermine di inerzia associato all'accelerazione delle particelle d'acqua.

Pertanto, il carico idrodinamico complessivo dovuto alle onde e alle correnti non può essere rappresentato semplicemente affermando che l'intero carico è proporzionale al quadrato della velocità.

La componente di resistenza aerodinamica evidenzia in modo più chiaro l'effetto non lineare, mentre la componente di inerzia deve essere trattata secondo la formulazione idrodinamica e la cinematica ondosa applicabili.

Questa distinzione è importante nell'interpretazione dei risultati delle analisi strutturali offshore.

11. Interazione onda-corrente nei sistemi SACS: cosa devono verificare gli ingegneri?

Quando si modellano gli effetti delle onde e delle correnti inSACSL'ingegnere dovrebbe guardare oltre il nome del caso di carico.

Un caso passo passo chiamato“Onda + Corrente”Ciò di per sé non dimostra che il processo fisico sottostante sia stato modellato correttamente.

Occorre verificare diversi aspetti:

1. Riferimento al livello dell'acqua

Assicurarsi che i seguenti elementi siano definiti in modo coerente:

• Livello dell'acqua fermo
• Livello dell'acqua piovana
• elevazione del vento
• Prospetti strutturali
• Quote di riferimento del profilo attuale

Un riferimento verticale incoerente può comportare una mappatura della corrente errata.

2. Estensione del profilo corrente

Verifica se il profilo corrente è:

• Allungato
• Esteso
• Interpolato
• Modificato da un'altra trasformazione

Il metodo selezionato deve essere coerente con la metodologia di progettazione applicabile.

3. Cinematica delle onde

Verifica come il software genera la velocità e l'accelerazione delle onde e delle particelle.

La trasformazione del profilo di corrente e lo stiramento della cinematica ondulatoria non devono essere automaticamente trattati come lo stesso processo.

4. Direzione della corrente d'onda

Verificare l'angolo relativo tra la propagazione dell'onda e la direzione della corrente.

In presenza di onde e correnti non collineari, entrambe le componenti direzionali possono influenzare l'analisi.

5. Velocità normale dell'elemento

Per ciascun elemento strutturale, verificare che venga utilizzato il componente di flusso appropriato in relazione all'orientamento dell'elemento.

6. Velocità relativa

Se il movimento strutturale è rilevante, verificare se la formulazione idrodinamica utilizza la velocità relativa acqua-elemento appropriata.

7. Componenti di resistenza e inerzia

Esamina i singoli contributi di:

• Forza di trascinamento
• forza d'inerzia
• Forza idrodinamica totale

Non interpretare l'esempio di sola trascinamento come rappresentativo del carico completo di Morison.

12. Il periodo apparente dell'onda e la velocità della corrente non devono essere confusi.

Un altro problema importante nell'analisi offshore è la velocità corrente utilizzata per la stimaperiodo d'onda apparente.

La corrente utilizzata a questo scopo non è necessariamente identica a un valore di corrente già modificato per ostruzioni strutturali o effetti locali.

In base alla metodologia API discussa sopra, il periodo d'onda apparente dovrebbe essere valutato utilizzando ilcorrente libera indisturbata, piuttosto che una corrente che è già stata ridotta da un blocco strutturale.

In presenza di onde e correnti non collineari, la componente di corrente lungo la direzione dell'onda è rilevante per la stima del periodo apparente dell'onda.

Allo stesso tempo, il profilo di corrente utilizzato nel calcolo del carico idrodinamico potrebbe richiedere un'adeguata mappatura del profilo e un trattamento direzionale.

Perciò:

Un valore corrente modificato per uno scopo di analisi non dovrebbe essere automaticamente riutilizzato per ogni altra fase di calcolo.

13. La sovrapposizione dei carichi strutturali non è la stessa cosa della generazione di carichi ambientali.

Un concetto critico nell'analisi strutturale offshore è la differenza tragenerazione di caricoEsovrapposizione di risposta strutturale.

In presenza di opportune condizioni strutturali lineari, le risposte strutturali possono sovrapporsi.

Tuttavia, ciò non significa che le forze idrodinamiche ambientali che hanno generato tali risposte possano sempre essere calcolate in modo indipendente e poi sommate linearmente.

Per esempio:

Velocità dell'onda + velocità della corrente → velocità combinata locale → forza idrodinamica → risposta strutturale

è fondamentalmente diverso da:

Forza delle onde + forza della corrente → risposta strutturale

quando la forza idrodinamica stessa è non lineare rispetto alla velocità.

Questa distinzione è particolarmente importante per il carico di trascinamento di Morison.

14. Un flusso di lavoro pratico per l'analisi del carico a corrente d'onda

Un flusso di lavoro ingegneristico pratico può quindi essere riassunto come segue:

Fase 1 — Stabilire il livello dell'acqua

Definire il livello di riferimento pertinente per le acque ferme o per le acque meteoriche e assicurarsi che tutte le quote utilizzino lo stesso datum.

Fase 2 — Definire la superficie dell'onda

Determinare l'altezza istantanea dell'onda nel punto e nella fase oggetto di valutazione.

Passaggio 3 — Mappa il profilo corrente

Determinare la velocità della corrente corrispondente all'altezza istantanea bagnata utilizzando l'apposita trasformazione del profilo di corrente.

Fase 4 — Determinazione della cinematica delle onde

Calcolare la velocità e l'accelerazione locali indotte dalle onde nella stessa posizione e fase.

Fase 5 — Combinare le velocità delle onde e delle correnti

Eseguire la somma vettoriale in un sistema di coordinate coerente.

Fase 6 — Determinare il flusso relativo

Tenere conto dell'orientamento dei membri e, ove applicabile, del movimento strutturale.

Passaggio 7 — Calcolare la forza idrodinamica

Applicare la formulazione idrodinamica Morison o altra formulazione appropriata.

Passaggio 8 — Verifica delle componenti direzionali

Verificare che per ogni elemento strutturale siano state utilizzate le componenti di velocità normale e tangenziale corrette.

Passaggio 9 — Esaminare l'output di SACS

Verifica le ipotesi sottostanti e le quantità di output anziché affidarti solo ai nomi dei casi di carico.

Fase 10 — Convalida rispetto allo standard applicabile

Esamina i requisiti API pertinenti, le specifiche del progetto, la documentazione del software e le ipotesi di analisi.

15. Punti chiave

Il trattamento corretto del carico di onde e correnti è fondamentalmente unproblema di cinematica idraulica prima che diventi un problema di carico strutturale.

I principi chiave sono:

• Le velocità delle onde e delle correnti devono essere valutate nello stesso luogo e nello stesso momento.
• Potrebbe essere necessario trasformare i profili di corrente quando la superficie libera istantanea differisce dal livello di riferimento dell'acqua.
• L'allungamento del profilo di corrente modifica la posizione di campionamento della velocità; non si tratta semplicemente di un moltiplicatore di velocità uniforme.
• Le velocità delle onde e delle correnti devono essere combinate come vettori.
• La componente di velocità normale all'elemento strutturale è importante per la resistenza di Morison.
• La velocità relativa dell'acqua rispetto all'elemento strutturale deve essere considerata quando il movimento strutturale è rilevante.
• La resistenza di Morison è non lineare perché dipende da U|U|.
• Calcolare separatamente la resistenza dovuta alle onde e alla corrente e sommare i risultati non è generalmente equivalente a calcolare la resistenza a partire dalla velocità combinata.
• Il termine di inerzia di Morison richiede una considerazione separata e non è rappresentato dal semplice esempio della velocità al quadrato.
• I valori correnti utilizzati per la stima del periodo apparente non devono essere automaticamente confusi con i valori correnti bloccati o altrimenti modificati utilizzati altrove.
• La sovrapposizione delle risposte strutturali non implica che i carichi idrodinamici ambientali possano sempre essere generati indipendentemente e sommati linearmente.
• I soli nomi dei casi di carico SACS non sono sufficienti a verificare la correttezza fisica di un'analisi onda-corrente.

Conclusione

La questione fondamentale nella combinazione di carichi ondosi e di corrente non è semplicemente se sia possibile sommare due forze.

La questione più fondamentale è:

Come si muove effettivamente l'acqua attorno all'elemento strutturale nella stessa posizione e nello stesso istante?

L'allungamento del profilo di corrente determinadove si dovrebbe ottenere la velocità corrente.

La combinazione vettoriale determinacome interagiscono le velocità delle onde e delle correnti.

L'equazione di Morison determinacome il movimento dell'acqua risultante viene convertito in forza idrodinamica.

Questi passaggi sono fisicamente collegati e, in generale, non possono essere sostituiti semplicemente sommando due risultati di carico ambientale calcolati in modo indipendente.

Per un'analisi strutturale offshore affidabile, gli ingegneri dovrebbero quindi esaminare l'intera catena:

Livello dell'acqua → Profilo della corrente → Cinematica delle onde → Combinazione velocità onda-corrente → Velocità relativa dell'elemento → Forza idrodinamica → Risposta strutturale

Questo approccio fornisce una base fisicamente più coerente per l'analisi delle strutture tubolari offshore soggette a carichi combinati di onde e correnti.

Domande frequenti

È possibile sommare semplicemente i carichi ondosi e quelli di corrente?

Non in tutti i casi. Per il calcolo della resistenza di Morison, le velocità delle onde e delle correnti dovrebbero generalmente essere combinate prima di calcolare la resistenza idrodinamica, poiché la forza di resistenza dipende in modo non lineare dalla velocità.

Che cos'è l'allungamento del profilo di corrente?

La tecnica di allungamento del profilo di corrente consiste nel mappare il profilo di velocità della corrente originale sulla colonna d'acqua bagnata istantanea quando l'elevazione della superficie libera cambia a causa delle onde.

L'allungamento attuale implica la moltiplicazione della velocità per un fattore di scala?

No. In generale, lo stretching modifica l'altitudine alla quale la velocità attuale viene ricavata dal profilo originale. Non va interpretato semplicemente come la moltiplicazione di ogni velocità per un fattore comune.

Qual è la differenza tra cinematica delle onde e allungamento del profilo di corrente?

La cinematica delle onde descrive la velocità e l'accelerazione associate al moto ondoso. L'allungamento del profilo di corrente modifica il modo in cui uno specifico profilo di corrente viene rappresentato all'interno della colonna d'acqua istantanea. Sono correlati a diversi processi fisici.

Perché la forza di trascinamento di Morison cambia in modo significativo quando si combinano onda e corrente?

Poiché il termine di resistenza dipende dalla velocità relativa con segno tramite U|U|, la velocità combinata può produrre termini incrociati che non sono presenti quando le forze di resistenza delle onde e delle correnti vengono calcolate indipendentemente.

La direzione delle onde e delle correnti è rilevante?

Sì. Le velocità delle onde e delle correnti devono essere trattate come vettori. La loro direzione relativa influenza la velocità risultante e quindi la forza idrodinamica.

È opportuno utilizzare la velocità totale dell'acqua per ogni elemento strutturale?

Non necessariamente. Per elementi tubolari snelli, la componente di velocità normale all'elemento è particolarmente rilevante per la resistenza trasversale. Pertanto, è necessario considerare l'orientamento dell'elemento.

SACS è in grado di gestire automaticamente l'interazione tra onde e correnti?

Il trattamento esatto dipende dalla versione di SACS, dalle impostazioni di analisi, dalle definizioni di input e dalla metodologia selezionata. Gli ingegneri dovrebbero verificare la documentazione e l'output del software pertinente, anziché basarsi esclusivamente sul nome di un caso di carico.

La combinazione di carico ondulatorio e di corrente è equivalente alla sovrapposizione di carichi strutturali?

No. La risposta strutturale può essere sovrapposta in presenza di opportune ipotesi lineari, ma la generazione di forze idrodinamiche può essere non lineare. Pertanto, la generazione di carichi ambientali e la sovrapposizione della risposta strutturale devono essere trattate come concetti separati.