Probabilistic investigation into time domain analysis of feed barge mooring systems.

Sammendrag

Norsk regnbueørret -og lakse oppdretts volumer har ikke økt nevneverdig de siste årene (SSB, 2021). Dette er på grunn av strenge krav fra staten til industrien, krav til faktorer som tetthet av lus, fiskevelferd og påvirkning på miljøet. Det kan virke som norske fjorder har nådd maksimal kapasitet av oppdrettsanlegg. Så lenge oppdretterne ikke klarer å opprettholde kravene, så deler ikke staten ut flere lisenser. En mulig løsning på denne problemstillingen for både oppdretterne og staten, er å flytte oppdretten til mer eksponerte lokasjoner, utenfor fjordene. Slike revolusjonerende endringer kommer naturligvis med utfordringer. En av disse utfordringene er tema for denne avhandlingen, nemlig fortøyning av forflåter i eksponerte forhold. Denne avhandlingen ble motivert av bekymring fra oppdrettsnæringen og forskningsmiljøet rundt at den nye reviderte standarden, NS9415, muligens ikke inneholder tilstrekkelige krav for eksponerte forflåter. Mer spesifikt, på lokasjoner med signifikant bølgehøyde opp mot 6m, sammenlignet med tradisjonelle lokasjoner med signifikant bølgehøyde opp mot 3m. Denne avhandlingen presenterer forskjellige vanlige fortøyningsmetoder og konsepter, både brukt i oppdrett og olje -og gass næringen. Fortøyningskomponenter som er viktig for oppdrett blir også presentert. Forskjellige teorier for modellering og anlyse av fortøyningsliner blir utledet og forklart. En kvalitativ risikovurdering hvor førtyning av forflåte blir sammenlignet med offshore fortøyning blir utført. De nyeste reguleringene til oppdrett blir presentert. To ofte brukte metoder for fortøyningsanalyse ble funnet å være koblet og ukoblet analyse. Hvilken av disse som skal brukes i forskjellige scenarioer blir ikke presisert i NS9415. En sammenligning av disse to analysemetodene ble utført. For å legge til rette for en slik sammenligning ble det topp moderne analyseprogrammet SIMA, utviklet av SINTEF, brukt. To identiske modeller, hvor eneste forskjell var at den ene var koblet og den andre ukoblet, ble lagd. Spesifikasjonene til disse modellene ble gitt av ScaleAQ, som hadde utført modelltester på et identisk oppsett. Flere analyser med forskjellige miljølaster ble utført, laster som samsvarte med modelltestene til ScaleAQ, for å legge til rette for verifisering av SIMA-modellene. Fra de numeriske analysene i SIMA ble fartøysrespons og linestrekk fra den mest og minst utsatte lina hentet ut og post-prosessert. Resultatene fra den koblede og ukoblede analysen ble deretter sammenlignet. Det ble funnet at den koblede modellen greide å forutsi fartøysrespons og linestrekk bra. På den andre siden så over-estimerte den ukoblede modellen både fartøysrespons og linestrekk i stor grad. Basert på de filtrerte respons spektrumene ble det konkludert med at de store utslagene ble forårsaket av eksiterte egenmoder (spesielt i yaw), grunnet mangel på demping fra fortøyningslinene. Selv om de ukoblede analysene gikk 20 ganger raskere enn de koblede, så er resultatene for unøyaktig til å være brukbare. Det ble foreslått å legge til manuell demping i den ukoblede modellen for å forbedre resultatene, og at dette kunne være gjenstand for fremtidig arbeid. I tillegg kunne ikke numeriske feil i den ukoblede modellen avvises, og fremtidig arbeid kan derfor være å utforske dette. En studie av et spesifikt krav i NS9415, som omhandler bruk av regulære bølger istedenfor irregulære, ble også utført. Det ble oppdaget av dette kravet førte til undervurdering av maks respons, og overvurdering av gjennomsnittlig respons. Dette betyr at kravet ikke er konservativt i henhold til ULS design, og burde derfor ikke brukes for slike konstruksjoner. Det må nevnes at en merknad i standarden sier, at der hvor saktevarierende andreordens krefter dominerer, så burde irregulære bølger tas hensyn til.

Norwegian rainbow trout and salmon farming volumes has not increased noteworthy for the past several years (SSB, 2021). This is because of strict requirements from the government to the industry, in regards to factors like lice density, fish welfare and environmental impact. It would seem that the Norwegian fjords are filled with aquaculture facilities. As long as the fish farmers are unable to show the government that they are able to uphold requirements, the government will not provide more licenses. A possible solution for both the fish farmers and the government, is to move the aquaculture to offshore sites. Naturally, this revolutionary change comes with some challenges. One of which is the topic of this thesis, feed barge mooring in exposed locations. This thesis was motivated by concern from the aquaculture industry, that the new revised standard, NS9415, might not contain adequate requirements for exposed feed barge mooring. More specifically, at locations with significant wave heights up to 6m, compared to traditional locations with significant wave heights up to 3m. This thesis presents various commonly used mooring concepts, both for the aquaculture industry as well as the oil and gas industry. The components most important for aquaculture mooring is also presented. Different theories for modelling and analysing mooring lines are derived and explained. The newest aquaculture regulations regarding feed barge mooring is reviewed and presented. A qualitative risk assessment is performed by comparing feed barge mooring to offshore vessel mooring. Two commonly used methods for mooring analysis were identified to be coupled and uncoupled analysis. Which one of these methods to use in various cases are not specified in the revised standard NS9415. It was therefore decided that an investigation into these methods would fulfill the main goal of this thesis. A comparison between these two methods of analysis were then conducted. To facilitate such a comparison, state of the art analysis software SIMA, developed by SINTEF, was utilized. Two identical models were created, with the only difference being that one was uncoupled and the other coupled. The specifications for these models were given from ScaleAQ, which had conducted model-tests of an identical setup. Several analyses were then performed for varying environmental conditions, matching that of ScaleAQ's model tests, to aid verification/comparison of the SIMA models. From the numerical analyses performed in SIMA, vessel response and line tension from leeward and windward lines were stored and post-processed. The results for coupled and uncoupled models were then compared. It was found that the coupled model was able to predict the vessel response and tension rather accurate, although this was not confirmed by the small-scale model test results supplied by ScaleAQ. On the other hand, the uncoupled model vastly over-predicted both vessel response and line tensions. Based on the filtered response spectrums, it was concluded that this was caused by eigenmode excitation (especially yaw-motion), due to lack of damping from mooring lines. Even though the uncoupled analysis was roughly 20 times faster than the coupled, the results were too inaccurate to be useful. It was proposed that manually adding damping to the uncoupled model, to substitute for lack of mooring line damping and thus improve accuracy, might be subject for further work. Also subject for further work, is investigating whether or not there was numerical errors in the uncoupled model, as this could not be ruled out. A study of a specific requirement in NS9415, regarding the use of regular instead of irregular waves, were also conducted. It was found that this requirement under-predicted the max vessel response and over-predicted the mean response value. Meaning that the requirement is not conservative for ULS design, and should therefore be avoided. It should be noted that the standard does mention that irregular waves should be considered in cases where slowly varying drift forces are important, which is the case for moored structures.