DNV-RP-N103: Modellierung und Analyse von Offshore-Operationen

Was DNV-RP-N103 ist

DNV veröffentlicht die Richtlinie (RP) unter dem Titel Modellierung und Analyse von Offshore-Operationen. Sie erschien zunächst als DNV-RP-H103, erstmals im April 2009 und zuletzt im Februar 2014, und wurde im Juli 2017 durch DNVGL-RP-N103abgelöst. Bei dieser Überarbeitung änderten sich Dokumentenkennung, Unternehmensname und Verweise. Nach der Umbenennung von DNV im Jahr 2021 hieß sie DNV-RP-N103, geändert im September 2021. In Suchergebnissen und älteren Hebeplänen wird weiterhin RP-H103genannt; die auf dieser Seite beschriebenen Methoden stehen in beiden Dokumenten.

DNV führt die aktuelle Ausgabe auf seiner RP-N103 -Seite auf. Der vollständige Text steht im Rules and Standards Explorer von DNV. Dafür sind eine kostenlose Veracity-Anmeldung und ein kostenpflichtiges Explorer+-Abonnement erforderlich. Das Inhaltsverzeichnis und der erste Abschnitt sind frei einsehbar; DNV bietet zudem einen einmaligen Testzugang für 14 Tage an. Die älteren DNV-RP-H103 -Ausgaben stehen als kostenlose PDFs im DNV-Archiv älterer Dokumenteund eignen sich als Hintergrundinformation. Für ein Projekt gilt die in seiner Grundlage festgelegte Ausgabe.

Was sie abdeckt

Die Hauptabschnitte der RP, nummeriert wie im Dokument (Abschnitt 1 ist die Einleitung):

1. Allgemeine Analysemethoden. Wellen und Wellenspektren sowie Wellenlasten auf große und kleine Strukturen.
2. Heben durch die Wellenzone, allgemein. Lasten auf ein Objekt beim Durchgang durch die Wasseroberfläche, hydrodynamische Koeffizienten, Berechnungsmethoden, Hebevorgänge durch einen Moonpool und Stabilität.
3. Heben durch die Wellenzone, vereinfachte Methode. Statisches Gewicht, hydrodynamische Kräfte, Kriterium für schlaffe Anschlagmittel, Tragfähigkeitsnachweise und Schnapplasten. Hier beginnen die meisten Nachweise für Hebevorgänge durch die Spritzwasserzone.
4. Absenken in tiefes Wasser. Seilkräfte, Eigenperioden und Resonanz des Absenksystems, schlaffes Seil, Seegangskompensation und Faserseile.
5. Absetzen auf dem Meeresboden und Bergen. Aufprall beim Absetzen, Eindringen von Schürzen, Installation durch Unterdruck und Nivellierung sowie Bergen von Fundamenten.
6. Schleppen. Schleppen an der Oberfläche und unter Wasser.
7. Wetterkriterien und Verfügbarkeit. Prognoseunsicherheit, Durchführbarkeit und Statistiken zur Dauer geeigneter Wetterfenster.
8. Hebevorgänge. Leichte und schwere Hebevorgänge, Bewegung der Kranspitze, Kopplung zwischen Schiffen und Abheben von einer Barge.

Anhänge enthalten Zusatzmassen- und Widerstandsbeiwerte für gängige Formen sowie physikalische Konstanten. Die meisten dieser Widerstandsbeiwerte gelten für stationäre Strömung. In der Wellenzone verwendet die RP den Wert für oszillierende Strömung, der typischerweise zwei- bis dreimal so hoch ist. Ohne CFD oder Modellversuche nennt sie für typische Unterwasserstrukturen C_D \ge 2.5 . Unser Artikel über Unterwasser-Hebevorgänge zeigt, wie Strömungswiderstand und Zusatzmasse mit Form und Geschwindigkeit skalieren.

Die vereinfachte Methode für Hebevorgänge durch die Spritzwasserzone

Abschnitt 4 liefert eine erste, konservative Abschätzung für ein durch die Wellenzone abgesenktes Objekt. Dafür verwendet er wenige charakteristische Werte statt einer vollständigen Simulation. Vorausgesetzt wird, dass das Objekt klein gegenüber der Wellenlänge ist, der Kranspitze ohne Resonanzverstärkung folgt und die vertikale Relativbewegung zwischen Objekt und Wasser dominiert. Die folgenden Abschnittsnummern stammen aus der RP.

Statisches Gewicht (4.2). Das Gewicht im Wasser, berechnet aus der Masse in Luft und dem verdrängten Volumen:

Für ein Objekt, das nach dem Eintauchen geflutet wird, werden ein Minimal- und ein Maximalwert angesetzt. Für den Nachweis gegen schlaffe Anschlagmittel gilt der Minimalwert, für den Tragfähigkeitsnachweis der Maximalwert.

Wellenperioden (4.3.2). Wenn die Wellenperiode berücksichtigt wird, umfasst die Analyse Perioden zwischen aufwärts gerichteten Nulldurchgängen im Bereich

für eine maßgebende signifikante Wellenhöhe H_s. Die alternative, periodenunabhängige Wellenkinematik der RP gilt nur für T_z \ge 10.6 \sqrt{H_s / g}; In einer Analyse wird die eine oder die andere Methode verwendet.

Relativgeschwindigkeit. Die Absenkgeschwindigkeit des Hakens v_c, typischerweise 0.5 m/s, kommt zur kombinierten Geschwindigkeit der Kranspitze v_{ct} und zur Geschwindigkeit der Wasserteilchen v_w, hinzu, die die Methode als unabhängig voneinander behandelt:

Kraftkomponenten (4.3.5 bis 4.3.8). Beim Durchgang des Objekts durch die Wasseroberfläche wirken vier Kräfte (Abbildung 1): Aufprallkraft auf die Teile, die auf das Wasser treffen, und die mit dem Quadrat der Aufprallgeschwindigkeit wächst; Strömungswiderstand, der mit dem Quadrat der Relativgeschwindigkeit wächst; die Massenkraft aus der mit der Kranspitze beschleunigten Objektmasse samt Zusatzmasse, (M + A_{33})\, a_{ct}, und der durch die Wellen beschleunigten verdrängten Wassermasse samt Zusatzmasse, (\rho V + A_{33})\, a_w; sowie der veränderliche Auftrieb, \rho g\, \delta V, wenn sich die Wasseroberfläche relativ zum Objekt auf und ab bewegt.

Aufprallkraft und Strömungswiderstand wirken gleichphasig; Massenkraft und veränderlicher Auftrieb sind um 180° phasenversetzt. Daher werden sie nach (4.3.9) wie folgt kombiniert:

Die charakteristische Gesamtkraft auf das Objekt ergibt sich nach (4.4.2) zu

Ein langes Objekt wie ein Spool, dessen Lasten sich von Anschlagmittel zu Anschlagmittel unterscheiden, erfordert eine genauere Analyse.

Schlaffe Anschlagmittel und Schnapplasten

Wenn die hydrodynamische Kraft das Objekt stärker nach oben hebt, als sein Eigengewicht es nach unten zieht, werden die Anschlagmittel schlaff und kurz darauf ruckartig wieder gespannt. Die vereinfachte Methode verhindert dies mit dem Kriterium für schlaffe Anschlagmittel (4.4.3):

Das entspricht einer Reserve von 10 % bis zum Auftreten schlaffer Anschlagmittel. Geprüft wird mit dem minimalen statischen Gewicht und den aufwärts gerichteten hydrodynamischen Kräften. Die Wetterkriterien für den Hebevorgang werden so festgelegt, dass das Kriterium erfüllt ist.

Wenn Schnapplasten nicht vermieden werden können, berechnet die RP ihre Größe (4.7) aus der Geschwindigkeit beim Straffen, der Steifigkeit K des Hebesystems und der Objektmasse samt Zusatzmasse in Hubrichtung:

Die Gesamtkraft beträgt dann F_{\text{static}} + F_{\text{snap}}. Dieselbe Formel gilt für die Schnapplast beim Abheben von einem bewegten Deck.

Für den Tragfähigkeitsnachweis (4.4.4) verwendet die RP die größere Gesamtkraft mit dem maximalen statischen Gewicht, F_{\text{static,max}} + F_{\text{hyd}} oder F_{\text{static,max}} + F_{\text{snap}}, und rechnet sie für die Hebenorm in einen Faktor bezogen auf das Gewicht in Luft um:

Unser Artikel zum dynamischen Verstärkungsfaktor erläutert die Schnapplast und den DAF näher.

Wie ein Seegangskompensator berücksichtigt wird

In der vereinfachten Methode wird ein Seegangskompensator an einer Stelle berücksichtigt: als weiche Feder in der Steifigkeit des Hebesystems K (4.3.3.4). Dadurch sinkt die Schnapplast. Die geringere Steifigkeit verlängert auch die Eigenperiode des Hebesystems:

Dabei ist m L die Masse des Hubseils und \theta ein Faktor für deren Einfluss. Deshalb berücksichtigt die RP den Kompensator auch bei der Prüfung des Resonanzrisikos auf dieselbe Weise. Die Resonanzverstärkung selbst liegt außerhalb der vereinfachten Methode; außerdem berücksichtigt sie keine Verringerung der auf das Objekt übertragenen Bewegung durch den Kompensator. Beides erfordert eine Zeitbereichsanalyse.

Die RP setzt außerdem eine Grenze (4.7.7): Ein passiver Kompensator darf seinen Hub nicht aufbrauchen, da dies sehr hohe Spitzenlasten und ein Versagen des Hebesystems verursachen kann. Der verfügbare Hub wird für jeden Lastfall um eine Gleichgewichtslage geprüft, die sich beim Wechsel des statischen Gewichts von Luft zu Wasser verschiebt. Dabei werden beim Bergen eingeschlossenes Wasser und, falls relevant, der Wasserdruck auf den Kolben berücksichtigt.

Über die vereinfachte Methode hinaus

Wenn die vereinfachte Methode auf ein Schnapplastrisiko hinweist, das Objekt groß gegenüber den Wellen ist oder der Hebevorgang nahe an der Resonanz liegt, verweist die RP auf genauere Verfahren (Abschnitt 3): einen Ansatz mit einer regelmäßigen Bemessungswelle, Zeitbereichsanalysen in unregelmäßigen Wellen und CFD für die lokale Strömung. Ein Zeitbereichsmodell bildet den gesamten Hebevorgang einschließlich Seil, Anschlagmitteln und gegebenenfalls Kompensator ab und liefert Zeitreihen für Zugkräfte, Bewegungen und Hub. Dort wird die Verringerung der Objektbewegung durch einen Kompensator berücksichtigt. Dies leistet auch CONSTELLATION.

Wie RP-N103 in die Auslegung von Kompensatoren einfließt

Die Analyse liefert Lasten und Bewegungen; daraus wird der Kompensator ausgelegt:

Die RP selbst modelliert einen passiven Kompensator in Abschnitt 5.4 als Feder und Dämpfer an der Kranspitze oberhalb des Seils und bewertet ihn anhand seines Wirkungsgrads: e = 1 – |G(\omega)|, Dabei ist G(\omega) das Verhältnis der Objektbewegung zur Bewegung am oberen Ende des Kompensators. DNV-RP-N202, DNVs Richtlinie für Seegangskompensationssysteme (Ausgabe 2024-06), behandelt den Kompensator selbst, sofern sie in der Projektgrundlage vorgesehen ist. Unser Artikel über passive Seegangskompensation zeigt, wie Hub und Gasvolumen das Verhalten bestimmen.