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F. Toth:
"Static and Dynamic Modelling of Lightweight Floating Platforms Supported by Flexible Air Chambers";
Betreuer/in(nen), Begutachter/in(nen): F. G. Rammerstorfer, M. Haider; Institut für Leichtbau und Struktur-Biomechanik, TU Wien, 2014; Rigorosum: 01.07.2014.

Eine neuartige Schwimmplattform für Solarkraftwerke wurde vorgestellt. Die Schwimmplattform besteht aus einem plattenförmigen Rahmenwerk, das durch zylindrische Luftkammern getragen wird. Die Kammern werden durch die Plattform-Platte, eine flexible Membran, und die Wasseroberfläche gebildet. Ballast am unteren Ende der Membran sorgt auch bei Seegang für die Luftdichtheit der offenen Luftkammern.

Numerische Homogenisierung wurde verwendet um die ebene, periodische Rahmenstruktur in eine äquivalente Plattenstruktur überzuführen, um die Komplexität des mechanischen Modells zu reduzieren. Ein Verfahren zur Bestimmung der Steifigkeit der äquivalenten Platte basierend auf der Einheitszelle der periodischen Struktur wurde vorgestellt. Die Berechnung lokaler Feldvariablen in den Einheitszellen basierend auf Analyseergebnisse der homogenisierten Platte, die sogenannte Lokalisierung, wurde erläutert. Ein Verfahren, um ein auf Einheitszellenebene definiertes Versagenskriterium in den Raum der globaler Schnittkräfte zu übertragen wurde entwickelt. Dieses bietet eine Reduzierung des Rechenaufwands durch die Anwendung einer vorab berechneten Versagensfläche der Einheitszelle.

Das Verhalten der Schwimmplattform unter Wellenerregung wurde durch ein mechanisches Modell beschrieben. Eine numerisch effiziente Modellierung mit einer minimalen Anzahl an Eingabeparametern, welche dennoch alle wichtigen Effekte berücksichtigte, wurde spezielle für den Entwurf von Schwimmplattformen entwickelt. Die flexible Platte wurde mittels der Methode der Finiten Elemente modelliert. Die Luftkammern, welche Wasseroberfläche und der Platte koppeln, wurden durch lineare Federn unter Berücksichtigung der Membranflexibilität und der Kompressibilität der Luft idealisiert. Die durch Druckschwankungen in den Luftkammern auftretenden hydrodynamischen Reaktionskräfte wurden durch ein akustisches Sub-Modell der umgebenden Flüssigkeit mit freier Oberfläche bestimmt. Auf diese Weise konnte die komplexen Fluid-Struktur-Interaktion über ein äquivalentes Feder-Masse-Dämpfer System berücksichtigt werden. Die Erregerkräfte aufgrund von Oberflächenwellen wurden aus der linearen Wellentheorie ermittelt. Die numerisch ermittelten Eigenschwingungsformen und Übertragungsfunktionen wurden durch Modellversuche validiert. Experimente in regelmäßigen und unregelmäßigen Wellen dienten zur Ermittlung der Übertragungsfunktionen. Das Ibrahim Zeitbereichsverfahren wurde eingesetzt, um die Eigenschwingungsformen, Eigenfrequenzen und Dämpfungsfaktoren frei schwimmender Plattformen experimentell zu bestimmen.

Eine einzelne Luftkammer zeigt eine statische Instabilität: Es kommt zum globalen Ausknicken, und damit zum Verlust der Tragfähigkeit, wenn ein kritischer Innendruck überschritten wird. Diese Instabilität wurde rechnerisch und experimentell untersucht. Als Grund für die Instabilität konnte die unsymmetrische Druckverteilung, die an der Wasserlinie einer leicht geneigten Luftkammern auftritt und ein Biegemoment erzeugt, identifiziert werden.

Schließlich wurde ein Prototyp-Design für das Mittelmeer vorgestellt. Das Verhalten der Plattform in unregelmäßigen Wellen wurde basierend auf Wahrscheinlichkeitstheorie untersucht, um die Machbarkeit des vorgeschlagenen Entwurfs zu demonstrieren.

A novel concept for a floating platform usable as a solar power plant was presented. The floating platform consists of a plate-like frame structure which is supported by cylindrical air chambers. The chambers are formed by the platform-plate, a flexible membrane, and the water surface. Ballast weights at the bottom end of the membrane ensure the air-tightness of the open air chambers even during conditions with high waves.

Computational homogenisation was used to reduce the plane-periodic frame structure to an equivalent plate structure in order to reduce the complexity of the mechanical model. Thick plate properties, were computed based on the unit cell of the periodic structure. The localisation procedure for computing local field variables in the unit cells based on the analysis results of the homogenised plate was explained. A procedure to directly evaluate a failure criterion defined on unit cell level based on global section forces was developed. This procedure offers a reduction of the computational cost by pre-computing the failure surface of the unit cell.

A mechanical model of the floating platform under wave forcing was developed. The model is computationally very efficient and has a minimal number of input parameters, yet incorporates all important effects, making it suitable for preliminary design. The finite element method was used to model the deformable platform-plate. The supporting air chambers, coupling water surface and plate, were idealised by linear springs taking the flexibility of the membrane and the compressibility of the air into account. The hydrodynamic reaction forces arising due to pressure oscillations in the air chambers were determined by an acoustic sub-model of the surrounding fluid with free surface. In this way the complex fluid-structure-interaction could be accounted for by the use of equivalent spring-mass-daspot elements. Excitation forces from surface gravity waves were obtained from linear wave theory. The natural modes and transfer functions computed by the developed model were experimentally validated by model tests. Tests were carried out in regular and irregular waves to obtain transfer functions. The Ibrahim time domain method was employed to determine free floating oscillation modes, natural frequencies and damping factors experimentally.

A single air chamber shows a static instability: It globally buckles if a critical internal pressure is exceeded, resulting in the loss of load carrying capacity. This instability phenomenon was investigated computationally and experimentally. The reason for the instability was determined to be the unsymmetrical pressure distribution arising at the waterline of slightly inclined air chambers. This creates a bending moment which leads to global buckling of the chamber.

Finally, a prototype design suitable for the Mediterranean Sea was presented. The behaviour of the platform in irregular seas was evaluated based on probabilistic theory, confirming the feasibility of the proposed design.