In this dissertation, two subjects related to the fatigue reliability analysis of offshore structures are studied. One is the fatigue analysis of the fixed offshore structures subjected to random wave loadings. The other is the reliability analysis for the progressive fatigue failure.
For the fatigue analysis, an efficient method for the dynamic stress analysis is presented. In this method, the power spectral densities of the stresses due to random waves are obtained in the frequency domain by using the equivalent linearization technique. Sample time histories for random stresses are simulated, thereafter. Two stress cycle counting methods are utilized for the fatigue damage estimation, i.e., the narrow band and the wide band methods. Example analysis is carried out to investigate the effects of the bandwidth of the random stresses on the fatigue life estimation. Numerical results indicate that the wide band approach, which is more appropriate to the realities, predicts smaller values of fatigue damages compared with those by the narrow band approach for all seastate conditions.
For the system reliability analysis of offshore structures against progressive fatigue failure, the second moment reliability methods are developed. Two methods are presented. One is the improved first order reliability method (IFORM), and the other is the modified probabilistic network evaluation technique (MPNET). Using idealized parallel member models, reliability analyses for progressive fatigue failures are carried out for various cases with multiple members composed of multiple connecting joints per member. Numerical results indicate that the effectiveness of the proposed methods over the conventional ones (i.e., the FORM and the PNET) increases very significantly as the number of failure modes of the system increases.
본 논문에서는 피로파괴에 대한 해양구조물의 신뢰도 해석방법에 대하여 연구하였다. 심해나 해상조건이 나쁜 지점에서 운영될 해양구조물의 설계시에는 파랑하중에 대한 구조물의 피로수명 예측이 매우 중요한 요소이다.
첫째로, 랜덤파랑하중에 대한 해양구조물의 피로수명예측에 주는 영향에 대하여 연구하였다. 구조물의 동적거동해석은 비선형 점성저항력의 선형화를 통한 주파수영역해법을 사용하여 수행되었으며, 랜덤응력스펙트럼을 구하고 이를 바탕으로 피로해석을 수행하였다. 피로손상의 예측을 위한 랜덤응력 cycle의 산정은 narrow band 산정법과 함께 wide band 산정법을 사용하였다. 수심이 다른 지점에 위치한 2개의 구조물을 택하여 예제해석을 수행하였으며, 두 응력 cycle 산정법에 의해 얻은 피로해석 결과들을 비교하고 응력의 bandwidth의 영향을 분석하였다. 수치해석 결과, 실제 응력의 특성에 좀 더 적절히 부합되는 wide band 산정법이 모든 파고조건에 대해 narrow band 산정법에 비해 보다 작은 피로손상을 줌을 알 수 있었다. 따라서, 좀 더 정확한 결과가 필요할 경우, 실무에서 많이 사용되는 간단한 narrow band 산정법을 wide band 산정법으로 보안하여 사용함이 타당하다고 사료된다.
둘째로, 대부분의 해양구조물은 고도의 부정정 구조물이기 때문에 한 부재가 피로로 인해 파괴되었더라도 반드시 구조물 전체 기능을 약화시키지는 못한다. 따라서, 진전하는 피로에 대한 신뢰도해석이 중요하므로 본 연구에서는 이에 대한 체계신뢰도해석을 위한 제 2차 모멘트신뢰도 방법들을 개발하였다. 두 방법이 제시되었는데 하나는 개선된 제 1계 신뢰도방법(IFORM)이고 다른 하나는 수정된 Probabilistic Network Evaluation Technique(MPNET)이다. 이상화된 병렬부재모형을 사용하여 부재당 다수의 연결절점으로 구성된 여러 부재들을 가진 경우에 대해 진전하는 피로파괴에 대한 신뢰도해석들을 수행하였다. 수치해석결과로부터 본 논문에서 제안한 방법들이 재래적인 방법인, 제 1계 신뢰도방법(FORM) 과 PNET 방법보다 더 정확한 결과를 얻을 수 있었다. 이러한 경향은 체계의 파괴모우드 수가 증가됨에 따라 더욱 분명하였다.
