+ All Categories
Home > Documents > Cristina Lindholm - DiVA portal544833/FULLTEXT01.pdf · Cristina Lindholm 1 1 Introduction...

Cristina Lindholm - DiVA portal544833/FULLTEXT01.pdf · Cristina Lindholm 1 1 Introduction...

Date post: 30-Mar-2020
Category:
Upload: others
View: 2 times
Download: 0 times
Share this document with a friend
101
Study and development of FEM-models used in expansion analyses of pipelines Cristina Lindholm Master of Scince Thesis Stockholm 2007
Transcript
Page 1: Cristina Lindholm - DiVA portal544833/FULLTEXT01.pdf · Cristina Lindholm 1 1 Introduction REINERTSEN AS is a Norwegian main contractor supplying multidiscipline process facilities

   

Study and development of FEM-models used in expansion analyses of pipelines

 

Cristina Lindholm

   

 

Master of Scince Thesis Stockholm 2007

Page 2: Cristina Lindholm - DiVA portal544833/FULLTEXT01.pdf · Cristina Lindholm 1 1 Introduction REINERTSEN AS is a Norwegian main contractor supplying multidiscipline process facilities

i

Study and development of FEM-models used in expansion analyses of pipelines

by

Cristina Lindholm

Master of Science Thesis MMK 2007:17 MME 794 KTH Machine element

SE-100 44 STOCKHOLM

Page 3: Cristina Lindholm - DiVA portal544833/FULLTEXT01.pdf · Cristina Lindholm 1 1 Introduction REINERTSEN AS is a Norwegian main contractor supplying multidiscipline process facilities

i

 

Master of science thesis MMK 2007:17 MME 794  

Study and development of FEM‐models used in expansion analyses of pipelines 

 Cristina Lindholm 

Approved 

2007‐03‐01 Examiner 

Sören Andersson Supervisor 

Ulf Sellgren   Commissioner 

Tore Søreide,REINERTSEN AS Contact person 

Sigurd Trier 

Abstract REINERTSEN AS performs expansion and buckling analyses of pipelines using ANSYS, a finite element modelling and analysis tool. In an expansion analysis the pipeline is modelled with thin‐walled pipe elements called PIPE20 which allows plastic deformation. However, in a  recent  analysis  the  results  retrieved  from  the  PIPE20  element were  incorrect  for  strains about 1 percent. One main issue was that the PIPE20 element overestimated the strains.  

The purpose with this Master Thesis was to become familiar with the theories and analysis methods used in pipeline design. By using the knowledge gained a short examination of the weakness in the PIPE20 element was carried out and a first development of a new model for expansion analysis in ANSYS was made.  

First, a detailed  initial study was made. The analytically derived  functions were examined and  a model  was  created  in  ANSYS  using  PIPE20  elements  with  linear‐elastic material model. This model was, when compared  to  the analytically expected results, very accurate and could thereby be used in further analysis.  

A  short  study  of  the  PIPE20  element was  carried  out  for  a  linear‐elastic  perfectly‐plastic material model. The results from PIPE20 were compared to analytically derived results and to  results  from  Pipeline  Analysis  System  (PAS)  a  2D‐analysis  tool  developed  at REINERTSEN. It was seen that results from calculations involving the PIPE20 element differs from  the  expected  results.  When  the  rotation  is  small  and  the  cross‐section  is  almost completely elastic the expected value and PIPE20 element output is practically identical but with  increasing rotation and plasticity the accuracy  is  lessen this due to the few number of integration points. When more  than  23  percent  of  the  cross  section  is  plastic  the  element output  is  utterly  incorrect.  The  conclusion  is  that  the  PIPE20  element  is  not  suitable  in applications where plastic deformation of a major part of the cross‐section is expected.  

One solution  is  to create a model with a beam‐shell assembly. The PIPE20 elements  in  the model  where  inaccuracies  have  been  found  can  be  replaced  by  shell  elements.  A  first development of such a model was made. The beam‐shell assembly was exposed to the same loads as a model with only PIPE20 elements. The strains where compared and was found to be  smaller  in  the beam‐shell  assembly  than  in  the PIPE20 model,  indicating  that  a model with  a beam‐shell  assembly  can be used. Even  though more development  and  testing  are needed the first results are satisfying.  

Page 4: Cristina Lindholm - DiVA portal544833/FULLTEXT01.pdf · Cristina Lindholm 1 1 Introduction REINERTSEN AS is a Norwegian main contractor supplying multidiscipline process facilities

ii

 

Examensarbete MMK 2007:17 MME 794  

FEM‐modeller för expansionsanalys av piplines   

Cristina Lindholm Approved 

2007‐03‐01 Examinator 

Sören Andersson Handledare 

Ulf Sellgren   Uppdragsgivare 

Tore Søreide,REINERTSEN AS Kontaktperson 

Sigurd Trier 

Sammanfattning REINERTSEN AS utför expansions‐ och bucklingsanalyser på pipelines genom att använda ANSYS.  I dessa analyser modelleras  rören med hjälp av ett  tunnväggigt  rörelement kallat PIPE20.  Detta  element  tillåter  plastisk  deformation.  I  en  analys  nyligen  utförd  på REINERTSEN med  töjningar  på  ca  1  till  1.5  procent  var  resultaten  från  PIPE20elementet felaktiga  i  jämförelse  med  resultat  från  andra  applikationer.  Ett  huvudproblem  var  att PIPE20elemntet överskattar töjningarna.  

Syftet med detta  examensarbete  är  att  sätta  sig  in  i  teorier  och  analysmetoder  som  ligger bakom konstruktionsarbetet för pipelines. Genom utnyttjande av den kunskap som erhållits gjordes först en kort undersökning av PIPE20elementets brister. Efter detta gjordes en första utveckling en ny expansionsmodell. En noggrann förstudie utfördes, de analytiskt härledda formlerna  studerades  och  en modell med  användande  av  PIPE20  element  gjordes  där  en linjär‐elastisk material modell nyttjades. PIPE20modellen var, i jämförelse med de teoretiskt förväntade värdena, mycket noggrann och kunde därför användas i fortsatt analys.   

En  liten modell  bestående  av  ett  PIPE20element med  plastiska  egenskaper  undersöktes. Förväntat moment vid olika rotationsförskjutningar  jämfördes med utdata från PIPE20. Det fastslogs  att  utdata  från  PIPE20elementet  skilde  sig  från  det  förväntade  värdet  av  två anledningar.  När  rotationen  är  så  liten  att  nästan  hela  tvärsnittarean  är  elastisk  är  det förväntade  värdet  och  PIPE20modellens  utdata  så  gott  som  identiska  men  med  ökad rotationslast  så minskar  noggrannheten.  Detta  på  grund  av  de  få  integrationspunkterna definierade  i  PIPE20elementet.  Ökas  rotationen  ytterligare  så  mer  än  23  procent  av tvärsnittsarean  är  plastiskt  deformerat  är  utdata  från  PIPE20elementet  helt  felaktiga. Slutsatsen  är  att  PIPE20  inte  är  att  rekommendera  i  analyser  där  en  stor  del  av tvärsnittsarean förväntas bli plastisk deformerat.  

Ett förslag till lösning är att skapa en ny modell där delar av modellen består av skalelement. Genom att byta ut de delar av modellen där problem med noggrannhet uppstår och ersätta dessa med skalelement kan en så kallad ”beam‐shell assembly” vara en förnuftigare modell. Ett  första  försök  till  utveckling  av  en  sådan modell  har  gjorts. Den  nya modellen  och  en modell  bestående  av  enbart  PIPE20element  utsattes  för  samma  analys  och  töjningar jämfördes.  Det  visade  sig  att  töjningar  i  beam‐shell  modellen  var  lägre  än  de  funna  i modellen med  endast  PIPE20element. Detta  är  en  indikation  på  att  en modell med  både PIPE20element och skalelement kan användas i expansionsanalyser. Det är nödvändigt med vidare utveckling och testning av modellen, men de första resultaten är tillfredsställande. 

Page 5: Cristina Lindholm - DiVA portal544833/FULLTEXT01.pdf · Cristina Lindholm 1 1 Introduction REINERTSEN AS is a Norwegian main contractor supplying multidiscipline process facilities

iii

Table of Contents  Abstract.................................................................................................................i Sammanfattning ............................................................................................... ii Table of Contents ............................................................................................ iii Table of Symbols and Abbreviations ...........................................................v  1 Introduction ................................................................................................. 1 2 Theoretical models ..................................................................................... 2 2.1 Effective axial force and submerged weight..................................................... 4 2.2 How the pipeline will buckle .............................................................................. 6 2.2.1 Vertical buckling effects ................................................................................. 6 2.2.2 Lateral buckling effects................................................................................... 8 2.2.3 Buckling behaviour on trigger berm‐Horizontally straight pipeline .... 10 2.2.4 Buckling behaviour on trigger‐berm ‐Horizontally curved pipeline .... 11 2.2.5 Conclusion...................................................................................................... 13

2.3 Feed‐in‐length and maximum allowable moment......................................... 14 2.3.1 Feed in length and strain.............................................................................. 14 2.3.2 Feed in length and deflection ...................................................................... 14 2.3.3 Combining feed in length in the case of lateral buckling, even seabed 15

2.4 How the axial effective force is built up over time........................................ 16 3 Verification of analytical model using ANSYS ................................. 18 3.1 The model .............................................................................................................. 18 3.2 The ANSYS analysis............................................................................................ 20 3.2.1 Vertical buckling............................................................................................ 21 3.2.2 Lateral buckling on vertical trigger‐berm.................................................. 22 3.2.3 Lateral buckling on even seabed................................................................. 22 3.2.4 The parameters and variables in the cases ................................................ 24

3.3 Results .................................................................................................................... 24 3.3.1 Vertical buckling............................................................................................ 24 3.3.2 Lateral buckling on vertical trigger‐berm.................................................. 27 3.3.3 Perfect straight pipe on perfect even seabed............................................. 29 3.3.4 Lateral buckling on even seabed................................................................. 30

3.4 Conclusion ............................................................................................................. 32 4 Plasticity, Ansys and PAS....................................................................... 33 4.1 Model of short plastic beam............................................................................... 33 4.1.1 Theory and analytical model ....................................................................... 34 4.1.2 PIPE20 and PAS model................................................................................. 36 4.1.3 Loading PIPE20 with moment..................................................................... 39

4.2 The importance of integration points‐a short study...................................... 39

Page 6: Cristina Lindholm - DiVA portal544833/FULLTEXT01.pdf · Cristina Lindholm 1 1 Introduction REINERTSEN AS is a Norwegian main contractor supplying multidiscipline process facilities

iv

4.2.1 Analytical vs. numerical............................................................................... 39 4.2.2 Analytical vs. PAS ......................................................................................... 40

4.3 Conslusion ............................................................................................................. 41 5 Development and verification of a new model.................................. 42 5.1 Building a shell..................................................................................................... 43 5.2 Modelling a beam‐shell assembly .................................................................... 43 5.2.1 MPC................................................................................................................. 44 5.2.2 BEAM4 ............................................................................................................ 44 5.2.3 Study of the connections .............................................................................. 45

5.3 Modelling the Seabed and the contact ............................................................. 46 5.3.1 Forces due to pressure‐pipeline initially created on flat seabed ............ 46

5.4 Modelling Link elements ................................................................................... 48 5.4.1 Lowering the pipeline................................................................................... 48 5.4.2 Establishing contact with an un‐even seabed ........................................... 49 5.4.3 Forces due to pressure‐pipeline laid down flat seabed ........................... 49

5.5 Buckling of pipeline lying on trigger‐berm.................................................... 50 5.5.1 Vertical buckling............................................................................................ 50 5.5.2 Lateral buckling ............................................................................................. 52

5.6 Conclusion of the beam‐shell assembly and further development ........... 52 6 References .................................................................................................. 54 7 Appendix.......................................................................................................i 7.1 Appendix. Vertical buckling on even seabed....................................................i 7.2 Appendix. Lateral buckling on even seabed................................................... iii 7.3 Appendix. Combined buckling..........................................................................vi 7.4 Appendix. Parameters and variables............................................................... vii 7.5 Appendix. ANSYS input files for elastic PIPE20.........................................viii 7.6 Appendix. Graphs of vertical and lateral deflection..................................... xx 7.7 Appendix. Moments in partly plastic cross‐section. ..................................xxiv 7.8 Appendix. Input files for short beam in ANSYS and PAS ........................xxv 7.9 Appendix. Matlab input file for study of integration points ................xxviii 7.10 Appendix. Input file for beam‐shell assembly. MPC‐BEAM4.................xxix

 

Page 7: Cristina Lindholm - DiVA portal544833/FULLTEXT01.pdf · Cristina Lindholm 1 1 Introduction REINERTSEN AS is a Norwegian main contractor supplying multidiscipline process facilities

v

Table of Symbols and Abbreviations Latin symbols  Index   A  Area  0  Initial value C  Length between supports  1  Part one/principle 1 D  Diameter  2  Part two/principle 2 E  Young  allow  Allowable F  Force  ansys  Value from ANSYS output g  Gravity  As‐laid  Value as‐laid I  Moment of inertia  buckle  Of buckle k  Soil stiffness  c  Coating L  Length   calc  Calculated value M  Moment  e  Elastic N  Axial force  e  External n  Force per meter length  eff  Effective p  Pressure  feed‐in  Feed‐in q  Weigh per meter  i  Internal R  Radius  lat  Lateral r  Mean radius of pipeline  lay  From lay phase T  Temperature  lift  When lift‐off t  Thickness  oper  In operation u  Elongation  p  Plastic V  Shear force  press  Value when exposed to pressure v  Lateral displacement  p+T  Pressure and temperature w  Vertical displacement  s  Steal   soil  Soil Greek symbols  sub  Submerged α   Heat coefficient   true  True δ   Deflection  vert  Vertical ε   Strain  w  Water θ   Angel  x  Axial µ   Coefficient of friction  y  Yield υ   Poisons ratio     ρ   Density     σ   Stress     

 DNV  Det norske veritas MPC  Multi points constraints PAS  Pipeline Analysis System 

Page 8: Cristina Lindholm - DiVA portal544833/FULLTEXT01.pdf · Cristina Lindholm 1 1 Introduction REINERTSEN AS is a Norwegian main contractor supplying multidiscipline process facilities

Design and development of FEM‐models used in expansion analyses  Master Thesis MMK 2007       Cristina Lindholm 

1

1 Introduction REINERTSEN  AS  is  a  Norwegian  main  contractor  supplying  multidiscipline  process facilities  to  the oil and gas  industry offshore and onshore. They  take on  full scale analysis and design of pipelines based on  the offshore  standard developed by Det Norske Veritas (DNV) [2].   Submerged  steel pipelines  are used  for  transporting  oil  and gas  from oil  fields  at  the  sea bottom  to  land or a platform. The difference  in  temperature and pressure  in  the hot  fluids inside  the pipe  and  the  surrounding  sea water will  lead  to  axial  expansion,  rendering  an elongation  of  the  pipeline.  If  the  expansion  is  restrained  an  axial  compression  force will develop  in  the  pipeline.  A  large  amount  of  inner  forces  in  a  pipeline  is  unwanted  and numerous analyses have been made on how to lower the large forces in the pipeline. Due to the friction between the pipeline and the seabed, the large axial forces and moments that are built up in the pipe will cause deflection. This is called global buckling. It has been observed that when  the pipeline buckles  the effective axial  force  in  the pipeline  is  lowered. This has lead  to a discipline called designing  for buckling.  In order  to do  this accurate expansion and buckling analyses has to be performed.   REINERTSEN AS performs expansion and buckling analyses on pipelines using ANSYS, a finite element modelling and analysis tool. In an expansion analysis the pipeline is modelled with thin‐walled pipe elements called PIPE20 which allows plastic deformation. However in a recent analysis the results received from PIPE20 has been proven incorrect for strains about 1  percent  when  compared  to  results  from  other  applications.  One  issue  is  that  PIPE20 overestimates the strains.  This master thesis is divided into four chapters  

• First the theoretical models used are derived.  • Second a model using linear‐elastic material model for PIPE20 elements is developed 

in ANSYS and verified against the theories. • Third the weakness found when using PIPE20 is investigate • Forth and last a new model is developed. By using a beam‐shell assembly, the PIPE20 

elements where errors have been found can be replaced by shell elements. And by this create a higher accuracy in the model. 

Page 9: Cristina Lindholm - DiVA portal544833/FULLTEXT01.pdf · Cristina Lindholm 1 1 Introduction REINERTSEN AS is a Norwegian main contractor supplying multidiscipline process facilities

Design and development of FEM‐models used in expansion analyses  Master Thesis MMK 2007       Cristina Lindholm 

2

2 Theoretical models  Figure 1 demonstrates a pipeline at seabed with the coordinate system used in this thesis. 

wz,

ux,

vy,

wz,

ux,

vy,

wz,

ux,

vy,

 Figure 1. Demonstrating a pipeline at seabed with the coordinate system used in the thesis. 

To  be  able  to predict  the  behaviour  of  the pipeline during  operation  an  analytical  tool  is needed. The construction of this tool is divided into three steps as described below.  

 • 1) Description of the forces acting on a small section of a pipeline 

o This will give the submerged vertical weight  subq  and the effective axial force 

effN . Both necessary tools to describe and understand the actions of pipelines. 

o Due  to  pipe/soil  interaction  a  pipeline  is  restrained.  This  will  cause  an unpredicted  expansion  and  buckling  of  the  pipeline.  By  designing  for buckling [3] 

The expansion problem is solved  The effective axial force can be limited   One can prevent buckling in unfavourable regions  

 • 2) Description of how a pipeline has a tendency to buckle. This is divided into studies 

of vertical, lateral and combined buckling behaviour. o Study of vertical buckling on even seabed 

This gives expressions of lift off length,  buckleL⋅2 , maximum deflection 0vertδ   and  the  needed  axial  force  in  the  pipeline  for  lift‐off  from 

seabed, lifteffN . 

o Study of lateral buckling on even seabed with uniform friction.  There are several lateral buckling modes depending upon a number of 

factors  for  example  imperfections  of  the  pipeline  and  the  pipe/soil interaction. Here the first and second mode will be described. 

Expressions  for  describing  the  length  of  the  deformed  pipeline, deflection at centre  0

vertδ  and the needed force to initiate lateral sliding lateffN  are presented. 

Page 10: Cristina Lindholm - DiVA portal544833/FULLTEXT01.pdf · Cristina Lindholm 1 1 Introduction REINERTSEN AS is a Norwegian main contractor supplying multidiscipline process facilities

Design and development of FEM‐models used in expansion analyses  Master Thesis MMK 2007       Cristina Lindholm 

3

It is found that  lifteff

lateff NN <  on even seabed. Indicating that if there are 

no  imperfections  on  the  pipeline  lateral  sliding  will  occur  before vertical buckling.  

o Buckling on trigger‐berm  It  is  observed  in  the vertical  case  that  the necessary  effective  lift  off 

force is inversely proportional to the initial deflection at the centre. To be  able  to  control  the vertical buckling  imperfections has  to be built into the system. For example using trigger‐berms. 

Buckling  behaviour  on  trigger‐berm/  un‐even  seabed  with  a horizontally straight pipeline.  

• This  shows  that  the needed  effective  lateral buckling  force  is about  50%  of  the  effective  lift‐off  force.  Leading  to  the conclusion  that  lateral  buckling  will  occur  as  soon  as  the pipeline lifts off the ground/trigger‐berm. This effect causes the pipeline  to  snap‐through.  By  building  in  lateral  as  well  as vertical  imperfections  this  un‐wanted  behaviour  can  be controlled.  

Buckling behaviour on  trigger‐berm/un‐even  seabed of pipeline with initial lateral imperfections. 

• A pipeline with both vertical and  lateral  imperfections  lowers the necessary effective axial force to initiate buckling. 

• This gives a more controlled deflection development which  is desired. Where the elongation of the pipeline is a slow process.  

 • 3) Description of how much a pipeline can be allowed to buckle. 

o The  buckling  can  be  controlled  by  building  in  imperfections.  But  with continuant buckling  the pipeline can be damaged. This can be controlled by limiting the elongation.  

o The  limit  is  the maximum allowable bending moment  allowM   in  the pipeline which is a second order function of the deflection. 

o The total elongation is the feed‐in length  feedu  

i) The feed in length is equal to the axial expansion ( buckleL⋅∆ε ) of the pipe.  

• The change in strain  ε∆  can be found by using Hooke’s law.  ii) The feed‐in length can also be described as a second order function 

of the deflection.  o Using  the  second  connection  for  feedu   it  is  found  that  the allowable  feed‐in 

displacement is highly dependent on the allowable moment limit  allowM . o By  combining  i)  and  ii)  the  allowable  pipe  distance  between  axially  fixed 

points  allowC  can be determined and the elongation is controlled. 

 

Page 11: Cristina Lindholm - DiVA portal544833/FULLTEXT01.pdf · Cristina Lindholm 1 1 Introduction REINERTSEN AS is a Norwegian main contractor supplying multidiscipline process facilities

Design and development of FEM‐models used in expansion analyses  Master Thesis MMK 2007       Cristina Lindholm 

4

2.1 Effective axial force and submerged weight The understanding of the effective axial force  effN  and its effects is fundamental since  effN  

dominates how steel pipelines responses to loading. To illustrate the concept first consider a small section of a pipeline, Figure 2. The forces acting on the pipeline being 

• Internal pressure,  ip  

• External pressure,  ep  

• Weight of steel pipe  ss Aρ   

ipep

trueN

gA ssρ

ipep

trueN

gA ssρ  Figure 2. Forces acting on a submerged pipeline section in equilibrium 

This  introduces  trueN ,  the  true axial  force acting on  the steel pipe  found by  integrating  the steel stress over the steel cross‐section area [4].  effN  and  trueN  can cause but the difference is 

fundamental,  trueN  is the force acting only on the steel pipe.  effN  depends of all axial forces, 

this is further explained in the following. If the section is assumed to be a closed surface the effects of the external pressure can be understood using the law of Archimedes [4]  

“The effect of the water pressure on a submerged body is an upward directed force equal in size of the weight of the water displaced by the body” 

This means that the external pressure  ep  can be replaced by a vertical weight and axial force as displayed in Figure 3. 

ep

ep

gAewρ

ee Ap

ep

ep

gAewρ

ee Ap

 Figure 3. External forces acting on a pipeline section in equilibrium. The top pipe section is the real forces.

This is equal to the two pipes in the middle. The external pressure acting on the closed pipe section (midright) can be described as the bottom pipe section. This means that the only parts needed to describe

external pressure of a pipe section is the forces at the pipe ends and the buoyancy

A similar assumption can be made for the internal pressure  ip  replacing it with the weight of the content acting downward integrated over the surface and an axial force, Figure 4. 

Page 12: Cristina Lindholm - DiVA portal544833/FULLTEXT01.pdf · Cristina Lindholm 1 1 Introduction REINERTSEN AS is a Norwegian main contractor supplying multidiscipline process facilities

Design and development of FEM‐models used in expansion analyses  Master Thesis MMK 2007       Cristina Lindholm 

5

ip

ip

gAiiρ

ii Ap

ip

ip

gAiiρ

ii Ap

 Figure 4. Internal forces acting on a pipeline section in equilibrium. The only parts needed to describe

internal pressure of a pipe section are the forces at the pipe ends and the weight of the contents

These assumptions give an equivalent system to Figure 2.  

trueN

ee Ap

gAewρ

gAiiρ

ii ApeffN

gAssρ

subq

trueN

ee Ap

gAewρ

gAiiρ

ii ApeffN

gAssρ

subq  Figure 5. Resulting forces acting on a small section of a pipeline 

The resultant of the vertical weights is the submerged weight: gAgAgAq ewiisssub ρρρ −+=  [N/m]  (1)

In case of coating an extra parameter  gAq cccoat ρ=  adds to the weight. The axial forces resultant is the effective axial force  

iieetrueeff ApApNN −+=  [N]  (2)

When  0<effN  a pipeline  locked axially  is  in compression which could cause buckling. By 

observing  (2)  it  is  understood  that  external  pressure  stabilizes  the  buckling  effect while internal pressure destabilizes.  An unrestrained pipeline is free to move axially. In that case the effective axial force is zero. This can be understood  if the unrestrained pipe  is seen with an end cap as  in Figure 6. The forces acting on  the end cap being  internal and external pressure. This gives  the  true axial force as 

Page 13: Cristina Lindholm - DiVA portal544833/FULLTEXT01.pdf · Cristina Lindholm 1 1 Introduction REINERTSEN AS is a Norwegian main contractor supplying multidiscipline process facilities

Design and development of FEM‐models used in expansion analyses  Master Thesis MMK 2007       Cristina Lindholm 

6

eeiitrue ApApN −=  and the effective axial force 

0=−+−= iieeeeiieff ApApApApN   

ip

ep

trueN

End cap

ip

ep

trueN

End cap

 Figure 6. The forces acting on an unrestrained pipeline can be found if the pipeline is seen with 

end caps. The true axial force is given only by the internal and external pressure. 

Consider  a  pipeline  lying  on  the  seabed  free  to move  axially.  If  there were  no  soil/pipe‐interaction buckling would not be a problem. However, this is not the case since friction act as virtual anchors building up the effective axial force in the pipeline, Figure 7. If a pipeline is allowed  to  buckle,  the development  of  effective  force  is modified  as  pipe  feeds  in  to  the buckle. The force in the buckle drops as the buckle develops [5], Figure 7.   

x

effN

Restrained pipeline

Unrestrainedpipeline

Virtual anchorStraight pipeline

x

effNVirtual anchor

Buckle

x

effN

Restrained pipeline

Unrestrainedpipeline

Virtual anchor

x

effN

Restrained pipeline

Unrestrainedpipeline

Virtual anchorStraight pipeline

x

effNVirtual anchor

Buckle

Straight pipeline

x

effNVirtual anchor

Buckle

x

effNVirtual anchor

Buckle

 Figure 7. The soil/pipe interaction creates virtual anchors which build up the effective axial force. This is the force that will make the pipeline deflect. With increasing buckling the effective axial force decreases.

This means that designing the pipeline to buckle solves the expansion problem and is a way to  limiting  the  effective  axial  force.  And  since  buckling  will  appear  due  to  soil/pipe interaction built‐in buckling will prevent buckling in unfavourable areas. 

2.2 How the pipeline will buckle It  is  concluded  that  one  way  to  lower  the  effective  axial  force  in  the  pipeline  during operation  is  allowing  it  to deflect. To  be  able  to  control  the  buckling  of  the pipeline  it  is essential to understand how the pipeline has a tendency to move.  

2.2.1 Vertical buckling effects The most basic case of buckling, vertical buckling of straight pipeline on idealized even hard seabed is displayed in Figure 8. The submerged weight is acting downwards on every part of the pipeline. The effective axial force is negative in compression.  

Page 14: Cristina Lindholm - DiVA portal544833/FULLTEXT01.pdf · Cristina Lindholm 1 1 Introduction REINERTSEN AS is a Norwegian main contractor supplying multidiscipline process facilities

Design and development of FEM‐models used in expansion analyses  Master Thesis MMK 2007       Cristina Lindholm 

7

LL

]/[ mNqsub

x

w

0

0

0

=

=

=

Mdxdww

LL

]/[ mNqsub

x

w

0

0

0

=

=

=

Mdxdww

 Figure 8. Vertical buckling behaviour on even, hard seabed 

An infinite small section of the pipeline can be displayed as in Figure 9. 

 Figure 9. A small section of a pipeline.  

Equilibrium from Figure 9 gives the differential equation for vertical buckling on even seabed 

subeff qdx

wdNdx

wdEI −=+ 2

2

4

4

 

With the general solution [6] (symmetry gives even function) 2

2cos)( x

Nq

kxBAxweff

sub ⋅−+=  

EIN

k eff=  

The boundary condition  0)(,0)( =′= LwLw  gives 

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−−+=

2sincos

sincos

2)(

22 xkLkx

kL

kLkL

kLL

Nq

xweff

sub  

The third boundary condition  0)()( =′′= LwEILM  gives 5.4)tan( ≈⇒= kLkLkL  

The expression now reading 

⎟⎟

⎜⎜

⎛−

⎟⎟

⎜⎜

⎛⋅+=

2cos6.41.11)(

2xxEI

NNEI

NEI

Nq

xw eff

effeffeff

sub   (3)

The buckling length is inversely proportional to the effective force  

effNEIL 5.4=   (4)

M

dMM +

effN

effeff dNN +

VdVV +

w′

dx

subq

dxww ′′+′

Page 15: Cristina Lindholm - DiVA portal544833/FULLTEXT01.pdf · Cristina Lindholm 1 1 Introduction REINERTSEN AS is a Norwegian main contractor supplying multidiscipline process facilities

Design and development of FEM‐models used in expansion analyses  Master Thesis MMK 2007       Cristina Lindholm 

8

Maximum deflection  vert,0δ  at  0=x  , and lift‐off effective force  offlifteffN −  can now be expressed 

by  subq ,  effN  and EI  

020 96.3,7.15)0(

vert

subofflifteff

eff

subvert

EIqN

NEIq

δ === −  (5) (6) 

More details are given in appendix 7.1. lifteffN  is negative when the pipe buckles. The true axial force when the pipe deflects then is 

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+−= 096.3

vert

subeeiitrue

EIqApApN

δ 

  

For a normal pipe scenario the internal pressure will be dominating giving 

096.3 0 >⇒⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+> true

vert

subeeii N

EIqApAp

δ 

This means that the steel pipe will be  in  tension when buckling occurs. This  is an essential observation since it is against traditional engineering assumptions. 

2.2.2 Lateral buckling effects When describing  lateral buckling the effects of pipe/soil‐interactions must be considered. If the  pipeline  is  considered  ideally  straight  and  lying  on  ideally  even  seabed  the  lateral restraint  of  the  seabed will  give  the  buckling mode.  The  lateral  restraint  is  given  by  the lateral soil stiffness  soilk  which can be seen as a spring resisting the pipeline to move. If the spring  is  too weak,  as  for very  soft  soil,  there  is hardly  any  resistance when  the pipeline starts to move.  

 The lateral (horizontal) dynamic stiffness  soilk  is defined as  LLsoil Fk δ∆∆= /  [N/m/m], where 

LF∆   is  the  incremental horizontal  force between pipe and soil per unit  length of pipe, and 

Lδ∆  is the associated incremental horizontal displacement of the pipe. Free spanning pipelines paragraph 7.3.6 [7] 

 If  the  seabed  is  considered  stiff  to  hard  the  buckling mode will  be  similar  to  the  vertical buckling  case.  In  the  same way  as  the  ground  prevents  the  pipeline  to  dig  down  in  the vertical case the soil will be able to resist the shear forces and act as a fixed support, Figure 10. The friction is considered uniform.  

Page 16: Cristina Lindholm - DiVA portal544833/FULLTEXT01.pdf · Cristina Lindholm 1 1 Introduction REINERTSEN AS is a Norwegian main contractor supplying multidiscipline process facilities

Design and development of FEM‐models used in expansion analyses  Master Thesis MMK 2007       Cristina Lindholm 

9

LL

]/[ mNqsub⋅µ

x

v

0

0

0

=

=

=

Mdxdvv

LL

]/[ mNqsub⋅µ

x

v

0

0

0

=

=

=

Mdxdvv

LL

]/[ mNqsub⋅µ

x

v

0

0

0

=

=

=

Mdxdvv

 Figure 10. Lateral buckling behaviour on hard seabed. First buckling mode

effN  will be similar to the vertical case with the difference of the friction coefficientµ . 

096.3lat

sublateff

EIqN

δµ

=   (7)

If  the  friction  coefficient  is  less  than one,  lateral  sliding will occur before vertical on hard even seabed. The shear force that the ground needs to be able to withstand is found by  

effsubsub N

EIqLqLV 5.4)( ⋅=⋅=   (8)

In the case of second mode buckling, Figure 11, the soil is not strong enough to withstand the shear forces at  1L  giving a three‐buckle shape.   

1L 2L

subq⋅µ

subq⋅µsubq⋅µ

v

x

1

2

21

21

21

21 0

vvvvvvvv

′′′=′′′′′=′′′=′==

000

2

2

==′=

Mvv

1L 2L

subq⋅µ

subq⋅µsubq⋅µ

v

x

1

2

21

21

21

21 0

vvvvvvvv

′′′=′′′′′=′′′=′==

000

2

2

==′=

Mvv

subq⋅µ

subq⋅µsubq⋅µ

v

x

1

2

21

21

21

21 0

vvvvvvvv

′′′=′′′′′=′′′=′==

000

2

2

==′=

Mvv

 Figure 11. Lateral buckling behaviour on seabed. Second buckling mode, the seabed cannot withhold the

shear force at L1

Equilibrium as in Figure 9 gives the characteristic equation  

)(2

2

4

4

vsignqdx

vdNdx

vdEI subeff ⋅−=+ µ  

With the general solutions for section 1 and 2 

,2

cossin)(,2

cos)( 232102

2101 x

Nq

kxBkxBxBBxvxNq

kxAAxveff

sub

eff

sub ⋅++++=⋅−+=  

The five first boundary conditions at  1L  given by continuity  0)0()(),0()(),0()(),0()( 211211211211 ==′=′′′=′′′′′=′′′ vLvvLvvLvvLv  

 

Page 17: Cristina Lindholm - DiVA portal544833/FULLTEXT01.pdf · Cristina Lindholm 1 1 Introduction REINERTSEN AS is a Norwegian main contractor supplying multidiscipline process facilities

Design and development of FEM‐models used in expansion analyses  Master Thesis MMK 2007       Cristina Lindholm 

10

The three boundary conditions at  2L  are caused by the soils lateral stiffness  soilk . The elastic length,  el ,  is  the  length for  the moment at  2L   to be damped out and highly dependent on 

soilk  as 

44

soile k

EIl =  

Here the soil stiffness is assumed large enough to withhold the shear forces at  2L  which will give  a  short  elastic  length. And  hereby  can  the moment  and  the deflection  at  2L   can  be considered zero.  

0)(,0)(,0)( 222222 =′′=′= LvLvLv  This is an adequate assumption for most soil types [8].   The boundary conditions give  1L  and as  2L  

kL

kL 63.4,92.2

21 ==  (9)

And v1 and v2 

( )21 5.0cos885.2047.8)( xkx

NEIq

xveff

sub −+⋅

 

( )22 5.0cos789.1sin86.0918.2789.1)( xkxkxx

NEIq

xveff

sub +−−−⋅

 (10)

See appendix 7.2 for more detailes  The deflection in the centre is  

20 93.11

eff

sublat N

EIq ⋅=

µδ   (11)

Needed effective axial force to initiate sliding 

045.3lat

sublateff

EIqN

δµ ⋅

=   (12)

lateffN  is lower than  lift

effN  indicating that a pipeline lying on stiff even seabed will slide lateral 

before buckling vertical. 

2.2.3 Buckling behaviour on trigger berm-Horizontally straight pipeline As seen in eq.(6) the lift‐off force is inversely proportional to the initial maximum deflection. On an  ideally even seabed  the  force needed  for  lift‐off  is  infinitive. Since  there always are imperfections on the seabed or the pipeline, an unknown small initial deflection will cause a large unpredictable  lift‐off  force. One solution  to predict and control lift

effN is placing  trigger‐

berms, Figure 12, at the sea bottom to create initial imperfections. A trigger‐berm is normally created by dumping stones at the seabed, this form a small hill for the pipeline to lie on.   

Page 18: Cristina Lindholm - DiVA portal544833/FULLTEXT01.pdf · Cristina Lindholm 1 1 Introduction REINERTSEN AS is a Norwegian main contractor supplying multidiscipline process facilities

Design and development of FEM‐models used in expansion analyses  Master Thesis MMK 2007       Cristina Lindholm 

11

]/[ mNqsub

LL

Post buckled

Trigger berm vert,0δ

vertδ

]/[ mNqsub

LL

Post buckled

Trigger berm vert,0δ

vertδ

 Figure 12. Vertical buckling behaviour of pipeline lying on a trigger-berm

When  lying on the trigger‐berm the pipeline  is  locked  laterally preventing  lateral buckling. When lift‐off occurs the contact pressure is reduced and the lateral friction is equal to zero. This can be seen as a fixed‐fixed system giving the lateral buckling force according to Euler.  

2

2

2

2

)2(4

LEI

LEIN lat

effππ

==  

Half  the buckling  length  is given by  eq.(4) giving  the  effective  lateral buckling  force  as  a function of effective lift‐off force 

lifteff

lateff N

kEI

LEIN

25.20)/5.4(

2

2

2

2

2 πππ===  

lifteff

lateff NN ⋅=⇒ 49.0   (13)

The  conclusion  is  that  lateral  buckling  appears  as  soon  as  lift‐off  occurs. This means  that when the pipeline is lifted from the trigger‐berm it will rapidly deflect lateral causing snap‐through Figure 13. To avoid critical snap‐through effects lateral imperfection can be build in.  

latvert δδ ,

effN

lifteff

lateff NN ⋅= 49.0

vert,0δ

(Compression)

Lift off

Lateral bucklingVertical buckling Combined lat/vert buckling

Snap trough

latvert δδ ,

effN

lifteff

lateff NN ⋅= 49.0

vert,0δ

(Compression)

Lift off

Lateral bucklingVertical buckling Combined lat/vert buckling

Snap trough

 Figure 13. The needed force for lift-off is depended of the vertical initial deflection. When lifted the

friction that is keeping the pipeline at its lateral position is reduced to zero which makes the pipeline snap lateral causing so-called snap-through effect.

2.2.4 Buckling behaviour on trigger-berm -Horizontally curved pipeline As seen in Figure 13 a trigger‐berm lower the effective lift‐off force but since the needed force for  lateral  buckling  is  lower  than  the  needed  force  for  continued  vertical  buckling  the pipeline snaps lateral when it is lifted from the seabed  

Page 19: Cristina Lindholm - DiVA portal544833/FULLTEXT01.pdf · Cristina Lindholm 1 1 Introduction REINERTSEN AS is a Norwegian main contractor supplying multidiscipline process facilities

Design and development of FEM‐models used in expansion analyses  Master Thesis MMK 2007       Cristina Lindholm 

12

Built in lateral imperfections, Figure 14, can lower the snap‐through effect  wz,

vy,

ux,vert,0δ

lat,0δ

wz,

vy,

ux,vert,0δ

lat,0δ

 Figure 14. Curved pipeline lying on trigger‐berm gives a pipeline initially defected in both vertical 

as lateral direction 

 To  find  the needed  force  to  initiate  lateral sliding  for  the combined case  it  is seen  that  the lateral  friction  resistance  is zero when  lift‐off occurs  ( lift

effeff NN = )  [8]. The modified  lateral 

friction resistance is then  

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−= lift

eff

effsubsub N

Nqq 1*  

Where  lifteffN  is given by eq. (7) 

96.3,0 == bEIq

bNvert

sublifteff δ

 

The criterion  to  initiate  lateral sliding  is  from eq.(12) and with  the modified  lateral  friction resistance 

45.3,0

*

== aEIq

aNlat

sublateff δ

µ 

This gives the effective compression at start lateral sliding as (appendix 7.3) 

⎟⎟

⎜⎜

⎛⎟⎠⎞

⎜⎝⎛++−⋅⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛⋅⋅= 0

022

0

0

41

21

vert

lat

lat

vertlifteff

lateff a

bbaNN

µδδ

δδ

µ   (14)

Figure  15 demonstrates how  the needed  force  for  lateral  sliding decreases with  increasing lateral imperfection. 

Page 20: Cristina Lindholm - DiVA portal544833/FULLTEXT01.pdf · Cristina Lindholm 1 1 Introduction REINERTSEN AS is a Norwegian main contractor supplying multidiscipline process facilities

Design and development of FEM‐models used in expansion analyses  Master Thesis MMK 2007       Cristina Lindholm 

13

0.00

0.50

1.00

1.50

2.00

2.50

3.00

3.50

4.00

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21Initial lateral imperfection [m]

Effective axial force at start slid

ing [M

N 1 meter triggheight

Needed axial effective for lift‐off 5.7 MN

Coefficent of friction, 0.6

 Figure 15. A pipeline lying on a one meter trigger-berm, with increasing lateral imperfection the needed

force to initiate sliding is decreased.

Lateral  imperfections on un‐even seabed give a  lower effective axial force  to  initiate  lateral buckling. This means  that  the  snap‐through  effect  is  eliminated  and  the deflection  of  the pipeline is more controlled. This is demonstrated in Figure 16   

effN

time

Small initial lateral imperfection

Large initial lateral imperfection

effN

time

Small initial lateral imperfection

Large initial lateral imperfection

 Figure 16. With a large lateral imperfection the needed axial force to initiate sliding is lowered and the pipeline slowly deflects instead of having snap‐through. This is caused since the effective axial 

force is slowly built up over time. 

2.2.5 Conclusion When  snap‐through  occurs  it  indicates  that  the  pipeline  contains  large  amount  of  inner forces.  To  avoid  the  snap‐through  effects  it  is  possible  to  create  pipelines  with  initial defections.  This would  lower  the  effective  axial when  loaded with  internal  pressure  and temperature rise.  It  is proven  that  lateral buckling will occur before vertical. By combining vertical and lateral initial imperfection the buckling behaviour can be considered satisfying. If the imperfections are large enough the pipeline will slowly expand and the snap‐through effect is eliminated. 

Page 21: Cristina Lindholm - DiVA portal544833/FULLTEXT01.pdf · Cristina Lindholm 1 1 Introduction REINERTSEN AS is a Norwegian main contractor supplying multidiscipline process facilities

Design and development of FEM‐models used in expansion analyses  Master Thesis MMK 2007       Cristina Lindholm 

14

2.3 Feed‐in‐length and maximum allowable moment The limiting parameter for a pipeline subjected to loads due to installation, seabed contours and high‐pressure/high‐temperature operating conditions  is often  found  to be  the bending moment  capacity  [9]. The maximum allowable bending moment  allowM   can be  found as a second order effect of the deflection. When a pipeline is designed to buckle it is of interest to find how large the elongation can get, how much pipe that can be fed in. The elongation is called  the  feed  in  length  infeedu − .  By  using  infeedu −   a  connection  between  allowM   and  the 

allowable  pipe  distance  between  axially  fixed  points  allowC   can  be  found.  infeedu −   can  be 

described in two different ways, either by using Hooke’s law or by using geometry. 

2.3.1 Feed in length and strain Basic solid mechanics says that the change in strain in a linear‐elastic material is the change in  length  divided  with  the  original  length.  This  means  that  the  feed‐in  length  can  be described as  

buckleinfeed Lu ε∆=−  

buckleL  is the total length of the deformed parts in the pipeline.   The  axial  strain  in  a pipeline  is given by Hooke’s  law.  If  the  conditions  are  such  that  the internal pressure is much larger than the external pressure the pipeline will be in plane stress [10]. This  is  the case  in most design scenarios. But  in deep water environment  the external pressure can be  large enough  to affect  the  results. Therefore a  three dimension stress state model is used.  

[ ] TE radialhoopaxialaxial ∆⋅++−= ασσνσε )(1

 (15)

where the stresses based on thin‐walled theory are 

s

trueaxial A

xN )(=σ  

tDpDp eeii

hoop 2−

=σ  

2ei

radialpp +

−≈σ  

radialσ   is  the  stress  at mid‐surface  of  the  pipe  wall  when  a  linear  stress  distribution  is assumed. By using the definition of effective axial stress eq.(2) in eq.(15) the total axial strain change  laidasoperation −−=∆ εεε can be expressed as 

TAt

DApApN

E si

siiieff ∆⋅+⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −∆−∆+∆=∆ ανε

21

21

  (16)

The  external  pressure  is  considered  constant.  Note  that  ip∆   is  the  internal  pressure difference relative to as‐laid. 

2.3.2 Feed in length and deflection As seen in Figure 17 below a small section of the deformed pipeline is  infeedu −∆  longer than in 

the un‐deformed state.  If  the section  is small enough  the deformed pipeline section can be 

Page 22: Cristina Lindholm - DiVA portal544833/FULLTEXT01.pdf · Cristina Lindholm 1 1 Introduction REINERTSEN AS is a Norwegian main contractor supplying multidiscipline process facilities

Design and development of FEM‐models used in expansion analyses  Master Thesis MMK 2007       Cristina Lindholm 

15

considered straight and the deformed length can be expressed by the original length and the angle as in eq. (17).  

0L

θ

w

0L

θ

w

Straight pipeline

Deformed pipeline

0L

θ

w

0L

θ

w

Straight pipeline

Deformed pipeline

 Figure 17. The correlation between a straight section length and a deformed pipe 

feeduLL

∆+= 00

cosθ 

(17)

By using eq.(17) the elongation of the section can be described 

θθ

cos)cos1(

0−

=∆ Lu feed  

Taylor expansion gives 

...!4!2

1cos42

−+−=θθθ  

  

Since the angle is considered small  infeedu −∆  can be simplified to 

21/

2

2

0

2

0θθ⋅=⎟⎟

⎞⎜⎜⎝

⎛⋅=∆ LLu feed  

If the small section is infinitesimal  feedfeed duudxLdxdwdx =∆==⇒→ ,,0 0θ  

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=⇒

dxdwdxdu feed 2

Concluding that the total elongation of the entire deformed pipeline is 

[ ] ∫∫ ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛⇒⇒⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛=

LL

Lfeed dx

dxdwsymmetrydx

dxdwu

0

22

21

  (18)

2.3.3 Combining feed in length in the case of lateral buckling, even seabed Since  lateral  deflection  will  occur  before  vertical  buckling,  only  lateral  sliding  will  be described. For second mode  lateral buckling  the expression describing  the deflection  is eq. (10). By using it with eq. (18) the feed‐in length can be found as (appendix 7.2) 

∫∫ =′+′=21

02/7

2/322

20

21

)()(96.82))(())((

L

eff

subL

feed NEIq

dxxvdxxvuµ

 (19)

And the maximum bending moment, (at  0=x ) Figure 18, is 

eff

sublat N

EIqvEIM

µ89.4)0( =′′=  

(20)

  (20) 

Page 23: Cristina Lindholm - DiVA portal544833/FULLTEXT01.pdf · Cristina Lindholm 1 1 Introduction REINERTSEN AS is a Norwegian main contractor supplying multidiscipline process facilities

Design and development of FEM‐models used in expansion analyses  Master Thesis MMK 2007       Cristina Lindholm 

16

subq⋅µ

subq⋅µsubq⋅µ

1L 2L

v

xfeedu

21

feedu21

latM

subq⋅µ

subq⋅µsubq⋅µ

1L 2L

v

xfeedu

21

feedu21

latM

 Figure 18. Feed in length and moment at lateral buckled pipeline 

By using eq. (19) the bending moment can be expressed as 7/27/47/3 )()(38.1 feedsublat uEIqM µ⋅=  

The limiting parameter is  allowM  and it give the allowable feed‐in displacement as 

22/3

2/7

)()(322.0

EIqM

usub

allowallowfeed µ

=  (21)

The  assumptions  made  in  the  beginning  of  this  chapter  that  the  bending  moment  is  a relevant parameter  to use as a  limit  for  the pipeline  is proven  true. As seen  in eq.  (21)  the allowed  feed‐in  length  is  highly  dependent  on  the  allowable  bending moment.  Another important factor is the friction coefficientµ . If the friction of the soil is high less elongation is allowed.  Eq. (21) with eq. (16) gives the allowable pipe distance between two supports. 

TAt

DApApN

E

uLC

si

siiieff

allowfeed

allowbuckle

allow

∆⋅+⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −∆−∆+∆

=∆

=αν

ε21

21

 

Or inserted for  effN  

TEAt

DApAp

MEIq

uC

si

siiiallow

sub

allowfeed

allow

∆⋅+⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −∆−∆+⋅−

=αν

µ21

245.3

  (22)

When  the pipeline  is designed  for  buckling  it  is necessary  that  the buckling  behaviour  is controlled. With the increasing elongation of the pipeline in operation the bending moment keeps rising. Since the maximum allowed moment in the pipeline is a known parameter it is used  to  determine maximum  allowed  feed  in.  To  limit  the  feed‐in  length  the maximum distance between two supports for free spanning pipelines is used.  

2.4 How the axial effective force is built up over time  The effective axial  force  is  increasing with rising  internal pressure and  temperature until  it reaches the needed force for deflection. If a pipeline is ideally straight the effective axial force will keep  increasing with  increasing pressure and  temperature. Consider a  fully restrained pipeline. The built up effective axial force at a certain internal pressure and temperature can be found by using eq. (16) where the elongation is zero  

0),,,(),,,( )1()1()2()2( =−=∆ − elayeffilaidaseeffioper pNTppNTp εεε . 

Page 24: Cristina Lindholm - DiVA portal544833/FULLTEXT01.pdf · Cristina Lindholm 1 1 Introduction REINERTSEN AS is a Norwegian main contractor supplying multidiscipline process facilities

Design and development of FEM‐models used in expansion analyses  Master Thesis MMK 2007       Cristina Lindholm 

17

layeffN  is the effective residual lay tension, the effective axial force the pipeline is subjected to 

when laid down. This is a known parameter caused by the real lay down conditions.  The equation now reads 

021

2)(1

=∆⋅+⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −∆−∆+−=∆ TA

tD

ApApNNE s

isiii

layeffeff ανε  

which gives 

TEAt

DApApNN s

isiii

layeffeff ∆⋅−⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛ −∆+∆−= αν

21

2  (23)

This is known as the fully constrained axial force [5] If the pipeline can be idealised as thin‐walled, eq. (23) can be approximated to  

( ) TEAApNN siilayeffeff ∆⋅−−∆−≈ αν21   (24)

The error of the simplification is less than 1% for  tDe / larger than 15 [4]. 

Page 25: Cristina Lindholm - DiVA portal544833/FULLTEXT01.pdf · Cristina Lindholm 1 1 Introduction REINERTSEN AS is a Norwegian main contractor supplying multidiscipline process facilities

Design and development of FEM‐models used in expansion analyses  Master Thesis MMK 2007       Cristina Lindholm 

18

3 Verification of analytical model using ANSYS  A model was built  in ANSYS  and  exposed  for  the  scenarios  examined  in  the  analytically derived functions in chapter 2. The results from ANSYS were compared with the analytical results. The purpose is to create an accurate model with linear‐elastic material model that can be converted into a model with a pipe with plastic abilities used in later analysis. The model uses  the  same  theories  and  procedure  as  the model  used  for  analysis  at  REINERTSEN. However  the model developed  in  this  thesis  is  a  simplified version where  three  specified analysis are to be carried out.  

 Three different scenarios are analysed with an ANSYS generated model 

• 1)  Vertical  buckling  on  even  seabed.  Using  a  trigger‐berm  to  get  the  pipeline  to respond.  The  pipeline  is  restrained  lateral  and  a  rising  temperature  and  internal pressure will build up  effN  to make it buckle vertical. 

o The  height  of  the  trigger‐berm will  be  varied  to  get  the  berm  height/ effN  

diagram. • 2) Lateral buckling on  trigger. The pipeline  is  laid‐down as  in case one but a small 

lateral  force  before  the  internal  pressure  and  temperature  is  put  on will make  it deflect lateral. 

• 3) Lateral buckling on even seabed. An initial imperfection created by forcing part of the  pipeline  to move will  be  used  as  a  lateral  trigger. As  in  the  vertical  case  the internal pressure and the temperature rise will make it buckle. 

o The lateral friction is varied to understand how this affects the needed buckle force. 

 

3.1 The model The ANSYS model is build up by four element types. Each one explained below. 

• PIPE20 • LINK10 • TARGE170 • CONTA175  

TARGE170

PIPE20CONTA175

LINK10

Normal

TARGE170

PIPE20CONTA175

LINK10

Normal

 Figure 19. The different element types used in the ANSYS model to create the buckling cases 

For the pipeline the PIPE20 element is used.  

Page 26: Cristina Lindholm - DiVA portal544833/FULLTEXT01.pdf · Cristina Lindholm 1 1 Introduction REINERTSEN AS is a Norwegian main contractor supplying multidiscipline process facilities

Design and development of FEM‐models used in expansion analyses  Master Thesis MMK 2007       Cristina Lindholm 

19

  

PIPE20  is  a  uniaxial  element with  tension‐compression,  bending,  and  torsion  capabilities. The element has six degrees of freedom at each node:  translations  in  the nodal, x, y, and z directions, and rotations about the nodal x, y, and z axes. The element has plastic capabilities.  

• The  element  input  data  include  two  nodes,  the  pipe  outer  diameter  and  wall thickness, optional stress factors, and the isotropic material properties. 

• Internal pressure and external pressure are input as positive values. • Only constant pressures are supported for this element. • Temperatures may be input as element body loads at the nodes. 

Ansys element library. PIPE20 [1] 

 When  the simulation starts  the pipeline  is above  the seabed hold up by LINK10 elements. This  is  to  simulate  the most probably as‐laid mode and  to create  the  initial  stresses  in  the pipeline.LINK10 elements are tension‐only element making it suitable simulating lowering.  

 LINK10  is  a  3‐D  spar  element  having  the  unique  feature  of  a  bilinear  stiffness  matrix resulting  in  a  uniaxial  tension‐only  (or  compression‐only)  element. With  the  tension‐only option,  the  stiffness  is  removed  if  the  element  goes  into  compression  (simulating  a  slack cable or slack chain condition). This feature is useful for static guy‐wire applications where the entire guy wire is modelled with one element. 

• The element is defined by two nodes, the cross‐sectional area, an initial strain or gap, and the isotropic material properties. The element x‐axis is oriented along the length of the element from node I toward node J. 

• LINK10 has three degrees of freedom at each node: translations in the nodal x, y, and z directions. No bending stiffness is included in the tension‐only (cable). 

Ansys element library. LINK10 [1]  

The seabed and the trigger‐berm are built up by quadrilateral target elements TARGE170.   

TARGE170  is  used  to  represent  various  3‐D  “target”  surfaces  for  the  associated  contact elements. This target surface is discredited by a set of target segment elements (TARGE170) and is paired with its associated contact surface via a shared real constant set. 

• For any target surface definition, the node ordering of the target segment element is critical  for  proper  detection  of  contact.  The  nodes  must  be  ordered  so  that  the outward normal to the target surface is defined by the right hand rule 

• Each  target  segment of a  rigid  surface  is a  single element with a  specific  shape, or segment type. The segment types are defined by several nodes and a target shape code, TSHAP. 

• QUAD  is a 4‐node quadrilateral. Where 1st  ‐ 4th nodes are corner points  (UX, UY, UZ) 

Ansys element library. TARGE170 [1]  

To establish contact between pipeline and seabed contact elements CONTA175 are created on  the pipeline nodes. The contact are  initiated by using same real constant set  for contact and target elements. The node at the middle of the pipeline share the same real constant set 

Page 27: Cristina Lindholm - DiVA portal544833/FULLTEXT01.pdf · Cristina Lindholm 1 1 Introduction REINERTSEN AS is a Norwegian main contractor supplying multidiscipline process facilities

Design and development of FEM‐models used in expansion analyses  Master Thesis MMK 2007       Cristina Lindholm 

20

as the trigger‐berm. The rest of the pipeline share same the real constant set as the seabed. In the lateral case where there is no triggerberm there is naturally only one real constant set.  

 CONTA175 may be used to represent contact and sliding between two surfaces (or between a node and a surface, or between a line and a surface) in 2‐D or 3‐D. [Here node‐to‐surface]. The element is applicable to 2‐D or 3‐D structural contact analyses. This element is located on the  surfaces  of  solid,  beam,  and  shell  elements. Contact  occurs when  the  element  surface penetrates one of the target segment elements (TARGE169, TARGE170) on a specified target surface. 

• The element is defined by one node. • The contact algorithm used has to be specified.  • The penalty method uses a contact “spring”  to establish a relationship between  the 

two contact surfaces. The spring stiffness is called the contact stiffness.  • For the penalty method, normal and tangential contact stiffness are required. • ANSYS automatically defines default tangential contact stiffness that is proportional 

to µ  and the normal stiffness. • The  maximum  allowable  elastic  slip  parameter  is  required.  It  is  used  to  control 

maximum  sliding  distance  when  the  tangential  contact  stiffness  is  updated  each iteration.  

Ansys element library. CONTA175, 11.4.Performing a node‐to‐surface analysis [1]  

The contact algorithm is the penalty method. This means that a spring in the target will keep the contact element up. The spring  is represented by  the vertical soil stiffness and given  to ANSYS as the normal contact stiffness. This is similar to the lateral soil stiffness described in previous  chapter.  In  the  analytically  solution  the  soil  was  considered  very  stiff  and penetration was  not  allowed. The  values  given  to  the  spring  in  the ANSYS model  is  the values of a very  stiff  soil  [7] but penetration of  some  centimetres  is allowed. This  is more accurate to a real case. Since the trigger has to be able to withstand the entire pipeline at as‐laid a higher value of  soilk  is used for the trigger target‐contact set. The lateral soil stiffness is generated by the vertical soil stiffness and the mobilisation length, the maximum allowable elastic slip. This value is usually a couple of centimetres. 

3.2 The ANSYS analysis  

An analysis of a non‐conservative system is path dependent: the actual load‐response history of  the  system must be  followed  closely  to obtain accurate  results. An analysis  can also be path dependent if more than one solution could be valid for a given load level (as in a snap‐through  analysis). Path dependent problems usually  require  that  loads  be  applied  slowly (that is, using many substeps) to the final load value.  Ansys 8.2. Basic Information About Nonlinear Analyses [1] 

 To be able  to  rely on  the  results  it  is necessary  that  the order of  the different  steps  in  the analysis corresponds to the actions of the real pipeline. A pipeline  is first  laid down which induces stresses in the pipeline due to the residual lay force and the bending of the pipeline caused by the shape of the seabed. This is the as‐laid condition where the pipeline is exposed 

Page 28: Cristina Lindholm - DiVA portal544833/FULLTEXT01.pdf · Cristina Lindholm 1 1 Introduction REINERTSEN AS is a Norwegian main contractor supplying multidiscipline process facilities

Design and development of FEM‐models used in expansion analyses  Master Thesis MMK 2007       Cristina Lindholm 

21

to only external pressure and the submerged weight. When the operation starts the pipeline is  filled  with  hot  medium  giving  internal  pressure  and  this  will  rendering  in  rising temperature  of  the  steel.  To  simulate  this  in ANSYS  the  solution  is  devided  into  several “timestep”. Every timestep is then divided into substeps where the loads are applies in small parts. The order in which the timesteps are given are called the “timeorder”.  

3.2.1 Vertical buckling The  timeorder of  the vertical buckling  case  is described  in  four  steps, Figure 20‐23. At  the start of  the  analyses  the  link  elements  are  locked  at  there upper node  and  the pipeline  is locked axially at one end and having a residual tension force in the other, this to create the tensions caused by the real lay down conditions. The pipeline is simulated to “hang” above the seabed. (1)  

1)Links locked in all directions

Pipe locked axially layeffN

1)Links locked in all directions

Pipe locked axially layeffN

 Figure 20. Start condition for ANSYS analysis. The axial force in the last node is the residual 

tension force. This is caused by the real circumstances when a pipeline is laid down.  

The pipeline is loaded with external pressure as surface load and submerged weight eq.(1) as a  nodal  load.  The  link  elements  are  in  the  next  step  lowered  until  the  entire  pipeline  is resting on the seabed. (2) 

2)

Lowering

ep

subq

Node forces due to buoyancy and weight of concrete, steel and gas

2)

Lowering

ep

subq

Node forces due to buoyancy and weight of concrete, steel and gas  

Figure 21. When still hanging the pipeline is loaded with external pressure and submerged weight. To thereafter be lowered down.  

Page 29: Cristina Lindholm - DiVA portal544833/FULLTEXT01.pdf · Cristina Lindholm 1 1 Introduction REINERTSEN AS is a Norwegian main contractor supplying multidiscipline process facilities

Design and development of FEM‐models used in expansion analyses  Master Thesis MMK 2007       Cristina Lindholm 

22

Since the link elements are tension‐only they will go slack if they are compressed. When the pipeline  is at  the seabed  the  link elements are deactivated as  they are no  longer necessary. The pipeline is restrained laterally and the ends are fixed at there positions. (3) 

3)

Pipe locked laterally. Axially at ends

Deactivate links3)

Pipe locked laterally. Axially at ends

Deactivate links

 Figure 22. When the pipeline is locked at the seabed the lowering link elements are killed 

In the last step, “the operation phase”, the pipeline is loaded with first internal pressure and then  temperature.  This  starts  building  up  the  effective  axial  force  which  will make  the pipeline deflect. 

4)

T∆

Increasing temperature and pressure makesthe pipe expand

ip∆

4)

T∆

Increasing temperature and pressure makesthe pipe expand

ip∆

 Figure 23. Deflection of the pipeline is caused by operation conditions of internal pressure and 

rising temperature. 

3.2.2 Lateral buckling on vertical trigger‐berm In the vertical case with lateral buckling the timeorder is almost similar with the difference of a  small  lateral  force  instead  of  lateral  locked.  This  is  to make  it  deflect  lateral.  Since  the pipeline should not be able to buckle lateral without that small force the lateral restraining in case one should not be necessary but tests showed that without this restriction convergence problems occurred. 

3.2.3 Lateral buckling on even seabed In the case with lateral buckling the pipeline is laid down as in the vertical case but without the  trigger‐berm.  It will  therefore be completely straight when as‐laid.  It  is confirmed  that 

Page 30: Cristina Lindholm - DiVA portal544833/FULLTEXT01.pdf · Cristina Lindholm 1 1 Introduction REINERTSEN AS is a Norwegian main contractor supplying multidiscipline process facilities

Design and development of FEM‐models used in expansion analyses  Master Thesis MMK 2007       Cristina Lindholm 

23

without an  initial  imperfection the needed buckling force  is  infinite.  effN  keeps rising with 

increasing  pressure  and  temperature  according  to  eq.  (24).  To make  the  pipeline  buckle laterally a  force,  preF ,  is applied at  the nodes  in  the midsection around  the “midnode”, as 

seen in Figure 24. 

L preF

Pipenodes

Midnode

L preF

Pipenodes

Midnode

 Figure 24. To make the pipeline laterally imperfect a force is put on the nodes around the midnode 

at the pipeline. 

The timeorder for the lateral case is as in Figure 25. 

effN latδ

""timelayeffN

605.5 e

lateffN

Preforce up Preforce downInternal pressure

Temperature

Stable postbuckling

Stable prebuckling

effN latδ

""timelayeffN

605.5 e

lateffN

Preforce up Preforce downInternal pressure

Temperature

Stable postbuckling

Stable prebuckling

 Figure 25. Lateral loading case. Lateral deflection and effective axial force as functions of “time”.  

First a force,  preF , is applied to create the imperfections on the pipeline but since the model 

is elastic the  internal pressure needs to be applied as  preF   is  lowered down to zero. This  is 

possible  since  the pipeline  is not  expected  to  buckle until  the  temperature  is put  on. The needed effective axial force for buckling is higher than the effective axial force that is reached with full internal pressure. At the last timestep, as the temperature is applied,  effN  will build 

up  to make  the pipeline deflect. As ANSYS uses  the Newton‐Raphson method  for solving the  problem  the  postbuckling  behaviour  cannot  be  followed. The  pipeline will  in  infinite short  time move  from a stable prebuckling position  to a stable postbuckling position. This means  that  the expected curvature  is not possible  to be  find but  the expected value of  the effective axial force can be compared with the ANSYS values before and after buckling. 

Page 31: Cristina Lindholm - DiVA portal544833/FULLTEXT01.pdf · Cristina Lindholm 1 1 Introduction REINERTSEN AS is a Norwegian main contractor supplying multidiscipline process facilities

Design and development of FEM‐models used in expansion analyses  Master Thesis MMK 2007       Cristina Lindholm 

24

3.2.4 The parameters and variables in the cases The scenario used  for  the analyses  is an steel pipeline with a concrete coating  transporting hot gas at 130 meters water depth. When the pipeline  is as‐laid the temperature  is equal to the sea temperature 5°C and the inner pressure is zero. When the pipeline is in operation the temperature is 100°C and the internal pressure is 300 bar. In ANSYS the diameter used is for the steel pipe. The main purpose of the coating is to add weight and this factor is included in the submerged weight. The material model used is linear‐elastic.   

eD sD iDeD sD iD

 Figure 26. The pipeline model used has a concrete coating and transports gas.  

Table 1. Parameters and variables used, for full input see appendix 7.4 

Parameter  Value  Unit  Description 

eD   0.9  m  External diameter 

sD   0.8  m  Steel diameter 

iD   0.75  M  Internal diameter 

ip   30  MPa  Internal pressure in operation 

ep   3.7  MPa  External pressure 

T∆   95  °C  Temperature rise EI   946.5  MNm2  Bending stiffness 

subq   2.197  kN/m  Submerged weight 

The variables 0vertδ   1,2,3  m  Trigger‐berm height µ   0.4, 0.6, 0.8, 1    Friction coeff  For ANSYS input files see appendix 7.5.   

3.3 Results  

3.3.1 Vertical buckling First  the  response  of  a  laterally  restrained  pipeline  lying  on  a  trigger‐berm  is  examined. shows the as‐laid and Figure 28 the deflected pipeline.  

Page 32: Cristina Lindholm - DiVA portal544833/FULLTEXT01.pdf · Cristina Lindholm 1 1 Introduction REINERTSEN AS is a Norwegian main contractor supplying multidiscipline process facilities

Design and development of FEM‐models used in expansion analyses  Master Thesis MMK 2007       Cristina Lindholm 

25

Figure 27. Pipeline as‐laid on one meter trigger‐berm 

 Figure 28. Pipeline vertical buckled caused by internal pressure and temperature. 

The analytical results are found using eq. (6) where the effective axial force  is a function of trigger height. The analytical and ANSYS results for needed lift‐off force at different height of trigger is found in Table 2. 

Table 2. The effective axial force at lift‐off. Comparison between analytical and ANSYS model. It is seen that the analytical result and the result from ANSYS correspond satisfyingly. It is also seen that with more initial deflection the error is lessen. 

Trigger‐berm height   Analytical  lifteffN  [MN]  ANSYS  lift

effN  [MN]  Error  

1m  5.710 5.466  4.5%2m  4.038 4.096  1.4%3m  3.297 3.321  0.7% Figure 29 shows the buckling of the pipeline at a one meter trigger‐berm where the effective axial force is a function of the deflection.  

Page 33: Cristina Lindholm - DiVA portal544833/FULLTEXT01.pdf · Cristina Lindholm 1 1 Introduction REINERTSEN AS is a Norwegian main contractor supplying multidiscipline process facilities

Design and development of FEM‐models used in expansion analyses  Master Thesis MMK 2007       Cristina Lindholm 

26

 Figure 29. The effective axial force as a function of deflection at midnode. The deflection has the trigger

height as reference. Figures of buckling at two and three meter trigger-berm in appendix 7.5. The effective axial force is built until it reaches the needed force for lift-off. With increasing deflection the

effective axial force is lowered until it reaches a stabilised value.

Table 3 shows the effective axial force before and after lift‐off. Observe that the pipeline is not entirely lifted from the trigger berm in the prebuckling substep.    

Table 3. The effective axial force and vertical deflection of pipeline lying on one meter trigger-berm. Pre- and postbuckling values. When the needed effective axial force is reaches the pipeline buckles vertical. It can be seen that the pipeline is not entirely of the trigger-berm when deflected.

“Time”  effN  [MN]  vertδ  [m]    7.04 5.4650 -0.0016 vertδ  still<0 7.08 2.9671 2.78 Vertical buckling 

 Studies  of moment,  shear  force  and  true  axial  force were made  at  the  one meter  trigger scenario. The expected moment at lift‐off is  

eff

sub

NEIq

MwEI 6.5)0()0( =−=′′  

  

Page 34: Cristina Lindholm - DiVA portal544833/FULLTEXT01.pdf · Cristina Lindholm 1 1 Introduction REINERTSEN AS is a Norwegian main contractor supplying multidiscipline process facilities

Design and development of FEM‐models used in expansion analyses  Master Thesis MMK 2007       Cristina Lindholm 

27

Expected shear force at touchdown at lift‐off is LqLwEI sub=′′′ )(  

L   is according to analytical formula eq. (4) 58 meters from the midpoint. By observing the nodal vertical displacement in ANSYS at the time just before lift‐off it is seen that touchdown is at 55.6 meter  from midpoint and most penetration  into  the seabed  is at 60.6 meter  from midpoint.  

Table 4. Moment and shear force at lift-off of pipeline lying on one meter trigger. The analytically derived moment and the moment from the ANSYS model agree.  

  Analytical  ANSYS Moment  2.04 MNm 2.009MNmShear force  == )58( mLV 0.127 MN == )6.60( mLV 0.139 MN    == )6.55( mLV 0.128 MNTrue axial force and effective axial force are connected through the pressures eq. (2).  

effsteeleeiitrue NApApN +−= )(  

effN   is negative  since  the pipeline  is  in  compression.  trueN cannot be  found directly  from 

PIPE20 output but the stresses in the steel pipe can be compared with 

zI

MA

N

s

truetrue +=σ  

With  effN  and M taken from PIPE20 output the computed true stress should be equal to the 

calculated. Comparison has been made when  the pipeline  is  loaded with only pressure at mid of pipe cross section ( 0=z ), and with pressure and temperature at mid and top of cross section ( 4.0=z ). The connection between true axial force and effective axial force is verified with ANSYS.  

Table 5. Effective axial force and moment from output are used to calculate the true stresses in the pipeline. This in then compared with the stresses from PIPE20 output.  

  ansyseffN [MN]  ansys

trueN [MN]  z [m]  ansysM [MNm]  calctrueσ [MPa]  ansys

trueσ [MPa] 

Press  ‐4.9  6.5 0 ‐‐  106  106P+T mid  ‐1.8  9.6 0 ‐‐  157  158P+T top  ‐1.8  9.6 0.4 6.5 725  709 

3.3.2 Lateral buckling on vertical trigger‐berm The second case is a pipeline lying on a vertical trigger. A small force at the midnode of 100N before the operation phase will make it deflect. The prediction is that the effective axial force will build up to the necessary  lift‐off force calculated  in Table 2. When the pipeline  lifts the lateral friction, keeping the pipeline from buckling, is reduced to zero and the pipeline snaps laterally. A study is done at the one meter trigger scenario. By observing the actions of  effN , 

vertδ  and  latδ   the  timestep before and after buckling (Table 6)  it  is seen  that when  effN  has 

built enough force to lift the pipeline off the trigger it deflects laterally as predicted. This is displayed graphically in Figure 30. The final configuration of the pipeline is shown in Figure 31.  

Page 35: Cristina Lindholm - DiVA portal544833/FULLTEXT01.pdf · Cristina Lindholm 1 1 Introduction REINERTSEN AS is a Norwegian main contractor supplying multidiscipline process facilities

Design and development of FEM‐models used in expansion analyses  Master Thesis MMK 2007       Cristina Lindholm 

28

Table 6. Effective axial force, vertical displacement and lateral displacement of an initially defect pipeline lying on a one-meter trigger-berm. When lifted from the trigger-berm the pipeline snaps lateral.

“Time”  effN  [MN]  vertδ  [m] (from trigger)  latδ  [m]  Remark 

7.0600  5.747  ‐0.000147 0.00135 vertδ  <0, 7.0700  5.859  0.0408 0.00609 vertδ  >0 7.0800  1.774  ‐0.0175 4.294 Lateral buckling 

 

No verticaldeflection

Whenreaches theneeded lift‐off force thepipeline deflectslaterally

effN

No verticaldeflection

Whenreaches theneeded lift‐off force thepipeline deflectslaterally

effN

 Figure 30. When the effective axial force has reached the value for needed lift‐off force the pipeline rises from the trigger‐berm and snaps laterally. Between times 6‐7 internal pressure is applied and 

between times 7‐8 the temperature is raised.  

 

Page 36: Cristina Lindholm - DiVA portal544833/FULLTEXT01.pdf · Cristina Lindholm 1 1 Introduction REINERTSEN AS is a Norwegian main contractor supplying multidiscipline process facilities

Design and development of FEM‐models used in expansion analyses  Master Thesis MMK 2007       Cristina Lindholm 

29

 Figure 31. Movement of pipeline lying on trigger‐berm with a small lateral imperfection loaded 

with internal pressure and temperature 

It  is observed that a higher value of  effN   is needed to buckle the pipeline than  in the clean 

vertical deflection case. Here it is more accurate to the analytically calculated value. Possibly because  the pipeline has  to be  lifted up before  it can deflect  lateral.  In  the vertical case  the value  of  vertδ   just  before  buckling  is minus  indicating  that  the  pipeline  is  not  above  the trigger at  the  stable prebuckling  time.  It  is possible  that  the effective axial  force builds up some more but it is missed in the buckling analysis.  

3.3.3 Perfect straight pipe on perfect even seabed As  described  before  a  perfect  straight  pipeline will  not  deflect  during  loading.  Instead  it keeps building up  the effective axial  force. Eq.  (24) gives  the connection between pressure temperature  and  effN .  Figure  32  show  how  the  analysis  is  done  over  “time”.  A  first 

comparison  is made when  only  internal  pressure  is  applied  and  the  second  comparison when both internal pressure and temperature are fully applied. 

( ) =−∆−≈ ν21iilayeff

presseff ApNN 5.054 MN 

By adding the temperature the effective axial force is fond to be ( ) TEAApNN sii

layeff

Tpeff ∆⋅−−∆−≈+ αν21 =19.41 MN 

The values from PIPE20 output =press

effN 5.056 MN 

=+TpeffN 19.42 MN 

Page 37: Cristina Lindholm - DiVA portal544833/FULLTEXT01.pdf · Cristina Lindholm 1 1 Introduction REINERTSEN AS is a Norwegian main contractor supplying multidiscipline process facilities

Design and development of FEM‐models used in expansion analyses  Master Thesis MMK 2007       Cristina Lindholm 

30

MPapi 300 →= CT °→=∆ 950

No deflection

MPapi 300 →= CT °→=∆ 950

No deflection

 Figure 32. An ideally straight pipeline does not deflect during pressure and temperature rise. The 

effective axial force keeps building up. 

When the full internal pressure is built up the effective axial force is ‐5.05 MN The expected true axial force in the pipe is then 

=trueN 6.35 MN The stress in the pipeline is then 

=trueσ 104.1 MN/m The stresses in the pipeline according to ANSYS is  

=trueσ 104.1MN/m The straight pipeline reacts as predicted with very accurate results. 

3.3.4 Lateral buckling on even seabed Lateral  buckling  is  examined  with  four  different  coefficients  of  friction  for  the  seabed. According to the analytical results eq. (12) the coefficient of frictions affects the results. For every lateral case the value of the lateral deflection  just before and after buckling is used in the  formula  for determine  the buckling  force. This value  is  then  compared with  the value from  PIPE20  output,  Table  7.  Graph  of  effN   and  latδ   with  friction  coefficient  of  0.6  is 

displayed in Figure 33   

Page 38: Cristina Lindholm - DiVA portal544833/FULLTEXT01.pdf · Cristina Lindholm 1 1 Introduction REINERTSEN AS is a Norwegian main contractor supplying multidiscipline process facilities

Design and development of FEM‐models used in expansion analyses  Master Thesis MMK 2007       Cristina Lindholm 

31

Table 7. Effective axial force at initiation of lateral sliding (stable prebuckling position) and as deflected (stable postbuckling position). The errors are small in the analysis except for the case with a friction coefficient of 0.4. One reason can be that the initial lateral deflection is smaller than in the other cases. But this cannot explain the difference of 10 percent.  

µ   ansyslatδ  [m]  calc

effN  [MN]  ansyseffN  [MN]  error 

0.4  Pre  0.0617 12.667 11.516  10%  Post  4.841 1.430 1.408  1.5%0.6  Pre  0.0857 13.164 12.949  1.7%  Post  4.796 1.760 1.723  2.1%0.8  Pre  0.1037 13.818 13.665  1.1%  Post  4.668 2.060 2.007  2.6%1.0  Pre  0.1232 14.174 14.380  1.5%  Post   4.598 2.320 2.253  3% 

 Figure 33. Effective axial force and lateral deflection as functions of “time”. This figure can be compared with figure 25. The preforce is applied in time 5‐6 and internal pressure time 6‐7.  

     

Page 39: Cristina Lindholm - DiVA portal544833/FULLTEXT01.pdf · Cristina Lindholm 1 1 Introduction REINERTSEN AS is a Norwegian main contractor supplying multidiscipline process facilities

Design and development of FEM‐models used in expansion analyses  Master Thesis MMK 2007       Cristina Lindholm 

32

 The expected curvature of the pipeline is multiple buckle modes as seen in Figure 34. 

 Figure 34. Lateral deflection of pipeline gives a multiple buckle mode

According to analytical analysis the moment can be found as a function of friction and  effN . 

Eq.(20) says 

eff

sublat N

EIqM

µ89.4=  

In the case with µ  0.4 the postbuckling value of  effN  is 1.408. This give 

=latM 2.889 MNm According to ANSYS output the value of the moment at postbuckling is  

=ansyslatM 2.831 MNm 

The  derived moment    correspond  satisfyingly with  the moment  received  in  tha  ANSYS analysis.  

3.4 Conclusion The vertical case is satisfying especially when the deflection is high initially. The connection between  big  initial  imperfection  and  accurate  result  can  be  seen  in  the  lateral  buckling scenario  as well. When  the  lateral  initial  imperfection  is  small,  as  seen when  the  friction coefficient is 0.4, the difference between PIPE20 output and calculated result are bigger.   A possible explanation  is  that  the effective axial  force has a  large slope at  the beginning of the  effN ‐ vertlat δδ /  curve figure 13 (eq. (7,12)). The exactly right value is hard to catch. When 

the buckling occurs at the ANSYS analysis it is not necessarily because the full buckling force is reached if the timesteps are to large the real value can be missed.   The connections between true axial force and effective axial force are found to be accurate, so are the equations describing moment and shear force. The effective axial force is built up as predicted and the buckling direction and modes are as expected. The conclusion  is that the analytical model and the model used in ANSYS correspond satisfyingly.  

Page 40: Cristina Lindholm - DiVA portal544833/FULLTEXT01.pdf · Cristina Lindholm 1 1 Introduction REINERTSEN AS is a Norwegian main contractor supplying multidiscipline process facilities

Design and development of FEM‐models used in expansion analyses  Master Thesis MMK 2007       Cristina Lindholm 

33

4 Plasticity, Ansys and PAS The analyses presented in the previous chapters do not consider plasticity. In a real analysis that kind of a  simplification  is not acceptable. When a  recent analysis  involving plasticity was  done  at REINERTSEN  the  output  from ANSYS  PIPE20  element was  of  questionable accuracy.  The  reason  for  this  is  that  another  approach was  used  in  the  pipeline  design. Normally a load controlled condition is necessary to be used where the limiting parameter is the  bending  moment.  This  is  explained  in  chapter  two.  However,  in  this  project  a displacement controlled condition was used where the limiting parameter was the allowable strain. The allowable strains was about 1 to 1.5 percent but when this value was reached the PIPE20  element  obtained  incorrect  result  where  the  main  issue  was  that  PIPE20 overestimated  the  strains.  This was  a  new  problem  that  occurred  since  the  strains when using a load controlled condition do not reach these levels. To exemplify the weakness of the PIPE20 element a simple one‐element model  is used. The element  is  restrained  in one end and  has  a  structural  displacement  (rotation)  on  the  other  end.  Studies  of  corresponding moment  and  stresses  are  done.  The  calculated  bending  moment  and  axial  strain  are compared with  results  from an analytical model and  from a model build  in PAS  (Pipeline Analysis  System).  PAS  is  a  program  developed  by  REINERTSEN  which  uses  the  finite element method to calculate stresses and strains in pipelines.  

 • The study of the ANSYS model comprises the following 

o The connection between rotation and moment is derived. o The  results  from  the  PIPE20‐  and  the  PAS model  are  compared  with  the 

analytically derived results. o The stresses and strains from the PIPE20‐ and the PAS models are compared 

• The results are found o It  is  seen  that PIPE20 differs  from  the  expected  results due  to  two  reasons. 

When the rotation is small and the cross section is almost elastic the expected value and PIPE20 element output  is practically  identical but with  increasing rotation and plasticity the accuracy is lessen. And when more than 23 percent of the cross section is plastic the element output is utterly incorrect.  

• The  errors when  the  rotation  is  small  are  probably  caused  of  the  few  number  of integration points in PIPE20. The impact of number of integrations points are studied  

o Numerical o With PAS where number of integration points can be varied 

 

4.1 Model of short plastic beam The modelled and analysed beam has the same cross section as the steel pipe used in the previous analyses and a length of two meter. The material is in the analytical study considered to be linear‐elastic ideal‐plastic with  yieldσ  at 448 MPa. However, to ensure that 

the stiffness matrix is positive definite and non‐singular a bilinear curvature with a small inclining was used in the ANSYS and PAS analysis, Figure 35. This since the model in ANSYS and PAS will not converge if the stiffness matrix is singular.  

Page 41: Cristina Lindholm - DiVA portal544833/FULLTEXT01.pdf · Cristina Lindholm 1 1 Introduction REINERTSEN AS is a Norwegian main contractor supplying multidiscipline process facilities

Design and development of FEM‐models used in expansion analyses  Master Thesis MMK 2007       Cristina Lindholm 

34

ε

σ

⎩⎨⎧

==

%100450

εσ MPa

Perfect‐Plastic

ε

σ

⎩⎨⎧

==

%100450

εσ MPa

Perfect‐Plastic

 Figure 35. Stress-Strain curve. The solid line is the stress-strain curve used in the analytical model. To ensure that the stiffness matrix in ANSYS and PAS is non-singular a stress-strain curve with a small

incline is used, this is shown as the dotted line. 

4.1.1 Theory and analytical model Consider  a  thin‐walled beam  fixed  in  one  end  and  bent  in  the  other with  w′   radians,  as shown in Figure 36.   

w′ θ=′w

θ

R

L

w′w′ θ=′w

θ

R

Lθ=′w

θ

R

L

 Figure 36. A beam subjected to a prescribed rotation w’.  

The radius R of the curvature can be used to describe the rotation  

RLLw

Rxw

Rxxw ==′=′′⇒=′− θ)(,1)()(  

The pipeline is loaded until it is partly plastic. Figure 37 shows how the strain corresponds to the stresses and the rotation. 

ϕ ab

r⋅2

eε pε

abw ′′ ϕ a

bϕ a

b

r⋅2

eε pε

abw ′′

r⋅2

eε pε

abw ′′

 Figure 37. The plastic and elastic part of the cross‐section of a pipeline exposed to rotation w’ as 

described in figure 36.  

θσσσ

ε LE

aRE

awaE

yyye ⋅=⇒=⇒′′⋅==  

 

Page 42: Cristina Lindholm - DiVA portal544833/FULLTEXT01.pdf · Cristina Lindholm 1 1 Introduction REINERTSEN AS is a Norwegian main contractor supplying multidiscipline process facilities

Design and development of FEM‐models used in expansion analyses  Master Thesis MMK 2007       Cristina Lindholm 

35

The corresponding moment causing the stresses in the pipeline can be expressed by [11] 

∫ ⋅⋅=π

ϕϕσ2

0)sin()( rdAM   (25)

where  ϕdrtdA ⋅⋅= . 

 

dAyσ

a

b

ϕd

t

0=ϕ

2/πϕ =

r

dAyσ

a

b

ϕd

t

0=ϕ

2/πϕ =

dAyσ

a

b

ϕd

t

0=ϕ

2/πϕ =

r

 Figure 38. Stress‐distribution over a quarter of the pipe cross section. a/r=sin(φ) percent of the 

pipeline is elastic. 

θσ

ϕϕEr

Lra y=⇒⋅= )sin()sin( 00  

⎪⎩

⎪⎨

⎧≤

=plasticelse

elasticifra

y

y

,

,)sin()sin()sin()( 0

σ

ϕϕϕσ

ϕσ   (26)

The moment can be expressed with one plastic and one elastic part. Due to symmetry there is only need to integrate over a quarter of the cross‐section Figure 38. 

partPlastic

y

partElastic

y drtdrtM ϕϕσϕϕϕσ

π

ϕ

ϕ

)sin(4)sin()(sin4 2

2/

0

22

0 0

0

⋅+⋅= ∫∫  

This  gives  the  analytical  function  describing  how  the moment  depends  on  the  rotation. (Appendix 7.7) 

02

,1

)cos()sin(

2 00

0

02 >>⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡+= ϕπϕ

ϕϕ

σ trM y   (27)

Since this model only is valid when the model is both elastic and plastic the first calculated value  in Table 8  is  from basic  solid mechanics  [11]. The model behaves  like a plastic  joint when  pMM >  where  pM is the plastic moment 

=⋅= trM yp σ2)2( 6.727 MNm  (28)

The analytically expected values of  the moment can be compared with  the PIPE20 element and PAS output.      

Page 43: Cristina Lindholm - DiVA portal544833/FULLTEXT01.pdf · Cristina Lindholm 1 1 Introduction REINERTSEN AS is a Norwegian main contractor supplying multidiscipline process facilities

Design and development of FEM‐models used in expansion analyses  Master Thesis MMK 2007       Cristina Lindholm 

36

Table 8. The analytically expected value of the moment with different rotation loads. The remaining elastic part of the cross‐section is given in percent.  

Rotation (rad)  Percent part elastic ϕsin/ =ra  

0ϕ [rad]  Moment [MNm] 

0.011  100  π/2  5.2058  0.012  93  1.1967  5.5532 0.013  86  1.0338  5.7674 0.014  80  0.9238  5.9218 0.015  74  0.8401  6.0391 0.016  70  0.7728  6.1313 0.017  65  0.7169  6.2054 0.018  62  0.6695  6.2660 0.020  56  0.5926  6.3587 0.022  51  0.5326  6.4256 0.025  45  0.4632  6.4960 0.05  22  0.2253  6.6706 

4.1.2 PIPE20 and PAS model To  be  able  to  compare  PAS  and  PIPE20  it  is  necessary  that  the  input  for  both models corresponds. The geometry and material data are already presented and used similarly in the both programs. However  the PIPE20 element has strict eight  integration points around  the circumference, Figure 39, where results are reported. This means that the results never can be more  precise  than  the  data  found  at  the  integration  points.  It  is  possible  to  change  the number of integration points in PAS. Since PAS is a 2D‐program the number of integrations points is given for half plane. When comparing PAS with PIPE20 five integrations points are used since this should give the same resulting moment.   

z

y

°90°45

°0 y

zz

y

°90°45

°0

z

y

°90°45

°0 y

z

y

z

 Figure 39. PIPE20 has eight integration points around the circumference, to the left. In the comparison the number of integration points in PAS are set to five to make them correspond 

   

Page 44: Cristina Lindholm - DiVA portal544833/FULLTEXT01.pdf · Cristina Lindholm 1 1 Introduction REINERTSEN AS is a Norwegian main contractor supplying multidiscipline process facilities

Design and development of FEM‐models used in expansion analyses  Master Thesis MMK 2007       Cristina Lindholm 

37

Table 9. Moment taken from PIPE20 and PAS when at different rotation displacements 

Rotation [rad]  Moment PIPE20 [MNm]  Moment PAS [MNm] 0.011  5.2028  5.2027 0.012  5.4800  5.4795 0.013  5.7166  5.7160 0.014  5.9531  5.9525 0015  6.1896  6.1890 0.016  6.3753  6.3776 0.017  6.3772  6.3776 0.018  6.2461  6.3776 0.020  6.0784  6.3776 0.022  6.1680  6.3776 0.025  5.8915  6.3776 0.05  5.7715  6.3778 

 When the rotation of the pipe section is over 0.0157 rad both the integration point at 90° and 45° are in the plastic area. Since the values at those location are the only ones delivering data to be  read  and  calculated  the moment  should not be  able  to  rise with  increasing  rotation displacement, Figure 40. Input files in appendix 7.8.  

 Figure 40. When the rotation is small the values taken from the integration points should 

correspond to the figure to the left. With increasing rotation both the top integration point and the integration point at 45° should give a plastic value. The problem with few integration points are found when the rotation is further increased. The moment should keep rising but since no new 

data can be found the value of the moment stays constant. 

This  behaviour  is  observed  in  PAS,  after  a  0.016  rad  rotation  the  moment  stabilises. However, the moment from PIPE20 is decreasing with increased rotation. This can be seen in Figure 41 below to the left. In the figure to the right three cases are tested in PAS to illustrate how insufficient number of integration points affects the results.  

Page 45: Cristina Lindholm - DiVA portal544833/FULLTEXT01.pdf · Cristina Lindholm 1 1 Introduction REINERTSEN AS is a Norwegian main contractor supplying multidiscipline process facilities

Design and development of FEM‐models used in expansion analyses  Master Thesis MMK 2007       Cristina Lindholm 

38

 Figure 41. Moment as function of rotation for different models 

With  seven number of  integration points  the value of  the moment  is  stabiled when more than  50  percent  of  the  cross‐section  is  plastic. However  for  eight  integrations  points  the moment wonʹt stabilise until almost 78 percent of the cross section area is plastic. Therefore the moment keeps rising with increasing rotation. As seen in the figure the deviation at 0.05 rad rotation is larger for the PAS model with eight integration points than for the PAS model with seven integration points. This is further investigated in next the chapter.  As seen above the results from the PIPE20 output are unreliable when too large part of the cross‐section is plastic. This indicates that the stresses in PIPE20 behave oddly. In Table 10 the first  principal  stresses  and  strains  at  the  integrations  points  are  listed  for  three  different rotation displacements. Before the 45° integration point is plastic, when the rotation is 0.015 rad,  the stresses are similar. With  increasing rotation  the stresses  in PIPE20 are  falling and hence the values are no longer reliable.  

Table 10. Stresses at integration points at different rotation displacements 

PIPE20 PAS Int.point  1σ  [MPa]  pe εε +  [%]  1σ  [MPa]  pe εε + [%] 90°  448.03  0.2906  448.00  0.2906 45°  425.39  0.2055  425.38  0.2055 0°  ~0  ‐0.670∙10‐14  0  1.110∙10‐14 Compared at 0.015 rad rotation 

Int.point  1σ  [MPa]  pe εε +  [%]  1σ  [MPa]  pe εε + [%] 90°  432.80  0.3504  448.00  0.3487 45°  437.25  0.2478  448.00  0.2466 0°  ~0  ‐0.6132∙10‐5  0  1.110∙10‐14 Compared at 0.018 rad rotation 

Int.point  1σ  [MPa]  pe εε + [%]  1σ  [MPa]  pe εε + [%] 90°  378.62 MN  0.9761  448.02  0.9687 45°  398.98 MN  0.6902  448.01  0.6850 0°  ~0  ‐0.6325∙10‐4  0  0 Compared at 0.05 rad rotation 

Page 46: Cristina Lindholm - DiVA portal544833/FULLTEXT01.pdf · Cristina Lindholm 1 1 Introduction REINERTSEN AS is a Norwegian main contractor supplying multidiscipline process facilities

Design and development of FEM‐models used in expansion analyses  Master Thesis MMK 2007       Cristina Lindholm 

39

4.1.3 Loading PIPE20 with moment The  loading used at REINERTSEN are more common  to be  force based  than displacement based. Therefore  the PIPE20 model was subjected  to a known moment  instead of a known rotation. When the load exceeded the moment for which the 45° integration point should be plastic the analysis did not converge and hence no solution was able to get.   The  conclusion  is  that  the  PIPE20  element  is  not  suitable  in  applications  where  plastic deformation of a major part of the cross‐section is expected.  

4.2 The importance of integration points‐a short study Even though the previous analyses indicate that the problem with PIPE20 is not only caused by  the  insufficient  number  of  integration  points  it was  of  interest  to  see  how  accurate  a numeric model with  finite number of points  is  to an analytical model. As already  seen  in Figure  41 using  eight  integration points  instead of  seven over half  the  cross  section won’t necessary give a more accurate result. 

4.2.1 Analytical vs. numerical With  only  a  finite number  of points where  the  stresses  can  be  found  the moment  can  be described as 

)sin()(1

ii

N

ii rAM ϕϕσ ⋅⋅= ∑   (29)

Where N

rtAiπ2

⋅⋅=  and N is the number of integrations point around the circumference. As 

before the moment can be departed into one plastic and one elastic part according to eq.(26)  

∑ ∑ ⋅+⋅=elastic

iplastic

yi

y Ntr

NtrM ϕπσ

ϕϕπσ sin2

sinsin2 2

0

22   (30)

By  increasing  the  numbers  of  integrations  points  it  can  be  seen  how  it  affects  the  result compared with  the  integrated expected value of  the moment. The graphs below shows  the moment as a function of number of integrations points at half of the cross‐section. This is to be able to compare with PAS where the integrations points are specified for a half plane. Five integration points are as described  in Figure 39. The  connection  is  found at  two different rotation loads. With a rotation of 0.014 rad the cross‐section is 80 percent elastic and with a rotation of 0.05 rad it has decreased to 22 percent. See appendix 7.9 for MATLAB file.  

Page 47: Cristina Lindholm - DiVA portal544833/FULLTEXT01.pdf · Cristina Lindholm 1 1 Introduction REINERTSEN AS is a Norwegian main contractor supplying multidiscipline process facilities

Design and development of FEM‐models used in expansion analyses  Master Thesis MMK 2007       Cristina Lindholm 

40

5 10 15 20 25 30 35 40 45 505.84

5.86

5.88

5.9

5.92

5.94

5.96

5.98x 106

Mom

ent

No. of integration points

0.014 rad rotation

5 10 15 20 25 30 35 40 45 56.35

6.4

6.45

6.5

6.55

6.6

6.65

6.7x 106

No. of integration points

0.05 rad rotation0.014 rad rotation

0.05 rad rotation

Mom

ent

N N5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

5.84

5.86

5.88

5.9

5.92

5.94

5.96

5.98x 106

Mom

ent

No. of integration points

0.014 rad rotation

5 10 15 20 25 30 35 40 45 56.35

6.4

6.45

6.5

6.55

6.6

6.65

6.7x 106

No. of integration points

0.05 rad rotation0.014 rad rotation

0.05 rad rotation

Mom

ent

N N  Figure 42. The straight lines are the analytically expected value of the moment at different rotation 

displacements, eq. (27). The oscillating lines are according to eq. (30) where the moment is a function of N, the number of integrations points. N is specified at half of the cross‐section.  

4.2.2 Analytical vs. PAS The  same analysis was made  in PAS. The number of  integrations points of half  the  cross‐section was changed while keeping the rotation load constant. The result is found in Figure 43 below. 

Rotation 0.014 rad

5880

5900

5920

5940

5960

5980

6000

6020

6040

6060

5 10 15 20 25

Number of integration points

Mom

ent [kN

m]

Rotation 0.05 rad

6300

6400

6500

6600

6700

6800

6900

5 10 15 20 25

Number of integration points

Mom

ent [kN

m]

Rotation 0.014 rad

5880

5900

5920

5940

5960

5980

6000

6020

6040

6060

5 10 15 20 25

Number of integration points

Mom

ent [kN

m]

Rotation 0.05 rad

6300

6400

6500

6600

6700

6800

6900

5 10 15 20 25

Number of integration points

Mom

ent [kN

m]

 Figure 43. Expected analytically moments and moments received from PAS as a function of number of integration points. The graph to the left is a pipeline that is 80 percent elastic and the graph to 

the right is a pipeline 22 percent elastic. 

The  same oscillating pattern  as  in  the numeric  analysis  is observed  in PAS. This  explains why  eight  integrations points  gave  a more  inaccurate  result  compared  to  the  analytically expected than when seven integration points were used. One can by coincidence happen to use the “right” number of integration points and thereby get the correct result. Even though an increased number of integration points will give a less accurate result. In both analyses it is seen that to be sure to obtain an accurate value of the moment it is required to use more than  15  integrations  points  on  half  the  cross‐section.  It  is  obvious  that  the  need  for 

Page 48: Cristina Lindholm - DiVA portal544833/FULLTEXT01.pdf · Cristina Lindholm 1 1 Introduction REINERTSEN AS is a Norwegian main contractor supplying multidiscipline process facilities

Design and development of FEM‐models used in expansion analyses  Master Thesis MMK 2007       Cristina Lindholm 

41

integration points is bigger, the bigger the plastic part of the cross‐section is. The reason for this is already explained above, the numerical resolution of the cross‐section is too coarse. If it  is  of  interest  to  know  the  exact  stress  distribution  in  the  cross‐section  naturally more integration points are needed.  

4.3 Conslusion The  first  thing  to  regard  is PIPE20’s unsuitability  to be used when  the cross‐section of  the pipeline is expected to be more than 20 percent plastic. It is clear that until a better element formulation is available in ANSYS another approach to large‐plastic problems is needed. The problem of receiving imprecise result due to lack of integrations points is described above. 

Page 49: Cristina Lindholm - DiVA portal544833/FULLTEXT01.pdf · Cristina Lindholm 1 1 Introduction REINERTSEN AS is a Norwegian main contractor supplying multidiscipline process facilities

Design and development of FEM‐models used in expansion analyses  Master Thesis MMK 2007       Cristina Lindholm 

42

5 Development and verification of a new model The current ANSYS model used at REINERTSEN is a more general and advanced version of the model developed  in  this  thesis. The REINERTSEN model  is used  to evaluate pipelines exposed to high pressure and temperature during periodic loading/unloading. As explained in chapter four when the model is allowed to reach strains up to 1.5 percent the results from ANSYS  is  incompatible with  results  from other applications. The analysis showed  that  the PIPE20  element  overestimated  the  strains.  Therefore  it  is  of  interest  to  find  a  new more accurate model  when  problems  with  strains  over  one  percent  occur.  One  suggestion  of solutions  is  to  replace  the PIPE20  elements, where  the  results  are questionable, with  shell elements. A first study of a beam‐shell assembly is going to be carried out. 

 • The  first  step  is  creating  a  shell  part  that  can  interact  satisfyingly  with  PIPE20 

element.  • Secondly  the beam part and  the shell part are connected. This creates a beam‐shell 

assembly.  o Two  different ways  of  combining  PIPE20  elements with  shell  elements  are 

examined  MPC‐approach  BEAM4 elements 

o A  study  of  deflection  and  axial  force  when  the  models  are  exposed  to submerged weight  are made.  The  results  are  compared  to  a  “PIPE20only” model. 

• Third step is creating a seabed and contact for the beam‐shell assembly o A straight pipeline created at  the seabed  is exposed  to  internal and external 

pressure.  The  two  different  beam‐shell  assemblies  are  compared  with  a PIPE20only model.  

• For  the  shell  part  to  work  in  the  ANSYS  model  used  at  REINERTSEN,  it  is compulsory  for  it  to be able  to be  lowered down at position. LINK10 elements are connected  to  the shell part using either BEAM4 elements or multi point constraints (MPC).  

o Tests  with  lowering  are  done.  By  some  reason  using  full  weight  of  the pipeline is leading to convergence problems. This was temporarily solved by allowing  the weight  to be  ten percent when  lowering and set  to 100 percent when the pipeline is at the seabed, before axially locked. 

o Tests with  pressure  are made  at  the  as‐laid  pipeline  on  even  seabed.  The outcome of the test is used to choose model for continue testing. 

• Using a linear‐elastic perfectly plastic pipeline with PIPE20only model and a similar beam‐shell  assembly  the  strains  as  a  function  of  the  temperature  is  observed. The complaints being that PIPE20 overestimates the strains in the pipeline. 

o Vertical deflection of the pipeline is examined. The results are that the strains in the shell‐beam assembly are smaller than in the PIPE20 model. 

o Lateral deflection was  to be examined as well but since  there was problems with contact this part is not carried out entirely due to lack of time. 

 

Page 50: Cristina Lindholm - DiVA portal544833/FULLTEXT01.pdf · Cristina Lindholm 1 1 Introduction REINERTSEN AS is a Norwegian main contractor supplying multidiscipline process facilities

Design and development of FEM‐models used in expansion analyses  Master Thesis MMK 2007       Cristina Lindholm 

43

5.1 Building a shell  

SHELL181 is suitable for analyzing thin to moderately‐thick shell structures. It is a 4‐node element with six degrees of freedom at each node: translations in the x, y, and z directions, and rotations about the x, y, and z‐axes. It is well‐suited for linear, large rotation, and/or large strain nonlinear applications. It has plasticity capabilities.  

• Pressures may be input as surface loads on the element faces • Temperatures may be input as element body loads at the corners of the outside faces. • The element formulation is based on logarithmic strain and true stress measures 

Ansys element library. SHELL181, [1]  

The shell part is created with quadrilateral SHELL181 elements. 16 shell elements are used around the circumference. The shell part has to act as a PIPE20 element in order to interact with it. Since “the pipe element is assumed to have “closed ends” so that the axial pressure effect is included”[1] it is compulsory for the shell part to be created with end caps as well. The end caps on the shell part were first created with triangular SHELL63 element. These are similar to the SHELL181 except for there incapability of plasticity. The triangular SHELL181 elements are not recommended and since there is no need for plastic effect on the end caps SHELL63 element seemed appropriate. 

 Figure 44. The shell part is created with quadratic SHELL181 elements. Shells on the ends of the shell

part are a must so the end effects from PIPE20 elements are included.  

These elements are the end caps used in the test with a pipeline created at seabed. However it  turned out  that when  the pipeline  is  created  above  the  seabed  and  exposed  to  external pressure  the  analysis  did  not  converge.  The  exact  reason  for  this  is  not  examined.  The solution here  is  to use  triangular SHELL181 element which work where SHELL63 did not. Tests were made with SHELL181 elements and the same results were received for the forces in the shell part and the beam part as for usage of SHELL63.  To create the submerged weight on the model developed in chapter three, nodal forces were applied. That  approach  is not  suitable here  instead  a  fixed density  is used  and gravity  is simulated with ANSYS inertia command ACEL. 

5.2 Modelling a beam‐shell assembly Two  methods  for  combining  the  beam‐shell  model  are  used.  The  first  method  is  the multipoint  constraints  (MPC)  option  that  ANSYS  provides.  It  uses  contact  and  target 

Page 51: Cristina Lindholm - DiVA portal544833/FULLTEXT01.pdf · Cristina Lindholm 1 1 Introduction REINERTSEN AS is a Norwegian main contractor supplying multidiscipline process facilities

Design and development of FEM‐models used in expansion analyses  Master Thesis MMK 2007       Cristina Lindholm 

44

elements to connect the nodes at the beam and to the nodes at the shell. The second method is using BEAM4 elements to attach the beam and the shell together.  

5.2.1 MPC By this method, ANSYS generates MPC equations internally based on the contact kinematics. When using this method for building beam‐shell assemblies the end‐node at the beam must be a pilot‐node (TARGE170) and the shell nodes are the contact nodes (CONTA175), Figure 45.  

 Figure 45. Connection between PIPE20 beam elements and SHELL181 with MP-constraints. MPC uses

target and contact elements to establish connection of the beam-shell assembly 

A surface‐based constraint is used to couple the motions of the nodes on the contact surface to the pilot‐node. This constraint can either be rigid or force‐distributed. It is recommended [1] that when having a beam‐shell assembly the force‐distributed constraint is used. “In this type  of  constraint,  forces  or  displacements  applied  on  the  pilot  node  are  distributed  to contact  nodes  (in  an  average  sense)  through  shape  functions”,  [1]. This means  that  if  the pipeline  is bent the shape of the shell part do not follow the rigid motion at the pilot node and can therefore change shape to the more accurate oval form. 

5.2.2 BEAM4 The second method is building the beam‐shell assembly with BEAM4 as coupling elements, Figure 46.  

Page 52: Cristina Lindholm - DiVA portal544833/FULLTEXT01.pdf · Cristina Lindholm 1 1 Introduction REINERTSEN AS is a Norwegian main contractor supplying multidiscipline process facilities

Design and development of FEM‐models used in expansion analyses  Master Thesis MMK 2007       Cristina Lindholm 

45

 Figure 46. Connection between PIPE20 beam elements and SHELL181 with BEAM4 elements 

These elements have specified material constants. The density given  is  small so  it will not affect the weight of the pipeline when exposed to gravity. 

5.2.3 Study of the connections A short PIPE20only model and the combined models with the same length are locked at ends and exposes to submerged weight. The resulting deflection and axial force are seen in Figure 47. This analysis is made to verify the accuracy of the connection types. As argued later the stresses at the interface can be discussed in their precision. However the connection should be stiff enough  to be able  to give  the same result at deflection and at  forces at ends of  the beam‐part for the combined models as for the PIPE20only model. No shell end caps are used in this analysis. It is observed that the MPC constraint and the PIPE20only are more similar to once another.  

MN55.1

MN55.1

MN67.1

mµ4.72

mµ2.86

MPC

PIPE20only

BEAM4

mµ8.71MN55.1

MN55.1

MN67.1

mµ4.72

mµ2.86

MPC

PIPE20only

BEAM4

mµ8.71

 Figure 47. Deflection and axial force are compared for models exposed to submerged weight. The models are locked at the ends. PIPE20only model at top and beam-shell models below. Connections are done with

MPC (middle) and with BEAM4 (at bottom). 

Page 53: Cristina Lindholm - DiVA portal544833/FULLTEXT01.pdf · Cristina Lindholm 1 1 Introduction REINERTSEN AS is a Norwegian main contractor supplying multidiscipline process facilities

Design and development of FEM‐models used in expansion analyses  Master Thesis MMK 2007       Cristina Lindholm 

46

 

5.3 Modelling the Seabed and the contact The contact element used for the shell part is CONTA173. It is similar to CONTA175 used for the PIPE20 elements with  the difference of being surface‐to‐surface. The contact element  is created on the shell elements that are situated on the underside of the shell part. On PIPE20 the contact elements are situated on  the nodes. The nodes on  the pipeline are on  the same height  as  the  centre  of  the  shell. Here  this was  solved  by  creating  two  sea  beds  at  two different levels. Another option is to use key option 11 for the CONTA175 element where the shell thickness of the pipeline can be set to be included. 

5.3.1 Forces due to pressure-pipeline initially created on flat seabed The  first bigger verification  is creating each model directly on  the  seabed and  let  them be exposed  to  submerged weight and  internal and external pressure. The  resulting  forces are compared. This  is similar  to  the no‐buckling scenario presented  in chapter  three where  the effective axial  force are allowed  to be built up without causing  the pipeline  to buckle. But since the pipeline is created already laying on the seabed the same prediction of  effN ,eq.(24) , 

cannot be used. The assumptions for eq.(24)  are that the external pressure is the same when as‐laid and during operation. Here this is incorrect since the external pressure is put on after it is on the ground. Figure 48 shows the positions of the elements in Table 11. The model used in  the analysis  is 500 meter with 20 meter shell part. 2128 shell elements were used at  the shell part.  

 Figure 48. The tabulated elements are found at the demonstrated positions. The actual model used is 500

meter with 20 meter shell part. The shell part contained 2128 elements.  

Page 54: Cristina Lindholm - DiVA portal544833/FULLTEXT01.pdf · Cristina Lindholm 1 1 Introduction REINERTSEN AS is a Norwegian main contractor supplying multidiscipline process facilities

Design and development of FEM‐models used in expansion analyses  Master Thesis MMK 2007       Cristina Lindholm 

47

 Table 11. The resulting forces and stresses of pipeline exposed to submerged weight and external and internal pressure. The direction of the shell forces are found in the figure above, n11 and n22 are forces per meter length 

PIPE20only    effN  [MN]  xσ  [MPa] 

    ‐4.313 116.3

MPC    effN  [MN]  xσ  [MPa] 

  Pipewest  ‐4.326 116.1  Pipeeast  ‐4.326 116.1  Pipeend  ‐4.324 116.1    11n  [MN/m]  22n  [MN/m]   Shellwest  7.032 3.198  Shellmid  10.01 3.312  Shelleast  7.032 3.198

BEAM4    effN  [MN]  xσ  [MPa] 

  Pipewest  ‐4.323 116.1  Pipeeast  ‐4.323 116.1  Pipeend  ‐4.322 116.1    11n  [MN/m]  22n  [MN/m]   Shellwest  5.119 3.201  Shellmid  10.01 3.315  Shelleast  5.119 3.201 The  first  observation made  is  that  the  beam‐part  is  not  affected  of  being  in  a  beam‐shell assembly. The outputs from PIPE20 elements are almost the same in the PIPE20only model as  in  the  combined.  The  second  validations  that  need  to  be made  are  the  compatibility between  the beam part  and  the  shell part. By using  the  effective  axial  force given by  the PIPE20 output the true axial force can be calculated 

eeiiefftrue ApApNN −+= =‐4.3 MN+11.4 MN=7.1 MN 

The  axial  force  per  meter  length,  22n ,  is  the  true  axial  force  divided  with  the circumference of the pipeline. r is the mean radius of the pipeline. 

rN

n truecalc

π222 = =7.1 MN/2.42 m=2.9e6 N/m 

The  calculated  value  is  lower  than  the  results  from  the  both  beam‐shell  assemblies.  This analysis can be performed  in  the opposite direction and use  the axial force per meter from the shell element output as input. The expected true axial force is then 

s

shellcakcx A

nr 222 ⋅=

πσ =2.42 m * 3.3 (MN/m)/0.061 m2=133 MPa 

The radial force per meter  length,  11n ,  is the difference  in pressure divided with the mean radius. This value can be compared with the values from shellmid 

Page 55: Cristina Lindholm - DiVA portal544833/FULLTEXT01.pdf · Cristina Lindholm 1 1 Introduction REINERTSEN AS is a Norwegian main contractor supplying multidiscipline process facilities

Design and development of FEM‐models used in expansion analyses  Master Thesis MMK 2007       Cristina Lindholm 

48

rpp

n eicalc −=11 =26.3e6/0.3875=10.2 MN/m 

The values from  the shell part at ends (shellwest and shelleast) of the beam‐shell assembly are different for the MPC combined assembly and the BEAM4 combined assembly. However their accuracy can be discussed.  St. Venantʹs principle states that “Statically equivalent systems of forces produce the same stresses and strains within a body except in the immediate region where the loads are applied. Thus the stresses calculated  in  the  middle  of  a  beam  are  not  influenced  by  the  way  the  ends  are supported as  long as the supporting  forces and moments are statically equivalent to those in the mathematical model.” [12] 

Here  this means  that  since  the  effects  at  the  interface  of  the  beam‐shell  assembly  is  not known the values there are not suitable to use in further analysis.  

5.4 Modelling Link elements It  is  required  that  the beam‐shell  assembly  can be  laid down by  the  same method  as  the PIPE20only model  is. The LINK10 elements cannot be directly connected  to  the shell part, instead the same types of connection as for the beam‐shell assembly  is used. A node at the centre of the shell part is used to create the lower part of the link element. This node is then connected to the shell part via MP‐constraints or BEAM4 elements. This gives three possible models to use in further analysis.  

MPC‐MPC

BEAM4‐BEAM4

MPC‐BEAM4

MPC‐MPC

BEAM4‐BEAM4

MPC‐BEAM4

 Figure 49. Three different connection types are examined. The first uses MP-constraints in both with the beam-shell connection and with the link shell-connection. The next two uses BEAM4 elements with the

shell-link connection. And the last one has BEAM4 elements to connect the beam-shell assembly. 

 

5.4.1 Lowering the pipeline As described for the PIPE20 model in chapter three the pipeline is initially above the seabed and exposed  to external pressure,  submerged weight and  the  residual  tension  force,  lay

effN . 

The model is then lowered down to the seabed. By some reason applying full gravity ended in  convergence problems when  lowering  the pipeline. The  reasons  for  this are not  further 

Page 56: Cristina Lindholm - DiVA portal544833/FULLTEXT01.pdf · Cristina Lindholm 1 1 Introduction REINERTSEN AS is a Norwegian main contractor supplying multidiscipline process facilities

Design and development of FEM‐models used in expansion analyses  Master Thesis MMK 2007       Cristina Lindholm 

49

investigated. Here  letting  the  initial conditions  for  the weight  to be  ten percent solves  this. When  the  pipeline  is  as  laid  100  percent  of  the weight  is  applied.  This  approach  is  not acceptable in a general model but the argument here is that it is more important to validate the capability of the beam‐shell assembly when as‐laid.  

5.4.2 Establishing contact with an un-even seabed Tests of laying down the pipeline on a trigger have been done. The trigger used is wider than the trigger used in the PIPE20only model. The problem with a too narrow trigger is that the pipeline  falls  through  even with  a high value of  the normal  contact  stiffness. Raising  this value  to much will  lead  to convergence problems  instead  the  solution was  to broaden  the trigger. Another suggestion for solution is to change the contact algorithm to the augmented Lagrangian method. This model works when the trigger is half a meter high but with a one meter trigger the pipeline falls through. A further study of this phenomenon is not done.  

5.4.3 Forces due to pressure-pipeline laid down flat seabed To  investigate which model  best  suited  for  further  analysis  each  is  lowered  down  on  a before. The differences between the three beam‐shell assemblies are so small that only results from the MPC‐BEAM4 are represented in Table 12. The main differences between the beam‐shell assemblies are at the shell ends. As already concluded  incomprehensibilities are to be expected at the interface of the shell‐beam assembly. These values are therefore not included in the table below.  

Table 12. The resulting forces and stresses of pipeline exposed to submerged weight and external and internal pressure after lay down. The direction of the shell forces are found in the figure 47 above, n11 and n22 are forces per meter length  

PIPE20only    effN  [MN]  xσ  [MPa] 

    ‐5.056 104.1

MPC‐BEAM4    effN  [MN]  xσ  [MPa] 

  Pipewest  ‐5.068 103.9  Pipeeast  ‐5.068 103.9  Pipeend  ‐5.067 104.0    11n  [MN/m]  22n  [MN/m]   Shellmid  10.02 2.913 As  before,  it  is  seen  that  the  values  for  PIPE20  element  in  the  PIPE20only  model  are consistent with  the values  for  the beam‐shell assemblies. By using  the effective axial  force given  by  the  PIPE20  element  output  the  true  axial  force  can  be  calculated  and  used  to validate the correspondence between the shell part and the beam part 

eeiiefftrue ApApNN −+= =‐5.07 MN+11.4 MN=6.33 MN 

rN

n truecalc

π222 = =2.62 MN/m 

And the expected true axial force based on the forces in the shell is 

s

shellcalcx A

nr 222 ⋅=

πσ =116 MPa 

Page 57: Cristina Lindholm - DiVA portal544833/FULLTEXT01.pdf · Cristina Lindholm 1 1 Introduction REINERTSEN AS is a Norwegian main contractor supplying multidiscipline process facilities

Design and development of FEM‐models used in expansion analyses  Master Thesis MMK 2007       Cristina Lindholm 

50

The calculations here show a  lower value of  22n   than  the shell element output value.  In a further study  it  is necessary to create an analytical tool to verify the precision  in the beam‐shell assembly.   The main goal here is to decide which model to continue the analysis with. From the values in the tests with pressure no model seems more accurate than any other. However the MPC‐MPC model appears  inappropriate  to use due  to need of more  time  to  solve  the problem than  the  other  two models. During  solving  the message  “a  small  pivot  term” was more frequent  for  the MPC‐MPC model  than  for  the  other  two  assemblies.  In  the  first  small analysis where  the beam‐shell  connections ware  investigated  the BEAM4  elements gave a higher  value  of  the  deflection  than  the  PIPE20only  model  and  the  MPC  model.  One possibility is that the BEAM4 connection is less stiff than the MPC connection. Based on this the model chosen for continue analysis is the MPC‐BEAM4 model. 

5.5 Buckling of pipeline lying on trigger‐berm In  the  last  analysis  a  pipeline  lying  on  a  one‐meter  trigger‐berm  and  exposed  to  rising pressure  and  temperature  is  considered.  The  expansion  of  the  pipeline  due  to  the temperature rise will make it buckle. For the beam‐shell assembly the temperature load has to be applied  in very small steps. The model used  for  the  last analysis  is 500 meter with a shell  part  of  40  meter.  It  is  built  using  4256  shell  elements  in  the  shell  part.  As  the temperature rises part of the pipeline will be plastic. The strains in the beam‐shell assembly and  the  PIPE20only model  are  studied  as  a  function  of  the  temperature.  To  analysis  are made. The first has a temperature rise of 95°C and the second analyse has a temperature rise of 111°C. 

5.5.1 Vertical buckling As for the analysis of vertical buckling in chapter three the pipeline is locked lateral to force it to buckle vertical. When the temperature is about 5°C the pipeline deflects in both models. This indicates that they have similar stresses and effective axial force at that stage. The final configuration at 95°C of  the vertical buckle beam‐shell assembly  is  found  in Figure 50 See appendix 7.10 for input file. 

Page 58: Cristina Lindholm - DiVA portal544833/FULLTEXT01.pdf · Cristina Lindholm 1 1 Introduction REINERTSEN AS is a Norwegian main contractor supplying multidiscipline process facilities

Design and development of FEM‐models used in expansion analyses  Master Thesis MMK 2007       Cristina Lindholm 

51

 Figure 50. Vertical buckling of a beam-shell assembly.  

The elastic, plastic and  total strains are  found at  the mid element on both models. For  the beam‐shell assembly the top node at the top element of the cross‐section is used and for the PIPE20only model  the  integration point at the  top  is used. The strains at mid  thickness are found as function of temperature in Figure 51 (95°C) and Figure 52 (111°C).  

Temp °C

pe εε +plastε

elastε

ε

PIPE20only

Temp °C

pe εε +

plastε

elastε

ε

Beam‐shell

Temp °C

pe εε +plastε

elastε

ε

PIPE20only

Temp °C

pe εε +

plastε

elastε

ε

Beam‐shell

 Figure 51. The models are exposed to a 95°C rising temperature. The corresponding strains as function of

the temperatures are showed.  

 

Page 59: Cristina Lindholm - DiVA portal544833/FULLTEXT01.pdf · Cristina Lindholm 1 1 Introduction REINERTSEN AS is a Norwegian main contractor supplying multidiscipline process facilities

Design and development of FEM‐models used in expansion analyses  Master Thesis MMK 2007       Cristina Lindholm 

52

Temp °C

pe εε +plastε

elastε

ε

PIPE20only

Temp °C

pe εε +plastε

elastε

Beam‐shell

ε

Temp °C

pe εε +plastε

elastε

ε

PIPE20only

Temp °C

pe εε +plastε

elastε

Beam‐shell

ε

 Figure 52. The models are exposed to a 111°C rising temperature. The corresponding strains as function

of the temperatures are showed. 

From the figures above it is seen that the strains are larger in the PIPE20 element than in the shell element, when the strains are over 1 percent as predicted.  

Temp   PIPE20only  totε   Beam‐shell assembly  totε  95°C  0.96% 0.95% 111°C  1.7% 1.3% 

This  is satisfying as  the beam‐shell assembly  is supposed  to deliver more accurate  results. What is further interesting is how the plastic strains for the PIPE20 element are different after 40°C when  the  two  analyses  are  compared. After  this  temperature  the  strains  are  found larger in the case where the total temperature rise is 111°C.  

5.5.2 Lateral buckling Attempts  with  lateral  buckling  on  trigger‐berm  have  been  made  using  the  beam‐shell assembly. However when the pipeline deflects lateral it loses the contact with the trigger. In the  postbuckled  stage  it  is  lying  on  the  seabed.  Tests were made  to  increase  the  pinball radius, a function used in the contact algorithm to determine the contact status. But this only leads  to  convergence problems. The problem  is probably due  to  the options made  for  the contact.  In  a development  of  the  beam‐shell  assembly  the problems with  lateral  buckling should be studied further. 

5.6 Conclusion of the beam‐shell assembly and further development The  beam‐shell  assembly  is  far  from  ready  to  be  considered  in  a  real  analysis.  It  needs development and testing. The most critical points are listed below 

• No analytical study of the shell elements that complement the comparison is done • Triangular SHELL181 elements were used even though they are not recommended • Gravity was not fully applied when the pipeline was initially laid down • A thin trigger is not possible to use with the penalty method as contact algorithm  • In  the  lateral  buckling  case  the  pipeline was  not  able  to  stay  on  the  trigger when 

deflected. This is probably due to the options made for the contact.   

Page 60: Cristina Lindholm - DiVA portal544833/FULLTEXT01.pdf · Cristina Lindholm 1 1 Introduction REINERTSEN AS is a Norwegian main contractor supplying multidiscipline process facilities

Design and development of FEM‐models used in expansion analyses  Master Thesis MMK 2007       Cristina Lindholm 

53

However, the points indicating that a compliment model using beam‐shell assembly can be used are 

• The elastic models seem to correspond  • The beam‐shell assembly buckled as predicted in the vertical case. • When  the  strains  exceed  one  percent  the  calculated  strains  are  lower  for  the 

SHELL181 element than for the PIPE20 element  It is essential to bear in mind that the shell model represents a more exact simulation at the apex  than  the  pure  beam model.  Factors  that  come  in  are  ovalization  and wall  thickness changes that are included in SHELL181. And the restrictions on linear strain distribution do not  come  into  the  shell model. However,  in  various  analyses  the  accuracy  gained with  a combined model is not needed and using a simplified model with only PIPE20 elements save time  and  resources.  The  combined model  is  therefore  to  be  seen  as  a  compliment  to  the PIPE20 model. 

Page 61: Cristina Lindholm - DiVA portal544833/FULLTEXT01.pdf · Cristina Lindholm 1 1 Introduction REINERTSEN AS is a Norwegian main contractor supplying multidiscipline process facilities

Design and development of FEM‐models used in expansion analyses  Master Thesis MMK 2007       Cristina Lindholm 

54

6 References  [1] Inc. Ansys. Ansys 8.0 Documentation 2003. And Ansys 10.0 Documentation. 2005  [2] Det Norske Veritas. “Submarine Pipeline Systems”, DNV‐OS‐F101. 2000.  [3 ] REINERTSEN Engineering AS. “Ormen Lange Project pipeline engineering”, doc.no. 

11007600‐NH‐REE‐00003. (page 5) 2003  [4] Fyrileiv, O. and Collberg, L. “Influence of pressure in pipeline design‐effective axial 

force”, Report OMAE2005‐67502.. 2005  [5] Carr, M., Bruton, D. and Leslie, D. “Lateral buckling and pipeline walking, a challenge for 

hot pipelines”, Boreas paper no. OPT. 2003  [6] Soreide, T., Kvarme, S. O. and Paulsen G. Pipeline Expansion on Uneven Seabed. ISOPE 

paper no. 2005‐HM‐03  [7] Det Norske Veritas. “Free Spanning Pipelines”, DNV‐RP‐F105. 2002  [8] Soreide, T., Kvarme, S.O. and Paulsen G. Nielsen, F.G. “Technical Challenges in Deep 

Water Pipelines Design”  [9] Hauch, S.R., Bai, Y. “Bending Moment Capacity of Pipes”. From Journal of Offshore 

Mechanics and Arctic Engineering, ASME. 2000.   [10] REINERTSEN Engineering AS. “ANSYS, Expansion and Global Buckling Analyses”, 

doc.no. RE‐VER‐ANSYS. Page 57‐60. 2004  [11] Sundström, B. et al. ”Handbok och formelsamling i Hållfasthetslära”. Institutionen för 

hållfasthetslära KTH. 1998.   [12] D.L. DuQuesnay. “Mech 422 ‐ Stress and Strain Analysis”. 2002    [http://me.queensu.ca/courses/mech422/Notes422.pdf}  [13] Nygård, T. Aglen, I. ”Pipe buckling and vortex induced vibration” Master thesis. 2004   

Page 62: Cristina Lindholm - DiVA portal544833/FULLTEXT01.pdf · Cristina Lindholm 1 1 Introduction REINERTSEN AS is a Norwegian main contractor supplying multidiscipline process facilities

Design and development of FEM‐models used in expansion analyses  Master Thesis MMK 2007       Cristina Lindholm 

i

7 Appendix 

7.1 Appendix. Vertical buckling on even seabed 

eff

sub

Nq

C = , EI

Nk eff=  

2

21cos)( CxkxBAxw −+=  

CxkxBkxw −−=′ sin)(  CkxBkxw −−=′′ cos)( 2  

kxBkxw sin)( 3=′′′  Boundary condition 1,2)  0)( =Lw , 0)( =′ Lw  

1)  021cos 2 =−+ CLkLBA  

2)  0sin =−− CLkLBk  

 kLk

LCBsin

−= , kLkL

kLCCLA

sincos

21 2 +=  

  22

21

sincos

sincos

21)( x

Nq

kLkx

kL

Nq

kLkL

kL

Nq

LNq

xweff

sub

eff

sub

eff

sub

eff

sub −−+=  

Boundary condition 3)  0)()( =′′= LwEILM  0)cos()( 2 =−−=′′ CkLBkEILwEI  

01sin

cos=−

kLkLkL

,  kLkL =tan   

By using Mathcad function “Given find”  

0 2 4 6 80

2

4

6

8

tan x( )

x

x

Given

tan u( ) u

u 4:=

u Find u( ):=

u 4.493=

0 2 4 6 80

2

4

6

8

tan x( )

x

x

Given

tan u( ) u

u 4:=

u Find u( ):=

u 4.493=

  

effNEIL 5.4=  

Page 63: Cristina Lindholm - DiVA portal544833/FULLTEXT01.pdf · Cristina Lindholm 1 1 Introduction REINERTSEN AS is a Norwegian main contractor supplying multidiscipline process facilities

Design and development of FEM‐models used in expansion analyses  Master Thesis MMK 2007       Cristina Lindholm 

ii

  ⎟⎟

⎜⎜

⎛−

⎟⎟

⎜⎜

⎛⋅+=

2cos6.41.11)(

2xxEI

NNEI

NEI

Nq

xw eff

effeffeff

sub  

 Maximum deflection at  0=x  

verteff

sub

effeffeff

sub

NEIq

NEI

NEI

Nq

w δ==⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+= 27.156.41.11)0(  

The needed axial effective force to initiate vertical buckling is then 

096.3vert

sublifteff

EIqN

δ=  

Page 64: Cristina Lindholm - DiVA portal544833/FULLTEXT01.pdf · Cristina Lindholm 1 1 Introduction REINERTSEN AS is a Norwegian main contractor supplying multidiscipline process facilities

Design and development of FEM‐models used in expansion analyses  Master Thesis MMK 2007       Cristina Lindholm 

iii

7.2 Appendix. Lateral buckling on even seabed  

,2

cossin)(,2

cos)( 232102

2101 x

Nq

kxBkxBxBBxvxNq

kxAAxveff

sub

eff

sub ⋅++++=⋅−+=  

CxkxkAxv −−=′ sin)( 11  CkxkAxv −−=′′ cos)( 2

11  kxkAxv sin)( 3

11 =′′′  CxkxkBkxkBBxv +−+=′ sincos)( 3212  

CkxkBkxkBxv +−−=′′ cossin)( 23

222  

kxkBkxkBxv sincos)( 33

322 +−=′′′  

The five first boundary conditions given by continuity  1‐5)  0)0()(),0()(),0()(),0()( 211211211211 ==′=′′′=′′′′′=′′′ vLvvLvvLvvLv  1)  3

213

1 sin kBkLkA −=  2)  CkBCkLkA +−=−− 2

312

1 cos  3)  kBBCLkLkA 21111 sin +=−−  

4)  02

cos 21110 =⋅−+ LCkLAA  

5)  030 =+ BB  The last three boundary conditions at end,  2L  6‐8)  0)(,0)(,0)( 222222 =′′=′= LvLvLv  

6)  02

cossin 222322210 =⋅++++ LCkLBkLBLBB  

7)  0sincos 223221 =+−+ CLkLkBkLkBB  

8)  0cossin 22

322

2 =+−− CkLkBkLkB  BC 1‐6  This is calculations of the unknown value A0‐B3. They are to be multiplied 

witheff

sub

NEIq ⋅µ 

21 , kLbkLa ==  

)sin(cos)sin2(

21 2

0 baabbaaA+

+−+=  

)sin(sin2

1 babbaA

++−

−=  

)sin(cos)sin2(20 ba

abbaB+

+−+−=  

aB −=1  

)sin(sin)sin2(2 ba

abbaB+

+−=  

)sin(cos)sin2(23 ba

abbaB+

+−−=  

 BC 7‐8   

Page 65: Cristina Lindholm - DiVA portal544833/FULLTEXT01.pdf · Cristina Lindholm 1 1 Introduction REINERTSEN AS is a Norwegian main contractor supplying multidiscipline process facilities

Design and development of FEM‐models used in expansion analyses  Master Thesis MMK 2007       Cristina Lindholm 

iv

0)sin()cos()sin2(cos21 =

++

+−+−bababbab  

0)sin()cos()sin2(

21cos2

)sin(cos)sin(2(2 2 =

++

+−++−−+

+−−bababbaabbb

baabba  

 By using Mathcad function “Given find” 

 Given

1 2 cos b( )⋅− a b− 2 sin b( )⋅+( )cos a b+( )sin a b+( )⋅+ 0

2 a b− 2 sin b( )⋅+( )cos a( )

sin a b+( )⋅− 2 cos b( )⋅− 0.5 b

2⋅− a b⋅+ a b− 2 sin b( )⋅+( )

cos a b+( )sin a b+( )⋅+ 0

a 3:= b 4.2:= start values

a

b⎛⎜⎝⎞⎟⎠

Find a b,( ):= a 2.9182862455= b 4.6327067738=

noggrannhet

1 2 cos b( )⋅− a b− 2 sin b( )⋅+( )cos a b+( )sin a b+( )⋅+ 2.2210661421 10

7−×=

2 a b− 2 sin b( )⋅+( )cos a( )

sin a b+( )⋅− 2 cos b( )⋅− 0.5 b

2⋅− a b⋅+ a b− 2 sin b( )⋅+( )

cos a b+( )sin a b+( )⋅+ 3.2642446524− 10

9−×=

A0 0.5a2

a b− 2 sin b( )⋅+( )cos a( )

sin a b+( )⋅+:=

A1 a b− 2 sin b( )⋅+( )−1

sin a b+( )⋅:=

B0 2− a b− 2 sin b( )⋅+( )cos a( )

sin a b+( )⋅+:=

B1 a−:=

B2 a b− 2 sin b( )⋅+( )sin a( )

sin a b+( )⋅:=

B3 2 a b− 2 sin b( )⋅+( )cos a( )

sin a b+( )⋅−:=

A0 8.0467759623=

A1 3.8850420758=

B0 1.7885786569=

B1 2.9182862455−=

B2 0.860362535−=

B3 1.7885786569−=

a 2.9182862455=

b 4.6327067738=

Given

1 2 cos b( )⋅− a b− 2 sin b( )⋅+( )cos a b+( )sin a b+( )⋅+ 0

2 a b− 2 sin b( )⋅+( )cos a( )

sin a b+( )⋅− 2 cos b( )⋅− 0.5 b

2⋅− a b⋅+ a b− 2 sin b( )⋅+( )

cos a b+( )sin a b+( )⋅+ 0

a 3:= b 4.2:= start values

a

b⎛⎜⎝⎞⎟⎠

Find a b,( ):= a 2.9182862455= b 4.6327067738=

noggrannhet

1 2 cos b( )⋅− a b− 2 sin b( )⋅+( )cos a b+( )sin a b+( )⋅+ 2.2210661421 10

7−×=

2 a b− 2 sin b( )⋅+( )cos a

Given

1 2 cos b( )⋅− a b− 2 sin b( )⋅+( )cos a b+( )sin a b+( )⋅+ 0

2 a b− 2 sin b( )⋅+( )cos a( )

sin a b+( )⋅− 2 cos b( )⋅− 0.5 b

2⋅− a b⋅+ a b− 2 sin b( )⋅+( )

cos a b+( )sin a b+( )⋅+ 0

a 3:= b 4.2:= start values

a

b⎛⎜⎝⎞⎟⎠

Find a b,( ):= a 2.9182862455= b 4.6327067738=

noggrannhet

1 2 cos b( )⋅− a b− 2 sin b( )⋅+( )cos a b+( )sin a b+( )⋅+ 2.2210661421 10

7−×=

2 a b− 2 sin b( )⋅+( )cos a( )

sin a b+( )⋅− 2 cos b( )⋅− 0.5 b

2⋅− a b⋅+ a b− 2 sin b( )⋅+( )

cos a b+( )sin a b+( )⋅+ 3.2642446524− 10

9−×=

A0 0.5a2

a b− 2 sin b( )⋅+( )cos a( )

sin a b+( )⋅+:=

A1 a b− 2 sin b( )⋅+( )−1

sin a b+( )⋅:=

B0 2− a b− 2 sin b( )⋅+( )cos a( )

sin a b+( )⋅+:=

B1 a−:=

B2 a b− 2 sin b( )⋅+( )sin a( )

sin a b+( )⋅:=

B3 2 a b− 2 sin b( )⋅+( )cos a( )

sin a b+( )⋅

( )sin a b+( )⋅− 2 cos b( )⋅− 0.5 b

2⋅− a b⋅+ a b− 2 sin b( )⋅+( )

cos a b+( )sin a b+( )⋅+ 3.2642446524− 10

9−×=

A0 0.5a2

a b− 2 sin b( )⋅+( )cos a( )

sin a b+( )⋅+:=

A1 a b− 2 sin b( )⋅+( )−1

sin a b+( )⋅:=

B0 2− a b− 2 sin b( )⋅+( )cos a( )

sin a b+( )⋅+:=

B1 a−:=

B2 a b− 2 sin b( )⋅+( )sin a( )

sin a b+( )⋅:=

B3 2 a b− 2 sin b( )⋅+( )cos a( )

sin a b+( )⋅−:=

A0 8.0467759623=

A1 3.8850420758=

B0 1.7885786569=

B1 2.9182862455−=

B2 0.860362535−=

B3 1.7885786569−=

a 2.9182862455=

b 4.6327067738=  

( )21 5.0cos885.2047.8)( xkx

NEIq

xveff

sub −+⋅

 

( )22 5.0cos789.1sin86.0918.2789.1)( xkxkxx

NEIq

xveff

sub +−−−⋅

 

Page 66: Cristina Lindholm - DiVA portal544833/FULLTEXT01.pdf · Cristina Lindholm 1 1 Introduction REINERTSEN AS is a Norwegian main contractor supplying multidiscipline process facilities

Design and development of FEM‐models used in expansion analyses  Master Thesis MMK 2007       Cristina Lindholm 

v

 

ufeedin1 A12 a

2⋅⎛⎜⎝⎞⎟⎠

A12 sin 2 a⋅( )

4⋅⎛⎜⎝

⎞⎟⎠− 2 A1⋅ sin a( ) a cos a( )⋅−( )⋅+ a

3

3

⎛⎜⎝

⎞⎟⎠

+:=

ufeedin2 B12

b a−( )⋅ B22 sin 2 b⋅( )

4⎛⎜⎝

⎞⎟⎠b2⎛⎜⎝⎞⎟⎠

− sin 2 a⋅( )4

⎛⎜⎝⎞⎟⎠

− a2⎛⎜⎝⎞⎟⎠

+⎡⎢⎣⎤⎥⎦

⋅+ B32 sin 2 b⋅( )

4− b

2+ sin 2 a⋅( )

4+ a

2⎛⎜⎝⎞⎟⎠

−⎡⎢⎣⎤⎥⎦

⋅+

b3

3

⎛⎜⎝

⎞⎟⎠

a3

3

⎛⎜⎝

⎞⎟⎠

−⎡⎢⎣

⎤⎥⎦

+

2 B1⋅ B2⋅ sin b( ) sin a( )−( )⋅+ 2 B1⋅ B3⋅ cos b( ) cos a( )−( )⋅+ B1 b2

a2

−( )⋅+ B2 B3⋅ sin b( )2

sin a( )2

−( )⋅−

2 B2⋅ cos b( ) b sin b( )⋅+ cos a( )− a sin a( )⋅−( )⋅+ 2 B3⋅ sin b( ) b sin b( )⋅− sin a( )− a sin a( )⋅+( )⋅−

:=

ufeedin1 55.7708928572= ufeedin2 27.192590769= ufeedin ufeedin1 ufeedin2+:=

dlat A0 A1+:=dlat 11.9318180381= som funktion av neff

Neff dlat:=Neff 3.4542463777=

Mlat A1− 1−( )−:=Mlat 4.8850420758= som funktion av neff

MlatdMlatNeff

:=Mlatd 1.4142135626= som funktion av deltalat

deltalatudlat

ufeedin

4

7

:= ufeedin 82.9634836262=

deltalatu 0.9554319851= som funktion av feedin

Mlatu Mlatd deltalatu⋅:= Mlatu 1.3823400344= som funktion av feedin

uallow1

Mlatu

7

2

:= uallow 0.321994089= som funktion av Mallow

...

...++

ufeedin1 A12 a

2⋅⎛⎜⎝⎞⎟⎠

A12 sin 2 a⋅( )

4⋅⎛⎜⎝

⎞⎟⎠− 2 A1⋅ sin a( ) a cos a( )⋅−( )⋅+ a

3

3

⎛⎜⎝

⎞⎟⎠

+:=

ufeedin2 B12

b a−( )⋅ B22 sin 2 b⋅( )

4⎛⎜⎝

⎞⎟⎠b2⎛⎜⎝⎞⎟⎠

− sin 2 a⋅( )4

⎛⎜⎝⎞⎟⎠

− a2⎛⎜⎝⎞⎟⎠

+⎡⎢⎣⎤⎥⎦

⋅+ B32 sin 2 b⋅( )

4− b

2+ sin 2 a⋅( )

4+ a

2⎛⎜⎝⎞⎟⎠

−⎡⎢⎣⎤⎥⎦

⋅+

b3

3

⎛⎜⎝

⎞⎟⎠

a3

3

⎛⎜⎝

⎞⎟⎠

−⎡⎢⎣

⎤⎥⎦

+

2 B1⋅ B2⋅ sin b( ) sin a( )−( )⋅+ 2 B1⋅ B3⋅ cos b( ) cos a( )−( )⋅+ B1 b2

a2

−( )⋅+ B2 B3⋅ sin b( )2

sin a( )2

−( )⋅−

2 B2⋅ cos b( ) b sin b( )⋅+ cos a( )− a sin a( )⋅−( )⋅+ 2 B3⋅ sin b( ) b sin b( )⋅− sin a( )− a sin a( )⋅+( )⋅−

:=

ufeedin1 55.7708928572= ufeedin2 27.192590769= ufeedin ufeedin1 ufeedin2+:=

dlat A0 A1+:=dlat 11.9318180381= som funktion av neff

Neff dlat:=Neff 3.4542463777=

Mlat A1− 1−( )−:=Mlat 4.8850420758= som funktion av neff

MlatdMlatNeff

:=Mlatd 1.4142135626= som funktion av deltalat

deltalatudlat

ufeedin

4

7

:= ufeedin 82.9634836262=

deltalatu 0.9554319851= som funktion av feedin

Mlatu Mlatd deltalatu⋅:= Mlatu 1.3823400344= som funktion av feedin

uallow1

Mlatu

7

2

:= uallow 0.321994089= som funktion av Mallow

...

...++

  

 )0(1vlat =δ  

)( 0lat

lateff fN δ=  

Page 67: Cristina Lindholm - DiVA portal544833/FULLTEXT01.pdf · Cristina Lindholm 1 1 Introduction REINERTSEN AS is a Norwegian main contractor supplying multidiscipline process facilities

Design and development of FEM‐models used in expansion analyses  Master Thesis MMK 2007       Cristina Lindholm 

vi

7.3 Appendix. Combined buckling 

96.3,0 == bEIq

bNvert

sublifteff δ

 

45.3,0

*

== aEIq

aNlat

sublateff δ

µ 

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−= lift

eff

effsubsub N

Nqq 1*   

When the needed force to initiate lateral sliding is reached  lateffeff NN =  

lifteff

lifteff

sub

sub

NN

qq

−= 1*

 

sub

sub

lat

vert

vert

sub

lat

sub

lifteff

lateff

qq

ba

EIqb

EIqa

NN *

0

0

0

0

*

δµδ

δ

δµ

==  

{

01 0

02

0

02

2

0

022

=⎟⎠⎞

⎜⎝⎛−⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛⋅+

⎟⎟⎟⎟

⎜⎜⎜⎜

⇒⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛=⎟

⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

lat

vert

k

lat

vertlifteff

lifteff

x

lifteff

lateff

lifteff

lifteff

lat

vertlifteff

lateff

ba

ba

NN

NN

NN

ba

NN

δµδ

δµδ

δµδ

43421

 

⇒⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+±=⇒=−⋅+

>44 344 21

0

2 141

210

kkxkkxx  

⎟⎟

⎜⎜

⎛⎟⎠⎞

⎜⎝⎛++−⋅⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛⋅⋅= 0

022

0

0

41

21

vert

lat

lat

vertlifteff

lateff a

bbaNN

µδδ

δδ

µ  

Page 68: Cristina Lindholm - DiVA portal544833/FULLTEXT01.pdf · Cristina Lindholm 1 1 Introduction REINERTSEN AS is a Norwegian main contractor supplying multidiscipline process facilities

Design and development of FEM‐models used in expansion analyses  Master Thesis MMK 2007       Cristina Lindholm 

vii

7.4 Appendix. Parameters and variables  Parameter  Value  Unit  Description 

eD   0.9  m  External diameter 

sD   0.8  m  Steel diameter 

iD   0.75  M  Internal diameter 

steelE   207  GN/m  Young’s modulus 

υ   0.3    Poisson’s ratio alfa  12  10‐6/°C  Heat coefficient  

wρ dens  1027  kg/m3  Density water 

cρ   2000  kg/m3  Density concrete 

sρ   7850  kg/m3  Density steel 

gρ   300  kg/m3  Density gas 

ip   30  MPa  Internal pressure in operation 

ep   3.7  MPa  External pressure 

T∆   95  °C  Temperature rise        

The variables 0vertδ   1,2,3  m  Trigger‐berm height µ   0.4, 0.6, 0.8, 1    Friction coeff 

Values used for PIPE20 in ANSYS Slot  0.02  m  Maximum allowable elastic slip, 

mobilisation length Fnk soil  1200  kN/m/m  Normal stiffness/meter (for soil) Fnk trigger  1800  kN/m/m  Normal stiffness/meter (for trigger) 

layeffN   245  kN  Residual lay tension 

Trigger length  0.25  m  Length of trigger Pipe length  1000 (vertical) 

500    (lateral) m  Length of pipeline 

 

Page 69: Cristina Lindholm - DiVA portal544833/FULLTEXT01.pdf · Cristina Lindholm 1 1 Introduction REINERTSEN AS is a Norwegian main contractor supplying multidiscipline process facilities

Design and development of FEM‐models used in expansion analyses  Master Thesis MMK 2007       Cristina Lindholm 

viii

7.5 Appendix. ANSYS input files for elastic PIPE20 The  input  files used  in ANSYS  are  almost  the  same  for  the  cases  examined  in  chapter  3. Therefore the parts that are similar are only given once. 

 Input parameters and the modelling of the pipeline are similar 

 !----PREPROCESSOR------------------------------------------------------------- /prep7 /nopr !----PARAMETERS--------------------------------------------------------------- !-----pipeline parameters od= 0.8 ![m] outer diameter of pipe(steel) wt= 0.025 ![m] thickness of pipe(steel) length= 1000 ![m] length of entire pipeline overbed=4 ![m] pipe is initially 4 meter over the seabed !-----Steel parameters Es= 207e9 ![N/m2] Youngs modulus ny= 0.3 ![] poisson denss= 7850 ![kg/m3]density alfas= 12e-6 ![/*C] thermal !----link parameters lengthlink= 10 ![m] the linknodes is lengthlink long distancelinks= 5 !distance between pipenodes with links downlength=overbed ![m] the length the links will be downloaded !-----seabed parameters width= 10 ![m] +-y-value of seabed mulat= 0.6 ![-] lateral friction coefficient fknpm= -1200e3 ![N/m/m] vertical soil stiffness/meter slto= -0.02 ![m] allowable elastic slip, mob-length fknpmt= -1800e3 ![N/m/m] trigger stiffness triggheight= 1 ![m] height of trigger trigglength= 0.25 ![m] length of trigger weststart= -1 !start x value of seabed eastend= length+1 !end x value of sebed triggwest= (length/2)-trigglength/2 !start x value of triggerberm triggeast= (length/2)+trigglength/2 !end x value of triggerberm !----load parameters Nlay= 245e3 ![N] residual lay tension extpress= 3.7e6 ![Pa] external pressure intpress= 30e6 ![Pa] delta_pi temperature= 95 ![*C] delta_temp grav= 9.81 ![m/s2]

Page 70: Cristina Lindholm - DiVA portal544833/FULLTEXT01.pdf · Cristina Lindholm 1 1 Introduction REINERTSEN AS is a Norwegian main contractor supplying multidiscipline process facilities

Design and development of FEM‐models used in expansion analyses  Master Thesis MMK 2007       Cristina Lindholm 

ix

densg= 300 ![kg/m3] density of gas densc= 2000 ![kg/m3] density of concrete densw= 1027 ![kg/m3] density of water Ag= 0.44178647 ![m2] internal area As= 0.06086836 ![m2] steel area Ac= 0.13351769 ![m2] area of concrete Ae= 0.63617251 ![m2] external area gasweight=densg*Ag*grav ![N/m] weight of gas steweight=denss*As*grav ![N/m] weight of steel conweight=densc*Ac*grav ![N/m] weight of concrete watweight=densw*Ae*grav ![N/m] buoyancy subweight=gasweight+steweight+conweight-watweight

!-----CREATING PIPE------------------------------------------ !-----pipeline elementtype, real constants and materialproperty- et,1,PIPE20 keyopt,1,6,1 r,1,od,wt mp,ex,1,Es mp,prxy,1,ny mp,dens,1,denss mp,alpx,1,alfas !-----nodes and elements in pipeline- nodp1= 1 !first nodenumber in pipe nodpn= 199 !last nodenumber in pipe (odd) nelemp= nodpn-1 !number of elements in pipe midnode=(nodpn+1)/2 elength=length/nelemp !lenght of an element n,nodp1,0,0,overbed !position of first pipenode n,nodpn,length,0,overbed !position of last pipenode fill,nodp1,nodpn !fill a row of nodes between first and…

!last pipenode numstr,elem,1 !element numbering from 1 e,1,2 !create a pipeelement between…

!node 1 and node 2 *repeat,nelemp,1,1 !create element between laststart+1…

!node,laststop+1 node. Number of… !in pipe elements times

nsel,all nsel,s,node, ,1,nodpn !select the pipenodes cm,pipenodes,node !make the pipenodes named pipenodes nsel,all nsel,s,node, ,2,nodpn-1 !select the midpipenodes cm,pipemidnodes,node !name the midpipenodes pipemidnodes

Page 71: Cristina Lindholm - DiVA portal544833/FULLTEXT01.pdf · Cristina Lindholm 1 1 Introduction REINERTSEN AS is a Norwegian main contractor supplying multidiscipline process facilities

Design and development of FEM‐models used in expansion analyses  Master Thesis MMK 2007       Cristina Lindholm 

x

nsel,all esel,all esel,s,type, ,1 !select the pipe elements by type cm,pipeelem,elem !name pipeelement pipeelem esel,all !-----linkelement, real constants and materialproperty- et,2,LINK10 keyopt,2,2,0 !keypot(2)=0 tension-only the link…

!work as a wire r,2,0.01 !the links area mp,ex,2,2e11 !and the young modulus k=EA=high type,2 real,2 mat,2 !-----nodes and elements in links- linki= 201 !start link nodes with n,201 numstr,elem,201 !start element numbering from 201 (top 75 elem) *do,pipei,1,nodpn-1,distancelinks !for

!pipei=1:distancelinks:nodpn-1 *get,xpos,node,pipei,loc,x !get the x-location-position *get,ypos,node,pipei,loc,y !get the y-location-position n,linki,xpos,ypos,(overbed+lengthlink) !create linknode e,linki,pipei !create link element linki=linki+1 *enddo n,linki,length,0,(overbed+lengthlink) !last linknode above last…

!pipenode e,linki,nodpn !create last link element ! z^ ! | ! | . . . . . ('linknodes') ! | | | | | | ! | z z z z z (links) ! | | | | | | ! |=================== (pipeline) ! |------------------->x esel,all esel,s,type, ,2 !select the link elements by type cm,linkelem,elem !name linkelement linkelem esel,all nsel,all

Page 72: Cristina Lindholm - DiVA portal544833/FULLTEXT01.pdf · Cristina Lindholm 1 1 Introduction REINERTSEN AS is a Norwegian main contractor supplying multidiscipline process facilities

Design and development of FEM‐models used in expansion analyses  Master Thesis MMK 2007       Cristina Lindholm 

xi

nsel,s,node, ,201,linki !select the link nodes cm,linknodes,node !name linknodes linknodes nsel,all

 For the cases with a vertical trigger more seabed elements are used 

 !----CREATING SEABED----------------------------------------------------------- !-----seabed elementtypes, real constants and materialproperty- fkn=fknpm*elength ![N/m/'e'] vertical soil stiffness…

!per pipeelement fknt=fknpmt*elength !normal soil stiffness for trigger !----contact et,3,CONTA175 !node to surface contact keyopt,3,2,1 !contact keyopt(2)=1, penalty method keyopt,3,10,5 !contact keyopt(10)=5, fkt is updated at each iteration r,3, , ,fkn !real constant nr 3 is fkn rmodif,3,23,slto !real constant nr 23 is slto mp,mu,3,mulat !material property friction r,4, , ,fknt rmodif,3,23,slto !-----target------ et,4,TARGE170 !3D-surface tshap,quad !target shape 4-node quadrilateral !-----nodes in west seabed- n,301,weststart,-width,0 !first nodenumber 'south' in…

!'west'seabed n,302,triggwest,-width,0 !last nodenumber 'south' in 'west' seabed n,304,weststart,width,0 !first nodenumber 'north' in…

!'west' seabed n,303,triggwest,width,0 !last nodenumber 'north' in 'west' seabed ! 304---------303 ! |west | ! start|=======|===(pipeline) ! | | ! 301---------302 !-----nodes in east seabed- n,311,triggeast,-width,0 !first nodenumber 'south' in…

!'east' seabed n,312,eastend,-width,0 !last nodenumber 'south' in 'east' seabed n,314,triggeast,width,0 !first nodenumber 'north' in…

Page 73: Cristina Lindholm - DiVA portal544833/FULLTEXT01.pdf · Cristina Lindholm 1 1 Introduction REINERTSEN AS is a Norwegian main contractor supplying multidiscipline process facilities

Design and development of FEM‐models used in expansion analyses  Master Thesis MMK 2007       Cristina Lindholm 

xii

!'east' seabed n,313,eastend,width,0 !last nodenumber 'north' in 'east' seabed ! 314---------313 ! |east | ! ==|=======| end(pipeline) ! | | ! 311---------312 !-----nodes in trigger-berm- n,321,triggwest,-width,triggheight !'west' nodenumber 'south'…

! in trigger n,322,triggeast,-width,triggheight !'east' nodenumber 'south'…

!in trigger n,324,triggwest,width,triggheight !'west' nodenumber 'north'…

!in trigger n,323,triggeast,width,triggheight !'east' nodenumber 'north'…

!in trigger ! 324,323 ! ---------- ! |w || e| ! |========|(pipeline) ! | || | ! ---------- ! 321,322 !-----create target element numstr,elem,290 !element numbering from 290 type,4 !element targe170 is used to make up the seabed real,3 !with real constants set 3 e,301,302,303,304 !create three targetelement counterclockwise…

!making them point towards the pipenodes e,311,312,313,314 !normal point towards the pipenodes type,4 ! real,4 !real constant set 4 for trigger e,321,322,323,324 !create trigger esel,all esel,s,type, ,4 !select the targe elements by type cm,targeelem,elem !name targeelement targeelem esel,all !-----create contact element- numstr,elem,301 !element numbering from 301 type,3 !element conta175 is used real,3 !with real constants mat,3 !and material property e,1 !create a contactelement at pipenode 1

Page 74: Cristina Lindholm - DiVA portal544833/FULLTEXT01.pdf · Cristina Lindholm 1 1 Introduction REINERTSEN AS is a Norwegian main contractor supplying multidiscipline process facilities

Design and development of FEM‐models used in expansion analyses  Master Thesis MMK 2007       Cristina Lindholm 

xiii

*repeat,midnode-1,1 !creating all contactelements one for… !each pipenode

type,3 ! real,4 !real constant set 4 for midnode mat,3 ! e,midnode ! type,3 !element conta175 is used real,3 !with real constants mat,3 !and material property e,midnode+1 ! *repeat,midnode-1,1 !

For lateral and no buckling scenarios the seabed is even 

 !----CREATING SEABED----------------------------------------------------------- !-----seabed elementtypes, real constants and materialproperty- fkn=fknpm*elength ![N/m/'e'] vertical soil stiffness per pipeelement !----contact et,3,CONTA175 !node to surface contact keyopt,3,2,1 !contact keyopt(2)=1, penalty method keyopt,3,10,5 !contact keyopt(10)=5, fkt is updated at each iteration r,3, , ,fkn !real constant nr 3 is fkn rmodif,3,23,slto !real constant nr 23 is slto mp,mu,3,mulat !material property friction !-----target et,4,TARGE170 !3D-surface tshap,quad !target shape 4-node quadrilateral !-----nodes in west seabed- n,301,weststart,-width,0 !first nodenumber 'south' in…

!'west' seabed n,302,eastend,-width,0 !last nodenumber 'south' in 'west' seabed n,304,weststart,width,0 !first nodenumber 'north' in…

!'west' seabed n,303,eastend,width,0 !last nodenumber 'north' in 'west' seabed ! 304---------303 ! w| |e ! start|=======|end(pipeline) ! | | ! 301---------302 !-----create target element

Page 75: Cristina Lindholm - DiVA portal544833/FULLTEXT01.pdf · Cristina Lindholm 1 1 Introduction REINERTSEN AS is a Norwegian main contractor supplying multidiscipline process facilities

Design and development of FEM‐models used in expansion analyses  Master Thesis MMK 2007       Cristina Lindholm 

xiv

numstr,elem,290 !element numbering from the 290 type,4 !element targe170 is used to make up the seabed real,3 !with real constants set 2 e,301,302,303,304 !create three targetelement counterclockwise…

!making the point towards the pipenodes !-----create contact element- numstr,elem,301 !element numering from 301 type,3 !element conta175 is used real,3 !with real constants mat,3 !and material property e,1 !create a contactelement at pipenode 1 *repeat,nodpn,1 !creating all contactelements one for…

!each pipenode esel,all esel,s,type, ,4 !select the targe elements by type cm,targeelem,elem !make the targeelement named targeelem esel,all

 The solving is similar from step 1 to 5 for the cases 

!----SOLVING------------------------------------------------------------- /solu antype,static,new !New static analyse solcontrol,on !solution control on nlgeom,on !includes large-deflection effects autots,on !automatic timestepping on nropt,unsym, ,off sstif,off !strength stiffening off cnvtol,f, ,0.01, ,1 !force tolerance cnvtol,u, ,0.05 !displacement tolerance outres,all,all !save all result data for all substeps /nopr !----BOUNDARY CONDITIONS-------------------------------------------------- time,1 !-Pipeline- d,linknodes,all,0 !all linknodes are restrained d,nodp1,ux,0 !the first pipenode cant move axially f,nodpn,fx,Nlay !the last pipenode has a axial force nsubst,1,1,1 solve

Page 76: Cristina Lindholm - DiVA portal544833/FULLTEXT01.pdf · Cristina Lindholm 1 1 Introduction REINERTSEN AS is a Norwegian main contractor supplying multidiscipline process facilities

Design and development of FEM‐models used in expansion analyses  Master Thesis MMK 2007       Cristina Lindholm 

xv

!----TIME/LOAD STEP 2----------------------------------------------------- !-Initial loads- time,2 sfe,pipeelem,5,pres, ,extpress !apply external pressure…

!on pipe f,pipenodes,fz,-(subweight)*elength !submerged weight nsubst,5,10,4 ! solve !----TIME/LOAD STEP 3------------------------------------------------------- !-lower the pipeline down- time,3 d,linknodes,uz,-downlength !lowering the links nsubst,10,15,8, solve !----TIME/LOAD STEP 4------------------------------------------------------- !-lock the pipeline at ends and take away Nlay- time,4 fdele,nodpn,fx !remove force at endnode d,nodp1,all,%_fix% !lock first pipenode d,nodpn,all,%_fix% !lock last pipenode nsubst,1,1,1 ! solve !----TIME/LOAD STEP 5-------------------------------------------------------- !-kill the links- time,5 ekill,linkelem !the link elements arent needed nsubst,1,1,1, ! solve

Step 6 for Vertical buckling on trigger berm 

 !----TIME/LOAD STEP 6-------------------------------------------------------- !-apply constraines for pipe in lateral (y) direction- time,6 d,pipemidnodes,uy,%_fix% !dof-restraines for mid-pipenodes

Page 77: Cristina Lindholm - DiVA portal544833/FULLTEXT01.pdf · Cristina Lindholm 1 1 Introduction REINERTSEN AS is a Norwegian main contractor supplying multidiscipline process facilities

Design and development of FEM‐models used in expansion analyses  Master Thesis MMK 2007       Cristina Lindholm 

xvi

nsubst,1,1,1 !for the vertical-only case solve

Step 6 for Lateral buckling on trigger‐berm 

 !----TIME/LOAD STEP 6-------------------------------------------------------- !-apply constraines for pipe in lateral (y) direction- time,6 f,midnode,fy,100 !lateral push nsubst,5,10,5 ! solve

Step 7‐8 and postprocessor for Vertical and lateral buckling on trigger‐berm 

!----TIME/LOAD STEP 7-------------------------------------------------------- !-internal pressure rise- time,7 sfe,pipeelem,1,pres, ,intpress !apply internal pressure on pipe nsubst,25,100,25 solve !----TIME/LOAD STEP 8-------------------------------------------------------- !-temperature rise- time,8 bf,pipenodes,temp,temperature !bodyforce, temperature on pipenodes nsubst,25,100,25 ! solve !-----POSTPROCESSOR------------------------------------------------------------- /post1 cmsel,s,pipeelem etable,deflect,u,z !deflection etable,Neff,smisc,1 !Neff etable,shearfor,smisc,2 !Shear force etable,moment,smisc,5 !Moment etable,xstress0,ls,1 !axial stress 0* etable,xstres45,ls,5 !axial stress 45* etable,xstres90,ls,9 !axial stress 90* etable,xstre135,ls,13 !axial stress 135* etable,xstre180,ls,17 !axial stress 180* etable,xstre225,ls,21 !axial stress 225*

Page 78: Cristina Lindholm - DiVA portal544833/FULLTEXT01.pdf · Cristina Lindholm 1 1 Introduction REINERTSEN AS is a Norwegian main contractor supplying multidiscipline process facilities

Design and development of FEM‐models used in expansion analyses  Master Thesis MMK 2007       Cristina Lindholm 

xvii

etable,xstre270,ls,25 !axial stress 270* etable,xstre315,ls,29 !axial stress 315* cmsel,all !-----TIME/HISTORY------------------------------------------------------------- /post26 numvar,200 timerange,3 theelement=nelemp/2 !the interesting pipe element thenode=theelement+1 !the equally interesting pipe node nsol,2,thenode,u,z,dVert0 !deflection for highest point esol,3,theelement,thenode,f,x,Neff !and the axial force esol,4,theelement,thenode,m,y,momenty ! esol,5,84,85,f,z,shear75 esol,8,86,87,f,z,shear65 esol,9,88,89,f,z,shear58 /grtyp,2 !xvar,5 !plvar,3 plvar,5,6,3 /axlab,y,- /axlab,x,time /devisep,font,1,menu /devisep,font,3,menu /replot prvar,3,5,6

 Step 6‐9 for Lateral buckling on even seabed. For the “no buckling” scenario tryckbuck=0 

!----TIME/LOAD STEP 6-------------------------------------------------------- !-make it imperfect- time,6 halvbuck=40 elembuck=nint(halvbuck/elength) tryckbuck=1500 ![N/m] kraftbuck=tryckbuck*elength f,midnode-elembuck,fy,kraftbuck, ,midnode+elembuck ! nsubst,10,10,4 !nsubst,1,1,1 solve !----TIME/LOAD STEP 7--------------------------------------- !-remove lateral force and add internal pressure- time,7

Page 79: Cristina Lindholm - DiVA portal544833/FULLTEXT01.pdf · Cristina Lindholm 1 1 Introduction REINERTSEN AS is a Norwegian main contractor supplying multidiscipline process facilities

Design and development of FEM‐models used in expansion analyses  Master Thesis MMK 2007       Cristina Lindholm 

xviii

sfe,pipeelem,1,pres, ,intpress !apply internal pressure…

!on pipe f,midnode-elembuck,fy,0, ,midnode+elembuck !remove preforce nsubst,10,100,8 ! solve !----TIME/LOAD STEP 8-------------------------------------------------------- !-temperature rise- time,8 sfe,pipeelem,1,pres, ,intpress !apply internal pressure on pipe bf,pipenodes,temp,temperature !apply temp on pipe nsubst,20,100,20 ! solve !-----POSTPROCESSOR-------------------------------------------- /post1 cmsel,s,pipeelem etable,deflect,u,y !deflection etable,Neff,smisc,1 !Neff etable,shearfor,smisc,2 !Shear force etable,moment,smisc,5 !Moment etable,xstress0,ls,1 !axial stress 0* etable,xstres45,ls,5 !axial stress 45* etable,xstres90,ls,9 !axial stress 90* etable,xstre135,ls,13 !axial stress 135* etable,xstre180,ls,17 !axial stress 180* etable,xstre225,ls,21 !axial stress 225* etable,xstre270,ls,25 !axial stress 270* etable,xstre315,ls,29 !axial stress 315* etable,hstress0,ls,3 !hoop stree 0* etable,hstre180,ls,19 !hoop stree 180* pretab,xstress0,xstres45,xstres90,xstre135 pretab,xstre180,xstre225,xstre270,xstre315 cmsel,all !-----TIME/HISTORY------------------------------------------------------------- /post26 numvar,200 timerange,4 theelement=midnode-1 !the interesting pipe element

Page 80: Cristina Lindholm - DiVA portal544833/FULLTEXT01.pdf · Cristina Lindholm 1 1 Introduction REINERTSEN AS is a Norwegian main contractor supplying multidiscipline process facilities

Design and development of FEM‐models used in expansion analyses  Master Thesis MMK 2007       Cristina Lindholm 

xix

nsol,2,midnode,u,y,dLat0 !deflection for highest point esol,3,theelement,midnode,f,x,Neff !and the axial force esol,4,theelement,midnode,m,y,Moment !and the axial force /grtyp,2 plvar,2,3 /axlab,y,Neff, dLat /axlab,x,time /devisep,font,1,menu /devisep,font,3,menu /replot prvar,2,3 

Page 81: Cristina Lindholm - DiVA portal544833/FULLTEXT01.pdf · Cristina Lindholm 1 1 Introduction REINERTSEN AS is a Norwegian main contractor supplying multidiscipline process facilities

Design and development of FEM‐models used in expansion analyses  Master Thesis MMK 2007       Cristina Lindholm 

xx

7.6 Appendix. Graphs of vertical and lateral deflection Vertical case. Vertical buckling on two meter trigger 

 Vertical buckling on three meter trigger 

 

Page 82: Cristina Lindholm - DiVA portal544833/FULLTEXT01.pdf · Cristina Lindholm 1 1 Introduction REINERTSEN AS is a Norwegian main contractor supplying multidiscipline process facilities

Design and development of FEM‐models used in expansion analyses  Master Thesis MMK 2007       Cristina Lindholm 

xxi

Moment at one meter 

 Shear force on one meter trigger 

  

Page 83: Cristina Lindholm - DiVA portal544833/FULLTEXT01.pdf · Cristina Lindholm 1 1 Introduction REINERTSEN AS is a Norwegian main contractor supplying multidiscipline process facilities

Design and development of FEM‐models used in expansion analyses  Master Thesis MMK 2007       Cristina Lindholm 

xxii

 Lateral case Deflection and effective axial force.  4.0=µ  

 8.0=µ  

 

Page 84: Cristina Lindholm - DiVA portal544833/FULLTEXT01.pdf · Cristina Lindholm 1 1 Introduction REINERTSEN AS is a Norwegian main contractor supplying multidiscipline process facilities

Design and development of FEM‐models used in expansion analyses  Master Thesis MMK 2007       Cristina Lindholm 

xxiii

0.1=µ  

  

Page 85: Cristina Lindholm - DiVA portal544833/FULLTEXT01.pdf · Cristina Lindholm 1 1 Introduction REINERTSEN AS is a Norwegian main contractor supplying multidiscipline process facilities

Design and development of FEM‐models used in expansion analyses  Master Thesis MMK 2007       Cristina Lindholm 

xxiv

7.7 Appendix. Moments in partly plastic cross‐section. 

partplastic

y

partelastic

y drtdrta

rdAM ϕϕσϕϕσ

ϕϕσπ

ϕ

ϕπ

)sin(4)(sin4)sin()( 22/

23

0

2

00

0

⋅+⋅=⋅⋅= ∫∫∫  

Elastic part )sin( 0ϕra =  

∫∫∫ −==⋅000

00

2

0

2

0

2

0

23

0 2)2cos(

21

)sin(4

sin)sin(

4)sin()(sin4

ϕϕϕ ϕϕ

σϕϕ

ϕσ

ϕϕϕσ

trd

trdrt yy

y  

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡ −

4)2sin(

2)sin(4 00

0

2 ϕϕϕ

σ try  

 Plastic part 

)cos(4)sin(4 022

2/

0

ϕσϕϕσπ

ϕ

rtdrt yy ⋅=⋅∫  

And together 

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡+−⋅=⋅+⎥⎦

⎤⎢⎣⎡ −= )cos(

)sin(4)cos()sin(2

)sin(24)cos(4

4)2sin(

2)sin(4

00

00

0

020

200

0

2

ϕϕ

ϕϕϕ

ϕσϕσ

ϕϕϕ

σrtrt

trM yy

y

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡+⋅=⎥

⎤⎢⎣

⎡+−⋅

1)cos(

)sin(2)cos(

2)cos(

)sin(24 0

0

020

0

0

02 ϕϕ

ϕσϕ

ϕϕ

ϕσ rtrt yy  

Page 86: Cristina Lindholm - DiVA portal544833/FULLTEXT01.pdf · Cristina Lindholm 1 1 Introduction REINERTSEN AS is a Norwegian main contractor supplying multidiscipline process facilities

Design and development of FEM‐models used in expansion analyses  Master Thesis MMK 2007       Cristina Lindholm 

xxv

7.8 Appendix. Input files for short beam in ANSYS and PAS ANSYS input file 

 /clear /filname,plastichinge,on !----PREPROCESSOR----------------------------------------- /prep7 /nopr !----PARAMETERS------------------------------------------------- !-----pipeline parameters od= 0.8 ![m] outer diameter of pipe (steel) wt= 0.025 ![m] thickness of pipe (steel) length= 2 ![m] length of entire pipeline !-----Steel parameters Es= 207e9 ![N/m2] Youngs modulus ny= 0.3 ![] poisson denss= 7850 ![kg/m3]density alfas= 12e-6 ![/*C] thermal smys= 448e6 ![N/m] yield stress epsys= smys/Es sist= 450e6 !bilinear epsist= 1000e-3 !bilinear krok=0.018 !helt elast krok<0.01117rad /title, pipe utsatt for krokning %krok% rad !-----CREATING PIPE----------------------------------- !-----pipeline elementtype, real constants and materialproperty- et,1,PIPE20 r,1,od,wt mp,ex,1,Es mp,prxy,1,ny mp,dens,1,denss mp,alpx,1,alfas tb,kinh,1,1,2 !kinematic hardening with 2 points…

!one temp tbtemp,0.0 tbpt, ,epsys,smys !first point tbpt, ,epsist,sist !second point !-----nodes and elements in pipeline- nodp1= 1 !first nodenumber in pipe nodpn= 2 !last nodenumber in pipe nelemp= nodpn-1 !number of elements in pipe n,nodp1,0,0,0 !position of first pipenode

Page 87: Cristina Lindholm - DiVA portal544833/FULLTEXT01.pdf · Cristina Lindholm 1 1 Introduction REINERTSEN AS is a Norwegian main contractor supplying multidiscipline process facilities

Design and development of FEM‐models used in expansion analyses  Master Thesis MMK 2007       Cristina Lindholm 

xxvi

n,nodpn,length,0,0 !position of last pipenode e,nodp1,nodpn !create a pipeelement between…

!node 1 and node 2 !----SOLVING------------------------------------------------------------- /solu antype,static,new !New static analyse solcontrol,on !solution control on nlgeom,on !includes large-deflection effects autots,on !automatic timestepping on cnvtol,f, ,0.01, ,1 !force tolerance cnvtol,u, ,0.05 !displacement tolerance nropt,unsym, ,off pred,off sstif,off outres,all,all time,1 d,nodp1,all,0 nsubst,1,1,1 solve time,2 d,nodpn,rotz,-krok nsubst,15,100,15 solve

 Input files for PAS 

 File 1 

 EMPTY pasep Study of plastic behaviour 21 integrationspoints on half cross section deflection 0.011 START 1 3 2 1 2 3 3 0 0 1 5 1 2 15 1 100 0 100 0 1 1 0 0.0001 2 21 1 ONE 1 INITIAL X-COORDINATES 1 0 2 2 1 0 2 0 BOTTOM DATA MATERIAL 1027.0 1.2E-5 0.3 2.1643E-3 448.0

Page 88: Cristina Lindholm - DiVA portal544833/FULLTEXT01.pdf · Cristina Lindholm 1 1 Introduction REINERTSEN AS is a Norwegian main contractor supplying multidiscipline process facilities

Design and development of FEM‐models used in expansion analyses  Master Thesis MMK 2007       Cristina Lindholm 

xxvii

15.000E-3 449.0 CROSS-SECT DATA 1 0.75000 0.0250 1 0.37500 0.0000 1 0.75000 7850.0 LOAD DATA 1 27.75 10.0 250E3 CONCENTRATED LOADS HISTORIES 1 0.0 0.0 0.00 0.0 0.0 0.0 15 0.0 0.0 0.00 0.0 0.0 1.0 BOUNDARY COND 1 1 1 2 1 3 POINT SPRINGS PRESCRIBED DEFLECTIONS 2 3 0.011 SPRING STIFFNESS -1000.0 5000000.0 0.60 0.90 0.005 1.0 100.0 5.0 0.0 0.0 0.005 1.0 100.0 5.0 -100.0 -1.0E7 0.00 0.00 10.0 0.0 PRINT DATA 15 1 3 ONE 1

 File 2 

 0.0 -100 3.0 -100

Page 89: Cristina Lindholm - DiVA portal544833/FULLTEXT01.pdf · Cristina Lindholm 1 1 Introduction REINERTSEN AS is a Norwegian main contractor supplying multidiscipline process facilities

Design and development of FEM‐models used in expansion analyses  Master Thesis MMK 2007       Cristina Lindholm 

xxviii

7.9 Appendix. Matlab input file for study of integration points clc; clear all; close all; De=0.8; Di=0.75; E=207e9; I=pi/64*(De^4-Di^4); EI=E*I; t=(De-Di)/2; Dm=De-t; r=Dm/2; sigy=448e6; L=2; wp=0.03; a=(sigy*L)/(E*wp); fi=asin(a/r); moment=[]; intpunkt=[]; for ip=5:1:50 iphel=(ip-2)*2+2; dfi=2*pi/iphel; elast=[]; plasti=[]; for i=0:dfi:(2*pi-dfi) if abs(sin(i))<=abs(sin(fi)) %elast elast=[elast;abs((sin(i)^2)/sin(fi))]; else plasti=[plasti;abs(sin(i))]; %plast end end M=dfi*r^2*t*sigy*(sum(elast)+sum(plasti)); moment=[moment;M]; intpunkt=[intpunkt;ip]; end Manal=(2*r)^2*sigy*t*((fi/(2*sin(fi)))+(cos(fi)/2)); Maxm=max(moment); Minm=min(moment); Uskillnad=max(moment)-Manal; Nskillnad=Manal-min(moment); elastpro=a/r; Manal=Manal*ones(length(intpunkt)); figure(1) plot(intpunkt,moment,intpunkt,moment,'*',intpunkt,Manal) ylabel('Moment') xlabel('No. of integration points') title([num2str(wp),' rad rotation'])

Page 90: Cristina Lindholm - DiVA portal544833/FULLTEXT01.pdf · Cristina Lindholm 1 1 Introduction REINERTSEN AS is a Norwegian main contractor supplying multidiscipline process facilities

Design and development of FEM‐models used in expansion analyses  Master Thesis MMK 2007       Cristina Lindholm 

xxix

elastdel=[]; procent=[]; rot=[]; for wprim=0.011:0.001:0.04 elastdel=[elastdel;(sigy*L)/(E*wprim)]; procent=[procent;elastdel/r;]; rot=[rot;wprim]; end R=r*ones(length(rot)); figure(2) plot(rot,elastdel,rot,elastdel,'*',rot,R) ylabel('elastisk del (0-r m)') xlabel('rotation rad')  

7.10 Appendix. Input file for beam‐shell assembly. MPC‐BEAM4 Full input file for mpc‐beam4 shell‐beam assembly. 

 /clear /filname,95*C vertical buckling penalty,on !----PREPROCESSOR------------------------------------------------------------- /prep7 !----PARAMETERS--------------------------------------------------------------- !-----pipeline parameters od= 0.8 ![m] outer diameter of pipe (steel) wt= 0.025 ![m] thickness of pipe (steel) length= 500 ![m] length of entire pipeline overbed=4 ![m] pipe is initially 4 meter over the seabed !-----Steel parameters Es= 207e9 ![N/m2] Youngs modulus ny= 0.3 ![] poisson denss= 7850 ![kg/m3] density alfas= 12e-6 ![/*C] thermal smys= 448e6 ![N/m] yield stress epsys= smys/Es ![] yield strain sist= 449e6 ![N/m] bilinear stressstrain epsist= 25e-3 !-----Shell parameters shele= 40 ![m] about length of shellpart sides= 16 ![-] number of sides on shellpipe (/4!) ra=(od-wt)/2 ![m] radi smyss= 448e6 ![N/m] yield stress for shell

Page 91: Cristina Lindholm - DiVA portal544833/FULLTEXT01.pdf · Cristina Lindholm 1 1 Introduction REINERTSEN AS is a Norwegian main contractor supplying multidiscipline process facilities

Design and development of FEM‐models used in expansion analyses  Master Thesis MMK 2007       Cristina Lindholm 

xxx

epsyss= smys/Es ![] yield strain for shell sists= 459e6 ![N/m] bilinear stressstrain epsists=24.7e-3 !shell !----link parameters lengthlink= 10 ![m] the linknodes is lengthlink long distancelinks= 3 !distance between pipenodes with links downlength=overbed ![m] the length the links will be downloaded !-----seabed parameters width= 20 ![m] +-y-value of seabed mulat= 0.6 ![-] lateral friction coefficient fknpm= -1200e3 ![N/m/m] vertical soil stiffness…

!per meter slto= -0.02 ![m] allowable elastic slip, mob-length fknpmt= -3100e3 ![N/m/m] trigger stiffness. (high!) triggheight= 1 ![m] height of trigger trigglength= 2 ![m] length of trigger weststart= -1 !start x value of seabed eastend= length+1 !end x value of sebed triggwest= (length/2)-trigglength/2 !start x value of triggerberm triggeast= (length/2)+trigglength/2 !end x value of triggerberm !----load parameters Nlay= 245e3 ![N] residual lay tension extpress= 3.7e6 ![Pa] external pressure intpress= 30e6 ![Pa] delta_pi temperature= 95 ![*C] delta_temp grav= 1!9.81 ![m/s2] densg= 300 ![kg/m3]density of gas densc= 2000 ![kg/m3]density of concrete densw= 1027 ![kg/m3]density of water Ag= 0.44178647 ![m2] internal area As= 0.06086836 ![m2] steel area Ac= 0.13351769 ![m2] area of concrete Ae= 0.63617251 ![m2] external area gasweight=densg*Ag ![kg/m] weight of gas steweight=denss*As ![kg/m] weight of steel conweight=densc*Ac ![kg/m] weight of concrete watweight=densw*Ae ![kg/m] bouyancy subweight=gasweight+steweight+conweight-watweight densfix=subweight/As !fixed density /title, Pipes %length% m and shells %shele% m with %temperature% *C !-----CREATING PIPE---------------------------------------------- !-----pipeline elementtype, real constants and materialproperty-

Page 92: Cristina Lindholm - DiVA portal544833/FULLTEXT01.pdf · Cristina Lindholm 1 1 Introduction REINERTSEN AS is a Norwegian main contractor supplying multidiscipline process facilities

Design and development of FEM‐models used in expansion analyses  Master Thesis MMK 2007       Cristina Lindholm 

xxxi

!-----beampart--------------------------------------------------- et,1,PIPE20 r,1,od,wt mp,ex,1,Es mp,prxy,1,ny mp,dens,1,densfix mp,alpx,1,alfas tb,kinh,1,1,2 !kinematic hardening with 2 points tbtemp,0.0 !temp 0.0 tbpt, ,epsys,smys !first point tbpt, ,epsist,sist !second point !-----nodes and elements in pipeline- nodp1= 1 !first nodenumber in pipe nodpn= 301 !last nodenumber in pipe (odd) nelemp= nodpn-1 !number of elements in pipe midnode=(nodpn+1)/2 !nodenumber at midnode elength=length/nelemp !lenght of an element n,nodp1,0,0,0 !position of first pipenode n,nodpn,length,0,0 !position of last pipenode fill,nodp1,nodpn !fill a row of nodes between first…

!and last pipenode numstr,elem,1 !element numbering from 1 e,1,2 !create a pipeelement between node 1…

!and node 2 *repeat,nelemp,1,1 !create element between laststart+1…

!node, laststop+1 node. Number of… !elements in pipe times

nsel,all nsel,s,node, ,1,nodpn !select the pipenodes cm,pipenodes,node !name the pipenodes pipenodes esel,all esel,s,type, ,1 !select the pipe elements by type cm,pipeelem,elem !name the pipeelement pipeelem esel,all !-----shellpart----------------------------------------------- et,2,shell181 r,2,wt rmodif,2,6,0 !added mass 0 mp,ex,2,Es mp,prxy,2,ny mp,dens,2,densfix mp,alpx,2,alfas tb,kinh,2,1,2 !kinematic hardening with 2 points

Page 93: Cristina Lindholm - DiVA portal544833/FULLTEXT01.pdf · Cristina Lindholm 1 1 Introduction REINERTSEN AS is a Norwegian main contractor supplying multidiscipline process facilities

Design and development of FEM‐models used in expansion analyses  Master Thesis MMK 2007       Cristina Lindholm 

xxxii

tbtemp,0.0 !temp 0.0 tbpt, ,epsyss,smyss !first point tbpt, ,epsists,sists !second point type,2 $ real,2 $mat,2 !-----nodes and elements in shell l1=length/2-shele/2 !about where shell start l2=length/2+shele/2 !about where shell end pipew=node(l1,0,0) !node nearest l1 pipee=node(l2,0,0) !node nearest l2 startshell=nx(pipew) !where shell start endshell=nx(pipee) !where shell end shele=endshell-startshell !length of shellpart st_el=pipew !start deleting element nr en_el=pipee-1 !end deleting element nr *afun,rad pi=4*atan(1) !make pi be pi nods1=nodpn+1 !first nodenumber in shell nodsr=sides !number of nodes in one shellring dfi=2*pi/nodsr !raddistance between nodes sh_er=ra*dfi !length of element around ring sh_el=sh_er !sh_er~=sh_el nr_el=nint(elength/sh_el) !number of element along element…

!length sh_el=elength/nr_el !length of shell element…

!along pipe element length nodsl=nr_el*(en_el-st_el+1)+1 !number of nodes in shell *do,j,1,nodsr,1 !create first node ring fi=(j-1)*dfi nodnr=j+nodpn n,nodnr,startshell,ra*sin(fi),ra*cos(fi) *enddo xlast=startshell nodendlastring=nodnr *do,element,st_el,en_el,1 !create elements and nodes in shell edele,element !delete pipeelement *do,i,1,nr_el,1 !create so many rings per deleted… !pipeelement xp=i*sh_el+xlast !x-position of nodering i *do,j,1,nodsr,1 !create 16 nodes/ring fi=(j-1)*dfi

Page 94: Cristina Lindholm - DiVA portal544833/FULLTEXT01.pdf · Cristina Lindholm 1 1 Introduction REINERTSEN AS is a Norwegian main contractor supplying multidiscipline process facilities

Design and development of FEM‐models used in expansion analyses  Master Thesis MMK 2007       Cristina Lindholm 

xxxiii

nodnr=j+(i-1)*nodsr+nodendlastring n,nodnr,xp,ra*sin(fi),ra*cos(fi) *enddo *enddo *do,i,1,nr_el,1 !create shell elements *do,j,1,nodsr-1,1 ep2=j+(i-2)*nodsr+nodendlastring ep1=(j+1)+(i-2)*nodsr+nodendlastring ep4=(j+1)+(i-1)*nodsr+nodendlastring ep3=j+(i-1)*nodsr+nodendlastring e,ep1,ep2,ep3,ep4 *enddo ep2=nodsr+(i-2)*nodsr+nodendlastring !last element ep1=1+(i-2)*nodsr+nodendlastring !in ring ep4=1+(i-1)*nodsr+nodendlastring ep3=nodsr+(i-1)*nodsr+nodendlastring e,ep1,ep2,ep3,ep4 *enddo nodendlastring=nodnr xlast=xp *enddo nodsn=nodendlastring nsel,all nsel,s,node, ,nods1+2*nodsr,nods1+2*nodsr ! nsel,a,node, ,nods1+2*nodsr+7,nods1+2*nodsr+7 *do,i,3,132 nsel,a,node, ,nods1+i*nodsr,nods1+i*nodsr nsel,a,node, ,nods1+i*nodsr+7,nods1+i*nodsr+7 *enddo cm,shelltopnodes,node !select all nodes at y=0 (both top and

!bottom and name them shelltopnodes nsel,all !----shellends---------------------------------------------------- et,30,shell181 r,30,wt/3 mp,ex,30,Es mp,prxy,30,ny mp,dens,30,0 mp,alpx,30,alfas type,30 $ real,30 $mat,30 *do,i,nods1,nodsr+nodpn-1,1 e,pipew,i,i+1,i+1 !create shell elements at west end *enddo e,pipew,nodsr+nodpn,nods1,nods1

Page 95: Cristina Lindholm - DiVA portal544833/FULLTEXT01.pdf · Cristina Lindholm 1 1 Introduction REINERTSEN AS is a Norwegian main contractor supplying multidiscipline process facilities

Design and development of FEM‐models used in expansion analyses  Master Thesis MMK 2007       Cristina Lindholm 

xxxiv

e,pipee,nodsn-nodsr+1,nodsn,nodsn *do,i,nodsn-nodsr+1,nodsn-1,1 e,pipee,i+1,i,i !create shell elements at west end *enddo nsel,all nsel,s,node, ,nods1,nodsn !select the shellnodes cm,shellnodes,node !name shellnodes shellnodes nsel,all esel,all esel,s,real, ,2 !select the shell elements by type cm,shellelem,elem !name shellelement shellelem esel,all esel,all esel,s,real, ,30 !select the pipe elements by type cm,shellendelem,elem !name shellendelement shellendelem esel,all !----mpc----------------------------------------------------------------------- et,3,TARGE170 tshap,pilo keyopt,3,4,111111 !target keyopt(4)= all dof r,3 !two real constant set r,4 type,3 $ real,3 e,pipew !create pilot node 1 at west type,3 $ real,4 e,pipee !create pilot node 2 at east et,4,CONTA175 keyopt,4,2,2 !contact keyopt(2)=2, mpc keyopt,4,4,1 !force-distributed surface keyopt,4,12,5 !bonded always type,4 $ real,3 *do,i,nods1,nodsr+nodpn,1 !create contact nodes at west e,i *enddo type,4 $ real,4 *do,i,nodsn-nodsr+1,nodsn,1 ! create contact nodes at east e,i *enddo !-----linkelement, real constants and materialproperty------------- et,5,LINK10 keyopt,5,2,0 !keypot(2)=0 tension-only the link work…

!as a wire r,5,0.01 !the links area

Page 96: Cristina Lindholm - DiVA portal544833/FULLTEXT01.pdf · Cristina Lindholm 1 1 Introduction REINERTSEN AS is a Norwegian main contractor supplying multidiscipline process facilities

Design and development of FEM‐models used in expansion analyses  Master Thesis MMK 2007       Cristina Lindholm 

xxxv

mp,ex,5,2e11 !and the young modulus k=EA=high type,5 $ real,5 $ mat,5 nodl1=nodsn+1 linki=nodl1 *do,pipei,1,pipew-1,distancelinks !for…

!pipei=1:distancelinks:nodpn-1 xpos=nx(pipei) n,linki,xpos,0,lengthlink !create linknode e,linki,pipei !create link element linki=linki+1 *enddo n,linki,startshell,0,lengthlink !last linknode above last pipenode e,linki,pipew linki=linki+1 !----beam4---- -create the conncetion between shell and links-------------------- kvadratsida=0.1 area=kvadratsida**2 Iet=(kvadratsida**3)/12 et,6,beam4 keyopt,6,2,2 r,6,area,Iet,Iet,kvadratsida,kvadratsida mp,ex,6,Es mp,prxy,6,ny mp,dens,6,0 mp,alpx,6,alfas !same distance between the links. The pipeelements were deleted but !the nodes are used here *do,pipei,pipew+1,pipee-1,distancelinks nods1pipei=(pipei-pipew)*nodsr*nr_el+nods1 nodsnpipei=nods1pipei+nodsr-1 type,6 $ real,6 $ mat,6 *do,i,nods1pipei,nodsnpipei,1 !create 16 beams e,pipei,I !for each link *enddo type,5 $ real,5 $ mat,5 xpos=nx(pipei) n,linki,xpos,0,lengthlink !create linknode e,linki,pipei !create link element linki=linki+1 *enddo linki=linki+1 *do,pipei,pipee,nodpn-1,distancelinks !

Page 97: Cristina Lindholm - DiVA portal544833/FULLTEXT01.pdf · Cristina Lindholm 1 1 Introduction REINERTSEN AS is a Norwegian main contractor supplying multidiscipline process facilities

Design and development of FEM‐models used in expansion analyses  Master Thesis MMK 2007       Cristina Lindholm 

xxxvi

xpos=nx(pipei) n,linki,xpos,0,lengthlink !create linknode e,linki,pipei !create link element linki=linki+1 *enddo n,linki,length,0,lengthlink !last linknode above last

!pipenode e,linki,nodpn nodln=linki nsel,all nsel,s,node, ,nodl1,nodln cm,linknodes,node nsel,all esel,all esel,s,type, ,5 !select the linkelements by type cm,linkelem,elem !NAME the linkelement linkelem esel,all esel,all esel,s,type, ,6 !select the beamelements by type cm,beamelem,elem !name the beamelement beamelem esel,all !-----SEABED----------------------------------------- fknp=fknpm*elength ![N/m/'e'] vertical soil stiffness

!per pipeelement fkns=fknpm !vertical soil stiffness for shell fknt=fknpmt !and for “triggershell” !----contact------ et,7,CONTA175 keyopt,7,2,1 !contact keyopt(2)=1, penalty method keyopt,7,10,5 !contact keyopt(10)=5, fkt is updated…

!at each iteration !----seabedcontact pipe20 r,7, , ,fknp !real constant nr 3 is fkn rmodif,7,23,slto !real constant nr 23 is slto mp,mu,7,mulat !material property friction type,7 $ real,7 $ mat,7 e,1 ! *repeat,pipew-1,1 !create contact elements on pipe e,pipee+1 ! *repeat,pipew-1,1 ! !----seabedcontact shell181

Page 98: Cristina Lindholm - DiVA portal544833/FULLTEXT01.pdf · Cristina Lindholm 1 1 Introduction REINERTSEN AS is a Norwegian main contractor supplying multidiscipline process facilities

Design and development of FEM‐models used in expansion analyses  Master Thesis MMK 2007       Cristina Lindholm 

xxxvii

et,8,CONTA173 keyopt,8,2,1 !contact keyopt(2)=1, penalty method keyopt,8,10,5 !contact keyopt(10)=5, fkt is updated…

!at each iteration mp,mu,8,0.4 !friction coeff for shell<my for pipe r,8, , ,fkns rmodif,8,23,slto r,9, , ,fknt !real constant nr 3 is fkn rmodif,9,23,slto !real constant nr 23 is slto type,8 $ real,8 $ mat,8 i=nodsl/2 j=nint(nodsl/2) *if,j,eq,i,then !if the shellrings are even an_elt=nint(trigglength/sh_el) i=an_elt/2 j=nint(an_elt/2) *if,j,eq,i,then an_elt=an_elt-1 *else an_elt=an_elt *endif triggis=nodsl/2-(an_elt-1)/2 !start shellring for trigger triggie=nodsl/2+(an_elt-1)/2 !end shellring for trigger *else !if the shellrings are odd an_elt=nint(trigglength/sh_el) i=an_elt/2 j=nint(an_elt/2) *if,j,eq,i,then an_elt=an_elt *else an_elt=an_elt+1 *endif triggis=(nodsl+1)/2-an_elt/2 triggie=(nodsl+1)/2+an_elt/2 *endif *do,i,1,triggis-1,1 !create contact elements n1=(i-1)*nodsr+nods1 !on westshell nodsrh=n1+(nodsr/2) *do,j,-1,2,1 e1=nodsrh-j+nodsr e2=nodsrh-j+1+nodsr e3=nodsrh-j+1 e4=nodsrh-j e,e1,e2,e3,e4 *enddo *enddo

Page 99: Cristina Lindholm - DiVA portal544833/FULLTEXT01.pdf · Cristina Lindholm 1 1 Introduction REINERTSEN AS is a Norwegian main contractor supplying multidiscipline process facilities

Design and development of FEM‐models used in expansion analyses  Master Thesis MMK 2007       Cristina Lindholm 

xxxviii

*do,i,triggie,nodsl-1,1 !create contact elements n1=(i-1)*nodsr+nods1 !on eastshell nodsrh=n1+(nodsr/2) *do,j,-1,2,1 e1=nodsrh-j+nodsr e2=nodsrh-j+1+nodsr e3=nodsrh-j+1 e4=nodsrh-j e,e1,e2,e3,e4 *enddo *enddo type,8 $ real,9 $ mat,8 *do,i,triggis,triggie-1,1 !create contact elements n1=(i-1)*nodsr+nods1 !on triggershell nodsrh=n1+(nodsr/2) *do,j,-1,2,1 e1=nodsrh-j+nodsr e2=nodsrh-j+1+nodsr e3=nodsrh-j+1 e4=nodsrh-j e,e1,e2,e3,e4 *enddo *enddo !----seabednodes and elem pipe20 et,9,TARGE170 tshap,quad nodb1=nodln+1 nodb2=nodb1+4 nodb3=nodb2+4 n,nodb1,-1,-width,-2 n,nodb1+1,length+1,-width,-2 n,nodb1+2,length+1,width,-2 n,nodb1+3,-1,width,-2 type,9 $ real,7 e,nodb1,nodb1+1,nodb1+2,nodb1+3 !----seabednodes and elem shell181 n,nodb2,startshell-1,-width,-2-ra n,nodb2+1,endshell+1,-width,-2-ra n,nodb2+2,endshell+1,width,-2-ra n,nodb2+3,startshell-1,width,-2-ra n,nodb3,length/2-trigglength/2,-width,-2-ra+triggheight n,nodb3+1,length/2+trigglength/2,-width,-2-ra+triggheight n,nodb3+2,length/2+trigglength/2,width,-2-ra+triggheight n,nodb3+3,length/2-trigglength/2,width,-2-ra+triggheight

Page 100: Cristina Lindholm - DiVA portal544833/FULLTEXT01.pdf · Cristina Lindholm 1 1 Introduction REINERTSEN AS is a Norwegian main contractor supplying multidiscipline process facilities

Design and development of FEM‐models used in expansion analyses  Master Thesis MMK 2007       Cristina Lindholm 

xxxix

type,9 $ real,8 e,nodb2,nodb2+1,nodb2+2,nodb2+3 type,9 $ real,9 e,nodb3,nodb3+1,nodb3+2,nodb3+3 nsel,all nsel,s,node, ,nodb3,nodb3+3 cm,triggnodes,node nsel,all esel,all esel,s,type, ,9 !select the targeelements by type cm,targeelem,elem !name targeelement targeelem esel,all !----SOLVING------------------------------------------------------------- /solu antype,static,new !New static analyse solcontrol,on !solution control on nlgeom,on !includes large-deflection effects autots,on !automatic timestepping on cnvtol,f, ,0.01, ,1 !force tolerance cnvtol,u, ,0.05 !displacement tolerance nropt,unsym, ,off pred,off sstif,off lnsrch,on outres,all,all time,1 !residual tension force d,linknode,all,0 d,nodp1,all,0 d,nodpn,all,0 ddele,nodpn,ux f,nodpn,fx,Nlay nsubst,10,100,10 solve time,2 !external pressure and submerged weight acel, , ,grav !here gravity is set to 1 sfe,pipeelem,5,pres, ,extpress sfe,shellelem,2,pres, ,extpress sfe,shellendelem,2,pres, ,extpress nsubst,10,100,10 solve time,3 !lowering the pipe ddele,nodp1,uz d,nodpn,all,%_fix% ddele,nodpn,uz

Page 101: Cristina Lindholm - DiVA portal544833/FULLTEXT01.pdf · Cristina Lindholm 1 1 Introduction REINERTSEN AS is a Norwegian main contractor supplying multidiscipline process facilities

Design and development of FEM‐models used in expansion analyses  Master Thesis MMK 2007       Cristina Lindholm 

xl

d,linknodes,uz,-2 nsubst,10,100,10 solve time,4 !lock the pipe and kill the “lowering device” fdele,nodpn,fx d,nodp1,all,%_fix% d,nodpn,all,%_fix% ekill,linkelem ekill,beamelem nsubst,1,1,1 solve time,5 !full gravity ddele,nodpn,all grav=9.81 acel, , ,grav nsubst,5,10,5 solve time,6 d,shelltopnodes,uy,%_fix% d,shelltopnodes,rotx,%_fix% d,shelltopnodes,rotz,%_fix% nsubst,1,1,1 solve time,7 !internal pressure d,nodpn,all,%_fix% sfe,pipeelem,1,pres, ,intpress sfe,shellelem,1,pres, ,intpress sfe,shellendelem,1,pres, ,intpress nsubst,10,100,10 solve time,8 !temperture (devided into two step so… !it is small step when snapping bf,pipenodes,temp,15 bf,shellnodes,temp,15 nsubst,30,100,20 solve time,9 !continue temperature rise bf,pipenodes,temp,temperature bf,shellnodes,temp,temperature nsubst,30,100,20 solve !-----POSTPROCESSOR


Recommended