Bølger som beveger seg på sjøen eller havet vil utøve en belastning (bølgelaster) på objekter de treffer. Kunnskapen om bølgelastene er viktige for å kunne dimensjonere blant annet skip, kaier, moloer, vindmøller og offshore konstruksjoner på en sikker måte. Bølgelastene er avhengig av formen på bølgene og utformingen av det objektet som blir truffet.
Lastene fastsettes som en kombinasjon av analyser og modellforsøk. De kan i noen grad verifiseres gjennom målinger på konstruksjoner i sjøen.
Bølgekinematikk Bølgekinematikk beskriver hvordan bølgepartikler eller dråper i en bølge beveger seg. Det gjøres gjerne ved å beskrive et potensial på matematisk form, som en igjen kan avlede bølgetrykk, bølgepartikkel-hastigheter og bølgepartikkel-akselerasjoner fra.
Bølgepartiklene beveger seg på åpent hav i elliptiske baner. De har størst bevegelser i havoverflaten, og avtar så med dypden. For dypt vann er det vanlig å regne med at bølgepartiklene beveger seg i sirkelbaner,
En modell som ofte brukes er lineær bølgeteori. Den gjelder egentlig for uendelig små bølger, men har vist seg praktisk å bruk i forbindelse med flere typer bølgelaster. Ved å anta en inkompressibel og rotasjonsfri væske kan en beregne et sett med formler for hvordan bølgepartikkelbevegelsene avtar med dybden. Bevegelsene er avhengig av tyngdens akselerasjon, vanndypet, bølgehøyden og bølgeperioden.
Dersom en har en beskrevet bølgeoverflate for eksempel fra modellforsøk eller målinger i havet, er det flere måter å beregne bølgekinematikken, der Wheelers metode er den mest brukte.
Det er også ulike måter å kombinere bølgepartikkelhastigheter og strømhastigheter.
Bølgelaster på vertikale sylindre Den første bølgelasten som en kunne fastsette analytisk var for en stor vertikal sylinder som gikk fra bunnen og stakk opp over havflaten. Bølgene vil her strømme rundt sylinderen uten at det dannes virvler - separasjon. Metoden kalles McCamy-Fuchs metode.Mac-Camy R.S. og Fuchs R.A.: Wave forces on piles : a diffration theory, US Army Corps of Engineers, Beach Erosion Board, Tech. Memo, no. 69, Washington, 1954. Den regnes som gyldig dersom bølgelengden er større enn om lag fem ganger diameteren på søylen. Bølgelastene er størst når bølgen treffer konstruksjonen midt mellom bølgetoppen og bølgedalen. Akselerasjonen har da sin største verdi, og en sier at lasten er akselerasjonsstyrt. Bølgelasten er proporsjonal med diameteren på sylinderen, vanndypet, egenvekten på vannet og bølgehøyden, og omvendt proporsjonal med kvadratet av bølgeperioden. I tillegg vil sylinderen påvirke væsken, som gir et samvirke som kalles virtuell masse eller tilleggsmasse.
For mindre sylindre vil en få virveldannelser i bølgene når den treffer sylinderen. Lastbildet blir da usymetrisk og det har vist seg umulig å bestemme lasten analytisk. Den mest benyttede empiriske metoden kalles Morisons formel. Den har et bidrag (kalt masselast) fra akselerasjonen (som i McCamy-Fuchs metode) og et bidrag som er proporsjonalt med kvadratet av bølgehastigheten (kalt draglast). Skaleringskoeffisientene i formelen fastsettes ved modellforsøk. Det er særlig data fra en rekke forsøk utført på Turgut Sarpkaya på 1970-tallet som brukes.Sarpkaya T : In line and transvers forces on smooth and rough cylinders in oscillatory flow and high Reynoldsnumber, Naval Postgraduate School, report NPS69-86-003, 4.7.1986 Draglasten er proporsjonal med diameteren på sylinderen, vanndypet og egenvekten på vannet, omvendt proporsjonal med kvadratet av bølgeperioden, og proporsjonal med kvadratet av bølgehøyden.
Begroing (som rur, blåskjell og tare) på sylinderen reduserer masselasten og øker draglasten.
Strømlaster tas hensyn til ved å legge strømhastigheten til bølgepartikkelhastigheten, før hastigheten kvadreres.
Dersom bølgeperioden samsvar med konstruksjonens egenperiode kan en få resonans, med kraftige forsterkninger.
Bølgelaster på storvolumkonstruksjoner Bølgelaster på store konstruksjoner som skip, sevanplattformer, sparbøyer, kaier, moloer og halvt nedsenkbare plattformer bestemmes oftest ved hjelp av analyser med potensialteori eller ved modellforsøk.
For lange slanke konstruksjoner som skip deles skroget analytisk opp i en rekke vertikale skiver eller striper, der en beregner lasten på hver skive, og summerer opp for alle skivene. Denne metode kalles stripeteori.
For andre typer konstruksjoner brukes panelmetoder eller kilde-sluk-metoder. Væsketrykket beregnes for hver del og summeres opp over alle panelene eller kildene.
For en konstruksjon som beveger seg gjøres analysene typisk i to trinn. Først beregnes lastene som om legemet ble holdt fast - eksitasjonslaster. Så beregnes tilleggslastene ved at en lar legemet bevege seg i bølgeperioden. Lastene uttrykkes som tilleggsmasse eller virtuell masse, samt dempningslaster og fjærlaster. Disse bidragene kan en så normalt summere sammen. Ikke alt lar seg fastsette nøyaktig analytisk, og en må gjøre modellforsøk.
Analysemodeller av halvt nedsenkbare innretninger bygd på potensialteori har begrensinger i ekstreme sjøtilstander, der ikke-lineariteter og draglaster over stillevannsnivået kan dominere. Dette gjelder særlig ved lange bølgeperioder der bidraget fra potensialteorien er lite. Tilstedeværelsen av havstrømmer gjør også analysene vanskeligere.Limin Yang, Erik Falkenberg, Arne Nestegård og Jørn Birknes-Berg: Simplified Models for Analysis of Semi-Submersible in Storm Sea States Compared With Model Tests, OMAE, Trondheim, 2017.
Også for skip vil analyser etter potensialteori undervurdere bølgedriftsbevegelsene i ekstreme sjøtilstander. Årsaken er en sum av flere årsaker som lasteffekter av høyere enn andre ordens potensialteori og viskøse effekter.Nuno Fonseca og Carl Trygve Stansberg: Wave drift forces and low frequency damping of the EXWAVE FPSO, OMAE, Trondheim, 2017.
Virvelinduserte laster Virvelinduserte laster kan oppstå enten i bølgeretningen (såkalt "in-line") eller som tverrsvingninger (såkalt "cross-flow").
Virvelinduserte tverrsvingninger er bevegelser av en konstruksjon som står i en væskestrøm og hvor bevegelsen av konstruksjonen er på tvers av væskestrømmen. Virvelinduserte tverrsvingninger er kompliserte og er fortsatt ikke fullt ut forstått. De er et samvirke der lasten påvirker konstruksjonen og omvendt. Det er også mange faktorer som påvirker svingningene. Det produseres store mengder forskningsrapporter, og vi har fortsatt mange år med forskning igjen.
For en rørkonstruksjon beskrives bevegelsene som en funksjon av redusert hastighet. Redusert hastighet er væskehastigheten dividert med produktet av egenfrekvensen av konstruksjonen og diameteren. Tverrsvingninger oppstår når den reduserte hastigheten overskrider om lag fire. I modellforsøk stanser tverrsvingningen nå den reduserte hastigheten ved om lag 8-10, men i naturlige omgivelser er svingninger observert ved langt høyere verdier. Det er ulike oppfatninger av hvordan hastigheten påvirker tverrsvingningene. Noen har ment at når hastighetene eller Reynoldstallet når et visst nivå blir væskestrømningen så turbulente at en ikke vil få tverrsvingninger. Dette er ikke allment akseptert. I en konstruksjonsanalyse vil en bruke løftkoeffisienter i Morisons formel som funksjon av Reynoldstallet.
Størrelsen på utsvinget vil være avhengig av en rekke faktor som: Dempning av konstruksjonen. Innspenning og svingeformene av konstruksjonen som påvirker egenperiodene. Kjølvannseffekter fra konstruksjoner som står foran den betraktede konstruksjonen i væskeretningen Parallelle konstruksjoner kan kunne føre til at det fremre konstruksjonen laget virvler i egenfrekvensen til det bakre konstruksjonen. I noen tilfeller svinger ikke konstruksjonene som en og en stav, men i egenfrekvensen til en ramme. Rammen kan være mange staver, men også to tilstøtende staver. Det som starter fenomenet er når virvel fra enkelstaver blir avløst i egenperioden til rammen.
Effekter av samvirke mellom bølger Dersom en har to eller flere bølger samtidig, vil de påvirke hverandre på flere måter. Lastene er normalt mindre enn bølgelastene ved bølgeperioden, men opptrer de ved resonans-perioder kan de gi betydelig respons.
Langsomt varierende laster Differansene i bølgefrekvensene mellom enkeltbølgene i en sjøtilstand gir langsomt varierende laster. Samvirke mellom to bølgekomponenter gir en last som virker ved differansen av enkeltbølgenes bølgefrekvenser, og slår derfor inn på konstruksjoner med høye egenperioder som forankrede skip og plattformer. De medfører at skip og plattformer beveger seg sakte fram og tilbake i bølgeretningen. Lastene er normalt proporsjonale med kvadratet av bølgehøyden.
Forutsetningen for analysene (diffraksjonsteori) er at:Patel Minoo H og Joel A Witz: Compliant offshore structures, Oxford, 1991. Tverrsnittet er lite i forhold til bølgelengden. Bølgehøyden er liten i forhold til bølgelengden. En vil da ikke få særlig virveldannelse. Draglastene vil være små og potensialstrømninger beskriver virkeligheten. Det er ett unntak for rullebevegelsene av skip. Bevegelsene av fartøyet er små. Fartøybevegelsene er lineære og harmoniske, og er forårsaket av summen av innkommende lineære sinusbølger med liten amplitude. Vannstrømningen i bølgen er ikke-viskøs og uten rotasjon. Da kan væskebevegelsen beskrives med bidragene fra innkommende bølge, spredning og radiasjon. Analysene gir en rekke numeriske utfordringer.
I sjøtilstander med store bølger (som i bruddgrensetilstandene med hundreårsbølger) vil flere av forutsetningene for analysene ikke alltid kunne tilfredsstilles. En kan få draglaster (viskøse laster) og økt dempning. De viskøs lastene er proporsjonale med bølgehøyden i tredje potens. De største utfordringene er ofte knyttet til å bestemme lasten, effekten av havstømmer og dempningen. Det beste er å gjøre modellforsøk, som en bruker til å skalere nøkkelparametre i analysene.
Springing Springing oppstår fra ikke-lineære, andre ordens bølgelaster og er på et vis analog til bølgedrift. Imidlertid er springing knyttet til summen av bølgefrekvenser mellom bølger. Samvirke mellom to bølgekomponenter gir en last som virker ved summen av enkeltbølgenes bølgefrekvenser. I prinsippet er det en uendelig mengde kombinasjoner av bølger som i sum kan gi en gitt frekvens som svarer til en egenperiode. Springing bidrar i hovedsak til utmattingslaster.
Ringing Ringing oppstår fra høyere ordens bølger og er som springing knyttet til summen av bølgefrekvenser. Samvirke mellom flere bølgekomponenter gir en last som virker ved summen av enkeltbølgenes bølgefrekvenser. Ringing ved regulære bølger opptrer ikke ved egenperioden, men nær egenperioden. For irregulære bølger opptrer ringing ved egenperiodene typisk i hiv, stamping og rulling. Lasten er svært avhengig av formen på bølgene, der høye krappe bølger gir stor last. Ringing er beskrevet å være "transient", og har mer form av impulslaster – plutselig(e) slag på konstruksjonen som dempes ut over noen sykler. Det er likevel ikke noen impulslast siden den bygges opp over noen få sykler. Lasten virker som en slamminglast, men det er ikke noen sjokkbølger forårsaket av luft som i sjokkbølger. Ringing er proporsjonal med bølgehøyden i andre og tredje potens og kontrolleres i bruddgrensetilstanden.
Bølgeslag Analyser av bølgelaster på dekkskonstruksjoner er svært kompliserte og tidkrevende. En prøver som regel å unngå å få bølger i dekket fordi en presis vurdering av eventuelle skader ikke er lett å gjøre.