Η εκμετάλλευση του ανέμου για την παραγωγή ενέργειας βοηθά σημαντικά στην μείωση της χρήσης ορυκτών καυσίμων καθώς και στον περιορισμό των αρνητικών επιπτώσεων που αυτά έχουν στο περιβάλλον. Δεδομένης της ολοένα αυξανόμενης ανάγκης για μετάβαση σε ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, τις τελευταίες δεκαετίες έχει παρατηρηθεί μια ραγδαία αύξηση στην αγορά της αιολικής ενέργειας.

Συγκεκριμένα για την παραγωγή του ηλεκτρισμού, η εκμετάλλευση του ανέμου μπορεί να γίνει με χρήση ανεμογεννητριών οι οποίες εγκαθίστανται σε χερσαίες ή θαλάσσιες τοποθεσίες. Μεταξύ των δύο, οι θαλάσσιες ανεμογεννήτριες μπορούν εν δυνάμει να παράξουν περισσότερη ενέργεια, το οποίο ωφείλεται στο γεγονός ότι οι τοποθεσίες αυτές χαρακτηρίζονται συνήθως από υψηλότερες ταχύτητες ανέμου. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα οι θαλάσσιες ανεμογεννήτριες να θεωρούνται σε γενικές γραμμές πιο αποδοτικές σε σύγκριση με τις χερσαίες. Παρ' όλα αυτά, το αυξημένο κόστος εγκατάστασης και συντήρησης των θαλάσσιων ανεμογεννητριών τις καθιστά λιγότερο δημοφιλής, με αποτέλεσμα να υπάρχουν πολύ λιγότερες θαλασσιες ανεμογεννήτριες σε λειτουργία σήμερα από ότι χερσαίες. Η μείωση λοιπόν του κόστους των θαλάσσιων ανεμογεννητριών τα επόμενα χρόνια θα παίξει καθοριστικό ρόλο στην εκμετάλλευση των υψηλότερης ενέργειας ανέμων που συναντώνται στις τοποθεσίες αυτές.

Ένα σημαντικό μέρος του κόστους μια θαλάσσιας ανεμογεννήτριας προκύπτει από τις αυξημένες απαιτήσεις από άποψη διατομής, ανθεκτικότητας και αντοχής του υλικού των μελών τα οποία απαρτίζουν τον φορέα στήριξής της. Οι απαιτήσεις αυτές διασφαλίζουν ότι το δομικό σύστημα της ανεμογεννήτριας θα μπορέσει να αντισταθεί στους φυσικούς κινδύνους με επαρκή ασφάλεια. Για την αξιολόγηση της απόκρισης μιας κατασκευής σε σχέση με κάποια προκαθορισμένα όρια ασφαλείας, μια πρακτική που χρησιμοποιείται συχνά είναι η μελέτη της τρωτότητάς της. Η πρακτική αυτή χρησιμοποιείται κατά κόρον στην αντισεισμική μηχανική, η ίδια φιλοσοφία όμως μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την αξιολόγηση της ασφαλούς απόκρισης θαλάσσιων ανεμογεννητριών που υπόκεινται σε άλλους φυσικούς κινδύνους όπως διεγέρσεις λόγω κυμάτων.

Τα φορτία τα οποία δρουν σε μία θαλάσσια ανεμογεννήτρια είναι κατα κύριο λόγω φορτία ανέμου, κυμάτων και θαλάσσιων ρευμάτων. Μεταξύ αυτών, τα φορτία κυμάτων είναι συνήθως τα πιο ισχυρά. Τα φορτία αυτά είναι από τη φύση τους τυχαία, αλλά η ποσοτικοποίησή τους γίνεται πολλές φορές με ντετερμινιστικό τρόπο με χρήση της γραμμικής θεωρίας κυμάτων (Airy waves). Με αυτόν τον τρόπο ο σχεδιασμός του φορέα της ανεμογεννήτριας γίνεται με βάση την ικανότητά του να αντισταθεί σε φορτία ακραίων μονοχρωματικών κυματισμών (regular waves) συνυφασμένων με κάποια περίοδο επαναφοράς (πχ. 100 έτη).

Παρ' όλα αυτά, έχει αποδειχθεί ότι η χρήση μη-γραμμικών θεωριών για την μοντελοποίηση των κυμάτων μπορεί να οδηγήσει σε αυξημένα παραγόμενα φορτία, καθώς οι υψηλότερης τάξης μη-γραμμικοί όροι συμβάλλουν σημαντικά στην διαμόρφωσή τους, ιδιαίτερα σε ρηχά νερά όπου οι θαλάσσιες ανεμογεννήτριες είναι συνήθως εγκατεστημένες. Επιπλέον, μια πιο ρεαλιστική περιγραφή των κυματικών φορτίων μπορεί να επιτευχθεί με την μοντελοποίηση τυχαίων κυματισμών (irregular waves). Με αυτόν τον τρόπο οι κυματισμοί αναπαριστώνται στοχαστικά ως άθροισμα πολλών μονοχρωματικών κυματισμών ο καθένας από τους οποίους έχει τυχαίο εύρος και διαφορετική συχνότητα ταλάντωσης. Η συχνότητα ταλάντωσης προκύπτει από ένα κατάλληλο κυματικό φάσμα ενέργειας (wave power spectrum) το οποίο περιγράφει την θαλάσσια κατάσταση που εξετάζεται.

Στην παρούσα εργασία μελετάται η τρωτότητα μια θαλάσσιας ανεμογεννήτριας, πακτωμένης στο έδαφος της θάλασσας, συναρτήσει της έντασης της θαλάσσιας κατάστασης. Στο δομικό σύστημα της ανεμογεννήτριας εφαρμόζονται φόρτια λόγω ανέμου και κυμάτων. Για τον υπολογισμό των φορτίων λήφθηκαν υπόψη οι περιβαλλοντικές συνθήκες που συναντώνται σε μία συγκεκριμένη τοποθεσία στην δυτική ακτή της Γαλλίας με την ονομασία SEM-REV. Ο καθορισμός της χρονοϊστορίας των υδροδυναμικών φορτίων λόγω κυμάτων έγινε με χρήση της εξίσωσης του Morison, ενώ τα κύματα ποσομοιώθηκαν ως τυχαία και μη-γραμμικά, χρησιμοποιώντας το κυματικό φάσμα ενέργειας των Pierson-Moskowitz (PM wave power spectrum) για 40 διαφορετικές θαλάσσιες καταστάσεις.

Ως μέτρο της έντασης κάθε θαλάσσιας κατάστασης χρησιμοποιήθηκε το σημαντικό ύψος κύματος, το οποίο λαμβάνει τιμές από 1 έως 40μ. Οι παραχθείσες καμπύλες τρωτότητας αναφέρονται σε τρεις στάθμες επιτελεστικότητας, οι οποίες προέκυψαν έπειτα από υπερωθητική ανάλυση της ανεμογεννήτριας και ορίστηκαν συναρτήσει της μετατόπισης στην κορυφή της κατασκευής. Η πρώτη στάθμη αντιστοιχεί στο 50% της μετατόπισης για την οποία η κατασκευή διαρρέει, η δεύτερη στάθμη αντιστοιχεί στην διαρροή της κατασκευής και η τρίτη στάθμη στην κατάρρευση. Η πιθανότητα υπέρβασης κάθε στάθμης επιτελεστικότητας εκτιμήθηκε εκτελώντας 200 προσομοιώσεις Μόντε Κάρλο για κάθε θαλάσσια κατάσταση που εξετάστηκε. Η χρονοϊστορία της απόκρισης της κατασκευής για κάθε προσομοίωση αποκτήθηκε εκτελώντας μη γραμμικές δυναμικές αναλύσεις με χρήση του προγράμματος OpenSees, ενώ η ακραία απόκριση χρησιμοποιήθηκε ως κριτήριο υπέρβασης των σταθμών επιτελεστικότητας.