Wave Impact Loads

August 28, 2017 | Author: Thana Anan Boonma | Category: Pier, Liquefied Natural Gas, Waves, Pipe (Fluid Conveyance), Beam (Structure)
Share Embed Donate


Short Description

Download Wave Impact Loads...

Description

COPEDEC VI, 2003, Colombo, Sri Lanka

NEW GUIDANCE FOR WAVE FORCES ON JETTIES IN EXPOSED LOCATIONS by 1

2

3

by K.J. McConnell , N.W.H. Allsop , G. Cuomo  and I.C. Cruickshank 1 

INTRODUCTION

1.1 

Background

4

Trade activities of coastal nations rely on jetties for berthing of vessels for the loading and  discharge of  cargo.    Traditionally,  these  facilities  were  constructed  in  sheltered  locations  or  sheltered  by breakwaters hence hydraulic loadings were relatively small. In  recent  years  there  has  been  increased  demand  for  development  of  large  single  use  industrial terminals  (especially  those  for  Liquid  Natural  Gas  (LNG),  and  Liquid  Petroleum  Gas  (LPG))  which require deep water and sheltered berths for larger vessels, but do not necessarily need shelter to the approach  trestles  carrying  the  delivery  lines.  These  terminals  are  often  required  in  remote  locations where  there  is  no  wave  shelter,  no  existing  infrastructure  and  the  construction  of  new  protective breakwaters for the  whole facility may not be cost effective. Therefore,  in  many  instances  the  jetties and/or  their  approach  trestles  are  being  constructed  in  exposed  locations  without  breakwater protection. Views of a typical jetty approach trestle are shown in Figures 1 and 2.

Figure 1: Typical exposed jetty

                                                      1   Senior  Engineer,  HR  Wallingford,  Howbery  Park,  Wallingford,  Oxon,  UK,  OX10  8BA,  Tel: +44 (0)1491 822304, Fax: +44 (0)1491 832233, Email: [email protected] 2   Technical  Director,  Coastal  Structures,  HR  Wallingford,  UK  &  Visiting  Professor,  University  of Southampton 3  Marie Curie Visiting Research Fellow, University of Rome 3, c/o HR Wallingford, UK 4  Principal Engineer & Project Manager, HR Wallingford, UK 1

COPEDEC VI, 2003, Colombo, Sri Lanka

Figure 2: Typical approach trestle Other  examples  of  exposed  jetties  include  small  jetties  on  open  coasts  in  tropical  regions  serving small fishing communities, ferry services and emergency access to remote locations. For most of their design  life,  the  environmental  conditions  may  be  benign  but  occasionally  cyclone  and  hurricane conditions hit, putting the exposed jetty under significant hydraulic loading. 1.2 

Wave loadings

Of  particular  concern  in  these  locations  is  the  risk  of  occurrence  of  wave  forces  on  the  jetty superstructure and the likely magnitude of such forces should they occur.   As well as being important for the design of structure elements, these loads need to be considered when assessing the potential for  damage  to  equipment  located  on  approach  trestles  and  jetty  heads.  There  are  also  potential environmental  risks  arising  from  damage  to  exposed  jetty  facilities,  particularly  those  carrying  oil  or other hazardous materials. Existing  guidance  on  such  loadings  mainly  derives  from  the  offshore  industry.    In  this  field  an approach  termed  the  'air  gap'  approach  is  generally  adopted  for  platform  design.    Following  this approach,  the  maximum  wave  crest  elevation  is  predicted  for  the  design  condition  and  the  deck  (or soffit) level  is located at  an allowance or 'air gap' above  this  elevation  to  ensure  a  low  probability  of occurrence of wave forces on the superstructure. The 'air gap' approach is often adopted in the design of shore connected trestles and jetties, however the  design  of  structures  in  this  environment  may  be  dictated  by  other  constraints  which  prevent  the adoption  of  this  method.    Constraints  may  include  vessel  freeboard  at  berth,  the  need  for  loading  / offloading and tidal range, all of which dictate practical deck levels to ensure efficient  operations.  In addition  there  may  be  considerations  such  as  material  costs,  member  sizes  and  construction methodology. In such cases there may be a risk of wave loads on the structure.  Methods available to the designer for  prediction  of  the  forces  are  limited,  complex  to  apply  and  practical  guidance  for  their  use  is  not readily available.

2

COPEDEC VI, 2003, Colombo, Sri Lanka

1.3 

The "exposed jetties" research project

In  response  to  the  demand  for  design  guidance  for  predicting  wave  forces  on  jetties,  a  research project entitled 'hydraulic design of exposed jetties' was undertaken at HR Wallingford funded by the UK  government.    The  project  was  guided  by  a  Project  Steering  Group  from  industry,  including designers,  contractors  and  owners.    These  research  studies  reviewed  existing  knowledge  and undertook a new series of model tests to evaluate loads on deck elements and provide new guidance that could be readily applied by the design engineer. For the purposes of the project, an exposed jetty was defined as: "A  solid  vertical  or  open  piled  structure,  possibly  with  cross-bracing,  providing  a  berth  or  berths constructed in a location where wave forces have a significant influence on the design" "These structures can be remote from the land in deep water (where the influence of shallow water is small) or in exposed locations such as marginal quays (where the influence of shallow water impacts are more significant)" 2 

MODEL TESTS

2.1 

Model set-up and test conditions

Following a review of available literature and methods for prediction of wave forces, a series of model tests were designed.  The tests are described in more detail in Tirindelli et al (2002). The  model  test  section  comprised  a  typical  jetty  head  on  cylindrical  piles  constructed  from downstanding  cross-beams  and  a  solid  deck,  contructed  at  a  scale  equivalent  to  1:25.    The  model design  was  developed  in  consultation  with  the  Project  Steering  Group  to  ensure  that  it  was representative of typical real structures, such as the jetty head shown in Figure 3.

Figure 3: Typical jetty head (courtesy Kier)

3

COPEDEC VI, 2003, Colombo, Sri Lanka

Figure 4: Physical model in wave flume The model was located in a 2-dimensional wave flume capable of generating random waves, Figure 4. Within  the  superstucture  of  the  model,  two  beam  and  two  deck  elements  were  fitted  with  force transducers, see Figure 5, which recorded force measurements at a sampling frequency of 200Hz. During testing it was clear that there could be strong 3-dimensional flow effects around the structure, particularly  as  the  structure  deck  was  inundated.    As  a  result,  an  additional  series  of  tests  was completed  with  panels  fixed  to  each  side  of  the  deck  to  prevent  3-dimensional  inundation  of  the structure.  This provided data for the 2-d scenario which allowed 3-d effects to be quantified and also provided a scenario that was more comparable with some of the prediction methods available  which concentrated  on  2-d  scenarios.      In  addition,  a  third  test  series  was  undertaken  with  the  deck superstructure  inverted  such  that  the  underside  was  a  flat  deck.    This  configuration  did  not  include side panels.  Thus three configurations were tested as follows: •  •  • 

Configuration 1 - deck with downstand beams Configuration 2 - flat deck Configuration 3 - deck with downstand beams (as for configuration 1) with side panels to limit 3-d flow effects.

The  test  programme  covered  a  range  of  wave  conditions  and  relative  water  and  deck  levels, summarised in Table 1. Parameter Hs (m) Tm (s) Water depth, h (m)

Model 0.1 - 0.22 1 - 3 0.75, 0.6*** 0.06 - 0.16* 0.01 - 0.11**

Clearance, cl (m) Wave height to clearance ratio, Hs/cl Wave height to water depth ratio, Hs/h Relative water depth, h/Lm Sampling frequency (Hz) Notes: 

Prototype (at 1:25) 2.5 - 5.5 5 - 15 18.75, 15*** 1.5 - 4* 0.25 - 2.75* 1.1 ñ 18 0.13 ñ 0.33

0.1 200

* Configurations 1 & 3, ** Configuration 2, *** Configuration 3 only

Table 1: Range of test conditions 4

0.48 40

COPEDEC VI, 2003, Colombo, Sri Lanka

LEGEND

LB1 CB1

CB2

CB3

CB4

LB = Longitudinal Beams

LB2

Waves B1

CB5

CB = Cross Beams

D1

B2

B = Beam Elements

D2

D = Deck Slabs A

B

C

LB3

D

A B C D = Force Transducers

LB4 27.50 / 1100 6.50 / 260

6.50 / 260

6.50 / 260

6.50 / 260 Down-standing cross beams (1.50 x 1.50 x 25.00) (60 x 60 x 1000)

7.50 / 300

25.00 1000

Down-standing longitudinal beams (2.50 x 2.50 x 27.50) (100 x 100 x 1100) 7.50 / 300

Deck slab 7.50 / 300

Slender element (1.50 x 1.50 x 5.00) (60 x 60 x 200)

Deck element (0.5 x 5.00 x 5.00) (20 x 200 x 200)

dia = 2.50 / 50

Figure 5: Underside of model deck showing measurement elements   Note: dimensions given as prototype (model)

2.2 

Preliminary analysis

The  time  series  from  the  various  force  measurements  were  processed  to  extract  a  number  of  key force  parameters.    These  were  identified  for  each  force  'event'  which  occurred  as  a  wave  hit  the structure.  One such event is shown in Figure 6, which defines the various force parameters, defined as: Fmax

Impact force (short duration, high magnitude)

Fqs+, v or h 

Maximum positive  (upward or landward) quasi-static (pulsating) force

Fqs-, v or h 

Maximum negative (downward or seaward) quasi-static (pulsating) force

5

COPEDEC VI, 2003, Colombo, Sri Lanka

8

Fmax

Force (N)

6 Fqs+

4 2 0

Fqs-

-2 -4 76.5

77

77.5

78

78.5

79

79.5

Time (s)

Figure 6: Definition of force parameters (model units) The extracted force parameters were then processed to derive the force at 1/250 level for each test, that is the average of the highest 4 loads in 1000 waves.  For most test conditions, many waves will have  generated  loads,  so  F1/250  is  relatively  well  supported.    For  a  few  tests  however,  there  may  be relatively fewer loads contributing  to F1/250  defined  in this  way, and the measure may be less stable. All the results presented in this paper are based on F1/250. Preliminary analysis of the results and comparison with predictive models is discussed in Tirindelli et al (2002). The results of the analysis demonstrated that methods available (eg. Kaplan (1992, 1995), Shih  &  Anastasiou  (1992))  may  underpredict  wave  forces  on  jetty  components.    An  example comparison is shown in Figure 7 for seaward deck elements.

80

Measured Kaplan

70

F1/250 (N)

60 50 40 30 20 10 0 0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

Hs (m) Figure 7: Comparison of measured and predicted uplift forces on jetty deck elements, after Tirindelli et al (2002) (model units) 3 

RESULTS

3.1 

Discussion on presentation of results

Following  on  from  the  analysis  described  in  Tirindelli  et  al  (2002),  the  data  were  processed  and presented  in  dimensionless  format.    A  range  of  dimensionless  parameters  were  considered  for 6

COPEDEC VI, 2003, Colombo, Sri Lanka

presentation  of  the  results,  in  order  to  provide  some  useful  means  of  using  the  data  for  force prediction. Firstly  a  means  of  non-dimensionalising  the  forces  was  considered.    From  the  perspective  of  the designer,  it  was  considered  that  the  force  measurements  might  be  most  usefully  be  presented  as  a function  of  a  force  value  that  can  be  easily  calculated  from  design  information.    A  notional  or  'basic wave  force'  F*  is  therefore  defined.    F*  is  calculated  based  on  the  predicted  maximum  wave  crest elevation,  ηmax,  whilst  assuming  no  (water)  pressure  on  the  reverse  side  of  the  element.    F*  is calculated  separately  for  vertical  and  horizontal  forces.    F*v  is  defined  by  a  simplified  pressure distribution  using  hydrostatic  pressures,  p1  and  p2,  at  the  top  and  bottom  of  the  particular  element being considered.  F*h is calculated assuming a uniform pressure p2 over the base of the element.  F*v and F*h are defined in Figure 8, and can be calculated as follows:

∫ ∫

F *v =

bw bl

p 2 ⋅ dA ≅ bw ⋅ bl ⋅ p 2   

ηmax

F *h =

∫ ∫p bw

hyd

⋅ dA = bw ⋅ (η max − c l ) ⋅

cl

c l + bh

F

*

h

=

∫ ∫p bw

(1)

hyd

⋅ dA = bw ⋅ b h ⋅

cl

p2   for   η max ≤ c l + bh 2

(p1 + p 2 ) 2

  for   η max > c l + b h

(2)

(3)

where

p1 = [ηmax ñ (bh+cl)]·ρg

(4)

p2 = (ηmax ñ cl)·ρg

(5)

and p1, p2  bw  bh  bl  cl   ηmax 

pressures at top and bottom of the element element width (perpendicular to direction of wave attack) element depth element length (in direction of wave attack) clearance (distance between soffit level and still water level, SWL) maximum wave crest elevation (relative to SWL).

Figure 8: Definition of 'basic wave forces' F*v and F*h

In order to derive the maximum wave crest elevation,  ηmax, the maximum wave height, Hmax, must be calculated.  A method is given by Goda (1985) for a range of conditions and by Battjes & Groenendijk (2000) for shallow foreshores.  The maximum wave crest elevation,  ηmax, can then be calculated from Hmax using various non-linear wave theories.  In deep water, a simple approximation for  ηmax is given 7

COPEDEC VI, 2003, Colombo, Sri Lanka

by Stansberg (1991).  This gave good agreement with Stream Function Theory and Fenton's Fourier theory for the range of conditions tested, however for shallower water depths the more sophisticated approaches should be used. The  dimensionless  forces,  Fqs/F*,  are  presented  against  the  dimensionless  parameter  (ηmaxñcl)/Hs, which  describes  the  incident  wave  conditions  and  geometry.    When  written  as  (ηmax/Hs)ñ(cl/Hs)  this parameter describes the relative elevation of the wave crest (ηmax/Hs), often between 1.0 and 1.3, then the relative excess of the wave over the clearance (cl/Hs).  Over the test range, relatively little effect of either wave steepness or relative depth was detected in these data, although that conclusion may be specific to the relative size of the test elements considered. The following forces were analysed and are discussed in this paper:

•  •  •  • 

vertical upward acting force, Fvqs+ caused by slam on the underside of the deck or beam vertical downward acting force, Fvqs-  caused  by  inundation  of  the  deck  or  beam,  which  can persist after the wave has passed beneath the structure horizontal landward force, Fhqs+ caused by the wave front hitting the beam horizontal landward force, Fhqscaused  by  the  wave  hitting  the  back  of  the  beam,  most likely  due  to  the  wave  being  trapped  by  the  deck substructure

It  should  be  noted  that  the  discussion  in  this  paper  concentrates  on  slowly-varying  or  quasi-static forces (Fqs).  Shorter duration impact forces, Fmax, as defined in Figure 6, were also processed and are discussed briefly in this paper.  Further discussion of these results will be given in Cuomo et al (2003). In  some  cases  forces  experienced  by  the  outer,  seaward  measurement  elements  differed  to  those experienced by the internal elements, which were influenced by the deck configuration. In some cases beams and deck elements showed significantly different behaviour and for some elements there was a clear influence of 3-dimensional effects.  The influence of each of these factors was assessed and the data sorted such the the influence of these parameters could be identified.

8

COPEDEC VI, 2003, Colombo, Sri Lanka

3.2 

Vertical quasi-static forces

Vertical loads on the seaward beam and deck elements were found to be relatively unaffected by the configuration of the test structure, and were similar in magnitude for both element types.  These can therefore  be  considered  together,  see  Figures  9  and  10  for  upward  and  downward  acting  forces respectively.  It is worth noting that the smooth deck tended to give lower element loads that the deck with downstanding beams. 3.5 Seaward elements - downstand beam configuration

3

Seaward elements - flat deck configuration

Fvqs+ / F

*

v

2.5 2 1.5 1 0.5 0 0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

( ηmax - cl ) / Hs

Figure 9: Vertical (upward) forces on seaward elements

0 -0.5

-1.5

Fvqs- / F

*

v

-1

-2 -2.5 Seaward elements - downstand beam configuration

-3

Seaward elements - flat deck configuration

-3.5 -4 0

0.2

0.4

0.6

0.8 1 ( ηmax - cl ) / Hs

1.2

1.4

1.6

1.8

Figure 10: Vertical (downward) forces on seaward elements

Conditions  for  the  internal  elements  are  more  complex,  with  the  deck  and  beam  elements  showing different trends. The results for upward and downward loads on the internal deck element are shown in  Figures  11  and  12  respectively.    Upward  loads  were  not  obviously  influenced  by  3-d  effects, however  local  3-dimensional  effects  did  significantly  influence  downward  loads,  resulting  in  larger loads than the simplified 2-d scenario.

9

COPEDEC VI, 2003, Colombo, Sri Lanka

It is worth noting that the flat deck configuration also experienced lower downward forces, most likely due  to  the  fact  that  this  configuration  was  represented  simply  by  turning  the  deck  over  and  the resulting  upstanding  beams  will  have  blocked  3-dimensional  flow  effects  over  the  measurement element to some degree. 9 Internal deck

8 7

Fvqs+ / F

*

v

6 5 4 3 2 1 0 0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

( ηmax - cl ) / Hs

Figure 11:  Vertical (upward) forces on internal deck

0 -0.2 -0.4

Fvqs- / F

*

v

-0.6 -0.8 -1 -1.2 -1.4 -1.6

Internal deck - 3-d effects Internal deck - 2-d effects

-1.8 -2 0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

( ηmax - cl ) / Hs

Figure 12: Vertical (downward) forces on internal deck

10

1.6

COPEDEC VI, 2003, Colombo, Sri Lanka

Vertical wave forces on the internal beam are also complex, but the loss of some test data resulted in a less clear trend than that identified for the deck element.  Upward and downward forces are shown in Figures 13 and 14, respectively. 3 Internal beam 2.5

Fvqs+ / F

*

v

2 1.5 1 0.5 0 0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

( ηmax - cl ) / Hs

Figure 13: Vertical (upward) forces on internal beam

0

Fvqs- / F

*

v

-0.5

-1

-1.5

-2 Internal beam -2.5 0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

( ηmax - cl ) / Hs

Figure 14: Vertical (downward) forces on internal beam

Some general observations can be made for vertical forces for all of the test elements:

•  •  •  • 

For (ηmaxñcl)/Hs > 0.8, F*v seems to give a safe estimation of Fvqs+ For (ηmaxñcl)/Hs 
View more...

Comments

Copyright ©2017 KUPDF Inc.
SUPPORT KUPDF