• No results found

Wave Impact Loads

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2021

Share "Wave Impact Loads"

Copied!
20
0
0

Loading.... (view fulltext now)

Full text

(1)

NEW GUIDANCE FOR WAVE FORCES ON JETTIES IN EXPOSED

LOCATIONS

by

by K.J. McConnell1, N.W.H. Allsop2, G. Cuomo3 and I.C. Cruickshank4

INTRODUCTION

1.1  Background

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

(2)

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.

(3)

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)" 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.

(4)

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 Model Prototype (at 1:25)

Hs (m) 0.1 - 0.22 2.5 - 5.5 Tm (s) 1 - 3 5 - 15 Water depth, h (m) 0.75, 0.6*** 18.75, 15*** Clearance, cl (m) 0.01 - 0.11**0.06 - 0.16* 0.25 - 2.75*1.5 - 4* Wave height to clearance ratio, Hs/cl 1.1 ñ 18 Wave height to water depth ratio, Hs/h 0.13 ñ 0.33 Relative water depth, h/Lm 0.1 0.48 Sampling frequency (Hz) 200 40 Notes:  * Configurations 1 & 3, ** Configuration 2, *** Configuration 3 only Table 1: Range of test conditions

(5)

B1 D1 B2 D2 Waves CB1 LB1 CB2 CB3 CB4 CB5 LB2 LB3 LB4 LEGEND CB = Cross Beams LB = Longitudinal Beams B = Beam Elements D = Deck Slabs A B C D = Force Transducers A B C D Down-standing cross beams (1.50 x 1.50 x 25.00) (60 x 60 x 1000) 6.50 / 260 Down-standing longitudinal beams (2.50 x 2.50 x 27.50) (100 x 100 x 1100) Deck slab Slender element (1.50 x 1.50 x 5.00) (60 x 60 x 200) 7.50 / 300 27.50 / 1100 Deck element (0.5 x 5.00 x 5.00) (20 x 200 x 200) 25.00 1000 dia = 2.50 / 50 7.50 / 300 7.50 / 300 6.50 / 260 6.50 / 260 6.50 / 260 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

(6)

-4 -2 0 2 4 6 8 76.5 77 77.5 78 78.5 79 79.5 Time (s) F orce  (N ) F qs-Fqs+ Fmax 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.

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

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

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

H

s

 (m)

F

1/ 250

 (N)

Measured

Kaplan

(7)

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: 2 2 * p dA b b p F w l b b v w l ⋅ ⋅ ≅ ⋅ =

∫ ∫

   (1)

(

)

22 max * max p c b dA p F w l b c hyd h w l ⋅ − ⋅ = ⋅ =

∫ ∫

η η   for  ηmax ≤cl +bh (2)

(

)

2 2 1 * p dA b b p p F w h b b c c hyd h w h l l + ⋅ ⋅ = ⋅ =

∫ ∫

+   for  ηmax >cl +bh (3) where p1 = [ηmax ñ (bh+cl)]·ρg (4) p2 = (ηmax ñ cl)·ρg (5) and p1, p2  pressures at top and bottom of the element bw  element width (perpendicular to direction of wave attack) bh  element depth bl  element length (in direction of wave attack) cl  clearance (distance between soffit level and still water level, SWL) ηmax  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

(8)

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, Fhqs- caused  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.

(9)

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. 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 ηmax - cl ) / Hs Fvqs +  /  F * v Seaward elements - downstand beam configuration Seaward elements - flat deck configuration Figure 9: Vertical (upward) forces on seaward elements -4 -3.5 -3 -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 Fvqs - /  F * v Seaward elements - downstand beam configuration Seaward elements - flat deck configuration 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.

(10)

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. 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 ηmax - cl ) / Hs Fvqs +  /  F * v Internal deck Figure 11:  Vertical (upward) forces on internal deck -2 -1.8 -1.6 -1.4 -1.2 -1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 ηmax - cl ) / Hs Fvqs - /  F * v Internal deck - 3-d effects Internal deck - 2-d effects Figure 12: Vertical (downward) forces on internal deck

(11)

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. 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 ηmax - cl ) / Hs Fvqs +  /  F * v Internal beam Figure 13: Vertical (upward) forces on internal beam -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 ηmax - cl ) / Hs Fvqs - /  F * v Internal beam 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 < 0.8, downward forces are usually less than respective upward loads

•  For  (ηmaxñcl)/Hs  <  1,  upward  and  downward  forces  increase  relative  to  F*v  as  (ηmaxñcl)/Hs

decreases

(12)

3.3  Horizontal quasi-static forces

For horizontal forces on beams, seaward  and  internal  beam  elements  are  considered  separately  as the loads on internal beams are influenced by the deck structure, while loads on the seaward beam are unaffected by the structure configuration.  Positive forces, acting in the direction of wave attack i.e. landward,  Fhqs+  are  presented  in  Figures  15  and  16  for  seaward  and  internal  beams  respectively,

plotted against (ηmaxñcl)/Hs.  The scatter for these data is much less than for vertical loads for almost

all of the data, with scatter increasing for smaller values of (ηmaxñcl)/Hs. 0 2 4 6 8 10 12 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 ηmax - cl ) / Hs Fhqs +  /  F * h Seaward beam Figure 15: Horizontal (shoreward) forces on seaward beams 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 ηmax - cl ) / Hs Fhqs +  /  F * h Internal beam Figure 16: Horizontal (shoreward) forces on internal beams

(13)

Seaward-acting (or negative) horizontal forces, Fhqs-, are shown in Figures 17 and 18 for seaward and internal beams respectively.  The following can be noted: •  For seaward elements, landward forces are generally greater than negative (seaward) ones, the difference increasing with decreasing (ηmaxñcl)/Hs. •  For internal elements, landward and seaward forces are of similar magnitude. -3 -2 -1 0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 ηmax - cl ) / Hs Fhqs -/ F * h Seaward beam Figure 17: Horizontal (seaward) forces on seaward beams -4 -3.5 -3 -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 Fhqs - /  F * h Internal beam Figure 18: Horizontal (seaward) forces on internal beam 3.4  Wave impact forces Short duration impact forces on beam and deck elements were also measured in the tests.  In order to assess  the  importance  of  impact  forces,  information  is  necessary  on  their  duration  and  also  the dynamic response characteristics for the structure in question.   Wave impact forces are not discussed in  detail  here,  but  a  comparison  is  given  of  vertical  impact  forces  and  quais-static  impact  forces  for

(14)

each test,  where Fmax is the largest impact force recorded in a test and Fvqs+ is the quasi-static force at

1/250  level.      The  results  are  presented  in  Figure  19  where  it  can  be  seen  that  none  of  the  impact forces  measured  exceed  their  quasi-static  components  by  more  than  4  times.    The  magnitude  of impacts that can be measured will be limited by the sampling frequency of the instrumentation used, in this case 200Hz (at model scale), as the sampling rate may miss the actual peak of the impact. Faster sampling frequencies may well result in higher magnitude, shorter duration events being registered.  It should also be noted that impact loads are very localised in nature and local pressures may be higher than the average force acting on the element in question.  It should also be noted that there was some signal  corruption  induced  by  dynamic  response  of  measurement  instruments.    Dynamic  loads  and responses will be discussed further in Cuomo et al (2003). 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 (ηmax-cl) / Hs Fma x  /  Fvqs+ Seaward Deck Internal Deck Seaward Beam Internal Beam Figure 19: Ratio of vertical impact forces to quasi-static forces FORCE PREDICTION

The  various  data  sets  from  the  model  tests  are  presented  in  Figures  9  to  18  for  both  vertical  and horizontal quasi-static forces.  Best fit regression lines fitted to each data set are shown by a solid line on the graphs.  The general form of the regression line is : b s l * qs H ) c a F F       − = max (6) where Fqs quasi-static force of interest (Fvqs+, Fvqs-, Fhqs+ or Fhqs-)

F* 'basic wave force', either F*v or F*h, delined in Equations (1) to (3)

cl  clearance (distance between soffit level and still water level, SWL)

ηmax  maximum wave crest elevation (relative to SWL)

a,b coefficients

Coefficients a and b for the various configurations are given below in Table 2 for vertical forces and in Table 3 for horizontal forces.

(15)

Wave load and configuration a b Upward vertical forces (seaward beam & deck) 0.82 0.61 Upward vertical forces (internal beam only) 0.84 0.66 Upward vertical forces (internal deck, 2 and 3-d effects) 0.71 0.71 Downward vertical forces (seaward beam & deck) -0.54 0.91 Downward vertical forces (internal beam only) -0.35 1.12 Downward vertical forces (internal deck, 2-d effects) -0.12 0.85 Downward vertical forces (internal deck, 3-d effects) -0.80 0.34 Table 2: Coefficients for calculation of vertical wave forces using Equation 6 Wave load and configuration a b Shoreward horizontal forces, Fhqs+ (seaward beam) 0.45 1.56 Shoreward horizontal forces, Fhqs+ (internal beam) 0.72 2.30 Seaward horizontal forces, Fhqs- (seaward beam) -0.20 1.09 Seaward horizontal forces, Fhqs- (internal beam) -0.14 2.82 Table 3: Coefficients for calculation of horizontal wave forces using Equation 6 There is a significant degree of scatter in the data in Figures 9 to 18 and upper and lower envelopes have  also  been  fitted  to  the  data.    The  upper  bounds  can  be  calculated  by  applying  a  coefficient, Cupper, to Equation 6.  Similarly lower bounds can be calculated by applying a coefficient, Clower.

It is generally considered that the best estimate obtained from Equation 6 will be sufficient for design, although for critical elements the upper bound estimate may be used.  Uncertainty in wave loading will normally be accounted for by applying safety factors during design.  The lower bound is not likely to be used in deterministic design, although it may be useful for probabilistic calculations.

Coefficients  for  the  upper  and  lower  bounds  are  given  in  Tables  4  and  5  for  vertical  and  horizontal forces respectively.

Wave load and configuration C upper C lower

Upward vertical forces (seaward beam & deck) 1.5 0.5 Upward vertical forces (internal beam only) 1.4 0.5 Upward vertical forces (internal deck, 2 and 3-d effects) 2.2 0.1 Downward vertical forces (seaward beam & deck) 1.6 0.4 Downward vertical forces (internal beam only) 1.8 0.5 Downward vertical forces (internal deck, 2-d effects) 2.1 -Downward vertical forces (internal deck, 3-d effects) 1.4 0.65 Table 4: Coefficients for upper and lower limits of vertical force data

(16)

Wave load and configuration C upper C lower Shoreward horizontal forces, Fhqs+ (seaward beam) 2 0.25 Shoreward horizontal forces, Fhqs+ (internal beam) 1.8 -Seaward horizontal forces, Fhqs- (seaward beam) 2 0.15 Seaward horizontal forces, Fhqs- (internal beam) 3 -Table 5: Coefficients for upper and lower limits of horizontal force data APPLICATION TO CASE STUDIES The methods described above have been applied to a number of case studies.  These have included jetty  structures  in  relatively  open  water  where  exposure  is  high,  and  also  structures  within  harbours which are exposed to wave induced forces as structure elevations are close to the still water level, due to operational requirements.

5.1  Case study 1: Damage to under-slung services Description

The  method  given  in  Section  4  was  used  to  back-calculate  wave  forces  on  a  jetty  that  had experienced damage during a storm event.

The jetty is located within a harbour.  Despite being protected by breakwaters, it was exposed to fairly severe waves during a storm. From descriptions of the storm and the reported overtopping of the jetty, it is estimated that the incident wave conditions were approximately Hs=2.5m, estimated as having a return period in excess of 1:10  years.  This was assumed to have  a  wave  steepness  of  sm  =  0.04, typical for storm waves.    During  the  storm,  services  slung  beneath  the  jetty  were  damaged  and  the power supply to the end of the jetty failed.

This  example  addresses  the  partial  failure  of  pipe  fittings  beneath  the  jetty  deck.    The  pipes  were suspended by pipe hangers fitted to Halfen Channels cast into the soffit of the deck.  During the storm, the hangers were pushed sideways in the channels.

The  jetty  is  constructed  from  a  concrete  slab  with  longitudinal  beams  on  tubular  steel  piles.      Key parameters are as follows: Hs  = 2.5m Hmax = 4.3m, using Goda (1985) Tm  = 7s MWL  = +1.6mOD (MHWS) Deck level  = +4.0mOD Soffit level = +3.6mOD Top of pipe = +3.2mOD Bottom of pipe  = +3.0mOD

Assuming  that  the  pipe  can  be  considered  as  a  beam,  the  following  parameters  are  defined  (see Figure 8): bl = 0.2m (pipe diameter) bh = 0.2 m (pipe diameter) bw assume 1m length (perpendicular to direction of wave attack) clearance, cl = 1.4m (bottom of pipe ñ MWL) ηmax  = 3.2m (=+4.8mOD), using Fenton (1988) Force calculations

In  order  to  assess  the  wave  forces  that  occurred  during  the  storm  when  the  damaged  occurred, horizontal forces on the pipe are calculated, treating it as a downstand beam.  The 'basic horizontal wave  force',  F*h,  is  calculated  using  Equations  (1)  and  (2)  with  the  input  pressures,  p1  and  p2

(17)

p1 = 16.2 kN/m2 p2 = 18.2 kN/m2 F*h = 3.4 kN/m The horizontal forces on the pipe can then be calculated using Equation 6 and coefficients from Table 3, assuming the pipe can be considered as an internal beam (a = 0.72, b=1.56, based on the data in Figure 16). The following parameter is required: (ηmax ñ cl)/Hs = 0.72

The  horizontal  quasi-static  force  on  the  pipe,  acting  in  the  direction  of  wave  travel  is  therefore calculated as:

Fhqs+ = 5.3kN/m

The  pipe  supports  had  a  capacity  of  40  kN/fixing  for  horizontal  sliding.    Each  cast  in  channel  was 2.25m long and carried three pipes.  Each support had two bolts giving a sliding capacity of 80 kN (2 x 40kN).  The supports are at 4m centres along the pipes.  The weight of the pipe is taken as 0.3kN/m. Maximum horizontal force per support is therefore: Fhqs+ = 4m x 5.3kN/m = 21.2kN The data for impact forces shown in Figure 19 demonstrates that short duration impact forces can be several times greater than quasi-static forces.  Figure 19 is for vertical forces however analysis of the model  test  data  indicated  that  horizontal  impact  measurements  showed  similar  relative  orders    of magnitude.    Thus  impact  forces  may  be  up  to  4  times  the  quasi-static  force.    It  is  likely  that  light components such as pipework and fixings will respond to these short duration loadings and hence it can  be  assumed  that  the  pipe  supports  could  experience  forces  in  excess  of  80kN.    These calculations  demonstrate  that  the  capacity  of  the  fixings  could  have  been  exceeded  by  wave  loads during the storm, causing damage.

The assumption that the pipe acts like a beam on the structure is a simplification as the gap between pipe and soffit will mean that there is  also some flow over the pipe,  constrained  by  the  deck,  which may increase the wave loading on the pipe and which will also provide additional forces on the fixings. 5.2  Case study 2: wave-induced forces on a pier

Description

A  new  ferry  terminal  comprises  a  200m  long  central  pier,  with  pairs  of  dolphins  on  either  side supporting vehicle access bridges and passenger access walkways.   The central pier is designed to function  as  a  wave  absorbing  structure  to  reduce  wave  reflections  and  transmission.    The  pier  is essentially  constructed  as  a  concrete  box  divided  into  a  series  of  chambers  with  large  voids  in  the sides, located around the water line to provide energy dissipation.  The box is supported on piles with a soffit level at +1.5m CD and a deck level of +12m CD.  The tidal range at the terminal is 7m and sea bed levels at the berth are around ñ9mCD. The geometry of the structure and its secondary function to absorb wave energy prevented adoption of an air-gap approach, by raising the structure above the maximum water level.  Wave forces on the structure therefore had to be considered.  Loads on the structure during construction were of particular concern, as the individual precast elements forming the pier box construction were lowered into place. Excess loading prior to fixing of these elements could lead to displacement of the units. Wave-induced forces were assessed for the following components: •  Precast concrete units forming the soffit of the central pier •  Vehicle access bridges Wave conditions The new ferry terminal is located within a harbour and is relatively sheltered from storm waves.  The site is however exposed to long period swell waves that propagate into the harbour.

(18)

Wave measurements from a physical model study were available for points along the structure for a range  of  return  periods  up  to  1:50  years.    These  were  extrapolated  to  estimate  conditions  for  more extreme return periods.

 In order to derive maximum wave crest elevations for use in wave force calculations,  Hmax had to be

determined.   The maximum wave height, Hmax, was calculated as 1.8Hs, using the method  of Goda

(1985).      The  maximum  wave  crest  elevation  was  then  calculated  for  a  range  of  conditions,  using Fenton (1988).

Quasi-static force calculations

Vertical uplift forces on the underside of the elements (at +1.5mCD) were of particular interest in the design of the pier.  The underside of the precast elements was flat with no downstand beams.   Clearly with  such  a  large  tidal  range  there  will  be  scenarios  where  the  units  are  partially  submerged.    The most critical case for vertical wave forces on the soffit elements was considered to be when the water level was close to the level of the base of the units.  As a result wave forces were calculated for water levels close to the soffit level, giving small clearance, cl, values.

Equation (1) was used to calculate the ëbasic wave forceí F*v,  per metre area of the soffit elements.

This  was  then  used  to  calculate  the  quasi-static  vertical  wave  forces  using  Equation  (6),  using  the coefficients for seaward beam and deck elements, based on the data shown in Figure 9.  The results are summarised in Table 6.  The 1:1 year conditions are of interest for the construction scenario.  The 1:50 and 1:500  year conditions are of interest for the permanent scenario and show the variation in wave forces with increasing wave height.

It should be noted that the Table includes results at +1.5mCD, the scenario where the water level is in contact  with  the  underside  of  the  deck,  i.e.  zero  clearance.    This  is  outside  the  range  of  conditions tested  and  therefore  represents  extrapolation  beyond  the  region  of  validity.    From  the  results presented this suggests increased forces where the water level is at or very close to the underside of the structure, as might be expected.

Wave condition return period

SWL Hs Tm Hmax ηmax (ηmax-cl)/Hs F*v Fvqs+

years mCD m s m m - kN/m2 kN/m2 +1mCD 1 9 1.8 1.05 0.53 5.6 6.6 1:1 +1.5mCD 1 9 1.8 1.03 1.05 10.4 8.4 +1mCD 1.36 10 2.45 1.53 0.76 10.2 10 1:50 +1.5mCD 1.36 10 2.45 1.51 1.13 15.5 11.8 +1mCD 1.57 11 2.82 1.86 0.87 13.7 12.3 1:100 +1.5mCD 1.57 11 2.82 1.83 1.18 18.5 13.8 Table 6: Case study 2 - summary of results

Comparison  of  the  conditions  shown  in  Table  6  with  the  model  test  results  presented  in  Figure  9 allows some assessment of the potential variability in wave forces.  The data for the flat deck is also presented in Figure 9, generally giving lower forces that the equivalent tests for the downstand beam configuration.  As the soffit elements do not have downstand elements it is likely that they will behave more like the flat deck configuration and so the forces in Table 6 might be considered to be an upper limit for vertical quasi-static forces on the structure. Impact forces Impact forces had to be assessed to check the risk of overall uplift of the relatively lightweight bridge units and soffit units during the construction scenario, before they were fixed in place. Determination of an appropriate ratio of Fmax to Fqs+ was based on judgement of the importance of a structural member

(19)

and its ability to respond globally to short-duration forces. Ratios in the range of 3 to 4 are plausible by inspection of Figure  19, suggesting short  duration  vertical impact forces on the  lightweight elements may be up to 4 times greater than quasi-static vertical forces. 5.3  Case study: wave forces on a quay in the vicinity of reflective walls Description A ferry quay is located within a harbour, sheltered by a main breakwater.  The quay deck level is at +3.5mCD and the soffit level is +2.5mCD.  The local bed  level is around ñ10mCD.  It is considered that there is some risk of the deck of the quay experiencing wave forces under certain conditions. Wave conditions at the  quay  are complicated by  waves reflected from parts of the quay itself, so at some  points  it  is  possible  that  incident  and  reflected  waves  may  combine.    For  these  calculations, some  simplifying  assumptions  on  the  possible  addition  of  wave  energy  were  made,  using  assumed reflection coefficients, in the absence of more detailed site specific data.

The following extreme incident wave conditions were available from model studies: Hs = 2.5m

Tp = 12s (assume Tm = 0.87 Tp = 10.4s)

Hmax = 4.0m

In  the  vicinity  of  the  quay,  there  are  a  combination  of  solid  vertical  wall  and  perforated  chamber sections  which  will  have  different  reflection  characteristics.    The  reflection  performance  of  the perforated  chamber  sections  will  be  very  dependent  on  the  wave  period  of  the  incident  wave conditions,  as  these  structures  are  generally  tuned  to  give  the  reflection  coefficients  quoted  above over  only  a  narrow  range  of  wave  periods.    They  are  normally  tuned  for  short  period,  frequently occurring wave conditions as these will be the conditions that affect day to day operations within the harbour.  Thus reflection performance for longer wave periods will be poorer, tending towards that of a simple vertical wall.  Assuming therefore that wave reflections in the vicinity of the quay are close to 100%, an  estimate of maximum wave height  at the quay  due to incident and reflected  wave energy can  be  made  by  summing  the  energies  of  the  two  wave  components.    This  calculation  is  made  for both Hs and Hmax, as follows:

Hs(i+r) = (Hs(i)2 + Hs(r)2)0.5 = (2.52 + 2.52)0.5 = 3.5m

Hmax(i+r) = (Hmax(i)2 + Hmax(r)2)0.5 = (42 + 42)0.5 = 5.7m

where

i  denotes incident wave r  denotes reflected wave

i+r  denotes incident and reflected wave.

The  first  stage  in  estimating  the  occurrence  of  wave  forces  is  to  determine  maximum  wave  crest elevation  for  the  design  wave  condition,  ηmax.    Calculations  are  done  for  two  water  levels,

LLW = 0.0mCD and HHW = +2.0mCD, using Fenton (1988) as for Case study 2. LLW = 0.0mCD  ηmax = 4.48m

HHW = +2.0mCD  ηmax = 4.2m

Vertical uplift wave forces on the quay deck can then be calculated following the same methodology of Case  study  2,  using  coefficients  for  exterior  beam  and  deck  from  Table  2.        The  results  are summarised in Table 7.

SWL Hs(i+r) Tm Hmax(i+r) ηmax (ηmax-cl)/Hs F*v Fvqs+

mCD m s m m - kN/m2 kN/m2

+0mCD 3.5 10.4 5.7 4.5 0.56 20.2 23.3

+2mCD 3.5 10.4 5.7 4.2 1.05 37.4 29.8

(20)

It  is  worth  noting  that  there  is  significant  inundation  of  the  deck  of  the  quay  under  these  conditions (deck level at +3.5mCD).  Inspection of Figures 9 and 10 show that downward inudation forces on the deck can be close to the upward acting forces which act on the underside of deck and beam elements. CONCLUSIONS The paper has summarised model tests undertaken as part of a UK government research project to quantify wave forces on jetties in exposed locations.  A method for prediction of wave forces on deck and  beam  elements  is  presented.    A  series  of  case  study  examples  demonstrate  application  of  the method to real scenarios.

ACKNOWLEDGEMENTS

Model tests and  analysis described  in this paper  were  undertaken by  Matteo Tirindelli and Giovanni Cuomo.    The  authors  wish  to  acknowledge  the  following  contributors  to  the  research  project:  the Industrial Steering Committee of DTI PII Project 39/5/130 cc2035 who provided practical guidance and case study information as well as photographs acknowledged in the paper; Matteo Tirindelli and Prof. Alberto  Lamberti  University  of  Bologna;  Prof.  Leopoldo  Franco,  University  of  Rome  3;  visiting researchers Amjad-Mohammed Saleem and Oliver de Rooij.

Giovanni  Cuomo's  studentship  was  supported  by  EU  Marie  Curie  Fellowship,  HR  Wallingford  and University of Rome 3.

REFERENCES

Battjes  J.A.  &  Groenendijk  H.W.  (2000)  "Wave  height  distributions  on  shallow  foreshores"  Coastal Engineering Vol 40 pp161-182, Elsevier Science.

Cuomo G., Allsop N.W.H., McConnell K.J. (2003) "Dynamic wave loads on coastal structures: analysis of impulsive and pulsating wave loads" Proc. Conf. Coastal Structures 2003, ASCE / CPRI, Portland Fenton  J.D.  (1988)  "The  numerical  solution  of  steady  water  wave  problems"  Computers  and Geosciences 14(3) 357-368, 1988.

Goda Y. (1985) "Random seas and maritime structures" University of Tokyo Press, Tokyo. HR Wallingford (2003) "Wave loads on exposed jetties" Report SR583, August 2003.

Kaplan  P.  (1992)  "Wave  Impact  Forces  on  Offshore  Structures:  Re-examination  and  New Interpretations" Paper OTC 6814, 24th OTC, Houston, Offshore Technology Conference

Kaplan  P.,  Murray  J.J.  &  Yu W.C.  (1995)  ìTheoretical  Analysis  of Wave  Impact  Forces  on  Platform Deck  Structuresî  Volume  1-A  Offshore  Technology,  OMAE  Copenhagen,  June  1995,  Offshore Mechanics and Arctic Engineering Conference

McConnell  K.J.,  Allsop  N.W.H.  and  Cruickshank  I.C  (2003)  "Guidelines  for  the  design  of  exposed jetties" TO BE PUBLISHED.

Shih  R.W.K.  &  Anastasiou  K.  (1992)  "A  Laboratory  Study  of  the  Wave-induced  Vertical  Loading  on Platform  Decks"  Proc.  ICE,  Water  Maritime  and  Energy,  Vol.  96,  No  1,  pp  19-33,  publn  Thomas Telford, London.

Tirindelli M., Cuomo G., Allsop N.W.H. & McConnell K.J. (2002) "Exposed jetties: inconsistencies and gaps in design methods for wave-induced forces" Coastal Conundrums, 28th International Coastal on Coastal Engineering, ICCE 2002, Cardiff UK, ASCE, USA.

Tirindelli  M.,  Cuomo  G.,  Allsop  N.W.H.  &  McConnell  K.J.  (2003)  ìPhysical  model  studies  of  wave-induced  forces  on  exposed  jetties:  towards  new  prediction  formulaeî  Proc.  Conf.  Coastal  Structures 2003, ASCE / CPRI, Portland.

References

Related documents

We introduce the Center of Teaching and Learning Assessment, the Learning Outcome Assessment courses, the student and faculty training, the e-portfolio and how the learning

Providing two advanced layers of fraud protection, Fraud Expert combines your business knowledge with our up-to-the- minute fraud intelligence to create a global risk score –

The initial design parameters were that the device should be wireless, to enable user mobility; that it should be as small and lightweight as possible, implying a high level of

Response of the leaf-like ZnO nanosheets probed at dierent temperatures to 100 ppm ethanol vapor (in order to investigate the optimal temperature).. sensors act in relatively

– It also causes Blood Deficiency, as Blood supports Ying-Qi which in turn supports Wei-Qi, which controls the opening of the pores.. 2) Toxins which accumulate from fever/Heat

The returned value is converted to floating point and assigned to a variable price.  price = float(input(&#34;Please enter the

50 The vocabulary of funerary, magical (medical) and religious texts both in hieroglyphic script and demotic script and language is likely to have have been in use m'Egyptian from

GE views its leaders as an extension of HR with the capacity to communicate how each employee fits within the overall business strategy. A leader must: create a culture of