Πιθανοτικός σχεδιασμός παράκτιων έργων

Abstract

The prime objective of this PhD thesis is the development of a statistical wave propagation model in order that the long-term wave statistics are transformed from deeper towards shallower waters, i.e. the location of a coastal structure, and then the use of this information to apply a multivariate probabilistic methodology in order to assess the reliability level of the structure. The specific research objectives and the main innovative points of the dissertation are listed below: -The application of a statistical technique in order that a considerable data reduction could be made to long-term wave data in deep waters without loss of accuracy, e.g. in δetermination of the joint distribution of the load wave variables. -The extension of the the short-term joint distribution of wave height and period in deep waters to incorporate wave directionality via the use of an energy spreading function dependent on wave period, and by assuming statistical dependence between wave height, period and wave direction. -The transfer of the short-term wave statistics, i.e. of each sea state, from deep towardsshallower waters via the use of a wave by wave analysis and a linear wave propagation model. -The integration of short- with long-term wave statistics in intermediate waters in order that the long-term joint probability density function of load variables be estimated at this location. -The use of a total sample analysis and an event-based extreme value analysis in the reliability assessment of coastal structures. -The development of a combined multivariate structural reliability analysis using variables with zero and nonzero hazard rate, referred in this thesis as a combined time-invariant and time-variantanalysis. -The incorporation of this reliability analysis into the design of coastal structures, e.g. of rubble mound breakwaters. Additionally, it is noted that comparisons were made between the statistical model of wave propagation from deep to shallow waters, referring to short-term sea conditions, with wave measurements in deep waters and results in intermediate waters extracted from a commercial and well known Boussinesq wave propagation model. These comparisons showed the domain of validity and the limitations of the statistical wave propagation model developed. In the present PhD thesis, we take advantage of the speed of the model, developed, to transfer the long-term wave climate from deep water to the location of coastal structures with satisfactory accuracy. Also, an important contribution of the dissertation to the field of coastal structures reliability is the use of two methodologies for estimating the probability of failure of coastal structures during their lifetime, and the comparative evaluation between these two approaches, which highlighted the most appropriate methodology in relation to the purpose of the analysis and the time period of the available wave measurements.

Ο κύριος στόχος της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η ανάπτυξη ενός στατιστικού μοντέλου κυματικής διάδοσης έτσι ώστε οι μακροπρόθεσμες κυματικές στατιστικές να μεταφέρονται από τα βαθιά σε πιο ρηχά νερά, ήτοι στη θέση των παράκτιων κατασκευών, και στη συνέχεια η χρησιμοποίηση της πληροφορίας αυτής σε μία πολυπαραμετρική πιθανοτική μεθοδολογία για την εκτίμηση της αξιοπιστίας των παράκτιων κατασκευών. Οι επιμέρους ερευνητικοί στόχοι, καθώς και τα σημαντικότερα καινοτόμα σημεία της παρούσας διατριβής, παρατίθενται παρακάτω: -Η εφαρμογή μίας στατιστικής τεχνικής ώστε να επιτευχθεί μία σημαντική μείωση του όγκου δεδομένων στα βαθιά νερά χωρίς απώλεια των έντονων θαλάσσιων καταστάσεων και της ακρίβειας στον προσδιορισμό της συνάρτησης της μακροπρόθεσμης από κοινού πυκνότητας πιθανότητας των μεταβλητών φόρτισης.-Η επέκταση της βραχυπρόθεσμης συνάρτησης της από κοινού πυκνότητας πιθανότητας του ύψους και περιόδου των κυματισμών εντός μίας θαλάσσιας κατάστασης στα βαθιά νερά για να ενσωματώσει την κατευθυντικότητα των κυματισμών μέσω της χρήσης μίας θεωρητικής σχέσης διασποράς κατευθυντικότητας που εξαρτάται από την κυματική περίοδο και θεωρεί το ύψος, την περίοδο και την κατεύθυνση εξαρτημένα πιθανοτικά. -Η μεταφορά των βραχυπρόθεσμων κυματικών στατιστικών, π.χ. κάθε θαλάσσιας κατάστασης, από τα βαθιά σε πιο ρηχά νερά, μέσω μίας τεχνικής κύμα προς κύμα και της ανάπτυξης ενός γραμμικού μοντέλου κυματικής διάδοσης. -Η ολοκλήρωση των βραχυπρόθεσμων με τις μακροπρόθεσμες κυματικές στατιστικές σταενδιάμεσα νερά με στόχο την εκτίμηση των μακροπρόθεσμων συναρτήσεων πυκνότητας πιθανότητας των μεταβλητών φόρτισης στη θέση αυτή. -Η χρησιμοποίηση της στατιστικής ανάλυσης στο σύνολο των θαλάσσιων καταστάσεων και της ανάλυσης ακραίων τιμών βασισμένη σε γεγονότα στην εκτίμηση της πιθανότητας αστοχίας των παράκτιων έργων στη διάρκεια της ζωής τους. -Η ανάπτυξη μίας πολυπαραμετρικής ανάλυσης αξιοπιστίας μίας παράκτιας κατασκευής συνδυάζοντας στοχαστικές μεταβλητές με μηδενικό και μη μηδενικό βαθμό επικινδυνότητας, η οποία αναφέρεται στην παρούσα διατριβή ως μία συνδυασμένη ανάλυση χρονικά-ανεξάρτητων και –εξαρτώμενων μεταβλητών. -Η ενσωμάτωση της συγκεκριμένης ανάλυσης αξιοπιστίας στο σχεδιασμό των παράκτιων κατασκευών, με αναφορά στο παράδειγμα των συμβατικών κυματοθραυστών με πρανή. Επιπρόσθετα, σημειώνεται ότι πραγματοποιήθηκαν συγκρίσεις του μοντέλου που χρησιμοποιήθηκε στα πλαίσια της διατριβής, σε επίπεδο βραχυπρόθεσμων θαλάσσιων συνθηκών. Οι συγκρίσεις αυτές αφορούν τόσο στα βαθιά νερά όσο και τα ενδιάμεσα νερά, όπου οι εκτιμήσεις του γραμμικού μοντέλου διάδοσης συγκρίθηκαν με τα αποτελέσματα ενός γνωστού και εμπορικού μη γραμμικού μοντέλου. Οι συγκρίσεις αυτές ανέδειξαν την περιοχή εγκυρότητας και τους περιορισμούς εφαρμογής του μοντέλου που αναπτύχθηκε. Στα πλαίσια της παρούσας εργασίας, επωφελούμαστε από την ταχύτητα του μοντέλου, πουαναπτύχθηκε, στο να μεταφέρει με ικανοποιητική ακρίβεια την μακροπρόθεσμη κυματική πληροφορία από τα βαθιά νερά στη θέση των παράκτιων έργων. Επίσης, μία σημαντική συνεισφορά της διατριβής στο αντικείμενο της αξιοπιστίας των παράκτιων κατασκευών αποτελεί η χρησιμοποίηση δύο μεθοδολογιών για την εκτίμηση της πιθανότητας αστοχίας των παράκτιων κατασκευών στη διάρκεια της ζωής τους, και η συγκριτική αξιολόγηση μεταξύ των δύο αυτών προσεγγίσεων, η οποία ανέδειξε την πιο κατάλληλη μεθοδολογία σε σχέση με τον σκοπό της ανάλυσης και τη διάρκεια των διαθέσιμων κυματικών μετρήσεων.