25403

ارزيابي قابليت اطمينان موج‌شكن‌هاي سكويي(مطالعه موردي موج‌شكن بندر شهيد بهشتي چابهار)

كارشناسي ارشد

مهندسي عمران گرايش سواحل بنادر و سازه هاي دريايي

1398-1400

16 شهريور 1400

دكتر ناصر شابختي

دكتر برات مجردي

مهندسي عمران

به دليل عدم قطعيت‌هاي زياد در محيط دريا، طراحي مبتني بر تحليل‌هاي معين و استفاده از روابط تجربي براي طراحي سازه‌هاي ساحلي مانند موج‌شكن‌ها از عدم قطعيت بالايي برخوردار بوده و منجر به سطح مجهولي از ايمني سازه در طول عمر آن خواهد شد. براي در نظرگيري عدم قطعيت‌هاي موجود در محيط دريا استفاده از تحليل‌هاي احتمالاتي مي‌تواند رويكرد مناسبي براي ارزيابي و طراحي سازه‌هاي ساحلي و دريايي مي‌باشد. استفاده از روش قابليت اطمينان كه مي‌تواند با درنظرگيري عدم‌قطعيت‌ها، احتمال خرابي يا شاخص قابليت اطمينان يك سازه را تحت مود‌هاي خرابي مختلف ارزيابي كند، در اين تحقيق براي ارزيابي احتمالاتي موج‌شكن سكويي بندر شهيد بهشتي چابهار مورد استفاده قرار گرفته است. نتايج تحقيق در اين پژوهش شامل 4 زمينه بوده كه در بخش اول به ارزيابي احتمالاتي انواع مدل‌هاي عرض تخريب سكو در موج‌شكن‌هاي سكويي پرداخته شده است. در مقايسه 6 مدل عرض تخريب سكو، مدل اندرسن و بوچارث2010 و مدل تورِم به ترتيب داراي بيشترين و كمترين احتمال خرابي سكو با مقدار 86/0 و 23/0 در اقليم حاضر مي‌باشند. دو مدل اندرسن2014 كه اصلاح شده مدل اندرسن-بوچارث در سال 2010 بوده و مدل ون در مير-سيگاردرسن كه داراي قابليت اطمينان بالايي بوده و با استفاده از تعداد بسيار زيادي از داده‌ها توسعه داده شده‌اند، به ترتيب داراي احتمال خرابي 4/0 و 6/0 مي‌باشند. همچنين اثرات تغييرات اقليمي در تمامي مدل‌ها به جزء مدل ون در مير و سيگاردرسن باعث افزايش احتمال خرابي تا ميزان حداكثر 2 تا 3 درصد مي‌شود. اثرات تغييرات ميانگين و ضريب تغييرات ارتفاع موج، اثرات عمق آب، ارتفاع آزاد سكو و عدم قطعيت مدل با احتمال خرابي مورد ارزيابي قرار گرفته است. براساس تحليل حساسيت انجام شده، پارامتر‌هاي ارتفاع موج و پريود موج مهمترين پارامترهاي بار در تمامي مدل‌ها بوده و پارامترهاي جرم آرمور و چگالي آن مهمترين پارامترهاي مقاومت مي‌باشد. در بخش دوم به مقايسه احتمالاتي انواع مدل‌هاي روگذري موج در دو حالت امواج عمود و امواج مورب پرداخته شده است كه در بخش اول با فرض امواج عمود بر سازه(فرض غيردقيق و محافظه‌كارانه)، احتمال خرابي در 7 مدل مورد بررسي قرار گرفت. با بررسي احتمالاتي 7 مدل روگذري موج نتايج تحليل نشان مي‌دهد كه مدل پيلاي و اندرسن به ترتيب با مقدار حدود 64/0 و 6/0 بيشترين مقدار احتمال خرابي را در بين مدل‌ها دارا بوده و بعد از آن مدل‌هاي ون در مير- سيگادرسن 2016 و 2012 و مدل يوروتاپ 2018 به ترتيب با مقدار 55/0، 51/0 و 48/0 احتمال خرابي نسبتا نزديك به دو مدل قبلي را دارند. همچنين دو مدل يوروتاپ2007 و مدل ون در مير- جانسن با مقدار 19/0 و 11/0 كمترين احتمال خرابي را پيش‌بيني مي‌كنند. بيشتر موج‌شكن‌هايي كه در زمان‌هاي گذشته طراحي شده‌اند، از رابطه ون در مير و جانسن براي كنترل روگذري آن‌ها استفاده شده است كه در مقايسه با مدل‌هاي جديد مشخص مي‌باشد كه استفاده از اين مدل، منجر به نتايجي با تخمين بسيار پايين روگذري مي‌شود. براساس تحليل حساسيت انجام شده در مدل‌هاي مختلف، پارامتر ارتفاع موج مهمترين پارامتر بار مي‌باشد. همچنين اثر تغييرات ميانگين و ضريب تغييرات ارتفاع موج، اثر ارتفاع آزاد تاج و دبي روگذري مجاز در احتمال خرابي روگذري مورد ارزيابي قرار گرفته است. در بخش دوم مقايسه احتمالاتي مدل‌هاي روگذري موج با فرض امواج مورب(فرض صحيح) و اثر تغييرات اقليمي براي 5 مدل كه اثرات امواج مورب را در نظر مي‌گيرند، انجام شده است. در اين بخش اثر امواج مورب، احتمال خرابي را در مدل‌هاي ون در مير- سيگاردرسن2012 و 2016 و يورتاپ2018 تا حدود 30 درصد كاهش مي‌دهد. همچنين اثر تغييرات اقليمي در سه مدل بالا تا حدود 7 درصد مي‌تواند احتمال خرابي را افزايش دهد. در كليه تحليل‌هاي بالا در مقايسه انواع روش‌هاي قابليت اطمينان با روش نمونه‌‌گيري مونت كارلو MCS، مي‌توان بيان كرد كه روش نمونه‌گيري اهميت IS كمترين خطا را داشته و روش قابليت اطمينان مرتبه اول FORM داراي خطاي قابل قبولي در اكثر مدل‌ها بوده و روش قابليت اطمينان مرتبه دوم SORM در برخي مدل‌ها با اعمال انحناي اضافي مي‌تواند خطاي نسبتا قابل توجهي داشته باشد. در بخش سوم تحليل قابليت اطمينان سيستم براساس دو مجموعه روابط و در نظرگيري سه مود خرابي روگذري موج، عرض تخريب سكو و تغييرشكل موج‌شكن با فرض سيستم سري انجام شده است. براساس تحليل انجام شده سيستم اول داراي احتمال خرابي 636/0 و سيستم دوم داراي احتمال خرابي 487/0 بوده كه اختلاف حدود 14/0 را نشان مي‌دهد. همچنين اثر تغييرات اقليمي در سيستم دوم باعث افزايش 5/1 درصدي احتمال خرابي شده در حالي كه در سيستم اول اين افزايش بسيار ناچيز بوده و مي‌توان نتيجه گرفت كه اثر تغييرات اقليمي در سيستم دوم بيشتر مي‌باشد. در بخش پاياني كاربرد شبكه‌هاي بيزين در بروزآوري احتمال خرابي با مشاهده جديد از متغيرهاي تصادفي و با در نظر گيري 6 سناريو ارتفاع موج، پريود موج و تراز سطح آّب براي بروزآوري احتمال خرابي اقدام شده است. در بررسي مودهاي خرابي مختلف، در تمام سناريوهاي بروزآوري، احتمال خرابي سكوي موج‌شكن بحراني‌تر از دو مود ديگر مي‌باشد. همچنين روند تغييرات احتمال خرابي در مود روگذري بسيار سريع بوده و با توجه به تاثير همزمان هر سه متغير تصادفي بروزشده در اين مدل، احتمال خرابي در سناريوي چهارم به بعد، به شدت كاهش مي‌يابد. احتمال خرابي مود تغييرشكل از مقدار كمتر از ارتفاع موج 5/4 متر به سمت صفر ميل كرده و اين مود خرابي فقط براي امواج شديد بحراني مي‌باشد.

1400/07/24

(Reliability evaluation of berm breakwaters (Case study Shahid Beheshti port breakwater

9/7/2022 12:00:00 AM

Due to high uncertainties in the marine environment, design based on deterministic analyses and the use of experimental formula to design coastal structures such as breakwaters have high uncertainty and will lead to an unknown level of structural safety during its life time. To consider the uncertainties in the marine environment, the use of probabilistic analysis can be a good approach to evaluate and design coastal and marine structures. Using reliability method that can evaluate the probability of failure or reliability index of a structure under different failure modes by considering uncertainties, has been used in this research for probabilistic evaluation of the Shahid Beheshti port berm breakwater in Chabahar. The results of this research include four parts. In the first part, the probabilistic evaluation of various models of recession in berm breakwaters is discussed. In probabilistic comparison of the six models of recession, Andersen-Burcharth model 2010 and Tørum model have the highest and lowest probability of berm failure with the values of 0.86 and 0.23 in the present climate, respectively. Andersen model 2014, which were modified model of Anderson- Burcharth, and the Van der Meer- Sigurdarson model, which have high reliability and have been developed using a large amount of data, have a failure probability of 0.4 and 0.6, respectively. Furthermore, the effects of climate change in all models except Van der Meer-Sigurdarson model increase the probability of failure by a maximum of 2 to 3%. The effects of change of mean and coefficient of variation of wave height, effects of water depth, berm freeboard and model uncertainty in calculating the probability of failure have been evaluated. Based on the sensitivity analysis, the parameters of wave height and wave period are the most important load parameters in all models and the parameters of armor mass and its density are the most important resistance parameters. In the second part, the probabilistic comparison of wave overtopping models in two states of vertical waves and oblique waves is discussed. In the first section, assuming waves perpendicular to the structure (inaccurate and conservative assumption), the probability of failure in seven models was investigated. By reliability analysis of seven wave overtopping models, the results show that the Pillai et al. and Andersen models have the highest probability of failure among the models with the values of about 0.64 and 0.6, respectively. After that, Van der Meer-Sigurdarson models of 2016 and 2012 and EurOtop 2018 model have the probability of failure relatively close to the previous two models with values of 0.55, 0.51 and 0.48, respectively. Furthermore, the two models of EurOtop 2007 and Van der Meer- Janssen with the values of 0.19 and 0.11 predict the lowest probability of failure. Most breakwaters designed in the past have used the Van der Meer-Johnson formula to control the overtopping, which, compared to newer models, has led to results with very low overtopping estimates. Based on the sensitivity analysis performed in different models, the wave height parameter is the most important load parameter. Furthermore, the effect of changes in the mean and coefficient of variation of wave height, the effect of crest freeboard and the allowable overtopping rate on the probability of overtopping failure have been evaluated. In the second part, the probabilistic comparison of wave overtopping models with the assumption of oblique waves (correct assumption) and the effect of climate change for five models that consider the effects of oblique waves, is done. In this section, the effect of oblique waves reduces the probability of failure in Van der Meer-Sigurdarson 2012, 2016 and EurOtop 2018 models by about 30%. Furthermore, the effect of climate change in these three models can increase the probability of failure by up to about 7%. In all the above analysis, comparing the types of reliability methods with Monte Carlo Sampling (MCS) method, it can be stated that Importance Sampling(IS) method has the least error and First Order Reliability Method(FORM) has an acceptable error in most models and Second Order Reliability Method(SORM) in some models with additional curvature have a relatively significant error. In the third part, the system reliability analysis is performed based on two sets of formula and considering three failure mode of wave overtopping failure, berm failure and reshaping of breakwater assuming the series system. According to the results, the first system has the probability of failure of 0.636 and the second system has the probability of failure of 0.487, which shows a difference of about 0.14. Furthermore, the effect of climate change in the second system has increased the probability of failure by 1.5%, while in the first system, this increase is very small, and it can be concluded that the effect of climate change in the second system is greater. In the final part, the application of Bayesian networks in updating the probability of failure by observing random variables and considering six scenarios of wave height, wave period and water level has been attempted to update the probability of failure. By evaluating different failure modes, in all update scenarios, the probability of berm failure is more critical than the other two modes. Furthermore, the trend of changes in the probability of failure in the overtopping mode is very fast and due to the simultaneous effect of three parameters including wave height, wave period and water level, the probability of failure in the fourth scenario onwards is greatly reduced. The probability of failure of the reshaping mode at a value less than the wave height of 4.5 meters tends to zero, and this failure mode is only critical for severe waves.

موج‌شكن‌هاي سكويي , تحليل قابليت اطمينان , قابليت اطمينان سيستم , شبكه‌هاي بيزين

Reliability analysis , Berm breakwater , System reliability , Bayesian Network