| Sažetak | The aim of the Thesis is to explore possibilities for improvement of the
existing long-term wave statistics for the design and analysis of ships and
offshore structures. Thus, the effect of spatial correlation among successive
sea states along the shipping route, the effects of intra-annual climate variability and wave directionality, the usage of wave data from different sources,
and the practical applicability of environmental contours are explored. The
introduction of new methods for the improvement of wave statistics is necessary and justified by the appearance and availability of a large amount of
data within the hindcast wave databases in the past two decades.
The first goal of the research is to include a spatial statistical correlation
between sea states that a ship encounters during a voyage to improve wave
scatter diagrams for the analysis of ship structures. The approach consists of
the computation of system reliability of a series of partially correlated events,
representing sea states that the ship encounters along the sailing route. It
was found that a spatial correlation may considerably reduce extreme vertical
wave bending moments.
Wave scatter diagrams can be generated from different wave data sources. Hence, a comparative analysis is performed on four different wave data
sources collected at the close geographical locations in the Adriatic Sea. Two
databases are collected in-situ measurements (RON project and Acqua Alta),
while the other two are obtained by wave hindcasting (ERA5 and WorldWaves Atlas).
The extreme significant wave heights predictions often neglect within-year
wave climate variability and wave directionality. Depending on a geographical region, local wind patterns and intra-annual climate variability could
have an influence on the long-term prediction of waves.
Based on the hindcast wind and wave data, annual extreme significant
wave heights generated by different wind patterns and for different months
are determined. Combined long-term extremes are then predicted by calculating system probability. It was found that considering the wave directionality,
and especially the seasonality of wave climate, leads to a prediction of larger
extreme significant wave heights.
Joint distributions consisting of the marginal distribution of significant
wave height and conditional distributions of peak wave periods are used as
a basis for the creation of environmental contours using the IFORM and ISORM methods. A possibility of environmental contour practical application
to the calculation of global wave loads upon ship structures is presented.
Based on the uncertainty assessment performed, conservative environmental
contours for the whole Adriatic are developed. |
| Sažetak (hrvatski) | I. Uvod
Opterećenja za projektiranje pomorskih konstrukcija uključuju valove,
vjetar, morske struje, led te razinu morske vode. Budući da morski valovi
obično predstavljaju dominantan tip opterećenja, predviđanje valova i s njima
povezane nesigurnosti presudne su za procjenu opterećenja i odziva pomorskih konstrukcija. Značajke stanja mora ovisne su o regiji i lokaciji te su
statistički stacionarni tijekom kratkog vremenskog razdoblja, dok je pretpostavka kako se dugoročna klima valova modelira kao veliki broj uzastopnih
stacionarnih, kratkoročnih stanja mora. Za definiranje valnih opterećenja
u fazama projektiranja i eksploatacije brodova koriste se statistike valova
dobivene iz raznih izvora, koje uglavnom dovode do različitih proračunatih
opterećenja pomorskih konstrukcija. Ta se odstupanja u opterećenjima koje
nastaju kao posljedica pretpostavki u modeliranju okoliša trebaju uzeti u
obzir u postupku racionalnog projektiranja i analize pomorskih konstrukcija
u vidu nesigurnosti ili neizvjesnosti.
Prilikom projektiranja i proračuna pomorskih konstrukcija, valno okruženje se obično opisuje pomoću tablice stanja mora koja sadrži združene
vjerojatnosti pojavljivanja značajnih valnih visina i prosječnih (ili vršnih)
valnih perioda. Za stacionarne pučinske konstrukcije tablice stanja mora su
često dostupne za određene lokacije te se izračun dugoročne raspodjele valnih
opterećenja ili njihovih ekstremnih vrijednosti može provesti provjerenim inženjerskim metodama [1]. Za brodove je pak problem ponešto složeniji zbog
njihove plovidbe različitim akvatorijima te nepredvidivog ljudskog djelovanja [2]. Poznavanje nesigurnosti uslijed proračunskih postupaka za predviđanje odziva pomorskih objekata na valovima i posljedičnih valnih opterećenja
osobito je važno danas, kada direktne proračunske metode postaju gotovo
standardni inženjerski alat u projektiranju i analizi sigurnosti konstrukcija.
Prilikom analize brodskih konstrukcija, uobičajena praksa nalaže korištenje pomorskog atlasa Global Wave Statistics (GWS) [3] kao izvora podataka
o statistici valova. Podaci iz GWS baze sakupljeni su dugogodišnjim promatranjem dobrovoljaca s trgovačkih brodova duž uobičajenih brodskih plovidbenih ruta. Brod prelazi različite valne zone različitim brzinama, stoga
je valne podatke potrebno kombinirati. Postupak spajanja različitih valnih
zona u zajedničku tablicu stanja mora dostupan je u IACS-ovim (Međunarodna udruga klasifikacijskih društava) preporukama br. 34. [4].
Podaci o valovima očitani iz IACS tablice stanja mora u Sjevernom Atlantiku zanemaruju mjesečnu i sezonsku varijabilnost jer se odnose na cijelu godinu. Zapravo, nedostaje istraživanja koja bi odredila posljedice na opterećenja brodova ako se dugoročna analiza provede za pojedine mjesece, sezonu
ili određeni obrazac vjetra i zatim kombinira u cjelogodišnje rezultate [5].
U analizi valnih opterećenja brodskih konstrukcija koristi se i pretpostavka statističke nezavisnosti kratkoročnih stacionarnih stanja mora s kojima se brod susreće tijekom određenog putovanja. Ova je pretpostavka
dvojbena zbog očite korelacije između uzastopnih stanja mora na određenoj
ruti. Mogući pristup prevladavanju ovog problema je predložen u [6], gdje
se pojedine valne zone na ruti broda razmatraju kao dijelovi probabilističkog
lanca. Glavni izazov predstavlja kvantificiranje koeficijenta korelacije takvog
sustava.
Tablice stanja mora se mogu definirati koristeći različite izvore podataka.
Osim vizualnim opažanjima, podaci o valovima dobivaju se mjerenjima s valnih plutača, nepokretnih oceanografskih tornjeva, radarima, laserima, stereo
kamerama itd. [7]. Valne plutače i oceanografski tornjevi smatraju se najtočnijim mjernim izvorom podataka. Međutim, kod primjene na brodskim
konstrukcijama imaju nedostatak jer se plutače nalaze van glavnih plovidbenih ruta i često su uslijed kvarova dulje vrijeme izvan upotrebe. Acqua Alta
u sjevernom Jadranu predstavlja rijedak primjer neprekinutih dugoročnih
mjerenja valova s oceanografskog tornja [8]. Posljednjih desetljeća, satelitska
mjerenja su postala važan izvor valnih podataka. Numerički valni modeli
treće generacije (WAM, SWAN, ...) koriste se za predviđanje valova na temelju podataka o polju vjetra. Numerički valni modeli prikladno kalibrirani
satelitskim mjerenjima smatraju se danas najsveobuhvatnijim izvorom podataka za dugoročni opis klime valova [7]. Numerički podatci dobiveni valnim
modelima karakterizirani su značajnim nesigurnostima uzrokovanim različitim prostornim i vremenskim rezolucijama. Odabir tablica valova dobivenih
iz raznih izvora rezultira međusobnim odstupanjima u predviđenim dugoročnim odzivima brodova i pučinskih objekata [1]. To može imati posljedice na
sigurnost konstrukcije s obzirom na njenu dinamičku izdržljivost i graničnu
čvrstoću [9, 10].
Konturni dijagrami valnog okoliša predstavljaju racionalan pristup definiranju ekstremnog stanja mora, opisanog značajnim valnim visinama te
vršnim valnim periodima. Konturnim dijagramima valova se opisuju kombinacije visina valova i valnih perioda koje rezultiraju određenom malom vjerojatnošću premašivanja odziva pomorskih konstrukcija. Konturni se dijagrami
razmatraju kao alternativa tablicama stanja mora kod analize pouzdanosti
i projektiranja pomorskih konstrukcija. Nesigurnosti konturnih dijagrama
se javljaju kao posljedica različiti metoda i pretpostavki koje se koriste pri
njihovu definiranju [11].
II. Cilj i hipoteze istraživanja
Cilj ovog rada je predložiti unapređenje postojeće statistike valova s ciljem
poboljšanja analize dugoročnih odziva pomorskih konstrukcija.
Hipoteze:
1. Razmatranje prostorne korelacije između stanja mora na ruti broda
može dovesti do pouzdanije analize dugoročnih odziva broda.
2. Usporedna analiza valnih podataka prikupljenih iz različitih izvora te
razmatrajući mjesečne i sezonske promjene omogućit će kvantificiranje
nesigurnosti dugoročne prognoze odziva.
3. Za područje Jadranskog mora mogu se korištenjem suvremenih simulacijskih postupaka definirati konturni dijagrami valnog okoliša, korisni
za karakterizaciju ekstremnih odziva pomorskih konstrukcija.
III. Materijali i metode
Učinci prostorne korelacije kratkoročnih stanja mora analizirani su pretpostavljajući značajne visine valova duž plovidbene rute u Sjevernom Atlantiku kao korelirane članove serijskog vjerojatnosnog sustava s pretpostavljenim koeficijentom korelacije. Razdioba vjerojatnosti značajnih valnih visina
je modelirana tro-parametarskom Weibullovom razdiobom. Monte Carlo simulacija korištena je za generiranje tablice stanja mora iz zajedničke razdiobe
vjerojatnosti valnih visina i perioda.
Dugoročne baze podataka dobivene na temelju satelitskih mjerenja, potvrđenih in-situ mjerenjima pomoću valnih plutača i simuliranih numeričkim
modeliranjem valova glavni su izvor podataka korišten u istraživanju. Primjer jedne takve baze je Oceanor World Waves Atlas, koji sadrži podatke za
39 ravnomjerno raspoređenih lokacija u Jadranskom moru. Za svaku lokaciju
dostupno je dvanaest fizikalnih parametara vjetra i valova u intervalima od
šest sati (četiri na dan). Podatci su dostupni za period od 28 godina počevši
od siječnja 1992. do prosinca 2019. Slična baza otvorenog pristupa je ERA5
baza, koja sadrži podatke za svjetska mora.
Komparativna analiza valnih podataka iz različitih izvora je provedena za
lokaciju u Jadranskom moru, gdje su dostupne četiri dugoročne baze podataka o valovima. Uz Oceanor i ERA5 baze, in-situ mjerenja za komparativnu
studiju dostupna su s valne plutače iz projekta RON te s oceanografskog tornja Acqua Alta.
Nesigurnosti vezane za mjesečne i sezonske varijabilnosti istražene su korištenjem podataka za Jadransko more iz Oceanorove baze podataka. Dugoročna razdioba značajnih valnih visina je određena vjerojatnosnim kombiniranjem ekstremnih vrijednosti određenih za svaki mjesec te uspoređena s
konvencionalnom metodom gdje se uzimaju u obzir prosječne godišnje ekstremne vrijednosti stanja mora. Sličan pristup korišten je i za razmatranje
učinka uzorka vjetra, gdje su dugoročne raspodjele definirane odvojeno za
valove generirane vjetrovima Bure, Juga, Maestrala i Lebića. Metoda je
korištena i za procjenu utjecaja mjesečnih varijabilnosti na ekstremne vrijednosti stanja mora uzduž prekooceanskih ruta brodova. Određene su i
posljedice koje mjesečne varijabilnosti mogu imati na ekstremna globalna
valna opterećenja brodskih konstrukcija.
Koristeći podatke iz Oceanor baze kreirani su konturni dijagrami valova
i perioda Jadranskog mora primjenom IFORM i ISORM metoda. Također
su istražene nesigurnosti konturnih dijagrama uslijed primjene različitih inicijalnih razdioba vjerojatnosti značajnih valnih visina. Predložen je način
kombiniranja konturnih dijagrama i ekstremnih valnih opterećenja brodskih
konstrukcija.
Polu-analitički izrazi za prijenosne funkcije, kao i uobičajene metode određivanja kratkoročnih i dugoročnih ekstremnih vrijednosti odziva brodskih
konstrukcija, su korišteni za brzo dobivanje procjena odziva broda, što je
prikladno za konceptualne analize u okviru predstavljenog istraživanja.
IV. Rezultati
Tablice stanja mora koje uzimaju u obzir utjecaj korelacije su određene za
različite koeficijente korelacije, od kojih su dvije prikazane u Tablici 3.1 i 3.2
(Publication I). Utjecaj korelacije na ekstremna dugoročna valna opterećenja ispitan je na tankerima za prijevoz nafte različitih veličina. Rezultati
sugeriraju smanjenje opterećenja kod porasta korelacije neovisno o veličini
broda, što je prikazano na Slici 3.1, gdje se vidi da je smanjenje ekstremnog valnog momenta savijanja 10% - 15% , za koeficijent korelacije 0,8 - 0,9.
Rezultati su validirani na način da su izračunate razdiobe vjerojatnosti vizualnih opažanja stanja mora s uključenim utjecajem korelacije uspoređeni s
podatcima iz ERA5 baze za isto područje plovidbe, gdje je pokazano da su
gustoće vjerojatnosti preklapaju za koeficijent korelacije od 0,8.
Utjecaj izvora podataka na odzive pomorskih konstrukcija je proveden
komparativnom analizom stanja mora i odziva za četiri različita izvora podataka o valovima prikupljenih na bliskim geografskim lokacijama u Jadranskom moru (Publication II). Dvije baze podataka dobivene su in-situ mjerenjima (valna plutača RON, oceanografski toranj Aqua Alta), dok su dvije
numeričke baze podataka valova (ERA5 i WWA). Utjecaj nesigurnosti na
različite aspekte projektiranja pomorskih konstrukcija je značajan. Dugoročne razdiobe valnog opterećenja barže su prikazane na Slici 3.2, gdje se
ekstremne vrijednosti za povratno razdoblje od 25 godina razlikuju za 30%.
Najveći utjecaj različiti izvori podataka imaju na akumulirani zamor materijala, gdje se procijenjeni životni vijek može razlikovati i do 3,3 puta.
Pokazano je i da se ukupni energetski potencijal na nekoj lokaciji može bitno
razlikovati, ovisno o valografskoj bazi podataka koja se koristi.
Utjecaj varijabilnosti klime valova unutar godine određen je za različite prekooceanske rute brodova (Publication III) i za Jadransko more
(Publication IV). U oba su slučaja dobivene značajne razlike ako se ekstremne vrijednosti prikupljaju za svaki mjesec, pa zatim kombiniraju na
godišnjoj razini, u odnosu na slučaj kad se samo godišnje ekstremne vrijednosti analiziraju. U najvećem broju slučajeva su ekstremi veći kad se uzimaju u obzir mjesečne varijacije nego kad se zanemare. Rezultati usporedbe
razdiobe značajnih valnih visina za dvije lokacije u Sjevernom Atlantiku su
prikazane na Slici 3.5 (Publication III). Utjecaj smjera vjetra je analiziran za Jadransko more i manji je od utjecaja mjesečnih varijacija valova
(Publication IV). Analiza raspodjela godišnjih maksimuma po smjerovima
nailaska ukazuje na dominaciju valova bure na sjevernoj i duž zapadne obale
Jadrana, dok jugo dominira preostalim područjem. Na najjužnijim lokacijama, u blizini Otrantskog tjesnaca, jak je utjecaj Jonskog mora, što uzrokuje
mješavinu različitih sustava vjetrova i valova. Posljedično, na tim mjestima
valni ekstremi nisu nužno pod dominantnim utjecajem juga ili bure.
Konturni dijagrami valnog okoliša, opisujući kombinacije značajnih valnih
visina i vršnih valnih perioda, definirani su za čitavo područje Jadranskog
mora korištenjem IFORM i ISORM metoda. Pokazano je da je ISORM
očekivano konzervativnija metoda u svim slučajevima. Primjer kontura je
prikazan na Slici 3.9 (Publication V). Pokazano je da na oblik konturnih
dijagrama veliki utjecaj ima parametar γ Weibullove 3-parametarske razdiobe, čije je određivanje često nepouzdano. Konturni dijagrami su prikazani
zajedno s dijagramima ekstremnih vrijednosti momenata savijanja na valovima, ukazujući na mogućnosti praktične primjene konturnih dijagrama kod
određivanja ekstremnih valnih opterećenja.
V. Zaključak
U doktorskom radu su istražene napredne metode za poboljšanje statistike
valova pri projektiranju i analizi pomorskih konstrukcija, uključujući korelaciju između stanja mora, unutargodišnju promjenjivost klime valova, utjecaj
smjera valova te primjenu konturnih dijagrama valnog okoliša. Primjena novih metoda je potrebna zbog dostupnosti baza podataka o valovima visoke
prostorne i vremenske razlučivosti, koje se postupno uvode kod projektiranja
brodskih i pomorskih konstrukcija.
Korelacija između uzastopnih stanja mora koja brod susreće na ruti je
iskorištena za prilagodbu tablica stanja mora, koje vode do značajnog smanjenja maksimalne značajne valne visine te sukladno tome i dugoročne raspodjele valnih opterećenja. Pokazano je da se može očekivati smanjenje
ekstremnih vertikalnih valnih momenata savijanja za 10% - 15% za realne
koeficijente korelacije.
Utjecaj izvora podataka o valovima na odzive pomorskih konstrukcija
može biti značajan, pogotovo na akumulirano zamorno oštećenje, koje se
može razlikovati za više od 3 puta ako se koriste različite baze s podatcima
o valovima prikupljenima na istoj lokaciji. Ekstremne vrijednosti globalnog valnog opterećenja mogu međusobno odstupati do 30%, a različiti izvori
podataka mogu rezultirati i bitno drugačijim procjenama energetskog poten-
cijala valova na datoj lokaciji.
Ukoliko se uključi u analizu, utjecaj varijabilnosti klime valova unutar godine može promijeniti ekstremne dugoročne valne momente savijanja brodova
do 10 %, a najčešće dolazi do povećanja valnog opterećenja. Rezultati dobiveni za prekooceanske rute su potvrđene i za specifični akvatorij Jadranskog
mora, za koji je određen i utjecaj usmjerenosti valova na ekstremne vrijednosti značajnih valnih visina. Utjecaj smjera valova na ekstremne vrijednosti
je primjetan, ali manji od utjecaja mjesečnih varijabilnosti.
Konturni dijagrami valova i perioda definirani su za čitavo područje Jadranskog mora, i mogu se preporučiti za primjenu u inženjerskoj praksi.
Konture za povratno razdoblje od 25 godina su primjenjive za projektiranje brodskih konstrukcija, a one za povratno razdoblje od 100 godina za
projektiranje odobalnih pomorskih konstrukcija. Jednogodišnje konture su
primjenjive za planiranje posebnih pomorskih operacija (npr. prijevoz teških
tereta). ISORM metoda je preporučena za definiranje konturnih dijagrama
jer je konzervativna u odnosu na IFORM metodu.
VI. Izvorni znanstveni doprinos
Izvorni znanstveni doprinosi provedenog istraživanja:
1. Unaprijeđena je tablica stanja mora za analizu brodskih konstrukcija,
definirana uzimjaući u obzir korelaciju između stanja mora koje brod
susreće tijekom plovidbe.
2. Kvantificirane su nesigurnosti dugoročnih razdioba vjerojatnosti stanja mora i pripadajućih odziva pomorskih konstrukcija, uzrokovanih
korištenjem podataka o valovima iz različitih izvora te razmatranjem
mjesečne i sezonske varijabilnosti klime valova.
3. Definirani su konturni dijagrami valova za Jadransko more te predložena njihova primjena za predviđanje ekstremnih odziva pomorskih
konstrukcija. |
