Para acceder a los documentos con el texto completo, por favor, siga el siguiente enlace: http://hdl.handle.net/2099.1/15445

Impact forces on a vertical pile from plunging breaking waves;
Forces d’impacte sobre una pila vertical degut al trencament d’onades tipus plunging
Ros Collados, Xavier
Universitat Politècnica de Catalunya. Departament d'Enginyeria Hidràulica, Marítima i Ambiental; Sánchez-Arcilla Conejo, Agustín; Asgeir Arntsen, Oivind
There is at the moment some concern and uncertainty on slamming wave forces due to plunging breaking waves on truss structures as support structures for windmills in shallow water. Some work has been done on the wave slamming forces on single vertical and inclined piles, e.g. Goda et al. (1966), Sawaragi and Nochino (1984), Tanimoto et al. (1986) or Wienke and Oumeraci (2005). The slamming force is generally written as Fs = 0.5ρwCsDcb 2ληb, where Cs is a slamming force factor, cb is the breaking wave celerity (the water particle velocity is set equal to the wave celerity at breaking), ηb is the wave crest height at breaking and λ is the curling factor which indicates how much of the wave crest is active in the slamming force. For a vertical pile the value of λ has been reported to be in the range λ = 0.2 – 0.5. The value of Cs has been reported to be in the range Cs = π - 2π, while the duration of the slamming force has been reported to be in the range τ = (0.25D/cb) – (0.5D/cb). The test results of impact forces from plunging breaking waves show a considerable scatter. This is inherent due to the nature of the issue. In order to gain some more insight in the problem it was decided to carry out another study on the issue of impact forces from plunging waves on a vertical pile, Ros (2011), with a different test set-up, different instrumentation and different analysis methods than reported before. A pile with diameter D = 0.06 m is instrumented with six ring force transducers at different elevations. All the tests were run with regular waves with frequencies around 0.5 Hz or periods around T = 2.0 s. The wave heights were varied and the highest waves were around H = 30 cm at the pile with crest heights ηb = 25 cm. One of the problems with high intensity and short duration forces is to measure the actual force. Ideally one should have an almost indefinitely stiff measuring system. But then this system would be so stiff that the necessary sensitivity is lost. Hence acompromise is made such that what is measured is the response, which is not the force, due to dynamic effects on the mass-spring system the transducer represents. The challenge is then the analysis of the response to arrive at the force. We applied the Duhamel integral, which requires some knowledge on the wave slamming force, which is the parameter we are seeking. We have in our case assumed a triangular impulse load, similar to Goda et al. (1966), but with a duration similar to Wienke and Oumeraci (2005), and some rise time. The sampling frequency during testing was 20 kHz. The natural frequencies of oscillation of the individual transducers were measured during pluck tests to be 900 Hz in the beginning of the oscillations to about 250 Hz later. This could be due to different modes of oscillations of the transducer. During the slamming force tests the added mass will be changed during the impact, hence also the natural frequency of oscillations. The procedure of analysis was then to start with an assumed value of the force, Fo, and possible rise time and adjust them by trial-and-error such that the calculated value and the time location of the first response peak corresponded to the first peak of the measured response signal.
En aquests moments hi ha una certa preocupació i incertesa pel que fa a les forces d’impacte d’onades trencants tipus plunging sobre estructures de gelosia i estructures de suport per a molins de vent en aigües somes. S’han dut a terme alguns treballs sobre les forces d’impacte sobre piles verticals i inclinades com ara Goda et al. (1966), Sawaragi i Nochino (1984), Tanimoto et al. (1986) o Wienke i Oumeraci (2005). La força d’impacte s’escriu generalment com Fs = 0.5ρwCsDcb 2ληb, on Cs és el factor d’impacte, cb és la celeritat de l’onada que trenca (la velocitat de les partícules d’aigua es considera igual a la celeritat d’ona en trencament), ηb és l’alçada de la cresta d’ona en trencament i λ és l’anomenat curling factor que indica com d’activa és la cresta de l’onada en l’impacte. Per a una pila vertical el valor de λ es troba entre λ = 0.2 – 0.5. El valor de Cs, segons els estudis, es situa entre Cs = π - 2π, mentre que la durada de l’impacte es troba dins del rang τ = (0.25D/cb) – (0.5D/cb). Les forces d’impacte resultants dels tests amb trencaments tipus plunging mostren una considerable dispersió, fet inherent del fenòmen en qüestió. Per tal d’aprofundir més en el tema es va decidir portar a terme un nou estudi del problema sobre una pila vertical, Ros (2011), amb un muntatge diferent, diferent instrumentació i diferent metodologia de l’emprada amb anterioritat . La pila, amb diàmetre D = 0.06 m, consta de sis anells transductors de força a diferents alçades. Tots els tests es van dur a terme amb onades regulars i freqüencies al voltant dels 0.5 Hz o períodes de T = 2.0 s. Es va variar l’alçada d’ona, arrivant a una màxima de H = 30 cm just a la pila amb alçades de cresta de ηb = 25 cm. Un dels problemes amb les forces d’alta intensitat i poca durada és el mesurar la força mateixa. Idealment un hauria de tenir un sistema de mesura indefinidament rígid. Però aleshores seria tan rígid que la sensibilitat es perdria. Així el que es va fer és mesurar la resposta, que no és el mateix que la força, degut als efectes dinàmics sobre el sistema masa-molla que representa el transductor. El repte és, doncs, l’anàlisi de la resposta per tal d’arribar a trobar la força. Es va aplicar la intregral de Duhamel, procediment que requereix un cert coneixement a priori de la força d’impacte, la qual és precisament el paràmetre que es busca. En aquest cas es va assumir una càrrega d’impacte triangular similar a Goda et al. (1966), però amb una durada semblant a la de Wienke i Oumeraci (2005), i amb un cert temps de pujada. La freqüència de mostreig durant els test va ser de 20 kHz. La freqüència natural d’oscil·lació dels transductors es va mesurar individualment obtenint resultats de uns 900 Hz en les primeres oscil·lacions fins a 250 Hz tot seguit. Això pot ser degut a que el transductor tingui diferents modes d’oscil·lació. Durant els tests d’impacte existeix un efecte de massa afegida que també pot fer variar la freqüencia natural d’oscil·lació. El procediment d’anàlisi va ser, doncs, assumir una força, Fo, i un possible temps de pujada i ajustar-los per prova i error de tal manera que el valor calculat i la posició temporal del primer pic de la resposta calculada coincideixin amb el primer pic corresponent a la senyal de la resposta mesurada.
Àrees temàtiques de la UPC::Enginyeria civil
Àrees temàtiques de la UPC::Enginyeria civil::Enginyeria hidràulica, marítima i sanitària
Hydrodynamics
Slamming factor
Curling factor
Vertical pile
Plunging breaker
Impact forces
Factor d’impacte
Forces d’impacte
Pila vertical
Onades -- Tesines
Hidrodinàmica -- Tesines
Dics -- Tesines
info:eu-repo/semantics/bachelorThesis
Universitat Politècnica de Catalunya
         

Mostrar el registro completo del ítem

Documentos relacionados

Otros documentos del mismo autor/a