Measuring impact loads on rigid coastal structures

Abstract

The aim of this work is the study of laboratory effects on the measurement of wave impact induced loads on rigid maritime structures. A high number of experiments (more then 4000 using regular wave attacks) have been carried out in the small scale wave flume "CIEMito" in the laboratory of the LIM-UPC BarcelonaTech. The effects on the results of sample frequency, measurement systems and experimental layout has been deeply studied. A high number of repetitions of the same wave attack has been performed in order to have statistically robust results since the almost-random behavior of the studied phenomenon. -Sample frequencies from 50 to 19200 Hz - Load cells, pressure transducers and an innovative tactile pressure map - Six different experimental layouts effects have been tested The maximum results of force and pressures have been always measured at the maximum sample frequency. Differences of the 150% has been found between the measurements at 50 and 19200 Hz. The total load measured considering all the width of the flume tends to sub estimate the total force measured only in a slice in the middle of the flume. Even if the average value is comparable, the pressure transducers tends to return much spread results than the load cells. The tactile pressure mapping system stands out for his very high spatial density (196 sensels in a 49cm2 area) but an experimental specific calibration and an ad-hoc set-up are necessary for the utilization with water and in order to can collect reliable results comparable with the classic measurement systems. For this work 3 types of calibration methodology have been compared: static, instrumented pendulum and water jets. The last has to be considered the best choice and the selected for the definitive tests. Among all the results the ones to be highlighted are: the integral of pressures (the force applied over the whole sensor) acting on the tactile sensor differ from simultaneous load cell measurements by less than ±20%. The pressure mapping system tends to underestimate the pressure peak. However, if the average values of the 3, 5 and 10 highest peaks are considered they differ by up to ±10%. Has been shown a reduction effect of the pressure peak when pressure measurement systems are coupled with load cells. A perfect set-up for these kind of measurement hasn't found yet but the combination of the three measurement systems seems to be the best possible solution. Load cells return a direct and reliable result of the total load, but the set-up could be complicated especially at large scales. The pressure mapping system neither seems to be the perfect alternative to the pressure transducers and a combined use is suggested for these experiments that require a high level of precision both in space and magnitude. A sample frequency around 4000 Hz, for small scale experiments, present the right combination between sample density, memory storage and added signal noise for the correct characterization of the impulsive phenomenon of the wave generated violent impact loads on rigid structures. Considering a working scale in between 1/50 and 1/100, a frequency of 500Hz is proposed for measurement at full scale. Following these methodologic recommendations not only will permit better and more reliable measurement but also will permit a better comprehension/evaluation of the test and analysis uncertainties. In this manner it will be possible to extrapolate, in a reliable way, scale test results to the design process of breakwaters.

Esta tesis se centra en el estudio de efectos de laboratorio que tienen lugar durante la medida de impactos violentos generados por olas rompientes sobre estructuras rígidas. Para su fin, se ha llevado a cabo una extensa campaña experimental en el canal de pequeña escala CIEMito del LIM-UPC BarcelonaTech y se ha realizado más de 4000 ensayos con oleajes regulares. Se ha analizado el efecto de la frecuencia de muestreo, la tipología del sistema de medida y el layout experimental en los resultados registrados. Tras confirmar experimentalmente el comportamiento prácticamente aleatorio del fenómeno y, para poder realizar comparativas estadísticamente validas, se ha realizado un alto número de repeticiones del mismo oleaje. Se ha analizado en particular los siguientes efectos: - Frecuencias de muestreo entre 50 y 19200 kHz - Células de carga, sensores de presión y un innovador sistema táctil de medidas de presión - Seis diferentes layouts experimentales. Los máximos resultados de fuerza y presión se han medido siempre a la máxima frecuencia de muestreo y se han obtenido diferencias del orden del 150% con los ensayos muestreados a 50 Hz. La resultante medida de la fuerza en todo el ancho del canal tiende a subestimar el valor de la fuerza cuando se compara con medidas en la porción central. Aunque en valor promedio los resultados son comparables, en el caso de los sensores de presión los resultados son más dispersos en comparación con los resultados de las células de carga. El sensor táctil de presión destaca por su elevada densidad espacial (196 sensores en un área de 49cm2) pero en su contra, requiere de una calibración dinámica y un set-up particular para su utilización en agua y para que los resultados sean comparables con los de los sistemas clásicos de medida. Para este trabajo se comparó una calibración con la caída de un martillo y con la caída de un volumen controlado de agua, siendo ésta última la seleccionada para estos ensayos. Entre los resultados obtenidos se destacaque a partir de una comparativa directa entre la integral de las presiones medidas del sensor táctil calibrado y la fuerza medida en la misma área por una célula de carga, se ha evidenciado errores del orden del ±20%. El sensor táctil tiende a subestimar las presiones de pico, aunque si se consideran los valores extremos medidos, los errores son del ±10%. Se ha evidenciado también un efecto de reducción del pico de presión cuando las medidas de presión están acopladas con medidas de células de carga. Aunque no hay una alternativa perfecta para esta tipología de medidas la combinación de los tres sensores parece la mejor solución posible. Las células de carga dan un resultado directo y muy fiable de la fuerza total, pero su instalación, sobretodo en ensayos de gran escala puede ser complicada. El sensor táctil tampoco se presenta como la alternativa absoluta a los sensores de presión y se aconseja un uso combinado para ensayos que requieran más altos niveles de precisión espacial que en magnitud. Una frecuencia de muestreo entorno a 4000 Hz en ensayos a pequeña escala presenta la justa combinación entre velocidad de muestreo y cantidad de datos registrados para detectar el fenómeno impulsivo generado por el impacto violento del oleaje en estructuras rígidas. Si se considera que se ha trabajado con una escala de trabajo alrededor entre 1/50 y 1/100, se propone una frecuencia de muestreo a escala prototipo entorno a 500 Hz. El seguimiento de estas recomendaciones metodológicas permite no sólo generar unas medidas más fiables sino también permitirá una mejor comprensión/evaluación de las posibles incertidumbres en fase de ensayo y análisis de datos. Una correcta medida del fenómeno impulsivo del impacto del oleaje en estructuras rígidas aporta más fiabilidad al proyecto de estructuras rompeolas