Wave Impact Loads

20
COPEDEC VI, 2003, Colombo, Sri Lanka 1 NEW GUIDANCE FOR WAVE FORCES ON JETTIES IN EXPOSED LOCATIONS by by K.J. McConnell 1 , N.W.H. Allsop 2 , G. Cuomo 3 and I.C. Cruickshank 4 1 INTRODUCTION 1.1 Background Trade activities of coastal nations rely on jetties for berthing of vessels for the loading and discharge of cargo. Traditionally, these facilities were constructed in sheltered locations or sheltered by breakwaters hence hydraulic loadings were relatively small. In recent years there has been increased demand for development of large single use industrial terminals (especially those for Liquid Natural Gas (LNG), and Liquid Petroleum Gas (LPG)) which require deep water and sheltered berths for larger vessels, but do not necessarily need shelter to the approach trestles carrying the delivery lines. These terminals are often required in remote locations where there is no wave shelter, no existing infrastructure and the construction of new protective breakwaters for the whole facility may not be cost effective. Therefore, in many instances the jetties and/or their approach trestles are being constructed in exposed locations without breakwater protection. Views of a typical jetty approach trestle are shown in Figures 1 and 2. Figure 1: Typical exposed jetty 1 Senior Engineer, HR Wallingford, Howbery Park, Wallingford, Oxon, UK, OX10 8BA, Tel: +44 (0)1491 822304, Fax: +44 (0)1491 832233, Email: [email protected] 2 Technical Director, Coastal Structures, HR Wallingford, UK & Visiting Professor, University of Southampton 3 Marie Curie Visiting Research Fellow, University of Rome 3, c/o HR Wallingford, UK 4 Principal Engineer & Project Manager, HR Wallingford, UK

Transcript of Wave Impact Loads

Page 1: Wave Impact Loads

COPEDEC VI, 2003, Colombo, Sri Lanka

1

NEW GUIDANCE FOR WAVE FORCES ON JETTIES IN EXPOSEDLOCATIONS

byby K.J. McConnell1, N.W.H. Allsop2, G. Cuomo3 and I.C. Cruickshank4

1  INTRODUCTION1.1  BackgroundTrade activities of coastal nations rely on jetties for berthing of vessels for the  loading and  dischargeof  cargo.    Traditionally,  these  facilities  were  constructed  in  sheltered  locations  or  sheltered  bybreakwaters hence hydraulic loadings were relatively small.

In  recent  years  there  has  been  increased  demand  for  development  of  large  single  use  industrialterminals  (especially  those  for  Liquid Natural Gas  (LNG),  and  Liquid Petroleum Gas  (LPG)) whichrequire deep water and sheltered berths for larger vessels, but do not necessarily need shelter to theapproach  trestles carrying  the delivery  lines. These  terminals are often  required  in  remote  locationswhere  there  is  no  wave  shelter,  no  existing  infrastructure  and  the  construction  of  new  protectivebreakwaters  for  the whole  facility may not be cost effective. Therefore,  in many  instances  the  jettiesand/or  their  approach  trestles  are  being  constructed  in  exposed  locations  without  breakwaterprotection. Views of a typical jetty approach trestle are shown in Figures 1 and 2.

Figure 1: Typical exposed jetty

                                                     1  Senior  Engineer,  HR  Wallingford,  Howbery  Park,  Wallingford,  Oxon,  UK,  OX10  8BA,  Tel:+44 (0)1491 822304, Fax: +44 (0)1491 832233, Email: [email protected]

2  Technical  Director,  Coastal  Structures,  HR  Wallingford,  UK  &  Visiting  Professor,  University  ofSouthampton

3 Marie Curie Visiting Research Fellow, University of Rome 3, c/o HR Wallingford, UK4 Principal Engineer & Project Manager, HR Wallingford, UK

Page 2: Wave Impact Loads

COPEDEC VI, 2003, Colombo, Sri Lanka

2

Figure 2: Typical approach trestle

Other  examples  of  exposed  jetties  include  small  jetties  on  open  coasts  in  tropical  regions  servingsmall fishing communities, ferry services and emergency access to remote locations. For most of theirdesign  life,  the  environmental  conditions  may  be  benign  but  occasionally  cyclone  and  hurricaneconditions hit, putting the exposed jetty under significant hydraulic loading.

1.2  Wave loadingsOf  particular  concern  in  these  locations  is  the  risk  of  occurrence  of  wave  forces  on  the  jettysuperstructure and the likely magnitude of such forces should they occur.   As well as being importantfor the design of structure elements, these loads need to be considered when assessing the potentialfor  damage  to  equipment  located  on  approach  trestles  and  jetty  heads.  There  are  also  potentialenvironmental  risks arising  from damage  to exposed  jetty  facilities, particularly  those carrying oil orother hazardous materials.

Existing  guidance  on  such  loadings  mainly  derives  from  the  offshore  industry.    In  this  field  anapproach  termed  the  'air  gap'  approach  is  generally  adopted  for  platform  design.    Following  thisapproach,  the maximum wave crest elevation  is predicted  for  the design condition and  the deck  (orsoffit)  level  is  located at an allowance or  'air gap' above  this elevation  to ensure a  low probability ofoccurrence of wave forces on the superstructure.

The 'air gap' approach is often adopted in the design of shore connected trestles and jetties, howeverthe design of structures  in  this environment may be dictated by other constraints which prevent  theadoption of  this method.   Constraints may  include vessel  freeboard at berth,  the need  for  loading  /offloading and  tidal range, all of which dictate practical deck  levels  to ensure efficient operations.    Inaddition  there  may  be  considerations  such  as  material  costs,  member  sizes  and  constructionmethodology.

In such cases there may be a risk of wave loads on the structure.  Methods available to the designerfor prediction of  the  forces are  limited, complex  to apply and practical guidance  for  their use  is notreadily available.

Page 3: Wave Impact Loads

COPEDEC VI, 2003, Colombo, Sri Lanka

3

1.3  The "exposed jetties" research projectIn  response  to  the  demand  for  design  guidance  for  predicting  wave  forces  on  jetties,  a  researchproject entitled  'hydraulic design of exposed  jetties' was undertaken at HR Wallingford  funded by  theUK  government.    The  project  was  guided  by  a  Project  Steering  Group  from  industry,  includingdesigners,  contractors  and  owners.    These  research  studies  reviewed  existing  knowledge  andundertook a new series of model tests to evaluate loads on deck elements and provide new guidancethat could be readily applied by the design engineer.

For the purposes of the project, an exposed jetty was defined as:

"A  solid  vertical  or  open  piled  structure,  possibly  with  cross-bracing,  providing  a  berth  or  berthsconstructed in a location where wave forces have a significant influence on the design"

"These structures can be remote from the land in deep water (where the influence of shallow water issmall) or in exposed locations such as marginal quays (where the influence of shallow water  impactsare more significant)"

2  MODEL TESTS2.1  Model set-up and test conditionsFollowing a review of available literature and methods for prediction of wave forces, a series of modeltests were designed.  The tests are described in more detail in Tirindelli et al (2002).

The  model  test  section  comprised  a  typical  jetty  head  on  cylindrical  piles  constructed  fromdownstanding cross-beams and a solid deck, contructed at a scale equivalent  to 1:25.   The modeldesign  was  developed  in  consultation  with  the  Project  Steering  Group  to  ensure  that  it  wasrepresentative of typical real structures, such as the jetty head shown in Figure 3.

Figure 3: Typical jetty head (courtesy Kier)

Page 4: Wave Impact Loads

COPEDEC VI, 2003, Colombo, Sri Lanka

4

Figure 4: Physical model in wave flume

The model was located in a 2-dimensional wave flume capable of generating random waves, Figure 4.Within  the  superstucture  of  the  model,  two  beam  and  two  deck  elements  were  fitted  with  forcetransducers, see Figure 5, which recorded force measurements at a sampling frequency of 200Hz.

During testing  it was clear that there could be strong 3-dimensional flow effects around the structure,particularly  as  the  structure  deck  was  inundated.    As  a  result,  an  additional  series  of  tests  wascompleted  with  panels  fixed  to  each  side  of  the  deck  to  prevent  3-dimensional  inundation  of  thestructure.  This provided data for the 2-d scenario which allowed 3-d effects to be quantified and alsoprovided a scenario  that was more comparable with some of  the prediction methods available whichconcentrated  on  2-d  scenarios.      In  addition,  a  third  test  series  was  undertaken  with  the  decksuperstructure  inverted such  that  the underside was a  flat deck.   This configuration did not  includeside panels.  Thus three configurations were tested as follows:

•  Configuration 1 - deck with downstand beams•  Configuration 2 - flat deck•  Configuration 3 - deck with downstand beams (as for configuration 1) with side panels to limit 3-d

flow effects.

The  test  programme  covered  a  range  of  wave  conditions  and  relative  water  and  deck  levels,summarised in Table 1.

Parameter Model Prototype (at 1:25)Hs (m) 0.1 - 0.22 2.5 - 5.5Tm (s) 1 - 3 5 - 15Water depth, h (m) 0.75, 0.6*** 18.75, 15***

Clearance, cl (m)0.06 - 0.16*0.01 - 0.11**

1.5 - 4*0.25 - 2.75*

Wave height to clearance ratio, Hs/cl 1.1 ñ 18Wave height to water depth ratio, Hs/h 0.13 ñ 0.33Relative water depth, h/Lm 0.1 0.48Sampling frequency (Hz) 200 40Notes:  * Configurations 1 & 3, ** Configuration 2, *** Configuration 3 only

Table 1: Range of test conditions

Page 5: Wave Impact Loads

COPEDEC VI, 2003, Colombo, Sri Lanka

5

B1 B2D1 D2

Waves

CB1

LB1

CB2 CB3 CB4 CB5

LB2

LB3

LB4

LEGEND

CB = CrossBeams

LB =LongitudinalBeams

B = BeamElements

D = Deck Slabs

A B C D = ForceTransducers

A B C D

Down-standing crossbeams(1.50 x 1.50 x 25.00)(60 x 60 x 1000)

6.50 / 260

Down-standinglongitudinal beams(2.50 x 2.50 x 27.50)(100 x 100 x 1100)

Deck slab

Slender element(1.50 x 1.50 x 5.00)(60 x 60 x 200)

7.50 / 300

27.50 / 1100

Deck element(0.5 x 5.00 x 5.00)(20 x 200 x 200)

25.001000

dia = 2.50 / 50

7.50 / 300

7.50 / 300

6.50 / 260 6.50 / 260 6.50 / 260

Figure 5: Underside of model deck showing measurement elements  Note: dimensions given as prototype (model)

2.2  Preliminary analysisThe  time  series  from  the  various  force measurements were  processed  to  extract  a  number  of  keyforce  parameters.   These were  identified  for  each  force  'event'  which  occurred  as  a wave  hit  thestructure.  One such event is shown in Figure 6, which defines the various force parameters, definedas:

Fmax Impact force (short duration, high magnitude)

Fqs+, v or h  Maximum positive  (upward or landward) quasi-static (pulsating) force

Fqs-, v or h  Maximum negative (downward or seaward) quasi-static (pulsating) force

Page 6: Wave Impact Loads

COPEDEC VI, 2003, Colombo, Sri Lanka

6

-4

-2

0

2

4

6

8

76.5 77 77.5 78 78.5 79 79.5

Time (s)

Force (N)

Fqs-

Fqs+

Fmax

Figure 6: Definition of force parameters (model units)

The extracted force parameters were then processed  to derive  the  force at 1/250  level  for each  test,that  is the average of the highest 4  loads  in 1000 waves.   For most  test conditions, many waves willhave generated  loads, so F1/250  is  relatively well supported.   For a  few  tests however,  there may berelatively  fewer  loads contributing  to F1/250 defined  in  this way, and  the measure may be  less stable.All the results presented in this paper are based on F1/250.

Preliminary analysis of the results and comparison with predictive models  is discussed  in Tirindelli etal (2002). The results of the analysis demonstrated that methods available (eg. Kaplan (1992, 1995),Shih  &  Anastasiou  (1992))  may  underpredict  wave  forces  on  jetty  components.    An  examplecomparison is shown in Figure 7 for seaward deck elements.

Figure 7: Comparison of measured and predicted uplift forces on jetty deck elements,after Tirindelli et al (2002) (model units)

3  RESULTS3.1  Discussion on presentation of resultsFollowing  on  from  the  analysis  described  in  Tirindelli  et  al  (2002),  the  data  were  processed  andpresented  in  dimensionless  format.    A  range  of  dimensionless  parameters  were  considered  for

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25

Hs (m)

F 1/250 (N)

MeasuredKaplan

Page 7: Wave Impact Loads

COPEDEC VI, 2003, Colombo, Sri Lanka

7

presentation  of  the  results,  in  order  to  provide  some  useful  means  of  using  the  data  for  forceprediction.

Firstly  a means  of  non-dimensionalising  the  forces was  considered.    From  the  perspective  of  thedesigner,  it was considered  that  the  force measurements might be most usefully be presented as afunction of a  force value  that can be easily calculated  from design  information.   A notional or  'basicwave  force' F*  is  therefore defined.   F*  is  calculated based on  the predicted maximum wave  crestelevation,  ηmax,  whilst  assuming  no  (water)  pressure  on  the  reverse  side  of  the  element.    F*  iscalculated  separately  for  vertical  and  horizontal  forces.    F*v  is  defined  by  a  simplified  pressuredistribution  using hydrostatic pressures, p1  and p2, at  the  top  and  bottom  of  the  particular  elementbeing considered.  F*h is calculated assuming a uniform pressure p2 over the base of the element.  F*vand F*h are defined in Figure 8, and can be calculated as follows:

22* pbbdApF lw

b bv

w l

⋅⋅≅⋅= ∫ ∫    (1)

( )22

max*

max pcbdApF lw

bc

hydhw

l

⋅−⋅=⋅= ∫ ∫ ηη

  for   hl bc +≤maxη (2)

( )2

21* ppbbdApF hw

b

bc

chydh

w

hl

l

+⋅⋅=⋅= ∫ ∫

+

  for   hl bc +>maxη (3)

where

p1 = [ηmax ñ (bh+cl)]·ρg (4)

p2 = (ηmax ñ cl)·ρg (5)

and

p1, p2  pressures at top and bottom of the elementbw  element width (perpendicular to direction of wave attack)bh  element depthbl  element length (in direction of wave attack)cl  clearance (distance between soffit level and still water level, SWL)ηmax  maximum wave crest elevation (relative to SWL).

Figure 8: Definition of 'basic wave forces' F*v and F*h

In order to derive the maximum wave crest elevation, ηmax, the maximum wave height, Hmax, must becalculated.  A method is given by Goda (1985) for a range of conditions and by Battjes & Groenendijk(2000) for shallow foreshores.  The maximum wave crest elevation, ηmax, can then be calculated fromHmax using various non-linear wave  theories.  In deep water, a simple approximation for ηmax  is given

Page 8: Wave Impact Loads

COPEDEC VI, 2003, Colombo, Sri Lanka

8

by Stansberg (1991).  This gave good agreement with Stream Function Theory and Fenton's Fouriertheory for the range of conditions tested, however for shallower water depths the more sophisticatedapproaches should be used.

The  dimensionless  forces,  Fqs/F*,  are  presented  against  the  dimensionless  parameter  (ηmaxñcl)/Hs,which describes  the  incident wave conditions and geometry.   When written  as  (ηmax/Hs)ñ(cl/Hs)  thisparameter describes the relative elevation of the wave crest (ηmax/Hs), often between 1.0 and 1.3, thenthe relative excess of the wave over the clearance (cl/Hs).  Over the test range, relatively little effect ofeither wave steepness or relative depth was detected  in these data, although that conclusion may bespecific to the relative size of the test elements considered.

The following forces were analysed and are discussed in this paper:

•  vertical upward acting force, Fvqs+ caused by slam on the underside of the deck or beam•  vertical downward acting force, Fvqs-  caused  by  inundation  of  the  deck  or  beam,  which  can

persist after the wave has passed beneath the structure•  horizontal landward force, Fhqs+ caused by the wave front hitting the beam•  horizontal landward force, Fhqs- caused  by  the  wave  hitting  the  back  of  the  beam, most

likely  due  to  the  wave  being  trapped  by  the  decksubstructure

It  should  be  noted  that  the  discussion  in  this  paper  concentrates  on  slowly-varying  or  quasi-staticforces (Fqs).  Shorter duration impact forces, Fmax, as defined in Figure 6, were also processed and arediscussed briefly in this paper.  Further discussion of these results will be given in Cuomo et al (2003).

In  some  cases  forces experienced by  the  outer,  seaward measurement  elements  differed  to  thoseexperienced by the internal elements, which were influenced by the deck configuration. In some casesbeams and deck elements showed significantly different behaviour and for some elements there was aclear influence of 3-dimensional effects.  The influence of each of these factors was assessed and thedata sorted such the the influence of these parameters could be identified.

Page 9: Wave Impact Loads

COPEDEC VI, 2003, Colombo, Sri Lanka

9

3.2  Vertical quasi-static forcesVertical loads on the seaward beam and deck elements were found to be relatively unaffected by theconfiguration of the test structure, and were similar  in magnitude for both element types.  These cantherefore  be  considered  together,  see  Figures  9  and  10  for  upward  and  downward  acting  forcesrespectively.  It is worth noting that the smooth deck tended to give lower element loads that the deckwith downstanding beams.

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8

( ηmax - cl ) / Hs

F vqs+ / F* v

Seaward elements - downstandbeam configurationSeaward elements - flat deckconfiguration

Figure 9: Vertical (upward) forces on seaward elements

-4

-3.5

-3

-2.5

-2

-1.5

-1

-0.5

0

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8( ηmax - cl ) / Hs

F vqs- / F* v

Seaward elements - downstandbeam configuration

Seaward elements - flat deckconfiguration

Figure 10: Vertical (downward) forces on seaward elements

Conditions  for  the  internal elements are more complex, with  the deck and beam elements showingdifferent trends. The results for upward and downward  loads on the  internal deck element are shownin  Figures  11  and  12  respectively.    Upward  loads  were  not  obviously  influenced  by  3-d  effects,however  local  3-dimensional  effects  did  significantly  influence  downward  loads,  resulting  in  largerloads than the simplified 2-d scenario.

Page 10: Wave Impact Loads

COPEDEC VI, 2003, Colombo, Sri Lanka

10

It is worth noting that the flat deck configuration also experienced  lower downward forces, most likelydue  to  the  fact  that  this  configuration  was  represented  simply  by  turning  the  deck  over  and  theresulting  upstanding  beams  will  have  blocked  3-dimensional  flow  effects  over  the  measurementelement to some degree.

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6

( ηmax - cl ) / Hs

F vqs+ / F* v

Internal deck

Figure 11:  Vertical (upward) forces on internal deck

-2

-1.8

-1.6

-1.4

-1.2

-1

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6

( ηmax - cl ) / Hs

F vqs- / F* v

Internal deck - 3-d effectsInternal deck - 2-d effects

Figure 12: Vertical (downward) forces on internal deck

Page 11: Wave Impact Loads

COPEDEC VI, 2003, Colombo, Sri Lanka

11

Vertical wave forces on the internal beam are also complex, but the loss of some test data resulted ina less clear trend than that  identified for the deck element.  Upward and downward forces are shownin Figures 13 and 14, respectively.

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6

( ηmax - cl ) / Hs

F vqs+ / F* v

Internal beam

Figure 13: Vertical (upward) forces on internal beam

-2.5

-2

-1.5

-1

-0.5

0

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6

( ηmax - cl ) / Hs

F vqs- / F* v

Internal beam

Figure 14: Vertical (downward) forces on internal beam

Some general observations can be made for vertical forces for all of the test elements:

•  For (ηmaxñcl)/Hs > 0.8, F*v seems to give a safe estimation of Fvqs+•  For (ηmaxñcl)/Hs < 0.8, downward forces are usually less than respective upward loads•  For  (ηmaxñcl)/Hs  <  1,  upward  and  downward  forces  increase  relative  to  F*v  as  (ηmaxñcl)/Hs

decreases•  For (ηmaxñcl)/Hs < 1, relative forces show significant scatter.

Page 12: Wave Impact Loads

COPEDEC VI, 2003, Colombo, Sri Lanka

12

3.3  Horizontal quasi-static forcesFor horizontal  forces on beams, seaward and  internal beam elements are considered separately asthe  loads on  internal beams are  influenced by  the deck structure, while  loads on  the seaward beamare unaffected by the structure configuration.  Positive forces, acting in the direction of wave attack i.e.landward,  Fhqs+  are  presented  in  Figures  15  and  16  for  seaward  and  internal  beams  respectively,plotted against (ηmaxñcl)/Hs.  The scatter for these data  is much less than for vertical  loads for almostall of the data, with scatter increasing for smaller values of (ηmaxñcl)/Hs.

0

2

4

6

8

10

12

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8

( ηmax - cl ) / Hs

F hqs+ / F* h

Seaward beam

Figure 15:Horizontal (shoreward) forces on seaward beams

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8

( ηmax - cl ) / Hs

F hqs+ / F* h

Internal beam

Figure 16: Horizontal (shoreward) forces on internal beams

Page 13: Wave Impact Loads

COPEDEC VI, 2003, Colombo, Sri Lanka

13

Seaward-acting (or negative) horizontal forces, Fhqs-, are shown in Figures 17 and 18 for seaward andinternal beams respectively.  The following can be noted:

•  For seaward elements,  landward  forces are generally greater  than negative (seaward) ones,  thedifference increasing with decreasing (ηmaxñcl)/Hs.

•  For internal elements, landward and seaward forces are of similar magnitude.

-3

-2

-1

0

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8

( ηmax - cl ) / Hs

F hqs-/ F*h

Seaward beam

Figure 17:Horizontal (seaward) forces on seaward beams

-4

-3.5

-3

-2.5

-2

-1.5

-1

-0.5

0

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8

( ηmax - cl ) / Hs

F hqs- / F* h

Internal beam

Figure 18: Horizontal (seaward) forces on internal beam

3.4  Wave impact forcesShort duration impact forces on beam and deck elements were also measured in the tests.  In order toassess  the  importance  of  impact  forces,  information  is  necessary  on  their  duration  and  also  thedynamic response characteristics for the structure in question.   Wave impact forces are not discussedin detail here, but a comparison  is given of vertical  impact  forces and quais-static  impact  forces  for

Page 14: Wave Impact Loads

COPEDEC VI, 2003, Colombo, Sri Lanka

14

each test,  where Fmax is the largest impact force recorded in a test and Fvqs+ is the quasi-static force at1/250  level.     The  results are presented  in Figure 19 where  it can be seen  that none of  the  impactforces measured  exceed  their  quasi-static  components  by more  than  4  times.    The magnitude  ofimpacts that can be measured will be limited by the sampling frequency of the instrumentation used, inthis case 200Hz (at model scale), as the sampling rate may miss the actual peak of the impact. Fastersampling frequencies may well result in higher magnitude, shorter duration events being registered.  Itshould also be noted that impact loads are very localised in nature and local pressures may be higherthan the average force acting on the element in question.  It should also be noted that there was somesignal  corruption  induced  by  dynamic  response  of measurement  instruments.   Dynamic  loads  andresponses will be discussed further in Cuomo et al (2003).

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8

(ηmax-cl) / Hs

F max / F vqs+

Seaward DeckInternal DeckSeaward BeamInternal Beam

Figure 19:Ratio of vertical impact forces to quasi-static forces

4  FORCE PREDICTIONThe  various data  sets  from  the model  tests  are  presented  in Figures  9  to  18  for  both  vertical  andhorizontal quasi-static forces.  Best fit regression lines fitted to each data set are shown by a solid lineon the graphs.  The general form of the regression line is :

b

s

l*qs

H)c(η

aF

F

−=

max

(6)

where

Fqs quasi-static force of interest (Fvqs+, Fvqs-, Fhqs+ or Fhqs-)F* 'basic wave force', either F*v or F*h, delined in Equations (1) to (3)cl  clearance (distance between soffit level and still water level, SWL)ηmax  maximum wave crest elevation (relative to SWL)a,b coefficients

Coefficients a and b for the various configurations are given below in Table 2 for vertical forces and inTable 3 for horizontal forces.

Page 15: Wave Impact Loads

COPEDEC VI, 2003, Colombo, Sri Lanka

15

Wave load and configuration a b

Upward vertical forces (seaward beam & deck) 0.82 0.61

Upward vertical forces (internal beam only) 0.84 0.66

Upward vertical forces (internal deck, 2 and 3-d effects) 0.71 0.71

Downward vertical forces (seaward beam & deck) -0.54 0.91

Downward vertical forces (internal beam only) -0.35 1.12

Downward vertical forces (internal deck, 2-d effects) -0.12 0.85

Downward vertical forces (internal deck, 3-d effects) -0.80 0.34

Table 2: Coefficients for calculation of vertical wave forces using Equation 6

Wave load and configuration a b

Shoreward horizontal forces, Fhqs+ (seaward beam) 0.45 1.56

Shoreward horizontal forces, Fhqs+ (internal beam) 0.72 2.30

Seaward horizontal forces, Fhqs- (seaward beam) -0.20 1.09

Seaward horizontal forces, Fhqs- (internal beam) -0.14 2.82

Table 3: Coefficients for calculation of horizontal wave forces using Equation 6

There is a significant degree of scatter  in the data  in Figures 9 to 18 and upper and  lower envelopeshave  also  been  fitted  to  the  data.   The  upper  bounds  can  be  calculated  by  applying  a  coefficient,Cupper, to Equation 6.  Similarly lower bounds can be calculated by applying a coefficient, Clower.

It is generally considered that the best estimate obtained from Equation 6 will be sufficient for design,although for critical elements the upper bound estimate may be used.  Uncertainty in wave loading willnormally be accounted for by applying safety factors during design.  The lower bound is not likely to beused in deterministic design, although it may be useful for probabilistic calculations.

Coefficients  for  the upper and  lower bounds are given  in Tables 4 and 5  for vertical and horizontalforces respectively.

Wave load and configuration C upper C lower

Upward vertical forces (seaward beam & deck) 1.5 0.5

Upward vertical forces (internal beam only) 1.4 0.5

Upward vertical forces (internal deck, 2 and 3-d effects) 2.2 0.1

Downward vertical forces (seaward beam & deck) 1.6 0.4

Downward vertical forces (internal beam only) 1.8 0.5

Downward vertical forces (internal deck, 2-d effects) 2.1 -

Downward vertical forces (internal deck, 3-d effects) 1.4 0.65

Table 4: Coefficients for upper and lower limits of vertical force data

Page 16: Wave Impact Loads

COPEDEC VI, 2003, Colombo, Sri Lanka

16

Wave load and configuration C upper C lowerShoreward horizontal forces, Fhqs+ (seaward beam) 2 0.25

Shoreward horizontal forces, Fhqs+ (internal beam) 1.8 -

Seaward horizontal forces, Fhqs- (seaward beam) 2 0.15

Seaward horizontal forces, Fhqs- (internal beam) 3 -

Table 5: Coefficients for upper and lower limits of horizontal force data

5  APPLICATION TO CASE STUDIESThe methods described above have been applied to a number of case studies.  These have includedjetty structures  in  relatively open water where exposure  is high, and also structures within harbourswhich are exposed to wave induced forces as structure elevations are close to the still water level, dueto operational requirements.

5.1  Case study 1: Damage to under-slung servicesDescriptionThe  method  given  in  Section  4  was  used  to  back-calculate  wave  forces  on  a  jetty  that  hadexperienced damage during a storm event.

The jetty is located within a harbour.  Despite being protected by breakwaters, it was exposed to fairlysevere waves during a storm. From descriptions of the storm and the reported overtopping of the jetty,it is estimated that the  incident wave conditions were approximately Hs=2.5m, estimated as having areturn period  in excess of 1:10 years.   This was assumed  to have a wave steepness of sm = 0.04,typical  for storm waves.   During  the storm, services slung beneath  the  jetty were damaged and  thepower supply to the end of the jetty failed.

This example addresses  the  partial  failure  of  pipe  fittings  beneath  the  jetty  deck.   The  pipes weresuspended by pipe hangers fitted to Halfen Channels cast into the soffit of the deck.  During the storm,the hangers were pushed sideways in the channels.

The  jetty  is  constructed  from a  concrete  slab with  longitudinal  beams  on  tubular  steel  piles.     Keyparameters are as follows:

Hs  = 2.5mHmax = 4.3m, using Goda (1985)Tm  = 7sMWL  = +1.6mOD (MHWS)Deck level  = +4.0mODSoffit level = +3.6mODTop of pipe = +3.2mODBottom of pipe  = +3.0mOD

Assuming  that  the  pipe  can  be  considered  as  a  beam,  the  following  parameters  are  defined  (seeFigure 8):

bl = 0.2m (pipe diameter)bh = 0.2 m (pipe diameter)bw assume 1m length (perpendicular to direction of wave attack)clearance, cl = 1.4m (bottom of pipe ñ MWL)ηmax  = 3.2m (=+4.8mOD), using Fenton (1988)

Force calculationsIn  order  to  assess  the  wave  forces  that  occurred  during  the  storm when  the  damaged  occurred,horizontal  forces on  the pipe are calculated,  treating  it as a downstand beam.   The  'basic horizontalwave  force',  F*h,  is  calculated  using  Equations  (1)  and  (2)  with  the  input  pressures,  p1  and  p2calculated using equations (4) and (5):

Page 17: Wave Impact Loads

COPEDEC VI, 2003, Colombo, Sri Lanka

17

p1 = 16.2 kN/m2

p2 = 18.2 kN/m2

F*h = 3.4 kN/m

The horizontal forces on the pipe can then be calculated using Equation 6 and coefficients from Table3, assuming the pipe can be considered as an  internal beam (a = 0.72, b=1.56, based on the data  inFigure 16).

The following parameter is required:

(ηmax ñ cl)/Hs = 0.72

The  horizontal  quasi-static  force  on  the  pipe,  acting  in  the  direction  of  wave  travel  is  thereforecalculated as:

Fhqs+ = 5.3kN/m

The pipe  supports had  a  capacity of 40  kN/fixing  for horizontal  sliding.   Each  cast  in  channel was2.25m long and carried three pipes.  Each support had two bolts giving a sliding capacity of 80 kN (2 x40kN).  The supports are at 4m centres along the pipes.  The weight of the pipe is taken as 0.3kN/m.

Maximum horizontal force per support is therefore:

Fhqs+ = 4m x 5.3kN/m = 21.2kN

The data for impact forces shown in Figure 19 demonstrates that short duration impact forces can beseveral times greater than quasi-static forces.  Figure 19 is for vertical forces however analysis of themodel  test  data  indicated  that  horizontal  impact measurements  showed  similar  relative  orders    ofmagnitude.   Thus  impact  forces may  be  up  to  4  times  the  quasi-static  force.    It  is  likely  that  lightcomponents such as pipework and  fixings will respond to these short duration  loadings and hence  itcan  be  assumed  that  the  pipe  supports  could  experience  forces  in  excess  of  80kN.    Thesecalculations demonstrate  that  the capacity of  the  fixings could have been exceeded by wave  loadsduring the storm, causing damage.

The assumption that the pipe acts like a beam on the structure is a simplification as the gap betweenpipe and soffit will mean  that  there  is also some  flow over  the pipe, constrained by  the deck, whichmay increase the wave loading on the pipe and which will also provide additional forces on the fixings.

5.2  Case study 2: wave-induced forces on a pierDescriptionA  new  ferry  terminal  comprises  a  200m  long  central  pier,  with  pairs  of  dolphins  on  either  sidesupporting vehicle access bridges and passenger access walkways.   The central pier  is designed tofunction  as  a wave  absorbing  structure  to  reduce wave  reflections  and  transmission.    The  pier  isessentially constructed as a concrete box divided  into a series of chambers with  large voids  in  thesides, located around the water line to provide energy dissipation.  The box is supported on piles witha soffit level at +1.5m CD and a deck level of +12m CD.  The tidal range at the terminal is 7m and seabed levels at the berth are around ñ9mCD.

The geometry of the structure and  its secondary function to absorb wave energy prevented adoptionof an air-gap approach, by raising the structure above the maximum water level.  Wave forces on thestructure therefore had to be considered.  Loads on the structure during construction were of particularconcern, as the individual precast elements forming the pier box construction were lowered into place.Excess loading prior to fixing of these elements could lead to displacement of the units.

Wave-induced forces were assessed for the following components:

•  Precast concrete units forming the soffit of the central pier•  Vehicle access bridges

Wave conditionsThe new ferry terminal  is  located within a harbour and  is relatively sheltered from storm waves.  Thesite is however exposed to long period swell waves that propagate into the harbour.

Page 18: Wave Impact Loads

COPEDEC VI, 2003, Colombo, Sri Lanka

18

Wave measurements  from a physical model study were available for points along  the structure  for arange of  return periods up  to 1:50 years.   These were extrapolated  to estimate conditions  for moreextreme return periods.

 In order to derive maximum wave crest elevations for use in wave force calculations,  Hmax had to bedetermined.     The maximum wave height, Hmax, was calculated as 1.8Hs, using  the method of Goda(1985).     The maximum wave  crest  elevation was  then  calculated  for  a  range  of  conditions,  usingFenton (1988).

Quasi-static force calculationsVertical uplift forces on the underside of the elements (at +1.5mCD) were of particular  interest  in thedesign of the pier.  The underside of the precast elements was flat with no downstand beams.   Clearlywith such a  large  tidal  range  there will be scenarios where  the units are partially submerged.   Themost critical case for vertical wave forces on the soffit elements was considered to be when the waterlevel was close to the level of the base of the units.  As a result wave forces were calculated for waterlevels close to the soffit level, giving small clearance, cl, values.

Equation (1) was used  to calculate  the ëbasic wave  forceí F*v, per metre area of  the soffit elements.This was  then  used  to  calculate  the quasi-static  vertical wave  forces using Equation  (6),  using  thecoefficients for seaward beam and deck elements, based on the data shown in Figure 9.  The resultsare summarised in Table 6.  The 1:1 year conditions are of interest for the construction scenario.  The1:50 and 1:500 year conditions are of  interest  for  the permanent scenario and show  the variation  inwave forces with increasing wave height.

It should be noted that the Table includes results at +1.5mCD, the scenario where the water level is incontact with  the underside of  the deck,  i.e. zero clearance.   This  is outside  the  range of conditionstested  and  therefore  represents  extrapolation  beyond  the  region  of  validity.    From  the  resultspresented this suggests increased forces where the water level is at or very close to the underside ofthe structure, as might be expected.

Wavecondition

return period

SWL Hs Tm Hmax ηmax (ηmax-cl)/Hs F*v Fvqs+

years mCD m s m m - kN/m2 kN/m2

+1mCD 1 9 1.8 1.05 0.53 5.6 6.61:1

+1.5mCD 1 9 1.8 1.03 1.05 10.4 8.4

+1mCD 1.36 10 2.45 1.53 0.76 10.2 101:50

+1.5mCD 1.36 10 2.45 1.51 1.13 15.5 11.8

+1mCD 1.57 11 2.82 1.86 0.87 13.7 12.31:100

+1.5mCD 1.57 11 2.82 1.83 1.18 18.5 13.8

Table 6: Case study 2 - summary of results

Comparison  of  the  conditions  shown  in Table  6 with  the model  test  results  presented  in  Figure  9allows some assessment of the potential variability  in wave forces.  The data for the flat deck  is alsopresented in Figure 9, generally giving  lower forces that the equivalent tests for the downstand beamconfiguration.  As the soffit elements do not have downstand elements it is likely that they will behavemore like the flat deck configuration and so the forces in Table 6 might be considered to be an upperlimit for vertical quasi-static forces on the structure.

Impact forcesImpact forces had to be assessed to check the risk of overall uplift of the relatively  lightweight bridgeunits and soffit units during the construction scenario, before they were fixed in place. Determination ofan appropriate ratio of Fmax to Fqs+ was based on judgement of the importance of a structural member

Page 19: Wave Impact Loads

COPEDEC VI, 2003, Colombo, Sri Lanka

19

and its ability to respond globally to short-duration forces. Ratios in the range of 3 to 4 are plausible byinspection of Figure 19, suggesting short duration vertical  impact  forces on  the  lightweight elementsmay be up to 4 times greater than quasi-static vertical forces.

5.3  Case study: wave forces on a quay in the vicinity of reflective wallsDescriptionA ferry quay  is  located within a harbour, sheltered by a main breakwater.   The quay deck  level  is at+3.5mCD and  the soffit  level  is +2.5mCD.   The  local bed  level  is around ñ10mCD.    It  is consideredthat there is some risk of the deck of the quay experiencing wave forces under certain conditions.

Wave conditions at  the quay are complicated by waves  reflected  from parts of  the quay  itself, so atsome points  it  is possible  that  incident and  reflected waves may  combine.   For  these  calculations,some simplifying assumptions on  the possible addition of wave energy were made, using assumedreflection coefficients, in the absence of more detailed site specific data.

The following extreme incident wave conditions were available from model studies:

Hs = 2.5mTp = 12s (assume Tm = 0.87 Tp = 10.4s)Hmax = 4.0m

In  the  vicinity  of  the  quay,  there  are  a  combination  of  solid  vertical  wall  and  perforated  chambersections  which  will  have  different  reflection  characteristics.    The  reflection  performance  of  theperforated  chamber  sections  will  be  very  dependent  on  the  wave  period  of  the  incident  waveconditions, as  these  structures  are  generally  tuned  to  give  the  reflection  coefficients  quoted  aboveover  only  a  narrow  range  of  wave  periods.    They  are  normally  tuned  for  short  period,  frequentlyoccurring wave conditions as these will be the conditions that affect day to day operations within theharbour.  Thus reflection performance for longer wave periods will be poorer, tending towards that of asimple vertical wall.  Assuming  therefore that wave reflections  in the vicinity of the quay are close  to100%, an estimate of maximum wave height at  the quay due  to  incident and  reflected wave energycan be made by summing  the energies of  the  two wave components.   This calculation  is made  forboth Hs and Hmax, as follows:

Hs(i+r) = (Hs(i)2 + Hs(r)2)0.5 = (2.52 + 2.52)0.5 = 3.5m

Hmax(i+r) = (Hmax(i)2 + Hmax(r)2)0.5 = (42 + 42)0.5 = 5.7m

where

i  denotes incident waver  denotes reflected wavei+r  denotes incident and reflected wave.

The  first  stage  in  estimating  the  occurrence  of wave  forces  is  to  determine maximum wave  crestelevation  for  the  design  wave  condition,  ηmax.    Calculations  are  done  for  two  water  levels,LLW = 0.0mCD and HHW = +2.0mCD, using Fenton (1988) as for Case study 2.

LLW = 0.0mCD  ηmax = 4.48mHHW = +2.0mCD  ηmax = 4.2m

Vertical uplift wave forces on the quay deck can then be calculated following the same methodology ofCase  study  2,  using  coefficients  for  exterior  beam  and  deck  from  Table  2.        The  results  aresummarised in Table 7.

SWL Hs(i+r) Tm Hmax(i+r) ηmax (ηmax-cl)/Hs F*v Fvqs+mCD m s m m - kN/m2 kN/m2

+0mCD 3.5 10.4 5.7 4.5 0.56 20.2 23.3

+2mCD 3.5 10.4 5.7 4.2 1.05 37.4 29.8

Table 7: Case study 3 - summary of results

Page 20: Wave Impact Loads

COPEDEC VI, 2003, Colombo, Sri Lanka

20

It  is worth noting  that  there  is significant  inundation of  the deck of  the quay under  these conditions(deck level at +3.5mCD).  Inspection of Figures 9 and 10 show that downward inudation forces on thedeck can be close to the upward acting forces which act on the underside of deck and beam elements.

6  CONCLUSIONSThe paper has summarised model  tests undertaken as part of a UK government research project  toquantify wave forces on jetties in exposed locations.  A method for prediction of wave forces on deckand beam elements  is presented.   A series of case study examples demonstrate application of  themethod to real scenarios.

7  ACKNOWLEDGEMENTSModel  tests and analysis described  in  this paper were undertaken by Matteo Tirindelli and GiovanniCuomo.    The  authors wish  to  acknowledge  the  following  contributors  to  the  research  project:  theIndustrial Steering Committee of DTI PII Project 39/5/130 cc2035 who provided practical guidance andcase study information as well as photographs acknowledged in the paper; Matteo Tirindelli and Prof.Alberto  Lamberti  University  of  Bologna;  Prof.  Leopoldo  Franco,  University  of  Rome  3;  visitingresearchers Amjad-Mohammed Saleem and Oliver de Rooij.

Giovanni Cuomo's  studentship was  supported  by  EU Marie Curie  Fellowship, HR Wallingford  andUniversity of Rome 3.

8  REFERENCESBattjes  J.A. & Groenendijk H.W.  (2000)  "Wave  height  distributions  on  shallow  foreshores" CoastalEngineering Vol 40 pp161-182, Elsevier Science.

Cuomo G., Allsop N.W.H., McConnell K.J. (2003) "Dynamic wave loads on coastal structures: analysisof impulsive and pulsating wave loads" Proc. Conf. Coastal Structures 2003, ASCE / CPRI, Portland

Fenton  J.D.  (1988)  "The  numerical  solution  of  steady  water  wave  problems"  Computers  andGeosciences 14(3) 357-368, 1988.

Goda Y. (1985) "Random seas and maritime structures" University of Tokyo Press, Tokyo.

HR Wallingford (2003) "Wave loads on exposed jetties" Report SR583, August 2003.

Kaplan  P.  (1992)  "Wave  Impact  Forces  on  Offshore  Structures:  Re-examination  and  NewInterpretations" Paper OTC 6814, 24th OTC, Houston, Offshore Technology Conference

Kaplan P., Murray J.J. & Yu W.C.  (1995)  ìTheoretical Analysis of Wave  Impact Forces on PlatformDeck  Structuresî  Volume  1-A  Offshore  Technology,  OMAE  Copenhagen,  June  1995,  OffshoreMechanics and Arctic Engineering Conference

McConnell K.J., Allsop N.W.H.  and Cruickshank  I.C  (2003)  "Guidelines  for  the  design  of  exposedjetties" TO BE PUBLISHED.

Shih R.W.K. & Anastasiou K.  (1992)  "A Laboratory Study of  the Wave-induced Vertical Loading onPlatform Decks"  Proc.  ICE, Water Maritime  and  Energy,  Vol.  96, No  1,  pp  19-33,  publn  ThomasTelford, London.

Tirindelli M., Cuomo G., Allsop N.W.H. & McConnell K.J. (2002) "Exposed jetties: inconsistencies andgaps in design methods for wave-induced forces" Coastal Conundrums, 28th International Coastal onCoastal Engineering, ICCE 2002, Cardiff UK, ASCE, USA.

Tirindelli M., Cuomo G., Allsop N.W.H. & McConnell K.J.  (2003)  ìPhysical model  studies  of wave-induced  forces on exposed  jetties:  towards new prediction  formulaeî Proc. Conf. Coastal Structures2003, ASCE / CPRI, Portland.