Probabilistic Analysis of Caisson Sliding of Vertical Breakwater Considering Climate Change Impacts

Abstract

Coastal structures have been generally designed by the deterministic design method in which a structure is designed with a certain margin of safety using the characteristic values (e.g., mean) of design variables. However, because the design variables such as wave height and period have inherent uncertainties, the characteristic values cannot represent the statistical variabilities of the design variables. Moreover, the structural stability has been significantly influenced by the increased uncertainties of design variables due to climate change. Therefore, it is required to develop the probabilistic design methods to consider these uncertainties. Probabilistic design methods consider not only the statistical characteristics of design variables but also the target safety level depending on the importance of the structure, so that the structures satisfying target performance can be effectively and economically designed. In this study, we used conventional reliability-based design method which is classified into three levels, the first-passage probability method based on the stochastic process and performance-based design method. While the first two methods evaluate the probability of failure and the first-passage probability, respectively, the third method calculates the probability of exceedance and the displacement of structure. Each method can be classified into time-independent and time-dependent method depending on the time dependence of design variables. For vertical breakwaters, because the caisson sliding is a dominant mode among various failure modes, we performed the risk analysis of caisson sliding of a vertical breakwater considering climate change impacts such as sea level rise and wave height increase. We investigated the influence of climate change impacts for the East breakwater of Port of Hitachinaka in Japan and found that the sea level rise had little effect because the breakwater was located in relatively deep water. In addition, we analyzed the influence of climate change impacts on the vertical breakwaters located in various water depths including inside and outside surf zone near the Hitachinaka port. Except the case of inside surf zone, the greater the water depth, the less the influence of sea level rise. Inside surf zone, the influence of both climate change impacts was minimal due to depth-limited wave breaking. On the other hand, we evaluated the first-passage probability which is defined as the probability of the first occurrence above an allowable sliding distance within a certain time considering climate change impacts. While the variation of the first-passage probability with parabolic increase of wave height was not large, it was accelerated with linear increase of wave height. The developed probabilistic design methods with consideration of the climate change impacts in this study are useful not only for design process, but also for maintenance and repair processes in the rapidly changing coastal environment. This is the reason why these methods can calculate the displacement of a structure satisfying the target performance and evaluate the time of failure to cross the threshold displacement at the design stage. In the future, the proposed methods are expected to be useful tools for analyzing the present and future stability of coastal structures.

일반적으로 해안구조물은 설계변수의 특성치(예, 평균)를 사용하여 일정한 안전여유를 만족하도록 설계하는 결정론적 설계법을 사용하고 있다. 하지만 파고, 주기 등의 설계변수는 고유의 불확실성을 내포하고 있어 특성치만으로 설계변수의 통계적 변동성을 나타낼 수 없다. 더군다나 기후변화로 인해 증가된 설계변수의 불확실성은 구조물의 안정성에 상당한 영향을 주고 있다. 따라서 이런 불확실성을 효과적으로 고려할 수 있는 확률적 설계법의 필요성이 요구되고 있다. 확률적 설계법은 설계변수의 통계적 특성치뿐 아니라 구조물의 중요도에 따른 목표수준을 고려할 수 있어 목표성능을 만족하는 구조물을 효과적이고 경제적으로 설계할 수 있는 방법이다. 본 연구에서는 전형적인 신뢰성 설계법과 확률 과정에 기초한 최초통과확률법 그리고 성능설계법을 사용하였다. 앞의 두 방법은 파괴확률과 최초통과확률을 각각 계산하고 마지막 방법은 초과확률과 구조물의 변위를 산정한다. 각 설계법은 설계 변수의 시간 의존성에 따라 시간 독립적인 방법과 시간 종속적인 방법으로 구분할 수 있다. 직립방파제는 케이슨의 활동 파괴가 지배적이기 때문에 기후변화 영향인 해수면 상승과 파고 증가를 고려하여 케이슨 활동에 대한 위험도 분석을 수행하였다. 일본의 Hitachinaka 항만의 동방파제를 대상으로 기후변화 영향을 분석하였으며 대상구조물이 깊은 수심에 설치되어 있어 해수면 상승의 영향이 거의 나타나지 않았고 파고 증가에 따른 영향이 지배적인 것으로 분석되었다. 또한 Hitachinaka항만 인근에 쇄파대를 포함한 다양한 수심에서 방파제를 설계하여 수심에 따른 기후변화 영향을 분석하였다. 쇄파대 내부를 제외하면 수심이 깊을수록 해수면 상승의 영향이 작았으며 쇄파대에서는 수심제한에 의한 쇄파 때문에 해수면 상승뿐 아니라 파고증가 효과도 비교적 작았다. 한편, 허용활동량을 최초로 초과하는 확률인 최초통과확률을 기후변화 영향을 고려하여 산정하였다. 시간에 따라 파고의 포물선 증가에 의한 최초통과확률의 변동성은 크지 않았지만 파고의 선형 증가에서는 그 변동성이 크게 나타났다. 본 연구에서 개발된 기후변화 영향을 고려한 확률적 설계법은 급변하는 해안환경에서 설계뿐 아니라 유지 및 보수 차원에서도 유용한 방법이라 판단된다. 이와 같은 설계법은 목표성능을 만족하도록 구조물의 변위를 계산하고 그 허용치를 초과하는 파괴 시간을 설계 단계에서부터 해석할 수 있다. 제안된 설계법은 향후에 해안구조물의 현재 및 미래에 발생가능한 안정성 해석에 유용하게 사용될 것으로 기대된다.