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Storms impacting sandy coastal areas produce hazard such as erosion as overwash, in turn, promote risk to life and property damage in occupied areas.

Methodologies to be used in numerical models based on Reynolds-averaged Navier

With the sea level rise and all the processes associated with wave action.

É cada vez mais usual o recurso à modelação numérica para a simulação de eventos de galgamento, inundação e erosão em zonas costeiras. Neste estudo, recorre-se ao acoplamento de dois modelos, SWAN + XBeach (modo surf beat), para a propagação da agitação marítima do largo até à zona de espraio e para reproduzir a evolução morfodinâmica, a fim de avaliar a ocorrência de galgamento e erosão resultantes de eventos meteo-oceanográficos extremos. O local de estudo incide sobre o sector urbano artificializado da Costa da Caparica, que é composto por um campo de esporões e uma estrutura de proteção aderente em toda a extensão, formando seis células de praia arenosa. As simulações cobriram 96 h de forçamentos oceanográficos, representando, assim, a passagem da tempestade Hércules/Christine, entre os dias 3 e 7 de janeiro de 2014. O modelo SWAN propagou com sucesso as condições de agitação marítima para a área de estudo, quando comparado com os dados registados pela boia do Porto de Lisboa. Em relação ao modelo XBeach, este foi capaz de reproduzir alguma da evolução morfodinâmica espectável, contudo a erosão da praia emersa ficou aquém dos relatos documentados, não tendo sido possível avaliar quantitativamente os resultados. O alcance máximo do espraio obtido ao longo deste troço de costa foi inferior ao documentado, o que induz a falhas na previsão de inundações devido ao galgamento. Estes resultados podem ser devidos a uma parametrização inadequada do modelo e/ou à falta de levantamentos topo-batimétricos da praia. Esta abordagem metodológica representa um passo importante para uma melhor estimativa da evolução morfodinâmica na Costa da Caparica devido a eventos de tempestade e significa um importante esforço inicial para melhorar a avaliação dos eventos de galgamento e inundação.

O HIDRALERTA é um sistema de avaliação, previsão e alerta do risco da ocorrência de situações de emergência associadas aos efeitos da agitação marítima (galgamento, inundação e navios amarrados) em zonas costeiras e portuárias. Sendo um sistema de alerta, é fundamental que funcione corretamente, quer em situações correntes (apenas emitindo alertas quando tal se justifique), quer em situações de tempestade. Neste trabalho são apresentados os desenvolvimentos efetuados até à data na validação do sistema em situações de tempestade, com a sua aplicação na simulação do furacão Lorenzo e das depressões Elsa e Fabien. Da análise efetuada pode concluir-se que os alertas emitidos pelo sistema estiveram em oncordância com os danos/ocorrências reportadas localmente, o que contribui para reforçar a confiança no sistema que está a ser desenvolvido. A característica diferenciadora deste trabalho é que a avaliação do risco é efetuada com base nos parâmetros específicos do risco que se pretende prever, como caudais de galgamento ou as forças nas amarrações, e não apenas em parâmetros meteorológicos e oceanográficos.

The effects of a farm of bottom-fixed oscillating flaps on the wave propagation in Almagreira beach (Portugal) are evaluated. The SNL-SWAN (Sandia National Laboratories, Simulating WAves Nearshore) numerical model is validated from 2010 to 2018 against Nazaré wave buoy data and run for 19 years to characterize the wave resource and identify the most common and energetic sea states. By varying number (10 to 100) and configuration of wave energy converters (WECs) an optimal array is identified. Model sensitivity to two methods of determining the transmission coefficient, OBCASEs 1 and 3, is studied by analyzing changes in significant wave height, period and direction. OBCASE 1 overestimates the effects of the farm on the waves and changes result higher in the lee of the array with an increasing number of devices. As a future work OBCASE 2 and 4 will be compared to OBCASE 1 and 3.

Climate change studies already reported sea level rise as an accepted scenario, which induces changes in nearshore wave conditions. A large range of new experiences including water level, run-up, overtopping, hydrodynamic data for different wave steepnesses and directions was performed in the Leibniz Universität Hannover (LUH) wave basin for a rubble mound breakwater with a slope of 1(V):2(H). This work presents, focusing on oblique extreme wave conditions, numerical simulations of the hydrodynamics in that experiment using OpenFOAM®. Results of the wave generation boundary conditions and their propagation, namely levation of the water level free-surface and velocity data at specific locations are compared and discussed with data from experimental measurements acquired by acoustic wave gauges and acoustic doppler velocimeter (ADV) / Vectrino equipment. Although an exact match between numerical and laboratory values was not reached, an appropriate incident wave angle and a reasonable amplitude of velocities and water depths was achieved and the same happened to the statistics of those values.

Para caracterizar a resposta de um trecho do quebra-mar de taludes do porto da Ericeira à agitação marítima nele incidente, realizaram-se no canal de ondas irregulares do LNEC um conjunto de ensaios com um modelo reduzido desse mesmo trecho. Nesta comunicação descreve-se a instalação experimental, incluindo os diversos instrumentos utilizados para medir as séries temporais das várias grandezas de interesse e o programa de ensaios, apresentando-se as grandezas medidas num subconjunto dos ensaios considerado mais interessante. Nestas grandezas incluem-se a elevação da superfície livre associada à agitação incidente, o espraiamento ao longo do talude, o volume de água de água galgado, a pressão em vários pontos da superestrutura e a erosão do manto protetor utilizando um sensor cujo funcionamento se baseia na tecnologia Time of Flight.

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Os efeitos das alterações climáticas aumentaram a necessidade de investigar a capacidade da vegetação em atenuar a força das ondas, nas zonas costeiras. Apoiando-se em modelação física, analítica e numérica da propagação de ondas sobre vegetação, este estudo teve como objetivos: i) analisar a diferença na dissipação de ondas sobre campos de vegetação rígida e flexível, ii) caracterizar o movimento de vegetação flexível, iii) estimar o coeficiente de arrasto de vegetação rígida e vegetação flexível, e iv) analisar a influência da flexibilidade (movimentoda vegetação) e da força de inércia no coeficiente de arrasto.

Na presente dissertação, desenvolveu-se uma metodologia para caracterização do movimento de um navio amarrado no interior de portos na presença de um campo de ondas. Esta metodologia consiste em utilizar vários modelos numéricos para caracterizar convenientemente: a) a propagação das ondas desde o largo até ao local de acostagem; b) a modificação das características das ondas no interior do porto; c) a ação das ondas sobre o navio; d) a resposta do navio; e) as forças resultantes no sistema de marração. Os modelos utilizados são:· SWAN: modelo não linear espectral para simular a propagação de ondas em zonas costeiras extensas;· DREAMS: modelo linear para simular a propagação de ondas em zonas costeiras abrigadas;· BOUSS-WMH: modelo não linear para simular a propagação de ondas regulares e irregulares em zonas costeiras abrigadas;· GMALHA: gerador de malhas de elementos finitos triangulares;· WAMIT®: que resolve, no domínio da frequência, os problemas de radiação e de difração na interação de um corpo flutuante livre com as ondas;· NPP: gerador de painéis planos sobre o casco do navio;· HYDRO: que transforma os resultados da interação do corpo flutuante livre com as ondas do domínio da frequência para o domínio do tempo;· BAS: que resolve as equações de movimento de um navio amarrado.O desempenho do modelo BOUSS-WMH, em situações de grande não linearidade, foi analisado através da simulação de quatro casos de teste também simulados em laboratório. O BOUSS-WMH provou ser um modelo robusto capaz de representar a deformação da superfície livre de forma adequada, embora, em zonas com forte não linearidade, tenha apresentado algumas limitações, nomeadamente na formaçãode harmónicas de ordem superior à terceira. Verificou-se que os resultados numéricos tendiam a sobrestimar os valores da altura de onda em zonas pouco profundas.Para minorar estas limitações e tornar o modelo mais robusto, fiável e adequado para ser aplicado em casos reais, foram adicionados e implementados novos termos às equações do modelo BOUSS-WMH, nomeadamente, a reflexão parcial, o atrito de fundo e a rebentação (fenómenos físicos inerentes às águas pouco profundas e zonas confinadas).A reflexão parcial foi implementada a partir da adição de um termo de viscosidade na equação de conservação da quantidade de movimento. O modelo com reflexão parcial foi aplicado a dois casos de teste, sendo um deles um caso real (Porto de Vila do Porto, ilha de Santa Maria, Açores), e os resultados foram comparados com medições em ensaios em modelo físico. Verificou-se que a implementação da reflexão parcial diminui em 44% o erro médio quadrático face à simulação com fronteiras totalmente refletoras.O atrito de fundo foi implementado a partir da adição de um termo representativo da tensão tangencial de fundo à equação de conservação da quantidade de movimento. O modelo com atrito de fundo foi aplicado a dois casos de teste, sendo um deles um caso real (Praia de Faro). Verificou-se que a introdução do atrito de fundo dissipa energia como pretendido e reduz as instabilidades numéricas.A rebentação foi implementada com a introdução de um termo de viscosidade turbulenta. Dois critérios distintos foram introduzidos para definir o início e o final da rebentação: a) FSA, baseado na aceleração da elevação da superfície livre; b) RTFN, baseado no número Froude relativo da cava. O modelo com rebentação foi aplicado a três casos de teste estudados em laboratório. A comparação dos resultados do modelo com as medições dos ensaios físicos permite dizer que, de um modo geral, o modelo numérico simula muito bem a localização da rebentação, bem como a dissipação de energia a ela associada. O critério de rebentação baseado no método de RTFN tende a sobrestimar a altura das ondas, mas apresenta índices de concordância maiores do que os obtidos com o critério FSA. A vantagem deste método reside no menor número de parâmetros a calibrar. Os resultados alcançados foram muito bons, dada a complexidade do fenómeno de rebentação das ondas e a simplicidade dos termos utilizados na sua modelação.O gerador GMALHA também foi alvo de melhoramentos nos algoritmos de geração, de forma a possibilitar a existência de ilhas no interior do domínio de cálculo.O modelo numérico WAMIT® foi desenvolvido para aplicações em mar aberto sem muitas estruturas refletoras próximas do navio. Todas as estruturas devem ser discretizadas, o que aumenta exponencialmente o esforço computacional exigido, e são obrigatoriamente totalmente reflectoras. Ora esta é uma limitação importante quando se está no interior de um porto, primeiro devido às dimensões e depois devido às fronteiras parcialmente refletoras. Assim, o modelo WAMIT® foi modificado de modo a incluir as características das ondas modeladas previamente com um dos modelos de propagação. Foram desenvolvidas duas novas rotinas HASK_D e HASK_B, respetivamente para o modelo linear DREAMS e para o modelo não linear BOUSS-WMH. Estas rotinas e as modificações ao modelo WAMIT® foram validadas com a aplicação a casos simples onde o modelo WAMIT® original também podia ser aplicado. A presença de um campo de ondas difratadas pela presença de uma estrutura fixa foi simulada com sucesso. Existem diferenças pouco significativas, principalmente nas altas frequências. Uma explicação para estas diferenças relaciona-se com o facto de que as ondas com períodos baixos apresentam maiores instabilidades numéricas à medida que diminui o número de pontos por comprimento de onda na malha de elementos finitos.Com o intuito de facilitar o tratamento da informação, que, num estudo deste género, tem um volume e complexidade consideráveis, foram desenvolvidas interfaces para cada um dos modelos e estes foram acoplados numa ferramenta integrada

Esta dissertação divide-se em duas partes principais, uma dedicada ao desenvolvimento e validação de um novo modelo numérico para a propagação de ondas fracamente não lineares com a inclusão da dissipação de energia por rebentação, e uma dedicada ao desenvolvimento de um sistema integrado de modelação da agitação marítima em zonas costeiras e portuárias, GUIOMAR, para a utilização simplificada de modelos de propagação de ondas e para o apoio à tomada de decisão em estudos de engenharia costeira (quer correntes, quer situações de emergência).Na primeira parte, as equações de Beji e Nadaoka (1997a,b), são extendidas de forma a incluírem dissipação de energia por rebentação, através da consideração das tensões de Reynolds na equação da conservação da quantidade de movimento e da dedução de uma formulação alternativa da equação não linear de declive suave dependente do tempo. O modelo desenvolvido neste trabalho é aplicado a três testes de ensaios em modelo físico, que abrangem praias de declive constante e um perfil barra-fossa. Os testes efectuados permitiram seleccionar o critério de rebentação e definir regras para a determinação dos valores para as condições críticas de início e de fim da rebentação, calibrar o valor a atribuir ao parâmetro dos termos dissipativos e estabelecer regras para a sua definição, assim como para avaliar o desempenho do modelo. Foram obtidos bons resultados, embora o empolamento da onda tenha sido subestimado. Verificou-se uma estreita relação entre o valor a utilizar para a condição crítica de início da rebentação e a declividade da onda à entrada do domínio de cálculo, e entre o valor óptimo para o parâmetro dos termos dissipativos e o número de Ursell à entrada do domínio.Na segunda parte, apresenta-se a estrutura do sistema GUIOMAR, assim como as interfaces suas constituintes. O sistema GUIOMAR permite a utilização simplificada de modelos de agitação marítima, incluindo a construção, manipulação e visualização de dados e resultados. Estes factores contribuem para a sua afirmação como uma ferramenta de apoio à tomada de decisão em estudos de engenharia costeira e portuária. Foca-se também a avaliação das variabilidades de origem geográfica nos resultados dos modelos, nomeadamente as associadas à escala e resolução dos dados batimétricos utilizados, aos métodos de interpolação mais comuns e à subjectividade inerente à definição das linhas de costa. Da análise do comportamento dos modelos de agitação marítima constatou-se a necessidade de ter em atenção no respectivo estudo, aos dados de batimetria utilizados e às interpolações a que se recorre. São delineadas sugestões/recomendações para um futuro utilizador do sistema GUIOMAR aquando da utilização de métodos de interpolação.

Portugal is one of many countries in the world that suffers from coastal erosion.Conventional ways of protecting a coastline appear to entail some disadvantages. Aninnovative and interesting way of protecting a local coastal zone by means of multifunctionalartificial reefs avoids some of them. A multi-functional artificial reef is asubmerged breakwater which, besides the helping to protect the local coastline, canoffer other purposes; in particular, it may enhance the surfing possibilities and theenvironmental value of the local area. The structure has several positive side-effects:first, it provides an unimpaired visual amenity; second, it offers tourist and economicbenefits by improving the surfing conditions; third, it can enhance the environmentalvalue of the area where it is built, and fourth, with a proper design the down drifterosion can be minimal.An optimal reef design for the Leirosa beach, located to the south of Figueira da Foz,midway along the Portuguese West Atlantic coast, is investigated. In order to achievethis optimal design several steps were conducted. A preliminary design, as a result of atheoretical study, achieved step by step, is proposed for a multi-functional artificial reefmaking use of the theory and of the state of the art. The proposed reef geometry is usedas initial design in the numerical and physical tests, which were executed to analyze thecapacity of a multi-functional reef breakwater to protect the local coastline of Leirosa,Portugal, and to increase the local surfing possibilities. Further, a physical and anumerical 2DV study have been executed to get insight in the influence of the length ofthe reef and in the submergence on the Iribarren number, which is an indication for thebreaker type. In this study, also the optimum height for the reef has been defined.Subsequently, in order to be able to investigate the three design parameters: the reefangle, the geometry of the reef (with or without a platform) and the horizontaldimensions in 2DH for the optimal geometry, the Boussinesq-type COULWAVE modelwas validated; finally, a 2DH numerical study has been conducted with COULWAVEto define the best values for these parameters.In terms of surfability, and for the conditions of the local coastline of Leirosa, thefollowing values for the main parameters were found: a reef angle of 66°, a structureheight of 3.20 m, a reef geometry composed by a delta without platform, a reefsubmergence of 1.50 m and a structure seaward slope of 1:10.The calibration of the numerical model COULWAVE has shown that it can be usedvery well to simulate the hydrodynamics around an MFAR. However, improvementsare recommended on the actual version of COULWAVE. These improvements includemainly the introduction of bottom porous structures. Even though the mean velocityfields give an indication about the sediment transport, they are not sufficient to get a deep insight about the influence of an MFAR on the morphology around the structure.For a proper design of the reef, particularly for the protection of a local coastline, amorphological study has to be executed. / Portugal é um dos muitos países no mundo que sofre os efeitos adversos da erosãocosteira. É sabido que as formas convencionais de protecção costeira apresentamalgumas desvantagens. Uma forma particularmente interessante de proteger oucontribuir para a protecção local de um troço da zona costeira, minimizando algumasdas desvantagens das estruturas tradicionais, é através da construção de recifesartificiais multi-funcionais. Um recife artificial multi-funcional é um quebra-marsubmerso construído com objectivos de ajudar a proteger localmente a zona costeira eoferecer outras valências, nomeadamente, aumentar as possibilidades locais para aprática de surf e contribuir para a valorização ambiental da região.Um recife artificial com estas características apresenta diversos aspectos positivos. Comefeito, esta estrutura: (1) não tem qualquer impacto visual negativo; (2) oferece osbenefícios económicos resultantes da atracção turística, ao melhorar as condições locaispara práticas de surf e/ou outros desportos náuticos (mergulho e pesca); (3) permiteaumentar o valor ambiental da região, e (4) com um projecto adequado permite reduzirao mínimo os efeitos adversos da erosão local ou prolongar mesmo a praia por efeito detômbolo.Neste trabalho são investigados os parâmetros característicos de um recife artificialmulti-funcional, tendo como caso de estudo um troço da zona costeira da Leirosa,situado a cerca de 15 km a sul da Figueira da Foz, Portugal. Para obter as característicasóptimas da estrutura a construir foram realizados vários estudos ao longo de diversasetapas. Como resultado do estado da arte e de um estudo teórico, realizado passo apasso, é proposta uma geometria preliminar de recife artificial multi-funcional. Estageometria preliminar do recife é em seguida utilizada como projecto inicial de diversostestes em modelo numérico e em modelo físico para analisar a sua capacidade naprotecção da praia e do cordão dunar da Leirosa e, em simultâneo, analisar aspossibilidades locais para a prática de surf.Além dos testes realizados em modelo físico, foi efectuado um estudo numéricoutilizando o modelo 2DV COBRAS-UC para obter informações sobre a influência docomprimento do recife e da submersão do mesmo no número Iribarren, sendo este umparâmetro que fornece uma boa indicação do tipo de rebentação a esperar. Neste estudofoi igualmente investigada a altura ideal para o recife. Posteriormente, procedeu-se àvalidação de um modelo numérico 2DH do tipo Boussinesq, o modelo COULWAVE,tendo como objectivo analisar a influência de três parâmetros de projecto com particulardesenvolvimento no plano horizontal: o ângulo do recife, a geometria do recife (com ousem plataforma) e as suas dimensões horizontais. Uma vez validado, foi este modelo numérico utilizado para analisar a influência daqueles parâmetros e identificar os seusvalores mais adequados para a definição de uma geometria optimizada do recife.Em termos de características para a prática de surf, e para as condições locais do litoralda Leirosa, foram identificados os seguintes valores para os principais parâmetros: umaestrutura de recife com ângulo de 66º, altura de 3.20 m e uma geometria composta porum delta sem plataforma, uma submersão do recife de 1.50 m e um declive de barlamarda estrutura de 1:10.A calibração do modelo numérico COULWAVE mostrou que este pode ser usado comsucesso para simular a hidrodinâmica em torno de um recife artificial multi-funcional.No entanto, recomendam-se melhorias na actual versão deste modelo. Tais melhoriasincluem principalmente a possibilidade de modelação com fundos porosos. Embora oscampos da velocidade média forneçam uma primeira indicação sobre o transporte desedimentos, esta informação não é por si só suficientemente profunda para obterconclusões definitivas quanto à influência de uma estrutura com estas característicassobre a morfologia local. Para uma concepção mais adequada da estrutura final dorecife, em particular para efeitos de protecção costeira, deverá ser elaborado um estudomorfodinâmico.

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Realização de ensaios em modelo físico reduzido 3D para a avaliação da estabilidade do quebra-mar destacado do Porto Inlgês, Maio, Cabo-Verde

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Adverse sea conditions can cause emergency situations associated to wave overtopping, which endanger the safety of people and goods, with negative impacts for society, the economy and the environment. Therefore, a methodology to assess the overtopping risk in port and coastal areas is essential for a proper planning and management of these areas.The Portuguese National Laboratory for Civil Engineering (LNEC) has been developing the HIDRALERTA system, an integrated decision-support tool for port and coastal management, which focus in preventing and supporting the management of emergency situations and the long-term planning of interventions in the study areas. It enables the user to calculate the risk for various port and coastal activities, starting with the characterization of sea-waves, wind field and tide levels at the study regions.HIDRALERTA was already tested at different places in Portugal: Costa da Caparica beach, in Almada, and port of Praia da Vitória, in the Azores. However, in both cases, the evaluation of wave overtopping / flooding consequences was carried out using a quite simple approach. In fact, such consequences were assessed only at a global and qualitative level, based on information provided by the responsible authorities.This paper aims at testing a quantitative methodology to evaluate overtopping consequences: the Analytic Network Process (ANP). This methodology was proposed to solve complex decision-making problems and its objective is to calculate the priorities among decision elements which will define their final weights on the consequences. The ANP approach can produce interdependencies between criteria and compute the respective weight of each criterion. Such a network model with dependence and feedback improves the priorities derived from judgements and makes prediction more accurate. So, the ANP allows comparison among clusters of elements. Furthermore, in this methodology we take into account the impacts of alternatives on the importance of criteria, by normalizing the comparison matrix. Thus, the given alternatives can influence the ranking of criteria.Application of the ANP methodology to the case study of Praia da Vitória port is presented and a consequences level map is obtained.

Apresenta-se um novo sistema de alerta para navios amarrados em portos que se encontra em desenvolvimento no Laboratório Nacional de Engenharia Civil. O sistema SWAMS_ALERTA é um sistema de previsão e alerta baseado na avaliação do risco associado ao comportamento de navios amarrados em zonas portuárias.Os riscos associados a navios amarrados decorrem de movimentos excessivos, quer no plano horizontal, quer no plano vertical. Estes movimentos podem condicionar as atividades portuárias, nomeadamente cargas e descargas, mas em casos extremos podem levar à ocorrência de situações de emergência, tais como rotura de cabos, rotura de cabeços de amarração ou até colisões com o cais. As consequências deste tipo de situações envolvem sempre grandes prejuízos materiais e por vezes humanos.O sistema SWAMS_ALERTA utiliza as medições e previsões de agitação marítima para a determinação dos seus efeitos em termos de movimentos nos seis graus de liberdade e forças nas amarras e defensas quando o navio se encontra estacionado no cais. Para tal, o sistema recorre a uma série de modelos numéricos, interligados entre si. A comparação destes valores com valores máximos admissíveis pré-estabelecidos permite a avaliação, em tempo real, de situações de emergência e a emissão de alertas dirigidos às entidades portuárias.O sistema é constituído por 4 módulos:I

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