V o L u m e H
V o l u m e I I H a r b o r a n d Beach P r o b l e m s e d i t e d by W.W. M a s s i e , P . E . C o a s t a l E n g i n e e r i n g G r o u p D e p a r t m e n t o f C i v i l E n g i n e e r i n g D e l f t U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y DELFT The N e t h e r l a n d s S p r i n g 1 9 7 8 .
6o4o5i
I do and I u n d e r s t a n d
H a r b o r a n d Beach P r o b l e m s 1 . I n t r o d u c t i o n 1 2 . S u r v e y o f T o p i c s T r e a t e d 2 2 . 1 P u r p o s e 2 2 . 2 S u b d i v i s i o n s 2 3 . S h i p M o t i o n s 3 3 . 1 I n t r o d u c t i o n 3 3 . 2 V e r t i c a l M o v e m e n t s 3 3 . 3 H o r i z o n t a l M o t i o n s 4 3 . 4 E n c o u n t e r F r e q u e n c y 5 3 . 5 D e t e r m i n a t i o n o f M o t i o n i n Haves 5 3 . 6 U s e f u l D e f i n i t i o n s a n d A p p r o x i m a t i o n s 8 3 . 7 E x a m p l e 9 4 . C h a n n e l D e p t h 10 4 . 1 F a c t o r s I n f l u e n c i n g D e p t h 10 4 . 2 D e s i g n S t i l l W a t e r L e v e l 11 4 . 3 S h i p D r a f t a n d Movement 12 4 . 4 C h a n n e l B o t t o m I r r e g u l a r i t i e s 13 4 . 5 Keel C l e a r a n c e 13 4 . 6 C h a n n e l D e p t h O p t i m i z a t i o n C r i t e r i a 14 4 . 7 Number o f S h i p s i n C h a n n e l 17 4 . 8 L o n g T e r m Wave V a r i a t i o n s 18 4 . 9 F u r t h e r O p t i m i z a t i o n S t e p s 19 4.10 R e v i e w 20 4 . 1 1 E x a m p l e 23 5 . C h a n n e l W i d t h 29 5 . 1 I n t r o d u c t i o n 29 5 . 2 An I d e a l i z e d P r o b l e m 29 5 . 3 A R e a l i s t i c P r o b l e m 3 1 5 . 4 D e s i g n M e t h o d s 3 1 5 . 5 A d d i t i o n a l F a c t o r s 32 6 . S h i p M a n e u v e r i n g M o d e l s 34 5 . 1 P h y s i c a l M o d e l s 34 6 . 2 The S i m u l a t i o n A p p r o a c h 35 5 . 3 D e s c r i p t i o n o f S h i p S i m u l a t o r 35 6 . 4 S h i p S i m u l a t o r Uses 36 6 . 5 C r i t i c a l Remarks 37 7 . M a n e u v e r a b i l i t y I m p r o v e m e n t 38 7 . 1 M o t i v a t i o n 38 7 . 2 T u g b o a t A s s i s t a n c e 39 7 . 3 Bow T h r u s t e r s 4 1
8 . 2 D e f i n i t i o n o f T o t a l O p t i m u m 42 8 . 3 C o n s t r u c t i o n C o s t s 42 8 . 4 Damage C o s t s 43 8 . 5 M a i n t e n a n c e C o s t s 43 9 . C o a s t a l Sand T r a n s p o r t 45 9 . 1 I n t r o d u c t i o n 45 9 . 2 C o n c e p t o f F o r m u l a s 46 9 . 3 P l a n o f A t t a c k 47 1 0 . R a d i a t i o n S t r e s s a n d i t s C o m p o n e n t s 49 1 0 . 1 I n t r o d u c t i o n 49 1 0 . 2 P r i n c i p a l R a d i a t i o n S t r e s s e s 49 1 0 . 3 R a d i a t i o n S t r e s s Changes 50 1 0 . 4 R a d i a t i o n S t r e s s C o m p o n e n t s 5 1 1 0 . 5 A p p l i c a t i o n t o C o a s t a l E n g i n e e r i n g P r o b l e m s 55 1 1 . Have S e t - U p 57 1 1 . 1 The Phenomonon 57 1 1 . 2 S o l u t i o n s t o The D i f f e r e n t i a l E q u a t i o n 57 1 1 . 3 S p i l l i n g B r e a k e r S o l u t i o n 58 1 1 . 4 P l u n g i n g B r e a k e r S o l u t i o n 59 1 1 . 5 S p e c i a l Remarks 5 1 1 1 . 6 E x a m p l e 62 1 2 . R a d i a t i o n S h e a r S t r e s s G r a d i e n t 63 1 2 . 1 I n t r o d u c t i o n 63 1 2 . 2 Changes O u t s i d e t h e B r e a k e r Zone 63 1 2 . 3 Changes W i t h i n t h e B r e a k e r Zone 64 1 3 . T i d a l F o r c e s A l o n g A C o a s t 67 1 3 . 1 C o o r d i n a t e s Used 67 1 3 . 2 The O n e - D i m e n s i o n a l T i d a l F o r c e Component 67 1 4 . T u r b u l e n t F o r c e s 69 1 4 . 1 I n t r o d u c t i o n 69 1 4 . 2 M a t h e m a t i c a l D e s c r i p t i o n 69 1 5 . B o t t o m F r i c t i o n F o r c e s 7 1 1 5 . 1 I n t r o d u c t i o n 7 1 1 5 . 2 F r i c t i o n i n C o n s t a n t C u r r e n t s 7 1 1 5 . 3 F r i c t i o n w i t h Waves A l o n e 74 1 5 . 4 F r i c t i o n w i t h C o m b i n e d C u r r e n t s a n d Waves 76 1 5 . 5 A d d i t i o n a l Remarks 79 1 6 . L o n g s h o r e C u r r e n t C o m p u t a t i o n 8 1 1 6 . 1 I n t r o d u c t i o n 8 1 1 6 . 2 B a s i c F o r c e E q u i l i b r i u m 8 1 1 6 . 3 E f f e c t o f T u r b u l e n c e 83 1 6 . 4 E f f e c t o f I r r e g u l a r Waves 83 1 6 . 5 E x a m p l e 83 1 6 . 6 A d d i t i o n a l D r i v i n g F o r c e s 86
1 7 . E a r l y C o a s t a l T r a n s p o r t F o r m u l a s 89 1 7 . 1 I n t r o d u c t i o n 89 1 7 . 2 The CERC F o r m u l a 89 1 7 . 3 M o d e r n J u s t i f i c a t i o n o f t h e CERC F o r m u l a 9 1 1 7 . 4 V a r i a t i o n w i t h A n g l e o f A p p r o a c h 9 1 1 7 . 5 CERC F o r m u l a C o e f f i c i e n t 92 1 7 . 6 E x a m p l e o f Use o f CERC F o r m u l a 95 1 7 . 7 L i m i t a t i o n s o f t h e CERC F o r m u l a 95 1 8 . Sand T r a n s p o r t ."'iechanism 97 1 8 . 1 I n t r o d u c t i o n 97 1 8 . 2 B a s i c C o n c e p t s 97 1 8 . 3 B o t t o m R o u g h n e s s 98 1 8 . 4 C o n c l u d i n g Remarks 1 0 1 1 9 . M o d e r n C o a s t a l Sand T r a n s p o r t F o r m u l a s 103 1 9 . 1 I n t r o d u c t i o n 103 1 9 . 2 T r a n s p o r t F o r m u l a s f o r C u r r e n t s A l o n e 103 1 9 . 3 I n f l u e n c e o f Waves o n Bed T r a n s p o r t 110 1 9 . 4 Bed S h e a r S t r e s s M o d i f i c a t i o n 110 1 9 . 5 Bed L o a d T r a n s p o r t by Waves a n d C u r r e n t 112 1 9 . 6 I n f l u e n c e o f Waves on S u s p e n d e d T r a n s p o r t 114 1 9 . 7 T o t a l S e d i m e n t T r a n s p o r t 116 1 9 . 8 C r i t i c a l Comments on B i j k e r F o r m u l a 118 1 9 . 9 E x a m p l e o f B i j k e r F o r m u l a 119 19.10 S e n s i t i v i t y o f t h e B i j k e r F o r m u l a 124 1 9 . 1 1 C o m p a r i s o n t o CERC F o r m u l a 125 2 0 . C o a s t a l C h a n g e s w i t h S i n g l e L i n e T h e o r y 127 2 0 . 1 I n t r o d u c t i o n 127 2 0 . 2 E q u a t i o n o f C o n t i n u i t y 127 2 0 . 3 E q u a t i o n o f M o t i o n 129 2 0 . 4 S o l u t i o n , B o u n d a r y a n d I n i t i a l C o n d i t i o n s 130 2 0 . 5 A p p l i c a t i o n t o B r e a k w a t e r A c c r e t i o n 1 3 1 2 0 . 6 N o n - P a r a l l e l A c c r e t i o n 134 2 0 . 7 T r a n s p o r t P a s t B r e a k w a t e r T i p 135 2 0 . 8 C r i t i c a l E v a l u a t i o n 140 2 0 . 9 E x a m p l e 1 4 1 2 1 . Sand T r a n s p o r t A l o n g A Beach P r o f i l e 147 2 1 . 1 I n t r o d u c t i o n 147 2 1 . 2 Two D i m e n s i o n a l T r a n s v e r s e T r a n s p o r t 148 2 1 . 3 E x a m p l e 150 2 1 . 4 T h r e e D i m e n s i o n a l T r a n s v e r s e T r a n s p o r t 159 2 2 . C o a s t a l C h a n g e s w i t h M u l t i p l e L i n e T h e o r i e s 1 6 1 2 2 . 1 I n t r o d u c t i o n 1 6 1 2 2 . 2 The S c h e m a t i z a t i o n 1 6 1 2 2 . 3 E q u a t i o n s o f C o n t i n u i t y a n d M o t i o n 163 2 2 . 4 I n i t i a l a n d B o u n d a r y C o n d i t i o n s 165 2 2 . 5 S o l u t i o n t o t h e E q u a t i o n s 166 2 2 . 6 F u t u r e D e v e l o p m e n t s 166
2 3 . Dune C o a s t s 167 2 3 . 1 I n t r o d u c t i o n 167 2 3 . 2 Dune F o r m a t i o n 168 2 3 . 3 S h o r t Term Dune D y n a m i c s 1 7 1
2 3 . 4 Long Term Dune D y n a m i c s 173
2 3 . 5 A n a l y s i s M e t h o d 176 2 4 . S h o r e P r o t e c t i o n Works 179 2 4 . 1 I n t r o d u c t i o n 179 2 4 . 2 Sand S u p p l y 179 2 4 . 3 G r o i n s 1 8 1 2 4 . 4 Sea W a l l s 183 2 4 . 5 D e t a c h e d B r e a k w a t e r s 186 2 4 . 6 A c c r e t i o n C o n t r o l 187 2 5 . C h a n n e l S e d i m e n t a t i o n 1 9 1 2 5 . 1 I n t r o d u c t i o n 1 9 1 2 5 . 2 P h y s i c a l Changes 1 9 1 2 5 . 3 Bed L o a d T r a n s p o r t 194 2 5 . 4 S u s p e n d e d L o a d T r a n s p o r t 194 2 5 . 5 An A p p r o x i m a t e S o l u t i o n 194 S y m b o l s a n d N o t a t i o n 197 Roman L e t t e r s 197 G r e e k L e t t e r s 200 S p e c i a l S y m b o l s 200 S u b s c r i p t s 2 0 1 F u n c t i o n s 2 0 2 D i m e n s i o n s a n d U n i t s 202 R e f e r e n c e s 203
T a b l e T i t l e Page n u m b e r 1 . 1 C o n t r i b u t o r s t o T h i s V o l u m e 1 4 . 1 P r o p e r t i e s o f Normal D i s t r i b u t i o n 15 4 . 2 C h a n n e l D e p t h O p t i m i z a t i o n S t e p s 20 4 . 3 Wave a n d S h i p R e s p o n s e D a t a 23 4 . 4 S h i p C h a n n e l E v a l u a t i o n C o m p u t a t i o n 26 6 . 1 C h a r a c t e r i s t i c s o f " E s s e A t l a n t i c " 34 7 . 1 T u g b o a t a n d S h i p P e r f o r m a n c e D a t a 40 1 0 . 1 R a d i a t i o n S t r e s s V a l u e s 52 1 6 . 1 L o n g s h o r e C u r r e n t D i s t r i b u t i o n 85 1 7 . 1 CERC F o r m u l a C o e f f i c i e n t s 9 3 1 9 . 1 E i n s t e i n I n t e g r a l F a c t o r s 108 1 9 . 2 S t e p s i n Sand T r a n s p o r t C o m p u t a t i o n 117 1 9 . 3 S e d i m e n t T r a n s p o r t D i s t r i b u t i o n 1 2 1 1 9 . 4 T o t a l Sand T r a n s p o r t s 124 2 0 . 1 S h o r e l i n e A c c r e t i o n P a r a m e t e r s 133 2 0 . 2 C o r r e c t i o n s t o T i p T r a n s p o r t Compu-t a Compu-t i o n s 140 2 0 . 3 C o a s t l i n e Form C o m p u t a t i o n s 144
L I S T OF FIGURES F i g u r e T i t l e Page number 3 . 1 E f f e c t o f S q u a t and T r i m on VLCC 4 3 . 2 V e r t i c a l S h i p M o t i o n s i n Waves 4 3 . 3 H o r i z o n t a l S h i p M o t i o n s i n Waves 4 3 . 4 E n c o u n t e r F r e q u e n c y D e f i n i t i o n S k e t c h 5 3 . 5 Wave a n d S h i p S p e c t r a 7 4 . 1 D e f i n i t i o n S k e t c h , C h a n n e l D e p t h P a r a m e t e r s 11 4 . 2 L o n g Term Wave D a t a 24 5 . 1 C h a n n e l D e s i g n P a r a m e t e r s 3 1 5 . 2 P a t h W i d t h f o r S h i p 33 7 . 1 S t o p p i n g D i s t a n c e s f o r T a n k e r s 39 9 . 1 P r i n c i p l e S k e t c h o f C o n t i n u i t y 45 9 . 2 S e d i m e n t T r a n s p o r t P r i n c i p l e S k e t c h 47 1 0 . 1 P l a n S h o w i n g P r i n c i p a l S t r e s s e s 5 1 1 0 . 2 M o h r ' s C i r c l e A n a l y s i s 53 1 0 . 3 M o h r ' s C i r c l e s 54 1 0 . 4 C o a s t a l P l a n w i t h S t r e s s E l e m e n t s 54 1 1 . 1 E l e m e n t o f C o a s t a l W a t e r 57 1 1 . 2 Wave S e t - U p w i t h S p i l l i n g B r e a k e r 59 1 1 . 3 Wave S e t - U p w i t h P l u n g i n g B r e a k e r 60 1 1 . 4 C i r c u l a t i o n C u r r e n t i n B r e a k e r Zone 6 1 1 5 . 1 L o g a r i t h m i c V e l o c i t y P r o f i l e 73 1 5 . 2 Wave F r i c t i o n P a r a m e t e r s 75 1 5 . 3 G e o m e t r y o f V e l o c i t y C o m p o n e n t s 77 1 6 . 1 S i m p l i f i e d V e l o c i t y P r o f i l e 82 1 6 . 2 E x a m p l e V e l o c i t y P r o f i l e s 87 1 7 . 1 R e l a t i o n B e t w e e n U' a n d S 94 1 8 . 1 B o t t o m V e l o c i t y a n d S h e a r S t r e s s V a r i a t i o n 97 1 8 . 2 S c h e m a t i c R e p r e s e n t a t i o n o f S e d i m e n t Movement 9 8 1 8 . 3 Eddy F o r m a t i o n N e a r R i p p l e s 9 8 1 8 . 4 S t e p s i n E r o s i o n a n d D e p o s i t i o n 99 1 8 . 5 S e d i m e n t C o n c e n t r a t i o n C u r v e s 1 0 1 1 9 . 1 E x a m p l e C o n c e n t r a t i o n , V e l o c i t y , a n d T r a n s p o r t P r o f i l e s 107 1 9 . 2 S u s p e n d e d S e d i m e n t T r a n s p o r t P a r a m e t e r s 115 1 9 . 3 E x a m p l e S e d i m e n t T r a n s p o r t P r o f i l e s 123 1 9 . 4 S e n s i t i v i t y o f B i j k e r F o r m u l a 125
F i g u r e T i t l e Page number 2 0 . 1 Beach P r o f i l e a n d S c h e m a t i z a t i o n 127 2 0 . 2 C o n t i n u i t y E q u a t i o n R e l a t i o n s h i p s 128 2 0 . 3 S h o r e P l a n 130 2 0 . 4 A c c r e t i o n n e a r B r e a k w a t e r 1 3 1 2 0 . 5 A c c r e t i o n G e o m e t r y 133 2 0 . 6 N o n - P a r a l l e l A c c r e t i o n P r o f i l e 134 2 0 . 7 P r o f i l e a t S t a r t o f Sand P a s s a g e 135 2 0 . 8 V a l i d i t y Z o n e s o f M o d e l s 139 2 0 . 9 H a r b o r E n t r a n c e P l a n 142 20.10 Beach A c c r e t i o n L i n e s 146 2 1 . 1 I n f l u e n c e o f C u r r e n t on Sand T r a n s p o r t 147 2 1 . 2 S c h e m a t i z e d Beach P r o f i l e 149 2 1 . 3 Beach P r o f i l e 1 5 1 2 1 . 4 U p p e r L i m i t o f D P r o f i l e 152 2 1 . 5 L o w e r L i m i t o f D P r o f i l e 153 2 1 . 5 H o r i z o n t a l S c a l e o f E q u i l i b r i u m P r o f i l e 154 2 1 . 7 P r o f i l e C h a r a c t e r i z i n g P a r a m e t e r s 155 2 1 . 8 Maximum T r a n s p o r t A l o n g P r o f i l e 156 2 1 . 9 L o c a t i o n o f Maximum T r a n s p o r t 157 21.10 R e l a t i v e P r o f i l e T r a n s p o r t 1 5 8 2 2 . 1 Beach P r o f i l e S c h e m a t i z a t i o n s 162 2 2 . 2 S h o r e P l a n a n d P r o f i l e 163 2 2 . 3 C o n t i n u i t y E q u a t i o n R e l a t i o n s h i p s 164 2 3 . 1 Dunes E n c r o a c h i n g o n H i g h w a y 167 2 3 . 2 A e r i a l P h o t o o f Dune C o a s t 168 2 3 . 3 T y p e s o f Dunes 169 2 3 . 4 Dune C o a s t P r o f i l e 170 2 3 . 5 S t o r m P r o f i l e 172 2 3 . 6 E f f e c t o f S t o r m o n D u t c h C o a s t 174 2 3 . 7 Dune Changes o n D u t c h C o a s t 175 2 3 . 8 H i s t o r y o f D u t c h C o a s t a l Changes 176 2 4 . 1 N o r t h Sea S t o r m 1 8 1 2 4 . 2 G r o i n P r o t e c t e d C o a s t 182 2 4 . 3 S e a w a l l R e i n f o r c e d Dunes 184 2 4 . 4 S e a w a l l p r o t e c t i n g Rock C o a s t 185 2 4 . 5 D e t a c h e d B r e a k w a t e r S e g m e n t s 186 2 4 . 6 S u b m e r g e d N a t u r a l T o m b o l o 188 2 4 . 7 Sand E s c a p i n g f r o m A c c r e t i o n A r e a 189 2 4 . 8 D e v e l o p m e n t o f T r a n s p o r t P a s t T i p 189 2 5 . 1 C o a s t a l P l a n a n d L o n g s h o r e P r o f i l e 192
1 . INTRODUCTION W.W. M a s s i e T h i s s e c o n d v o l u m e o f t h e s e r i e s on c o a s t a l e n g i n e e r i n g i s i n -t e n d e d as a n a m p l i f i c a -t i o n o f c e r -t a i n -t o p i c s m e n -t i o n e d i n v o l u m e I . The o r g a n i z a t i o n i s much t h e same a s i n t h e f i r s t b o o k ; t w o o f t h e f o u r m a i n t o p i c c a t e g o r i e s g e t e m p h a s i s h e r e ; h a r b o r s a n d c o a s t a l m o r p h o l o g y . B a c k g r o u n d m a t e r i a l r e l a t e d t o r a d i a t i o n s t r e s s i s i n t r o d u c e d b r i e f l y i n c h a p t e r 9 . O t h e r w i s e , b a c k g r o u n d i n f o r m a t i o n i s d r a w n f r o m t h e f i r s t v o l u m e . A g a i n i n t h i s v o l u m e , we u s e a n A m e r i c a n r a t h e r t h a n E n g l i s h s p e l l i n g a n d t h e m o r e d i f f i c u l t t e c h n i c a l w o r d s a r e a l s o i n c l u d e d i n t h e s e p a r a t e l y a v a i l a b l e w o r d l i s t . F i g u r e s a r e d r a w n t o s c a l e u n l e s s o t h e r w i s e n o t e d , and we h a v e s o u g h t t o u s e c o n s i s t e n t n o t a t i o n t h r o u g h o u t t h i s v o l u m e , a t l e a s t , a n d as much a s p o s s i b l e , t h r o u g h o u t t h e e n t i r e s e t o f n o t e s . L i t e r a t u r e r e f e r e n c e s a r e m e n t i o n e d by a u t h o r ' s name a n d y e a r i n t h e t e x t ; a c o m p l e t e l i s t i n g i s i n c l u d e d i n t h e b a c k o f t h e v o l u m e . T a b l e s o f s y m b o l s a r e a l s o i n c l u d e d i n t h e b a c k o f t h e v o l u m e . The t e c h n i c a l t o p i c s t o be t r e a t e d i n t h i s v o l u m e a r e b r i e f l y sum m a r i z e d i n t h e f o l l o w i n g c h a p t e r o f t h i s b o o k . C o n t r i b u t i n g s t a f f mem-b e r s a r e l i s t e d i n t a mem-b l e 1 . 1 . T h o s e r e s p o n s i mem-b l e f o r t h e t e c h n i c a l a c c u r a c y o f e a c h o f t h e c h a p t e r s a r e l i s t e d a t t h e s t a r t o f e a c h c h a p t e r . T a b l e 1 . 1 C o n t r i b u t o r s t o t h i s v o l u m e . P r o f . d r . i r . E.W. B i j k e r , P r o f e s s o r I r . J . J . v a n D i j k , S e n i o r S c i e n t i f i c O f f i c e r I r . J . v a n de G r a a f f , S c i e n t i f i c O f f i c e r I r . L . E . v a n L o o , S e n i o r S c i e n t i f i c O f f i c e r W.W. M a s s i e , M S c , P . E . , S e n i o r S c i e n t i f i c O f f i c e r J . D . S c h e p e r s , S t u d e n t A s s i s t a n t I r . P . J . V i s s e r , S c i e n t i f i c O f f i c e r A l l o f t h e a b o v e p e r s o n s a r e members o f t h e C o a s t a l E n g i n e e r i n g G r o u p , D e l f t U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y , D e l f t , T h e N e t h e r l a n d s . S e v e r a l e x a m p l e c o m p u t a t i o n s a r e p r e s e n t e d i n t h i s b o o k . T h e y a r e i n t e n d e d t o i l l u s t r a t e t h e p r o c e s s o f a c o m p u t a t i o n and t h e r e s u l t s w h i c h come f r o m i t . The r e a d e r s h o u l d be c a r e f u l n o t t o become t o o i n -v o l -v e d w i t h t h e d e t a i l s o f t h e c o m p u t a t i o n a l p r o c e d u r e s ; t h e s e c a n be q u i c k l y e n o u g h " r e - d i s c o v e r e d " 'by a n y o n e h a v i n g a s u f f i c i e n t i n s i g h t . The d e v e l o p m e n t o f t h i s i n s i g h t i s t h e o b j e c t i v e o f t h i s b o o k .
2 . SURVEY OF TOPICS TREATED W.W. M a s s i e 2 . 1 P u r p o s e The p u r p o s e o f t h i s v o l u m e i s t o t r e a t c e r t a i n c o a s t a l e n g i n e e r -i n g t o p -i c s s p e c -i f -i c a l l y r e l a t e d t o h a r b o r a p p r o a c h e s a n d t o c o a s t a l m o r p h o l o g y . Each o f t h e s e s u b a r e a s o f coastal e n g i n e e r i n g i s a d e q u a t e l y d e f i n e d i n c h a p t e r 2 o f v o l u m e I . H a r b o r s a n d c o a s t a l m o r p h o l o g y a r e p r e s e n t e d t o g e t h e r , h e r e , b e c a u s e o f t h e i r s t r o n g i n t e r d e p e n d e n c e . The c o n s t r u c t i o n o f a h a r b o r e n t r a n c e , o r e v e n o n l y t h e d r e d g i n g o f an a p p r o a c h c h a n n e l , c a n ( a n d u s u a l l y w i l l ) u p s e t t h e e x i s t i n g b o t t o m m o r -p h o l o g y i n t h e a r e a - a l o n g t h e c o a s t o r i n t h e c h a n n e l . The d e s i g n e r o f a n o p t i m u m h a r b o r e n t r a n c e , t h e r e f o r e , m u s t c o n s i d e r b o t h s h i p p i n g a n d m o r p h o l o g i c a l a s p e c t s i n h i s d e s i g n . 2 . 2 S u b d i v i s i o n Even t h o u g h t h e s e t o p i c s a r e s t r o n g l y i n t e r r e l a t e d , a n a t t e m p t t o s e p a r a t e t h e s u b t o p i c s has b e e n m a d e . The f o l l o w i n g s i x c h a p t e r s d i s c u s s t h e p r o p e r d i m e n s i o n i n g o f a p p r o a c h c h a n n e l s c o n s i d e r i n g n a v i g a t i o n a l a s p e c t s p r i m a r i l y : The f o l l o w i n g f i v e c h a p t e r s p r o v i d e i n f o r m a -t i o n o n -t h e m o v e m e n -t o f s h i p s a n d -t h e u -t i l i z a -t i o n o f -t h i s i n f o r m a -t i o n f o r a c h a n n e l d e s i g n . I n c h a p t e r 8 t h e v a r i o u s a s p e c t s o f c h a n n e l d e s i g n a r e b r o u g h t t o g e t h e r i n o r d e r t o a t t e m p t t o make an o p t i m u m c h a n n e l d e s i g n . M o r p h o l o g i c a l p r o c e s s e s i n v o l v i n g s e d i m e n t m o v e m e n t s a l o n g t h e c o a s t a n d i n c h a n n e l s a r e s e e n t o i n f l u e n c e t h i s o p t i m u m d e s i g n s i g n i -f i c a n t l y . The m e c h a n i c s o f w a t e r m o v e m e n t - l o n g s h o r e c u r r e n t - a l o n g a c o a s t i s c a r e f u l l y u n r a v e l e d i n c h a p t e r s 9 t h r o u g h 1 5 . Beach m a t e r i a l m o v e m e n t a l o n g a s a n d y c o a s t i s t r e a t e d i n c h a p t e r s 17 t h r o u g h 1 9 . The b e t t e r s e d i m e n t t r a n s p o r t d e t e r m i n a t i o n s a r e b u i l t up f r o m t h e k n o w l -e d g -e o f t h -e l o n g s h o r -e c u r r -e n t s t u d i -e d i n c h a p t -e r 1 6 . Th-e r -e s u l t o f t h -e s e d i m e n t t r a n s p o r t d e t e r m i n a t i o n i s a r e l a t i v e l y s i m p l e m e t h o d t o p r e -d i c t c o a s t l i n e c h a n g e s p r e s e n t e -d i n c h a p t e r 2 0 . T h i s s i m p l e mo-del i s r e f i n e d a n d i m p r o v e d i n c h a p t e r s 2 1 t h r o u g h 2 3 . Two s p e c i f i c a p p l i c a t i o n s o f s a n d t r a n s p o r t c o n p u t a t i o n s c o n c l u d e t h i s v o l u m e . The e v a l u a t i o n o f c o a s t a l d e f e n s e w o r k s i s d i s c u s s e d i n c h a p t e r 24 a n d t h e p r e d i c t i o n o f c h a n n e l e r o s i o n a n d s e d i m e n t a t i o n c h a p t e r 25 c o m p l e t e s t h i s v o l u m e a n d c o m p l e t e s a c y c l e b a c k t o h a r -b o r a p p r o a c h c h a n n e l o p t i m i z a t i o n s d i s c u s s e d i n c h a p t e r 8 . Two o t h e r a p p l i c a t i o n s o f s e d i m e n t t r a n s p o r t c o m p u t a t i o n s p r e -d i c t i o n o f e r o s i o n n e a r o f f s h o r e s t r u c t u r e s a n -d p i p e l i n e s o n t h e sea bed - a r e c o n s i d e r e d t o be a b i t s p e c i a l i z e d f o r many u s e r s o f t h i s b o o k ; d i s c u s s i o n o f t h e s e t o p i c s i s p o s t p o n e d t i l l v o l u m e I V .
3 . SHIP MOTIONS W.W. M a s s i e 3 . 1 I n t r o d u c t i o n The d i s p l a c e m e n t s ( m o v e m e n t s ) o f a s h i p r e l a t i v e t o i t s p o s i t i o n when s t a t i o n a r y i n s t i l l w a t e r a r e o f e x t r e m e i m p o r t a n c e i n t h e d e s i g n o f a h a r b o r e n t r a n c e . V e r t i c a l r e l a t i v e m o v e m e n t s a r e o f i m p o r -t a n c e f o r c h a n n e l d e p -t h d e -t e r m i n a -t i o n s w h i l e h o r i z o n -t a l m o v e m e n -t s a b o u t a g i v e n d e s i r e d c o u r s e l i n e a r e i m p o r t a n t f o r c h a n n e l w i d t h a n d c o l l i s i o n a v o i d a n c e c o n s i d e r a t i o n s . 3 . 2 V e r t i c a l m o v e m e n t s V e r t i c a l r e l a t i v e d i s p l a c e m e n t s o f s h i p s c a n be c a u s e d by waves b u t may a l s o o c c u r as a r e s u l t o f t h e s h i p ' s f o r w a r d s p e e d i n s t i l l w a t e r . T h i s l a t t e r d i s p l a c e m e n t c a n be s p l i t i n t o t w o c o m p o n e n t s : s q u a t a n d t r i m w h i l e w a v e s g i v e r i s e t o v e r t i c a l d i s p l a c e m e n t s v i a p i t c h , h e a v e , a n d r o l l . A l l o f t h e s e m o t i o n c o m p o n e n t s a r e d e f i n e d a n d d e s c r i b e d b e l o w . S q u a t . S q u a t i s a u n i f o r m s i n k i n g o f t h e s h i p - an a p p a r e n t i n c r e a s e i n d r a f t - r e s u l t i n g f r o m p r e s s u r e c h a n g e s i n t h e s u r r o u n d i n g w a t e r . As t h e s h i p moves f o r w a r d , w a t e r f l o w s i n t h e o p p o s i t e d i r e c t i o n a l o n g t h e s h i p f r o m bow t o s t e r n . A p p l y i n g t h e B e r n o u l l i T h e o r e m r e v e a l s t h a t t h e p r e s s u r e a t a g i v e n l e v e l i n t h i s r e t u r n f l o w m u s t be l o w e r t h a n a t t h e same e l e v a t i o n i n s t i l l w a t e r ; t h e s u r f a c e w a t e r l e v e l d r o p s a n d t h e s h i p s i n k s a l o n g w i t h i t . T h i s phenomonon o c c u r s i n a l l w a t e r s , b o t h d e e p o c e a n s a n d r e s t r i c t e d c h a n n e l s . I n r e s t r i c t e d c h a n -n e l s t h e r e t u r -n f l o w v e l o c i t y w i l l be r e l a t i v e l y h i g h e r b e c a u s e t h e same r e t u r n f l o w v o l u m e m u s t p a s s t h r o u g h a s m a l l e r c r o s s s e c t i o n ; t h e w a t e r l e v e l l o w e r i n g a n d s q u a t a r e g r e a t e r , t h u s , i n r e s t r i c t e d c h a n n e l s . T r i m . T r i m i s a d i f f e r e n t i a l s i n k i n g o f t h e s t e r n o f a s h i p r e l a t i v e t o t h e b o w . T h u s , t r i m i s t h e r o t a t i o n o f t h e s h i p a b o u t a h o r i z o n -t a l c r o s s w i s e ( b e a m ) a x i s ; i -t r e s u l -t s f r o m a s y m m e -t r y o f -t h e r e -t u r n f l o w p a t t e r n s a t bow a n d s t e r n . The a c t i o n o f t h e p r o p e l l e r w i l i n -c r e a s e t h e e f f e -c t i v e r e t u r n f l o w a t t h e s t e r n o f a w e l l s t r e a m l i n e d s h i p f o r m s u c h as a c o n t a i n e r s h i p o r f a s t c a r g o v e s s e l ; s u c h s h i p s w i l l t r i m w i t h t h e i r s t e r n d e e p e r t h a n t h e b o w . B u l k c a r r i e r o r l a r g e o i l t a n k e r s , o n t h e o t h e r h a n d , h a v e a v e r y h i g h b l o c k c o e f -f i c i e n t * a n d t h e b l u n t bow l e a d s t o r e t u r n c u r r e n t c o n c e n t r a t i o n s n e a r t h e b o w . T h i s r e s u l t s i n a b o w - d o w n t r i m . * The b l o c k c o e f f i c i e n t i s d e f i n e d as t h e r a t i o o f t h e d i s p l a c e d w a t e r v o l u m e t o t h e p r o d u c t o f l e n g t h , b e a m , a n d d r a f t o f t h e s h i p .
o l . I — . 1—. 1 <
0 2 A , 5 8 10 12 1A ship speed-knots Figure 3.1
EFFECT OF SOUAT AND TRIM ON A VLCC roLL F i g u r e 3.2 V E R T I C A L S H I P M O T I O N S IN W A V E S ( n o t t o s c a l e ) F i g u r e 3.3 H O R I Z O N T A L S H I P M O T I O N S I N W A V E S ( n o t t o s c a l e ) o u t a t t h e B r i t i s h N a t i o n a l P h y s i c a l L a b o r a t o r y r e p o r t e d i n an anonymous a r t i c l e i n t h e J u l y 1 9 7 4 i s s u e o f The Motor Ship. The c u r v e s show k e e l c l e a r a n c e s a t t h e bow o f a 3 0 0 m l o n g V e r y L a r g e C r u d e C a r r i e r a s a f u n c t i o n o f s p e e d a n d k e e l c l e a r a n c e a t z e r o s p e e d . Wave I n d u c e d M o t i o n s . F i g u r e 3 . 2 i l l u s t r a t e s t h e t h r e e wave i n d u c e d v e r t i c a l m o t i o n s o f a s h i p . The s c a l e o f t h i s f i g u r e i s d i s t o r t e d i n o r d e r t o c l a r i -f y t h e i l l u s t r a t i o n . The a c t u a l v e r t i c a l m o t i o n o -f some p o i n t on t h e s h i p i s d e t e r m i n e d by t h e s u p e r p o s i t i o n o f h e a v i n g , p i t c h i n g , a n d r o l l i n g m o t i o n s . The a c t u a l m o t i o n o f t h e s h i p d e p e n d s u p o n t h e s i z e o f t h e s h i p r e l a t i v e t o t h e w a v e s . I n p r i n c i p l e , h e a v e , p i t c h a n d r o l l o f a s h i p i n w a v e s c a n e a c h be c o n s i d e r e d e q u i v a l e n t t o a m a s s - s p r i n g d y n a m i c s y s t e m . We remember f r o m d y n a m i c s t h a t s u c h s y s t e m s h a v e a n a t u r a l o r r e s o n a n t f r e q u e n c y a n d a t t h i s f r e q u e n c y t h e d i s p l a c e m e n t s c a n be l a r g e e v e n t h o u g h t h e e x c i t i n g f o r c e s ( w a v e s ) a r e o f s m a l l a m p l i t u d e . A r o w b o a t w i l l r e s p o n d much m o r e v i o l e n t l y t o a w a v e 0 . 5 m h i g h w i t h a p e r i o d o f 2 s e c o n d s t h a n w i l l a l a r g e b u l k c a r r i e r . I n g e n e r a l , t h e s e l a t t e r s h i p s a r e o n l y s l i g h t l y i n f l u e n c e d by h e a d s e a s . Beam s e a s , o n t h e o t h e r h a n d , c a n e x c i t e r o l l m o t i o n s w h i c h c a n be o f s i g n i f i c a n c e f o r d e t e r m i n i n g t h e maximum d r a f t r e q u i r e d . T h i s r e s u l t s f r o m t h e e x t r e m e w i d t h o f s u c h l a r g e s h i p s . F o r e x a m p l e , i f a l a r g e t a n k e r w i t h 6 0 m beam r o l l s o n l y 3 ° (a h a r d l y n o t i c a b l e a m o u n t ) i t s d r a f t a t o n e s i d e w i l l i n c r e a s e b y : ^ s i n 3 ° = 1 . 6 m ( 3 . 0 1 ) 3 . 3 H o r i z o n t a l m o t i o n s T h r e e h o r i z o n t a l s h i p m o t i o n c o m p o n e n t s c a u s e d by w a v e s a r e i l -l u s t r a t e d i n f i g u r e 3 . 3 . A d d i t i o n a -l -l y , u s e o f t h e r u d d e r w h i -l e s t e a m i n g i n s t i l l w a t e r w i l l c a u s e a s h i p t o y a w , s w a y , a n d r o l l . T h i s l a s t e f f e c t i s m o s t p r o n o u n c e d o n l a r g e s h i p s f o r w h i c h t h e c e n t e r o f mass i s w e l l a b o v e t h e c e n t e r o f l a t e r a l r e s i s t a n c e . The c e n t r i p e t a l a c c e l e r a t i o n c o m b i n e d w i t h a l a t e r a l h y d r o d y n a m i c r e s i s -t a n c e c a u s e a r o l l m o m e n -t . H o r i z o n t a l m o t i o n c o m p o n e n t s y a w a n d sway c a u s e d b y e i t h e r r u d d e r a c t i o n o r w a v e s a r e m o s t i m p o r t a n t f o r d e t e r m i n i n g t h e r e q u i r e d m a -n e u v e r i -n g a r e a s a -n d c h a -n -n e l w i d t h s f o r s h i p s u -n d e r w a y . S u r g e , s w a y , a n d y a w c o m p o n e n t s a r e i m p o r t a n t f o r m o o r i n g f o r c e s o f s h i p s a n d r o l l c a n be a n a d d i t i o n a l f a c t o r i n l o c a t i n g f e n d e r s o n a q u a y .
A s h i p m o v i n g i n t o h e a d w a v e s ( a g a i n s t t h e d i r e c t i o n o f wave p r o p a g a t i o n ) w i l l e n c o u n t e r m o r e w a v e s p e r u n i t o f t i m e t h a n w o u l d a n o b s e r v e r a t a f i x e d p o i n t . I f , o n t h e o t h e r h a n d , t h e s h i p w e r e t r a v -e l l i n g w i t h t h -e w a v -e s , s h -e w o u l d -e n c o u n t -e r r -e l a t i v -e l y f -e w -e r w a v -e s p -e r u n i t o f t i m e . A m o r e g e n e r a l s i t u a t i o n i s shown i n p l a n i n f i g u r e 3 . 4 . A f o r m u l a f o r e n c o u n t e r f r e q u e n c y c a n be d e r i v e d f r o m t h e f i g u r e v i a k i n e m a t i c s : Ug = ID ( 1 C O S
a]
( 3 . 0 2 ) w h e r e c i s t h e c e l e r i t y o f t h e w a v e , Vg i s t h e v e l o c i t y o f t h e s h i p , s t h e a n g l e b e t w e e n t h e p o s i t i v e d i r e c t i o n s o f v ^ a n d c , s t h e wave f r e q u e n c y , a n d s t h e wave e n c o u n t e r f r e q u e n c y e x p e r i e n c e d by t h e s h i p . N o t e t h a t i n f i g u r e 3 . 4 , a i s m o r e t h a n 9 0 ° a n d t h u s , c o s a i s n e g a t i v e . The e n c o u n t e r p e r i o d , T g , c a n , o f c o u r s e , be c o m p u t e d f r o m t h e g e n e r a l r e l a t i o n : ( 3 . 0 3 ) a 0) e 0,^ U s u a l l y , h o w e v e r , d y n a m i c a n a l y s e s a r e d o n e u s i n g f r e q u e n c y as a n i n d e -p e n d e n t -p a r a m e t e r .Figure 3X
ENCOUNTER FREQUENCY
DEFINITION SKETCH.
3 . 5 D e t e r m i n a t i o n o f m o t i o n s i n w a v e s A b o u t 1860 S i r W i l l i a m F r o u d e a n a l y z e d t h e m o t i o n o f s a i l i n g w a r s h i p s o f t h a t e r a by a s s u m i n g t h a t t h e movement o f t h e s h i p was t h e same as t h e a v e r a g e movement o f t h e e q u i v a l e n t v o l u m e o f w a t e r i n t h e u n d i s t u r b e d w a v e . An e q u i v a l e n t f o r m o f h i s a s s u m p t i o n i s t h a t t h e p r e s s u r e s e x e r t e d o n t h e s h i p ' s h u l l s u r f a c e a r e t h e same as t h o s e a t t h e same l o c a t i o n i n an u n d i s t u r b e d w a v e . Many p r a c t i c a l p r o b l e m s c a n be s o l v e d w i t h a c c e p t a b l e a c c u r a c y u s i n g t h i s s i m p l e a n d c r u d e a s s u m p -t i o n . I f , h o w e v e r , -t h e s h i p ' s k e e l c l e a r a n c e i s somewha-t r e s -t r i c -t e d o r t h e s h i p i s e s p e c i a l l y l a r g e r e l a t i v e t o t h e wave l e n g t h , t h e n t h e d i s t u r b a n c e ( d i f f r a c t i o n ) o f t h e o n c o m i n g wave by t h e s h i p becomes i n -c r e a s i n g l y i m p o r t a n t a n d -c a n no l o n g e r be n e g l e -c t e d . N a v a l a r c h i t e c t s h a v e d e v e l o p e d b e t t e r t h e o r e t i c a l m o d e l s f o r c o m -p u t i n g s h i -p m o t i o n s s i n c e t h e t i m e o f F r o u d e . The s o - c a l l e d s t r i -p t h e o r y i s o f t e n u s e d f o r c o m p u t i n g h e a v e a n d p i t c h i n r e g u l a r w a v e s ; t h e m e t h o d i s w e l l d o c u m e n t e d by C o m s t o c k - e d i t o r ( 1 9 6 7 ) . T h e s e l a t e r m e t h o d s make i t p o s s i b l e t o i n c l u d e wave d i f f r a c t i o n e f f e c t s a n d t h e g e n e r a t i o n o f waves by t h e m o v i n g s h i p . When t h e m o t i o n c o m p o n e n t s o f a s h i p a r e l i n e a r ( a l l d i r e c t l y p r o p o r t i o n a l t o wave h e i g h t ) t h e n i t i s p o s s i b l e t o d e t e r m i n e t h e t o t a l r e s p o n s e t o w a v e s by s u p e r p o s i t i o n o f t h e i n d i v i d u a l r e s p o n s e c o m p o -n e -n t s . L u c k i l y , m o s t s h i p r e s p o -n s e p r o b l e m s c a -n be t r e a t e d w i t h l i -n e a r m o d e l s s i n c e t h e s h i p d i m e n s i o n s a r e u s u a l l y l a r g e e n o u g h r e l a t i v e t o t h e w a v e l e n g t h - s e e v o l u m e I V .The s u p e r p o s i t i o n p r i n c i p l e makes i t p o s s i b l e t o d e t e r m i n e t h e r e s p o n s e o f a s h i p t o a s p e c t r u m o f w a v e s u s i n g a r e s p o n s e f u n c t i o n m e t h o d ; j u s t a s i n many o t h e r p r o b l e m s i n d y n a m i c s . We may r e m e m b e r f r o m d y n a m i c s t h a t t h e r e s p o n s e f u n c t i o n s n e e d e d t o t r a n s f o r m a f o r c e ( w a v e ) s p e c t r u m t o a r e s p o n s e ( m o t i o n ) s p e c t r u m c a n be d e t e r m i n e d b y s u b j e c t i n g t h e s h i p t o a s e r i e s o f c o n s t a n t f r e q u e n c y e x c i t a t i o n s ( w a v e s ) . Each wave f r e q u e n c y d e t e r m i n e s a s i n g l e p o i n t i n t h e r e s p o n s e f u n c t i o n . I n many c a s e s t h e s e r e s p o n s e s c a n be c o m p u t e d . T h e y c a n a l w a y s be d e t e r m i n e d v i a m o d e l t e s t s , a n d a r e u s u a l l y o b t a i n e d i n t h e l a t t e r way e x c e p t i n d e e p w a t e r . When t h e w a t e r d e p t h becomes l e s s t h a n a b o u t 50 p e r c e n t m o r e t h a n t h e s h i p d r a f t , t h e s h i p r e s p o n s e t o a g i v e n wave c o n d i t i o n becomes d e p e n d e n t u p o n t h e a v e r a g e k e e l c l e a r a n c e . As t h e k e e l c l e a r a n c e b e -comes s m a l l e r t h e f l o w p a t t e r n a r o u n d t h e s h i p be-comes m o r e d i s t u r b e d r e l a t i v e t o t h e d e e p w a t e r c o n d i t i o n s . I n g e n e r a l , t h i s r e s u l t s i n a l o w e r r e s p o n s e f u n c t i o n v a l u e f o r b o t h h o r i z o n t a l a n d v e r t i c a l m o t i o n s ; t h e s h i p moves l e s s i n r e s p o n s e t o a g i v e n f o r c e . C o m p u t a t i o n o f r e s p o n s e s i n r e a l s h a l l o w w a t e r s i t u a t i o n s becomes v e r y d i f f i c u l t ; model t e s t s y i e l d t h e o n l y r e l i a b l e r e s p o n s e d a t a .
An e x a m p l e may make t h i s p r i n c i p l e m o r e c l e a r . F i g u r e 3.5a i l l u s t r a t e s a wave r e c o r d a n d i t s a s s o c i a t e d s p e c t r u m , A ( M ) . I n t h a t f i g -u r e : A ^ ( r a ) i s t h e wave e n e r g y d e n s i t y ( r a t e o f c h a n g e o f w a v e e n e r g y p e r u n i t c r e s t l e n g t h w i t h r e s p e c t t o f r e q u e n c y , M i s t h e wave f r e q u e n c y , a n d n i s t h e w a t e r s u r f a c e e l e v a t i o n a t a n y i n s t a n t o f t i m e . I f t h i s s p e c t r u m , A^ (Ü) ) i s g i v e n f o r a n o b s e r v e r a t a f i x e d p o i n t -a s i t u s u -a l l y i s - i t m u s t be r e p l o t t e d w i t h -a new h o r i z o n t -a l s c -a l e b a s e d u p o n t h e e n c o u n t e r f r e q u e n c y , u ^ , u s i n g e q u a t i o n 3 . 0 2 , a n d shown i n f i g u r e 3 . 5 b . F i g u r e 3 . 5 c shows t h e r e s p o n s e f u n c t i o n R(m) o f a s h i p s u c h a s c o u l d be d e t e r m i n e d i n a s e r i e s o f m o d e l t e s t s u s i n g a s e r i e s o f r e g u -l a r w a v e s o f v a r i o u s p e r i o d s . The r e s u l t i n g s p e c t r u m r e p r e s e n t i n g t h e s h i p m o t i o n shown i n f i g -u r e 3 . 5 d r e s -u l t s f r o m m -u l t i p l y i n g o r d i n a t e s o f t h e s p e c t r -u m i n f i g -u r e 3 . 5 b w i t h c o r r e s p o n d i n g o r d i n a t e s i n f i g u r e 3 . 5 c . One o f t h e many p o s s i b l e s h i p m o t i o n r e g i s t r a t i o n s c o r r e s p o n d i n g t o t h e d e t e r m i n e d s p e c t r u m i s a l s o s h o w n . S i n c e t h e e x t r e m e v a l u e s o f t h e o r i g i n a l wave s p e c t r u m s a t i s f i e d a R a y l e i g h D i s t r i b u t i o n , t h e e x t r e m e s o f t h e s h i p m o v e m e n t , s , c a n a l s o be e x p e c t e d t o s a t i s f y t h i s d i s t r i b u t i o n . R e s p o n s e f u n c t i o n s w i l l be u s e d i n t h e f o l l o w i n g t w o c h a p t e r s t o c o m p u t e s h i p m o t i o n s n e e d e d t o d e t e r m i n e c h a n n e l d e p t h s a n d w i d t h s .
a.Wave record w i t h s p e c t r u m
b. T r a n s f o r m e d s p e c t r u m
A n cu)c . R e s p o n s e f u n c t i o n
R (lu)d. R e s u l t i n g s p e c t r u m and m o t i o n
A,(uj)
F i g u r e
3 . 5
W A V E AND SHIP S P E C T R U M
I t i s o f t e n d e s i r a b l e t o e s t i m a t e a p p r o x i m a t e d i m e n s i o n s o f a c e r t a i n s i z e s h i p f o r t h e p u r p o s e o f p r e l i m i n a r y h a r b o r p l a n n i n g . The f o l l o w i n g d e f i n i t i o n s a n d a p p r o x i m a t e r e l a t i o n s h i p s c a n be h a n d y f o r s u c h w o r k ; d e t a i l e d p l a n s m u s t be b a s e d u p o n more a c c u r a t e d a t a , h o w -e v -e r . The d e a d w e i g h t t o n n a g e (DWT) o f a s h i p i s i t s t o t a l c a p a c i t y t o c a r r y c a r g o , s u p p l i e s , a n d p e o p l e . I t t h u s i n c l u d e s t h e mass o f c r e w , p a s s e n g e r s , p r o v i s i o n s , f u e l , w a t e r , m o v a b l e f u r n i t u r e a n d o t h e r s u p p l i e s as w e l l as c a r g o . The 1 i g h t w e i g h t t o n n a g e o f a s h i p i n c l u d e s t h e mass o f t h e s h i p a l o n e i n a t o t a l l y e m p t y c o n d i t i o n - a l l s t o r a g e s p a c e s e m p t y . The d i s p l a c e m e n t o f a s h i p i s t h e mass o f w a t e r d i s p l a c e d by t h e s h i p . S i n c e A r c h i m e d e s P r i n c i p l e a p p l i e s t o f l o a t i n g b o d i e s , t h i s d i s p l a c e m e n t i s a l s o e q u a l t o t h e t o t a l mass o f t h e l o a d e d s h i p : t h e sum o f l i g h t w e i g h t a n d d e a d w e i g h t . F u r t h e r t h e f o l l o w i n g r e l a t i o n s h i p h o l d s : D i s p l a c e m e n t = p Cg L B D ( 3 . 0 4 ) w h e r e , B i s t h e s h i p beam ( w i d t h ) , Cn i s a so c a l l e d b l o c k c o e f f i c i e n t , ts D i s t h e s h i p d r a f t , L i s t h e s h i p l e n g t h , a n d p i s t h e mass d e n s i t y o f w a t e r . Normal b l o c k c o e f f i c i e n t v a l u e s f o r c o m m e r c i a l s h i p s r a n g e f r o m a b o u t 0 . 4 f o r a f a s t d e s t r o y e r t o n e a r l y 0 . 9 f o r a s u p e r t a n k e r . The g r o s s r e g i s t e r t o n n a g e o f a s h i p i s a m e a s u r e o f i t s i n t e r n a l v o l u m e w i t h c e r t a i n e x c e p t i o n s , s e e f o r e x a m p l e B a k e r ( 1 9 5 3 ) m e a -s u r e d i n u n i t -s o f 100 c u b i c f e e t ( 2 . 8 3 m'^). The n e t r e g i s t e r t o n n a g e o f a s h i p i s a m e a s u r e o f t h e v o l u m e a v a i l a b l e f o r c a r r y i n g r e v e n u e - e a r n i n g c a r g o . A g a i n , 100 c u b i c f e e t i s t h e u n i t o f v o l u m e u s e d . N o t e t h a t n e i t h e r o f t h e r e g i s t e r t o n n a g e s j u s t d e s c r i b e d a r e a c t u a l m a s s e s ; t h e y a r e a c t u a l l y v o l u m e m e a s u r e -m e n t s . F o r m o s t s h i p s t h e DWT i s a b o u t 1.5 t i m e s t h e g r o s s r e g i s t e r t o n n a g e a n d a b o u t t w i c e t h e g r o s s r e g i s t e r t o n n a g e f o r v e r y l a r g e c r u d e c a r r i e r s ( V L C C ) . T h e s e r e l a t i o n s h i p s a r e d i m e n s i o n a l l y i n c o n s i s t e n t a n d a r e v a l i d f o r DWT i n m e t r i c t o n s a n d r e g i s t e r t o n n a g e s i n t h e u s u a l u n i t s . U s u a l l y t h e d i s p l a c e m e n t o f a f u l l y l o a d e d s h i p i s a b o u t 1 . 3 t o 1 . 4 t i m e s i t s DWT. F u r t h e r , t h e g r o s s r e g i s t e r t o n n a g e v a r i e s f r o m 1 . 7 ( f o r f r e i g h t e r s ) t o 1 . 3 ( f o r VLCC) t i m e s t h e n e t r e g i s t e r t o n n a g e . F o r m o s t f r e i g h t e r s , t h e r a t i o o f l e n g t h t o beam v a r i e s b e t w e e n 5 a n d 8 . H i g h e r r a t i o s a r e u s u a l l y f o u n d o n t h e f a s t e r s h i p s . The r a t i o o f beam t o d r a f t i s u s u a l l y a b o u t 2 . D r a f t r e s t r i c t i o n s o f v e r y l a r g e s h i p s , h o w e v e r , r e s u l t i n a s o m e w h a t h i g h e r r a t i o v a l u e ; f o r t h e m , a r a t i o n e a r e r t o 3 i s common.
3 . 7 E x a m p l e The i n f o r m a t i o n i n t h e p r e v i o u s s e c t i o n c a n be u s e d t o e s t i m a t e t h e d i m e n s i o n s o f a s h i p . E s t i m a t e , f o r e x a m p l e , t h e d r a f t o f a 2 5 0 . 0 0 0 DWT t a n k e r . The d i s p l a c e m e n t i s a b o u t 1 . 3 t i m e s DWT. D i s p l a c e m e n t = 1 . 3 x 2 5 0 . 0 0 0 = 3 2 5 . 0 0 0 t o n s . ( 3 . 0 5 ) The b l o c k c o e f f i c i e n t i s c h o s e n as a b o u t 0 . 9 . S i n c e t h e s h i p w i l l be d r a f t l i m i t e d , t h e beam w i l l be a b o u t 3 t i m e s t h e d r a f t : T a n k e r s a r e n o t f a s t s h i p s ; t h e i r beam i s , t h u s , u s u a l l y a b o u t 1/5 o f t h e i r l e n g t h o r : S u b s t i t u t i o n o f a l l o f t h i s , w i t h p = 1 . 0 3 0 t o n s / m i n t o ( 3 . 0 4 ) y i e l d s : B % 3 Ü ( 3 . 0 6 ) L % 5B ?b 15D ( 3 . 0 7 ) 3 2 5 . 0 0 0 % ( 1 . 0 3 0 ) ( 0 . 9 ) ( 1 5 D ) ( 3 D ) ( D ) ^ 4 1 . 7 2 0 - ^ ( 3 . 0 8 ) ( 3 . 0 9 ) o r : D % 1 9 . 8 m ( 3 . 1 0 ) s a y , t h e d r a f t i s 20 m e t e r s .
4 . CHANNEL DEPTH E.W. B i j k e r W.W. M a s s i e 4 . 1 F a c t o r s i n f l u e n c i n g d e p t h The c h a n n e l d e p t h r e q u i r e d , r e l a t i v e t o some r e f e r e n c e ( d a t u m ) 1 e v e l , d e p e n d s u p o n m o r e t h a n j u s t t h e s h i p d r a f t w h i l e f l o a t i n g i n s t i l l w a t e r . The a c t u a l w a t e r s t i l l w a t e r l e v e l r e l a t i v e t o t h e d a t u m i s , o f c o u r s e , v e r y i m p o r t a n t . U s u a l l y , t h e d a t u m u s e d f o r n a v i g a t i o n c h a r t s i s t h e l o n g t e r m a v e r a g e o f t h e l o w e s t m e a s u r e d s p r i n g l o w t i d e . I t i s t h u s L o w e r Low W a t e r o c c u r r i n g a t S p r i n g t i d e ( L . L . W . S . ) . The s t i l l w a t e r l e v e l (SWL) w i t h r e f e r e n c e t o t h i s d a t u m i s d e n o t e d by L i n f i g -u r e 4 . 1 . The d r a f t o f t h e s h i p f l o a t i n g i n s t i l l w a t e r i s o b v i o u s l y a n i m -p o r t a n t d e s i g n -p a r a m e t e r ; i t i s d e n o t e d by D i n t h e f i g u r e . S q u a t a n d t r i m c a u s e d by t h e s h i p ' s s p e e d t h r o u g h t h e w a t e r - s e e c h a p t e r 3 a l s o i n c r e a s e t h e c h a n n e l d e p t h r e q u i r e d . The c o m b i n e d e f f e c t o f t h e s e on t h e d e e p e s t p o i n t o f t h e s h i p i s d e n o t e d by Z i n f i g -u r e 4 . 1 . An a d d i t i o n a l d e p t h , I , r e l a t i v e t o t h e mean w a t e r l e v e l , w i l l be n e e d e d t o c o m p e n s a t e f o r t h e i n s t a n t a n e o u s r e s p o n s e o f t h e s h i p , s , t o t h e wave a c t i o n . T h i s m o t i o n c a n be c o m p u t e d u s i n g t h e m e t h o d d e s c r i b e d i n c h a p t e r 3 . I t i s i m p o s s i b l e t o d r e d g e a c h a n n e l w i t h a p e r f e c t l y f l a t b o t t o m . Some i n d i c a t i o n o f a t t a i n a b l e d r e d g i n g t o l e r a n c e s i s g i v e n i n v o l u m e I c h a p t e r 1 6 . T h e r e s u l t i n g b o t t o m i r r e g u l a r i t y i s a h e i g h t , r , a t some p o i n t r e l a t i v e t o t h e mean b o t t o m l e v e l . T h i s i s c o m p e n s a t e d by a n a l l o w -a n c e i n d e p t h , R ' . The n e c e s s a r y m i n i m u m m a n e u v e r i n g r e q u i r e m e n t s o f t h e s h i p d i c t a t e t h a t a c e r t a i n m i n i m u m e x t r a d e p t h ( k e e l c l e a r a n c e ) be a v a i l a b l e a t a l l t i m e s . I n g e n e r a l , s h i p s become m o r e d i f f i c u l t t o m a n e u v e r as t h e k e e l c l e a r a n c e d e c r e a s e s . The a l l o w a n c e f o r t h i s m i n i m u m k e e l c l e a r a n c e i s i n -d i c a t e -d by c i n f i g u r e 4 . 1 . C o m b i n i n g a l l o f t h e s e a s shown i n t h e f i g u r e l e a d s t o t h e r e l a t i o n -s h i p : w h e r e h i s t h e mean d e p t h o f t h e c h a n n e l m e a s u r e d r e l a t i v e t o t h e c h a r t d a t u m . M o s t o f t h e v a r i a b l e s i n e q u a t i o n 4 . 0 1 a r e t i m e f u n c t i o n s . F o r e x -a m p l e , t h e -a l l o w -a n c e f o r t h i s s h i p m o t i o n , I , i s r e -a l l y r e l -a t e d t o t h e t i m e d e p e n d e n t m o t i o n o f t h e d e e p e s t p o i n t o f t h e s h i p , s ( t ) . The b o t -t o m i r r e g u l a r i -t i e s , r , u n d e r -t h e s h i p c a n be d e s c r i b e d by a f u n c -t i o n r ( x ( t ) ) , r e l a t i n g t h e b o t t o m i r r e g u l a r i t y t o t h e t i m e d e p e n d e n t p o s i -t i o n o f -t h e s h i p a l o n g -t h e c h a n n e l . U s i n g -t h e s e " n e w " d e f i n i -t i o n s , a n d s o l v i n g f o r t h e k e e l c l e a r a n c e y i e l d s : h = R ' + c + I + Z + D - L ( 4 . 0 1 ) c ( t ) = h + L ( t ) - Z - D - s ( t ) - r ( x ( t ) ) ( 4 . 0 2 ) A c t u a l sea c h a r t s o f t e n i n d i c a t e t h e m i n i m u m r a t h e r t h a n t h e mean d e p t h .
ship at rest
A c t u a l B o t t o m P r o f i l e
Figure A.I
DEFINITION SKETCH FOR CHANNEL
DEPTH PARAMETERS
(no s c a l e )
4 . 2 D e s i g n s t i l l w a t e r l e v e l The w a t e r l e v e l , L , r e l a t i v e t o t h e c h a r t d a t u m c h o s e n f o r c h a n n e l d e s i g n p u r p o s e s i s d e p e n d e n t u p o n many f a c t o r s . One o f t h e m o r e i m -p o r t a n t f a c t o r s i s t h e d e n s i t y o f t r a f f i c o f t h e d e s i g n s h i -p P. I f t h e s e d e s i g n s h i p s e n t e r t h e p o r t o n l y o c c a s s i o n a l l y - e v e r y f e w d a y s , f o r e x a m p l e - i t i s u s u a l l y a c c e p t a b l e t o d e l a y t h e i r e n t r y u n t i l s o m e t i m e n e a r h i g h t i d e . T h i s s t a t e m e n t i s v a l i d , o f c o u r s e , o n l y i f o t h e r c o n d i t i o n s s u c h as c u r r e n t s a l l o w s a f e n a v i g a t i o n a t t h o s e t i m e s . The d e s i g n e r i s o f t e n a b i t c o n s e r v a t i v e i n s e l e c t i n g t h e h i g h w a t e r l e v e l f o r t h e o c c a s i o n a l d e s i g n s h i p . I f , f o r e x a m p l e t h e r e i s a s i g n i f i c a n t v a r i a t i o n i n h i g h w a t e r l e v e l s d u r i n g a m o n t h , he w o u l d c h o o s e a h i g h w a t e r l e v e l t h a t w o u l d be e x c e e d e d e v e r y n o r m a l d a y , t h e H i g h e r H i g h W a t e r Neap (HHWN) as a b a s i s . I f s h i p p i n g d e l a y s m i g h t s t i l l be t o o c o s t l y , a s t i l l l o w e r l e v e l b a s e d u p o n t h e L o w e r H i g h W a t e r Neap (LHWN) m i g h t be s e l e c t e d . F u r t h e r , d e p e n d e n t u p o n t h e t i m e n e e d e d t o t r a v e r s e t h e c h a n n e l , t h e d e s i g n e r s h o u l d u l t i m a t e l y c h o o s e a d e s i g n l e v e l s u f f i c i e n t l y l o w e r t h a n t h e b a s i s maximum so t h a t t h a t l e v e l w i l l be e q u a l l e d o r e x c e e d e d d u r i n g t h e p a s s a g e o f t h e s h i p . S h i p s o f e x t r e m e d r a f t e n t e r i n g R o t t e r d a m , f o r e x a m p l e , r e c e i v e s p e c i f i c i n s t r u c t i o n s a d v i s i n g t h e m when t o e n t e r t h e o u t e r a p p r o a c h c h a n n e l r e l a t i v e t o H.W. T h i s a d v i c e i s b a s e d upon t h e a c t u a l c o m p u -t e d -t i d e c u r v e f o r -t h e s p e c i f i c d a y a n d -t h e s h i p c h a r a c -t e r i s -t i c s . The v a l u e o f L i n t h i s c a s e w i l l u s u a l l y be p o s i t i v e ( d e p e n d i n g u p o n t h e d a t u m l e v e l , o f c o u r s e ) a n d i t w i l l p r o b a b l y n o t v a r y t o o much d u r i n g t h e p a s s a g e o f t h e s h i p . T h i s w a t e r l e v e l v a r i a t i o n c a n be i n c l u d e d i n o u r c o m p u t a t i o n s v i a a s t a n d a r d d e v i a t i o n , a^. F o r t h e p r o b l e m d e s c r i b e d a b o v e t h i s v a l u e o f w i l l be r e l a t i v e l y l o w . A p r o b l e m o f t h i s t y p e c a n be r e f e r r e d t o as a n " o c c a s i o n a l s h i p p r o b l e m " i n c o n t r a s t t o t h a t d e s c r i b e d b e l o w .I f , o n t h e o t h e r h a n d , t h e d e s i g n s h i p m u s t e n t e r t h e h a r b o r c h a n n e l v e r y f r e q u e n t l y - one c a n t h i n k o f a f e r r y b o a t w i t h a f i x e d t i m e s c h e d u l e e n t e r i n g many t i m e s e a c h d a y - t h e n t h e d e s i g n w a t e r l e v e l m u s t be one t h a t c a n be g u a r a n t e e d w i t h a l m o s t p e r f e c t c e r t a i n t y . T h i s l e v e l w i l l p r o b a b l y be l o w e r t h a n e v e n LLWS i n o r d e r t o a l l o w f o r e x t r a - o r d i n a r y c o n d i t i o n s s u c h as s e t d o w n . T h i s s e t down c o u l d be c a u s e d by a s t r o n g w i n d b l o w i n g f r o m t h e s h o r e , f o r e x a m p l e . S i n c e s u c h a l o w w a t e r l e v e l w o u l d be r e a s o n a b l y w e l l d e f i n e d , i t s a s s o c i a t e d v a l u e o f w o u l d be s m a l l , j u s t as w i t h t h e " o c c a s i o n a l s h i p p r o b l e m " . The c h o i c e o f s u c h a l o w d e s i g n w a t e r l e v e l , w h i l e i m p o r t a n t f o r i n -d i v i -d u a l s h i p p a s s a g e s w o u l -d be c o n s e r v a t i v e f o r a n o v e r a l l c h a n n e l o p t i m i z a t i o n e v a l u a t i o n i n t h i s c a s e ; a f t e r a l l , m o s t o f t h e t i m e a s h i p w o u l d be e n t e r i n g t h e c h a n n e l when t h e w a t e r l e v e l was c o n s i d -e r a b l y h i g h -e r . An o v -e r a l l c h a n n -e l -e v a l u a t i o n c o u l d , t h -e n , b -e t t -e r b-e b a s e d u p o n a w a t e r l e v e l e q u a l t o t h e mean sea l e v e l a n d a c o r r e -s p o n d i n g ( l a r g e ) -s t a n d a r d d e v i a t i o n , a^, w h i c h i n c l u d e d t h e e n t i r e t i d e as w e l l a s o t h e r i n f l u e n c e s . Such a n a p p r o a c h w i l l l e a d t o a b e t t e r o v e r a l l e v a l u a t i o n o f t h i s " f r e q u e n t s h i p p r o b l e m " w h i c h i s d i s t i n c t f r o m t h e " o c c a s i o n a l s h i p p r o b l e m " , d e s c r i b e d p r e v i o u s l y . 4 . 3 S h i p d r a f t a n d movement The d r a f t o f t h e s h i p i n s t i l l w a t e r , D, d e p e n d s u p o n more t h a n t h e w e i g h t o f t h e l o a d e d s h i p . The d r a f t d e p e n d s as w e l l u p o n t h e w a -t e r d e n s i -t y . From c h a p -t e r 3 o f v o l u m e I we remember -t h a -t -t h i s d e n s i -t y v a r i e s w i t h b o t h t e m p e r a t u r e a n d s a l i n i t y . The d r a f t i n c r e a s e o f a l a r g e s h i p as i t g o e s f r o m s a l t t o f r e s h w a t e r c a n be a s much a s 0 . 5 m. S q u a t a n d t r i m o f t h e s h i p h a v e a l r e a d y b e e n d i s c u s s e d i n c h a p t e r 3 , and w i l l n o t be f u r t h e r e l a b o r a t e d h e r e . T h e i r e f f e c t m u s t , o f c o u r s e , be i n c l u d e d i n t h e c h a n n e l d e s i g n , h o w e v e r .
The r e s p o n s e o f t h e s h i p t o t h e wave s p e c t r u m p r e s e n t has b e e n p r e s e n t e d a s w e l l i n t h e p r e v i o u s c h a p t e r . S i n c e t h e m a x i m a , I , o f t h e d o w n w a r d m o v e m e n t , s , o f t h e s h i p s a t i s f y a R a y l e i g h D i s t r i b u t i o n ( a n a -l o g o u s t o t h e waves w h i c h c a u s e t h e m ) , t h e p r o b a b i -l i t y o f e x c e e d a n c e i s g i v e n b y : P ( I ) = e ' i ( ^ j ) ^ ( 4 . 0 3 ) w h e r e : e i s t h e b a s e o f n a t u r a l l o g a r i t h m s , I i s t h e c h o s e n s h i p m o t i o n p e a k v a l u e m e a s u r e d r e l a t i v e t o t h e mean s h i p p o s i t i o n , P ( I ) i s t h e c h a n c e t h a t I i s e x c e e d e d , a n d Og i s t h e s t a n d a r d d e v i a t i o n o f t h e i n s t a n t a n e o u s s h i p m o t i o n , s . E q u a t i o n 4 . 0 3 r e s e m b l e s e q u a t i o n 1 0 . 0 2 i n v o l u m e I , e x c e p t t h a t a s i g n i f i c a n t v a l u e has been r e p l a c e d w i t h a s t a n d a r d d e v i a t i o n and I i s m e a -s u r e d r e l a t i v e t o a m e a n . T h e -s e c h a n g e -s c h a n g e t h e c o n -s t a n t i n e q u a t i o n 4 . 0 3 - see A l l e r s m a , H a s s l e ( 1 9 7 3 ) .
4 . 4 C h a n n e l b o t t o m I r r e g u l a r i t i e s The i r r e g u l a r c h a r a c t e r o f t h e c h a n n e l b o t t o m c a n be c a u s e d by d r e d g i n g i n a c c u r a c i e s a s w e l l a s n a t u r a l p h e n o m e n a . S e d i m e n t d e p o s i t i o n , a n d r i p p l e a n d d u n e f o r m a t i o n r e s u l t i n g f r o m bed l o a d t r a n s p o r t a l o n g t h e c h a n n e l a r e n a t u r a l c a u s e s o f b o t t o m i r r e g u l a r i t y . I f t h e b o t t o m i r r e g u l a r i t i e s , r , a r e s c h e m a t i z e d as a s i n e w a v e w i t h " h e i g h t " R, t h e n t h e s t a n d a r d d e v i a t i o n o f t h e b o t t o m e l e v a t i o n i s : a = - i _ R = 0 . 3 5 3 5 R ( 4 . 0 4 ) 2/2 I t i s a p p r o p r i a t e , h e r e , t o r e m a r k a b o u t s u i t a b i l i t y o f d e p t h d a t a . The m o s t w e l l k n o w n s o u r c e s o f d e p t h d a t a a r e h y d r o g r a p h i c c h a r t s p u b -l i s h e d f o r m a r i n e r s . B e c a u s e t h e s e c h a r t s a r e f o r m a r i n e r s , t h e c h a r t e d d e p t h s a r e t h e s h a l l o w e s t d e p t h s i n t h e v i c i n i t y ; t h e a c t u a l sea bed l i e s b e l o w t h e s u r f a c e d e f i n e d by t h e c h a r t e d d e p t h s . T h u s , d r e d g i n g q u a n t i t i e s - e s p e c i a l l y i n i t i a l d r e d g i n g q u a n t a t i e s - e s t i m a t e d u s i n g s u c h c h a r t s t e n d t o be h i g h . G e n e r a l l y , h o w e v e r , b e t t e r i n f o r m a t i o n i s a l s o a v a i l a b l e f r o m t h e v a r i o u s h y d r o g r a p h i c s e r v i c e s u p o n d i r e c t r e -q u e s t . D a t a s h e e t s , c h a r t i n g t h e d e p t h s u s e d t o d r a w t h e h y d r o g r a p h i c c h a r t , a r e o f t e n a v a i l a b l e . T h e s e c h a r t s show many m o r e d e p t h m e a s u r e m e n t s , o f c o u r s e . O c c a s i o n a l l y , t h e a c t u a l s o u n d i n g r e c o r d s a r e a v a i l -a b l e . S i n c e t h e s e l -a t t e r p r o v i d e -a n e x t r e m e l y h i g h d e n s i t y - e v e r y f e w m e t e r s a l o n g e a c h p r o f i l e m e a s u r e d o f s o u n d i n g s w h i c h a r e o f t e n u n -c o r r e -c t e d f o r t i d e , e t -c . , t h e y a r e u s u a l l y m o r e w o r k t h a n t h e y a r e w o r t h f o r o u r p u r p o s e s . 4 . 5 Keel c l e a r a n c e S i n c e t h e w a t e r l e v e l , L , t h e i n s t a n t a n e o u s w a v e r e s p o n s e , s , a n d t h e b o t t o m e l e v a t i o n u n d e r t h e m o v i n g s h i p , r , a r e a l l v a r i a b l e s , a s t a t i s t i c a l p r o b a b i l i t y c a l c u l a t i o n seems t o be a p p r o p r i a t e i n o r d e r t o d e t e r m i n e t h e r e m a i n i n g k e e l c l e a r a n c e , c . S i n c e t h e s t a n d a r d d e v i a t i o n s o f e a c h o f t h e i n d i v i d u a l v a r i a b l e s has b e e n d e t e r m i n e d , t h e s t a n d a r d d e v i a t i o n o f t h e i r t o t a l f o l l o w s f r o m a n a s s u m p t i o n t h a t t h e v a r i a b l e s a r e i n d e p e n d e n t : - ( U s . r ) =
^4-4^4 ^'-''^
= ( 4 . 0 6 ) u s i n g e q u a t i o n 4 . 0 2 . I f t h e w a t e r l e v e l i s a s s u m e d t o be c o n s t a n t , t h e n i s z e r o . I t s h o u l d be e m p h a s i z e d t h a t t h e s t a n d a r d d e v i a t i o n o f t h e s h i p m o t i o n s , O g , c h a r a c t e r i z e s t h e r e s p o n s e o f t h e s h i p t o t h e s t o r m p r e s e n t d u r i n g i t s p a s s a g e t h r o u g h t h e c h a n n e l . A w h o l e v a r i e t y o f s t o r m s h a v i n g d i f -f e r e n t i n t e n s i t i e s c a n o c c u r , h o w e v e r . J u s t a s i n c h a p t e r 1 1 o -f v o l u m e I , we s h a l l c h o o s e N' d i f f e r e n t c h a r a c t e r i s t i c s t o r m s . Each w i l l y i e l d a d i f f e r e n t v a l u e f o r - s a y a^-, a n d a r e l a t e d s e t o f v a l u e s a • S S I ^ ' w h e r e i r a n g e s f r o m 1 t o N ' . We s h a l l r e t u r n t o t h i s i n s e c t i o n 8 . U n t i l t h e n , we s h a l l w o r k w i t h a s i n g l e s t o r m - i i s c o n s t a n t .The s t a n d a r d d e v i a t i o n o f t h e k e e l c l e a r a n c e i s g i v e n i n e q u a t i o n 4 . 0 6 , b u t w h a t m i n i m u m v a l u e , c ^ ^ ^ , o f t h i s k e e l c l e a r a n c e i s n e e d e d t o g u a r a n t e e a d e q u a t e s h i p m a n e u v e r a b i l i t y ? T h i s c a n be d e t e r m i n e d f r o m e x p e r i e n c e w i t h a c t u a l s h i p s o r v i a model t e s t s . T h e s e t e s t r e s u l t s u s u a l l y i n d i c a t e t h a t when a c e r t a i n m i n i m u m k e e l c l e a r a n c e , c^^^^, i s n o t m a i n t a i n e d f o r m o r e t h a n a g i v e n p o r t i o n o f t h e t i m e , damage w i l l r e s u l t . T h i s damage w i l l r e s u l t e i t h e r f r o m a c o l l i s i o n w i t h o t h e r s h i p s o r f r o m r u n n i n g a g r o u n d a l o n g s i d e t h e c h a n n e l . M e t h o d s t o d e t e r -m i n e a n d i n f l u e n c e t h i s da-mage w i l l be d i s c u s s e d i n -m o r e d e t a i l i n c h a p t e r 5 t h r o u g h 8 . F o r n o w , we s h a l l assume t h a t c^^.^ a n d t h e p o s -s i b l e damage a r e k n o w n . 4 . 6 C h a n n e l d e p t h o p t i m i z a t i o n c r i t e r i a Two d i f f e r e n t c r i t e r i a c a n be u s e d t o e v a l u a t e t h e s u i t a b i l i t y o f a g i v e n c h a n n e l f o r a g i v e n s h i p . The f i r s t o f t h e s e has a l s o b e e n h i n t e d a t a l r e a d y i n t h e l a s t p a r a g r a p h o f t h e p r e v i o u s s e c t i o n - t h e k e e l c l e a r a n c e m u s t be g r e a t e n o u g h t o r e d u c e t h e r i s k o f c o l l i s i o n o r g r o u n d i n g t o a n a c c e p t a b l e l e v e l . T h u s , t h e k e e l c l e a r a n c e , c , m u s t be g r e a t e r t h a n t h e g i v e n v a l u e , c ^ . j ^ ! f o r a t l e a s t a c e r t a i n p e r c e n t a g e o f t h e t i m e . E q u i v a l e n t l y , t h e k e e l c l e a r a n c e may be l e s s t h a n t h i s g i v e n v a l u e no m o r e t h a n t h a t g i v e n p e r c e n t a g e o f t i m e . The p r o p e r v a l -ue o f t h i s p e r c e n t a g e w i l l r e s u l t f r o m t h e o p t i m i z a t i o n c o m p u t a t i o n . I t i s i m p o r t a n t t o r e a l i z e t h a t t h i s c r i t e r i a d e p e n d s u p o n t h e i n s t a n t a n e o u s v a l u e s o f t h e s h i p m o t i o n , s , r a t h e r t h a n o n l y t h e i r e x -t r e m e v a l u e s . We may remember f r o m wave s -t a -t i s -t i c s , -t h a -t w a -t e r s u r f a c e e l e v a t i o n s a r e n o r m a l l y d i s t r i b u t e d a r o u n d a mean v a l u e w h i l e t h e e x -t r e m e v a l u e s ( w a v e h e i g h -t s ) f o l l o w a R a y l e i g h D i s -t r i b u -t i o n . S h i p mo-t i o n s a n d i n s mo-t a n mo-t a n e o u s k e e l c l e a r a n c e s a r e a n a l o g o u s ; s i n c e we a r e now i n t e r e s t e d i n i n s t a n t a n e o u s e l e v a t i o n s , we n e e d t o w o r k w i t h a Normal D i s t r i b u t i o n . T h i s d i s t r i b u t i o n i s g i v e n b y : P ( x ) = -1¬ / 2 ¥ d q ( 4 . 0 7 ) w h e r e : P ( x ) i s t h e c h a n c e t h a t x i s e q u a l l e d o r e x c e e d e d , a n d x i s t h e v a r i a b l e e x p r e s s e d i n u n i t s o f a. Some r e p r e s e n t a t i v e v a l u e s o f x a n d P ( x ) a r e g i v e n i n t a b l e 4 . 1 . We n e e d , n o w , t o d e t e r m i n e t h e c h a n c e t h a t a n i n s t a n t a n e o u s v a l u e o f t h e k e e l c l e a r a n c e , c , i s l e s s t h a n t h e m i n i m u m a l l o w a b l e k e e l c l e a r a n c e , c ^ . ^ . T h i s c a n be d o n e by r e l a t i n g t h e maximum a l l o w a b l e d i s p l a c e m e n t f r o m t h e a v e r a g e k e e l c l e a r a n c e t o t h e s t a n d a r d d e v i a t i o n o f t h i s k e e l c l e a r a n c e : c" - c „ . ( 4 . 0 8 )
w h e r e c i s t h e a v e r a g e k e e l c l e a r a n c e , p r o v i d e d , c . i s t h e m i n i m u m a l l o w a b l e k e e l c l e a r a n c e , mi n a^j^ i s t h e c o m b i n e d s t a n d a r d d e v i a t i o n f r o m ( 4 . 0 6 ) , i i s t h e i n d e x o f t h e s t o r m c h o s e n , a n d X . i s a f a c t o r c o r r e s p o n d i n g t o a c h a n c e P ( x . j ) . j i n t a b l e 4 . 1 . o r t o X i n e q u a t i o n 4 . 0 7 . As t h e c h a n n e l becomes s h a l l o w e r , c, a n d h e n c e c - c^.^, d e c r e a s e s r e d u c i n g t h e v a l u e o f x ^ j . T h i s , i n t u r n i n c r e a s e s t h e c h a n c e , Pi^^)-^ o f a s h i p r u n n i n g i n t o d i f f i c u l t y ; t h i s seems l o g i c a l . T a b ! e 4 . 1 P r o p e r t i e s o f Normal D i s t r i b u t i o n P ( x ) X {%) 1 0 " ^ % 5 . 6 5 3 1 0 " ^ 4 . 7 5 4 lO""^ 4 . 2 6 6 0 . 0 1 3 . 7 2 0 0 . 0 5 3 . 2 9 4 0 . 1 0 3 . 0 9 1 0 . 5 0 2 . 5 7 6 1 . 0 0 2 . 3 2 7 2 . 0 0 2 . 0 7 4 5 . 0 1 . 6 4 4 1 0 . 0 1 . 2 8 2 1 5 . 9 1 . 0 0 0 2 5 . 0 0 . 6 7 5 5 0 . 0 0 . 0 0 0 N o t e : X i s made d i m e n s i o n l e s s by d i v i d i n g i t s v a l u e by t h e s t a n d a r d d e v i a t i o n , a. The s e c o n d o f t h e t w o o p t i m i z a t i o n c r i t e r i a i n v o l v e s a r i s k t h a t t h e s h i p h i t s t h e c h a n n e l b o t t o m . T h u s , a t t h a t i n s t a n t , t h e i n s t a n t a -n e o u s k e e l c l e a r a -n c e i s z e r o . The e f f e c t s o f s h i p m o t i o -n , w a t e r l e v e l v a r i a t i o n s , a n d b o t t o m v a r i a t i o n s h a v e b e e n c o m b i n e d t o a k e e l c l e a r -a n c e v -a r i -a t i o n c h -a r -a c t e r i z e d by -a^y The s h i p w i l l h i t t h e b o t t o m , t h e n , w h e n e v e r a p e a k v a l u e o f t h i s v a r i a t i o n e x c e e d s t h e a l l o w e d a v e r a g e k e e l c l e a r a n c e . T h u s , i f t h e a m p l i t u d e o f t h e v a r i a t i o n a b o u t t h e mean i s d e n o t e d b y c , t h e n we n e e d t o d e t e r m i n e t h e c h a n c e t h a t c i s g r e a t e r t h a n k e e l c l e a r a n c e p r o v i d e d , c'. S i n c e e x t r e m e s a r e now i m p o r t a n t , we c a n u s e t h e p r o p e r t i e s o f t h e R a y l e i g h D i s t r i b u t i o n - s e e v o l u m e I c h a p t e r 1 0 . The n u m b e r o f e x t r e m e s o f s h i p m o t i o n ( a n d h e n c e m i n i m a i n
p a s s a g e * . T h i s c a n be e a s i l y c o m p u t e d k n o w i n g t h e s h i p s p e e d , and wave d i r e c t i o n a n d p e r i o d - see s e c t i o n 3 . 4 . T h e r e s u l t i n g number o f waves e n c o u n t e r e d i s : N. = ^ ; | i ( 4 . 0 9 ) w h e r e i s t h e c h a n n e l l e n g t h , i i s t h e i n d e x o f t h e c h o s e n s t o r m , N.j i s t h e number o f w a v e s e n c o u n t e r e d , Vg i s t h e v e l o c i t y o f t h e s h i p , a n d bi^^ i s t h e a v e r a g e w a v e e n c o u n t e r f r e q u e n c y . The c h a n c e t h a t a n i n d i v i d u a l r e l a t i v e movement i s g r e a t e r t h a n t h e a l l o w e d k e e l c l e a r a n c e , ^ , i s c o m p u t e d f r o m t h e R a y l e i g h D i s t r i b u -t i o n . I n a way v e r y s i m i l a r -t o -t h a -t i n c h a p -t e r 11 o f v o l u m e I a n d e q u a t i o n 4 . 0 3 , h e r e : - 2 ( 4 . 1 0 ) w h e r e : c" i s t h e k e e l c l e a r a n c e p r o v i d e d , P(c)^ i s t h e c h a n c e t h a t t h e k e e l c l e a r a n c e v a r i a t i o n e x c e e d s o r e q u a l s c , i i s t h e i n d e x o f t h e c h o s e n s t o r m , a n d a^.| i s t h e s t a n d a r d d e v i a t i o n o f t h e k e e l c l e a r a n c e v a r i a t i o n . The c h a n c e t h a t c" is not e x c e e d e d i s : 1 - P ( c ) . ( 4 . 1 1 ) The c h a n c e t h a t t h i s i s n o t e x c e e d e d i n a s e r i e s o f N i n d e p e n d e n t e v e n t s i s : [ 1 - P ( c ) . ] ' ^ ( 4 . 1 2 ) F i n a l l y , t h e c h a n c e t h a t t h i s k e e l c l e a r a n c e v a r i a t i o n does ex-ceed t h e c l e a r a n c e p r o v i d e d a t l e a s t o n c e d u r i n g t h e s h i p ' s p a s s a g e i s : E^. = 1 - [ 1 - ?{c). ] N ( 4 . 1 3 ) T h i s c h a n c e , E^^., c o r r e s p o n d s i n t h i s s e c o n d c r i t e r i u m , t o t h e c h a n c e , P ( x . j ) . j , t h a t a s h i p w o u l d be u n a b l e t o m a n e u v e r a d e q u a t e l y a c -c o r d i n g t o t h e f i r s t -c r i t e r i u m . * * O b v i o u s l y , b o t h c r i t e r i a a r e i m p o r t a n t f o r a d e s i g n . A s h i p w h i c h c a n n o t p r o p e r l y m a n e u v e r has a g r e a t e r r i s k o f d r i f t i n g o f f c o u r s e a n d e i t h e r r u n n i n g a g r o u n d a t t h e e d g e o f t h e c h a n n e l o r c o l l i d i n g w i t h a n -o t h e r s h i p . A s h i p w h i c h s t r i k e s t h e b -o t t -o m , -o n t h e -o t h e r h a n d , may s p r i n g a l e a k l o s i n g c a r g o w h i c h c a n p o l l u t e t h e e n v i r o n m e n t o r t h e s h i p may e v e n s i n k i n t h e c h a n n e l b l o c k i n g t h e p a s s a g e o f o t h e r s h i p s .
I t has b e e n assumed t h a t t h e r e a r e many m o r e b o t t o m i r r e g u l a r i t i e s t h a n w a v e s .
A l t h o u g h t h i s s t a t e m e n t i s m a t h e m a t i c a l l y c o r r e c t , t h e damage t h a t can be a s s o c i a t e d w i t h e a c h i s v e r y d i f f e r e n t !
