I. Uvod Opterećenja za projektiranje pomorskih konstrukcija uključuju valove, vjetar, morske struje, led te razinu morske vode. Budući da morski valovi obično predstavljaju dominantan tip opterećenja, predviđanje valova i s njima povezane nesigurnosti presudne su za procjenu opterećenja i odziva pomorskih konstrukcija. Značajke stanja mora ovisne su o regiji i lokaciji te su statistički stacionarni tijekom kratkog vremenskog razdoblja, dok je pretpostavka kako se dugoročna klima valova modelira kao veliki broj uzastopnih stacionarnih, kratkoročnih stanja mora. Za definiranje valnih opterećenja u fazama projektiranja i eksploatacije brodova koriste se statistike valova dobivene iz raznih izvora, koje uglavnom dovode do različitih proračunatih opterećenja pomorskih konstrukcija. Ta se odstupanja u opterećenjima koje nastaju kao posljedica pretpostavki u modeliranju okoliša trebaju uzeti u obzir u postupku racionalnog projektiranja i analize pomorskih konstrukcija u vidu nesigurnosti ili neizvjesnosti. Prilikom projektiranja i proračuna pomorskih konstrukcija, valno okruženje se obično opisuje pomoću tablice stanja mora koja sadrži združene vjerojatnosti pojavljivanja značajnih valnih visina i prosječnih (ili vršnih) valnih perioda. Za stacionarne pučinske konstrukcije tablice stanja mora su često dostupne za određene lokacije te se izračun dugoročne raspodjele valnih opterećenja ili njihovih ekstremnih vrijednosti može provesti provjerenim inženjerskim metodama [1]. Za brodove je pak problem ponešto složeniji zbog njihove plovidbe različitim akvatorijima te nepredvidivog ljudskog djelovanja [2]. Poznavanje nesigurnosti uslijed proračunskih postupaka za predviđanje odziva pomorskih objekata na valovima i posljedičnih valnih opterećenja osobito je važno danas, kada direktne proračunske metode postaju gotovo standardni inženjerski alat u projektiranju i analizi sigurnosti konstrukcija. Prilikom analize brodskih konstrukcija, uobičajena praksa nalaže korištenje pomorskog atlasa Global Wave Statistics (GWS) [3] kao izvora podataka o statistici valova. Podaci iz GWS baze sakupljeni su dugogodišnjim promatranjem dobrovoljaca s trgovačkih brodova duž uobičajenih brodskih plovidbenih ruta. Brod prelazi različite valne zone različitim brzinama, stoga je valne podatke potrebno kombinirati. Postupak spajanja različitih valnih zona u zajedničku tablicu stanja mora dostupan je u IACS-ovim (Međunarodna udruga klasifikacijskih društava) preporukama br. 34. [4]. Podaci o valovima očitani iz IACS tablice stanja mora u Sjevernom Atlantiku zanemaruju mjesečnu i sezonsku varijabilnost jer se odnose na cijelu godinu. Zapravo, nedostaje istraživanja koja bi odredila posljedice na opterećenja brodova ako se dugoročna analiza provede za pojedine mjesece, sezonu ili određeni obrazac vjetra i zatim kombinira u cjelogodišnje rezultate [5]. U analizi valnih opterećenja brodskih konstrukcija koristi se i pretpostavka statističke nezavisnosti kratkoročnih stacionarnih stanja mora s kojima se brod susreće tijekom određenog putovanja. Ova je pretpostavka dvojbena zbog očite korelacije između uzastopnih stanja mora na određenoj ruti. Mogući pristup prevladavanju ovog problema je predložen u [6], gdje se pojedine valne zone na ruti broda razmatraju kao dijelovi probabilističkog lanca. Glavni izazov predstavlja kvantificiranje koeficijenta korelacije takvog sustava. Tablice stanja mora se mogu definirati koristeći različite izvore podataka. Osim vizualnim opažanjima, podaci o valovima dobivaju se mjerenjima s valnih plutača, nepokretnih oceanografskih tornjeva, radarima, laserima, stereo kamerama itd. [7]. Valne plutače i oceanografski tornjevi smatraju se najtočnijim mjernim izvorom podataka. Međutim, kod primjene na brodskim konstrukcijama imaju nedostatak jer se plutače nalaze van glavnih plovidbenih ruta i često su uslijed kvarova dulje vrijeme izvan upotrebe. Acqua Alta u sjevernom Jadranu predstavlja rijedak primjer neprekinutih dugoročnih mjerenja valova s oceanografskog tornja [8]. Posljednjih desetljeća, satelitska mjerenja su postala važan izvor valnih podataka. Numerički valni modeli treće generacije (WAM, SWAN, ...) koriste se za predviđanje valova na temelju podataka o polju vjetra. Numerički valni modeli prikladno kalibrirani satelitskim mjerenjima smatraju se danas najsveobuhvatnijim izvorom podataka za dugoročni opis klime valova [7]. Numerički podatci dobiveni valnim modelima karakterizirani su značajnim nesigurnostima uzrokovanim različitim prostornim i vremenskim rezolucijama. Odabir tablica valova dobivenih iz raznih izvora rezultira međusobnim odstupanjima u predviđenim dugoročnim odzivima brodova i pučinskih objekata [1]. To može imati posljedice na sigurnost konstrukcije s obzirom na njenu dinamičku izdržljivost i graničnu čvrstoću [9, 10]. Konturni dijagrami valnog okoliša predstavljaju racionalan pristup definiranju ekstremnog stanja mora, opisanog značajnim valnim visinama te vršnim valnim periodima. Konturnim dijagramima valova se opisuju kombinacije visina valova i valnih perioda koje rezultiraju određenom malom vjerojatnošću premašivanja odziva pomorskih konstrukcija. Konturni se dijagrami razmatraju kao alternativa tablicama stanja mora kod analize pouzdanosti i projektiranja pomorskih konstrukcija. Nesigurnosti konturnih dijagrama se javljaju kao posljedica različiti metoda i pretpostavki koje se koriste pri njihovu definiranju [11]. II. Cilj i hipoteze istraživanja Cilj ovog rada je predložiti unapređenje postojeće statistike valova s ciljem poboljšanja analize dugoročnih odziva pomorskih konstrukcija. Hipoteze: 1. Razmatranje prostorne korelacije između stanja mora na ruti broda može dovesti do pouzdanije analize dugoročnih odziva broda. 2. Usporedna analiza valnih podataka prikupljenih iz različitih izvora te razmatrajući mjesečne i sezonske promjene omogućit će kvantificiranje nesigurnosti dugoročne prognoze odziva. 3. Za područje Jadranskog mora mogu se korištenjem suvremenih simulacijskih postupaka definirati konturni dijagrami valnog okoliša, korisni za karakterizaciju ekstremnih odziva pomorskih konstrukcija. III. Materijali i metode Učinci prostorne korelacije kratkoročnih stanja mora analizirani su pretpostavljajući značajne visine valova duž plovidbene rute u Sjevernom Atlantiku kao korelirane članove serijskog vjerojatnosnog sustava s pretpostavljenim koeficijentom korelacije. Razdioba vjerojatnosti značajnih valnih visina je modelirana tro-parametarskom Weibullovom razdiobom. Monte Carlo simulacija korištena je za generiranje tablice stanja mora iz zajedničke razdiobe vjerojatnosti valnih visina i perioda. Dugoročne baze podataka dobivene na temelju satelitskih mjerenja, potvrđenih in-situ mjerenjima pomoću valnih plutača i simuliranih numeričkim modeliranjem valova glavni su izvor podataka korišten u istraživanju. Primjer jedne takve baze je Oceanor World Waves Atlas, koji sadrži podatke za 39 ravnomjerno raspoređenih lokacija u Jadranskom moru. Za svaku lokaciju dostupno je dvanaest fizikalnih parametara vjetra i valova u intervalima od šest sati (četiri na dan). Podatci su dostupni za period od 28 godina počevši od siječnja 1992. do prosinca 2019. Slična baza otvorenog pristupa je ERA5 baza, koja sadrži podatke za svjetska mora. Komparativna analiza valnih podataka iz različitih izvora je provedena za lokaciju u Jadranskom moru, gdje su dostupne četiri dugoročne baze podataka o valovima. Uz Oceanor i ERA5 baze, in-situ mjerenja za komparativnu studiju dostupna su s valne plutače iz projekta RON te s oceanografskog tornja Acqua Alta. Nesigurnosti vezane za mjesečne i sezonske varijabilnosti istražene su korištenjem podataka za Jadransko more iz Oceanorove baze podataka. Dugoročna razdioba značajnih valnih visina je određena vjerojatnosnim kombiniranjem ekstremnih vrijednosti određenih za svaki mjesec te uspoređena s konvencionalnom metodom gdje se uzimaju u obzir prosječne godišnje ekstremne vrijednosti stanja mora. Sličan pristup korišten je i za razmatranje učinka uzorka vjetra, gdje su dugoročne raspodjele definirane odvojeno za valove generirane vjetrovima Bure, Juga, Maestrala i Lebića. Metoda je korištena i za procjenu utjecaja mjesečnih varijabilnosti na ekstremne vrijednosti stanja mora uzduž prekooceanskih ruta brodova. Određene su i posljedice koje mjesečne varijabilnosti mogu imati na ekstremna globalna valna opterećenja brodskih konstrukcija. Koristeći podatke iz Oceanor baze kreirani su konturni dijagrami valova i perioda Jadranskog mora primjenom IFORM i ISORM metoda. Također su istražene nesigurnosti konturnih dijagrama uslijed primjene različitih inicijalnih razdioba vjerojatnosti značajnih valnih visina. Predložen je način kombiniranja konturnih dijagrama i ekstremnih valnih opterećenja brodskih konstrukcija. Polu-analitički izrazi za prijenosne funkcije, kao i uobičajene metode određivanja kratkoročnih i dugoročnih ekstremnih vrijednosti odziva brodskih konstrukcija, su korišteni za brzo dobivanje procjena odziva broda, što je prikladno za konceptualne analize u okviru predstavljenog istraživanja. IV. Rezultati Tablice stanja mora koje uzimaju u obzir utjecaj korelacije su određene za različite koeficijente korelacije, od kojih su dvije prikazane u Tablici 3.1 i 3.2 (Publication I). Utjecaj korelacije na ekstremna dugoročna valna opterećenja ispitan je na tankerima za prijevoz nafte različitih veličina. Rezultati sugeriraju smanjenje opterećenja kod porasta korelacije neovisno o veličini broda, što je prikazano na Slici 3.1, gdje se vidi da je smanjenje ekstremnog valnog momenta savijanja 10% - 15% , za koeficijent korelacije 0,8 - 0,9. Rezultati su validirani na način da su izračunate razdiobe vjerojatnosti vizualnih opažanja stanja mora s uključenim utjecajem korelacije uspoređeni s podatcima iz ERA5 baze za isto područje plovidbe, gdje je pokazano da su gustoće vjerojatnosti preklapaju za koeficijent korelacije od 0,8. Utjecaj izvora podataka na odzive pomorskih konstrukcija je proveden komparativnom analizom stanja mora i odziva za četiri različita izvora podataka o valovima prikupljenih na bliskim geografskim lokacijama u Jadranskom moru (Publication II). Dvije baze podataka dobivene su in-situ mjerenjima (valna plutača RON, oceanografski toranj Aqua Alta), dok su dvije numeričke baze podataka valova (ERA5 i WWA). Utjecaj nesigurnosti na različite aspekte projektiranja pomorskih konstrukcija je značajan. Dugoročne razdiobe valnog opterećenja barže su prikazane na Slici 3.2, gdje se ekstremne vrijednosti za povratno razdoblje od 25 godina razlikuju za 30%. Najveći utjecaj različiti izvori podataka imaju na akumulirani zamor materijala, gdje se procijenjeni životni vijek može razlikovati i do 3,3 puta. Pokazano je i da se ukupni energetski potencijal na nekoj lokaciji može bitno razlikovati, ovisno o valografskoj bazi podataka koja se koristi. Utjecaj varijabilnosti klime valova unutar godine određen je za različite prekooceanske rute brodova (Publication III) i za Jadransko more (Publication IV). U oba su slučaja dobivene značajne razlike ako se ekstremne vrijednosti prikupljaju za svaki mjesec, pa zatim kombiniraju na godišnjoj razini, u odnosu na slučaj kad se samo godišnje ekstremne vrijednosti analiziraju. U najvećem broju slučajeva su ekstremi veći kad se uzimaju u obzir mjesečne varijacije nego kad se zanemare. Rezultati usporedbe razdiobe značajnih valnih visina za dvije lokacije u Sjevernom Atlantiku su prikazane na Slici 3.5 (Publication III). Utjecaj smjera vjetra je analiziran za Jadransko more i manji je od utjecaja mjesečnih varijacija valova (Publication IV). Analiza raspodjela godišnjih maksimuma po smjerovima nailaska ukazuje na dominaciju valova bure na sjevernoj i duž zapadne obale Jadrana, dok jugo dominira preostalim područjem. Na najjužnijim lokacijama, u blizini Otrantskog tjesnaca, jak je utjecaj Jonskog mora, što uzrokuje mješavinu različitih sustava vjetrova i valova. Posljedično, na tim mjestima valni ekstremi nisu nužno pod dominantnim utjecajem juga ili bure. Konturni dijagrami valnog okoliša, opisujući kombinacije značajnih valnih visina i vršnih valnih perioda, definirani su za čitavo područje Jadranskog mora korištenjem IFORM i ISORM metoda. Pokazano je da je ISORM očekivano konzervativnija metoda u svim slučajevima. Primjer kontura je prikazan na Slici 3.9 (Publication V). Pokazano je da na oblik konturnih dijagrama veliki utjecaj ima parametar γ Weibullove 3-parametarske razdiobe, čije je određivanje često nepouzdano. Konturni dijagrami su prikazani zajedno s dijagramima ekstremnih vrijednosti momenata savijanja na valovima, ukazujući na mogućnosti praktične primjene konturnih dijagrama kod određivanja ekstremnih valnih opterećenja. V. Zaključak U doktorskom radu su istražene napredne metode za poboljšanje statistike valova pri projektiranju i analizi pomorskih konstrukcija, uključujući korelaciju između stanja mora, unutargodišnju promjenjivost klime valova, utjecaj smjera valova te primjenu konturnih dijagrama valnog okoliša. Primjena novih metoda je potrebna zbog dostupnosti baza podataka o valovima visoke prostorne i vremenske razlučivosti, koje se postupno uvode kod projektiranja brodskih i pomorskih konstrukcija. Korelacija između uzastopnih stanja mora koja brod susreće na ruti je iskorištena za prilagodbu tablica stanja mora, koje vode do značajnog smanjenja maksimalne značajne valne visine te sukladno tome i dugoročne raspodjele valnih opterećenja. Pokazano je da se može očekivati smanjenje ekstremnih vertikalnih valnih momenata savijanja za 10% - 15% za realne koeficijente korelacije. Utjecaj izvora podataka o valovima na odzive pomorskih konstrukcija može biti značajan, pogotovo na akumulirano zamorno oštećenje, koje se može razlikovati za više od 3 puta ako se koriste različite baze s podatcima o valovima prikupljenima na istoj lokaciji. Ekstremne vrijednosti globalnog valnog opterećenja mogu međusobno odstupati do 30%, a različiti izvori podataka mogu rezultirati i bitno drugačijim procjenama energetskog poten- cijala valova na datoj lokaciji. Ukoliko se uključi u analizu, utjecaj varijabilnosti klime valova unutar godine može promijeniti ekstremne dugoročne valne momente savijanja brodova do 10 %, a najčešće dolazi do povećanja valnog opterećenja. Rezultati dobiveni za prekooceanske rute su potvrđene i za specifični akvatorij Jadranskog mora, za koji je određen i utjecaj usmjerenosti valova na ekstremne vrijednosti značajnih valnih visina. Utjecaj smjera valova na ekstremne vrijednosti je primjetan, ali manji od utjecaja mjesečnih varijabilnosti. Konturni dijagrami valova i perioda definirani su za čitavo područje Jadranskog mora, i mogu se preporučiti za primjenu u inženjerskoj praksi. Konture za povratno razdoblje od 25 godina su primjenjive za projektiranje brodskih konstrukcija, a one za povratno razdoblje od 100 godina za projektiranje odobalnih pomorskih konstrukcija. Jednogodišnje konture su primjenjive za planiranje posebnih pomorskih operacija (npr. prijevoz teških tereta). ISORM metoda je preporučena za definiranje konturnih dijagrama jer je konzervativna u odnosu na IFORM metodu. VI. Izvorni znanstveni doprinos Izvorni znanstveni doprinosi provedenog istraživanja: 1. Unaprijeđena je tablica stanja mora za analizu brodskih konstrukcija, definirana uzimjaući u obzir korelaciju između stanja mora koje brod susreće tijekom plovidbe. 2. Kvantificirane su nesigurnosti dugoročnih razdioba vjerojatnosti stanja mora i pripadajućih odziva pomorskih konstrukcija, uzrokovanih korištenjem podataka o valovima iz različitih izvora te razmatranjem mjesečne i sezonske varijabilnosti klime valova. 3. Definirani su konturni dijagrami valova za Jadransko more te predložena njihova primjena za predviđanje ekstremnih odziva pomorskih konstrukcija.