Journal of Korean Society of Coastal and Ocean Engineers
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v.24
no.2
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pp.138-148
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2012
A stochastic reliability analysis model has been developed for evaluating the time-dependent stability performance of armor units of rubble-mound breakwaters subjected to the multiple loads of arbitrary magnitudes which could be occurred randomly. The initial structural capacities and the damage rates of armor units of rubble-mound breakwaters could be estimated as a function of the incident wave height with a given return period by using the modified Hudson's formula and Melby's formula. The structural stability performances of armor units of rubble-mound breakwaters could be analyzed in detail through the lifetime reliability investigations according to the limit states such as the serviceability or ultimate limit state and the conditions of multiple loads. Finally, repair intervals for the structural management of armor units of rubble-mound breakwaters could quantitatively be evaluated by a new approach suggested in this paper that has been based on the target probability for repair and the accumulated probabilities of failure obtained from the present stochastic reliability analysis model.
Journal of Korean Society of Coastal and Ocean Engineers
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v.25
no.2
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pp.52-62
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2013
A stochastic Markov process (MP) model has been developed for evaluating the probability of failure of the armor unit of rubble-mound breakwaters as a function of time. The mathematical MP model could have been formulated by combining the counting process or renewal process (CP/RP) on the load occurrences with the damage process (DP) on the cumulative damage events, and applied to the armor units of rubble-mound breakwaters. Transition probabilities have been estimated by Monte-Carlo simulation (MCS) technique with the definition of damage level of armor units, and very well satisfies some conditions constrained in the probabilistic and physical views. The probabilities of failure have been also compared and investigated in process of time which have been calculated according to the variations of return period and safety factor being the important variables related to design of armor units of rubble-mound breakwater. In particular, it can be quantitatively found how the prior damage levels can effect on the sequent probabilities of failure. Finally, two types of methodology have been in this study proposed to evaluate straightforwardly the repair times which are indispensable to the maintenance of armor units of rubble-mound breakwaters and shown several simulation results including the cost analyses.
Static reliability models are introduced to analyze the armor stability of rubble-mound breakwaters. Contrasted to the deterministic model, reliability models can estimate the probability of failure directly and calculate the influence of each design variables quantitatively. Thus, it can be possible to design armor units of the rubble-mound breakwaters rationally. In this study FMA(First-order Mean-value Approach), FDA(First-order Design-value Approach) and AFDA(Approximate Full Distribution Approach) of Level II approach of static reliability methods are used to analyze the armor stability of rubble mound breakwaters. The limitations and applications of each approach are studied straight-forwardly.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.33
no.3
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pp.1007-1015
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2013
A stochastic probability model based on the non-homogeneous Poisson process is represented that can correctly analyze the time-dependent linear and nonlinear behaviors of total damage over the occurrence process of loads. Introducing several types of damage intensity functions, the probability of failure and the total damage with respect to mean time to failure has been investigated in detail. Taking particularly the limit state to be the random variables followed with a distribution function, the uncertainty of that would be taken into consideration in this paper. In addition, the stochastic probability model has been straightforwardly applied to the rubble-mound breakwaters with the definition of damage level about the erosion of armor units. The probability of failure and the nonlinear total damage with respect to mean time to failure has been analyzed with the damage intensity functions for armor units estimated by fitting the expected total damage to the experimental datum. Based on the present results from the stochastic probability model, the preventive management for the armor units of the rubble-mound breakwaters would be suggested to make a decision on the repairing time and the minimum amounts repaired quantitatively.
A dynamic reliability model which can take into account the time history of loading sequences may be applied to the analyses of the hydraulic stability of armor units on rubble-mound breakwaters. All the parameters related to the stability of structures have been considered to be constants in the deterministic model until now. Thus, it is impossible to study the effects of some uncertainties of the related random variables on the stability of structures. In this paper, the dynamic reliability model can be developed by POT(Peak Over Threshold) method in order to take into account the time history of loading sequences and to investigate the temporal behaviors of stability of structure with its loading history. Finally, it is confirmed that the results of dynamic reliability model agree with straight- forwardly those of AFDA(Approximate Full Distribution Approach) of the static reliability model for the same input conditions. In addition, the temporal behaviors of probability of failure can be studied by the dynamic reliability model developed to analyze the hydraulic stability of armor units on rubble-mound breakwaters. Therefore, the present results may be useful for the management of repair and maintenance over the whole life cycle of structure.
Journal of Korean Society of Coastal and Ocean Engineers
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v.25
no.5
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pp.276-284
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2013
A stochastic expected cost model has been suggested by combining the nonlinear cumulative damage model with the expected cost model together which can be useful for doing the preventive optimal-maintenance of the armor units of rubble-mound breakwaters. The suggested model has been satisfactorily calibrated by comparison of the results from others models, also the sensitivity analysis has been carried out in detail under the variation of the associated parameters with the model. The optimal repair times can be directly evaluated by minimizing the expected cost rates that depend on the social importances, damage intensity functions and resistance limits. Finally, the present cost model has been straightforwardly applied to the armor units of rubble-mound breakwaters. Based on the assumption of turning the damaged structure back to the state as good as new after repairs, the required optimal repair times and magnitudes can be determined quantitatively in terms of the optimum balance between the costs and benefits on the preventive maintenance.
Journal of Korean Society of Coastal and Ocean Engineers
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v.11
no.3
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pp.165-172
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1999
A probability density function of reliability function is derived in this paper, by which the stability of armor units on the rubble-mound breakwater can be studied on the probabilistic approach. To obtain the distribution, each random variable of the reliability function is assumed to follow Gaussian distribution. The distribution function of reliability function is in agreement with the histogram simulated by the Monte-Carlo method. In addition, the failure probability of armor units on the rubble-mound breakwater evaluated by the derived probability density function is shown to have the same order of magnitude as those calculated by FMA and AFDA of moment method. In particular, it is important to note that random variables of the reliability function may be considered to be statistically independent in the reliability analysis of armor units on the rubble-mound breakwater. Therefore, the present approach may be straightforwardly applicable to all of the cases that any random variables in the reliability function are controlled by other distribution functions as well as normal distribution.
Journal of Korean Society of Coastal and Ocean Engineers
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v.28
no.4
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pp.191-201
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2016
A stochastic process has been used to develop a condition-based model for preventive maintenance of armor units of rubble-mound breakwaters that can make a decision the optimal interval at which some repair actions should be performed under the perfect maintenance. The proposed cost model in this paper based on renewal reward process can take account of the interest rate, also consider the unplanned maintenance cost which has been treated like a constant in the previous studies to be a time-dependent random variable. A function for the unplanned maintenance cost has been mathematically proposed so that the cumulative damage, serviceability limit and importance of structure can be taken into account, by which a age-based maintenance can be extended to a condition-based maintenance straightforwardly. The coefficients involved in the function can also be properly estimated using a method expressed in this paper. Two stochastic processes, Wiener process and gamma process have been applied to armor stones of rubble-mound breakwaters. By evaluating the expected total cost rate as a function of time for various serviceability limits, interest rates and importances of structure, the optimal period of preventive maintenance can easily determined through the minimization of the expected total cost rate. For a fixed serviceability limit, it shows that the optimal period has been delayed while the interest rate increases, so that the expected total cost rate has become lower. In addition, the gamma process tends to estimate the optimal period more conservatively than the Wiener process. Finally, it is found that the more crucial the level of importance of structure becomes, the more often preventive maintenances should be carried out.
Journal of Korean Society of Coastal and Ocean Engineers
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v.22
no.5
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pp.295-305
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2010
Although the rubble mound breakwaters in Korea have been damaged by typhoons almost every year, quantification of erosion of armor block have seldomly been made. In this paper, the damage of armor units is standardized by the relative damage. In the case where the number of damaged units is reported, it is divided by the total number of units to calculate the relative damage. In the case where the rehabilitation cost is reported, the relative damage is calculated by using its relationship with the present value of the past rehabilitation cost. The relative damage is shown to have strong correlations with the typhoon parameters such as nearest central air pressure and maximum wind speed at each site. On the other hand, the existing numerical methods for calculating the cumulative damage are compared with hydraulic model tests. The method of Melby and Kobayashi (1998) is shown to give a reasonable result, and it is used to calculate the relative damage, which is compared with the measured damage. A good agreement is shown for the East Breakwater of Yeosu Harbor, while poor agreement is shown for other breakwaters. The poor agreement may be because waves of larger height than the design height occurred due to strong typhoons associated with climate change so that the relative damage increased during the last several decades.
Journal of Korean Society of Coastal and Ocean Engineers
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v.35
no.2
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pp.23-32
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2023
Probabilistic and deterministic analyses are implemented for the armor units of rubble foundation mound of composite breakwaters which is needed to protect the upright section against the scour of foundation mounds. By a little modification and incorporation of the previous empirical formulas that has commonly been applied to design the armor units of foundation mound, a new type formula of stability number has been suggested which is capable of taking into account slopes of foundation mounds, damage ratios of armor units, and incident wave numbers. The new proposed formula becomes mathematically identical with the previous empirical formula under the same conditions used in the developing process. Deterministic design have first been carried out to evaluate the minimum weights of armor units for several conditions associated with a typical section of composite breakwater. When the slopes of foundation mound become steepening and the incident wave numbers are increasing, the bigger armor units more than those from the previous empirical formula should be required. The opposite trends however are shown if the damage ratios is much more allowed. Meanwhile, the reliability analysis, which is one of probabilistic models, has been performed in order to quantitatively verify how the armor unit resulted from the deterministic design is stable. It has been confirmed that 1.2% of annual encounter probability of failure has been evaluated under the condition of 1% damage ratio of armor units for the design wave of 50 years return period. By additionally calculating the influence factors of the related random variables on the failure probability due to those uncertainties, it has been found that Hudson's stability coefficient, significant wave height, and water depth above foundation mound have sequentially been given the impacts on failure regardless of the incident wave angles. Finally, sensitivity analysis has been interpreted with respect to the variations of random variables which are implicitly involved in the formula of stability number for armor units of foundation mound. Then, the probability of failure have been rapidly decreased as the water depth above foundation mound are deepening. However, it has been shown that the probability of failure have been increased according as the berm width of foundation mound are widening and wave periods become shortening.
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