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Debris Hazard Assessment in Extreme Flooding Events

Stolle, Jacob ORCID

Coastal areas are often important to economic, social, and environmental processes throughout the world. With changing climate and growing populations in these areas, coastal communities have become increasingly vulnerable to extreme flooding events, such as tsunami, storm surges, and flash floods. Within this new paradigm, there has been an effort to improve upon current methods of hazard assessment, particularly for tsunami. Recently, the American Society of Civil Engineers (ASCE) released the ASCE 7 Chapter 6 which was the world’s first standard, written in mandatory language, that addressed tsunami resilient design in a probabilistic manner for several of its prescriptions. While often the focus tends to be on mapping the hazards related to hydraulic loading conditions, post-tsunami field surveys from disaster-stricken coastal communities have also shown the importance of also considering the loads exerted by solid objects entrained within the inundating flows, commonly referred to as debris loading. Limited research has addressed debris hazard assessment in a comprehensive manner. Debris loading can be generally divided into two categories: impact and damming. Debris impact loads are caused by the rapid strike of solid objects against a structure. Debris damming loads are the result of the accumulation of debris at the face of or around a structure, causing thus an obstruction to the flow. The primary difference between these loads is the time period over which they act. The rapid loading due to debris impacts requires structural properties be considered in assessing the associated loads whereas debris damming loads are generally considered in a quasi-static manner. In assessing the hazard associated with both impact and damming loading conditions, methodologies must be developed to consider the likelihood of the load occurring and the magnitude of that load. The primary objective of this thesis was to develop a probabilistic framework for assessing debris hazards in extreme coastal flooding events. To achieve this objective, the components of the framework were split into three general categories: debris transport, debris damming, and debris impact. Several physical experimental studies were performed to address each of these components, representing the most comprehensive assessment of debris hazards in extreme flooding events to date.

Küstengebiete auf der ganzen Welt sind oftmals wichtig für wirtschaftliche, soziale und ökologische Prozesse. Aufgrund des sich ändernden Klimas und der wachsenden Bevölkerung in diesen Gebieten sind Küstengemeinden zunehmend anfällig für extreme Überschwemmungen durch Tsunami, Sturmfluten und Sturzfluten. Innerhalb dieses neuen Paradigmas wurden Anstrengungen unternommen, um die derzeitigen Methoden zur Gefährdungsbeurteilung, insbesondere für Tsunami, zu verbessern. Die American Society of Civil Engineers (ASCE) veröffentlichte das ASCE 7 Chapter 6, den weltweit ersten verbindlichen Standard, der sich in mehreren seiner Vorschriften mit einem probabilistischen Ansatz mit tsunami-beständiger Konstruktion befasst. Während der Schwerpunkt häufig auf der Erfassung der Gefahren im Zusammenhang mit hydraulischen Belastungszuständen liegt, haben Felduntersuchungen in von Tsunami getroffenen Küstengebieten gezeigt, dass es wichtig ist, auch die Belastungen zu berücksichtigen, die von festen Gegenständen ausgehen, die im einströmenden Wasser als Treibgut mitgeführt werden. Umfassende Forschung zur Gefährdungsbeurteilung von Treibgut ist nur begrenzt vorhanden. Die Belastung durch Treibgut kann im Allgemeinen in zwei Kategorien unterteilt werden: Aufprall und Aufstau. Lasten aus dem Aufprall des Treibgutes werden durch das schnelle Auftreffen fester Gegenstände auf eine Struktur verursacht. Lasten aus dem Aufstauen sind das Ergebnis der Akkumulation von Treibgut an der Oberfläche oder um eine Struktur herum, was zu einer Behinderung der Strömung führt. Der Hauptunterschied zwischen diesen Lasten ist der Zeitraum, über den sie wirken. Die schnelle Belastung durch den Aufprall von Treibgut erfordert, dass bei der Beurteilung der damit verbundenen Belastungen strukturelle Eigenschaften berücksichtigt werden, wohingegen Lasten aus dem Aufstauen von Treibgut im Allgemeinen quasi-statisch berücksichtigt werden. Für die Bewertung der Gefährdung, die sowohl mit dem Aufprall als auch mit dem Aufstauen verbunden ist, müssen Methoden entwickelt werden, um die Wahrscheinlichkeit des Auftretens der Last und die Größe dieser Last zu berücksichtigen. Das Hauptziel der Dissertation war die Entwicklung eines probabilistischen Ansatzes zur Bewertung der Gefährdung durch Treibgut bei extremen Überflutungsereignissen an der Küste. Um dieses Ziel zu erreichen, wurden die Komponenten des Rahmens in drei allgemeine Kategorien unterteilt: Transport, Aufstau und Aufprall von Treibgut. Um jede dieser Komponenten zu untersuchen, wurden mehrere physikalisch-experimentelle Studien durchgeführt, die die bislang umfassendste Beurteilung der Gefährdung durch Treibgut bei extremen Überschwemmungen darstellen.

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Stolle, J., 2020. Debris Hazard Assessment in Extreme Flooding Events. https://doi.org/10.24355/dbbs.084-202005181428-0
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