Desempenho de metodologias baseadas em vídeo para a determinação do espraiamento em modelos físicos

Abstract

Os quebra-mares de talude são estruturas de proteção portuária muito comuns em Por- tugal. O seu dimensionamento é habitualmente realizado partindo de fórmulas semi-empíri- cas, sendo necessário recorrer-se a ensaios em modelo físico reduzido (2D e 3D), a fim de confirmar o seu comportamento adequado. Nesse âmbito, um dos parâmetros importantes para o dimensionamento é o espraia- mento, o qual em modelos físicos se pode estimar utilizando diferentes metodologias. Uma delas é a baseada na análise de imagens vídeo através da metodologia TimeStack. Esta meto- dologia, que foi aplicada e validada em modelos físicos 2D, tem limitações relacionadas com a necessidade de identificação manual das cristas correspondentes aos espraiamentos, visíveis na imagem TimeStack sendo, por isso, morosa e sujeita a erros. Por outro lado, é de grande interesse a aplicação desta metodologia em ensaios 3D e para diferentes incidências de ondu- lação. O objetivo principal do presente trabalho é o aperfeiçoamento, aplicação e validação da metodologia de determinação do espraiamento em modelos físicos de quebra-mares de ta- lude, baseada na análise de imagens de vídeo com recurso à técnica TimeStack (Andriolo, 2019). Pretende-se também que esta nova metodologia seja computacionalmente eficiente e aplicável a modelos físicos tridimensionais com diferentes obliquidades da agitação incidente num quebra-mar de taludes. O caso de estudo é o Porto das Lajes das Flores, para o qual foi construído e explorado no Laboratório Nacional de Engenharia Civil um modelo físico tridimensional com a represen- tação, no modelo, da batimetria e da estrutura à escala 1:58.9. Foram realizados trinta ensaios para diferentes condições de agitação, três níveis de maré e dois rumos de incidência da agi- tação e obtiveram-se vídeos da totalidade dos ensaios e medições de espraiamento com sonda resistiva colocada sobre o talude do quebra-mar. O aperfeiçoamento da metodologia TimeStack existente, consistiu na aplicação de dife- rentes filtros e métodos de análise de imagem com vista a automatizar o processo de seleção das cristas de espraiamento de imagem TimeStack, o que era anteriormente efetuado manu- almente. A implementação desta melhoria aumentou significativamente a qualidade dos da- dos obtidos e tornou a tarefa de deteção das cristas independente do técnico que a executa, tornando-a mais célere e viabilizando assim o uso corrente desta técnica em ensaios de mo- delo físico. Por outro lado, desenvolveu-se um procedimento para criar uma imagem TimeS- tack correspondente à duração integral do vídeo, viabilizando o prosseguimento do processa- mento do vídeo de uma forma integral, com menor exigência computacional e tempo de pro- cessamento. Este desenvolvimento é particularmente importante para vídeos de longa dura- ção, como são os dos ensaios correntes. O desempenho desta nova metodologia TimeStack foi bom, com resultados de espraia- mento (Ru2%, Rumax e Rum) que tem um andamento e uma ordem de grandeza semelhantes aos obtidos a partir das medições da sonda para as diferentes condições de ensaios testadas. Assim, a metodologia desenvolvida, associada a uma maior automatização dos procedi- mentos e otimização dos recursos computacionais, demonstrou ser uma ferramenta eficiente, fiável e de fácil utilização na determinação do espraiamento em ensaios em modelos tridimen- sionais de quebra-mar de taludes com diferentes obliquidades da agitação incidente.

Rubble mound breakwaters are very common harbour protection structures in Portugal. Their design is usually based on semi-empirical formulas, and it is necessary to use physical models (2D and 3D) to confirm their appropriate behaviour. In this context, one of the important parameters for design is the runup, which in physical models can be estimated using different methods. One of these is based on video images analysis using the TimeStack methodology. This methodology, which has been applied and validated in 2D physical models, has limitations related to the need to manually identify the runup crests visible in the TimeStack image, and is therefore time-consuming and prone to errors. On the other hand, it is of great interest to apply this methodology in 3D tests and for different wave incidences. The main objective of this work is to improve, apply and validate the methodology for determining runup in physical models of breakwaters, based on video images analysis using the TimeStack technique (Andriolo, 2019). This new methodology is also intended to be com- putationally efficient and applicable to three-dimensional physical models with different obliq- uities of the incident waves on a rubble-mound breakwaters. The case study is the Port of Lajes das Flores, for which a three-dimensional physical model was built and operated at the National Civil Engineering Laboratory, with the represen- tation, in the model, of bathymetry and structure at a scale of 1:58.9. Thirty tests were carried out, for different wave conditions, 3 tide levels and 3 wave directions. Videos were taken of all the tests as well as runup measurements with a resistive probe placed on the breakwater slope. The procedure adopted to improve the TimeStack methodology consisted of applying different filters and image analysis methods in order to automate the process of selecting the runup crests in the TimeStack image, which was previously carried out manually. The imple- mentation of this improvement significantly increased the quality of the data obtained and made the task of detecting crests independent of the technician carrying it out, making it faster and thus enabling the current use of this technique in physical model tests. On the other hand, a procedure was developed to create a TimeStack image corresponding to the entire duration of the video, making it possible to continue processing the video in an integral way, with less computational requirements and processing time. This development is particularly important for long-term videos, such as those in current physical model tests. The performance of this new TimeStack methodology was good, with runup results (Ru2%, Rumax and Rum) that were similar in behaviour and order of magnitude to those obtained from the probe measurements, for the different test conditions tested. This new methodology is more computationally efficient and applicable to three-dimensional physical models and to different obliquities of the incident wave agitation on a rubble-mound breakwater. Thus, the developed methodology, associated with a greater automation of procedures and optimization of computational resources, proved to be an efficient, reliable and easy-to- use tool in the runup estimation in tests on three-dimensional models of rubble-mound break- waters with different obliquities of incident agitation.