In tsunami hazard assessment, the vulnerable area is determined using numerical models, which calculate the tsunami propagation and the inundation extent. Large-scale depth-averaged models, e.g. based on non-linear shallow water (NLSW) equations, are commonly applied. In such models, a selected Manning’s coefficient is generally applied to account for the effect of the bottom surface roughness. However, macro-roughness elements (MRE) such as buildings and tree vegetation generally form also part of coastal areas. Using purely empirical Manning’s coefficients to account for such large objects is not physically sound and might result in large uncertainties. To date, there is not generally applicable NLSW model available for adequately considering MRE-induced energy losses during tsunami inundation. This Ph.D. thesis attempts to contribute to a better understanding of the effects of relevant MRE parameters such as shape, size, and arrangement of the MREs on tsunami bore propagation and inundation. In phase 1 of this study, a three-dimensional Reynolds-averaged Navier-Stokes (RANS) model is systematically validated. In phase 2, the RANS model is used in a parameter study to create a database for flow parameters associated to MRE configurations, varying shape, size, height, arrangement, and density of MRE. In phase 3, the most relevant MRE parameters and flow regimes are determined and are carefully formulated so that they are easily obtainable for tsunami modelling. The energy losses are formulated by considering inertia and drag losses in analogy to the Morison equation. In phase 4, the MRE formula is implemented in the NLSW model COMCOT. Finally, the performance of the MRE formula is evaluated by comparing the results with well-documented physical experiments (Park et al., 2013) and with commonly used “equivalent roughness” approaches. The following findings are obtained: (i) In a group of MRE, an upstream zone and an inner zone can be distinguished; (ii) The shape, arrangement angle, relative spacing (ratio between blocked and total cross-section) and relative height (ratio between height of submerged part of MRE and flow depth) are the most relevant parameters; (iii) The MRE model leads to improved results compared to commonly used equivalent roughness models; (iv) The MRE model does not require calibration. ; In der Tsunami-Gefahrenbewertung wird das gefährdete Gebiet mit Hilfe von numerischen Modellen bestimmt, die u.A. die Überflutungsfläche berechnen. Meist werden großskalige, tiefengemittelte Modelle verwendet, die z.B. auf der nicht-linearen Flachwassergleichung (NLSW) basieren. In diesen Modellen wird meist ein Manning-Beiwert angewandt, um die Bodenrauheit zu berücksichtigen. Jedoch bestehen küstennahe Gebiete in der Regel auch aus sogenannten Makro-Rauheitselementen (MRE) wie Gebäuden und Vegetation. Allein rein empirische Manning-Beiwerte für die Berücksichtigung so großer Hindernisse zu verwenden ist physikalisch nicht korrekt und hat große Modell-Unsicherheiten zur Folge. Derzeit liegt kein NLSW-Modell vor, das MRE-induzierte Energieverluste bei Tsunami-Überflutungen adäquat berücksichtigt. In dieser Doktor-Arbeit wurde versucht zu einem besseren Verständnis relevanter MRE-Parameter, wie z.B. Form, Größe und Anordnung, auf die Tsunami-Ausbreitung und -Überflutung beizutragen. In Phase 1 wurde ein drei-dimensionales Reynolds-gemitteltes Navier-Stokes- (RANS)-Modell systematisch validiert. In Phase 2 wurde das RANS-Modell in einer Parameterstudie angewandt und eine Datenbasis für Fließparameter in Relation zu MRE-Konfigurationen erstellt, die in Form, Größe, Höhe, Anordnung und Dichte der MRE variierten. In Phase 3 wurden die maßgebenden MRE-Parameter ermittelt. Die Parameter wurden sorgfältig gebildet, so dass sie für die Tsunami-Modellierung leicht zu bestimmen bzw. verfügbar sind. Die Energieverluste werden in Analogie zur Morison-Gleichung als Trägheits- und Widerstandsverluste formuliert. In Phase 4 wird die MRE-Formel in das NLSW-Modell COMCOT implementiert. Schließlich wird die Leistungsfähigkeit der MRE-Formel durch den Vergleich der Ergebnisse mit gut dokumentieren Laborexperimenten (Park et al., 2013) und mit zwei der herkömmlichen „äquivalenten Rauheitsansätzen“ bewertet. Die folgenden Erkenntnisse wurden gewonnen: (i) In einer Gruppe von MRE muss zwischen einer Zufluss-seitigen Rand- und einer inneren Zone unterschieden werden. (ii) Die Parameter Form, Anordnungswinkel, relativer Zwischenraum (Verhältnis blockierter zu gesamter Querschnittsfläche) und der relativen Höhe (Verhältnis Höhe (des überfluteten Teils) der MRE zu Fließtiefe) sind maßgebend. (iii) Das MRE-Modell führt im Vergleich zum herkömmlich verwendeten äquivalenten Rauheitsansätzen zu verbesserten Ergebnissen. (iv) Das MRE-Modell benötigt keine Kalibrierung.


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    Title :

    Large Roughness Effects on the Onshore Tsunami Propagation and Inundation: A Numerical Modelling Study ; Einfluss der Makro-Rauheit auf die Tsunami-Ausbreitung und Überschwemmung an Land: Eine numerische Modellstudie



    Publication date :

    2021-08-27



    Type of media :

    Theses


    Type of material :

    Electronic Resource


    Language :

    English



    Classification :

    DDC:    6 / 62 / 627






    A Numerical Model for Tsunami Inundation

    Houston, James Robert / Butler, H. Lee | HENRY – Federal Waterways Engineering and Research Institute (BAW) | 1979

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    Numerical Modelling Studies on Tsunami Inundation along the Lakshadweep Islands

    Praveen, S. S. / Kalarani / Shanavaz, C. P. et al. | HENRY – Federal Waterways Engineering and Research Institute (BAW) | 2010

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    McGovern, David / Rossetto, Tiziana / Todd, David | HENRY – Federal Waterways Engineering and Research Institute (BAW) | 2019

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