Hydrodynamic interactions between waves and ships in restricted waterways

Hossam Salah Youssef Abdelwahab

Key information

Authors:

Hossam Salah Youssef Abdelwahab (Hossam Salah Youssef Abdelwahab)

Supervisors:

Carlos António Pancada Guedes Soares (Carlos Guedes Soares)

Published in

December 16, 2025

Abstract

A presente tese investiga a interação hidrodinâmica e as cargas de amarração de navios atracados em portos e vias navegáveis restritas sob a ação de duas das principais forças externas: proveniente das ondas e dos efeitos provocados pela passagem de navios. O trabalho tem como base de estudo o Porto de Leixões, em Portugal, no qual forças ambientais severas induzidas pela agitação marítima comprometeram a operacionalidade de um terminal petroleiro. As modificações planeadas, que incluem a extensão do quebra-mar norte em 300 metros e a receção de navios de maior porte, deverão alterar as condições locais de agitação e aumentar a probabilidade de ocorrência de passagens em proximidade reduzida, podendo introduzir novos riscos operacionais. Para quantificar e interpretar estes efeitos, o estudo combina ensaios em modelo físico, modelação numérica e avaliação sistemática de incertezas. A modelação física constituiu o núcleo metodológico, com três campanhas experimentais dedicadas a diferentes escalas geométricas. A primeira, à escala 1:80, simulou um navio petroleiro atracado no Porto de Leixões em condições de agitação marítima extrema, incorporando um sistema de amarração realista e as modificações planeadas para o porto. Para este modelo físico, foram desenvolvidos simuladores de amarrações construídos especificamente para reproduzir a rigidez não linear das amarrações e das defensas. A segunda série de ensaios, realizada à escala 1:65.7, analisou a interação hidrodinâmica entre um modelo autopropulsionado de navio petroleiro em trânsito e um modelo de navio portacontentores atracado, considerando diferentes configurações de cais, nomeadamente em mar aberto, junto a um cais vertical e no interior de uma doca em forma de U. Para realizar manobras de passagem precisas junto de um navio atracado sem recurso a reboque, foi desenvolvido um sistema de guiamento específico e construído um mecanismo de amarração especializado para medir com precisão as cargas de interação no modelo atracado. Foram variados parâmetros de ensaio essenciais, como as profundidades de água, as distâncias de separação, as velocidades de passagem e as dimensões dos navios em trânsito. A terceira série de ensaios, à escala 1:58, centrou-se nos efeitos da passagem a alta velocidade de uma fragata junto a um navio porta-contentores KCS atracado a um cais vertical, incluindo a influência das ondas geradas pelo navio nas movimentações e nas cargas de amarração. A análise de incertezas, realizada de acordo com recomendações ITTC e complementada com um novo quantificador de incerteza do modelo, confirmou a repetibilidade experimental e forneceu uma referência para a validação numérica. As simulações numéricas reproduziram as principais tendências dos movimentos dos navios e das forças de amarração, apresentando uma boa concordância quando foram considerados os efeitos não lineares das amarrações e defensas, a influência do cais vertical e o amortecimento viscoso. Os resultados evidenciam a influência significativa da agitação, da pré-tensão das amarrações, da distância de passagem, da velocidade e da profundidade da água nas reações dos navios atracados. Novos simuladores de sistemas de amarração de baixo custo e construídos especificamente para ensaios físicos em pequena escala permitiram reproduzir de forma realista a rigidez das amarrações e a reação das defensas a um custo reduzido. Um novo enquadramento operacional baseado em agrupamento (nomeadamente, clustered operability framework), que integra as condições no exterior do porto, a agitação interior, as movimentações do navio e as cargas de amarração, oferece uma metodologia abrangente para avaliar os períodos de downtime. Novos modelos preditivos rápidos (formulações empíricas) para forças em sway, surge e yaw, provocadas pela passagem de navios, melhoraram a precisão da previsão em águas confinadas. A tese contribui para a ampliação da base de dados experimental, para o avanço das metodologias de modelação e para a disponibilização de ferramentas práticas para o projeto portuário, o planeamento operacional e avaliações de segurança em ambientes com tráfego marítimo crescente e navios de maiores dimensões. This thesis investigates the hydrodynamic response and mooring loads experienced by ships moored in ports and restricted waterways under two principal categories of external forcing: wave action and passing ship effects. The work is motivated by a real-world case at the Port of Leixões, Portugal, where severe wave-induced loads have impaired the operability of a tanker terminal. Planned modifications, including a 300 m extension of the north breakwater and dredging to accommodate larger vessels, are expected to change local wave conditions and increase the likelihood of close proximity passing events, potentially introducing new operational risks. The study combines physical model experiments, numerical modelling, and systematic uncertainty evaluation to quantify and interpret these effects. Physical modelling formed the core methodology, with three dedicated experimental campaigns at different geometric scales. The first, at 1:80 scale, reproduced a moored tanker at Leixões port under severe outer-port wave conditions, incorporating a realistic mooring system and the planned port modifications. Custom-built mooring simulators were developed in this physical model to replicate the nonlinear stiffness of mooring lines and fenders. The second campaign, conducted at a 1:65.7 scale, examined the hydrodynamic interaction between a self-propelled passing tanker model and a moored container ship model across different berthing configurations, including open water, alongside a quay wall, and within a U-shaped pocket berth. A custom-built guiding system was developed to perform precise passing manoeuvres near a moored ship without a towing carriage, and a specialized mooring rig was constructed to accurately measure interaction loads on the moored model. The study varied key testing parameters such as water depths, separation distances, passing speeds, and sizes of the passing ships. The third campaign, at 1:58 scale, focused on the effects of a high-speed frigate passing a moored KCS container ship alongside a closed quay in a channel, including the influence of ship-generated waves on motions and mooring loads. Uncertainty analysis, following ITTC guidelines and extended through a new model uncertainty quantifier, confirmed experimental repeatability and provided a benchmark for numerical validation. Numerical simulations reproduced key trends in ship motions and mooring loads, with good agreement when nonlinear mooring and fender behaviour, quay wall effects, and viscous damping were included. Results highlight the significant influence of wave severity, mooring pretension, passing distance, speed, and water depth on moored ship responses. New cost-effective, custom-built mooring system simulators, specifically designed for small-scale physical model testing, enable realistic replication of mooring line behaviour and fender responses at a low cost. A new clustered operability framework integrating outer-port conditions, in-port waves, ship motions, and mooring loads offers a comprehensive tool for downtime assessment. New fast predictive models (empirical formulations) for sway, surge, and yaw interaction loads under passing ship effects improve predictive accuracy in confined waters. The thesis expands the experimental database, advances modelling methodologies, and delivers practical tools for port design, operational planning, and safety assessments in environments with increasing vessel traffic and larger ship dimensions.