z. 121 Transport 2018
Wojciech Ignalewski, Magdalena Kaup
Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny w Szczecinie, Wydział Techniki Morskiej i Transportu, Centrum Dydaktyczno-Badawcze Żeglugi Śródlądowej
PROJEKTOWANIE KONCEPCYJNE
STATKU ŚRÓDLĄDOWEGO PRZEZNACZONEGO
DO ŻEGLUGI NA DROGACH WODNYCH
UNII EUROPEJSKIEJ
Rękopis dostarczono: kwiecień 2018
Streszczenie: W artykule zaprezentowano etapy projektowania koncepcyjnego statków śródlądowych przeznaczonych do uprawiania żeglugi na międzynarodowych drogach wodnych Unii Europejskiej, które wraz z Dyrektywą Parlamentu Europejskiego i Rady (UE) 2016/1629 z dnia 14 września 2016 r. ustanawiającą wymagania techniczne dla statków żeglugi śródlądowej, stanowią podstawę do opracowywania nowych koncepcji śródlądowych jednostek pływających. Przedstawiono w nim m.in. schemat blokowy przebiegu procesu projektowania, model aksjomatyczny statku śródlądowego oraz wskazano zastosowanie innowacyjnych materiałów w konstrukcjach jednostek pływających. Celem artykułu było wskazanie i uporządkowanie podstawowych zasad konstruowania i projektowania statków śródlądowych zgodnie ze współczesnymi wymaganiami i wytycznymi.
Słowa kluczowe: projektowanie, statek śródlądowy, żegluga śródlądowa
1. WSTĘP
Dnia 06 listopada 2016 r. weszła w życie Dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady (UE) 2016/1629 z dnia 14 września 2016 r. ustanawiająca wymagania techniczne dla statków żeglugi śródlądowej, zmieniająca dyrektywę 2009/100/WE i uchylająca dyrektywę 2006/87/WE. Dotychczas obowiązująca Dyrektywa 2006/87/WE traci moc z dniem 7 października 2018 r., stąd państwa członkowskie wprowadzą w życie nowe przepisy ustawowe, wykonawcze i administracyjne niezbędne do wykonania niniejszej dyrektywy, nie później jednak niż do dnia 7 października 2018 r. Dyrektywa wprowadza między innymi zmianę w art. 1, który otrzymuje brzmienie “Niniejszą dyrektywę stosuje się do statków wykorzystywanych do transportu towarów śródlądowymi drogami wodnymi, o całkowitej nośności, co najmniej 20 ton metrycznych, o długości mniejszej niż 20 metrów oraz dla których iloczyn długości (L), szerokości (B) i zanurzenia (T) wynosi mniej niż 100 m3” [5].
Dyrektywa techniczna od dnia 7 października 2018 roku wprowadza nowe wymagania techniczne dla statków śródlądowych uprawiających żeglugę na międzynarodowych drogach wodnych Unii Europejskiej. Regulacje techniczne obejmują wymagania dla statków nowych oraz statków w eksploatacji, stanowiąc podstawę procesu projektowania technicznego. W celu osiągnięcia harmonizacji wszystkich wymagań technicznych dla ponad 14 000 statków pływających na unijnych drogach wodnych, w tym uprawiających żeglugę na rzece Ren, opracowano akt delegowany pn. ES-TRIN. Dokument ten określa jednolite standardy obejmujące następujące obszary:
a) bezpieczeństwo żeglugi i ochrona środowiska w kontekście transportu śródlądowego, b) promowanie zatrudnienia w żegludze śródlądowej i zwiększanie atrakcyjności tego
sektora,
c) usprawnienie operacji transportowych i promowanie handlu międzynarodowego. Proces projektowania statku śródlądowego składa się z wielu faz i etapów, szczególną uwagę należy zwrócić na fazę koncepcyjną [1], [2], w której następuje przygotowanie wstępnej dokumentacji zgodnie z obowiązującymi wymaganiami technicznymi, które są spójne z dobrymi praktykami projektowymi.
2. ZASADY KONSTRUOWANIA W PROCESIE
PROJEKTOWANIA STATKU ŚRÓDLĄDOWEGO
Można wyszczególnić ogólne zasady konstruowania obiektów technicznych: I. Konstrukcja powinna spełniać́ wszystkie podstawowe wymagania techniczne.
II. Konstrukcja powinna być́ optymalna z uwzględnieniem podstawowych kryteriów optymalizacyjnych.
Szczególne zasady konstruowania obiektów technicznych obejmują natomiast:
1. Zgodność́ z normami i przepisami – wykorzystanie norm i spełnienie obowiązujących. 2. Funkcjonalność́.
3. Niezawodność́ i trwałość́. 4. Sprawność́.
5. Lekkość.
6. Ekonomia użytkowania.
7. Właściwy układ przenoszenia obciążeń́. 8. Technologiczność́.
9. Łatwość́ eksploatacji. 10. Ergonomia.
11. Inne np.: oddziaływanie na środowisko, estetyka.
W tabeli 1 zaprezentowano podstawowe zasady konstruowania w procesie projektowania statku śródlądowego. Są to: zasada optymalnego stanu obciążenia, optymalnego tworzywa i optymalnych stosunków parametrów współzależnych.
Zasady konstruowania powinny być stosowane obligatoryjnie w procesie projektowania. Pozwalają one na systemowe podejście do uszczegółowiania obiektu. Pewnym ograniczeniem w ich stosowaniu jest konieczność spełnienia wymogów normalizacji, w tym np. CEN/TC15.
Tabela 1
Podstawowe zasady konstruowania w procesie projektowania statku śródlądowego
Lp. Zasada Wyszczególnienie
1 Optymalnego stanu obciążenia
Polega na konieczności poszukiwania korzystnych (ze względu na założone kryteria optymalizacyjne, najczęściej są to minima: masy, kosztów materiałów, kosztów produkcji itp.) stanów obciążenia. Stosowane najczęściej sposoby optymalizacji to:
x dobieranie postaci konstrukcji ze względu na wykorzystanie działania obciążeń́ roboczych, x zmniejszenie nierównomierności działania obciążeń́,
x powiększanie ilości dróg przenoszenia obciążeń́,
x zastępowanie układu o złożonym stanie naprężeń układem, w którego elementach występują̨ elementarne stany naprężeń,
x zmniejszenie niejednostajności obciążenia, x zmniejszenie oporów ruchu i strat energii. 2 Optymalnego
tworzywa
Polega na poszukiwaniu takich materiałów konstrukcyjnych, aby zostały w optymalny sposób spełnione założenia projektowe. Kryteriami podstawowymi przy wyborze materiałów są na ogół: ciężar, objętość́ i koszt. Wiele właściwości materiałów staje się̨ równocześnie kryteriami doboru. Są to np.:
x dostępność́,
x wewnętrzna i zewnętrzna struktura materiału, x wrażliwość́ na oddziaływanie czynników zewnętrznych, x właściwości fizyczne,
x właściwości uzyskiwanych powierzchni, x właściwości wytrzymałościowe, x właściwości technologiczne. 3 Optymalnych stosunków parametrów współzależnych
Polega na dobraniu takich stosunków między wartościami parametrów konstrukcyjnych, aby uzyskać́ konstrukcję optymalną. Wśród wielkości parametrów związanych na szczególną̨ uwagę̨ zasługują̨:
x konstrukcyjne cechy geometryczne, x stereomechaniczne właściwości materiałów, x dynamiczne cechy konstrukcyjne, x cechy kinematyczne,
x masy i właściwości sprężyste.
2. OGÓLNE ZAŁOŻENIA PROCESU PROJEKTOWANIA
KONCEPCYJNEGO STATKÓW ŚRÓDLĄDOWYCH
Projekt na etapie koncepcyjnym służy do uzasadnienia nowatorskiej idei w trakcie jej przedstawiania Inwestorowi. Na tym etapie określane są wstępne wartości głównych wymiarów statku śródlądowego, współczynnika pełnotliwości, mocy silników głównych, mas statku pustego oraz jego wyporności, wynikające m.in. z ograniczeń infrastrukturalnych międzynarodowych śródlądowych dróg wodnych. Ponadto w tym stadium projektowania należy określić typ architektoniczny jednostki [4], [8], [10], [11].
Racjonalność projektu statku jest zwykłe oceniana poprzez jego:
– zdolność przewozową, która zależy od nośności statku, objętości ładunkowej oraz jego prędkości;
– bezpieczeństwo funkcjonalne, które zależy od właściwości statku (w tym stateczności, niezatapialności, wytrzymałości, właściwości oporowo-napędowych i manewrowych);
– koszty eksploatacji.
W celu osiągnięcia wymaganego poziomu racjonalności projektu statku: 1. Na etapie ustalenia założeń technicznych należy:
sprecyzować zadania przewozowe;
dokonać analizy danych, w tym danych o statkach podobnych;
sporządzić listy wymagań dotyczących wyboru parametrów i wymiarów głównych statku.
2. Na etapie projektu koncepcyjnego należy: ocenić zadania przewozowe;
przeprowadzić badania dot. sposobów zapewnienia skutecznego wykonania prac przewozowych;
oszacować koszty eksploatacji statku;
zweryfikować uzyskane wartości parametrów i wymiarów głównych statku.
Proces projektowania rozpoczyna się od analizy popytu na usługi transportowe, wyborów kierunków dystrybucji oraz oceny celowości realizacji zadań przewozowych. Takie informacja jest konieczna do zdefiniowania wstępnych założeń projektowych [6], [7].
Doboru parametrów i wymiarów głównych koncepcji statku można dokonać na podstawie rezultatów badań istniejących statków podobnych i wyników analiz parametrów eksploatacyjnych śródlądowych dróg wodnych przy użyciu metod statystycznych. Na rysunku 1 przedstawiono schemat procesu projektowania koncepcyjnego statku śródlądowego, który stanowi podstawę tworzenia dalszej dokumentacji technicznej.
3. ETAPY PROJEKTOWANIA KONCEPCYJNEGO
STATKU ŚRÓDLĄDOWEGO
W celu uzyskania wartości parametrów i wymiarów głównych statków śródlądowych, należy opracować algorytm zawierający:
x wzory obliczeniowe oraz kolejność ich użycia;
x procedury obliczeniowe oraz warunki ich zastosowania;
x zasady przejścia do kolejnych etapów obliczeniowo-decyzyjnych.
Algorytm taki powinien być uporządkowanym ciągiem czynności przekształcających zbiór danych wejściowych oraz założeń projektowych na zbiór danych wyjściowych (wyników obliczeniowych). Kolejność uporządkowanych czynności przekształcających zbiór danych wejściowych na zbiór danych wyjściowych w procesie projektowania koncepcyjnego statku śródlądowego przedstawia rys. 2.
Rys. 2. Kolejność uporządkowanych czynności w procesie projektowania statku śródlądowego
Opracowanie algorytmu jest konieczne ze względu na zadanie pozyskiwania wartości parametrów i wymiarów głównych statku, podejmowania i weryfikacji decyzji na każdym kroku procesu projektowania koncepcyjnego. Proces projektowania powinien być spójny z oczekiwaniami zamawiającego/armatora. Celem realizacji zamierzeń projektowych jest utworzenie zbioru usystematyzowanych informacji, mających wpływa na przebieg realizacji projektu. Poniższy rysunek (rys. 3) przedstawia wymagania armatora, które osadzone w środowisku bazodanowym tworzą model aksjomatyczny statku śródlądowego.
Rys. 2. Wstępne założenia projektowe statku śródlądowego Rys. 3. Model aksjomatyczny statku śródlądowego
I. WYMAGANIA ARMATORA:
II. BAZY DANYCH DOTYCZĄCYCH: 1.1. Dotyczące:
- przeznaczenia statku; - zasad wykorzystania statku; - specyfiki architektonicznej.
1.3. Dotyczące posiadania świadectwa zdolności żeglugowej uprawniającego do żeglugi po krajowych i
międzynarodowych śródlądowych drogach wodnych*
2.1. Charakterystyki torów podejściowych do wybranych portów śródlądowych
2.4. Parametrów istniejących statków podobnych oraz zestawów pchanych
2.10. Konwencji i uregulowań prawnych
MODEL AKSJOMATYCZNY STATKU ŚRÓDLĄDOWEGO 1.2. Dotyczące: - ładowności; - prędkości; - zasięgu pływania. 2.6. Parametrów eksploatacyjnych śródlądowych dróg wodnych
2.7. Dopuszczalnych wymiarów statków i śródlądowych zestawów pchanych wg głębokości szlaków żeglownych
2.3. Bezpiecznych zanurzeń statków dla wybranych portów
2.5. Wielkości partii ładunkowych
2.8. Dopuszczalnych prędkości statków na określonych odcinkach dróg wodnych
2.11. Wytycznych towarzystw klasyfikacyjnych
* Jest obowiązkowo dla statków o długości nie mniejszej niż 20 m oraz statków, których iloczyn długości,
szerokości i zanurzenia jest nie mniejszy niż 100 m3.
2.9. Charakterystyki drogi wodnej 2.2. Charakterystyk techniczno-
eksploatacyjnych obiektów hydrotechnicznych ze względu na funkcje przeładunkowe
Projekt koncepcyjny statku śródlądowego jest realizowany w następujących etapach: Etap pierwszy zawiera procedury weryfikacji zadania projektowego. Procedury te oparte są na porównaniu wymaganych wartości ładowności i prędkości statku zarówno z ładownościami i prędkościami statków podobnych jak również ich zgodnością z parametrami eksploatacyjnymi i ograniczeniami śródlądowej drogi wodnej na planowanej trasie przewozu.
Etap drugi polega na określeniu wymiarów głównych oraz oszacowaniu wyporności i masy statku pustego. Uwzględniając ograniczenia śródlądowej drogi wodnej na planowanej trasie przewozu wyznaczana jest długość statków, która musi mieścić się w określonym przedziale, a wartości szerokości i zanurzenia konstrukcyjnego nie mogą przekraczać wartości dopuszczalnych dla swobodnego ruchu.
4. DETERMINANTY W PROJKETOWANIU
KONCEPCYJNYM STATKU SRÓDLĄDOWEGO
Jednym z najważniejszych czynności na wstępnym etapie projektowania jest wykonanie analiz z wykorzystaniem modeli matematycznych, na podstawie których określana jest przyszła zdolność statku do realizacji zamierzonych zadań przewozowych [8], [9]. Na użytek artykułu dokonano wyboru kilku czynników determinujących przyszły kształt jednostki przystosowanej do przewozu kontenerów.
Jeżeli statek projektowany jest np. na 1-szy rejon żeglugi (wody śródlądowe, na których, występuję fale o wysokości do 0,6 m) oraz na 2-gi rejon żeglugi (wody śródlądowe oraz morskie drogi wewnętrzne zaliczane do akwenów śródlądowych, na których może występować fala o wysokości do 1,2 m, do tego rejonu zalicza się m.in. Zalew Szczeciński), jego nośność nie powinna przekraczać 1100 ton.
Uwzględniając zanurzenie maksymalne:
– nośność statku w stosunku do wyporności powinna mieścić się w przedziale 0.732-0.832;
– stosunek długości statku do szerokości powinna mieścić się w przedziale 7.0-8.5; – stosunek szerokości statku do zanurzenia powinna mieścić się w przedziale 2.1-3.3. Typowe liczby Froude’a dla projektowanego statku powinny mieścić się w przedziale 0.21-0.27 a wartości współczynnika pełnotliwości podwodzia kadłuba statku w zakresie 0.78 – 0.9. Biorąc pod uwagę ww. informacje dla oceny wartości powierzchni zwilżonej projektowanego statku zasadnym jest zastosowanie wzoru Mumforda1.
¨©§ T¸¹· B C LT S 1.7 B (1)
Moc silników napędowych eksploatowanych w rejonie 1 i 2 obejmuje moce w zakresie 177 - 600 kW, przy średnim jednostkowym zużyciu paliwa 185-230 g/kWh. W stosunku do starszych wersji silników odnotowuje się inne wartości zużycia paliwa, które w górnych granicach wynoszą nawet 310 g/kWh. Kadłub statku zgodnie z dobrą praktyką powinien być konstrukcją stalową całkowicie spawaną. Dopuszcza się jednak stosowanie nowoczesnych materiałów lekkich w konstrukcji statku.
Przykładem nowatorskich rozwiązań w tym zakresie był projekt INBAT realizowany przez konsorcjum dwunastu europejskich partnerów. Techniczno - eksploatacyjne założenia obejmowały zaprojektowanie zestawów pchanych na płytkie wody Odry i Łaby. W ramach prac przygotowawczych wykazano, że dzięki zastosowaniu lekkich materiałów, specjalnych rozwiązań konstrukcji kadłuba pchacza i barek oraz bardzo efektywnych układów napędowych i pędników uda się obniżyć znacząco koszty eksploatacyjne jednostki. Nowością było zastosowanie materiałów kompozytowych, wzmocnionych szkieletem stalowych profili oraz budowa barek ze specjalnych stalowych konstrukcji tzw. sandwiczowych (rys. 4).
Rys. 4. Przykłady materiałów stosownych w konstrukcjach kadłuba Konstrukcja jednostek wykonana z bardzo lekkich materiałów zaprojektowana została do maksymalnych obciążeń i zanurzeń – rzędu 1.6 – 1.7 m. Założono ponadto rozwiązanie konstrukcji barki, o przekroju w kształcie U, aby możliwy był efektywny transport zarówno kontenerów oraz innych ładunków drobnicowych, jak i ładunków masowych. Wymiary główne barek, pchacza i całego zestawu dostosowano do wymagań Odry i Łaby - prędkość eksploatacyjna na wodzie głębokiej 13 km/h (przy mocy maksymalnej ok. 480 kW), długość całkowita barki 48.75 m, szerokość barek i pchacza 9.00 m [12].
5. PODSUMOWANIE
Proces projektowania współczesnych statków śródlądowych, które będą przystosowane do żeglugi na międzynarodowych drogach wodnych Unii Europejskiej powinien uwzględniać dobre i uznane praktyki budowy oraz najnowsze wymagania techniczne i prawne. Międzynarodowy rynek żeglugowy oferuje wiele innowacyjnych technik i technologii, które można zaadoptować w procesie planowania cyklu projektowego, jednak należy poświecić szczególną uwagę na rozpatrywanie tylko tych rozwiązań, które zostały uznane przez instytucje dopuszczające statki do eksploatacji, w tym krajowe komisje
techniczne, towarzystwa klasyfikacyjne oraz podmioty uznane i rekomendowane. Podejście systemowe do procesu projektowania koncepcyjnego powinno uwzględniać zapotrzebowanie rynku na wdrożenie do eksploatacji statku śródlądowego oraz zgodność z wymaganiami środowiskowymi, szczególnie w obszarze oddziaływania jednostki.
Bibliografia
1. Abramowski T., Bortnowska, M.: Analysis of design solutions and operational features of natural gas carriers. Problemy Eksploatacji, 2008, nr 2, s. 139-148.
2. Ambrose G., Hansen D. J., Duckstein L. R.: Multiobjective Decision Analysis with Engineering and Business Applications. New York, John Wiley & Sons, 1982.
3. Baxter B.: Naval Architecture: Examples and Theory. Charles Griffin and Company Ltd, London, 1977. 4. Chądzyński W.: Elementy współczesnej metodyki projektowania obiektów pływających. Wydawnictwo
Uczelniane Politechniki Szczecińskiej, Szczecin, 2001.
5. Dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady (UE) 2016/1629 z dnia 14 września 2016 r. ustanawiająca wymagania techniczne dla statków żeglugi śródlądowej, zmieniająca dyrektywę 2009/100/WE i uchylająca dyrektywę 2006/87/WE.
6. Ignalewski W., Sęk J.: Technical requirements for inland navigation ships to transport compressed natural gas. Economics Problems of Services, Szczecin 2016.
7. Ignalewski W., Sęk J.: The use of advanced materials for the construction on river cruise vessels according to the latest technical requirements for inland waterway vessels in the European Union. Economics Problems of Services, Szczecin 2016.
8. Kaup M.: Functional model of river-sea ships operating in European system of transport corridors: Part I. Methods used to elaborate functional models of river-sea ships operating in European system of transport corridors. Polish Maritime Research, Volume 15: Issue 3, 2008.
9. Kulczyk J., Winter J.: Śródlądowy transport wodny. Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 2003.
10. Piskorz-Nałęcki J.: Projektowanie statków morskich, część I, Wydawnictwo Politechniki Szczecińskiej, Szczecin, 1981.
11. Semenov I.N., Sanecka K.: Teoria projektowania statków. Ćwiczenia projektowe. Wydawnictwo Politechniki Szczecińskiej, Szczecin, 2001.
12. INBAT/ Innovative barge trains (inbat) for effective transport on inland shallow waters Project ID: G3RD-CT-2001-00458, 2004.Warszawa 2003, s. 189.
CONCEPTUAL SHIP DESIGN INTENDENT FOR EUROPEAN INLAND WATERWAY SHIPPING
Summary: The article presents the stages of conceptual design of inland vessels intended for navigation on international waterways of the European Union, which, connection with the Directive of the European Parliament and of the Council (EU) 2016/1629 of 14 September 2016 laying down technical requirements for inland waterway vessels, they form the basis for the development of new concepts of inland watercraft. It presents, among others, block diagram of the course of the design process, the axiomatic model of the inland ship and the use of innovative materials in the construction of inland waterway vessels. The purpose of the article was to explain and organize the basic principles of construction and design of inland vessels in accordance with modern requirements and guidelines
