BADANIA ODDZIAŁYWANIA STERÓW STRUMIENIOWYCH
NA NABRZEŻE W REJONIE CUMOWANIA STATKÓW
SAMODZIELNIE MANEWRUJĄCYCH
W artykule przedstawiono wstępne wyniki badań w skali rzeczywistej oddziaływania na nabrze-że sterów strumieniowych statku. Omówiono system pomiarowy zainstalowany na nabrzeżu promo-wym w Porcie Gdynia i dokonano analizy przeprowadzonych pomiarów. Opisano model oddziaływa-nia sterów strumieniowych na nabrzeże i dno w rejonie cumowaoddziaływa-nia statku w zależności od warunków pogodowych.
WSTĘP
Systemy umocnień stosowane przy nabrzeżach portowych, w rejonie cumo-wania statków samodzielnie manewrujących projektowane są na podstawie analizy nawigacyjnej, która podaje rozkład przewidywanych prędkości strumieni zaśrubo-wych pędników i sterów strumieniozaśrubo-wych dla założonej taktyki manewrowania. Jest to podstawowy parametr projektowy. Wybór typu umocnienia zależy od wielu czynników, jak np. konieczność zapewnienia efektu miękkiego dna (dno piasko-we), lokalne preferencje, dostępność i koszty materiału. Stosowane są technologie umocnienia dna poprzez wykonanie narzutu kamiennego, wylewki betonowej, warstwy masy bitumicznej, ułożenie płyt betonowych, gabionów, materacy geotek-stylnych wypełnionych kamieniami, betonem lub piaskiem.
Systemy umocnień dna podlegają stopniowej degradacji, zależnej od zastoso-wanej technologii. Właściwa eksploatacja umocnień oznacza nieprzekraczanie ograniczeń projektowych oraz przestrzeganie przepisów dotyczących częstotliwo-ści inspekcji stanu technicznego [8, 11]. Stan techniczny umocnień pomiędzy in-spekcjami nie jest znany. Może on być przewidywany na podstawie modelu degra-dacji konstrukcji [3].
Dla systemu ulegającego stopniowej degradacji przyjmuje się strategię zapo-biegania awariom opartą na pomiarach parametru diagnostycznego, określającego jego stan, lub na podstawie czasu porównywanego z danymi statystycznymi określającymi trwałość systemu. W przypadku umocnień konstrukcji hydrotech-nicznych pierwsze podejście jest bardziej efektywne. Zbudowanie modelu dyna-micznego procesu eksploatacji pozwala na śledzenie procesów zachodzących w rzeczywistych warunkach eksploatacji i ocenę trwałości.
Badania przedstawione w artykule mają na celu określenie ciśnień i prędkości wytwarzanych na ścianie nabrzeża przez stery strumieniowe statku, w celu przewi-dywania podmywania umocnień w rejonie cumowania. Połączenie badań ekspery-mentalnych w skali rzeczywistej, obliczeń numerycznych przepływu generowane-go przez stery strumieniowe i symulacji ruchu statku umożliwia stworzenie modelu kompleksowo uwzględniającego zjawiska decydujące o degradacji umocnień.
Badania wykonano w ramach projektu europejskiego SafePort (Martime Technologies MARTEC 2010), realizowanego w Akademii Morskiej we współpra-cy z Centrum Techniki Okrętowej (koordynator projektu), Zarządem Portu Gdynia, firmą Sprint S.A., Norweskim Instytutem Badań Morza NIVA i ITT-Aanderaa, Norwegia [4].
1. OCENA TRWAŁOŚCI SYSTEMU UMOCNIEŃ DNA
Wyróżnia się następujące czynniki wpływające na stan systemu umocnień dna [3]:
• typ umocnień – odporność na oddziaływanie strumieni wody o dużej prędkości, odporność na powstawanie przegłębień,
• kształt ściany nabrzeża,
• profil dna w rejonie umocnień,
• szerokość pasa umocnień,
• zabezpieczenie pasa zewnętrznego (od strony kanału portowego) przed podmy-waniem,
• charakter dna ze względu na możliwość zapadania się umocnień w wyniku in-filtracji, upłynniania gruntu lub podmywania,
• technologia prac podczyszczeniowych,
• częstość prac podczyszczeniowych i konserwacyjnych,
• częstość operowania statków w rejonie umocnień,
• obowiązujące procedury, ograniczenia wykorzystywanej mocy urządzeń w re-jonie umocnień,
• dopuszczalne prędkości strumieni zaśrubowych,
• dopuszczalne warunki pogodowe,
• rzeczywiste warunki pogodowe i stan wody w akwenie.
Spośród wymienionych wyżej czynników decydujące znaczenie mają prędko-ści strumieni zaśrubowych wytwarzanych przez pracujące pędniki i stery strumie-niowe statków, które mogą dochodzić do 15 m/s [11], dotyczy to głównie terminali promowych jednostek HSC i HSS [7]. W innych przypadkach prędkości zakładane przy projektowaniu nabrzeży nie przekraczają 10 m/s.
Rozwiązanie zagadnienia oddziaływania strumienia na dno i ścianę było przedmiotem wielu badań, w których wykorzystywano metody CFD, badania mo-delowe i rzeczywiste, oparte na systematycznych pomiarach odkształceń umocnie-nia dna [1, 5, 6, 7, 8, 10, 12, 14].W [10] zaproponowano funkcję niezawodności dla umocnień z narzutu kamiennego, opracowaną na podstawie metod
probabili-stycznych i drzewa FTA, zweryfikowaną w warunkach rzeczywistych w porcie Rotterdam. W pracy [7] badano zjawiska oddziaływania strumieni zaśrubowych na umocnienia z bloków betonowych (rys. 1).
Reakcja na granicy umocnienia Dynamiczne przemieszczanie bloków umocnienia wywołujące siły poprzeczne Strumień zaśrubowy Siła poprzeczna wywołana przez strumień zaśrubowy Infiltracja dna Woda wypływająca między blokami Pusta przestrzeń
pod umocnieniem Strefa uderzeniowa strumienia wody pomiędzy blokami umocnienia Naprężenia pomiędzy
blokami – przekazywanie naprężeń ścinających
Rys. 1. Mechanizm przenoszenia obciążeń i przyrostu ciśnienia pod umocnieniem dna wykonanym z bloków betonowych [3]
Elementy umocnienia w wyniku infiltracji i upłynniania gruntu mogą się za-padać i przemieszczać. Dotyczy to płyt betonowych, narzutu kamiennego lub mate-racy geotekstylnych. Szczególnie trudne jest przewidywanie stanu umocnień wy-konywanych według nowych technologii. Przykładem może być rozwiązanie, umożliwiające zapewnienie efektu miękkiego dna, zastosowane w Porcie Gdynia. Dwutonowe materace wypełnione piaskiem mogą być unoszone przez podciśnienie wywołane prądem wody ze strumieni zaśrubowych, zrywane są linki łączące mate-race, tkanina geotekstylna ulega rozdarciom.
Inspekcje umocnień dna w rejonie nabrzeży, zgodnie z obowiązującym pra-wem [11], powinny być przeprowadzane raz do roku. Opracowanie modelu umoż-liwiającego planowanie inspekcji oraz ustalenie stanów granicznych systemu, ze względu na konieczność prowadzenia napraw, wpływają na efektywność ekono-miczną oraz poprawę bezpieczeństwa eksploatacji statku i portu [3].
Czas do osiągnięcia stanu granicznego jest zmienną losową. Mechanizm uszkodzenia może być opisany poprzez model opisujący zmiany charakterystyki umocnień – uszkodzenie struktury, przemieszczenie elementów, powstawanie osa-dów powodujących lokalne spłycenia. Aby uniknąć konieczności zakładania dys-kretnego czasu i dyskretnych stanów systemu, stosowany jest model oparty na
procesie Gamma [14], którego właściwości (w szczególności to, że jest to proces monotonicznie rosnący) odpowiadają nieodwracalnym procesom degradacji. Doty-czy to np. konstrukcji betonowych, grobli, rowów, kanałów, budowli hydrotech-nicznych w trakcie jednego cyklu serwisowego [14].
Proces degradacji systemu
0 ) ~ (Xt t≥ dla wszystkich: t s< ≤ 0 , X~ − t X~s
ma rozkład gamma z parametrami: α(t−s),β:
( ),
( )
(1 )) ( ) 1exp { 0} )) ( ( 1 ≥ − − − − ⋅ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ − ⋅ ⋅ − ⋅ = t s t s x s t x x I s t x f β β α Γ α α β α (1)Średni wskaźnik szybkości degradacji systemu jest równy α⋅ wariancja β, wynosi α⋅β2.
Modele symulacyjne i metody numerycznej mechaniki płynów stanowią dobre narzędzie do przewidywania maksymalnych obciążeń umocnień dna. Na rysunku 2 przedstawiono przykład obliczeń prędkości przepływu w rejonie cumowania, wy-konanych dla manewru odchodzenia statku od nabrzeża.
Rys. 2. Obliczenia prędkości przepływu w rejonie cumowania statku dla zadanych nastaw urządzeń napędowych i sterujących [12]
Na rysunku 3 przedstawiono przykład wykorzystania programu symulacji ru-chu statku do oceny bezpieczeństwa i efektywności manewru podchodzenia statku do nabrzeża [2], zapis nastaw urządzeń napędowych i sterujących, odległości od nabrzeża, prędkości wzdłużnej, poprzecznej, prędkości kątowej i energii kinetycz-nej statku.
Pomiar rzeczywistych obciążeń nabrzeża generowanych przez stery strumie-niowe umożliwia weryfikację modeli numerycznych.
Odległość Oddziaływanie na dno i nabrzeże Energia kinetyczna statku Prędkości strumieni zaśrubowych Nastawy urządzeń Bezpieczeństwo i efektywność manewru Podchodzenie do nabrzeża Prędkości przyspieszenia
Rys. 3. Przykład wykorzystania programu symulacji ruchu statku do oceny bezpieczeństwa i efektywności manewru podchodzenia statku do nabrzeża (oprac. na podst. [2])
2. SYSTEM DO POMIARU CIŚNIEŃ INDUKOWANYCH NA NABRZEŻU PRZEZ STERY STRUMIENIOWE
System do pomiaru ciśnień na nabrzeżu, w rejonie oddziaływania strumieni zaśrubowych sterów strumieniowych i pędników, zainstalowano na nabrzeżu Hel-skim II, w Porcie Gdynia. W celu stwierdzenia poprawności funkcjonowania zasto-sowanego układu pomiarowego, skontrolowania stabilności działania układów, powtarzalności pomiarów i wyznaczenia zależności ciśnienia od prędkości prze-pływu przeprowadzono badania w Centrum Techniki Okrętowej.
Na rysunku 4 przedstawiono rozmieszczenie czujników na nabrzeżu w stosun-ku do położenia wylotów dziobowych sterów strumieniowych.
dziobowe stery strumieniowe poziom oczepu
dno
1 2 3 4 5
Rys. 4. Rozmieszczenie czujników na nabrzeżu w stosunku do położenia
wylotów dziobowych sterów strumieniowych
Wstępne pomiary rozkładu ciśnień normalnych pomierzonych na nabrzeżu, w zależności od czasu, przedstawiono na rysunku 5. Maksymalna wartość ciśnienia zaobserwowana w momencie uruchomienia sterów strumieniowych statku wynosi-ła 70 mbar, co odpowiada prędkości przepływu równej 3,8 m/s.
1 2 3 4 5 p [bar] p [bar] p [bar] p [bar] p [bar] t [s] t [s] t [s] t [s] t [s]
Rys. 5. Rozkład ciśnień normalnych p [bar] pomierzonych przy nabrzeżu w zależności od czasu (wykresy dla czujników w kolumnach 1-5 jak na rysunku 4), wykres prędkości
Zaprojektowany system umożliwia dynamiczny pomiar rozkładu ciśnień na ścianie nabrzeża z jednoczesną rejestracją nastaw urządzeń statkowych oraz po-miarem prędkości i kierunku wiatru.
WNIOSKI
Problemy związane ze wspomaganiem operacji podchodzenia i odchodzenia od nabrzeża statków samodzielnie manewrujących mają duże znaczenie ze wzglę-du na szybki rozwój żeglugi morskiej bliskiego zasięgu. Zastosowanie zawanso-wanych technologii ICT (Information and Communication Technology) zapewnia obecnie dostęp do bardzo dużej ilości informacji. Jej efektywne wykorzystanie związane jest z koniecznością używania systemów przetwarzania i konsolidacji danych oraz wspomagania decyzji. Przedstawiony w artykule system pomiarowy umożliwi zebranie danych porównawczych do weryfikacji modelu wspomagania decyzji podczas operacji portowych promów. Zastosowanie systemu będzie miało bezpośredni wpływ na bezpieczeństwo oraz efektywność ekonomiczną eksploatacji statku i portu.
LITERATURA
1. Abramowicz-Gerigk T., Jet flow generated by propeller of twin propeller twin rudder ferry, Scientific Journals Maritime University of Szczecin, 2010, no. 20/92.
2. Abramowicz-Gerigk T., Burciu Z., Comprehensive analysis of ship performance during
self-berthing, [w:] Ocean Engineering, Nova Science Publishers, USA, przyjęty do druku,
styczeń 2011.
3. Abramowicz-Gerigk T., Burciu Z., Ocena stanu systemu umocnień dna w rejonie nabrzeży
por-towych, Problemy Eksploatacji, 2011, nr 1.
4. Abramowicz-Gerigk T., Burciu Z., Prediction of ship performance in the risk based DSS BEDS in
Safeport European project, Journal of Konbin 2010, no. 1(13).
5. Brążkiewicz I., Tłumienie prędkości strumienia zaśrubowego w wyniku oddziaływania podłoża
i konstrukcji hydrotechnicznej, praca doktorska, Wydział Inżynierii Lądowej i Środowiska,
Kat-edra Budownictwa Wodnego i Morskiego, Politechnika Gdańska, Gdańsk 2002.
6. Dargahi, B., Three dimensional modelling of ship induced flow and erosion, Proceedings of the Institution of Civil Engineers Water and Maritime Engineering, 2003.
7. Evans G., Seabed Protection Systems to prevent Scour from High-Speed Ships, PhD, Cranfield University, 2010.
8. Mazurkiewicz B., Wiśniewski F., Zespół roboczy zasad projektowania budowli morskich.
Mor-skie budowle hydrotechniczne. Zalecenia do projektowania i wykonywania Z1-Z 45, Fundacja
9. Nielsen B., Bow thruster-induced damage. A physical model study on bow thruster-induced flow, MSc thesis for Delft University of Technology, http://www.citg.tudelft.nl/live/binaries/4de0d195-5207-4e67-84bb-455c540 3ae 47/doc/ 2005Nielsen.pdf. 2005.
10. Roubos A.A., Dealing with uncertainties in the design of bottom protection near quay walls, MSc thesis in hydraulic structures, Faculty of Civil Engineering and Geosciences, TU Delft, Delft (Netherlands), www.citg.tudelft.nl/.../doc/ paperRoubos.pdf. 2006.
11. Rozporządzenie Ministra Transportu i Gospodarki Morskiej z dnia 1 czerwca 1998 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać morskie budowle hydrotechniczne i ich usy-tuowanie (DzU nr 101, poz. 645).
12. Technical Report N0 RH-2009/T-027. 2009. CTO S.A. CFD calculations of interactions during harbour manoeuvres of vessel Kolobrzeg. The research project N N509 293635 sponsored by Polish Ministry of Science and Higher Education: “Safety of berthing of ships in the Motorway of the Sea transportation system”, Gdynia 2009.
13. Whitehouse R., Scour at marine structures: a manual for practical applications, Thomas Telford Publications, London 1998.
14. Zhou, Y., Ma, L., Mathew, J., Sun, Y., Wolff, R., Asset life prediction using multiple degradation
indicators and failure events: a continuous state space model approach, Eksploatacja i
Nieza-wodność, 2009, nr 4.
INVESTIGATIONS ON THE INFLUENCE OF BOW THRUSTERS OF A SELF-MANOEUVRING VESSEL ON THE QUAY WALL
IN THE BERTHING AREA
Summary
The paper presents the results of preliminary real scale investigations on the influence of vessel thrusters on the quay wall. The measurement system installed in the ferry terminal in Port of Gdynia and the results of the measurements carried out are described. The prediction model of bow thrusters' reaction on the quay wall in dependence on weather conditions has been described.
