Onderzoek naar omslaan van zeiljachten in brekende golven

Onderzoek naar omslaan van

zeil-jachten in brekende goiven.

Condlusie:

Moderne wedstrijdjachten zijn

on-veilig.

Prof .ir.J. Gerritsma

Tékeningen: P.W. de Heer

Rapport 765-P

Waterkampioen nr.. 13

jüli 1986.

Daift Uflivorefty of Techiiólogy Ship Hydromechanics Laboratory Mëkèlweg 2

2628 CD Deift The Netherlands

St

r

tI:A

S

C

A'I 4è4

I

1i

H

Onderzoek

naar

omsIaan van zeiljachten

in brekende golven

CONCLUSIE:

MODERN E WEDSTRIJDJACHTEN

ZIJN ONVEILIG

door prof. r. J. Gerritsma

Tekeningen: P.W. de Hoer, TH-Delft.

De rampzalige Fastnet Race van 1979 heeft geleid tot onderzoeken

naar het gedrag van zeiljachten in brekendegolven, in Japan, Engeland

en Amerika. Er kwamen een paar opmerkelijkeconctusies uit, waar

Prof. Gerritsma vande afdeling Scheepshydromechanicavan de

Tech-nische Hogeschool in Deift een samenvatting van maakte.

4-0 0 0

4-0

15°

90°

maxlmum8tabiliteltsmoment hook, waarbij do stablUteit nulls

._..._.

20

40

60

80

IsO

1 0

1 0 '°" 80

hellingshoeking radon boreik waarovor do

stabilitelt

negatlef is

A

4'

125°

Figuur 1. Do stabi!iteitskromme van eon willekeurig schip, waarin hot stabiliteitsmomont (armxgowicht) isafgezet tegen.do hel!ingshoek. Van bolang voor hot zelldragendvormo-gen van hot jacht is do aanvangsstabiiteit van ongeveer nul tot 20 graden, hier voorge-stold door do raaklijn aan do kromme; hoe stoller deze raaklijn, hoe groter deaanvangs-stabiliteit. Hot gedeelte onder do krornme van nul tot 140 gradon S:!fl dit goval

destabili-teitsomvang van hot bewustejacht; doze is van groot belang voor hot kentorgodrag van

deboot bijbrekendegolven.

Hot geèrceerdegedeolte.onder do horizontale as goeFtde negatiove stabi!iteitsomvang aan. die voor hot zelfoprich tend vormogen zo k!einmogelijkmoot zijn.

In 1982 word in Tokyo do tweede

Interna-tionale Conforentie over stabiliteit van

schepen gehouden Hierbij kwam ook do., veiligheid van kleino schepen. zoals

vis-sersvaartulgen en dergelilketer sprake. Interessant was in dit verband de presenta-tie van de resultaten van Japanso

kenter-proeven in brekende golvon.

die met

schaalmodellen werden Uitgevoerd. Dat onderzoek betrof eon reddingboot van 8

meter lengte. maar do rosUltaten zijn ook voor jachten van die afmetingvanbelang. Geconstateerd werd, dat hot niet altijd no-dig is om tot 1 80 gradon heuing een zelf-richtend stabiliteitsmoment te hebben; een belangrijke conclusiel

Do stabilitoltsomvang

We bekijken in dit verband nog eons do

stabilitoitskromme van eon zoUjacht (figuur 1). Do holling van hot oorste gedeelte van do kromrne, bijvoorboold van 0 tot 20 gra-den, bepaalt do zogeheten aanvangsstabili-toit. die voor zeiljachton van hot allergroot-Ste belang Is voor hun zeildragend vermo-gon: hoe steiler do kromrne, hoe stabieler

hetlacht indit gebied.

Hot maximale stabilitoitsmoment Iigt voor moderno zeiljachten ongeveor bij 60

gre-don hol!ing Bij grotere hellinghoekon

neemt hot stabiliteitsmoment weer af om

ten slotte, bijvoorboeld bij 140 graden, 0 to wordon. Het gebied tussen de 0en do 140

graden bepaalt voor het betrokkon jacht

zijn stabiliteitsomvang.

Doze stabiliteitsomvang nu blijkt eon be-Iangrijke maat to zijn voor hot

zolfoprich-tondvormogon van kleine vaartuigen. zoals al gosuggereerd word in do analyse van do ongevallen in de Fastnet race van 1979. Do stabiliteitskromme geldt voor do denk-boeldige toostand. waarin hot jacht

nietbe-woegt; je zou bijvoorboeld het stabilitoits-moment bij 30 gradon kunnen meten als

het jachi in die stand vastgohouden wordt.

Met andere woordén: hot is do kromme

van statische stabiliteit.

Bij hot kenteren van een jacht in brekende golvon troden or echtor allorlei dynamische vorschijnselen op. Daarom lijkt hot op hot eorste gezicht niet logisch verband te leg-gon tussen diestatischestabiliteitskromme en hot kentergodrag in golven.

Toch is in hot Japanse onderzoek die weg

juist wèI mm of moor govolgd Met behulp

van modeiproeven is nageggaan bij welke

stabiliteitsomvang eon brekonde golvon

dmslaat en ook of die omgoslagon toestand blijft voortbestaan.

Oat laatste houdt vorband met hot stukjo van do stabiliteitskromme ondor do

hori-zontale as, waar hot stabiliteitsmomefltdus negatief is (hot gearceerde godeolte in f i-guur 1). AIs dat stuk rolatiof groot is dan is hot mooilijk do boot na eon kentoring weor

ovoroind to krijgen. Do omgeslagon boot

heeftdan immers in eon to groto stabiliteit.

130° degrens

Do conclusios van hQt Japanse ondorzook

zijn in dit verband Interessant. Professor

Motorra cs. constateerden dat do

be-schouwdo boot vrijwol niot in brekende

golven kan omslaan ala de

stabiliteitsom-yang groter is dan 130 gradenl Als dat

toch gebeurt. dan blijkt do boot bijna altijd weer overeind to komen. ook no een

corn-pleterol van 360 graden.

Bij een stabiliteitsomvang van 150 graden zal do boot indepraktijk noôit omgeslagan blijven liggen: eon klein zotje van eon golf is dan al voldoende om hem woer to doen terugkenteren.

Eon belangrijke conclusie is dus. dat hot

zelfoprichtend vermogen van eon schip In

golven btijkbaar een andere betekenis

heeft don-in .v!ak water. In hot Iaatste geval

zou hot stabiliteitsmoment steeds positief

mooton zijn (eon omvang van 180 gradon moeten hebben), maar ingolvon is minder nodig, bijvoorbeold 150 graden.

Er wordt door de Japannors overigons op

gewezen dat deze conclUsios golden voor eenboot van acht meter.

Stabfllteitaomvang van

wedstrijdjachten tekleln

Hot Fastnet-onderzook bracht aan hot Iicht, dat sommige moderne wedstrijdachten, in vergolijking met enkele decennia geloden, een véél kleinère stabiliteitsomvang bezit-ten. Een kiassiek voorbeeld daarvan geeft

figuur 2, waarin do stabiliteitskrommen

van eon Contessa 32 en van do Grimalkin (een halftonner) zijn vergeloken.

Figuur 3 geeft do historische ontwikkeling van do grootte van de stabiliteitsomvang. van wodstrijdjachten in. do laatste twintig

jaar weor en daaruit blijkt dat die aanzien-lijic kleinor isgeworden.

Opdeuniversiteit van Southampton is eon uitgebreid ondorzoek ultgevoerd naar het

kapseizen van jachten en de resultaten zijn

in 1984 gepubliceerd. In totaal ziJn or

no-gen verschillende jachton in brekende

gol-yen bekeken, zowel in dwarsinkomende

golvenals in achteropkomende golven

De modellen zijn afgeleid van drie basis-modellon (figuur 4): eon moderne romp

met aangehangon kiel en roer en met eon

kajuitopbouw (1). eon gowijzigdo vorsie daarvan met meor vrijboord maar zonder opbouw (4) en eon meer traditionelevorm

met eon lange, doorlopende kiel (7) Doze

basisrompen zijn vorvolgens versmald en

verbreod zodat arm totaal negen verschil-lende rnodBllen'zijnonderzocht.

Do breodte van hot jacht lsbelangrljk In do eerste plaats is do invlood van do

breedte, of beter gezegd, van do breedte--holtevorhouding (figuur 5) bekoken. Daar-bij bleken smalle rompen boter bestand to-gon kenteren in brekende.dwarsgolven dan brede rompen met dezelfde hoogteligging

van hot zwaartepunt. 'Do invloed van do broedte op do stabiliteitskrommo is dan

ook heel belangrijk. vooral ton aanzion van

de stabiliteitsomvang, zoals uit figuur 6 blijkt. In eon achteroplopende zoo bleek

hot smallomodolook miAdor last van

broa-chen (dwarsslaan) to hebbon.

-Hot brede model bleof in omgeslagen

toe-stand liggen, terwiji do smalle romp, door

gobrek eon stabiliteit na hèt kenteren, zich snel woer oprichtte.

40

60 - 80 100 12

helllngshoek in gradon

Figtiur 2. Eon kiassiek gowordan vorge!ijkingvanstabiliteitskrommen hooftgestaanin hot rapport dat indertijd naar aanleiding vân.doFastnet Ramp in 1 979isopgeste!d. Toen blook voor hot eerst hoe eon stuk-kleiner de stabi!iteitsomvang van-eon modern wedstrijd-schip (in dit geval do haiftonner Grimalkin) is ton opzichte van die van eon standaordtoer-schip (de Contessa 32). Do hobbelin do top van do krornme vandeContossa, waardoor aishetware do positievestabilltoit eon extra 'duwtje' krijgt, -is hot gevoig van hot in hot water komon van dekajuitopbouw. Dein Wood van eon opbouw op do stabiiteitsornvang

isdanookerggroot. - -180 60 C 140 120 -100 - 80 1960

U

U

I

N..

a.

1965

1970

-

1975

1980

Figuur 3 Do ontwikke!ing van do stabilitoitsomvang van wedstrijdjachton overdo laatste 25/oar. Als we 130 graden als minimum zouden nemen danblljkon domeestemoderne /achten dEar niot aan to kunnen voldoon en zijn dus onveilig.

Er is ook gekeken naar de invlOed van hot vrijboord. Model 4 met eon hoog vrijboord

maar zonder opbouw, is vergoleken met model 1, dat wèl een opbouw hoeft, maar

voorhet overige identiek is aan 4. Er werd, tussen dezo twee goon verschil in

kentergo-drag bij dwarsgolven geconstateerd. Ook

voor de golven uitvarend was er geen

ver-schil. Wèl bleef echter model 4 vaker in omgeslagen toestand liggen. Do invloed van do opbouw op de stabilitoitsomvang

blijkt erggroot to zijn. zelfs bij brede, lichte schepen.

Korte:en lange kielefl

Model nummer 1 word ook nog met een lange kiel (driemaal zo lang als de korte-kielversie) uitgerust. Er bleek weinig ver-schil in kentergedrag in dwarsgolven,

al-hoowel hot model met do langekiel, vó or-datde brekende golf toeslaat, eon veel kIei nerb hetlinghoek to zion gaf. Do lange kiel

gaf wbl eon betore koorsstabilitoit in eon

achteropkomende zoo.

jo zou hieruit kunnen afleiden dat do ver-mindering van bet tateraal oppervlak niet do oorzaak is van het kentergedrag van

moderne. lichte en brede schepen. Do re-ductievan destabiliteitsomvang Is een véél bolangrijkor oorzaak.

Variatie van gewichton do ligging van hat zwaartepunt

Hot kentergedrag van jachten wordt ook

bolnvloéd door de grootte van do

watorvor-plaatsing en do hoogteiigging van hot

zwaartepunt. Deze tweegrootheden zijn bij een bestaand jacht binnen bepaalde gren-zen to variëren. Model 1 word daartoe met

eon 60% grotere waterverplaatsing be-proofd en hot bleek dat deze verandoring

allóén weinig invloed op do neiging tot

konteron had. De grotere stabiliteit die

hiervan hot gevolg was. gafwol eon

verbe-tering van do koersstabilitoit on

vermin-dordede noigiñg toubroachen.

Verandering van do hoogte van het gO-wichtszwaartepunt bleek oveneens heel

weinig invloed te hebben op do neiging tot omslaan. Soms gaf een hoog zwaartepunt

mOor weerstand tegon kenteren, maar in omgeslagen toestand is de

stabiliteitsom-yang klein en het zelfoprichtend vermogen in golven ken verdwenen zijn.

Overigens. moet doze hoogteligging van hotzwaartepunt methot oogop voldoende

aanvangsstabiliteit in verband met do zoul-oigonschappon gokozen warden.

Do resultaten van het onderzoek in

Sout-hampton hobben eon belangrijk.inzichtgo-geven in hot kentergedrag van zeiljachten. maar desondanks Zion WO als tendons bij

wedstrijdjachten, dat do

breedte'holtever-houding grater wordt en do achtorschepen platter en breder warden. waardoor do asy-metrie in langsscheopse richtingtoeneernt. Hierdoor zijn deze sehepen aanzienlijk on-voiliger geworden.

Hat massatraagheldsmoment

Ook in do Verenigde Staten word door do

Fastnet-ramp van 1979 onderzoek op dit 24 WK 13 1986

terroin gestimuleerd. Do United States

Yacht Racing Union on do Society of Naval

Architects and Marine Engineers hebben gozamonlijk eon commisslo 'Safoty from Capsizing' in hat levon goroopen, die in

juni 1986 rapportoerde

Ook flu weer werd er onderzoek met

ma-dollon gedaan on de rosultaten hiervan zijn mot diovan do hierbovon vermelde onder-zoeken in Japan en Engeland vergeleken. Er worden duidotijke overeonkomsten go-constateerd en met name het gevaar van eon to grote breedte (ton opzichto van do

holto) word bevestigd. Daarnaast echtor

hebben ze in Amerika oak nog naar do in-vloed van do grootte van hot jacht on van hot massatraagheidsmomont gekeken. Het is duidolijk dat eon groot schip minder beTnvloed wordt door dezelfde golf 8k eon

klein schip maar uitoraard is daarbij niet

alleen do lengte van hot jacht maatgevend.

Oak do breodte, do watervorplaatsing on

hot massatraagheidsmoment spelen daar-bij eon belangrijko rot;

Hot massatraagheidsmoment hooft hier

be-trekking op de bowegingon om do

langs-schoepse as (do rol-as) van hot schip.

Vor-plaatsing van hot gewicht naar bavon en

naar boneden (rospectievelijk eon zwaar-dere mast en ballast geconcentreerd in hot

ohderstogedeolte van dokiol)vergroot hot

massatraagheidsmoment.

Uit hun modelprooven concludeerden do Amerikanon dat eon groat

massatraag-hoidsmoment eon groteroweerstand biedt

tegen bet plotseling hellen van eon jacht. Do invlood van do mast is daarbij relotief

groot.

Do kentorlengto van eon Jacht

Tenslotte kwamen do Amerikanen tat eon dci initio van do grootto van eon jacht in ro-latie tat zijn bestand zijn tegon kapseizen door eon fictieve lengte L' - dekenterlengte - to introduceron. Do formule van deze def i-nitie luidt:

L'L[(B /B)Z+(C/C)2)½X1/l

hierin is: L' = de gometon longto (ft)(vol. gens do IOR);

B = do breedte vanhetjacht in vaeten;

B = destandaardbreedte

1/4 + 2 (it);

C = 2ft;

C 2 ft - (hoogteliggingvan hot

gowichts-zwaartepunt boven do ontwerp-lastlijn in

ft)

1 = standaard-massatraagheidsmomont,

gegeven door 0.1 35L45in lbs.ft2; het geschatte massatraagheidsrnoment

van hot jacht, bijvoorbeeld bepaald door middol van een slingorproef; kan oak

ge-schat worden met do formule:

i,,waterverplaatsinq744

35,5

Met dezokenterlongtewordt vorvolgons do

vereisto stabilitoitsomvang bopaald, met deformule:

Stabilitoitsomvang = 160 graden- L' (ft). Voar eon kenterlengte 1' =. 30 ft zou vol. gons dit voorschrift do stabiiiteitsomvang

ten minste 1 30 graden moeten zijn.

Jachten van eon oudo datum blijken eon

rolatiof groteL' to hebben, terwijl modorne

wedstrijdschepen

met eon

zeer grate

breedte-holteverhouding eon rolatief kleino

Figuur 6. Erg belangrljkyoor do stablllteltsomvang, zo bloek ult hot Engelse ondorzook Is do breedtoBj-hoIteHJverhouding van deromp; hoe grater doze Is, hoe slechter hot ken. tergedrag in brekende golven.

kenterlongte in verhouding tot hun werke-lijke lengte bezitton.

In do meeste gevallen blijkt eon veal eon-voudiger criteriumirnogeiijk to zljn om veili-ger schepefl to ontwerpen, dan do

hiorbo-von genoemdeL.

Doze zogeheten screening value wordt

be-paalddoordo formule: Bmax (DSPL/ 0,9X64)¼

(Smax in ft, DSPL waterverptaatslng vol..

gens do meotbrief in Ibs).

Waarschijnlijk zal deze screening value In do toekomst gehanteerd worden om

wed-strijdjachten tot do l0Rwedstrljden in

Ca-tegorie I (op open zoo) toe to laten. Dit

moot eon herhaling van een ramp als

tlj-dons do Fastnet Race van 1979 nagenoeg onmogolijk maken.

Conclusle

Als we do resultatefl van do

bovenge-noemdo drie onderzoeken naar hot

konter-gedrag van kleine schepon in brekendo golven nog eons .op eon rijtje zetten dan

kunnonwe.hetvolgende concluderen:

- bij eon stabiliteitsomvang van 130.

gra-den of moor .zal een jacht vrijwel niot kun-non omslaandoor eon brokende golf;

-bij eon siabllitelsomvang van 150 graden

of moor zal do boot nooit orngeslagen blij-von liggen, maardirect.weer terugdraaien;. - de modernste zeegaande.wedstrijdjachten hebbeneen tekleine stabiliteitsomvang; -bredo jachten hebben een aanzienlijk

klei-nero stabiliteitsomvang dan smalle scho-pen met eon zolfde. ligging van het

go-wichtszwaartepunt;

- smalle jachten zijn minder gevoelig voor

broachen (dwarsslaan) dan brede schepen; na eon kentering richten smalle schepen zichsnellorop dan brode;

- do. hoogte van hot vrijboord is nauwelljks

van invloed op hot kentergedrag van do

boot;

-, de aanwezigheid van een kajUitopbouw doet eon jachtweer sneller terugkenteren;

- do invloed van een kajuitopbouw op do stabiliteitsomvangis groat;

- een jacht met oen katie. diepe kiel go-draagt zich in een. brekende golf nlot

an-ders den eon met eon lange. ondiepe kiel;

do koersstabiliteit bij achteroplopende

zooën is vandeIaatsto echter boter;

zware jachten hobben geen afwijkond

kentergedrag van lichte schepen, maar zijn.

wol koerstabieler en vortonen minder noi-ging totbroachen;

de hoogteligging van hot zwaartepunt Is nauwelijks van invloed op het kenterge-drag van :jachten;

een groot massatraagheidsmomont biedt moor weerstand tegon. kenteren; hierbij is

deinvloed van eon (zware) mast niet

on-aanzienlijk;

- or moet eon critorium (screening valUe) gehanteerd worden. waaraan zeegaande wedstrijdjachton moeten voldoen.

wear-door eon voldoende stabillteitsomvang go-garandeerd wordt.

Figuur 4. Despantendoorsneden van do modellen die bij'het ondénoek aandeUnivetsi-wit van Southampron,zijn gebruikt. Nummor 1, 4 on 7 zijn de basismodol!eñ, die elk eon keerzijnversmald en verbreed.

Figuur 6. Deinvloed van de breedte op de stebilifeitsomvang blljkt dudelijk uit doze ate-billteirskrommen. De bijbehorendorompefl met dezel/de waterverplaatsing ('4,5 ton) en

hoogte van hetzwaartepunt (VCG Oft) staanerbovBn. Een smalschip meg dan wel

eon geringe aanvangsstabiliteithebben. zijnstabiliteitsomvangis verreweghetgrootste