ty j.s ^3

Bijvoegsel bij rapport: Afsluiting Volkerak: Wind- en

stroomweerstand caisson.

f.L. M 878 deel IV.

De in dit rapport behandelde stroomweerstand proeven

zijn uitgevoerd in diep water, zodat het caisson geen

invloed ondervindt van de bodem. De waterdiepte moet

dan tenminste vijf maal de diepgang van het caisson

bedragen. Wanneer de waterdiepte geringer is neemt de

stroomweerstand toe.

•s-Gravenhage, 12 mei 1969«

3-s- *33 ^

WATERLOOPKUNDIG lABORATORIÜM

AFSLUITING VOLKERAK

Deel IV

Wind— en stroomweerstand caisson

Verslag modelonderzoek

B I B L Ï Ö T H E EK

Bianst Weg- en Waterbouwkunde Postbus 5044, 2600 GA DELFT

M 878 april 1969

1. Inleiding .. 1

2. Stroomweerstand op diep water

2.1. Schalen 2 2.2. Meetmethoden 2 2.3. Meetprogramma en randvoorwaarden 3

2.4. Resultaten 3 2.5. Bespreking van de resultaten 4

3. Windweerstand 3.1. Schalen 5 3.2. Meetmethoden 5 3.3» Meetprogramma en randvoorwaarden 6 3.4. Resultaten ,é 6 4. Conclusies 7

FIGUREN

1. Afmetingen caisson (stroomweerstand). 2. Schema meetopstelling.

3. Stroomweerstand op diep water, in stroomrichting (W), proeven W.L. 4. Stroomweerstand op diep water, loodrecht op stroomrichting (L),

proeven W.L.

5. Stroomweerstand op diep water, resultante (R), proeven W.L.

6. Aangrijpingspunt en richting resulterende kracht ( R ) , proeven W.L. 7. Weerstandscoëfficiënten (C ) , proeven W.L.

8. Stroomweerstand op diep water in stroomrichting (W), proeven N.S.P. 9. Stroomweerstand op diep water loodrecht op stroomrichting (L),

proeven N.S.P.

10. Vergelijking resultaten N.S.P. en W.L. 11. Afmetingen caisson (windweerstand). 12. Meetopstelling in de windgoot. 13. Windvertikalen.

14. Windkrachten op de Volkerak-caisson.

FOTO

1. Inleiding

Voor de opdracht tot het verrichten van modelonderzoek ten behoeve van de afsluiting van het Volkerak en de aard van het onderzoek wordt ver-wezen naar de verslagen M 878 deel I, par. 1.1. en deel II, par. 1.2.

Het onderzoek dat in dit verslag wordt "behandeld bestaat uit twee delen:

a. Stroomweerstand van de Volkerakcaisson op diep water. b. Windweerstand van de Volkerakcaisson.

Met het oog op manoeuvreerproeven met caissons in het sluitgat-model van het Volkerak (zie verslag M 878, deel V) is het onder a. ge-noemde onderzoek uitgevoerd om een inzicht te krijgen in de grootte van eventuele schaaleffecten in de krachten, die door stromend water op een caissonmodel met schaal 1 : 5 0 worden uitgeoefend. Bovendien geeft dit onderzoek informatie over de stroomweerstand van de caisson als functie van de stroomsnelheid. De proeven zijn uitgevoerd in éên van de sleep-tanks van het Nederlandsch Scheepsbouwkundig Proefstation (N.S.P.) te Wageningen, op schaal 1 : 12,03 en in de grote stroomgoot van het Labora-torium De Voorst (W.L.) op schaal 1 : 50. De laatstgenoemde proeven zijn verricht door de heer H. de Jager.

Het onder b. genoemde onderzoek dient om inzicht te verschaffen in de grootte van de krachten die door de wind op een drijvend caisson worden uitgeoefend. De proeven zijn uitgevoerd door de heer L. Schreuder in de windgoot van het Laboratorium De Voorst.

Dit verslag is opgesteld door ir. C. Kooman van het Waterloopkundig Laboratorium.

-2-2. Stroomweerstand op diep water

2.1. Schalen

Bij de proeven zijn de volgende schalen toegepast:

W.L. N.S.P. lengteschaal (n ) 1:50 1:12.05 snelheidsschaal (n = V*h) 1:7.07 1:3,47 krachtenschaal (n^ = n 3) 1:125.000 1:1750

De snelheids- en krachtenschaal zijn afgeleid uit de lengteschaal volgens de modelregels van Proude.

Tenzij anders is vermeld worden alle grootheden uitgedrukt in proto-typewaarden.

2.2. Meetmethoden

De caissonmodellen zijn uitgevoerd in hout en, voor wat het onder-watergedeelte betreft, nauwkeurig op schaal weergegeven (fig. 1 ) .

In het Waterloopkundig Laboratorium zijn de proeven uitgevoerd in de grote stroomgoot van het Laboratorium De Voorst. Het caissonmodel is op een bepaalde plaats gefixeerd met het zwaartepunt in de as van de stroom-goot. De krachten, die door het stromende water werden uitgeoefend, zijn ge-meten in een horizontale vlak in twee onderling loodrecht op elkaar staande richtingen namelijk éên kracht in de langsrichting van de caisson en twee krachten, met hun aangrijpingspunten op gelijke afstanden van het zwaarte-punt, in dwarsrichting.

Het caissonmodel is met behulp van een cardanische koppeling bevestigd aan een vertikaal staande staaf die op en neer kan bewegen. Hierdoor is be-werkstelligd dat kleine verstoringen in de waterstand geen invloed uitoefenen op de diepgang van de caisson. De meetopstelling is schematisch weergegeven in figuur 2.

In het Nederlandsch Scheepsbouwkundig Proefstation zijn de proeven uit-gevoerd in de diepwatertank. Hierbij is het caissonmodel met behulp van een wagen door stilstaand water gesleept. De krachten die als gevolg van de

re-latieve stroomsnelheid van het water op de caisson werden uitgeoefend, zijn gemeten en geregistreerd,

2.3» Meetprogramma en randvoorwaarden

De weerstandsproeven zijn uitgevoerd hij verschillende stroom- of sleepsnelheden en hij verschillende hoeken (of) tussen de langsas van de caisson en de stroom- of sleeprichting.

In het W.L. zijn hij iedere hoek <x, vier stroomsnelheden tussen 0,7 en 3»0 m/s toegepast. In het N.S.P. zijn hij iedere hoek a vijf a zes sleepsnelheden tussen 1,0 en 3?1 m/s toegepast. In heide instituten is de hoek d gevarieerd van 0 tot 90 met stapgrootten van ca 15 .

De ingestelde waterdiepten in de stroomgoot (W.L) en de diepwatertank (E.S.P.) komen overeen met waarden van respectievelijk 140 m en 66 m. Beide waterdiepten kunnen beschouwd worden als "diep water" wat betekent dat de

diepte-diepgangsverhouding geen invloed uitoefent op de optredende krachten. De verhouding tussen de caissonlengte en de breedte van respectievelijk de stroomgoot en de diepwatertank bedraagt 1:3»3 en 1:2,8. Dit betekent dat, als gevolg van het breedte—effect, de krachten gemeten in de diepwa-tertank hogere waarden kunnen bereiken dan in de stroomgoot. Dit zal voor-al het gevvoor-al zijn bij hoge stroomsnelheden en grote waarden van cc (60 tot 90°).

2.4. Resultaten

De gemeten krachten in langs— en dwarsrichting van de caisson zijn om-gerekend tot weerstandskrachten (W) evenwijdig aan de stroomrichting en liftkrachten ( L ) loodrecht op de stroomrichting. De weerstands- en lift-krachten worden weergegeven in de figuren 3 en 4 (W.L.) en de figuren 8

en 9 (W.S.P.). In figuur 5 wordt voor de W.L. proeven de resulterende kracht (R) weergegeven-. De figuren 3 en 4 zijn hiervan afgeleid. De plaats van het aangrijpingspunt en de hoek (J3) met de stroomrichting van de re-sulterende kracht (R) wordt weergegeven in figuur 6. Figuur 7 geeft de weerstandscoëfficienten voor <x = 0 en d = 90 als functie van de

4

-2.5. Bespreking van de resultaten

Voor vier verschillende snelheden worden de resultaten van de W.L.— proeven en de N.S.P.-proeven met elkaar vergeleken in figuur 10. Zowel voor de weerstandskrachten als voor de liftkrachten bestaat er een goede overeenkomst. De verschillen die optreden voor of = 60" a 90 bij een snel-heid van 2,5 m/s kunnen voor een groot deel geweten worden aan het breedte-effect (zie paragraaf 2.3.).

Uit de goede overeenkomst tussen de resultaten van de proeven schaal 1:50 (W.L.) en schaal 1:12,05 (N.S.P.) kan geconcludeerd worden dat de invloed van schaaleffecten op de optredende krachten bij de plaatsings-manoeuvres in het sluitgatmodel van het Volkerak (schaal 1:50) te verwaar-lozen is.

3» Windweerstand

3.1. Schalen

Bij de proeven zijn de volgende schalen toegepast: lengteschaal (n ) 1:30

snelheidsschaal (n «Vn-,) 1!5»4 kracht schaal (n^ - 1^3) 1:27000

De snelheids- en krachtenschaal zijn afgeleid uit de lengteschaal volgens de modelregels van Froude.

Tenzij anders is vermeld worden alle grootheden uitgedrukt in proto-typematen.

3.2. Meetmethoden

Het caissonmodel is vervaardigd van hout. Het bovenwat er gedeelte is geschematiseerd nagebootst. Het toegepaste model is weergegeven in figuur 11 en op foto 1.

Een overzicht van de meetopstelling in de windgoot wordt gegeven in figuur 12. De caisson drijft in een stalen bak waarin de waterspiegel prak-tisch hetzelfde niveau heeft als de omliggende verhoogde bodem van de

windgoot. Een geleidelijke aanpassing van het windstroombeeld wordt mogelijk gemaakt door de verhoogde bodem via een flauwe helling (1:20) aan te slui-ten op de bodem van de windgoot.

Ten behoeve van de meting wordt de caisson vastgehouden door 6 voor-gespannen draden. De elasticiteit van de draad (1) waarin de krachtmeter is opgenomen is ca 1$ van de elasticiteit van de veer (2).

Dit betekent dat de uitgeoefende windbelasting, volgens het krachtenschema in figuur 12, voor ca 99$> als IL wordt opgenomen door de krachtmeter.

De windvertikalen zijn gemeten op hoogten overeenkomend met 1,50,

2,25, 3,00, 4,50, 6,00, 7,50 en 9,00 meter. Dit is gebeurd op twee plaatsen, aangegeven in figuur 12, bij afwezigheid van de caisson. De windsnelheden zijn gemeten met een anemometer.

-6-3.3. Meetprogramma en randvoorwaarden

De proeven zijn uitgevoerd bij verschillende windsnelheden en bij verschillende hoeken (rf) tussen de langsas van de caisson en de windrich-ting. Voor de hoek o zijn de waarden 0, 30, 60 en 90 graden toegepast. De windsnelheid, gemeten op 10 m vanaf de bodem is hierbij gevarieerd van ca. 8 tot 14 m/s.

De windvertikalen zijn gemeten bij verschillende toerentallen van de ventilator. De ruwheid van de bodem is gevarieerd door bij een gedeelte van de proeven de verhoogde bodem te bedekken met een dunne laag grindzand

(d Q* 3 x 10~3 m ) .

3.4. Resultaten

De resultaten van de windsnelheidsmetingen worden weergegeven in fi-guur 13. De verschillende bodemruwheden hebben geen signifikante verschil-len in de resultaten tot gevolg.

Door de Waterloopkundige Afdeling van de Deltadienst zijn windsnel-heidsvertikalen gemeten op het Noordzeestrand (Nota K 152). Twee van deze vertikalen worden in figuur 13 vergeleken met de gemeten vertikalen in de windgoot. Uit deze figuur blijkt dat de vertikalen in de windgoot iets minder goed ontwikkeld zijn dan de vertikalen in het prototype. Dit houdt in dat de gemeten krachten iets groter zijn dan bij een snelheidsvertikaal volgens het prototype, uitgaande van eenzelfde windsnelheid op 10 m hoogte.

De gemeten krachten zijn omgerekend naar weerstandskrachten evenwij-dig aan de windrichting en liftkrachten loodrecht op de windrichting. De weerstands- en liftkrachten bij verschillende waarden van d worden in fi-guur 14 weergegeven als funktie van de windsnelheid op 10 m hoogte.

4. Conclusies

1. Bij plaatsingsmanoeuvres in het detailmodel van het Volkerak op schaal 1 t 50 zullen naar verwachting op grond van het in dit

ver-slag beschreven onderzoek geen schaalaffecten in de optredende krachten voorkomen.

2. De liftkrachten (L) voor de stroomweerstand van het Volkerak-caisson

JU

ralken (zie figuur 10).

zullen bij een aanstroomrichting tf van ca. 55 a e maximale waarde

be-3. De windkrachten op het Volkerak-caisson bereiken bij een gegeven wind-snelheid een maximale waarde voor rf = 60 (zie figuur 14). Bij een windsnelheid van 13 m/s is de weerstandskracht tengevolge van wind ca. i ton en de liftkracht ruim 2 ton.

A *

/.£* «%, c/ü? ^ . 0 £?.

%z*

, / : ^ /y/ti^&ei^~.p & •

y

t

z< t*

_{eJo -*—} /s~ *•*..

t*r

f Zr

43

''.*

'J

J*

co 45,4 5

ZIJAANZICHT

=F

o o

1 ^ in

ki

T U o ^

1

O Ó • ^ i n

i i

i

5-AAN ZICHT KOP WAND

T C-d r i j f s c h o t t e n

=2£»±

i e ^ u>

i CL

E

45,4 5

HORIZONTALE DOORSNEDE

G: zwaartepunt maten in meters

A F M E T I N G E N C A I S S O N (STROOMWEER STAND)

SCHAAL i : 3 0 0

contragegewicht

rt

staaf ophangdraden bovenplaat -777777 / / / / ' / / / /

ZIJAANZICHT

dh

meetveer ( d w a r s k r a c h t ) .

O

cardanische koppeling

m

staaf YA \

M-7,

ö

meetveer (dwarskracht) /

d—53-ffl L>

meetveer ( l a n g s k r a c h t )

DOORSNEDE A - A

4 4 0 4 0 0 9 0 — 8 O c c c o I 3 , 0

( 7 0

Vs: s t r o o m s n e l h e i d W : weerstandskracht

S T R O O M W E E R S T A N D OP D I E P WATER

IN S T R O O M R I C H T I N G ( w )

_{W.L. SCHA/£L 4 : 5 0}

WATERLOOPKUNDIG LABORATORIUH

M. 8 7 8 - 3 2 HG. 3

v.

("70

3 , 0 Vs : s t r o o m s n e l h e i d L . l i f t k r a c h t

S T R O O M W E E R S T A N D OP D I E P WATER

LOODRECHT OP S T R O O M R I C H T I N G ( L )

_{W.L. SCHAAL ^ : SO}

i < 0

< o o —

c c c o

(70

R : r e s u l t e r e n d e k r a c h t Vs : s t r o o m s n e l h e i d

S T R O O M W E E R S T A N D O P D I E P WATER

RESULTANTE ( R )

W.L. S C H A A L 4 : 5 0

3 5T 7 3 0 6 2 5 5

•» 2 a

• o o «_ o> «5 4 0 - 2 5-O1 3 0 4 5 6 0 w ( g r a d e n ) Z : zie figuur 2 s : s n i j p u n t R met langsas d o o r Z 9 0

AANGRIJPINGSPUNT EN RICHTING

RESULTERENDE KRACHT ( R )

W.L. SCHAAL i : 5 0

4.5 i.O 'W 0 , 5 X * , ï 0C = 9 O ° o 0 , 5

_no

<,5 2 , 0 2,5 3,0 Wrr Va P V«.JA.CW (X = 9 0 o « = O A = 2 1 6 m A = 7 2 m2 */d = 9 , 4 * / d = 3,4 A : a a n g e s t r o o m d o p p e r v l a k ( m ) l e n g t e c a i s s o n ( m ) b r e e d t e c a i s s o n ( m ) d i e p g a n g c a i s s o n C m )

P: dichtheid water

C

k

V)

W E E R S T A N D S C O E F F I C I E N T E N ( C

w

. )

W.L. SCHAAL i : 5 0

WATERLOOPKUNDIG LABORATORIUM

M.

878

-1SL

HG. 7

<oo ^ 5 2,0

*.»(70

3 , 0 Vsf : sleepsnelheid W : weerstandskracht

S T R O O M W E E R S T A N D OP D I E P W A T E R

IN S T R O O M R I C H T I N G CW.)

_{N.S.P. SCHAAL A \ 4 2 , 0 5}

( " / • )

3 , 0 Vs { : sieepsnelheid L : l i f t k r a c h t

S T R O O M W E E R S T A N D O P D I E P W A T E R

LOODRECHT OP STROOMRICHTING (L)

N.S. P. S C H A A L i l H 2 , O S

c CD c c o 3 0 2 0 4 O /

ssz<y*.^

• / / / / ' / / > AS AA AA r V = 2 , C s ^ V = 4,5 — ^ •i r l— — >

L**^^v

=

<,c

m/ ) /s /s m/ 5 / s \ \ \ > ^ ^ ^ \

^o \

\ S \ \ V \ \ \ . \

\s

3 0 4 5 «x ( g r a d e n . ) 6 0 7 5 9 0 N . S . R p r o e v e n ( s c h a a l 4 : 4 2 , 0 5 ) W.L. p r o e v e n (. s c h a a l 4: 5 0 ) V : r e l a t i e v e s n e l h e i d van de c a i s s o n t.o.v. h e t w a t e r .

V E R G E L I J K I N G R E S U L T A T E N N.S.P «n W.L.

WATERLOOPKUNDIG LABORATORIUM

M. 8 7 8 -J5L HG. i O

T

7.

n

lie rborde / " drijfschotten iS

AANZICHT KOPWAND

T

n • o.

45/15 lïerbordes J T

Z I J A A N Z I C H T

maten in meters

A F M E T I N G E N C A I S S O N CW INDWEERSTAND)

SCHAAL 4 : 3 0 0

stalen bak • (gevuld met w a t e r ) caisson (cy=90)l

s§!

<."-x.^ windrichting L L ^ - \ horizontale bodem

VERTIKALE LANGSDOORSNEDE A - A

h o r i z o n t a a l

s t a l e n bak (gevuld met watert

horizontaal

^ +

<s\r windrichting

è

^ : 2 0

HORIZONTALE LANGSDOORSNEDE B - B

" ^

(0

krachtmeter p ( t . g v . wind ) \ \ s t a a l d r a a d

-(2)

veer KRACHTENSCHEMA X plaats windvertikaaJ

maten in meters Cmodel )

MEETOPSTELLING IN DE WINDGOOT

WATERLOOPKUNDIG LABORATORIUM

SCHAAL V.4ÖO

M. 8 7 8 - 1 Z \ FIG. \2

E

'5.

-o >

6

O» O o 7,5 4 O w i n d s n e l h e i d -12,5 < 5 STRAND ( n a t u u r ) W I N D G O O T ( m o d e l ) RUWE &ODEM , l e n g t e i 2 5 m A © D GLADDE BODEM V O

WINDVERTIKALEN

kracht ( t o n n e n ) o o JZ E O **" o. O •X3 t) JZ f» c in d * * > * - \ - J s - / H X

u

< cc 5É t -u. —_ _J in > I -X

u

<

er

Ui

a

z

< O) Cd UJ ui

\ °o

\ "O \ 8 \ <H \ 'M

\ °c

\ m \ II \ ö t

\ °

\ " \ a \ <M — > 00

WINDKRACHTEN OP DE VOLKERAKCAISSON