Inzetbaarheid van constructies en schepen in zeegang

INZETBAARHEID VAN CONSTRUCTIES

EN SCHEPEN IN ZEEGANG

Ir R. P. Dallinga

Projectleider MARIN, Wageningen

I. I N L E I D I N G

Methodieken om in de ontwerpfase het gedrag van zeegaande constructies te voorspellen zijn reeds geruime tijd beschikbaar Hierbij valt te denken aan fysische en mathematische modellen. Het kader van deze voorspellingen is vaak beperkt, in die zin dat de met deze technieken gequantificeerde grootheden niet direct informatie leveren omtrent de inzetbaarheid van de constructie. Naast het feit dat hierdoor de vereiste budgetten voor 'zeegang' onderzoek niet ten volle worden benut wekt dit vaak verwarring rond het 'nut' van dit soort onderzoek. Dit kan ten koste gaan van de kwaliteit van het ontwerp.

BESTURING - Goed zeemanschap - Economie C»fGEVING - Wind - G o l f h o o g t e p e r i o d e - Stroom CONSTB0CTIE Dynamica P o s i t i o n e r e n C o n s t r u c t i e v e A s p e c t e n CRITERX& - V e i l i g h e i d - Economie - Comfort INZETBAARHEID

Binnen het kader van het z.g. Collectieve On-derzoek subsidieert de Stichting Coördinatie Maritiem Onderzoek een project dat tot doel heeft om methodieken te ontwikkelen die het mogelijk maken om op een eenvoudige en inzichtelijke manier de karakteristieken van zeegaande constructies en schepen te verta-len naar hun inzetbaarheid, in het volgende worden de uitgangspunten voor dit project toegelicht. Het projectvoorstel is onder Refe-rentie 88 B.2.20 gerapporteerd aan de Stich-ting CMO.

B a s i s e l e m e n t e n

O m de inzetbaarheid te kwantificeren is, naast een voorspelling van de i<arakteris-tieken van de constructie, informatie ver-eist o m t r e n t de te verwachten omgevings-condities en criteria voor de inzetbaarheid in termen van het gedrag van de construc-tie. De inzetbaarheid w o r d t in sommige gevallen mede beïnvloed door menselijk ingrijpen.

T w e e belangrijke aspecten van een inzet-baarheidsanalyse zijn het feit dat:

a de omgeving geen constante factor in de tijd vertegenwoordigt (zie Figuur I) b veel operaties buitengaats

'geheugenef-fecten' vertonen

O n d e r geheugeneffecten kan men ver-staan dat het onderhanden w e r k of de voortgang hiervan afhangt van w a t er in het verleden is gebeurd. De consequenties hiervan hangen af van de aard van de missie van de constructie. In sommige gevallen zijn deze effecten eenvoudig optelbaar (bijvoorbeeld vertraging van een schip), in andere gevallen introduceert het feit dat een activiteit onderbrol<en m o e t ' w o r d e n veel extra w e r k [ I ] .

G e d r a g v a n d e c o n s t r u c t i e

De inzetbaarheid van een zeegaande con-structie hangt af van een aantal aspecten van het gedrag die samenhangen met de taak van de constructie. Globaal vallen er drie aspecten te onderscheiden, te weten:

1. De dynamica van de constructie b.v.: - slingeren en versnellingsniveaus (zie

voorplaatfoto) - water overnemen - sleepdraad krachten

- gedrag van een last in een kraan - gedrag van water in een moonpool - ventilatie van hoofdschroeven of

tunnel-th rasters.

2. H e t positioneren van de constructie in een brede zin, b.v.:

- toegevoegde weerstand in transit - toegevoegde weerstand door wind en

s t r o o m

- dynamisch positioneren op een vast punt of in een 'tracking mode'.

3. De constructieve belastingen, b.v.: - globale belastingen van de romp (b.v.

ca-tamarans)

- lokale belastingen door groen water of paaltjes pikken

- lokale belastingen d o o r versnellings-krachten op delen van de lading (b.v. zwaar transport).

D e o m g e v i n g

Een eenvoudige beschrijving van het weer buitengaats, het Beaufort-getai, is geba-seerd op één omgevingsparameter, de windsnelheid. Deze één-dimensionale be-schrijving van wind en golven doet geen recht aan het feit dat windgolven tijd nodig hebben om t e groeien; het groeiproces

beïnvloedt zowe\ de golfhoogte als de golfperiode. Bovendien houdt zij geen re-kening met het feit dat deining van verder gelegen stormvelden de inzetbaarheid sterk l<an beïnvloeden.

Een indruk van de natuurlijke spreiding in de golfhoogte-Beaufort informatie is ge-geven in Figuur 2 [3], Figuur 3 vat enkele gangbare 'definitieve' samen. Een voor-beeld van de normale variabiliteit van wind en golfgrootheden Is gegeven In Figuur I [2].

C r i t e r i a

De criteria voor de inzetbaarheid l<omen v o o r t uit eisen met betrekking t o t veilig-heid (b.v. I<apseizen, sterkte van de con-structie), comfort van de bemanning en passagiers en economie (b.v. vaartafval, brandstofverbruik, loon- en l<apitaalsl<os-ten en de specifieke eisen m.b.t. de tal<en van de constructie).

B e s t u r i n g

Een aantal aspecten van het gedrag van zeegaande constructies is te beïnvloeden met menselijk ingrijpen. Het 'scenario' v o o r dit Ingrijpen gaat veelal verder dan

reageren op de status quo: vaak zal geanti-cipeerd worden op de te verwachten condities in de nabije toel<omst (b.v. het r o u -teren van schepen).

H e t scenario voor een taak kan v o o r som-mige offshore-operaties erg complex zijn d o o r het feit dat de criteria voor verschil-lende deeltaken niet dezelfde zijn. O o k schijnbaar eenvoudige operaties zoals een schip op een lijndienst kunnen alleen w o r -den beschreven met een relatief complex scenario voor het handelen van de beman-ning. Binnen de randvoorwaarden van de dienst zal gestreefd w o r d e n de som van wacht-'boetes', havengelden en de brand-stofkosten te minimaliseren door te antici-peren op de verwachte aanicomsttijd.

2 . B E S C H I K B A R E

M E T H O D I E K E N E N G E G E V E N S 2 . 1 . K a r a k t e r i s t i e k e n v a n d e c o n s t r u c t i e

V o o r het bepalen van de karakteristieken van een constructie zijn diverse tech¬ nieken beschikbaar die zeer kunnen verschillen in kosten, snelheid en b e t r o u w -baarheid. Veelal w o r d t ervaring met

ge-lijksoortige constructies uit andere bron-nen (b.v. de literatuur) ingebracht om de resultaten bij te stellen op details.

Over de voorspelling van de dynamica, de laagfrequente excitatie, van w i n d - en stroombelasting en de effectiviteit van voortstuwers en thrusters in golven en stroom is veel gepubliceerd. Daarom zal hierop nu niet verder w o r d e n ingegaan. Alhoewel bovenstaande techniel<en nog verre van perfect zijn ligt het zwaartepunt van het huidige project bij de vertaling van de uitkomsten van deze modellen naar de inzetbaarheid van de constructie.

2 . 2 . O m g e v i n g Golven en wind

W i n d en golven vertonen algemeen een zekere samenhang: de golfhoogte, de golf-periode en de windsnelheid zijn min of meer aan elkaar gecorreleerd; vooral voor een groeiende windzee. De statistische scatter w o r d t verklaard uit 'geheugenef-fecten' (het feit dat de golfhoogte tijd no-dig heeft om op t e bouwen) en uit het feit dat de windsnelheid zelden lange tijd con-stant van g r o o t t e en richting is. V o o r het bepalen van een samenhangend beeld van

Fig. I

30

WAVE HEIGHT IN TIME

EKOFISK DATA

F I L E ; E K O r i S K D E C E M B E R 1 9 8 6 20 Q LJ LJ 4 ^ — 9 O 1 2 3 < 5 6 7 8 9 10 11 12 13 H 15 16 17 18 19 20 21 22 23 21 25 26 27 28 29 3 0 31 OflY N O . CD M 'O X LJ ; • cc £ 5 MEASURED T H E O R Ï I \ 2 CD

m

O 1 2 3 - I . 5 6 7 9 10 ! 1 22 2 3 21 25 2S . - 2 7 28 29 3 0 31 240 _{SenW 57STE J A A R G A N G NR 4}

WAVE HEIGHT AND BEAUFORT NUMBER

NORTH SEA

6 0 ¬

5 0 ¬

4 0

-o Em

1 0

-B f 0-1

(0-3 k n )

90 c a s e s

O - L J I

in o in o IT)

O

I CM CN

o

c

CD

cu

30

20 - n

Bf 4

(11-15 kn)

663 c a s e s

10

-0 _ U

m o in o tn o in

o

>-< - - I OJ CN

n n

Bf 2

(2-4 k n )

127 c a s e s

in o in o in

O ' - I CM CM

Wave h e i g h t H^ (m)

B f 3

(7-10 k n )

373 c a s e s

-50

•40

•30

-20

-10

0

in o in o in o

o '-•

CN CM r o

B f 5

(16-21 k n )

731 c a s e s

t z i a

-30

-20

10

.0

i n o i n o i n o m o in o m o

O' - ' - ^ c N C N n m LD mv£)

B f 6

(22-27 k n )

433 c a s e s

CN m

m

Bf 7

(28-33 kn)

n 234 c a s e s

-aUU

•

'-< CN _ro

m

•

20

-10

.0

Fig. 2 dP

>• 20

c

Q) 0)

h 0

B f 8 (34-40 k n )

93 c a s e s

I L

• U c z i a D

CM CD CTl

Wave h e i g h t H (m)

^ s

SenW 57STE J A A R G A N G N R 4 241

wind en golven zijn complexe mathemati-sche modellen beschikbaar [4]. Zij vinden weinig toepassing bij het o n t w e r p van zee-gaande constructies door de vereiste de-taillering van de windgegevens en de kos-ten van dit onderzoek. Eenvoudiger afge-leide modellen kunnen hier misschien eni-ge verandering in breneni-gen [5].

Beaufort getallen

Een zeer eenvoudige schematisatie van het wind-/golfklimaat op zee is gebaseerd op de aanname van een éénduidige relatie tus-sen wind snelheid en golficarakteristieken (hoogte, periode). Deze methode is niet alleen onnauwkeurig uit het oogpunt van de samenhang tussen wind en golfhoogte. Het feit dat het gedrag van zeegaande con-structies in sterl<e mate bepaald w o r d t door de dominante golflengte (of golfperi-ode) maal<t een adequate beschrijving van de periode-informatie van primair belang.

Scatter-diagrammen

Vanwege de laatst genoemde beperking van de schematisatie in Beaufort-getallen w o r d t vaak g e w e r k t met een andere voor-stelling van de golfinformatie waarin de scatter in de samenhang tussen wind en golven gedeeltelijk w o r d t terug gevonden: het zogenaamde scatter-diagram. D i t diagram (zie Figuur 4) geeft informatie over de frequentie van voorl<omen van be-paalde combinaties van golf-hoogte en golfperiode. Het geeft in principe geen in-formatie over de samenhang tussen wind en golfhoogte. De in Figuur 4 weergege-ven windsnelheden zijn gebaseerd op em-pirische relaties tussen golfhoogte, golfpe-riode en windsnelheid [4].

Golfstatistiel<en op globale schaal zijn vaak gebaseerd op visuele waarnemingen van de golfhoogte aan boord van varende koopvaardijschepen waardoor geen sa-menhangende tijdreeicsen beschikbaar zijn. Periode-informatie w o r d t soms ook ge-schat uit de waargenomen golfperiode, modernere methoden zijn gebaseerd op statistische technieken die uitgaan van een samenhang tussen golfhoogte en -periode [6]. Soms w o r d t gebruik gemaaict van the-orethische golf modellen om op mondiale of lokale schaal golfstatistiel<en te bepalen [7,8]. In alle gevallen blijft de beschrijving van deining (niet-lokaal opgewekte golf-systemen) een probleem binnen een scat-terdlagram.

V o o r lokaal gebruik w o r d t vaak gebruik gemaal<t van metingen met behulp van golfhoogtesensors. V o o r sommige zeege-bieden (zoals de Noordzee) is informatie gepubliceerd.

Tijdreeksen

Het is duidelijk dat de meest accurate be-schrijving van het wind-golfldimaat w o r d t verkregen door 'geheugeneffecten' te ver-disconteren. D i t kan gerealiseerd w o r d e n

E K O F I S K w i n d - e n g o l f d a t a W i n d r j p e e t i VJave h G i g l i t 60 40 20 X B h a t t a c h a r y y a , 1978, f u l l y a r i s e n soa, u n l i m i t e d f e t c h O J a n s s e n , 1 9 8 4 , f u l l y a r i s e n s e a , u n l i m i t e d f e t c h a P e t r i , 1 9 5 8 , N o r t h S e a • R o l l , 1 9 5 0 , N o r t h A t l a n t i c O c e a n ) 1 > F u l l y a r i s e n s e a

1

f

u

//

ll

1

N o r t h A t l a n t i c ^ O c e a n / /

/

/ it. /

^

- N o r t h s e a

/f

/'^ /

/f

lu¬

sr-r

15 5 10 B e a u f o r t n u m b e r J L J_ 6 7 S e a s t a t e n u m b e r Fig. 3

door de inzetbaarheids-analyse te baseren op een tijdreeks die de golfgroei, energie-transport en demping beschrijft.

Deze tijdreeksen kunnen verkregen w o r -den uit metingen t e r plekke [2], bereke-ningen uit gemeten windvelden [7] of berel<eningen op basis van synthetische w i n d -velden. In alle gevallen moet voldoende aandacht w o r d e n besteed aan de statistiek van de verkregen getallen: om een vol-doende nauwkeurigheid van de inzetbaar-heids-predictie te verkrijgen zijn zeer lan-ge tijdreeksen vereist [ I ] .

Windd/namica

Ook op k o r t e tijdsschalen (minuten) is de windsnelheid over het algemeen niet con-stant, natuurlijke fluctuaties lijken

gerela-teerd aan de 'ruwheid' van de ondergrond. Recente publikaties [8] bieden enig bouw-vast voor een gedetailleerde modellering van dit fenomeen.

2 . 3 . C r i t e r i a

Criteria v o o r de inzetbaarheid van con-structies in zeegang w o r d e n ontleend aan de veiligheid, de leefbaarheid en de econo-mie van de constructie. Een deel van deze criteria w o r d t bepaald door de technische capaciteit van de constructie b.v. het geïn-stalleerde vermogen voor dynamisch posi-tioneren en voortstuwing of de mechani-sche sterl<te van de constructie. Een ander deel is subjectiever van karakter, b.v. zee-ziekte. De N O R D F O R S K studie [9] biedt veel houvast bij het bepalen van sommige

criteria v o o r schepen. Praktijkervaring leert dat het moeilijk is om harde criteria te geven v o o r veel soorten operaties. De communicatiekloof tussen 'de wal' en het scheepsbedrijf en de confidentialiteit van de prestaties van individuele constructies of vaartuigen is hier waarschijnlijk mede debet aan.

3 . P R O J E C T V O O R S T E L

Het voorgaande geeft een indruk van ver-schillende aspecten van een inzetbaar-heidsanalyse. Het belangrijkste verschil tussen de methoden is het al dan niet ver-disconteren van geheugeneffecten in de wind-/golfbeschrijving en het werksce-nario.

SenW 57STE J A A R G A N G N R 4 ~

Binnen het kader van het huidige project w o r d e n beide sporen gevolgd. H e t w e r -ken met de statistiek van de klimaatgege-vens sec (dus het negeren van geheugenef-fecten) biedt belangrijke voordelen met betrekking t o t het kwalitatieve inzicht in de inzetbaarheid en met betrekking t o t de eenvoud van de analyse. Een methode die geheugeneffecten wel verdisconteert is zeer geschil<t in de fase van het definitieve o n t w e r p .

Basisgedachte achter het huidige voorstel is dat er geen ontwild<elingen w o r d e n ge-pleegd op het f r o n t van de hydromechani-ca van constructies en schepen. De metho-den voor het bepalen van de inzetbaarheid zullen w o r d e n gebaseerd op

basiselemen-ten van de karakteristieken van de con-structie zoals b.v. de bewegingscompo-nenten in het zwaartepunt, relatieve golf-hoogte en de (laagfrequente) omgevings-krachten.

Verkennende fase

Noodzakelijke fundamenten voor beide methoden zijn een inventarisatie van de l<aral<teristieken van bestaande werkbaar-heidsmodellen, van inzetbaarheidscriteria voor diverse operaties en van methoden om sommige basisgegevens t e vertalen in grootheden waarvoor criteria bestaan (b.v. slamming uit de relatieve golf-hoogte t.p.v. de boeg van een schip, subjective mo-tion magnitude uit verticale versnellingen, e t c ) . V o o r de analyse in het tijdsdomein (met geheugeneffecten) moet een verl<en-ning worden uitgevoerd naar geschikte wind-/golfmodellen en geschikte metho-den om synthetische windrealisaties te ge-nereren.

D i t w e r k w o r d t , samen met een gedetail-leerd voorstel voor beide modellen, vast-gelegd in de eerste fase van het w e r k wat in de eerste helft van 1990 w o r d t afge-rond.

Daarnaast kan aan de hand van een aantal voorbeeldanalyses met vereenvoudigde modellen inzicht w o r d e n verl<regen in de merites van beide methoden. Gedacht w o r d t aan t w e e toepassingen; één in het vlak van de offshore (een duikmoeder-schip) en één in het vlak van de koopvaardij (een lijndienst). Deze voorbeelden dienen tevens als testgevallen voor de in de t w e e -de fase op te zetten computermo-dellen.

Model definitie en programmering Van de tweede en laatste fase van het w e r k is het belangrijkste doel de ontwikkelde methoden ingang te doen vinden bij een breed publiek. Aangezien de vereiste re-l<encapaciteit en geheugenbeslag waar-schijnlijk beperkt kan blijven en de gebrui-ker interactief zal gaan werken met een databaseachtige structuur van om-gevings-gegevens (b.v. scatter-diagrammen) en vergelijkingsschepen ( o n t w e r p alterna-tieven) lijkt een programmering op het ni-veau van een workstation wenselijk.

LITERATUUR

[ I.] Dallinga, R. P. and Aalbers, A. B.: 'Predicti-on of Seal<eeping Characteristics and Workability of Offshore Support Vessels'. MARIN Sept. 1986.

[2.] Environmental Conditions at the EKO-FISK Field, Report 400 B340, LOGINFO A.S.,Jan. 1988.

[3.] Petri, O.: 'Statistik der Meereswellen in der Nordsee Deutscher Wetterdienst'.