1
Oddziaływanie wiatru na statek.
Powstawanie wiatru
Na zachowanie się mas powietrza mają wpływ praktycznie jedynie dwie siły:
cięŜkości i siła parcia, wywierana przez cząsteczki sąsiednie, działająca we
wszystkich kierunkach. Aby cząsteczka powietrza pozostała w spokoju, te siły
muszą być w równowadze. Jeśli którakolwiek z nich ma przewagę, wówczas
następuje ruch cząsteczki. Zamiast rozpatrywać siły działające na poszczególne
cząsteczki wygodniej jest porównywać ciśnienia przez nie wywierane. Jeśli
pojawi się róŜnica ciśnień masy powietrza zaczną się poruszać od ciśnienia
wyŜszego do niŜszego. Taki ruch powietrza nazywamy wiatrem. Przyczyną
powstawania wiatru jest więc róŜnica ciśnień wywołana róŜnicą temperatur.
Prędkość wiatru zwiększa się w miarę wzrostu gradientu ciśnienia (gradient
ciśnienia to róŜnica ciśnienia przypadającą na jednostkę odległości). Im większy
gradient
tym
prędkość
wiatru
jest
większa.
Najbardziej intensywne ruchy powietrza zachodzą w kierunku poziomym. Jest
to spowodowane duŜą rozległością atmosfery w kierunku poziomym, a małą w
kierunku pionowym.
2
Tabela 1 Skala Beauforta i odpowiadające jej prędkości wiatru w m/s [4].
STOPIEŃ
BEAUFORTA
Charakterystyka
prędkości wiatru
Prędkość wiatru na wys.
10 m
Opis wyglądu morza danej prędkości
wiatru
( na otwartym morzu * )
w
węzłach
w
metrach
na
sekundę
w
kilometrach
na godzinę
1.
2.
3.
4.
5.
6.
0
cisza
1
0 – 0,2
1
Morze gładkie jak lustro
1
powiew
1 – 3
0,4 – 1,5
1 - 5
Tworzą się zmarszczki o wyglądzie łusek i o
grzbietach bez piany .
( 0,1 – 0,2 m )
2
słaby wiatr
4 - 6
1,6 – 3,3
6 - 11
Zupełnie małe, krótkie lecz wyraźnie widoczne fale,
nie załamujące się
i nie tworzące piany ( 0,2 – 0,3 m )
3
łagodny
wiatr
7 - 10
3,4 – 5,4
12 - 19
Małe i krótkie fale, grzbiety zaczynają się łamać, piana
o szklistym wyglądzie, miejscami mogą występować
białe grzebienie ( 0,6 – 1,0 m )
4
umiarkowany
wiatr
11 - 16
5,5 – 7,9
20 - 28
Małe fale zaczynają się wydłuŜać; sporo białych
grzebieni ( 1 – 1,5 m )
5
dość
silny wiatr
17 - 21
8,0 –
10,7
29 - 38
Fale średniej wielkości wyraźnie się wydłuŜają, duŜo
białych grzebieni
(niekiedy występują bryzgi ) ( 2,5 – 4 m )
6
silny wiatr
22 -27
10,8 –
13,8
39 - 49
Zaczynają tworzyć się duŜe fale, białe pieniste
grzebienie występują wszędzie w duŜej ilości ( na ogół
występują bryzgi ) ( 3 – 4 m )
7
bardzo silny
wiatr
28 - 33
13,9 –
17,1
50 - 61
Morze piętrzy się, z załamujących się fal wiatr zaczyna
zrywać białą pianę, która układa się w pasma wzdłuŜ
kierunku wiatru ( 4 – 5,5 m )
8
wicher
34 - 40
17,2 –
20,7
62 - 74
Dość wysokie fale o większej długości, wiatr zaczyna
zrywać załamujące się wierzchołki grzbietów fal w
postaci wirującego pyłu wodnego;
piana układa się z wiatrem w wyraźnie zaznaczające
3
się pasma
( 5,5 – 7,5 m ).
9
wiatr
sztormowy
41 - 47
20,8 –
24,4
75 - 88
Wysokie fale; gęste pasma piany wzdłuŜ kierunku
wiatru;
grzbiety fal nawisają, przewracają się i toczą.
Pył wodny moŜe zmniejszyć widzialność ( 7 – 10 m )
10
sztorm
48 - 55
24,5 –
28,4
89 - 102
Bardzo wysokie fale o długich nawisających
grzbietach.
DuŜe płaty piany układają się w gęste białe pasma
wzdłuŜ kierunku wiatru. Cała powierzchnia morza
wydaje się biała.
Przewracanie się fal staje się cięŜkie i jakby z
uderzeniami.
Widzialność zmniejszona ( 9 – 12 m )
11
silny
sztorm
56 - 63
28,5 –
32,6
103 - 117
Wyjątkowo wysokie fale (mniejsze i średniej wielkości
statki znikają na pewien czas wśród fal). Morze
pokrywają całkowicie białe, duŜe płaty układające się
z wiatrem. Wszędzie wierzchołki grzbietów fal są
zdmuchiwane i rozpylane. Widzialność zmniejszona (
11,5 – 16 m ).
12
huragan
64 - 71
32,7 –
36,9
118 - 133
Powietrze jest wypełnione pianą i pyłem wodnym.
Morze zupełnie białe od pyłu wodnego pędzonego
przez wiatr.
Widzialność bardzo powaŜnie zmniejszona ( 14 m i
ponad ).
Wyznaczanie obciążeń wywołanych działaniem wiatru.
Wielkość obciąŜenia, wywieranego przez wiatr na konstrukcję typu statek,
zaleŜy od prędkości wiatru (obciąŜenie statyczne) oraz od siły i częstotliwości
porywów wiatru (obciąŜenie dynamiczne). Polska norma PN 77/B – 02011
definiuje szczegółowo sposób wyznaczania tych obciąŜeń. W normie tej
wprowadzono probabilistyczne ujęcie obciąŜenia wiatrem i uwzględniono
wpływ obciąŜeń dynamicznych, spowodowanych porywami wiatru. ObciąŜenia
4
te zostały uwzględnione przy pomocy odpowiednich współczynników
zwiększających obciąŜenie.
Podstawą wyznaczania obciąŜenia wiatrem jest tzw. prędkość charakterystyczna
. Jest to średnia prędkość z dziesięciominutowej rejestracji na
wysokości z=10m na poziomem morza w terenie otwartym. Zmiany prędkości
wiatru w funkcji wysokości nad poziomem morza określa dla tych warunków w
polskiej normie współczynnik ekspozycji
.
Tabela 2 Współczynnik ekspozycji dla obszaru nieosłoniętego [1].
Wysokość
z [m]
10
10-20
20-40
40-100
100-280
280
1,0
0,8+0,02z 0,9+0,015z 1,23+0,0067z 1,5+0,004z 2,6
Dane wiatrowe mogą pochodzić z bezpośrednich, wieloletnich pomiarów
prędkości wiatru na stacjach meteorologicznych lub z obliczeń, opartych o
sytuacje baryczne. ZaleŜnie od rodzaju projektowanej budowli naleŜy przyjąć
wartość charakterystyczną prędkości wiatru o określonym prawdopodobieństwie
wystąpienia. Dla polskiego nabrzeŜa nie naleŜy przyjmować wartości
mniejszych od 38 m/s.
Aby wyznaczyć wielkość obciąŜenia na jednostkę powierzchni statku na
wysokości z, naleŜy stosować następujący wzór:
Gdzie:
- charakteryzuje parcie wiatru, obliczone ze wzoru:
5
2
Gdzie:
- cięŜar właściwy powietrza, 12,05
, 1,23 [kG/
- prędkość charakterystyczna wiatru na wysokości z=10m
liczona ze wzoru
lub wzoru
i rysunku nr 1
przedstawiającego współczynnik poprawkowy
Rysunek 1 Zmiana prędkości wiatru w profilu pionowym. Współczynnik Kz [5].
g – przyspieszenie ziemskie 9,81 [m/
]
- współczynnik ekspozycji z tabeli nr 2
C – współczynnik aerodynamiczny dla statku określany na podstawie badań
modelowych (od 0,7 do 1,3)
β – współczynnik porywu wiatru β = 1,8
6
Całkowitą siłę działającą na kadłub statku obliczymy jako iloczyn powierzchni
statku
oraz parcia wiatru
Wpływ oddziaływania wiatru na statek w porcie.
Konsekwencją oddziaływania wiatru na nadwodną powierzchnię statku jest
• napór statku o nabrzeŜe a tym samym urządzenia odbojowe przy wietrze
dopychającym oraz
Rysunek 2 [technium.com.my]
• ciągnienie za pośrednictwem cum polerów znajdujących się na nabrzeŜu
przy wietrze odpychającym lub działającym wzdłuŜ nabrzeŜa.
7
Oddziaływanie statku pod wpływem wiatru odpychającego na elementy
nabrzeża.
Wszystkie nabrzeŜa, pomosty, ostrogi oraz często falochrony zaopatruje się w
urządzenia do cumowania, czyli do przywiązywania statków do budowli. Do
urządzeń tych naleŜą przede wszystkim pachoły (nazywane w gwarze polerami).
Są to słupy Ŝeliwne, kamienne, Ŝelbetonowe lub drewniane mocno zakotwione
w budowli i umieszczone na jej wierzchu, najczęściej w pobliŜu głównej
odwodnej krawędzi lub na ścianie odwodnej. Stanowią one element
wyposaŜenia nabrzeŜy. Innymi urządzeniami cumowniczymi są pierścienie
cumownicze, roŜki i krąŜki cumownicze, półkluzy i kluzy, kabestany oraz haki i
pachoły cumownicze samo zwalniające. Jako Ŝe najczęściej stosowanymi są
pachoły cumownicze w niniejszym opracowaniu zostaną ujęte tylko one.
Rysunek 3 Pachoł firmy Richards Marine [richardsmarine.co.uk]
Do konstrukcji betonowych i Ŝelbetonowych stosowane są dziś powszechnie
pachoły Ŝeliwne albo staliwne. Nadaje się im kształt haków lub grzybów
(czasem podwójnych) o wysokości 300 do 800mm i więcej.
8
Rysunek 4 Wymiary pachoła i wartość max. siły w cumie [5].
9
Rysunek 5 Polery firmy TECHNIUM Marine [technium.com.my]
ZaleŜnie od głębokości nabrzeŜa i przewidywanego przy nim rodzaju ruchu
stosuje się pachoły o róŜnych wymiarach, zaleŜnych od wartości siły, jaką
pachoły mają przenosić.
Rysunek 6 Przykład praktycznego wykorzystania polera firmy Anker Schroeder. [anker.de]
10
Rysunek 7 Pachoły podwójne typu gdańskiego [2]
Tabela 3 śeliwne pachoły cumownicze. Rozwiązanie gdyńskie zmodernizowane [2].
Statek stojący przy nabrzeŜu, pirsie lub pomoście i przycumowany do
urządzeń cumowniczych wywiera na nie obciąŜenie powstające głownie z
oddziaływania wiatru. ObciąŜenia statku wywołane działaniem wiatru ale nie
tylko, bo takŜe prądu, falowania, ssania i przyciągania, jest przenoszone
poprzez liny cumownicze na urządzenia cumownicze, przy czym liczba
punktów cumowniczych zaleŜy od rodzaju statku, jego wielkości oraz
rodzaju przyjętego sposobu cumowania. Ogólnie zakłada się istnienie dwóch
linii urządzeń cumowniczych:
11
• normalnych dla cumowania statków w warunkach spokojnej pogody
• sztormowych, do których cumuje się statki po otrzymaniu ostrzeŜenia
sztormowego
Przy projektowaniu urządzeń cumowniczych bierze się pod uwagę
moŜliwość przenoszenia obliczonych sił przez urządzenie cumownicze
znajdujące się na statku, tak aby nie przekroczyć ich dopuszczalnej nośności.
Tabela 4 Nominalna siła cumy na pachole w funkcji wyporności i pojemności brutto [5].
Rysunek 8 Pachoły podwójne według rozwiązania typowego [2]
12
Rysunek 9 Pachoły typu gdyńskiego zmodernizowanego [2].
Tabela 5 śeliwne pachoły cumownicze (wg projektu BPBM w Gdańsku). Rozwiązanie prototypowe [2].
13
Rysunek 10 Pachoł cumowniczy wraz z zakotwieniem w konstrukcji. Wymiary w tabeli 4 [2].
Pachoły te mają przenosić siły ciągnienia od statków
!" 5 "! 90 ' 10
)*
Pachoły zakłada się wzdłuŜ linii nabrzeŜa co 10 do 25m w odległości ok. 0,25 m
od linii cumowania w przypadku pierwszej linii cumowania. Dla statków
handlowych rozmieszczenie między pachołami wynosi 20m dla nośności do
16000t oraz 25m dla nośności powyŜej 16000t.Nośność pachoła cumowniczego
pierwszej linii nie moŜe być mniejsza niŜ:
Nośność pachoła [kN]
Wyporność statku do [t]
100
2000
300
10000
600
20000
800
50000
1000
100000
1500
200000
2000
300000
2500
PowyŜej 300000
Rysunek 11 Wymagana nośnść pachoła w funkcji wypornosći statku [6].
14
Pachoły są często obliczone tak aby uległy ścięciu gdy załoŜona siła zostanie
przekroczona, co nie uszkodzi konstrukcji nabrzeŜa.
Rysunek 12 Kolejne praktyczne wykorzystanie polera First Choice [firstchoicemarinesupply.com]
Wg [Mazurkiewicz] typowe krajowe pachoły cumownicze mogą słuŜyć do
cumowania statków o wielkości nie przekraczającej wartości podanych w tabeli:
Tabela 6 Krajowe pachoły cumownicze [5].
15
Sztormowe pachoły cumownicze.
Bywają stosowane takŜe specjalne pachoły sztormowe, zakładane najczęściej na
osobnych mocno zakotwionych fundamentach w głębi nabrzeŜa. Pachoły
sztormowe i ich zakotwienie musi być obliczone stosownie do głębokości
nabrzeŜa, tak aby nie siła na cumie nie przekroczyła dopuszczalnych obciąŜeń
budowli, a tym samym gwarantowała jej bezpieczeństwo. Dlatego teŜ często
pachoły oblicza się tak, aby uległy szybciej ścięciu niŜ Ŝeby uszkodziły budowle
nabrzeŜa. W polskich portach pachoły sztormowe są rzadko stosowane. Wielu
portowców uwaŜa, Ŝe porty polskie są dostatecznie osłonięte i w zasadzie
wszystkie pachoły zakładane na nabrzeŜach powinny mieć taką wytrzymałość,
aby mogły pracować równieŜ w warunkach sztormowych. Jedynie na akwenach
szczególnie naraŜonych na działanie wiatru i na których moŜe powstać większa
fala, stosowanie osobnych pachołów sztormowych byłoby uzasadnione.
Wzajemny odstęp tych pachołów nie powinien przekraczać 75 dla statków o
wyporności do 16000t oraz 100 m dla statków o wyporności powyŜej 16000t, a
odstęp od lini cumowniczej 20 do 25m. Usytuowanie pachołów sztormowych
nie powinno kolidować z torami poddźwignicowymi. Z drugiej jednak strony w
ekstremalnych warunkach pogodowych ustaje ruch na koronie nabrzeŜa.
Nośność pachoła drugiej linii cumowniczej dla duŜych statków nie moŜe być
mniejsza niŜ:
Nośność pachoła [kN]
Wyporność statku do [t]
2500
100000
3000
200000
4000
300000
5000
PowyŜej 300000
Rysunek 13 Wymagana nośność pachoła drugiej linii w funkcji wyporności statku [6].
16
W Świnoujściu stosowanymi pachołami sztormowymi są podwójne pachoły Zl-
90 o maksymalnej sile na cumie 882kN oddalone od lica nabrzeŜa o 11,76m.
Oddziaływanie statku pod wpływem wiatru dopychającego na elementy
nabrzeża.
Statek nie powinien ocierać się bezpośrednio o ścianę nabrzeŜa czy pomostu. Z
tych względów wyposaŜa się te budowle w urządzenia odbojowe, których
zadaniem jest ochrona hydrotechnicznej budowli oraz jednostki pływającej
podczas dobijania, postoju i odchodzenia. Urządzenie odbojowe i jego
zamocowanie do budowli morskiej musi być odporne na obciąŜenia wywołane
przemieszczaniem się zacumowanego statku, spowodowanym parciem wiatru i
innymi czynnikami z wpływem za/wyładunku.
Urządzenia odbojowe moŜna podzielić w zaleŜności od ich budowy i sposobu
działania na:
• odbojnice pneumatyczne:
o powłoki pneumatyczne
o opony pneumatyczne zamocowane i pływające
o odbojnice pneumatyczne stałe
• odbojnice grawitacyjne:
o odbojnice zawieszone
o odbojnice grawitacyjne łoŜyskowane
• odbojnice dalbowe:
o dalby samodzielne
o dalby współpracujące z chronioną budowlą
• odbojnice blokowo gumowe
• odbojnice stalowo gumowe
17
• odbojnice blokowo drewniane
• odbojnice poduszkowe
• odbojnice hydrauliczne
• odbojnice teleskopowe
• odbojnice faszynowe
Odbojnice przenoszą bezpieczny nacisk rzędu w zaleŜności od konstrukcji
"! 300 ' 10
)* bądź 125 ' 10
)*.
Rysunek 14 Układy wałków gumowych na ścianie nabrzeŜa (firmy Good-Year) [2].
18
Rysunek 15 Schemat szwedzkiej odbojnicy mechanicznej [2]
Rysunek 16 Francuska mechaniczna odbojnica patentowa firmy SIMEC [2].
19
Rysunek 17 Odbojnica ruchoma "gigant" systemu Vredestein oraz obok odbojnica pneumatyczna [2] oraz
[pacificmarine.net]
Ćwiczenie
Oblicz ciągnienie statku o parametrach:
L – 185 m
T – 11 m
B – 21 m
,
-
= 0,82
Który stoi przy nabrzeŜu w porcie podczas gdy na zewnątrz wieje wiatr o sile
9B zmierzony na mostku o wysokości nad poziomem morza 20m. Boczna
powierzchnia nawiewu statku A = 800 m
2
. Środek bocznej powierzchni
nawiewu 15m. Przyjmij najmniej korzystny kierunek oddziaływania wiatru.
Podaj ilość polerów ZI-5 z tabeli nr 4 z jakiej powinien korzystać statek aby nie
uszkodzić nabrzeŜa.
20
NiŜej znajduje się tabela z uśrednionymi wartościami wymiarów kadłuba statku
od w zaleŜności od jego wyporności:
Tabela 7 Średnie wymiary statku w funkcji jego nośności [5].
21
Przykład obliczenia
1. Określam prędkość wiatru.
Dla wiatru o sile 9B prędkość wiatru w metrach na sekundę wynosi 20,8 –
24,4. Przyjmuję wartość 23m/s. Prędkość pomierzona na wysokości 10m.
2. Obliczam prędkość wiatru dla poziomu 10m.
dla 20m = 1,1.
20,9.
3. Obliczam parcie wiatru.
2
268,5
4. Przyjmuje współczynnik aerodynamiczny jako C = 1,1
5. Przyjmuje współczynnik porywu wiatru jako β=1,8
6. Do określenia współczynnika ekspozycji potrzebne jest znanie
dokładnego rozkładu bocznej powierceni statku. Jako Ŝe w przewaŜającej
części powierzchnia statku znajduje się do wysokości 10m przyjmuje
współczynnik
1
7. Obliczam wielkość obciąŜenia na jednostkę powierzchni statku
531,65
8. Obliczam całkowitą siłę parcia działająca na cały statek.
22
425318
425,3 )
9. Maksymalna siła w cumie jaką wytrzyma poler wynosi 5000 kG co się
równa 49kN (1kG=9,8N)
10. Obliczam liczbę polerów niezbędną do bezpiecznego utrzymania statku
w podanych warunkach. W tym celu dziele siłę F przez wytrzymałość
polera.
425,3
49
8,67
Statek potrzebuje 9 polerów podanego typu aby utrzymać bezpiecznie statek
przy nabrzeŜu. W zadaniu tym nie uwzględniono kierunku oddziaływania
cymy na poler, a tym samym przekazywania faktyczne siły utrzymującej
statek w kierunku poprzecznym do burty. NaleŜy pamiętać, często w porcie z
jednego polera korzystają dwa statki. W takim przypadku liczba 9 odnosi się
do postoju tylko jednego statku.
23
BIBLIOGRAFIA
[1] Massela S., „Poradnik hydrotechnika”, Gdańsk, 1992.
[2] Hueckel S., „Budowle morskie”, Gdańsk, 1974.
[3] Szozda Z, „Stateczność statku morskiego”, Szczecin, 2009
[4] Wikipedia.pl
[5] Mazurkiewicz B., „Morskie budowle hydrotechniczne”, Szczecin,
1999
[6] Mazurkiewicz B., „Zalecenia do projektowania morskich konstrukcji
hydrotechnicznych Z1-Z46”