Część I. Kilka uwag o projektowaniu -...

�INŻYNIERIA�MORSKA�I�GEOTECHNIKA,�nr�6/2010742

Dr hab. inż. Waldemar MagdaPolitechnika Gdańska, Wydział Inżynierii Lądowej i Środowiska

Morskie urządzenia odbojoweCzęść I. Kilka uwag o projektowaniu

Posiłkując się definicją przedstawioną w pracy [3], urządze-nie odbojowe, nazywane potocznie odbojnicą, to „urządzenie chroniące zarówno dobijające statki, jak i budowlę morską (np. nabrzeża) lub inną konstrukcję (np. w postaci drugiego statku), do której statki te dobijają, przed niekorzystnym działaniem siły uderzenia”. Urządzenia te powinny spełniać swoją funkcję ochronną również w trakcie cumowania i odbijania statku.

Morskie urządzenia odbojowe stosowane są od zarania dzie-jów. Tanie i prymitywne odbojnice, wykonane z wykorzysta-niem lokalnie dostępnych materiałów (czyli np. przedstawione na rys. 1 odboje plecione, drewniane bale odbojowe, czy też sta-re zużyte opony samochodowe) pozostają nadal w regularnym wykorzystaniu w portach całego świata, ale wyłącznie w przy-padku podchodzenia do cumowania stosunkowo niewielkich

Rys. 1. Tradycyjne sposoby ochrony nabrzeży przed uderzeniem statku (odboje plecione, bale drewniane, zużyte opony samochodowe)w zestawieniu z nowoczesną odbojnicą obrotowo-przesuwną

INŻYNIERIA�MORSKA�I�GEOTECHNIKA,�nr�6/2010 743

statków i przy łagodnych warunkach falowo-wiatrowych. Jed-nak w przypadku coraz większych i szybszych statków istnieje potrzeba stosowania dużo bardziej wyrafinowanych nowoczes-nych systemów odbojowych.

Gdy konstrukcje postojowe statków są wyposażone w źle zaprojektowane urządzenia odbojowe, wyjątkowo ostry kontakt statku z nabrzeżem może doprowadzić do uszkodzenia tak same-go poszycia burtowego statku, jak i samej konstrukcji nabrzeża. Według szacunków opartych na analizie statystycznej ocenia się, że poprawnie zaprojektowany system odbojowy jest formą najtańszego ubezpieczenia, stanowiącego zaledwie 2 ÷ 5% ko-niecznych kosztów ewentualnej naprawy nabrzeża w wyniku kolizji jednostki pływającej z konstrukcją nabrzeża, polegającej na zbyt gwałtownym uderzeniu statku w urządzenie odbojowe.

Pomijając przypadek kolizji, w której kadłub statku uderza bezpośrednio w konstrukcję nabrzeża (rys. 2 i 3), wśród przy-czyn mogących spowodować uderzenie statku w urządzenie odbojowe z nadmierną prędkością należy wymienić przede wszystkim:

siły natury (np. niespodziewana zmiana intensywności –lub kierunku wiatru),czynnik ludzki (np. złe określenie odstępu pomiędzy –statkiem i nabrzeżem lub błędy w określaniu składowej prostopadłej prędkości przy ukośnym podchodzeniu stat-ku do nabrzeża),

czynnik losowy (np. zerwanie liny holowniczej lub awa- –ria silników napędowych).

Oprócz względów czysto ekonomicznych, ważnym aspek-tem, wskazującym na potrzebę stosowania urządzeń odbojo-wych, jest także, a może przede wszystkim szeroko pojęte bez-pieczeństwo pasażerów i załogi statku oraz obsługi portowej. Za przykład tragicznego zderzenia statku z konstrukcją nabrze-ża może posłużyć przypadek promu pasażerskiego „Andrew J. Barberi”, który pod koniec jednej z bardziej ruchliwych prze-praw promowych na świecie z Manhattanu na Staten Island, z 1500 osobami na pokładzie (znacznie poniżej maksymalnej dopuszczalnej liczby 6000 pasażerów) uderzył w pirs przystani pasażerskiej (rys. 4). Chociaż tego feralnego popołudnia wiał szczególnie silny wiatr (prędkość w porywach dochodziła do 65 m/s), to jednak bezpośrednią przyczyną tej tragicznej w skut-kach katastrofy był czynnik ludzki, a mianowicie zasłabnięcie kapitana. Zamiast prawidłowego wejścia do basenu przystani promowej, prom uderzył przy pełnej prędkości w betonową płytę pirsu, osadzoną na ruszcie palowym. Krawędź płyty pir-su, działając jak ostry nóż, rozerwała bok promu i poszarpała konstrukcję głównego pokładu, na którym stłoczeni pasażero-wie szykowali się do opuszczenia promu. Na miejscu zginęło wówczas 11 osób, a ponad 70 zostało rannych.

Jest oczywiste, że wielu tragicznych sytuacji, na ogół ze spo-rymi stratami materialnymi, a czasami także z ofiarami śmiertel-

Rys. 2. Skutki uderzenia czołowego kontenerowca „Maersk Tampa” w nabrzeże

Rys. 3. Rozerwanie poszycia burtowego katamaranu pasażerskiego „The Spirit of Ontario I” w wyniku uderzenia w nabrzeże


nymi, można byłoby uniknąć lub chociaż znacznie ograniczyć ich skutki, gdyby konstrukcje nabrzeża wyposażone były w od-powiednie urządzenia odbojowe.

PROJEKTOWANIE URZĄDZEŃ ODBOJOWYCH

Ogólnie rzecz ujmując, odbojnice stanowią element roz-działu pomiędzy kadłubem statku a konstrukcją cumowniczą

(postojową) dla statku (np. nabrzeżem). Urządzenie to działa na zasadzie absorbowania energii kinetycznej statku, przy jed-noczesnym braku jakiegokolwiek uszkodzenia czy to poszycia kadłubowego statku, czy też konstrukcji postojowej dla statku (dalby, nabrzeża lub drugiego statku). W przypadku odbojnic wykonanych z elastomerów, czyli polimerowych tworzyw natu-ralnych (np. gumy z kauczuku naturalnego) lub polimerowych tworzyw sztucznych (np. gumy z kauczuku syntetycznego lub poliuretanu), które zazwyczaj są stosunkowo sprężyste – więk-szość energii jest absorbowana w wyniku sprężystego odkształ-cenia odbojnicy i częściowo sprężystego odkształcenia poszy-cia burtowego statku. W sytuacjach awaryjnych pewna część energii kinetycznej statku może ulec zaabsorbowaniu w wyniku trwałych (plastycznych) odkształceń pewnych fragmentów za-równo konstrukcji nośnej odbojnicy, jak i poszycia kadłubowe-go statku.

Urządzenia odbojowe muszą w sposób pewny chronić statki, konstrukcje hydrotechniczne, do których cumują (dobijają) oraz same siebie w ciągu stosunkowo długiego okresu projektowej żywotności, często w mało sprzyjających warunkach środowi-skowych i praktycznie bez większych konserwacji. W zależno-ści od rodzaju projektu i zastosowanych materiałów – projekto-wy okres żywotności urządzenia odbojowego wynosi od 15 do 30 lat, co oznacza, że w ciągu 40- lub 50-letniego okresu żywot-ności konstrukcji nabrzeża taka odbojnica będzie musiała być przynajmniej raz wymieniona na nową.

Wykonanie dobrego projektu urządzenia odbojowego wy-maga wiedzy interdyscyplinarnej, do której odnosi się wiele norm, przepisów i zaleceń. Wśród najczęściej stosowanych na-leży wymienić:

Code of Practice for Design of Fendering and Mooring –Systems (BS 6349, Part 4, 2000),Recommendations of the Committee for Waterfront –Structures (EAU 2004),Report of the International Commission for Improving –the Design of Fender Systems (PIANC, Supplement to Bulletin No. 45, 1984),Ship Dimensions of Design Ship under Given Confidence –Limits (Technical Note of the Port and Harbor Research Institute, Ministry of Transport, Japan),Morskie budowle hydrotechniczne. Zalecenia do projek- –towania i wykonywania: Z 1 ÷ Z 45, FPPOiGM, Gdańsk 2006,

a także inne źródła informacji, które pochodzą głównie od czo-łowych przedsiębiorstw projektujących i produkujących urzą-dzenia odbojowe, takich jak np. przedsiębiorstwa zagraniczne: skandynawskie „Trelleborg Marine Systems”, japońskie „Sumi-tomo” i „Yokohama”, holenderskie „Vredestein”, czy też przed-siębiorstwo krajowe „ZPTS Milanówek”. W tym miejscu na uwagę zasługuje zbiór polskich zaleceń, w opracowaniu których uczestniczyli m.in. pracownicy dawnej Katedry Budownictwa Morskiego Politechniki Gdańskiej, a całemu zespołowi patro-nował prof. Bolesław Mazurkiewicz.

Korzystając z zasady zachowania energii mechanicznej w chwili zapoczątkowania styku „statek – odbojnica” oraz w chwili powstania maksymalnego odkształcenia sprężystego odbojnicy, można obliczyć pracę statku wykonaną na urządze-niu odbojowym, czyli stratę energii kinetycznej statku zaabsor-

Rys. 4. Tragiczna w skutkach katastrofa promu pasażerskiego „Andrew J. Bar-beri” w wyniku uderzenia w płytę pirsu przystani promowej


bowaną przez urządzenie odbojowe w postaci energii poten-cjalnej sprężystej. Rozwiązanie teoretyczne tego zagadnienia podał Vasco Costa ― prekursor wielu prac i analiz z dziedziny morskich urządzeń odbojowych. Efektywna energia kinetyczna statku (przy braku ruchu obrotowego, czyli dla ω0 = 0) opisana jest powszechnie znanym wzorem

(1)

gdzie:Ek – efektywna energia kinetyczna statku (absorbowana przez urządzenie od-

bojowe w postaci energii potencjalnej sprężystego odkształcenia) [kJ],m – masa statku [t],v – prędkość liniowa podchodzenia statku [m/s],Ce – współczynnik mimośrodowości uderzenia statku w odbojnicę [–],Cm – współczynnik masy wody dołączonej [–],Cs – współczynnik podatności kadłuba statku [–],Cc – współczynnik ażurowości hydrotechnicznej konstrukcji postojowej (na-

brzeża) [–].

Ostateczną obliczeniową wartość energii kinetycznej, tzw. wyjątkowej energii kinetycznej statku, do zaabsorbowania przez odbojnicę można obliczyć z wzoru

(2)

gdzie:Ew – wyjątkowa energia kinetyczna statku [kJ],Fb – współczynnik bezpieczeństwa (wyjątkowości uderzenia) (Fb ≤ 2) [–].

W członie ułamkowym wzoru (1) m oznacza masę rzeczywi-stą statku, a v oznacza prędkość liniową statku w chwili jego ze-tknięcia się z urządzeniem odbojowym. Praktyczny wzór, okre-ślający efektywną energię kinetyczną statku do zaabsorbowania przez urządzenie odbojowe, zawiera kilka współczynników, po-zwalających uwzględnić efekty: masy wody dołączonej, mimo-środowości uderzenia statku w odbojnicę, podatności sprężystej kadłuba statku oraz stopnia ażurowości konstrukcji postojowej.

Dodatkowo, na wypadek uderzenia wyjątkowego statku w urządzenie odbojowe (np. w wyniku awarii głównego silnika statku lub zerwania lin holowniczych), narzuca się zapas bez-pieczeństwa, który może sięgać nawet 100% efektywnej energii kinetycznej statku podchodzącego do cumowania (patrz wzór (2)).

Charakterystyka pracy urządzenia odbojowego

Jednym z najistotniejszych parametrów analizowanych przy doborze właściwego urządzenia odbojowego jest współczynnik pracy odbojnicy, będący stosunkiem siły reakcji odbojnicy R do energii potencjalnej sprężystego ugięcia Ep, przy maksymalnym odkształceniu odbojnicy. Wartości obu tych parametrów mogą być odczytywane z tzw. charakterystyki pracy odbojnicy, któ-rej przykład przedstawiono na rys. 5. Zwykle preferowana jest niska wartość współczynnika pracy, co jest szczególnie pożąda-ne w przypadku instalacji urządzenia odbojowego na sztywnej konstrukcji postojowej, jaką powinno być nabrzeże.

W tabl. 1 przedstawiono wartości siły reakcji i absorbowa-nej energii oraz współczynnika pracy urządzenia odbojowego dla kilku wybranych odbojnic, produkowanych przez uznane na rynku firmy: „Sumitomo” i „Trelleborg Marine Systems”. W porównaniu uwzględniono także pierwszą polską odbojni-cę korytkową, zaprojektowaną i wyprodukowaną przez Zakład

Przetwórstwa Tworzyw Sztucznych (ZPTS) w Milanówku. War-ty podkreślenia jest fakt, że odbojnicę wykonano nie z gumy, a z tzw. „lanego poliuretanu”. Porównanie charakterystyki pra-cy odbojnic wypada całkiem dobrze dla polskiego produktu, dla którego współczynnik pracy jest zbliżony do analogicznych pro-duktów zagranicznych.

Parcie burty statku na urządzenie odbojowe

Wybór urządzenia odbojowego o możliwie małym współ-czynniku pracy jest szczególnie istotny w przypadku projekto-wania nabrzeży o sztywnej konstrukcji, w przeciwieństwie np. do sprężystych dalb odbojowych i cumowniczo-odbojowych. Niestety, nie zawsze jest to zagadnienie analizowane przez pro-jektantów. Zdarza się również, że siły reakcji urządzenia od-bojowego na nabrzeże w ogóle nie bierze się pod uwagę przy sprawdzaniu stateczności nabrzeża.

Należy pamiętać, że siła reakcji występująca w trakcie na-cisku urządzenia odbojowego na ścianę nabrzeża jest także siłą reakcji, z jaką burta statku napiera na urządzenie odbojowe. Z punktu widzenia projektanta urządzenia odbojowego istotne jest, aby wartość tej siły nie spowodowała przekroczenia gra-

Rys. 5. Przykładowa charakterystyka pracy odbojnicy modułowej

Tabl. 1. Porównanie wartości współczynnika pracy dla kilku wybranych odbojnic modułowych różnych producentów (odkształcenie d = 50%)

Rodzaj odbojnicyReakcja Energia

potencjalnaWspółczynnik

pracy

R [kN] Ep [kJ] F = R / Ep [m-1]

Trelleborg MV 600×1000 (A) 610 168 3,63

Trelleborg MV 600×1000 (B) 426 118 3,62

Sumitomo LMD (Λ) 600×1000 563 142 3,96

Sumitomo LMD (Λ) 600×2000 1125 284 3,96

Sumitomo Pi (π) 600×1000 462 106 4,36

Sumitomo Pi (π) 600×2000 924 212 4,40

Milanówek MM 600×1000 (E2) 488 129 3,78


nicznego nacisku (parcia) dla danego rodzaju statku (tabl. 2), co może doprowadzić do trwałych uszkodzeń poszycia burtowego (rys. 6). Pod tym względem szczególną uwagę należy zwrócić w stronę projektowania stanowisk cumowniczo-odbojowych ta-kich statków, jak np. gazowce do przewozu skroplonego gazu ziemnego (LNG, rys. 7) i ciekłej mieszaniny propan-butan (LPG).

Jak wynika z zestawienia podanego w tabl. 2, głównie ga-zowce, ale także masowce i zbiornikowce, wymagają stosunko-wo małego nacisku na poszycie burtowe statku; można to osiąg-nąć tylko przy zastosowaniu urządzeń odbojowych z panelami odbojowymi o odpowiednio dużych powierzchniach.

Panel odbojowy, okładzina ślizgowa,elementy montażowe

Urządzenie odbojowe jest tak dobre, jak dobry jest naj-słabszy element składowy tego urządzenia. Jeżeli przyjąć, że element czynny (tzn. pochłaniający energię kinetyczną statku) został prawidłowo dobrany, to pozostaje zwrócić szczególnie baczną uwagę na pozostałe elementy składowe urządzenia od-bojowego, jak:

panel odbojowy (najczęściej wykonany w postaci stalo- –wej konstrukcji skrzynkowej otwartej lub zamkniętej) (rys. 8a, 8b),okładzina ślizgowa, wykonana z polietylenu o ultrawy- –sokiej masie cząsteczkowej (UHMW–PE) (rys. 8b),elementy montażowe (kotwy, śruby, podkładki), służą- –ce do mocowania urządzenia odbojowego do nabrzeża, a także okładziny ślizgowej i elementu czynnego odboj-nicy do panelu odbojowego (rys. 9).

Stalowy panel odbojowy ma z wyglądu dość prostą kon-strukcję (rys. 10). Jednak biorąc pod uwagę dość skompliko-wany układ obciążeń rzeczywistych (zginanie, ściskanie, ścina-nie), na działanie których narażony jest panel w okresie jego eksploatacji, projektowaniem tego elementu powinny zajmować się osoby specjalizujące się w konstrukcjach stalowych i wyko-rzystujące w tym celu profesjonalne numeryczne pakiety obli-czeniowe, zwykle oparte na metodzie elementów skończonych. Niestety, nie jest to powszechną praktyką, co często prowadzi to powstania niebezpiecznie słabych konstrukcji.

W praktyce można spotkać panele odbojowe wykonane ze stosunkowo cienkich blach, np. o grubości 5 mm, co w więk-szości przypadków jest dalece niewystarczające do prawidło-wej pracy panelu, a tym samym całego urządzenia odbojowe-

Rys. 6. Plastyczna deformacja burty statku (widok od wnętrza kadłuba)

Rys. 7. Statek LNG przy pirsie paliwowym

Tabl. 2. Dopuszczalne parcie na burtę statku [PIANC]

Rodzaj statku Parcie [kPa]

Drobnicowce 700

Kontenerowce 400

Chemikaliowce 400

Zbiornikowce 350

Masowce 200

Gazowce (LNG/LPG) 100 ÷ 200


go. Zgodnie z zaleceniami Międzynarodowego Stowarzyszenia Kongresów Nawigacyjnych (Permanent�International�Associa-tion� of� Navigation� Congresses (PIANC)) minimalna grubość blachy użytej do budowy panelu, powinna wynosić:

12 mm dla panelu „otwartego”, wystawionego całkowi- –cie na działanie wody morskiej,10 mm dla panelu „półotwartego”, –8 mm dla panelu „zamkniętego” (obie powierzchnie, –ustawione równolegle do ściany nabrzeża, zamknięte płytami stalowymi).

Całkowita grubość panelu odbojowego powinna zawierać się w przedziale 160 ÷ 180 mm, pod warunkiem, że w jego kon-strukcji znajdują się stalowe elementy usztywniające. Większe systemy urządzeń odbojowych mogą wymagać jeszcze więk-szych grubości panelu odbojowego (np. 250 ÷ 400 mm). Mimo tego w praktyce inżynierskiej można spotkać wątpliwe rozwią-zania, w których grubość panelu odbojowego nie przekracza 120 mm.

Stalowa konstrukcja panelu odbojowego powinna być za-bezpieczona na wypadek działania korozyjnego ze strony agre-sywnego środowiska morskiego (patrz rys. 8a). Zwykle czyni się to poprzez stosowanie specjalistycznych farb. Rezygnując ze

stosowania farby antykorozyjnej, projektant powinien uwzględ-nić tzw. zapas antykorozyjny dla płyt stalowych; dla rejonów o stosunkowo chłodnym klimacie minimalna wartość zapasu wynosi zwykle 3 mm, natomiast dla akwenów cieplejszych za-pas antykorozyjny ulega zwiększeniu.

Miejsca połączenia konstrukcji panelu z okładziną ślizgo-wą z jednej strony oraz konstrukcji panelu z elastomerowym elementem czynnym odbojnicy z drugiej strony powinny być odpowiednio wzmocnione, a w przypadku panelu o konstrukcji zamkniętej dodatkowo uszczelnione, aby woda morska nie mia-ła dostępu do wnętrza panelu.

Równie istotnym aspektem prawidłowo zaprojektowanej konstrukcji urządzenia odbojowego jest konieczność stosowa-nia elementów montażowych (kotew, śrub, podkładek itp.) wy-konanych z tego samego rodzaju materiału. Brak jednolitości materiałowej (np. śruby ze stali nierdzewnej, a podkładki ze stali

Rys. 8. Widok silnie skorodowanej zewnętrznej powierzchni panelu odbojowego (a), trwałe uszkodzenie panelu odbojowego wraz z okładziną ślizgową (b)

Rys. 9. Newralgiczne miejsca mocowania dla pojedynczego elementu moduło-wego urządzenia odbojowego

Rys. 10. Wnętrze panelu odbojowego o konstrukcji półzamkniętej skrzynkowej z widocznymi elementami usztywniającymi

a) b)


galwanizowanej) może doprowadzić do szybkiej utraty wytrzy-małości niektórych elementów montażowych, warunkujących prawidłową pracę urządzenia odbojowego.

Okładzina ślizgowa wykonywana jest zwykle z tworzywa sztucznego, jakim jest polietylen, dzięki jego wysokiej trwałości i niskiej ścieralności. Najczęściej okładzinę ślizgową wykonuje się z polietylenu o ultrawysokiej masie cząsteczkowej UHMW-PE (ultra�high�molecular�weight�polyethylene) lub z tzw. poli-etylenu spiekanego (double-sintered�UHMW-PE). Można także w tym celu wykorzystać polietylen niskociśnieniowy o dużej gęstości HD-PE (high� density� polyethylene), który jest mate-riałem tańszym, ale za to ulega szybszemu ścieraniu. Żywot-ność okładziny ślizgowej o grubości 30 mm, uwzględniającej 3 ÷ 4-milimetrowy naddatek ścieralny, nie przekracza 5 lat. Poprzez zwiększenie grubości okładziny do 40 mm, zapew-niającej naddatek ścieralny 8÷10 mm, można wydłużyć okres żywotności okładziny prawie dwukrotnie, przy jednoczesnym tylko około dwuprocentowym wzroście ceny całego urządzenia odbojowego.

Rozstaw urządzeń odbojowych na nabrzeżu

Wyznaczanie właściwego rozstawu urządzeń odbojowych na nabrzeżu (rys. 11a, 11b) jest niestety często bagatelizowa-ne przy projektowaniu systemów odbojowych. W konsekwen-cji prowadzi to do sytuacji, w której na podobnych do siebie nabrzeżach (tzn. o zbliżonych głębokościach technicznych, czy eksploatacyjnych), zaprojektowanych do przyjmowania statków maksymalnych o podobnych wielkościach, można spotkać roz-stawy różniące się nawet trzykrotnie (np. 8 m i 25 m). Zasady obliczeniowe wymaganego rozstawu urządzeń odbojowych na nabrzeżu przedyskutowano szczegółowo w pracach [1, 2].

Trzeba pamiętać, że źle zaprojektowany rozstaw urządzeń odbojowych na nabrzeżu może oznaczać:

przy zbyt małym rozstawie ― nadmierne koszty inwe-a) stycyjne lubprzy zbyt dużym rozstawie ― wzrost ryzyka:b) przekroczenia zdolności urządzenia odbojowego do po- –chłonięcia projektowej wartości energii kinetycznej stat-ku (dla statków zbliżonych do statku maksymalnego),kolizji statku z konstrukcją nabrzeża (w przypadku stat- –ków znacznie mniejszych od maksymalnego).

NOWE GENERACJE STATKÓW

Nieustannie narastająca potrzeba stosowania nowoczesnych urządzeń odbojowych znajduje m.in. następujące ekonomiczne uzasadnienie:

Statki stają się coraz droższe w budowie i eksploatacji, 1. co powoduje, że na materiałach używanych do ich budo-wy robi się coraz większe oszczędności. Odbywa się to oczywiście bez uszczerbku dla zdolności przewozowo-żeglugowej statku, ale powoduje wzrost ryzyka uszko-dzenia statku podczas wykonywania manewrów w akwe-nach portowych.Koszty przestoju statku w przypadku konieczności wy-2. konania naprawy lub braku możliwości zacumowania statku, np. ze względu na niesprzyjające warunki atmo-sferyczne, w ostatnim czasie znacznie wzrosły.Coraz większe statki przewożą coraz więcej niebezpiecz-3. nych ładunków. Uszkodzenia tych statków, będące wyni-kiem niewłaściwego nadmiernie ostrego kontaktu statku z nabrzeżem, mogą doprowadzić do nieszczęśliwych wy-padków, zwłaszcza gdy te konstrukcje nie są zabezpie-czone odpowiednimi urządzeniami odbojowymi.Większe głębokości wody, wymagane dla żeglugi i ob-4. sługi nowoczesnych statków, skutkują mniej osłoniętymi

Rys. 11. Schemat sytuacyjny do analizy rozstawu urządzeń odbojowych na nabrzeżu (a), widok nabrzeża z zainstalowanymi odbojnicami (b)


(czyli bardziej narażonymi na działanie falowania, wia-tru i prądów morskich) miejscami cumowniczymi, a tym samym możliwością powstania większej energii kine-tycznej statku podchodzącego do cumowania. Zaprojek-towanie nowoczesnego systemu odbojowego umożliwia często instalację tego systemu na akwenie otwartym bez potrzeby stosowania drogich falochronów osłaniających.

Nowoczesne rozwiązania urządzeń odbojowych powstają w odpowiedzi na dynamiczny rozwój transportu morskiego, uwi-doczniony m.in. w budowie coraz większych i szybszych statków. Wielkość statku, określana jego wypornością, ma bezpośredni wpływ na bardzo istotny z punktu widzenia energii kinetycznej statku parametr, jakim jest masa statku m (patrz wzór (1)).

Drugim, bardzo ważnym parametrem wpływającym bezpo-średnio na wielkość energii kinetycznej statku jest jego prędkość liniowa v (patrz wzór (1)) w chwili zapoczątkowania styku burty statku z urządzeniem odbojowym. Pomimo istniejących zaleceń co do dopuszczalnych wartości – prędkość ta może ulec chwilo-wemu nagłemu wzrostowi w wyniku dwóch zasadniczych czyn-ników, a mianowicie:

chęci nadmiernego skrócenia okresu manewru podejścia 1) statku do linii cumowniczej,zadziałania wiatru o znacznej porywistości na kadłub 2) i nadbudówkę statku; w tym przypadku działanie wiatru będzie tym większe, im większa jest powierzchnia na-wiewu; z drugiej strony należy zauważyć, że ciągle ob-serwuje się intensywny wzrost pola bocznej powierzchni

nawiewu statku, co szczególnie ma miejsce w przypadku statków kontenerowych i wycieczkowych.

Aktualnie obowiązujące tendencje w budowie statków, a do-tyczące głównie ich kształtów, wielkości, prędkości rejsowych i stosowanych napędów, będą pokrótce przedstawione na przy-kładzie statków kontenerowych, wycieczkowych oraz szybkich promów pasażerskich.

Kontenerowce

Kontenerowce charakteryzują się następującymi elementami kadłuba, mającymi istotny wpływ na dobór odpowiednich urzą-dzeń odbojowych (rys. 12):

1. Duże nawisy dziobowe i rufowe (typowe także dla wy-cieczkowców). Znaczny kąt nachylenia powierzchni na-wisu do pionu wpływa na redukcję zdolności urządzenia odbojowego do pochłaniania energii kinetycznej statku. Może być konieczny większy występ urządzenia odbojo-wego poza linię nabrzeża w celu utrzymania odpowied-niego odstępu pomiędzy kadłubem statku a frontem na-brzeża i urządzeniami dźwigowymi.

2. Dzioby gruszkowe. W sytuacji urządzeń odbojowych roz-mieszczonych wzdłuż nabrzeża w znacznych odstępach należy zwrócić uwagę na to, aby dziób gruszkowy statku nie był w stanie dotknąć konstrukcji nabrzeża w strefie po-między zainstalowanymi urządzeniami odbojowymi.

Rys. 12. Cechy charakterystyczne kontenerowców: duża powierzchnia nawiewu (wysoka wolna burta), niska wolna burta (kontenerowce dowozowe), duże nawisy rufowe i dziobowe, duży kąt nachylenia nawisu dziobowego


3. Wysoka wolna burta (typowe także dla statków typu Ro-Ro i samochodowców). Statki o wysokiej wolnej burcie są trudne do manewrowania przy silnym wietrze, co może spowodować wystąpienie większych prędkości dobijania.

4. Niska wolna burta w przypadku tzw. kontenerowców dowozowych (typowa także dla barek, przybrzeżnych zbiornikowców i niektórych drobnicowców). Należy uważać, aby statek nie dotknął nabrzeża w strefie poni-żej urządzenia odbojowego, co mogłoby się przydarzyć np. w trakcie odpływu, przy w pełni załadowanym statku i przy niekorzystnych warunkach pogodowych.

5. Pasy (listwy) burtowe (typowe także dla większości promów i niektórych drobnicowców). Pas burtowy może być nieciągły i znajdować się na kilku poziomach. Pasy burtowe w złym stanie mogą spowodować uszko-dzenie urządzenia odbojowego.

Zjawisko ekonomiczne nazywane „efektem skali”, polega-jące na obniżaniu kosztów jednostkowych dzięki zwiększaniu wielkości produkcji, przyczynia się stale do budowy coraz to większych kontenerowców. Stopniowo przez statki klasy Pana-max, Post-Panamax i Post-Panamax Plus osiągnięto wielkość kontenerowców o możliwościach przewozowych do 12000 pojemnościowego ekwiwalentu kontenera dwudziestostopowe-go (TEU) (rys. 13). Za przykład może posłużyć największy na świecie kontenerowiec „Emma Maersk”. Jest on tak duży (dłu-gość 400 m, pojemność 11000 TEU), że obecnie tylko porty Rotterdamu i Singapuru są zdolne do przyjęcia takiego kolosa w pełni załadowanego.

Myśli się już o kolejnej klasie statków, tzw. klasie Malacca-max, o pojemności kontenerowej 18000 TEU i zanurzeniu do 21 m, które jest obecnie maksymalną dopuszczalną wartością dla umożliwienia przepłynięcia statku przez Cieśninę Malakka, bę-dącą ważną drogą żeglugową z Oceanu Indyjskiego na wschód.

Jeszcze do niedawna układanie kontenerów w 9 poziomach w ładowni i 4 na pokładzie było powszechną praktyką. Obecnie w przypadku nowoczesnych kontenerowców można spotkać na-wet 9 poziomów kontenerów na głównym pokładzie statku.

Wycieczkowce

Aktualny rozwój wycieczkowców podkreśla potrzebę wzro-stu udziału kabin zewnętrznych z oknami i kabin zewnętrznych z balkonami. Najnowsze projekty statków przewidują 80-pro-centowy udział kabin zewnętrznych i 70-procentowy udział kabin z balkonami w całkowitej liczbie kabin na statku. Zwięk-szenie współczynnika udziału kabin zewnętrznych z balkonami oznacza zwiększenie wysokości pokładówki w celu pomiesz-czenia większości kabin powyżej pokładu głównego.

Obecnym projektowym standardem jest statek klasy Post-Pa-namax. Za przykład może posłużyć „MS Freedom of the Seas” – obecnie drugi co do wielkości statek pasażerski na świecie. 1800 kabin na 18 pokładach tego luksusowego wycieczkowca może pomieścić 4370 pasażerów. Statek rozwija maksymalną prędkość 21,5 węzła (40 km/h).

Sektor wycieczkowców jest ciągle rozwijany. W roku 2009 „MS Freedom of the Seas” stracił swą dominującą pozycję władcy oceanów. Jego właściciel zamówił już bowiem w fiń-skiej stoczni jeszcze większe statki klasy „Genesis”, a mianowi-cie: „Oasis of the Seas” oraz „Allure of the Seas”, mieszczące 2700 kabin do przewozu aż 5400 pasażerów (rys. 14).

Z budową niebotycznie dużych statków nie można jednak przesadzać. Wiąże się z tym dość komiczna historia. Podczas dziewiczego rejsu „MS Freedom of the Seas” z Hamburga na Karaiby napotkano nieoczekiwanie poważny problem, który po-legał na tym, że po wybudowaniu największy statek świata nie miał jak wypłynąć z Bałtyku, gdyż duńska cieśnina Wielki Bełt została przegrodzona mostem, łączącym duńskie wyspy Zelan-dię i Fionię (rys. 15).

Wysokość w świetle tego mostu, mierzona w najwyższym punkcie, wynosi 65 m, a wysokość „MS Freedom of the Seas” jest tylko o 1,3 m mniejsza. Teoretycznie statek powinien prze-płynąć — wystarczy jednak silniejszy wiatr spiętrzający wody cieśniny by nastąpiło zderzenie, a straty mogłyby być ogromne. Statek kosztował 855 milionów euro, podczas gdy most trzy-krotnie więcej.

Dla zwiększenia bezpieczeństwa operacji posłużono się tajemną wiedzą z zakresu hydrodynamiki i zdecydowano, że „MS Freedom of the Seas” musi osiągnąć już przed mostem prędkość 35 km/h, przy której jego kadłub miał zanurzyć się o dodatkowy metr. Po pomyślnym zakończeniu operacji poda-no, że odstęp pomiędzy mostem a najwyższym punktem statku wyniósł 1,5 m.

Katamarany– szybkie promy pasażersko-samochodowe

Wraz z dynamicznym rozwojem techniki (w tym głównie hydromechaniki) pojawiły się dwukadłubowe statki pasażer-sko-samochodowe (Ro-Pax). Największymi promami-katama-ranami, mogącymi obsługiwać trasy pełnomorskie są statki typu „HSS class 1500”, kursujące przez Morze Irlandzkie i służące do przewozu 1500 pasażerów i prawie 400 samochodów osobo-wych na pokładzie (rys. 16).

Kadłuby szybkich promów pasażerskich i pasażersko-samo-chodowych (Ro-Pax), w tym także typu katamarany, wykonane

Rys. 13. Kontenerowce – ilustracja wzrostu wielkości statkówna przestrzeni lat


są przeważnie ze stopu aluminium. Ich stosunkowo mniejszy ciężar pozwala na rozwijanie dużych prędkości rejsowych, prze-kraczających nawet 40 węzłów (75 km/h). Z drugiej jednak stro-ny delikatne i podatne poszycie kadłuba może być problemem z punktu widzenia uderzenia statku (zwykle pasem burtowym) w urządzenie odbojowe. Dodatkowym utrudnieniem dla projek-tanta systemu odbojowego jest mocno urozmaicony aerodyna-miczny kształt bocznej powierzchni kadłuba.

Nowoczesne napędy własne

Oznaką nowoczesności statków są także innowacyjne roz-wiązania w dziedzinie napędu. Aktualnym trendem w dziedzinie napędu wycieczkowców jest stosowanie tzw. napędu gondolo-wego, w którym elektryczny silnik napędowy jest umieszczony w zewnętrznej podwodnej gondoli, podwieszonej do kadłuba

Rys. 14. Wycieczkowce — ilustracja wzrostu wielkości statków na przestrzeni lat

Rys. 15. „Freedom of the Seas” — drugi co do wielkości wycieczkowy statek na świecie (a),most nad Cieśniną Wielki Bełt, pod którym z trudem przecisnął się „Freedom of the Seas” (b)

a)

b)


statku w jego części rufowej (rys. 17). Napęd gondolowy za-pewnia statkom znakomite zdolności manewrowe. Jego kom-binacja ze sterami strumieniowymi pozwala obecnie w więk-szości przypadków na podchodzenie do nabrzeża bardzo dużych statków bez asysty holowników, co zwiększa ryzyko uderzenia statku w urządzenie odbojowe ze stosunkowo dużą prędkością.

Większość szybkich katamaranów jest napędzana pędnikami strugowodnymi, których praca jest oparta na trzeciej zasadzie Newtona – zasadzie akcji i reakcji, podobnie do samolotowe-go silnika odrzutowego (rys. 18). Pędniki strugowodne pozwa-lają uzyskiwać prędkości przewozowe do 65 węzłów (około 120 km/ h). Niestety, statki tak napędzane cechują się zwykle mniejszą manewrowością w trakcie wykonywania ciasnych za-krętów lub cofania się, w porównaniu ze statkami o tradycyjnym napędzie śrubowym. Oznacza to mniejszą pewność przy pod-chodzeniu do urządzeń cumowniczych.

Rys. 16. Przykłady szybkich katamaranów pasażersko-samochodowych: (a) „HSS Voyager”, (b) „HSV-X1” w wersji wojskowej, (c) „Tarifa Jet”

a)

b) c)

Rys. 17. Napęd gondolowy wycieczkowców

Rys. 18. Pędnik strugowodny powszechnie stosowany do napęduszybkich promów pasażerskich i pasażersko-samochodowych


PODSUMOWANIE

Tematem artykułu są urządzenia odbojowe stosowane w bu-downictwie morskim. W części pierwszej artykułu skupiono się głównie na wyszczególnieniu pewnych aspektów projekto-wych, a także dokonano krótkiego przeglądu nowych generacji statków (kontenerowców, wycieczkowców i szybkich promów o kadłubie katamaranu), zwracając uwagę na ich cechy, takie jak: kształt, wielkość (masa, bezwładność) oraz napęd (mane-wrowość), istotne z punktu widzenia projektowania i wyboru odpowiednich urządzeń odbojowych.

W drugiej części artykułu będą przedstawione pewne nowo-czesne rozwiązania i technologie, z jakimi spotyka się obecnie projektant morskich urządzeń odbojowych.

LITERATURA

Magda W., Sikora Z.: Przyczynek do projektowania morskich urządzeń 1. odbojowych. Inżynieria Morska i Geotechnika, nr 3/2009.

Magda W.: Rozstaw morskich urządzeń odbojowych a efektywna ener-2. gia kinetyczna statku. Inżynieria Morska i Geotechnika, nr 4/2009.

Mazurkiewicz B.: Encyklopedia inżynierii morskiej, Fundacja Promo-3. cji Przemysłu Okrętowego i Gospodarki Morskiej, Gdańsk 2009.

PODZIĘKOWANIE. Inspiracją do napisania powyższego artykułu był re-ferat pt. „Morskie urządzenia odbojowe (projektowanie, nowoczesne roz-wiązania)”, wygłoszony przez autora na „Bałtyckim Salonie Gospodarki Morskiej — Morskie systemy odbojowe” (Międzynarodowe Targi Gdańskie S.A., Gdańsk, 23 czerwca 2010 r.). Autor artykułu składa podziękowanie Panu Witoldowi Topolskiemu, dyrektorowi naczelnemu „ZPTS Poliureta-ny” za zamówienie oraz sponsoring referatu.

Część I. Kilka uwag o projektowaniu -...

Documents

Transcript of Część I. Kilka uwag o projektowaniu -...