Kształtowanie struktury pływającego środka transportowego

Transkrypt

1 BARTNICKI Adam 1 MUSZYŃSKI Tomasz 2 Kształtowanie struktury pływającego środka transportowego WSTĘP Ostatnie lata pokazały, że w Polsce jak i całej Europie, mamy do czynienia ze zmianami klimatycznymi, które skutkują występowaniem powodzi. Pojawiają się wtedy problemy komunikacyjne, które znacznie utrudniają prowadzenie akcji ratowniczych. Związane jest to z niedostępnością dla pojazdów wielu obiektów infrastruktury drogowej. Ponieważ dochodzi wtedy również do ich uszkodzeń lub zniszczenia, często taka sytuacja przedłuża się również na znaczny okres po ustąpieniu powodzi. Pojawia się wtedy potrzeba dysponowania zdolnością szybkiego odtwarzania szlaków komunikacyjnych. Mogą to być obiekty o charakterze tymczasowym, lecz ważne jest aby zapewniały odpowiednią nośność i szybkie tempo budowy. Takie możliwości dają mosty pontonowe. Co więcej, pojedyncze bloki mogą służyć jako promy i mogą być wykorzystywane do ewakuacji ludzi wraz z dobytkiem. W Polsce takimi środkami dysponują Wojska Inżynieryjne. Znajdujący się na ich wyposażeniu park pontonowy jest jednak konstrukcją, której w najbliższych latach kończy się okres technicznej eksploatacji. Pojawia się zatem potrzeba wprowadzenia nowego rozwiązania. W artykule przedstawiono wyniki wstępnych analiz konstrukcyjnych, których celem było opracowanie bloku pontonowego mogącego być bazą dla takiego parku. 1. POTRZEBY I UWARUNKOWANIA NORMATYWNE Główne wytyczne, jakie postawiono podczas kształtowania nowej konstrukcji bloku pontonowego, związane były z dążeniem do uzyskania jak największej efektywności tworzonej z niego przeprawy. Rozumiano to w aspekcie samego procesu jej budowy, jak również i jej eksploatacji na przeszkodzie wodnej. Przełożyło się to na następujące założenia konstrukcyjne: wielkość pokładu umożliwiająca dwukierunkowy ruch pojazdów o masie całkowitej co najmniej 10 ton; budowa mostu w układzie pojedynczej wstęgi; nośności budowanego mostu umożliwiająca przejazd członowych pojazdów kołowych o masie całkowitej co najmniej 42 tony; nośności budowanego mostu umożliwiająca przejazd pojazdów gąsienicowych o masie całkowitej co najmniej 56 ton; jak najmniejsza ilości środków transportowych niezbędnych do transportu kompletu mostowego; jak najmniejsza ilości personelu do budowy i utrzymania przeprawy; transport bloku znormalizowanym pojazdem kołowym. Dla tak sformułowanych wytycznych przyjęto, że opracowywany blok pontonowy musi w położeniu transportowym w maksymalnym stopniu wypełniać przestrzeń ładunkową, jaką zapewniają największe pojazdy transportowe dopuszczone do ruchu po drogach publicznych. Dlatego też, wybór padł na ciągnik siodłowy z naczepą. Wielkość przewożonego na nich ładunku jest częściowo definiowana przepisami, a częściowo wynika z konstrukcji naczepy. Zgodnie z zapisami ustawy z dnia z dnia 20 czerwca 1997 r. "Prawo o ruchu drogowym" Dziennik Ustaw z 2005 r. Nr 108 poz. 908: Art p. 6. pp.1) ładunek wystający poza boczne płaszczyzny obrysu pojazdu może być umieszczony tylko w taki sposób, aby całkowita szerokość pojazdu z ładunkiem nie przekraczała 2,55 m, a przy szerokości pojazdu 2,55 m nie przekraczała 3 m, jednak 1 Wojskowa Akademia Techniczna im. Jarosława Dąbrowskiego. Wydział Mechaniczny; Warszawa; ul. gen. S. Kaliskiego 2. Tel: , Fax: , abartnicki@wat.edu.pl 2 Wojskowa Akademia Techniczna im. Jarosława Dąbrowskiego. Wydział Mechaniczny; Warszawa; ul. gen. S. Kaliskiego 2. Tel: , Fax: , tmuszynski@wat.edu.pl 383

2 pod warunkiem umieszczenia ładunku tak, aby z jednej strony nie wystawał na odległość większą niż 23 cm;" [1]. Z rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 31 grudnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych pojazdów oraz zakresu ich niezbędnego wyposażenia wynika zaś, że "wysokość pojazdu łącznie z ładunkiem nie może przekroczyć 4 m", a "długość... zespołu samochodowego i naczepy,... nie może przekraczać 16,5 m;" [1]. Z kolei analiza rozwiązań naczep pozwala, że odległość pomiędzy jezdnią a ich podłogą wynosi średnio 1,35 m, a długość platformy załadunkowej może osiągać 13 m. Te informacje pozwoliły określić, że projektowany blok pontonowy w położeniu transportowym może skrajnie zajmować przestrzeń 2,65 m x 3 m x 13 m (W x B x L). Należało oczywiście założyć potrzebę dostosowania naczepy do mocowania i zrzutu ładunku. Drugim obszarem objętym wymogami formalnymi, są kwestie związane z pływalnością. Te aspekty są opisywane w Normach Obronnych [2]. Określono w nich, że "Najmniejsza wysokość nadwodnej części obciążonych mostów i promów pontonowych, montowanych z elementów parku pontonowego, z uwzględnieniem przechyłów z powodu mimośrodowego obciążenia, powinna wynosić co najmniej 0,1 m". Nie są natomiast definiowane inne wytyczne (np. zapas wyporności, czy wysokość wolnej bury w położeniu normalnym), dlatego też do ich określenia niezbędne było przeanalizowanie istniejących kontrakcji. 2. ANALIZA ISTNIEJĄCYCH KONSTRUKCJI MOSTÓW PONTONOWYCH 2.1. Park PP-64 Park PMP jest konstrukcją polską, opracowaną w połowie lat sześćdziesiątych ubiegłego wieku (rys.2.1). W porównaniu do innych tego typu konstrukcji cechuje się znacznie prostszą strukturą kinematyczną, a także system wodowania i podejmowania bloków pontonowych z wody. a) b) Rys Park pontonowy PP-64: a) pojedynczy blok w pozycji transportowej, b) na przeszkodzie wodnej [3] Cechuje się on następującymi parametrami: nośność mostu Q m =80 ton (w systemie podwójnej wstęgi) ; wielkością pokładu B P x H P =7,1 m x 3,7 m; masa pontonu m p =3 000 kg; wysokość pływaka h pł =0,895 m; zanurzenie własne h z 0,13 m. Z kinematycznego punktu widzenia, jest to struktura o układzie "V". Nazwa ta odzwierciedla w widoku od czoła pontonu schemat wzajemnego połączenia pływaków. Podobnie jak w innych konstrukcjach, rozkładanie bloku odbywa się w sposób grawitacyjny, a zrzut do wody realizowany jest metodą bezwładnościową Park PMP Park PMP jest konstrukcją rosyjską, która powstała w okresie II wojny światowej (rys.2.2). 384

3 a) b) Rys Blok pontonowy PMP: a) w położeniu transportowym, b) fazy rozkładania [4] Cechuje się on następującymi parametrami: nośność mostu Q m =60 ton; wielkością pokładu B P x H P =7,1 m x 6,75 m; masa pontonu m p =6 676 kg; wysokość pływaka h pł =0,73 m; zanurzenie własne h z 0,16 m. Z kinematycznego punktu widzenia, jest to struktura o układzie "W". Umożliwia ona uzyskiwanie znacznie większych, niż w PP-64 wielkości pojedynczych bloków. Dzięki temu budowa mostu o maksymalnej nośności je system pojedynczej wstęgi. Analogiczne rozwiązania posiadają parki znajdujące się na wyposażeniu m.in. armii niemieckiej czy amerykańskiej. Różnią się one jedynie wielkościami pokładów oraz zastosowanymi materiałem konstrukcyjnym, co przekłada się na ich masę PFM Mle F1 Park PLM Mle F1 jest konstrukcją francuską, którego powstała w 1981 r. (rys.2.3). a) b) Rys Park pontonowy PFM Mle F1: a) pojedynczy blok w pozycji transportowej, b) na przeszkodzie wodnej [5] Cechuje się on następującymi parametrami: nośność mostu - pojazdy klasy MLC 70; wielkością pokładu B P x H P =9,8 m x 10 m; masa pontonu m p = kg; wysokość pływaka h pł =0,73 m; zanurzenie własne h z =0,12 m. 385

4 Z kinematycznego punktu widzenia, jest to struktura o układzie "2Z". Pontony te są bardzo nowoczesną konstrukcją, w której elementy środkowy i burtowy wykonano z stopów lekkich, a zbiorniki balastowe ze tworzywa sztucznego wzmacnianego włóknem szklanym. Wpływa to na ich bardzo niską masę własną. Wzajemne porównanie mostów pontonowych (tab.1) powala stwierdzić, że w stosunku do PP-64 wszystkie inne konstrukcje cechują znacznie mniejszą liczbą bloków niezbędną do budowy 100 m odcinka mostu, a najnowsza konstrukcja francuska jest pod tym względem prawie 3 razy efektywniejsza. Coraz większe wymiary bloków, przekładają się również na coraz większą stateczność mostów, a co za tym idzie większe bezpieczeństwo użytkowania. Można też stwierdzić, że maksymalna nośność sięga 80 ton, a zapasa wyporności oscyluje w przedziale 83-90%. Tab.1. Zestawienie wybranych parametrów parków pontonowych Wymiary pokładu Masa pontonu Zanurzenie własne Nośność Stateczność własna (100 m) Ilość pontonów na 100m Zapas wyporności m kg m t m szt. % PMP 7,1 x 6, , , PP-64 6,63 x 3, ,14 80 * 23, Ribbon 8,13 x 6, , , Mle F1 9,8 x ,18 MLC 70 63, * - podwójna wstęga 3. STRUKTURA KINEMATYCZNA NOWEGO BLOKU PONTONOWEGO Zgodnie z założeniem, że nowy blok pontonowy powinien w sposób maksymalny wypełniać przestrzeń ładunkową naczepy ciągnika siodłowego przyjęto, że w położeniu transportowym będzie on miał wymiary 2,2 m x 3,0 m x 13 m (rys.3.1a). W stosunku maksymalnej możliwej wysokości, wynoszącej 2,65 m, pozostawiono 45 cm zapas, jako przestrzeń niezbędną do zabudowy systemu zrzutu i podejmowania z wody. Zaproponowano nową strukturę systemu rozkładania bloku, którą nazwano "W+" (rys.3.1.b), która umożliwiła w stosunku do parku PLM Mle F1 pozwoliła zredukować liczbę pływaków, przy nieznacznym tylko zmniejszeniu szerokości pontonu. Dzięki zwiększeniu długości pływaków uzyskano natomiast większą o około 25% wyporność. Będzie to przekładało się to na jego mniejsze zanurzenie podczas eksploatacji, co zmniejszy falowanie mostu, a tym samym poprawi komfort i bezpieczeństwo przeprawy. a) b) Rys Schemat struktury nowego blok pontonowego w położeniu transportowym: a) widok ogólny, b) widok od czoła gdzie: 1 pływaki boczne; 2 kładka środkowa; 3 punkty obrotu; 4 - pływaki główne 386

5 Po rozłożeniu bloku pontonowego uzyskamy powierzchnię pokładu wynoszącą 9,5 m x 13 m, a jego wysokość będzie wynosiła ok. 72 cm. Jednym z kluczowych problemów było oszacowanie dopuszczalne nośności pojedynczego bloku. Nie jest ona precyzyjnie sformułowana w zapisach normatywnych, dlatego też posłużono się analogiami do parku PP-64. Zgodnie z danymi producenta PP-64 z 8 bloków pontonowych można zbudować prom o nośności 40 ton. Jeśli uwzględnimy, że występuje też dodatkowe obciążenie w postaci bloków brzegowych, to otrzymamy sumaryczną masę ok. 47,4 tony. Na jeden ponton przypada więc blisko 6 ton. Jego zanurzenie można wyznaczyć z zależności: H z1 1 8 B PP64 m L ł PP64 wody (1) gdzie: B PP64 - szerokość pontonu, L PP64 - długość pontonu, wody - gęstość wody. Po podstawieniu danych otrzymamy wartość H z1 0,24 m. Uwzględniając zanurzenie własne (tab.1) uzyskamy zaś H zc 0,40 m. Odnosząc to do wysokości bloku pontonowego można stwierdzić, że jego zanurzenie sięga 45%, a wysokość wolne burty wynosi około 49 cm. Zakładając, że masa nowego pontonu może sięgać 14 ton, uzyskamy dopuszczalną nośność na poziomie 21,6 tony, a więc ponad 3,6 razy niż uzyskana dl PP-64. Wysokość wolnej burty wyniesie 0,4 m. Dysponując tymi danymi można obliczyć, przy jakiej wartości obciążenia zostanie spełniony warunek normatywny, który formułowany jest dla niesymetrycznego obciążenia (rys.3.2) [1]. Rys Graficzna interpretacja wymaganej normą minimalnej wartości wysokości wolnej burty, gdzie: G poj - ciężar pojazdu, G pon - ciężar pontonu, B op - odsunięcie pojazdu od osi pontonu Do dalszych analiz założono, że zostanie to rozpatrzone dla przypadku dwukierunkowego ruchu po moście. Szerokość każdego pasa ruchu ustalono na 3,5 m i przyjęto, że pojazd jest normatywny. Wtedy maksymalne odsunięcie jego środka ciężkości od osi pontonu wyniesie B op 2,3 m. Aby obiekt pływający był stateczny powinien cechować się dodatnią wartością odległości metacentrycznej. Oblicza się ją z zależności: J y m b (2) gdzie: J y - minimalny moment bezwładności przekroju wodnicowego, zanurzonej, b- odległość między środkiem ciężkości i środkiem wyporu. zan zan - objętość części 387

6 Położenie środka wyporu będzie odpowiadało położeniu środka ciężkości bryły jaką tworzy wyparta ciecz. Oprócz wymaganego przez normę 10 cm zapasu wysokości wolnej burty na bardziej zanurzonej stronie pontonu założono, że jego stronie wynurzonej dno ma znajdować się 10 cm poniżej lustra cieczy. Położenie środka ciężkości dotyczy jest wartością wypadkową dla pontonu i pojazdu (rys.3.3). Zgodnie z teorią oba te punkty powinny leżeć na jednej pionowej prostej. W przyjętym modelu postępowania może się jednak okazać, że warunek ten nie będzie spełniony. Dlatego też wprowadzono dodatkowe kryterium w postaci: B w B o (3) gdzie: B w - pozioma odległość środka wyporu od osi symetrii pontonu, B o - pozioma odległość środka ciężkości obiektu (wypadkowego środka ciężkości pontonu i pojazdu). Rys Schematyczne zobrazowanie położenia środka wyporu W i środka ciężkości obiektu G o dla analizowanego przypadku obciążenia Przy maksymalnym przechyleniu pontonu położenie środka wyporu, w układzie współrzędnych związanym z pontonem, gdzie oś 0z przechodzi przez pionową oś symetrii pontonu, a oś 0y związana z jego dnem, będą kształtowały się następująco: y w =1,121m, z w =0,215m. Jednocześnie należy zaznaczyć, że generowana wtedy siła wyporu osiąga W=386 kn. Jest to więcej o około 36,4 kn, niż potrzebne do zrównoważenia ciężaru pontonu i maksymalnej nośności. Jeśli zredukujemy więc wypór do wystarczającej wartości poprzez zwiększenie wysokości wolnej burty (do prawie 170 mm), to środek wyporu znajdzie się w punkcie o współrzędnych y w =1,069 m, z w =0,192 m. Położenie środka ciężkości obiektu można wyznaczyć z zależności: y o y poj mpoj y pon mpon (4) m m poj pon z o z poj mpoj z pon mpon (5) m m poj pon gdzie : y poj, z poj - współrzędne środka ciężkości pojazdu (2,225; 2,066); y pon, z pon - pozioma współrzędna środka ciężkości pontonu (0; 0,36); m poj - masa pojazdu, m pon - masa pontonu 388

7 Po podstawieniu masy pojazdu odpowiadającej maksymalnej nośności położenie środka ciężkości w punkcie y o =1,350 m, z o =1,656 m. Przyjmując, że y o B o oraz y w B w można twierdzić, iż warunek (3) nie jest spełniony. Jeśli dopuścilibyśmy możliwość redukcji po stronie głębokości zanurzenia po stronie wynurzonej do 0, to wtedy położenie środka wyporu przesunie się do punktu o współrzędnych y w =1,35 m, z w =0,207 m. Wtedy warunek (3) zostanie spełniony. Ze względu na zerowe zanurzenie jednej z burt uznano taki przypadek za graniczny i ustalono, że maksymalna masa pojazdu mogącego poruszać się w trybie dwukierunkowym nie powinna przekraczać 16 ton. Położenie środka wyporu przyjmuje wówczas współrzędne y w =1,200 m, z w =0,168 m, a środka ciężkości y o =1,187 m, z o =1,587 m. Minimalne zanurzenie osiąga 6,5 cm, a wolna burta ma wysokość 23,5 cm. Odległość metacentryczna kształtuje się na poziomie m=22,3 m co jest wartością zbliżoną do stateczności własnej parku PP-64. WNIOSKI Z przedstawionych analiz wynika, że możliwe jest stworzenie tymczasowego mostu pontonowego, który daje możliwość przeprawiania pojazdów o masie do 80 ton w systemie pojedynczej wstęgi. Dzięki dużym gabarytom pojedynczego bloku możliwe będzie ponad 3,5 krotne zredukowanie, w stosunku do parku PP-64, ilości środków transportowych potrzebnych do przewozu kompletu mostowego, jak również znaczne zredukowanie ilości personelu potrzebnego do budowy oraz utrzymania przeprawy. Zapas wyporności, który jest jednym z podstawowych parametrów związanych z bezpieczeństwem użytkowania mostu, został ukształtowany na poziomie analogicznym do konstrukcji aktualnie eksploatowanej w Polsce. Uzyskana wartość metacnetryczna jest również, podobna do tej uzyskiwanej dla parku PP-64, lecz budowanego w systemie wstęgi podwójnej. Most zbudowany na bazie zaproponowanych bloków pontonowych, będzie umożliwiał dwukierunkowy ruch pojazdów o masie do 16 ton, dysponował pasami ruchu o szerokości 3,5m i poboczami o szerokości 1m. Streszczenie W artykule przedstawiono problematykę związaną z budową tymczasowych przepraw pontonowych. Autorzy podjęli próbę stworzenia nowego bloku pontonowego. Miałoby ono zastąpić obecnie eksploatowaną w Polsce konstrukcję. Potrzeba stworzenia nowego rozwiązania wynika z kończenia się okresu eksploatacji starego parku. Na początku artykułu zaprezentowano przyjęte założenia konstrukcyjne. Następnie dokonano przeglądu istniejących rozwiązań. W ramach podsumowania zebrano ich kluczowe parametry. Kolejnym krokiem było opracowanie struktury kinematycznej i gabarytów pontonu. Do jego transportu wytypowano ciągnik siodłowy z naczepą. Maksymalną nośność określono poprzez analogie do istniejących rozwiązań. Zgodnie z wymaganiami Normy Obronnej sprawdzono bezpieczeństwo eksploatacji przy asymetrycznym obciążeniu. Uzyskane parametry w pełni spełniły oczekiwania konstrukcyjne. Opracowany wstępny model wykazał możliwość znacznej redukcji środków potrzebnych do transportu mostu, większe bezpieczeństwo niż obecna konstrukcja i dużą nośność. Preliminary draft of floating bridge transport system Abstract The article presents the issues related to the building of floating bridge. The authors have attempted to create a new pontoon for this type of bridge. It would replace the current structure operated in Poland. At the beginning of the article design assumptions are presented. Then, an overview of existing solutions. In conclusion their main parameters are collected. The next step was to develop a kinematic structure and size of the pontoon. The authors also singled transport vehicle - 42 tons tractor-trailer. Maximum load capacity was specified by analogies to existing solutions. In accordance with the requirements of the Polish Military Standards safe operation of the asymmetrical load were verified. The resulting parameters fully meet the expectations of design. Preliminary model demonstrated the ability to significantly reduce the trailers needed to transport the bridge, greater security than the current design and large capacity. 389

8 BIBLIOGRAFIA 1. Ustawa z dnia 20 czerwca 1997 r. Prawo o ruchu drogowym, Dz. U. z 2005 r. Nr 108, poz. 908 z późn. zm. Art. 61 i Norma obronna NO-54-A