Morskie urządzenia odbojowe

Transkrypt

1 Morskie urządzenia odbojowe Część I. Kilka uwag o projektowaniu Dr hab. inż. Waldemar Magda Politechnika Gdańska, Wydział Inżynierii Lądowej i Środowiska Posiłkując się definicją przedstawioną w pracy [3], urządzenie 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 dziejów. Tanie i prymitywne odbojnice, wykonane z wykorzystaniem lokalnie dostępnych materiałów (czyli np. przedstawione na rys. 1 odboje plecione, drewniane bale odbojowe, czy też stare zużyte opony samochodowe) pozostają nadal w regularnym wykorzystaniu w portach całego świata, ale wyłącznie w przypadku 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 742 INŻYNIERIA MORSKA I GEOTECHNIKA, nr 6/2010

2 statków i przy łagodnych warunkach falowo-wiatrowych. Jednak w przypadku coraz większych i szybszych statków istnieje potrzeba stosowania dużo bardziej wyrafinowanych nowoczesnych systemów odbojowych. Gdy konstrukcje postojowe statków są wyposażone w źle zaprojektowane urządzenia odbojowe, wyjątkowo ostry kontakt statku z nabrzeżem może doprowadzić do uszkodzenia tak samego 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% koniecznych 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 przyczyn 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 statku do nabrzeża), czynnik losowy (np. zerwanie liny holowniczej lub awaria silników napędowych). Oprócz względów czysto ekonomicznych, ważnym aspektem, wskazującym na potrzebę stosowania urządzeń odbojowych, jest także, a może przede wszystkim szeroko pojęte bezpieczeństwo pasażerów i załogi statku oraz obsługi portowej. Za przykład tragicznego zderzenia statku z konstrukcją nabrzeża może posłużyć przypadek promu pasażerskiego Andrew J. Barberi, który pod koniec jednej z bardziej ruchliwych przepraw 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 skutkach 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 pirsu, działając jak ostry nóż, rozerwała bok promu i poszarpała konstrukcję głównego pokładu, na którym stłoczeni pasażerowie 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 sporymi 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 INŻYNIERIA MORSKA I GEOTECHNIKA, nr 6/

3 Rys. 4. Tragiczna w skutkach katastrofa promu pasażerskiego Andrew J. Barberi w wyniku uderzenia w płytę pirsu przystani promowej nymi, można byłoby uniknąć lub chociaż znacznie ograniczyć ich skutki, gdyby konstrukcje nabrzeża wyposażone były w odpowiednie urządzenia odbojowe. PROJEKTOWANIE URZĄDZEŃ ODBOJOWYCH Ogólnie rzecz ujmując, odbojnice stanowią element rozdziału pomiędzy kadłubem statku a konstrukcją cumowniczą (postojową) dla statku (np. nabrzeżem). Urządzenie to działa na zasadzie absorbowania energii kinetycznej statku, przy jednoczesnym 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 naturalnych (np. gumy z kauczuku naturalnego) lub polimerowych tworzyw sztucznych (np. gumy z kauczuku syntetycznego lub poliuretanu), które zazwyczaj są stosunkowo sprężyste większość energii jest absorbowana w wyniku sprężystego odkształcenia odbojnicy i częściowo sprężystego odkształcenia poszycia burtowego statku. W sytuacjach awaryjnych pewna część energii kinetycznej statku może ulec zaabsorbowaniu w wyniku trwałych (plastycznych) odkształceń pewnych fragmentów zarówno konstrukcji nośnej odbojnicy, jak i poszycia kadłubowego 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 środowiskowych i praktycznie bez większych konserwacji. W zależności od rodzaju projektu i zastosowanych materiałów projektowy okres żywotności urządzenia odbojowego wynosi od 15 do 30 lat, co oznacza, że w ciągu 40- lub 50-letniego okresu żywotności konstrukcji nabrzeża taka odbojnica będzie musiała być przynajmniej raz wymieniona na nową. Wykonanie dobrego projektu urządzenia odbojowego wymaga wiedzy interdyscyplinarnej, do której odnosi się wiele norm, przepisów i zaleceń. Wśród najczęściej stosowanych należy 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 projektowania i wykonywania: Z 1 Z 45, FPPOiGM, Gdańsk 2006, a także inne źródła informacji, które pochodzą głównie od czołowych przedsiębiorstw projektujących i produkujących urządzenia odbojowe, takich jak np. przedsiębiorstwa zagraniczne: skandynawskie Trelleborg Marine Systems, japońskie Sumitomo i Yokohama, holenderskie Vredestein, czy też przedsiębiorstwo 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 patronował 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 urządzeniu odbojowym, czyli stratę energii kinetycznej statku zaabsor- 744 INŻYNIERIA MORSKA I GEOTECHNIKA, nr 6/2010

4 bowaną przez urządzenie odbojowe w postaci energii potencjalnej 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 ω 0 = 0) opisana jest powszechnie znanym wzorem (1) gdzie: E k efektywna energia kinetyczna statku (absorbowana przez urządzenie odbojowe w postaci energii potencjalnej sprężystego odkształcenia) [kj], m masa statku [t], v prędkość liniowa podchodzenia statku [m/s], C e współczynnik mimośrodowości uderzenia statku w odbojnicę [ ], C m współczynnik masy wody dołączonej [ ], C s współczynnik podatności kadłuba statku [ ], C c współczynnik ażurowości hydrotechnicznej konstrukcji postojowej (nabrzeża) [ ]. Ostateczną obliczeniową wartość energii kinetycznej, tzw. wyjątkowej energii kinetycznej statku, do zaabsorbowania przez odbojnicę można obliczyć z wzoru gdzie: E w wyjątkowa energia kinetyczna statku [kj], F b współczynnik bezpieczeństwa (wyjątkowości uderzenia) (F b 2) [ ]. W członie ułamkowym wzoru (1) m oznacza masę rzeczywistą statku, a v oznacza prędkość liniową statku w chwili jego zetknięcia się z urządzeniem odbojowym. Praktyczny wzór, określający efektywną energię kinetyczną statku do zaabsorbowania przez urządzenie odbojowe, zawiera kilka współczynników, pozwalających uwzględnić efekty: masy wody dołączonej, mimośrodowości 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 bezpieczeństwa, 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 E p, przy maksymalnym odkształceniu odbojnicy. Wartości obu tych parametrów mogą być odczytywane z tzw. charakterystyki pracy odbojnicy, której przykład przedstawiono na rys. 5. Zwykle preferowana jest niska wartość współczynnika pracy, co jest szczególnie pożądane w przypadku instalacji urządzenia odbojowego na sztywnej konstrukcji postojowej, jaką powinno być nabrzeże. W tabl. 1 przedstawiono wartości siły reakcji i absorbowanej 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 odbojnicę korytkową, zaprojektowaną i wyprodukowaną przez Zakład (2) Rys. 5. Przykładowa charakterystyka pracy odbojnicy modułowej Tabl. 1. Porównanie wartości współczynnika pracy dla kilku wybranych odbojnic modułowych różnych producentów (odkształcenie d = 50%) Rodzaj odbojnicy Reakcja Energia potencjalna Współczynnik pracy R [kn] E p [kj] F = R / E p [m -1 ] Trelleborg MV (A) ,63 Trelleborg MV (B) ,62 Sumitomo LMD (Λ) ,96 Sumitomo LMD (Λ) ,96 Sumitomo Pi (π) ,36 Sumitomo Pi (π) ,40 Milanówek MM (E2) ,78 Przetwórstwa Tworzyw Sztucznych (ZPTS) w Milanówku. Warty podkreślenia jest fakt, że odbojnicę wykonano nie z gumy, a z tzw. lanego poliuretanu. Porównanie charakterystyki pracy odbojnic wypada całkiem dobrze dla polskiego produktu, dla którego współczynnik pracy jest zbliżony do analogicznych produktów zagranicznych. Parcie burty statku na urządzenie odbojowe Wybór urządzenia odbojowego o możliwie małym współczynniku pracy jest szczególnie istotny w przypadku projektowania nabrzeży o sztywnej konstrukcji, w przeciwieństwie np. do sprężystych dalb odbojowych i cumowniczo-odbojowych. Niestety, nie zawsze jest to zagadnienie analizowane przez projektantów. Zdarza się również, że siły reakcji urządzenia odbojowego na nabrzeże w ogóle nie bierze się pod uwagę przy sprawdzaniu stateczności nabrzeża. Należy pamiętać, że siła reakcji występująca w trakcie nacisku 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- INŻYNIERIA MORSKA I GEOTECHNIKA, nr 6/

5 Rys. 6. Plastyczna deformacja burty statku (widok od wnętrza kadłuba) Jak wynika z zestawienia podanego w tabl. 2, głównie gazowce, ale także masowce i zbiornikowce, wymagają stosunkowo małego nacisku na poszycie burtowe statku; można to osiągnąć tylko przy zastosowaniu urządzeń odbojowych z panelami odbojowymi o odpowiednio dużych powierzchniach. Panel odbojowy, okładzina ślizgowa, elementy montażowe 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) 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 takich statków, jak np. gazowce do przewozu skroplonego gazu ziemnego (LNG, rys. 7) i ciekłej mieszaniny propan-butan (LPG). Urządzenie odbojowe jest tak dobre, jak dobry jest najsłabszy 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 odbojowego, jak: panel odbojowy (najczęściej wykonany w postaci stalowej konstrukcji skrzynkowej otwartej lub zamkniętej) (rys. 8a, 8b), okładzina ślizgowa, wykonana z polietylenu o ultrawysokiej masie cząsteczkowej (UHMW PE) (rys. 8b), elementy montażowe (kotwy, śruby, podkładki), służące do mocowania urządzenia odbojowego do nabrzeża, a także okładziny ślizgowej i elementu czynnego odbojnicy do panelu odbojowego (rys. 9). Stalowy panel odbojowy ma z wyglądu dość prostą konstrukcję (rys. 10). Jednak biorąc pod uwagę dość skomplikowany układ obciążeń rzeczywistych (zginanie, ściskanie, ścinanie), na działanie których narażony jest panel w okresie jego eksploatacji, projektowaniem tego elementu powinny zajmować się osoby specjalizujące się w konstrukcjach stalowych i wykorzystujące w tym celu profesjonalne numeryczne pakiety obliczeniowe, 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 większości przypadków jest dalece niewystarczające do prawidłowej pracy panelu, a tym samym całego urządzenia odbojowe- 746 INŻYNIERIA MORSKA I GEOTECHNIKA, nr 6/2010

6 a) b) 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 modułowego urządzenia odbojowego go. Zgodnie z zaleceniami Międzynarodowego Stowarzyszenia Kongresów Nawigacyjnych (Permanent International Association of Navigation Congresses (PIANC)) minimalna grubość blachy użytej do budowy panelu, powinna wynosić: 12 mm dla panelu otwartego, wystawionego całkowicie 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 mm, pod warunkiem, że w jego konstrukcji znajdują się stalowe elementy usztywniające. Większe systemy urządzeń odbojowych mogą wymagać jeszcze większych grubości panelu odbojowego (np mm). Mimo tego w praktyce inżynierskiej można spotkać wątpliwe rozwiązania, w których grubość panelu odbojowego nie przekracza 120 mm. Stalowa konstrukcja panelu odbojowego powinna być zabezpieczona na wypadek działania korozyjnego ze strony agresywnego środowiska morskiego (patrz rys. 8a). Zwykle czyni się to poprzez stosowanie specjalistycznych farb. Rezygnując ze Rys. 10. Wnętrze panelu odbojowego o konstrukcji półzamkniętej skrzynkowej z widocznymi elementami usztywniającymi stosowania farby antykorozyjnej, projektant powinien uwzględnić tzw. zapas antykorozyjny dla płyt stalowych; dla rejonów o stosunkowo chłodnym klimacie minimalna wartość zapasu wynosi zwykle 3 mm, natomiast dla akwenów cieplejszych zapas antykorozyjny ulega zwiększeniu. Miejsca połączenia konstrukcji panelu z okładziną ślizgową 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 miała dostępu do wnętrza panelu. Równie istotnym aspektem prawidłowo zaprojektowanej konstrukcji urządzenia odbojowego jest konieczność stosowania elementów montażowych (kotew, śrub, podkładek itp.) wykonanych z tego samego rodzaju materiału. Brak jednolitości materiałowej (np. śruby ze stali nierdzewnej, a podkładki ze stali INŻYNIERIA MORSKA I GEOTECHNIKA, nr 6/

7 Rys. 11. Schemat sytuacyjny do analizy rozstawu urządzeń odbojowych na nabrzeżu (a), widok nabrzeża z zainstalowanymi odbojnicami (b) galwanizowanej) może doprowadzić do szybkiej utraty wytrzymałości 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. polietylenu spiekanego (double-sintered UHMW-PE). Można także w tym celu wykorzystać polietylen niskociśnieniowy o dużej gęstości HD-PE (high density polyethylene), który jest materiałem tańszym, ale za to ulega szybszemu ścieraniu. Żywotność okładziny ślizgowej o grubości 30 mm, uwzględniającej 3 4 milimetrowy naddatek ścieralny, nie przekracza 5 lat. Poprzez zwiększenie grubości okładziny do 40 mm, zapewniającej 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 bagatelizowane przy projektowaniu systemów odbojowych. W konsekwencji 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 rozstawy 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: a) przy zbyt małym rozstawie nadmierne koszty inwe- stycyjne lub b) przy zbyt dużym rozstawie wzrost ryzyka: przekroczenia zdolności urządzenia odbojowego do pochłonięcia projektowej wartości energii kinetycznej statku (dla statków zbliżonych do statku maksymalnego), kolizji statku z konstrukcją nabrzeża (w przypadku statków znacznie mniejszych od maksymalnego). NOWE GENERACJE STATKÓW Nieustannie narastająca potrzeba stosowania nowoczesnych urządzeń odbojowych znajduje m.in. następujące ekonomiczne uzasadnienie: 1. Statki stają się coraz droższe w budowie i eksploatacji, co powoduje, że na materiałach używanych do ich budowy robi się coraz większe oszczędności. Odbywa się to oczywiście bez uszczerbku dla zdolności przewozowożeglugowej statku, ale powoduje wzrost ryzyka uszkodzenia statku podczas wykonywania manewrów w akwenach portowych. 2. Koszty przestoju statku w przypadku konieczności wykonania naprawy lub braku możliwości zacumowania statku, np. ze względu na niesprzyjające warunki atmosferyczne, w ostatnim czasie znacznie wzrosły. 3. Coraz większe statki przewożą coraz więcej niebezpiecznych ładunków. Uszkodzenia tych statków, będące wynikiem niewłaściwego nadmiernie ostrego kontaktu statku z nabrzeżem, mogą doprowadzić do nieszczęśliwych wypadków, zwłaszcza gdy te konstrukcje nie są zabezpieczone odpowiednimi urządzeniami odbojowymi. 4. Większe głębokości wody, wymagane dla żeglugi i obsługi nowoczesnych statków, skutkują mniej osłoniętymi 748 INŻYNIERIA MORSKA I GEOTECHNIKA, nr 6/2010

8 (czyli bardziej narażonymi na działanie falowania, wiatru i prądów morskich) miejscami cumowniczymi, a tym samym możliwością powstania większej energii kinetycznej statku podchodzącego do cumowania. Zaprojektowanie 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, uwidoczniony 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 bezpośrednio 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 chwilowemu nagłemu wzrostowi w wyniku dwóch zasadniczych czynników, a mianowicie: 1) chęci nadmiernego skrócenia okresu manewru podejścia statku do linii cumowniczej, 2) zadziałania wiatru o znacznej porywistości na kadłub i nadbudówkę statku; w tym przypadku działanie wiatru będzie tym większe, im większa jest powierzchnia nawiewu; z drugiej strony należy zauważyć, że ciągle obserwuje 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 dotyczące głównie ich kształtów, wielkości, prędkości rejsowych i stosowanych napędów, będą pokrótce przedstawione na przykładzie statków kontenerowych, wycieczkowych oraz szybkich promów pasażerskich. Kontenerowce Kontenerowce charakteryzują się następującymi elementami kadłuba, mającymi istotny wpływ na dobór odpowiednich urządzeń odbojowych (rys. 12): 1. Duże nawisy dziobowe i rufowe (typowe także dla wycieczkowców). Znaczny kąt nachylenia powierzchni nawisu do pionu wpływa na redukcję zdolności urządzenia odbojowego do pochłaniania energii kinetycznej statku. Może być konieczny większy występ urządzenia odbojowego poza linię nabrzeża w celu utrzymania odpowiedniego odstępu pomiędzy kadłubem statku a frontem nabrzeża i urządzeniami dźwigowymi. 2. Dzioby gruszkowe. W sytuacji urządzeń odbojowych rozmieszczonych wzdłuż nabrzeża w znacznych odstępach należy zwrócić uwagę na to, aby dziób gruszkowy statku nie był w stanie dotknąć konstrukcji nabrzeża w strefie pomiędzy 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 INŻYNIERIA MORSKA I GEOTECHNIKA, nr 6/

9 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 poniżej 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 uszkodzenie urządzenia odbojowego. Zjawisko ekonomiczne nazywane efektem skali, polegające na obniżaniu kosztów jednostkowych dzięki zwiększaniu wielkości produkcji, przyczynia się stale do budowy coraz to większych kontenerowców. Stopniowo przez statki klasy Panamax, Post-Panamax i Post-Panamax Plus osiągnięto wielkość kontenerowców o możliwościach przewozowych do pojemnościowego ekwiwalentu kontenera dwudziestostopowego (TEU) (rys. 13). Za przykład może posłużyć największy na świecie kontenerowiec Emma Maersk. Jest on tak duży (długość 400 m, pojemność 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 Malaccamax, o pojemności kontenerowej TEU i zanurzeniu do 21 m, które jest obecnie maksymalną dopuszczalną wartością dla umożliwienia przepłynięcia statku przez Cieśninę Malakka, będącą 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 nawet 9 poziomów kontenerów na głównym pokładzie statku. Wycieczkowce Aktualny rozwój wycieczkowców podkreśla potrzebę wzrostu udziału kabin zewnętrznych z oknami i kabin zewnętrznych z balkonami. Najnowsze projekty statków przewidują 80-procentowy udział kabin zewnętrznych i 70-procentowy udział kabin z balkonami w całkowitej liczbie kabin na statku. Zwiększenie współczynnika udziału kabin zewnętrznych z balkonami oznacza zwiększenie wysokości pokładówki w celu pomieszczenia większości kabin powyżej pokładu głównego. Obecnym projektowym standardem jest statek klasy Post-Panamax. Za przykład może posłużyć MS Freedom of the Seas obecnie drugi co do wielkości statek pasażerski na świecie 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 fińskiej stoczni jeszcze większe statki klasy Genesis, a mianowicie: 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 polegał 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 Zelandię 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 przepłynąć wystarczy jednak silniejszy wiatr spiętrzający wody cieśniny by nastąpiło zderzenie, a straty mogłyby być ogromne. Statek kosztował 855 milionów euro, podczas gdy most trzykrotnie 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 podano, że odstęp pomiędzy mostem a najwyższym punktem statku wyniósł 1,5 m. Katamarany szybkie promy pasażersko-samochodowe Rys. 13. Kontenerowce ilustracja wzrostu wielkości statków na przestrzeni lat Wraz z dynamicznym rozwojem techniki (w tym głównie hydromechaniki) pojawiły się dwukadłubowe statki pasażersko-samochodowe (Ro-Pax). Największymi promami-katamaranami, mogącymi obsługiwać trasy pełnomorskie są statki typu HSS class 1500, kursujące przez Morze Irlandzkie i służące do przewozu 1500 pasażerów i prawie 400 samochodów osobowych na pokładzie (rys. 16). Kadłuby szybkich promów pasażerskich i pasażersko-samochodowych (Ro-Pax), w tym także typu katamarany, wykonane 750 INŻYNIERIA MORSKA I GEOTECHNIKA, nr 6/2010

10 Rys. 14. Wycieczkowce ilustracja wzrostu wielkości statków na przestrzeni lat a) b) 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) są przeważnie ze stopu aluminium. Ich stosunkowo mniejszy ciężar pozwala na rozwijanie dużych prędkości rejsowych, przekraczających nawet 40 węzłów (75 km/h). Z drugiej jednak strony delikatne i podatne poszycie kadłuba może być problemem z punktu widzenia uderzenia statku (zwykle pasem burtowym) w urządzenie odbojowe. Dodatkowym utrudnieniem dla projektanta systemu odbojowego jest mocno urozmaicony aerodynamiczny kształt bocznej powierzchni kadłuba. Nowoczesne napędy własne Oznaką nowoczesności statków są także innowacyjne rozwiązania w dziedzinie napędu. Aktualnym trendem w dziedzinie napędu wycieczkowców jest stosowanie tzw. napędu gondolowego, w którym elektryczny silnik napędowy jest umieszczony w zewnętrznej podwodnej gondoli, podwieszonej do kadłuba INŻYNIERIA MORSKA I GEOTECHNIKA, nr 6/

11 a) b) c) Rys. 16. Przykłady szybkich katamaranów pasażersko-samochodowych: (a) HSS Voyager, (b) HSV-X1 w wersji wojskowej, (c) Tarifa Jet Rys. 17. Napęd gondolowy wycieczkowców statku w jego części rufowej (rys. 17). Napęd gondolowy zapewnia statkom znakomite zdolności manewrowe. Jego kombinacja ze sterami strumieniowymi pozwala obecnie w większości 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 samolotowego silnika odrzutowego (rys. 18). Pędniki strugowodne pozwalają uzyskiwać prędkości przewozowe do 65 węzłów (około 120 km/ h). Niestety, statki tak napędzane cechują się zwykle mniejszą manewrowością w trakcie wykonywania ciasnych zakrętów lub cofania się, w porównaniu ze statkami o tradycyjnym napędzie śrubowym. Oznacza to mniejszą pewność przy podchodzeniu do urządzeń cumowniczych. Rys. 18. Pędnik strugowodny powszechnie stosowany do napędu szybkich promów pasażerskich i pasażersko-samochodowych 752 INŻYNIERIA MORSKA I GEOTECHNIKA, nr 6/2010

12 PODSUMOWANIE LITERATURA Tematem artykułu są urządzenia odbojowe stosowane w budownictwie morskim. W części pierwszej artykułu skupiono się głównie na wyszczególnieniu pewnych aspektów projektowych, 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 (manewrowość), istotne z punktu widzenia projektowania i wyboru odpowiednich urządzeń odbojowych. W drugiej części artykułu będą przedstawione pewne nowoczesne rozwiązania i technologie, z jakimi spotyka się obecnie projektant morskich urządzeń odbojowych. 1. Magda W., Sikora Z.: Przyczynek do projektowania morskich urządzeń odbojowych. Inżynieria Morska i Geotechnika, nr 3/ Magda W.: Rozstaw morskich urządzeń odbojowych a efektywna energia kinetyczna statku. Inżynieria Morska i Geotechnika, nr 4/ Mazurkiewicz B.: Encyklopedia inżynierii morskiej, Fundacja Promocji Przemysłu Okrętowego i Gospodarki Morskiej, Gdańsk PODZIĘKOWANIE. Inspiracją do napisania powyższego artykułu był referat pt. Morskie urządzenia odbojowe (projektowanie, nowoczesne rozwiązania), 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 Poliuretany za zamówienie oraz sponsoring referatu. INŻYNIERIA MORSKA I GEOTECHNIKA, nr 6/