1

Oddziaływanie wiatru na statek.

Powstawanie wiatru
Na zachowanie się mas powietrza mają wpływ praktycznie jedynie dwie siły:

ciężkości 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 różnica ciśnień masy powietrza zaczną się poruszać od ciśnienia

wyższego do niższego. Taki ruch powietrza nazywamy wiatrem. Przyczyną

powstawania wiatru jest więc różnica ciśnień wywołana różnicą temperatur.

Prędkość wiatru zwiększa się w miarę wzrostu gradientu ciśnienia (gradient

ciśnienia to różnica ciśnienia przypadającą na jednostkę odległości). Im większy

gradient

tym

prędkość

wiatru

jest

większa.

Najbardziej intensywne ruchy powietrza zachodzą w kierunku poziomym. Jest

to spowodowane dużą 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 wydłużać; sporo białych

grzebieni ( 1 – 1,5 m )

5

dość

silny wiatr

17 - 21

8,0 –

10,7

29 - 38

Fale średniej wielkości wyraźnie się wydłużają, dużo

białych grzebieni

(niekiedy występują bryzgi ) ( 2,5 – 4 m )

6

silny wiatr

22 -27

10,8 –

13,8

39 - 49

Zaczynają tworzyć się duże fale, białe pieniste

grzebienie występują wszędzie w dużej 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 wzdłuż

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 wzdłuż kierunku

wiatru;

grzbiety fal nawisają, przewracają się i toczą.

Pył wodny może zmniejszyć widzialność ( 7 – 10 m )

10

sztorm

48 - 55

24,5 –

28,4

89 - 102

Bardzo wysokie fale o długich nawisających

grzbietach.

Duże płaty piany układają się w gęste białe pasma

wzdłuż kierunku wiatru. Cała powierzchnia morza

wydaje się biała.

Przewracanie się fal staje się ciężkie 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, duże 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 poważnie zmniejszona ( 14 m i

ponad ).

Wyznaczanie obciążeń wywołanych działaniem wiatru.
Wielkość obciążenia, wywieranego przez wiatr na konstrukcję typu statek,

zależy od prędkości wiatru (obciążenie statyczne) oraz od siły i częstotliwości

porywów wiatru (obciążenie dynamiczne). Polska norma PN 77/B – 02011

definiuje szczegółowo sposób wyznaczania tych obciążeń. W normie tej

wprowadzono probabilistyczne ujęcie obciążenia wiatrem i uwzględniono

wpływ obciążeń dynamicznych, spowodowanych porywami wiatru. Obciążenia

4

te zostały uwzględnione przy pomocy odpowiednich współczynników

zwiększających obciążenie.

Podstawą wyznaczania obciążenia 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. Zależnie od rodzaju projektowanej budowli należy przyjąć

wartość charakterystyczną prędkości wiatru o określonym prawdopodobieństwie

wystąpienia. Dla polskiego nabrzeża nie należy przyjmować wartości

mniejszych od 38 m/s.

Aby wyznaczyć wielkość obciążenia na jednostkę powierzchni statku na

wysokości z, należy stosować następujący wzór:















Gdzie:



- charakteryzuje parcie wiatru, obliczone ze wzoru:

5



 





2









Gdzie:





- ciężar 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 nabrzeże a tym samym urządzenia odbojowe przy wietrze

dopychającym oraz

Rysunek 2 [technium.com.my]

• ciągnienie za pośrednictwem cum polerów znajdujących się na nabrzeżu

przy wietrze odpychającym lub działającym wzdłuż nabrzeża.

7

Oddziaływanie statku pod wpływem wiatru odpychającego na elementy

nabrzeża.

Wszystkie nabrzeża, pomosty, ostrogi oraz często falochrony zaopatruje się w

urządzenia do cumowania, czyli do przywiązywania statków do budowli. Do

urządzeń tych należą przede wszystkim pachoły (nazywane w gwarze polerami).

Są to słupy żeliwne, kamienne, żelbetonowe lub drewniane mocno zakotwione

w budowli i umieszczone na jej wierzchu, najczęściej w pobliżu głównej

odwodnej krawędzi lub na ścianie odwodnej. Stanowią one element

wyposażenia nabrzeży. Innymi urządzeniami cumowniczymi są pierścienie

cumownicze, rożki i krążki cumownicze, półkluzy i kluzy, kabestany oraz haki i

pachoły cumownicze samo zwalniające. Jako że 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 żelbetonowych stosowane są dziś powszechnie

pachoły żeliwne 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]

Zależnie od głębokości nabrzeża i przewidywanego przy nim rodzaju ruchu

stosuje się pachoły o różnych wymiarach, zależnych 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 nabrzeżu, pirsie lub pomoście i przycumowany do

urządzeń cumowniczych wywiera na nie obciążenie powstające głownie z

oddziaływania wiatru. Obciążenia statku wywołane działaniem wiatru ale nie

tylko, bo także prądu, falowania, ssania i przyciągania, jest przenoszone

poprzez liny cumownicze na urządzenia cumownicze, przy czym liczba

punktów cumowniczych zależy 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 ostrzeżenia

sztormowego

Przy projektowaniu urządzeń cumowniczych bierze się pod uwagę

możliwość 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 wzdłuż linii nabrzeża 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 powyżej 16000t.Nośność pachoła cumowniczego

pierwszej linii nie może być mniejsza niż:

Nośność pachoła [kN]

Wyporność statku do [t]

100

2000

300

10000

600

20000

800

50000

1000

100000

1500

200000

2000

300000

2500

Powyżej 300000

Rysunek 11 Wymagana nośnść pachoła w funkcji wypornosći statku [6].

14

Pachoły są często obliczone tak aby uległy ścięciu gdy założona siła zostanie

przekroczona, co nie uszkodzi konstrukcji nabrzeża.

Rysunek 12 Kolejne praktyczne wykorzystanie polera First Choice [firstchoicemarinesupply.com]

Wg [Mazurkiewicz] typowe krajowe pachoły cumownicze mogą służyć do
cumowania statków o wielkości nie przekraczającej wartości podanych w tabeli:

Tabela 6 Krajowe pachoły cumownicze [5].

15

Sztormowe pachoły cumownicze.

Bywają stosowane także specjalne pachoły sztormowe, zakładane najczęściej na

osobnych mocno zakotwionych fundamentach w głębi nabrzeża. Pachoły

sztormowe i ich zakotwienie musi być obliczone stosownie do głębokości

nabrzeża, tak aby nie siła na cumie nie przekroczyła dopuszczalnych obciążeń

budowli, a tym samym gwarantowała jej bezpieczeństwo. Dlatego też często

pachoły oblicza się tak, aby uległy szybciej ścięciu niż żeby uszkodziły budowle

nabrzeża. W polskich portach pachoły sztormowe są rzadko stosowane. Wielu

portowców uważa, że porty polskie są dostatecznie osłonięte i w zasadzie

wszystkie pachoły zakładane na nabrzeżach powinny mieć taką wytrzymałość,

aby mogły pracować również w warunkach sztormowych. Jedynie na akwenach

szczególnie narażonych na działanie wiatru i na których może 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 powyżej 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 nabrzeża.

Nośność pachoła drugiej linii cumowniczej dla dużych statków nie może być

mniejsza niż:

Nośność pachoła [kN]

Wyporność statku do [t]

2500

100000

3000

200000

4000

300000

5000

Powyżej 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 nabrzeża o 11,76m.

Oddziaływanie statku pod wpływem wiatru dopychającego na elementy

nabrzeża.

Statek nie powinien ocierać się bezpośrednio o ścianę nabrzeża czy pomostu. Z

tych względów wyposaża 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 obciążenia wywołane

przemieszczaniem się zacumowanego statku, spowodowanym parciem wiatru i

innymi czynnikami z wpływem za/wyładunku.

Urządzenia odbojowe można podzielić w zależności 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 łożyskowane

• 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 zależności od konstrukcji

"! 300 ' 10



)* bądź 125 ' 10



)*.

Rysunek 14 Układy wałków gumowych na ścianie nabrzeża (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 nabrzeżu 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 nabrzeża.

20

Niżej znajduje się tabela z uśrednionymi wartościami wymiarów kadłuba statku

od w zależności 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 że w przeważającej

części powierzchnia statku znajduje się do wysokości 10m przyjmuje

współczynnik





 1

7. Obliczam wielkość obciążenia 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 nabrzeżu. W zadaniu tym nie uwzględniono kierunku oddziaływania

cymy na poler, a tym samym przekazywania faktyczne siły utrzymującej

statek w kierunku poprzecznym do burty. Należy 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”