Oddziaływanie wiatru na statek.
Powstawanie wiatru
Na zachowanie się mas powietrza mają wpływ praktycznie jedynie dwie siły:
cię\
kości 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 ró\
nica ciśnień masy powietrza zaczną się poruszać od ciśnienia
wy\
szego do ni\
szego. Taki ruch powietrza nazywamy wiatrem. Przyczyną
powstawania wiatru jest więc ró\
nica ciśnień wywołana ró\
nicą temperatur.
Prędkość wiatru zwiększa się w miarę wzrostu gradientu ciśnienia (gradient
ciśnienia to ró\
nica ciśnienia przypadającą na jednostkę odległości). Im większy
gradient tym prędkość wiatru jest większa.
Najbardziej intensywne ruchy powietrza zachodzą w kierunku poziomym. Jest
to spowodowane du\
ą rozległością atmosfery w kierunku poziomym, a małą w
kierunku pionowym.
1
Tabela 1 Skala Beauforta i odpowiadające jej prędkości wiatru w m/s [4].
Prędkość wiatru na wys.
10 m
STOPIEC
w Opis wyglądu morza danej prędkości
Charakterystyka
w
BEAUFORTA
prędkości wiatru
metrach wiatru
w kilometrach
na godzinę
na
węzłach
( na otwartym morzu * )
sekundę
1. 2. 3. 4. 5. 6.
0 cisza 1 0  0,2 1 Morze gładkie jak lustro
Tworzą się zmarszczki o wyglądzie łusek i o
grzbietach bez piany .
1 powiew 1  3 0,4  1,5 1 - 5
( 0,1  0,2 m )
Zupełnie małe, krótkie lecz wyraz
nie widoczne fale,
nie załamujące się
2 słaby wiatr 4 - 6 1,6  3,3 6 - 11
i nie tworzące piany ( 0,2  0,3 m )
Małe i krótkie fale, grzbiety zaczynają się łamać, piana
łagodny
3 7 - 10 3,4  5,4 12 - 19 o szklistym wyglądzie, miejscami mogą występować
wiatr
białe grzebienie ( 0,6  1,0 m )
umiarkowany
Małe fale zaczynają się wydłu\
ać; sporo białych
4 11 - 16 5,5  7,9 20 - 28
grzebieni ( 1  1,5 m )
wiatr
Fale średniej wielkości wyraz
nie się wydłu\
ają, du\
o
dość
8,0 
białych grzebieni
5 17 - 21 29 - 38
10,7
silny wiatr
(niekiedy występują bryzgi ) ( 2,5  4 m )
Zaczynają tworzyć się du\
e fale, białe pieniste
10,8 
6 silny wiatr 22 -27 39 - 49 grzebienie występują wszędzie w du\
ej ilości ( na ogół
13,8
występują bryzgi ) ( 3  4 m )
Morze piętrzy się, z załamujących się fal wiatr zaczyna
bardzo silny 13,9 
7 28 - 33 50 - 61 zrywać białą pianę, która układa się w pasma wzdłu\

wiatr 17,1
kierunku wiatru ( 4  5,5 m )
Dość wysokie fale o większej długości, wiatr zaczyna
17,2 
zrywać załamujące się wierzchołki grzbietów fal w
8 wicher 34 - 40 62 - 74
postaci wirującego pyłu wodnego;
20,7
piana układa się z wiatrem w wyraz
nie zaznaczające
2
się pasma
( 5,5  7,5 m ).
Wysokie fale; gęste pasma piany wzdłu\
kierunku
wiatru;
wiatr
20,8 
9 41 - 47 75 - 88
grzbiety fal nawisają, przewracają się i toczą.
24,4
sztormowy
Pył wodny mo\
e zmniejszyć widzialność ( 7  10 m )
Bardzo wysokie fale o długich nawisających
grzbietach.
Du\
e płaty piany układają się w gęste białe pasma
wzdłu\
kierunku wiatru. Cała powierzchnia morza
24,5 
10 sztorm 48 - 55 89 - 102
wydaje się biała.
28,4
Przewracanie się fal staje się cię\
kie i jakby z
uderzeniami.
Widzialność zmniejszona ( 9  12 m )
Wyjątkowo wysokie fale (mniejsze i średniej wielkości
silny
statki znikają na pewien czas wśród fal). Morze
28,5 
pokrywają całkowicie białe, du\
e płaty układające się
11 sztorm 56 - 63 103 - 117
z wiatrem. Wszędzie wierzchołki grzbietów fal są
32,6
zdmuchiwane i rozpylane. Widzialność zmniejszona (
11,5  16 m ).
Powietrze jest wypełnione pianą i pyłem wodnym.
Morze zupełnie białe od pyłu wodnego pędzonego
32,7 
12 huragan 64 - 71 118 - 133 przez wiatr.
36,9
Widzialność bardzo powa\
nie zmniejszona ( 14 m i
ponad ).
Wyznaczanie obciążeń wywołanych działaniem wiatru.
Wielkość obcią\
enia, wywieranego przez wiatr na konstrukcję typu statek,
zale\
y od prędkości wiatru (obcią\
enie statyczne) oraz od siły i częstotliwości
porywów wiatru (obcią\
enie dynamiczne). Polska norma PN 77/B  02011
definiuje szczegółowo sposób wyznaczania tych obcią\
eń. W normie tej
wprowadzono probabilistyczne ujęcie obcią\
enia wiatrem i uwzględniono
wpływ obcią\
eń dynamicznych, spowodowanych porywami wiatru. Obcią\
enia
3
te zostały uwzględnione przy pomocy odpowiednich współczynników
zwiększających obcią\
enie.
Podstawą wyznaczania obcią\
enia 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 10 10-20 20-40 40-100 100-280 280
z [m]
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. Zale\
nie od rodzaju projektowanej budowli nale\
y przyjąć
wartość charakterystyczną prędkości wiatru o określonym prawdopodobieństwie
wystąpienia. Dla polskiego nabrze\
a nie nale\
y przyjmować wartości
mniejszych od 38 m/s.
Aby wyznaczyć wielkość obcią\
enia na jednostkę powierzchni statku na
wysokości z, nale\
y stosować następujący wzór:
Gdzie:
- charakteryzuje parcie wiatru, obliczone ze wzoru:
4
2
Gdzie:
- cię\
ar 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)
�  współczynnik porywu wiatru � = 1,8
5
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 nabrze\
e a tym samym urządzenia odbojowe przy wietrze
dopychającym oraz
Rysunek 2 [technium.com.my]
" ciągnienie za pośrednictwem cum polerów znajdujących się na nabrze\
u
przy wietrze odpychającym lub działającym wzdłu\
nabrze\
a.
6
Oddziaływanie statku pod wpływem wiatru odpychającego na elementy
nabrzeża.
Wszystkie nabrze\
a, pomosty, ostrogi oraz często falochrony zaopatruje się w
urządzenia do cumowania, czyli do przywiązywania statków do budowli. Do
urządzeń tych nale\
ą przede wszystkim pachoły (nazywane w gwarze polerami).
Są to słupy \
eliwne, kamienne, \
elbetonowe lub drewniane mocno zakotwione
w budowli i umieszczone na jej wierzchu, najczęściej w pobli\
u głównej
odwodnej krawędzi lub na ścianie odwodnej. Stanowią one element
wyposa\
enia nabrze\
y. Innymi urządzeniami cumowniczymi są pierścienie
cumownicze, ro\
ki i krą\
ki cumownicze, półkluzy i kluzy, kabestany oraz haki i
pachoły cumownicze samo zwalniające. Jako \
e 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 \
elbetonowych stosowane są dziś powszechnie
pachoły \
eliwne albo staliwne. Nadaje się im kształt haków lub grzybów
(czasem podwójnych) o wysokości 300 do 800mm i więcej.
7
Rysunek 4 Wymiary pachoła i wartość max. siły w cumie [5].
8
Rysunek 5 Polery firmy TECHNIUM Marine [technium.com.my]
Zale\
nie od głębokości nabrze\
a i przewidywanego przy nim rodzaju ruchu
stosuje się pachoły o ró\
nych wymiarach, zale\
nych od wartości siły, jaką
pachoły mają przenosić.
Rysunek 6 Przykład praktycznego wykorzystania polera firmy Anker Schroeder. [anker.de]
9
Rysunek 7 Pachoły podwójne typu gdańskiego [2]
Tabela 3 śeliwne pachoły cumownicze. Rozwiązanie gdyńskie zmodernizowane [2].
Statek stojący przy nabrze\
u, pirsie lub pomoście i przycumowany do
urządzeń cumowniczych wywiera na nie obcią\
enie powstające głownie z
oddziaływania wiatru. Obcią\
enia statku wywołane działaniem wiatru ale nie
tylko, bo tak\
e prądu, falowania, ssania i przyciągania, jest przenoszone
poprzez liny cumownicze na urządzenia cumownicze, przy czym liczba
punktów cumowniczych zale\
y od rodzaju statku, jego wielkości oraz
rodzaju przyjętego sposobu cumowania. Ogólnie zakłada się istnienie dwóch
linii urządzeń cumowniczych:
10
" normalnych dla cumowania statków w warunkach spokojnej pogody
" sztormowych, do których cumuje się statki po otrzymaniu ostrze\
enia
sztormowego
Przy projektowaniu urządzeń cumowniczych bierze się pod uwagę
mo\
liwość 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]
11
Rysunek 9 Pachoły typu gdyńskiego zmodernizowanego [2].
Tabela 5 śeliwne pachoły cumownicze (wg projektu BPBM w Gdańsku). Rozwiązanie prototypowe [2].
12
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 wzdłu\
linii nabrze\
a 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 powy\
ej 16000t.Nośność pachoła cumowniczego
pierwszej linii nie mo\
e być mniejsza ni\
:
Nośność pachoła [kN] Wyporność statku do [t]
100 2000
300 10000
600 20000
800 50000
1000 100000
1500 200000
2000 300000
2500 Powy\
ej 300000
Rysunek 11 Wymagana nośnść pachoła w funkcji wypornosći statku [6].
13
Pachoły są często obliczone tak aby uległy ścięciu gdy zało\
ona siła zostanie
przekroczona, co nie uszkodzi konstrukcji nabrze\
a.
Rysunek 12 Kolejne praktyczne wykorzystanie polera First Choice [firstchoicemarinesupply.com]
Wg [Mazurkiewicz] typowe krajowe pachoły cumownicze mogą słu\
yć do
cumowania statków o wielkości nie przekraczającej wartości podanych w tabeli:
Tabela 6 Krajowe pachoły cumownicze [5].
14
Sztormowe pachoły cumownicze.
Bywają stosowane tak\
e specjalne pachoły sztormowe, zakładane najczęściej na
osobnych mocno zakotwionych fundamentach w głębi nabrze\
a. Pachoły
sztormowe i ich zakotwienie musi być obliczone stosownie do głębokości
nabrze\
a, tak aby nie siła na cumie nie przekroczyła dopuszczalnych obcią\
eń
budowli, a tym samym gwarantowała jej bezpieczeństwo. Dlatego te\
często
pachoły oblicza się tak, aby uległy szybciej ścięciu ni\
\
eby uszkodziły budowle
nabrze\
a. W polskich portach pachoły sztormowe są rzadko stosowane. Wielu
portowców uwa\
a, \
e porty polskie są dostatecznie osłonięte i w zasadzie
wszystkie pachoły zakładane na nabrze\
ach powinny mieć taką wytrzymałość,
aby mogły pracować równie\
w warunkach sztormowych. Jedynie na akwenach
szczególnie nara\
onych na działanie wiatru i na których mo\
e 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 powy\
ej 16000t, a
odstęp od lini cumowniczej 20 do 25m. Usytuowanie pachołów sztormowych
nie powinno kolidować z torami poddz
wignicowymi. Z drugiej jednak strony w
ekstremalnych warunkach pogodowych ustaje ruch na koronie nabrze\
a.
Nośność pachoła drugiej linii cumowniczej dla du\
ych statków nie mo\
e być
mniejsza ni\
:
Nośność pachoła [kN] Wyporność statku do [t]
2500 100000
3000 200000
4000 300000
5000 Powy\
ej 300000
Rysunek 13 Wymagana nośność pachoła drugiej linii w funkcji wyporności statku [6].
15
W Świnoujściu stosowanymi pachołami sztormowymi są podwójne pachoły Zl-
90 o maksymalnej sile na cumie 882kN oddalone od lica nabrze\
a o 11,76m.
Oddziaływanie statku pod wpływem wiatru dopychającego na elementy
nabrzeża.
Statek nie powinien ocierać się bezpośrednio o ścianę nabrze\
a czy pomostu. Z
tych względów wyposa\
a 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 obcią\
enia wywołane
przemieszczaniem się zacumowanego statku, spowodowanym parciem wiatru i
innymi czynnikami z wpływem za/wyładunku.
Urządzenia odbojowe mo\
na podzielić w zale\
ności 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 ło\
yskowane
" odbojnice dalbowe:
o dalby samodzielne
o dalby współpracujące z chronioną budowlą
" odbojnice blokowo gumowe
" odbojnice stalowo gumowe
16
" odbojnice blokowo drewniane
" odbojnice poduszkowe
" odbojnice hydrauliczne
" odbojnice teleskopowe
" odbojnice faszynowe
Odbojnice przenoszą bezpieczny nacisk rzędu w zale\
ności od konstrukcji
300 10 bądz
125 10 .
Rysunek 14 Układy wałków gumowych na ścianie nabrze\
a (firmy Good-Year) [2].
17
Rysunek 15 Schemat szwedzkiej odbojnicy mechanicznej [2]
Rysunek 16 Francuska mechaniczna odbojnica patentowa firmy SIMEC [2].
18
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 nabrze\
u 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 m2. 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 nabrze\
a.
19
Ni\
ej znajduje się tabela z uśrednionymi wartościami wymiarów kadłuba statku
od w zale\
ności od jego wyporności:
Tabela 7 Średnie wymiary statku w funkcji jego nośności [5].
20
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 �=1,8
6. Do określenia współczynnika ekspozycji potrzebne jest znanie
dokładnego rozkładu bocznej powierceni statku. Jako \
e w przewa\
ającej
części powierzchnia statku znajduje się do wysokości 10m przyjmuje
współczynnik 1
7. Obliczam wielkość obcią\
enia na jednostkę powierzchni statku
531,65
8. Obliczam całkowitą siłę parcia działająca na cały statek.
21
 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
8,67
49
Statek potrzebuje 9 polerów podanego typu aby utrzymać bezpiecznie statek
przy nabrze\
u. W zadaniu tym nie uwzględniono kierunku oddziaływania
cymy na poler, a tym samym przekazywania faktyczne siły utrzymującej
statek w kierunku poprzecznym do burty. Nale\
y pamiętać, często w porcie z
jednego polera korzystają dwa statki. W takim przypadku liczba 9 odnosi się
do postoju tylko jednego statku.
22
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
23