De invloed van passerende schepen op afgemeerde schepen, Juni 2004, O.A. Willemse

De invloed van passerende schepen op afgemeerde schepen, Juni 2004, O.A. Willemse © Port Research Centre Rotterdam-Delft. Gebruik van gegevens en teksten is met bronvermelding vrijelijk toegestaan. Commercieel gebruik van deze gegevens is niet toegestaan.

B002-05

Voor informatie over de publicaties neem contact op met het secretariaat van het Port Research Centre Rotterdam-Delft, dr.ir. R.M. Stikkelman, e-mail: [email protected], of het Customer Service Center van het Havenbedrijf Rotterdam N.V., tel. + 31 10 252 1111.

De Invloed van passerende schepen op afgemeerde schepen

Samenvatting Het doel van dit rapport is te onderzoeken welke invloed passerende schepen hebben op schepen die in een haven afgemeerd zijn en op schepen die aan het afmeren zijn. De nadruk ligt hierbij vooral op translatiegolven die worden opgewekt door het varende schip dat een verandering van de omgeving ondergaat. Deze invloed wordt voornamelijk bestudeerd door gebruik te maken van een aan de Technische Universiteit Delft ontwikkeld model (DELPASS), dat de zogenaamde “double body” methode gebruikt voor beschrijving van de invloed van het passerende schip ter plaatse van het stilliggende schip en de havengeometrie. Vervolgens wordt deze tijdsafhankelijke vloeistofpotentiaal in het frequentiedomein opgelost door middel van een 3d-diffractie vergelijking voor meerdere lichamen. Hierna worden deze resultaten terug gezet naar het tijdsdomein, waardoor tijdsafhankelijke passeereffecten (inclusief vrije vloeistof effecten) worden verkregen. In eerste instantie richt dit onderzoek zich op de bestudering van de 8e Petroleumhaven te Rotterdam. Na bepaling van de meest optimale modellering van de havengeometrie en het passerende schip volgt een systematische aanpak van de effecten van passerende schepen met behulp van de hierboven beschreven methode, die leidt tot conclusies over het gedrag van schepen die aan het afmeren zijn. De ergste bewegingen van een vrijdrijvend schip bij steiger 2 van de Maasvlakte Olie Terminal worden gevonden bij een simulatie met een reële verkeerssituatie. In deze simulatie vaart een containerschip met een snelheid van 7 knoop vanuit het Calandkanaal naar de Europahaven. Het vrijdrijvende schip beweegt hierdoor 3 meter in dwarsrichting (6 meter totaal) en 5 meter in langsrichting (alleen naar achteren). Al deze bewegingen zijn maxima voor een vrijdrijvend schip, een redelijk afmeersysteem is voldoende om deze bewegingen op te vangen en tot aanvaardbare waarden van 0,5 meter terug te dringen. De tweede fase van het onderzoek richt zich op de Tweede Maasvlakte, hierbij wordt uitgegaan van de doorsteekvariant zoals deze op dit moment gepland is. In deze variant dient de Yangtzehaven als verbindingsvaarweg tussen de Eerste en de Tweede Maasvlakte. In deze fase wordt de nadruk gelegd op schepen die afgemeerd zijn aan de toekomstige Euromax terminal in deze Yangtzehaven. De beweging van schepen die vrijdrijvend langs de kade in de Yangtzehaven liggen worden in de dwarsrichting gedempt terwijl de beweging in de langsrichting toeneemt ten opzichte van eenzelfde geval in open water. Schepen die vrijdrijvend langs de kade van de Euromax terminal in de Yangtezhaven liggen, bewegen, waneer een schip (post-Panamax containerschip) met 7 knopen op een afstand van 300 meter passeert, maximaal 15 meter in langsrichting (30 meter totaal) en 1 meter in dwarsrichting (slechts één richting, van de kade af). Een adequaat afmeersysteem kan de hier gevonden bewegingen terug brengen tot een maximum schrik en verzet beweging van 0,5 meter. De derde fase richt van dit onderzoek richt zich op de situatie waarin de Euromax terminal is aangelegd, maar de Yangtzehaven nog niet als doorsteekhaven fungeert. Het doel is hier te onderzoeken of dit onvoorziene effecten oplevert. Dit blijkt echter niet het geval en de resultaten uit de tweede fase kunnen als maatgevend beschouwd worden voor de bepaling van de bewegingen van schepen die afgemeerd zijn inde Yangtzehaven. Translatiegolven spelen geen rol in de Eerste en Tweede Maasvlakte. Deze golven zijn niet zichtbaar aanwezig en verspreiden zich niet zichtbaar in de havens in de beide Maasvlaktes. De verklaring hiervoor is het feit dat de doorsnede van het kanaal in verhouding tot de doorsnede van het schip zeer groot is. De voornaamste aanbevelingen bestaan uit het valideren van het model met ware grote metingen, het nader onderzoeken van optredende troskrachten en krachten in fenders en tevens in het nader onderzoeken naar de mogelijkheid om spiegeldaling met behulp van DELPASS te voorspellen. Bestand: Afstudeerverslag.doc

blz. 2 van 67

Printdatum: 21/06/04


Summary The goal of this report is to study the effect of passing vessels on moored vessels and vessels that are in the process of mooring at a quay. The emphasis lies on soliton waves that can be induced by sailing ships that undergo a change in their surroundings. These effects are studied by using a mathematical model (DELPASS) implemented by the ship hydromechanics section of Delft University of Technology. This model uses a double body method to describe the effects of the passing vessel at the location of the quays and the moored vessel. This timedependent fluid potential is then transformed to the frequency domain, where it is solved by means of a 3d-diffraction method for multiple bodies. The results of this calculation are then transformed back to the time domain, which creates time-dependent passing ships effects (including free-surface effects). The first phase of this study focuses on the 8th Petroleum harbour in Rotterdam. After determining the optimal model of the harbour geometry and the vessels, a study into the effects of passing ships is conducted using the mathematical model above. The worst scenario for a free-floating ship at landing 2 at the Maasvlakte Oil Terminal is found in a simulation of realistic traffic conditions, in which a container vessel sails from the Caland canal to the Europa harbour. The motion of the free-floating vessel is up to 3 meters in the lateral direction (6 meters total) and 5 meters in the longitudinal direction (only backwards). All these findings are valid for a free-floating vessel. A standard mooring system should suffice to sufficiently reduce these motions to within 0,5 meters. The second phase of this project focuses on the 2nd Maasvlakte. The harbour is modelled after the current “doorsteek”-version of this proposed harbour. In this version the Yangtze harbour serves as a passageway between the 1st and 2nd Maasvlakte. In light of this proposal, special attention is given to ships moored at the future Euromax terminal in the Yangtze harbour. The motions of vessels floating freely parallel to the quay of the Yangtze harbour are damped in the lateral direction, while, compared to an open-water case, being increased in the longitudinal direction. Ships floating along the quay of the Euromax terminal in the Yangtze harbour move a maximum of 15 meters in longitudinal direction (30 meters both ways) and 1 meter in lateral direction (only in the direction away from the quay), when a ship (post-Panamax container ship) passes with a speed of 7 knots at a distance of 300 meters. Preliminary research into the effect of mooring systems shows that these motions can be reduced to more acceptable values with a peak of 0,5 meters for both surge and sway motions. The third phase of this study focuses on the situation in which the Euromax terminal has been built, but the Yangtze harbour is not yet acting as a passageway. The purpose of this phase is to find out if this might lead to unexpected effects. This did not prove to be the case and the results from phase two can be taken as the limiting case for determining the motions of vessels moored at the Euromax terminal. Soliton waves are not important in the 1st and 2nd Maasvlakte. These waves are not visible and do not move through the harbours in both Maasvlaktes in a matter that has to be taken into consideration. The explanation for their absence lies in the fact that the cross-section of the fairway is many times larger than that of the vessel. There are three recommendations that arise from this report. The first is to validate the model using real-life measurements. The second is to study the resulting forces in fenders and mooring lines into greater detail, and the last recommendation is to investigate further into the possibility of using DELPASS for predictions of the drop in water level in smaller harbours.

Bestand: Afstudeerverslag.doc

blz. 3 van 67



Voorwoord Dit verslag is gemaakt naar aanleiding van het mijn afstudeeronderzoek bij het Havenbedrijf Rotterdam N.V. en de Technische Universiteit te Delft. De aanleiding voor dit onderzoek wordt gevormd door de wens van het Havenbedrijf Rotterdam om nu en in de toekomst een zo veilig mogelijke haven te creëren. Om dit te bereiken is het van belang die gevallen te onderzoeken die een mogelijk probleem zouden kunnen opleveren. Het passeren van schepen bij afgemeerde schepen is één van de problemen die de veiligheid (voornamelijk van het afgemeerde schip) in gevaar zou kunnen brengen. Om eventuele onderzoeken op dit gebied en andere gebieden te kunnen uitvoeren is in 2001 een samenwerkingsverband gesloten tussen het HbR en de TU Delft. Naar aanleiding van recente onderzoeken naar translatiegolven door de vakgroep Hydromechanica van de afdeling Maritie me Techniek van de TU Delft, is besloten dit onderzoek op te zetten waarbij gekeken wordt naar de gevolgen van deze translatiegolven op schepen die afgemeerd zijn/aan het afmeren zijn in de haven van Rotterdam. Directe aanleiding hiervoor wordt gevormd door het verzoek van de Loodsdienst om een onderzoek te starten naar plotseling optredende verhoogde naderingssnelheden tijdens het afmeren van schepen in de 8e Petroleumhaven. In het kader van dit uitgebreide onderzoek is besloten een onderzoek te starten naar de invloed van passerende schepen, waarbij de nadruk gelegd wordt op het effect van translatiegolven op deze schepen die aan het af meren zijn. Om deze reden werd mij de mogelijkheid geboden om dit in het kader van mijn afstuderen te onderzoeken bij het Havenbedrijf Rotterdam N.V.. Ik wil dan ook graag het Havenbedrijf Rotterdam N.V. bedanken voor de mogelijkheid om dit project te mogen doen, met name de medewerkers van de afdelingen RPA -VKM en SMO en Dhr. Van Wijhe voor zijn begeleiding. Uiteraard wil ik ook van de medewerkers van de afdeling Hydromechanica van de Technische Universiteit Delft bedanken voor hun hulp bij diverse zaken met betrekking tot de modellen en theorie, waarbij uiteraard mijn dank in het bijzonder uitgaat naar Prof. Pinkster voor zijn begeleiding. Olaf Willemse Rotterdam, 21 juni 2004


blz. 4 van 67



Inhoudsopgave Samenvatting.............................................................................................................................2 Summary ..................................................................................................................................3 Voorwoord................................................................................................................................4 Inhoudsopgave ..........................................................................................................................5 1. Inleiding ...............................................................................................................................7 2. Doelstelling...........................................................................................................................8 3. Theorie ................................................................................................................................9 3.1.DELPASS......................................................................................................................9 3.2.3D potentiaal theorie ......................................................................................................10 3.2.1. Numerieke oplossing..............................................................................................12 3.2.2. Krachten en momenten..........................................................................................13 3.3.Fast Fourier Transformatie .............................................................................................14 3.4.Diffractie berekening.....................................................................................................15 3.5.Inverse Fast Fourier Transformatie .................................................................................17 4. In- en uitvoer van DELPASS [15] .......................................................................................19 4.1.Invoer...........................................................................................................................19 4.2.Uitvoer .........................................................................................................................19 Fase 1: Theoretische invloed van passerende schepen op schepen bij de 8e Petroleumhaven 5. Inleiding .............................................................................................................................20 6. Modellering haven...............................................................................................................22 6.1.Grootte van het model....................................................................................................22 6.2.Aantal panelen..............................................................................................................26 6.3.Detaillering van het model..............................................................................................26 6.4.Bepaling gebruikte tijdsduur simulatie ..............................................................................27 6.5.Uiteindelijke modellering haven.......................................................................................28 7. Bepaling invloeden scheepvaart ...........................................................................................29 7.1.Simulaties met passerende tankers..................................................................................29 7.1.1. Simulatie “Calandkanaal” .......................................................................................29 7.1.2. Simulatie Beerkanaal.............................................................................................31 7.2.Werkelijke verkeerssituaties...........................................................................................32 7.2.1. Nieuw model Maasvlakte 1....................................................................................33 7.2.2. Simulatie reële verkeerssituatie ...............................................................................34 7.2.3. Passerend containerschip .......................................................................................35 7.3.Afmeersystemen...........................................................................................................36 7.3.1. G.F.M. Remery [10]..............................................................................................36 7.3.2. Reële verkeerssituatie ............................................................................................37 8. Vergelijking resultaten met metingen....................................................................................39 9. Conclusies..........................................................................................................................41


blz. 5 van 67



Fase 2: Tweede Maasvlakte 10.

Inleiding.........................................................................................................................42

11.

Translatiegolven in de 2e Maasvlakte ...............................................................................43 11.1.Modellering 2e Maasvlakte ...........................................................................................43 11.2.Translatiegolven Yangtzehaven (tanker)........................................................................45 11.3.Translatiegolven Yangtzehaven (container) ...................................................................47 11.4.Translatiegolven overige havens ...................................................................................48 11.4.1.Golfverloop 2e Maasvlakte .......................................................................................48 11.4.2.Golfverloop Europahaven en 8e Petroleumhaven .......................................................49

12.

Invloed op afgemeerde schepen......................................................................................50

13.

Conclusies .....................................................................................................................52

Fase 3: Euromax Terminal 14.

Inleiding.........................................................................................................................53

15.

Modellering Euromax Terminal.......................................................................................54

16.

Golfhoogtes in de Yangtzehaven .....................................................................................55 16.1.Simulatie en meetpunten...............................................................................................55 16.2.Bijzondere punten........................................................................................................55 16.3.Seiches .......................................................................................................................58

17.

Vergelijking doorgaande met afgesloten Yangtzehaven.....................................................59 17.1.Golven........................................................................................................................59 17.2.Invloed op stilliggende schepen.....................................................................................61

18.

Conclusies .....................................................................................................................65

19.

Algemene Conclusies en aanbevelingen...........................................................................66 19.1.Algemene Conclusies...................................................................................................66 19.2.Aanbevelingen.............................................................................................................66

20.

Referenties....................................................................................................................67

Bijlagen Appendix A: Resultaten Simulaties Eerste Maasvlakte Appendix B: Verkeerssituatie tijdens het afmeren in de 8e Petroleumhaven Appendix C: Golfmeetpunten 2e Maasvlakte Appendix D: Voortplantingssnelheid Translatiegolven Appendix E: Panelen Modellen Appendix F: Subroutine Course Appendix G: Simulaties Yangtzehaven Appendix H: Vergelijking Golfhoogtes Euromax Terminal


blz. 6 van 67



1.

Inleiding

De haven van Rotterdam is de grootste haven, gemeten in tonnen overslag, ter wereld. Hierdoor is het tegelijk een van de drukste havens. Met 20.000 scheepsbewegingen per jaar (binnenvaart niet meegerekend) zijn er continu schepen door de haven aan het varen. Vanwege deze drukte is de veiligheid van de schepen uiteraard van het grootste belang voor het Havenbedrijf Rotterdam N.V. Niet alleen de veiligheid van de varende schepen, maar ook om de schepen die aan de kades liggen te laden en te lossen. Dit onderzoek richt zich op de veiligheid van de schepen die aan het afmeren zijn en van schepen die afgemeerd zijn. Om precies te zijn wordt de invloed van de varende schepen op de afgemeerde schepen en de schepen die aan het afmeren zijn bestudeerd. Getracht wordt om in kaart te brengen hoe groot deze invloed is en of dit leidt tot onacceptabele bewegingen van de (bijna) stilliggende schepen. Bewegingen zijn onacceptabel als ze zeer plotseling optreden en/of van die grootte zijn dat ze een gevaar opleveren voor het schip, de haven of de omgeving. Zoals bijvoorbeeld beschreven in [4]. Het mag algemeen bekend verondersteld worden dat varende schepen golven opwekken. Op open zee blijft dit beperkt tot een keurig achter het schip aanlopend systeem van divergerende en transversale golven, die na verloop van tijd uitdempen, of opgaan in de wind/getijde-golven van de zee. Door de grote afstanden tussen de schepen aldaar zal de invloed van het ene schip op het andere beperkt blijven. Als een schip echter in een haven vaart treden hier nog vele andere verschijnselen op. Door de minder grote waterdiepte, het nauwere vaarwater en het continu moeten manoeuvreren van het schip ondergaat het instationaire verschijnselen zodat er andere stromingssystemen ontstaan. Tevens verdwijnen golven niet zomaar in de verte, maar worden zo door kades en andere obstakels gereflecteerd. Deze systemen worden voornamelijk bestudeerd door gebruik gemaakt van een aan de Technische Universiteit Delft ontwikkeld model, dat de oplossing van de “double body” methode van F.T. Korsmeyer e.a. [1], aangepast met de formulering van de bodem door J. Grue e.a. [14, 2], gebruikt voor beschrijving van de invloed van het passerende en ter plaatse van het stilliggende schip en de havengeometrie. Vervolgens wordt deze tijdsafhankelijke vloeistofpotentiaal in het frequentiedomein opgelost door middel van een 3d-diffractie vergelijking voor meerder lichamen. Hierna worden deze resultaten terug gezet naar het tijdsdomein, waardoor tijdsafhankelijke passeereffecten (inclusief vrije vloeistof effecten) worden verkregen. Deze methode zal in hoofdstuk 3 behandelt worden. Het project is opgedeeld in 3 fasen. In eerste instantie is gekeken naar de bewegingen van schepen in de huidige situatie rond de 8e Petroleum haven. Fase 2 van het onderzoek richt zich op de toekomstige ontwikkelingen van de haven door te kijken naar de invloed van passerende schepen in de 2e Maasvlakte. De laatste fase van dit project richt zich op de nieuw aan te leggen Euromax terminal in de Yangtzehaven, met name omdat de uitvoering van dit project al begonnen is en er zeer strikte eisen gesteld worden aan de maximale beweging die een containerschip, dat aan de kade ligt, mag maken in verband met de beweging die een containerkraan kan maken. Zou het schip teveel bewegen, dan moet uit veiligheidsoverwegingen het laad- en los proces gestopt worden, wat uiteraard niet wenselijk is. Het rapport wordt afgesloten met de algemene conclusies en aanbevelingen in hoofdstuk 19.


blz. 7 van 67



2.

Doelstelling

Het doel van dit afstudeerproject is het bestuderen en het voorspellen van het gedrag van translatiegolven in het havengebied van Rotterdam, met name in het gebied rond de Maasvlakte Olie Terminal (MOT). Het doel is tevens het bepalen van de invloed van deze golven op afgemeerde schepen en schepen die aan het afmeren zijn. Voornamelijk om deze invloeden goed te kunnen voorspellen voor toekomstige situaties (andere schepen, nieuwe havens) en om eventueel ook tot richtlijnen en regelgeving te komen voor in de Europoort varende schepen om eventuele schadelijke effecten (bijv. grote afmeerkrachten) te voorkomen.

Figuur 2.1: Luchtfoto 8e Petroleumhaven


blz. 8 van 67



3.

Theorie

3.1. DELPASS Zoals vermeld in de inleiding wordt bij de bestudering van de diverse verschijnselen als basis het rekenprogramma DELPASS gebruikt. Dit programma is een implementatie van 3D potentiaal theorie. In principe worden in DELPASS vier rekenstappen doorlopen, die elk in een afzonderlijke paragraaf behandelt zullen worden en waarbij gelijk de achterliggende theorie van elke stap besproken zal worden.

Delpass Omgevingsinvloed 1. “Double Body” berekening

2. FFT

4. inverse FFT

Tijdsdomein

Tijdsafhankelijke uitvoer: Krachten en Bewegingen Golfhoogtes

Frequentiedomein

3. Diffractie berekening Figuur 3.1: Schematische weergave DELPASS

De rekenmethode is schematisch weergegeven in figuur 3.1 en bestaat uit de volgende stappen: 1. “Double-body” berekening De eerste stap is het berekenen van de tijdsafhankelijke vloeistof bewegingen en drukken ter plaatse van het afgemeerde schip en de havengeometrie ten gevolge van het passerende schip. 2. Fast Fourier Transformatie In de tweede stap worden deze normaal snelheden met behulp van een zogenaamde Fast-Fourier transformatie omgezet van het tijdsdomein naar het frequentiedomein. Dit resulteert in een groot aantal harmonische normaalsnelheids-componenten met elk hun eigen frequentie, amplitude en fase. Deze frequentie componenten worden gebruikt om de normaalsnelheids-randvoorwaarde op de havenwanden in de derde stap te bepalen. 3. Diffractie berekening In deze stap wordt in het frequentie domein de snelheidspotentiaal opgelost met in acht name van de randvoorwaarden die gelden op de wanden van de haven en het vrije vloeistof oppervlak. 4. Inverse Fast Fourier Transformatie Deze laatste stap transformeert het geheel terug naar het tijdsdomein. Hierdoor ontstaat de instationaire potentiaal die getransformeerd kan worden naar golfhoogtes op de gewenste locatie. Tevens worden de bewegingen en krachten op het afgemeerde schip tijdsafhankelijk weergegeven. In principe kan DELPASS verschillende willekeurige lichamen aan, maar omwille van de duidelijkheid zal verder in dit verslag uitgaan van één havengeometrie, één afgemeerd schip en één of meerdere varende schepen. Bestand: Afstudeerverslag.doc

blz. 9 van 67



Bij punt 3 moet nog opgemerkt worden dat bij de berekening van de invloed van het vrije vloeistof oppervlak en de havengeometrie niet gekeken geen terugkoppeling plaatsvindt naar de varende schepen die de initiële verstoring veroorzaken. In de volgende paragraven zal ieder stap afzonderlijk behandeld worden. Voor de duidelijkheid zal vaak van een schip gesproken worden, maar hiervoor kan ieder willekeurig (gesloten) lichaam ingevuld worden.

3.2. 3D potentiaal theorie Uitgegaan wordt van een systeem met twee orthogonale assenstelsels, het aardvaste assenstelsel O-XY-Z en het lichaams(scheeps)vaste assenstelsel o-x-y-z. Alle potentialen en bewegingen van zwaartepunten van de lichamen gedefinieerd in het aardvaste assenstelsel, terwijl de geometrie van de lichamen en de krachten en momenten op de lichamen op een lichaamsvast assenstelsel worden weergegeven. Het aardvaste assenstelsel is gedefinieerd met het XY-vlak gelijk aan de waterspiegel en de Z-as naar boven. De oorsprong van het lichaamsvaste assenstelsel ligt in het zwaartepunt van het lichaam, het xy-vlak ligt parallel aan het wateroppervlak, de x-as in de lengterichting van het lichaam, positief naar voren. De beschrijving van de stroming is gebaseerd op de aannames dat de vloeistof onsamendrukbaar, rotatievrij, homogeen en niet visceus is. Met deze aannames is het mogelijk de stroming te beschrijven met een snelheidspotentiaal F (X,Y,Z,t) die moet voldoen aan de zogenaamde continuïteits of Laplace vergelijking:

∇ 2Φ = 0 ∂Φ ∂Φ ∂Φ + + 2 =0 2 2 ∂X ∂Y ∂Z

[3.1]

Om een unieke oplossing voor deze Laplace vergelijking te vinden, moet tevens aan een aantal randvoorwaarden voldaan worden. Deze randvoorwaarden zijn: 1) De normaalsnelheid loodrecht op de zeebodem is 0, m.a.w. de bodem is waterdicht. (Z=-h):

∂Φ =0 ∂Z

[3.2]

2) De normaalsnelheid loodrecht op een lichaam is gelijk aan de beweging van het lic haam in die richting, m.a.w. de lichamen zijn waterdicht:

r r ∂Φ = V m ⋅ nm ∂n m

[3.3]

r

r

waarbij n m de normaalvector loodrecht op het nat oppervlak van het lichaam is en Vm de momentane snelheidsvector van dit lichaam. 3) De normaalsnelheid loodrecht op het wateroppervlak is 0. (Z=0)

∂Φ =0 ∂Z

[3.4]

Deze laatste voorwaarde volgt uit het Double -Body model. Door aan te nemen dat het wateroppervlak onvervormbaar is en ondoordringbaar wordt het probleem vereenvoudigt. Bestand: Afstudeerverslag.doc

blz. 10 van 67



De oplossing van vergelijking [3.1] wordt bepaalt door het aanbrengen van een continue verdeling van bronnen op het gehele nat oppervlak S van de lichamen volgens J.N. Newman [12] en F.T. Korsmeyer e.a.[1]:

r r r ∂ 1 1 ∂σ (ξ ) − 2πσ ( X ) + ∫∫ σ (ξ ) r − dS = 0 ∂n r r ∂nr S met:

[

r = ( X − ξ )2 + (Y − η ) 2 + (Z − ζ )2

]

1

[3.5]

2

[3.6]

r

Hierin is ξ = (ξ ,η, ζ ) een punt op het oppervlak S, met uitzondering van het punt (X,Y,Z) waarin zich een bron bevindt. Het oppervlak waarover deze integraal bepaald moet worden bestaat uit de bodem, het wateroppervlak en de huid van het schip. Door nu zowel het wateroppervlak en de bodem als spiegelvlak te gebruiken, ontstaat een probleem waarbij het vloeistofdomein in Z-richting onbeperkt is en in vergelijking [3.5] alleen de integraal over de scheepshuid overblijft. Deze huid is echter wel oneindig vaak gespiegeld. Door de spiegeling wordt voldaan aan de randvoorwaarden op de bodem en het wateroppervlak en ontstaat er een bronverdeling op de scheepshuid die in alle weerspiegelingen gelijk is aan die van het oorspronkelijke schip. Vergelijking [3.5] wordt hierdoor:

r r r r r ∂G ( X , ξ ) r r ∂σ (ξ ) − 2πσ( X ) + ∫∫ σ (ξ ) − G( X , ξ ) r r dS ξ = 0 ∂n ∂n SB

[3.7]

met: ∞  r r 1 1 1 G( X , ξ ) = + + ∑  r r ′ i= −∞ ( X − ξ )2 + (Y − η )2 + (2ih − Z − ζ ) 2 i≠ 0 

[

+

] [(X − ξ ) 1

2

2

1 + (Y − η ) + (2ih − Z + ζ ) 2

[3.8] en:

[

r ′ = ( X − ξ )2 + (Y − η ) 2 + (Z + ζ )2

]

1

2

[3.9]

Hierbij is SB het nat oppervlak van het lichaam, h de waterdiepte en G de functie van Green. Voor het laatste deel van de integraal in vergelijking [3.7] geldt:

r r r ∂σ (ξ ) r r r G ( X , ξ ) dS = V ⋅ n( X ) ξ r ∫∫ ∂n SB

[3.10]

[3.10] invullen in [3.7] en randvoorwaarde [3.3] toepassen leidt tot:

r ∂ r r r r ∂Φ r − 2πσ ( X ) + ∫∫ σ (ξ ) r G( X , ξ )dSξ = r = V ⋅ nr ( X ) ∂n ∂n SB [3.11] De snelheid van de vloeistof die uit de bronbelegging volgt is nu:


blz. 11 van 67


2

]

1


r r r r r r ∇Φ ( X ) = 2πn( X )σ ( X ) + ∫∫ σ (ξ )∇ X G ( X , ξ )dS ξ

[3.12]

SB

Met deze snelheid kunnen de krachten en momenten die op het schip werken bepaald worden. 3.2.1. Numerieke oplossing Het oplossen van de potentiaal vergelijkingen uit de vorige paragraaf gebeurt door middel van een numerieke methode waarbij de integralen uit de vorige paragraven vervangen worden door sommaties van een eindig aantal bronnen en panelen. Hiervoor wordt de huid van het lichaam opgedeeld in drie - of vierhoekige panelen. De oneindige sommatie in vergelijking [3.8] convergeert traag en is daardoor in deze vorm niet geschikt voor berekening. Een benaderingsmethode wordt gegeven door F. Zhongsheng e.a.[13] en is verwerkt in J. Grue e.a.[14], waarbij tevens een benadering is gegeven voor het oneindig aantal spiegelingen (en daarmee het oneindig aantal lichamen). Dit resulteert in een iets andere aanpak van de in de bovenstaande paragraaf beschreven oplossing. Voor de functie van Green wordt nu genomen:

r r G( X , ξ ) = L( R′, Z ′ − ζ ′) − L( R′, Z ′ − ζ ′)

[3.13]

waarin: 1

R′ = [( X ′ − ξ ′) 2 + (Y ′ − η ′) 2 ] 2

[3.14]

en waarbij de ' aangeeft dat de eenheden dimensieloos gemaakt zijn ten opzichte van de waterdiepte h. Voor grote waarden van R′ geldt de volgende uitdrukking: ∞

L( R′, Z ′) = 2∑ cos( m πZ ′) K 0 (m πR′) − γ − ln m =1

R′ 4

[3.15]

waarin K0 de Hankel functie weergeeft en ? = 0,577... de constante van Euler. Deze reeks convergeert snel voor R′ > 1 , maar voor R′ < 1 convergeert deze reeks langzaam, in dit geval wordt de volgende uitdrukking gebruikt:

L ( R ′, Z ′) = [ R ′ 2 + Z ′ 2 ]

−

1 2

+ [ R ′ 2 + ( 2 − Z ′) 2 ]

−

1 2

+ [ R′ 2 + ( 2 + Z ′) 2 ]

−

1 2

∞

∞

− 1 + ∑∑ a kn R′ 2k Z ′

2n

k = 0 n= 0

[3.16] De coëfficiënten akn zijn hier getabelleerde waarden, zie hiervoor J. Grue [14] (en [9]). Toepassing van deze Greense functie maakt het probleem discretiseerbaar. Discretiseren van [3.11] geeft de volgende vergelijking voor de normaalsnelheid op het ke paneel van het me lichaam:

(

)

( )

(

)

M Nm r r ∂ r r r − 2πσ X mk + ∑∑ σ ξ n j r G X mk , ξ n j dS n j = Vm ⋅ nrmk ∂n n =1 j =1

[3.17]

waarbij ieder lichaam m bedekt is met Nm panelen en M het totaal aantal lichamen is.


blz. 12 van 67



( r ) op het k paneel van het m lichaam en

Deze vergelijking heeft als onbekende de bronsterkte σ X mk

(r )

(r )

e

e

alle bronsterkten σ ξ m j en σ ξ n j op alle andere panelen van het lichaam en alle andere lichamen. M

Aangezien dit stelsel geldt voor ieder paneel ontstaat er een stelsel van

∑N

m

vergelijkingen met een

n =1

zelfde aantal onbekenden. Dit komt dus neer op een stelsel vergelijkingen van de vorm:

r

[A] ⋅σr = b

[3.18]

dat met behulp van een LU-decompositie kan worden opgelost.

r

r

Het oplossen gebeurt in DELPASS door bij alle combinaties van X en ξ de waarden van G, ∂G / ∂X , ∂G / ∂Y , ∂G / ∂Z en ∂G / ∂n op te slaan in een bestand. Voor elke tijdstap (behalve de eerste) worden alleen de waarden berekend waarvan de posities van de panelen ten opzichte van elkaar veranderd zijn.

3.2.2. Krachten en momenten Nu de bronbelegging (en daarmee de potentiaal en de snelheid van de stroming) bekend is kunnen deze gebruikt worden om de krachten op de verschillende lichamen te berekenen. De druk in de vloeistof kan bepaald worden met behulp van de vergelijking van Bernoulli:

p = − ρgZ − ρ

∂Φ 1 r 2 − ρ ∇Φ ∂t 2

[3.19]

De hydrostatische term –?gZ draagt niet bij aan de verticale krachten en kan daarom weggelaten worden. De hydrodynamische krachten op lichaam m kunnen gevonden worden door de druk over het natoppervlak van het lichaam te integreren:

r r  ∂Φ 1 r 2  r Fm = − ∫∫ pnm dS m = ρ ∫∫  + ∇Φ nm dS m ∂t 2  Sm Sm 

[3.20]

Het eerste deel van vergelijking 3.20 is het instationaire deel van de interactie krachten en momenten. Het tweede deel is alleen afhankelijk van de momentane snelheidsverdeling en wordt niet beïnvloed door de geschiedenis van de beweging. De afgeleide naar de tijd is echter moeilijk op te lossen J.N. Newman [12] geeft hier een oplossing voor, waarbij hij gebruikt maakt van de wet van behoud van impuls. Hij stelt:

r  ∂Φ r d 1 r 2  Fm = ρ ∫∫ Φnrm dS m − ρ ∫∫  ∇ Φ − ∇ Φ nrm  dS m dt Sm ∂nm 2  Sm 

[3.21]

en

r  ∂Φ r d 1 r 2  M m = ρ ∫∫ Φrr × nrm dS m − ρ ∫∫ rr ×  ∇Φ − ∇ Φ nrm dS m dt Sm 2  ∂n m  Sm


blz. 13 van 67

[3.22]



De eerste termen in [3.21] en [3.22] geven de verandering van de toegevoegde massa van het lichaam m in de tijd weer. Algemeen kan geschreven worden: M r r  ∂Φ r d 1 r 2  Fm = ∑ (M mn ⋅ Vn ) − ρ ∫∫  ∇ Φ − ∇Φ nrm  dS m ∂nm 2 n =1 dt  Sm 

[3.23]

waarin Mmn de toegevoegde massa matrix is die de beweging van lichaam n aan de krachten op lichaam m koppelt. Voor de elementen mmjnk van de toegevoegde massa matrix Mmn geldt:

m mjnk = − ρ ∫∫ φ nk n mj dS m

[3.24]

Sm

waarin φ nk de potentiaal in de ke richting van lichaam n is. Deze volgt uit door het volgende randvoorwaarde probleem op het lichaam n in de ke richting op te lossen:

∂φ nk = nnk ∂n

[3.25]

waarin nnk de componenten zijn van de gegeneraliseerde normaalvector op het oppervlak Sn van lichaam n:

n n1 = cos( nrn , xn1 ) r n n2 = cos( n n , x n 2 ) n n3 = cos( nrn , x n3 ) n n4 = x n2 n n3 − xn 3n n2

[3.26]

n n5 = x n3n n1 − x n1nn 3 n n6 = x n1 nn2 − x n2 n n1 Vergelijking [3.23] kan voor elke tijdstap bepaald worden door het oplossen van potentiaal vergelijking. Het eerste deel van de vergelijking wordt uiteindelijk bepaald door de tijdsafgeleide te bepalen nadat alle tijdstappen doorlopen zijn. Het tweede (tijdsonafhankelijke) deel kan bij iedere tijdstap direct bepaald worden.

3.3. Fast Fourier Transformatie In de vorige paragraaf is met behulp van de “double body” methode de onverstoorde stroming ten gevolge van een varend schip beschreven. Wanneer er slechts één varend schip is, dan is de stroming tijdsonafhankelijk ten opzichte van dit schip, maar verplaatst het zich wel in het aardvaste assenstelsel. In dit geval wordt het stelsel [3.18] slechts éénmalig opgelost voor een constante snelheid Vm. Bij meer passerende schepen moet dit stelsel voor iedere stap opgelost worden. Wanneer in het geval van één varend schip een tijdsafhankelijke snelheid, Vm(t), gewenst is, wordt de lichaamsvaste potentiaal bepaald, door op de gewenste tijdstap, door de potentiaal bij Vm te vermenigvuldigen met de verhouding Vm(t)/Vm. Dit volgt rechtstreeks uit [3.18]. In het geval van één varend schip kan deze lichaamsvaste potentiaal door de haven ‘gestuurd’ worden, waarbij de bronsterktes op de panelen van de havenwanden en de afgemeerde schepen nie t verandert, maar wel de invloedscoëfficiënten. In dit geval hoeft voor iedere stap alleen deze invloedscoëfficiënten berekend te worden.


blz. 14 van 67



De tijdsafhankelijke normaalsnelheden en drukken op de panelen van de wanden en afgemeerde schepen, kunnen door middel van een zogenaamde Fast Fourier Transformatie (FFT) worden ontbonden in hun corresponderende frequentie afhankelijke componenten, die nodig zijn voor de diffractie berekening in de derde stap. Voor elk paneel is de normaalsnelheid in iedere tijdstap bekend. Overigens worden de bronsterkten (en de normaalsnelheden) bij de benaderingsmethode van J. Grue e.a. [14] in het zwaartepunt van het paneel bepaald. Deze tijdreeksen worden door middel van een FFT omgezet naar het frequentie domein. Hierbij moet rekening gehouden worden met het feit dat er ook gekeken moet worden naar de tijd nadat het schip gepasseerd is, dit in verband met het uitdoven van de verstoringen. Dit is belangrijk, omdat de FFT resultaten geeft die periodiek zijn met de totale tijdsspanne. Het totale interval moet dus groot genoeg zijn om alle verstoringen te laten uitdoven (het zogenaamde geheugen effect). Dit kan gedaan worden door het tijdsinterval te vergroten door het aan te vullen met nullen nadat het schip gepasseerd is, het zogenaamde uitnullen. Afhankelijk van de situatie wordt deze periode verlengd met een factor 2 tot 8. Het totaal aantal verkregen tijdstappen moet in verband met de vlotte uitvoering van de FFT wel een macht van 2 blijven. Paragraaf 3.5 zal hier dieper op ingaan.

3.4. Diffractie berekening In de derde stap, de diffractie berekening, wordt het varende schip genegeerd en worden alleen de havengeometrie en de afgemeerde schepen bekeken. In deze paragraaf zal een korte samenvatting van de hier toegepaste 3d, frequentie domein, diffractie berekening worden gegeven. Bij de diffractie berekening wordt uitgegaan van een vrij-vloeistof oppervlak. Hierdoor kan de stroming worden beschreven, net als in paragraaf 3.2 door een potentiaal die afhankelijk is van plaats en tijd (zie ook [12]). Voor een schip in golven:

r r r r Φ(X , t ) = Φ w (X , t ) + Φ d (X , t ) + Φ r (X , t )

[3.27]

De potentiaal wordt hier gezien als lineaire som van drie delen. Het eerste deel F w is de potentiaal veroorzaakt door de onverstoorde inkomende golf en F d is de diffractie potentiaal die de verstoring van de golf door het lichaam weergeeft. Het laatste deel, F r is de stralingspotentiaal. Deze potentiaal geeft de uitgestraalde golven weer, die veroorzaakt worden doordat het lichaam onder invloed van de inkomende golf beweegt in de zes vrijheidsgraden. [3.27] wordt in dit geval als volgt weergegeven:

r r Φ ( X , t ) = φ ( X )e − iωt

[3.28]

waarbij de tijds- en ruimte component gesplitst worden. Hierbij staat de – voor het feit dat deze complexe potentiaal een waarde heeft die zowel de fase als de amplitude weergeeft. Deze zal in het vervolg niet meer weergegeven worden. Voor het totaal van de M lichamen, waartoe niet de varende schepen behoren, geldt: M

6

φ = −iω {(φ w + φ r ) + ∑∑ φ mj x mj

[3.29]

m=1 j =1

waarin j de vrijheidsgraad aangeeft en xmj de complexe beweging weergeeft van het me lichaam in de je richting (vrijheidsgraad) ten opzichte van het lichaamsvaste assenstelsel. In de ‘double body’ berekening is voor ieder paneel de waarde van de potentiaal ten gevolge van het passerende schip gevonden als tijdreeks:


blz. 15 van 67



r 1 φ ps (X ) = ∑ m =1 4π M

( )

r r r ( σ ξ G X n m , ξ m )dS m ∫∫ j

[3.30]

Sm

Na de FFT zijn deze tijdreeksen omgezet in complexe frequentie componenten φ ps (ω ) . Deze worden omgezet op dezelfde manier als eerder beschreven, zodat ze overeenkomen met de golfpotentiaal φ w , namelijk:

φ w (ω ) =

1 φ ps (ω ) − iω

[3.31]

Nu de golfpotentiaal bekend is kan de diffractie potentiaal bepaald worden. Deze volgt uit de waterdichtheids-voorwaarde:

∂φ r ∂φ =− w ∂n ∂n

[3.32]

Voor de stralingspotentiaal geldt:

∂φ nk = nnk ∂n

[3.25]

Zowel de stralings- als de diffractiepotentiaal kunnen nu opgelost worden door het aanbrengen van een golfmakende bronverdeling over de natte oppervlakten van de haven en het afgemeerde schip. Hiervoor gelden dezelfde basisvergelijkingen als voor de “double body” berekening. (vergelijking [3.11]), er geldt alleen een andere randvoorwaarde op het vrije vloeistof oppervlak, namelijk:

g

∂φ ∂ 2φ + =0 ∂z ∂t 2

[3.33]

Hierdoor verandert de gekozen functie van Green, deze is onder meer te vinden in J.N. Newman [12], maar zal hier niet verder behandelt worden. Nu de potentiaal bekend is, kan met behulp van de gelineariseerde vergelijking van Bernoulli de drukken bepaald worden:

r r ∂φ p ( X , t) = − ρ = p( X )e −iωt ∂t

[3.34]

waardoor de complexe amplitude voor de druk volgt uit: M 6 r p ( X ) = ρω 2 {(φ w + φ r ) + ∑∑ φ mj x mj }

[3.35]

m =1 j =1

De excitatiekrachten worden gevonden door het integreren van de druk ten gevolge van het passerende schip en de druk van de diffractie potentiaal over het nat oppervlak van het lichaam:

r r r 2 Fm = − ∫∫ pnm dS m = − ρω ∫∫ (φ w + φ r )nm dS m Sm

[3.36]

Sm

r

waarin n m uit [3.26] volgt. Bestand: Afstudeerverslag.doc

blz. 16 van 67



De bewegingen van het schip kunnen nu ook bepaald worden, mits mag worden aangenomen dat de hydrodynamische eigenschappen lineair zijn. De bewegingsvergelijkingen worden nu: M

6

Fmj = ∑∑ {−ω 2 ( M mjnk + a mjnk ) − i ωbmjnk + cmjnk }x nk

[3.37]

n =1 j =1

waarin M, a, b en c respectievelijk de matrices van de massa, de toegevoegde massa, de demping en de veerconstanten weergeven en Fmj de je richting van de krachtsvector uit [3.36] is. De veer coëfficiënten matrix bevat hydrostatische termen en termen die voortvloeien uit het afmeersysteem. De hydrodynamische componenten van de toegevoegde massa en de demping volgen uit:

a mjnk = −ℜ{ρ ∫∫ φ nk n mj dS m } Sm

[3.38]

bmjnk = −ℑ{ρω ∫∫ φ nk nmj dS m } Sm

De volgende stap is het terugzetten van hier gevonden potentialen, krachten en bewegingen van het frequentiedomein naar het tijdsdomein.

3.5. Inverse Fast Fourier Transformatie De gevonden frequentie afhankelijke componenten van de potentiaal stroming met ieder hun eigen amplitude en fase. Zoals in paragraaf 3.2 vermeld is een gevolg van het omzetten van een tijdreeks met lengte T naar het frequentiedomein, dat bij de inverse transformatie alle frequenties periodiek zijn, met periode T. Zie hiervoor ook figuur 3.2. Stel dat a een met de “double body” methode gevonden verstoring is in een willekeurig punt. Deze wordt opgesplitst met de FFT in de harmonische frequentiecomponenten b tot en met e. Een inverse transformatie levert de originele verstoring. Wanneer we nu de tijd door laten lopen na periode T, dan zien we dat deze verstoring na ieder periode T herhaald wordt. Het probleem is dat de reactie van de haven en de afgemeerde schepen, die door middel van de diffractie potentiaal in paragraaf 3.4 is berekend, ook periodiek wordt met dezelfde periode T. Dit is weergegeven met de blauwe lijn in f. In de werkelijkheid duurt het langer dan één periode a voordat deze verstoringen verdwenen zijn. De verstoringen worden daardoor meegenomen naar het T 0 = begin van de volgende periode, die identiek is aan de b eerste periode. Hierdoor kan het voorkomen dat het water al in beweging is voordat er een verstoring 0 T + c geïntroduceerd wordt. Het in paragraaf 3.3 genoemde geheugen effect. 0 T +

d

0 e

+

T

0 f

+etc.

T

0

t

T

2T

3T

De oplossing hiervoor is het eerder genoemde uitnullen, waarbij getracht wordt de periode zo lang te maken dat de reactie van de havenwand tijd genoeg heeft om uit te dempen. Het nadeel van deze oplossing is dat het aantal tijdstappen toegenomen is en daardoor tevens het

Figuur 3.2: Bron [2] Bestand: Afstudeerverslag.doc

blz. 17 van 67



aantal frequenties waarvoor de diffractie berekening uitgevoerd moet worden.


blz. 18 van 67



4.

In- en uitvoer van DELPASS [15]

4.1. Invoer De gegevens die nodig zijn voor de definiëring van het probleem dienen te worden opgeslagen in een bestand. Dit zijn: • enkele algemene gegevens zoals waterdiepte, snelheid, soortelijke massa en beginpositie • de coördinaten van de hoekpunten van de panelen • de hoekpuntnummers van de panelen Iedere component, zoals het varende schip, de haven en het afgemeerde schip hebben eenzelfde invoer bestand met dezelfde componenten. Deze invoerbestanden kunnen gemaakt worden met andere programma’s die aan de TU Delft ontwikkeld zijn. In bijlage A is een bijlage van een invoer bestand van een model van een kleine tanker opgenomen, met enige verklarende tekst. Als het model van het schip symmetrisch is ten opzichte van het xz-vlak, dan kan volstaan worden met een model van de stuurboord óf de bakboord helft, bij een dubbel symmetrisch schip wordt een kwart gemodelleerd. De volgorde van de hoekpuntnummers bij de panelen is bepalend voor de richting van de normaalvector. De normaalvector is positief als deze de vloeistof in wijst. Ten opzicht van de normaalvector worden de hoekpuntnummers rechtsom aangegeven. Als het paneel drie hoekpunten heeft zijn de laatste twee hoekpuntnummers aan elkaar gelijk. De gegevens van de massamatrix en de waterlijn worden in de berekening niet gebruikt, maar zijn wel vereist in de invoer. 4.2. Uitvoer In de huidige versie van DELPASS bestaat de uitvoer van het programma onder meer uit een weergave van de golfhoogte in de tijd op een bepaalde, gewenste locatie. In het geval van bestudering van de interactie tussen schepen (met en zonder geometrie) bestaat de uitvoer uit de volgende gegevens: • krachten en momenten in x-, y-, en z-richting • totale krachten en momenten in x-, y-, z-richting • toegevoegde massa matrix • veerconstanten matrix De krachten en momenten zijn gegeven als de kracht op het schip. De matrix van de toegevoegde masssa’s en van de veerconstanten zijn opgesplitst in een deel voor het schip zelf en voor elk van de overige schepen. De toegevoegde massa van schip 1 in de richting i ten gevolge van schip 2 in de richting j. I en j zijn een translatie in de x-, y-, of z-richting (1…3) of een rotatie om de x-, y- of z-as (4…6). Bij de berekening volgens de methode van Euler, wordt naast de hierboven genoemde gegevens ook de dwarskracht en het giermoment opgesplitst in delen die afhankelijkheid zijn van richting en traagheidskrachten. Daarnaast worden de gemiddelde snelheden voor alle vrijheidsgraden gegeven per tijdstap. Deze snelheden zijn de snelheden die ter plaatse van het schip veroorzaakt worden door alle andere schepen.


blz. 19 van 67



Fase 1: Theoretische invloed van passerende schepen op schepen bij de 8e Petroleumhaven 5.

Inleiding

De directe aanleiding voor de start van dit onderzoek wordt gevormd door een bestaand probleem bij de Maasvlakte Olie Terminal (MOT) in de 8e Petroleumhaven te Rotterdam. Het probleem was dat verscheidene Ultra Large Crude Carriers (ULCC’s) bij het afmeren een plotselinge dwarsscheepse versnelling ondervonden. In een enkel geval leidde dit tot een te hoge naderingssnelheid bij de eerste steiger van deze terminal. Deze plotseling optredende versnellingen waren voor het Havenbedrijf Rotterdam N.V. (HbR) aanleiding om een onderzoek te starten naar de mogelijke oorzaak, waarbij onder meer de invloed van passerende schepen bestudeerd zou worden en dan met name de invloed van eventueel optredende translatiegolven in dit gebied. Dit bood een mooie gelegenheid om het door de sectie Hydromechanica aan de Technische Universiteit Delft (TUD) ontwikkelde mathematische model DELPASS in de praktijk te testen en te valideren. Deze eerste fase van dit onderzoek bestaat uit een modellering van het gestelde probleem, waarbij wordt getracht om ten eerste het proble em met het genoemde mathematische model te simuleren en vervolgens te zoeken naar een oplossing voor dit probleem door aan de hand van de gevonden resultaten. Mocht blijken dat de passerende schepen niet de oorzaak zijn van de bij de MOT optredende problemen, dan zal getracht worden alsnog een oorzaak voor de optredende problemen aan te dragen. In eerste instantie zal de modellering van de omgeving besproken worden, gevolgd door een uitwerking van enkele relevante simulaties. Hierna zal gekeken worden naar de werkelijke situaties, waarvan ook getracht zal worden deze te simuleren. De resultaten van deze simulatie zullen vergeleken worden met metingen, uitgevoerd door het HbR in de 8e Petroleumhaven, na aanleiding van de te hoge naderingssnelheid bij de MOT steiger. Mocht hieruit géén oplossing voor de incidenten gevonden worden, dan zal oppervlakkig getracht worden hiervoor alsnog een (niet noodzakelijk hydromechanische) oorzaak aan te wijzen.


blz. 20 van 67



Figuur 5.1: Overzicht 1ste Maasvlakte


blz. 21 van 67



6.

Modellering haven

De Maasvlakte Olie Terminal bevindt zich in de 8e Petroleumhaven aan de Noordzijde van de Eerste Maasvlakte. Om gebruik te kunnen maken van DELPASS moet een vereenvoudigd model van de haven en directe omgeving gevormd worden. De vraag hierbij is uiteraard wat onder de directe omgeving verstaan moet worden en welk deel van de omgeving invloed heeft op de situatie bij de MOT. Aangezien DELPASS een limiet stelt aan het aantal panelen voor het model van de haven, moeten enkele verantwoorde vereenvoudigingen aangebracht worden. Hierbij is dus van belang welke dit kunnen zijn en hoe erg de invloed van verschillende vereenvoudigingen is op de resultaten. Tevens moet bestudeerd worden in hoeverre het creëren van kleinere panelen op een bepaald oppervlak (fijnere mesh) invloed heeft op de berekening. Meer panelen betekend overigens niet automatisch dat de berekening nauwkeuriger wordt, omdat er altijd een bepaalde foutmarge ontstaat ten gevolge van de discretisatie van de potentiaal theorie.

6.1. Grootte van het model Het eerste belangrijke punt om te bepalen is welk deel van de haven gemodelleerd gaat worden. Aangezien de MOT zich in een vrij groot water bevindt is het moeilijk om een grens te trekken. Ten eerste is het wenselijk dat de haven zo veel mogelijk gesloten is zodat de in het systeem gestopte energie niet gelijk met de eerste golf mee de haven uitrolt. Ten tweede is dit belangrijk omdat gereflecteerde golven ook een beweging van het schip bij de MOT steiger kunnen veroorzaken. Met deze twee gedachten in het achterhoofd is gekozen om te beginnen met een model van de Europahaven, de Yangtzehaven, 8e Petroleumhaven, Tennesseehaven en het stuk Calandkanaal van de Maasmond tot aan het Breediep (figuur 6.1). Aangezien vooral het Beerkanaal nogal een grote opening vormt, is er ook nog gekeken of een uitgebreidere modellering verschil opleverde. Dit uitgebreidere model beslaat tevens de Amazonehaven, de 6e Petroleumhaven en de scheiding tussen de Mississippihaven en het Hartelkanaal. De vergelijking wordt gedaan door twee maatgevende simulaties te maken met elk model, waarna gekeken wordt naar de verschillen van zowel het afgemeerde schip als de opgewekte golven op verschillende plaatsen in de haven. In principe vertoont een vergelijking op één van beide punten (golfhoogtes of beweging) een zelfde verschil, aangezien in beide gevallen de invoer (verstoring door het varende schip) gelijk is, en tevens de eigenschappen van het stilliggende schip gelijk zijn. Het enige verschil is dus de invloed van de haven op de, door het passerende schip opgewekte, verstoring. De schepen die bij deze vergelijking gebruikt worden zijn 200 DWT tankers. De hier gebruikte modellen zijn al meerdere malen gebruikt voor simulaties, maar ook voor validatie van de programma’s met modelproeven door het MARIN [10]. Deze schepen worden hier gebruikt om zowel het varende als het stilliggend schip weer te geven. (Tabel 6.1: gemodelleerde tanker). Zoals vermeld is de keuze van de schepen willekeurig en niet van belang voor dit deel van het onderzoek. 200 DWT tanker L B T ∇ Aw KG KB

100% geladen 315 m 47,18 m 18,9 m 232350 m3 13390 m2 13,320 m 9,791 m

Tabel 6.1: Gemodelleerde tanker Bestand: Afstudeerverslag.doc

blz. 22 van 67



Figuur 6.1: Modellering Maasvlakte Rood: De grens tussen het grote en kleine model Groen: Golfhoogte meetpunten Blauw: Baan van het schip

In figuur 6.1 worden de verschillende onderzochte havengeometriën weer gegeven. Het kleine model (haven 1) bestaat uit 485 panelen, het grote model (haven 2) uit 606. Het totaal aantal panelen voor de berekening, inclusief schepen, komt hiermee op 1067 voor haven 1 en 1188 voor haven 2. De verwachting bestaat dat het uitgebreidere model door de kleinere openingen meer reflectie van de opgewekte golven zal laten zien. Deze grotere reflectie zou ervoor kunnen zorgen dat het stilliggende schip meer gaat bewegen. Uit figuur 6.2 blijkt dat het schip inderdaad meer beweegt. Een vergelijking van de amplitudes van de beweging per frequentie (alleen verzet weergegeven) toont dat dit zowel het geval is voor hogere als voor veel lagere frequenties. De grote van het verschil is echter gering.

Beweging per Frequentie (surge)

Amplitude (m)

0.30 0.25 0.20 Standaard Groot

0.15 0.10 0.05 0.00 -0.005

0.005

0.015

0.025

0.035

Frequentie (rad/s) Figuur 6.2: Verzet beweging van het stilliggende schip


blz. 23 van 67



Bij bestudering van het golfpatroon (figuur 6.3) is duidelijk zichtbaar dat er een verschil optreed in de gereflecteerde golven. De figuur geeft de golfhoogte in het Beerkanaal weer op 5 verschillende punten. De eerste 3 punten, die binnen de kleine geometrie vallen geven een zelfde golfbeeld tijdens de passage van het varende schip. Ook de vooruitgestuurde translatie golf (op 600 seconden in punt 4) is voor beide geometriën vrijwel gelijk. Het patroon rondom de passage van het schip verandert iets in punt vier ten gevolge van de omgeving. Duidelijk zichtbaar is tevens het verschil van de reflectie van de golven in punt 5, deze is door de aanwezigheid van de scheidingsdam tussen het Beer- en het Hartelkanaal in het grote model veel prominenter aanwezig. In punt 4 is deze grotere reflectie nog duidelijk zichtbaar, maar zodra een golf voorbij de 6e Petroleumhaven komt dissipiëert de energie over het grotere aanwezige oppervlak en dempen de golven uit. De vraag is nu welk model er beter is. Uit figuur 6.3 en dan met name de onderste twee figuren lijkt het grote model beter de golven te reflecteren en daardoor beter in staat te zijn de werkelijkheid te benaderen. Ter informatie wordt nog opgemerkt dat het golfpatroon in het grotere model een schokkerig verloop vertoont, dit wordt vooral veroorzaakt door de weergave van de getallen en de mogelijk slechte uitdemping van enkele hogere frequentie componenten. Dit heeft echter geen invloed op de resultaten. Ondanks dat er een verschil te zien is tussen de twee modellen, is dit met name in de beweging van het afgemeerde schip overdreven, doordat dit een klein verschil (in absolute waarde) op een kleine beweging is. Bij vergelijking van het golfpatroon valt dit verschil veel minder op. Met deze conclusies in het achterhoofd en met de wetenschap dat het grote model een bijna twee maal zo lange rekentijd vergt, zal er in het vervolg van de studie bij dit probleem met het kleine model worden gewerkt.


blz. 24 van 67



Beerkanaal 1

0.20

0.20

0.10

0.10

0.00 -0.10

0

1000

2000

3000

-0.20

Hoogte (m)

Hoogte (m)

Beerkanaal 1

-0.30

0.00 -0.10

0

1000

0.10

0.00 0

1000

2000

3000

-0.20

Hoogte (m)

Hoogte (m)

0.10

-0.30

-0.10

0

1000

3000

2000

3000

-0.30

Tijd (s)

Beerkanaal 3

0.20

0.20

0.10

0.10

0.00 0

1000

2000

3000

-0.20

Hoogte (m)

Hoogte (m)

2000

-0.20

Beerkanaal 3

-0.30

0.00 -0.10

0

1000

-0.20 -0.30

Tijd (s)

Tijd (s)

Beerkanaal 4

Beerkanaal 4

0.20

0.20

0.10

0.10

0.00 0

1000

2000

3000

-0.20

Hoogte (m)

Hoogte (m)

3000

0.00

Tijd (s)

-0.30

0.00 -0.10

0

1000

-0.20 -0.30

Tijd (s)

Tijd (s)

Beerkanaal 5

Beerkanaal 5

0.20

0.20

0.10

0.10

0.00 0

1000

2000

-0.20 -0.30

3000

Hoogte (m)

Hoogte (m)

2000

Beerkanaal 2 0.20

-0.10

3000

Tijd (s)

0.20

-0.10

2000

-0.30

Beerkanaal 2

-0.10

3000

-0.20

Tijd (s)

-0.10

2000

0.00 -0.10

0

1000

-0.20 -0.30

Tijd (s)

Tijd (s)

Figuur 6.3: Golfhoogtes op diverse punten in het Beerkanaal. Links bij het kleine model, rechts bij het grote. Positie van boven naar beneden zoals weergegeven in figuur 6.1. Bestand: Afstudeerverslag.doc

blz. 25 van 67



6.2. Aantal panelen Met het kleine model is tevens gekeken naar de invloed van de mesh (het aantal panelen per oppervlak) van het model. Aangezie n de schepen al gebruikt zijn bij eerdere simulaties en vergelijkingen met modelproeven, worden deze verder niet nader bestudeerd. De grootte van de panelen op de kademuren kan echter nog wel een verschil in reflectie opleveren bij de simulaties. Aangezien er een limiet zit op het maximum aantal panelen dat ingevoerd kan worden in DELPASS, is er voor gekozen om de fijnere mesh niet over de hele haven toe te passen, maar alleen over dat deel dat belangrijk is voor de initiële reflectie van de golven bij de 8e petroleumhaven. Aangezien de kades in de 8e Petroleumhaven zelf al een relatief fijne mesh hebben, en de belangrijkste reflectie in de Europahaven en Yangtzehaven plaatsvindt, is er voor gekozen om een vergelijking te maken met het dubbele aantal panelen in dit gedeelte van de haven. De vergelijking is gedaan zowel aan de hand van de in de haven gemeten golfhoogtes, als aan de hand van de bewegingen van de stilliggende tanker. Beiden geven echter hetzelfde resultaat. Verschil schrik beweging (veel-weinig panelen)

Schrik beweging afgemeerd schip 0.60

0.40 0.20 0.00 -0.20 0

2000

4000

6000

-0.40

10000

Grove Mesh Fijne Mesh

-0.60 -0.80

8000

Tijd [s]

Figuur 6.4 Schrik beweging afgemeerd schip.

Verschil [m]

Amplitude [m]

0.60 0.40 0.20

0.00 -0.20 0

2000

4000

6000

8000

10000

-0.40 -0.60 -0.80

Tijd [s]

Grove mesh Fijne Mesh

Figuur 6.5 Verschil in beweging 2 modellen

Bovenstaande figuren tonen aan dat er inderdaad weinig verschil bestaat tussen de reflectie bij gebruik van de verschillende mesh. (figuur 6.4). Een kleine verschuiving in het spectrum van de beweging zorgt er voor dat een bepaalde harmonische component niet meegenomen wordt in de grove belegging. Dit wordt duidelijk aangetoond als we een verschil plot maken (figuur 6.5) tussen de bewegingen bij beide berekeningen. De grovere mesh geeft vaak een grotere uitkomst, dan wanneer de fijnere mesh gebruikt wordt. Aangezien de enige verschillen bij de uitkomsten bestaan uit een afvlakking van de pieken bij gebruik van een fijnere mesh, een niet significante faseverschuiving en een aanzienlijk verschil in rekentijd, wordt ervoor gekozen de grovere panelen belegging te gebruiken met dien verstande dat de gevonden maxima van bewegingen en golven kritisch bekeken moeten worden, met name omdat ze dus te grote waarden kunnen weergeven.

6.3. Detaillering van het model Eén van de aspecten waarbij met de modellering van de haven op gelet moet worden, is de mate van detaillering waarmee dit gedaan wordt. Zoals in paragraaf 6.2 al opgemerkt zit er een beperking aan het aantal panelen dat gebruikt kan worden. Aangezie n de reactie van de kade bij de 8e petroleumhaven één van de belangrijkere invloeden heeft, is er al voor gekozen om hier onder meer het talud en de ‘drempel’ onder de MOT-2 steiger weer te geven. Weglaten van deze elementen veroorzaakt uiteraard een andere beweging van het schip, maar zou afdoen aan de dempende werking die uitgaat van een schuine kade ten opzichte van een rechte kade muur. Dit wordt duidelijk geïllustreerd in figuur 6.6 waarin de bewegingen van het drijvende schip in drie bestudeerde modellen wordt weergegeven. De twee, in paragraaf 6.1, besproken modellen vertonen Bestand: Afstudeerverslag.doc

blz. 26 van 67



een soortgelijke beweging in de tijd (gelabeld groot en klein model). Terwijl een model dat alleen rechte wanden veronderstelt, een totaal ander beeld laat zien. (gelabeld “Vereenvoudigd model”). Hierbij is de dwarsscheepse beweging van het schip groter en de langsscheepse beweging kleiner. Dit wordt veroorzaakt door het voorspelde verlies aan demping ten gevolge van het talud onder de MOT. De stroming om het schip en de opgewekte golven zullen door een rechte wand directer teruggekaatst worden, voornamelijk in een richting recht op de muur (dwarsscheeps). Dit veroorzaakt een grotere beweging in die richting.

Beweging CoG 0 - 5000 sec.

2

1.5

Y (m)

1 0.5 0 -2.5

-2

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

-0.5 -1 X (m)

Groot model Klein Model Vereenvoudigd model

Figuur 6.6: Beweging Centre of Gravity van stilliggende schepen bij de MOT in verschillende havenmodellen.

Een volgend probleem is de beperkte invoer mogelijkheden van de diepte in de diverse delen van de haven. Zoals vermeld kan niet heel de bodemgeometrie exact worden nagebootst en kunnen er slechts een beperkt aantal waterdieptes worden opgegeven. Na bestudering van de dieptekaarten van het gebied, is besloten om de havens op te splitsen in twee delen, een diep (21,6 meter) deel en een ondiep deel (7,5 meter). Alhoewel het ondiepe gedeelte op vele plaatsen veel dieper is dan weergegeven is deze diepgang voornamelijk langs de kademuren en rond de MOT-2 steiger veelal juist. Alleen de Europahaven wordt hierdoor minder goed gemodelleerd. Er is tevens gekozen om het terrein voor offshore proefnemingen niet mee te nemen, aangezien eventuele stroming en golven hier in alle richtingen overheen zullen gaan zonder dat hierdoor veel zal veranderen.

6.4. Bepaling gebruikte tijdsduur simulatie De tijdsduur van de simulatie is zoals bij de beschrijving van de theorie uitgelegd, van belang voor het zogenaamde “uitnullen”. Aangezien het maximaal aantal stappen 1024 bedraagt, kan een keuze gemaakt worden tussen een duur van 127, 256 of 511 (2^n-1) tijdstappen om de vaart van het schip te simuleren. Zoals ook eerder vermeld is het aantal tijdstappen van belang voor de grootte (aantal seconden) van de tijdstap wat weer van belang is voor de stabiliteit van de berekening en het bepalen van een mogelijke oplossing. Praktisch is gekozen voor een vergelijking tussen 127 en 256 tijdstappen. Omdat vermoedt wordt dat een simulatieduur van 511 stappen teveel interferentie geeft van de periodieke herhaling van de frequentiecomponenten. Mocht blijken dat 256 stappen al zeer goede resultaten levert of juist niet


blz. 27 van 67



genoeg stabiliteit voor het oplossen van de vergelijkingen geeft, dan kan deze stap altijd nog overwogen worden. Een vergelijking tussen de twee mogelijkheden wordt gedaan op een vergelijkbare wijze als in de vorige paragraven beschreven is. In dit geval echter voornamelijk aan de hand van de beweging van het afgemeerde schip. In figuur 6.7 zijn voor beide stapgroottes de verzet-beweging van het vrijdrijvende schip weergegeven. Deze zijn beide identiek aan elkaar. Het verschil tussen de 2 lijnen (geplot in figuur 6.8) is vrijwel altijd minder dan 2% van de beweging. Surge beweging afgemeerd schip

0.03

0.2 0 -0.2 0

1000

2000

3000

-0.4 -0.6 -0.8

Tijd [s]

Dt=12.5 Dt=25 Dt=25, fijnere mesh

Figuur 6.7: Verzet beweging van het vrijdrijvende schip.

Verschil [m]

Amplitude [m]

0.4

Verschil Schrikbeweging grote tijdstap - kleine tijdstap

0.02 0.01 0.00 -0.01 -0.02

0

1000

2000

3000

Tijd [s]

Figuur 6.8: Verschil in bewegingen.

Aangezien de grootte van de tijdstap geen invloed heeft op de frequentieafhankelijke componenten, maar alleen een verschil veroorzaakt bij het terugrekenen naar het tijdsdomein én aangezien dit verschil zeer klein en niet veroorzaakt wordt doordat de gediscretiseerde vergelijkingen niet instabiel worden. Om de meeste nauwkeurigheid te verkrijgen en om de computertijd te beperken is gekozen om voornamelijk met 127 stappen te werken.

6.5. Uiteindelijke modellering haven Uiteindelijk leiden bovenstaande overwegingen tot de modellering van de haven zoals weergeven in figuur 6.9. Dit model bestaat uit 981 punten en 485 panelen en bevat 2 diepgangen, 22,6 en 7,5 meter. De schepen zijn er in gezet ter referentie en geven de positie weer van de schepen zoals gebruikt bij de simulatie met een passerend schip door het Beerkanaal.

Figuur 6.9: Uiteindelijke modellering haven, gezien onder een hoek om de x-as en z-as Bestand: Afstudeerverslag.doc

blz. 28 van 67



7.

Bepaling invloeden scheepvaart

7.1. Simulaties met passerende tankers In de eerste deel van de reeks simulaties is een tanker gemodelleerd die vrij drijvend naast de MOT 2 steiger ligt, terwijl er een andere tanker voorbij vaart. Hoewel deze situatie in de werkelijkheid niet voorkomt (er varen geen tankers van dit formaat door het Beerkanaal), is om verschillende redenen voor deze configuratie gekozen. De eerste reden is dat de hier gebruikte tanker, de al eerder genoemde tanker is waarvan de meeste gegevens en resultaten bekend zijn. De tweede reden is dat de gebruikte tanker een grote diepgang en een vrij hoge blokcoëfficiënt heeft. Deze twee dimensies zijn uit eerdere onderzoeken maatgevend gebleken voor de opgewekte golven, met name voor translatiegolven. Een laatste argument is nog het feit dat deze simulaties al eerder gedaan zijn in het kader van het onderzoek naar de juiste havengeometrie. Uiteindelijk is er voor twee series simulaties gekozen. Een schip dat door het Calandkanaal vaart en een schip dat door het Beerkanaal vaart, zowel heen als terug. De resultaten bestaan uit een serie vergelijkingen van de bewegingen van het stilliggende schip en uit een vergelijking van het golfsysteem dat opgewekt wordt door de varende schepen.

7.1.1. Simulatie “Calandkanaal” In figuur 7.1 is de baan van het varende schip weergegeven. Het schip vaart met een maximale snelheid van 7 knoop (3,6 m/s) in een rechte baan. De simulatie bestaat uit 127 tijdstappen van 25 seconden, waarvan er 40 worden gebruikt voor de versnelling en 40 voor het afremmen (beiden gestippeld weergegeven). De uiteindelijke positie van het schip is ook weergegeven in figuur 7.1.

Figuur 7.1: Baan van het varende schip (blauw) Versnelling en vertraging (gestippeld blauw) Weergegeven golfpunten (rood)

De resultaten van deze simulatie worden weergegeven door de bewegingen van het afgemeerde schip (figuren 7.2 en 7.3) en de golfhoogtes op enkele plaatsen in de haven (figuur 7.4). Bewegingen Afgemeerd Schip

Bewegingen Afgemeerd Schip

0.50 0.00 -0.50

0

2000

4000

6000 Surge Sway

-1.00 -1.50

Amplitude [m]

Amplitude [m]

1.00

0.04 0.03 0.02 0.01 0.00 -0.01 0 -0.02 -0.03

Tijd [sec]

Figuur 7.2: Verzet en schrik beweging vrijdrijvend schip


2000

4000

6000 Yaw

Tijd [sec]

Figuur 7.3: Gier beweging vrijdrijvend schip

blz. 29 van 67


Hoogte [m]


0.015 0.010 0.005 0.000 -0.005 0 -0.010 -0.015 -0.020 -0.025

Golfhoogten in de 8e Petroleumhaven

2000

4000

6000

MOT steiger 1 MOT begin steiger 2 MOT einde steiger 2

Tijd [sec]

Figuur 7.4: Golfhoogtes in de 8e Petroleumhaven.

In figuur 7.5 is de schrik beweging van het vrijdrijvende schip tegen de verzet beweging uitgezet. In feite is dit een weergave van de baan van het zwaartepunt (Center of Gravity, CoG) van het vrijdrijvende schip. Bij pieken en enkele andere belangrijke punten zijn tijdseenheden neergezet, zodat een idee gekregen wordt van de baan van het schip in de tijd. Opvallend hierbij is dat het schip maximaal 2 meter verzet en 1 meter schrikt en dat dit in een vrij lange tijd (1000 seconden) gebeurt. Dit zou een snelheid van ongeveer 2,2 millimeter per seconde. Dit betekent dat het vrijdrijvende schip een verwaarloosbare invloed ondergaat van een schip dat door het Calandkanaal vaart.

Beweging van CoG Run Calandkanaal 1.50 1.00

2175s. 4000s.

0.50

Y

1000s. -1.50

-1.00

-0.50 4500s. 3000s.

0.00 0.00 12500s. -0.50

0.50

1.00

1.50

1500s. -1.00 3175s. -1.50

X Figuur 7.5: Beweging CoG vrijdrijvend schip, enkele punten zijn gemarkeerd met een tijdsindex

Aangezien deze situatie in de werkelijkheid alleen voorkomt als een schip aan het afmeren is (met sleepboten), zal deze situatie geen enkel probleem kunnen opleveren. Mocht het schip afgemeerd liggen, dan zou eventueel de verplaatsing van 2 meter een probleem kunnen veroorzaken. Maar in deze situatie zouden ook de trossen meegenomen moeten worden in de simulatie, omdat deze hier als een veer het schip op zijn plaats houden. In appendix A zijn alle resultaten van de simulaties door het Calandkanaal weergegeven.


blz. 30 van 67



7.1.2. Simulatie Beerkanaal De tweede serie simulaties betreft een tanker vrijdrijvend liggend naast de MOT-2 steiger, maar nu met een zelfde tanker varend door het Beerkanaal. Alhoewel in dit deel van het Beerkanaal geen tankers van dit formaat varen, is deze simulatie gedaan vanwege de extreme situatie die dit oplevert. De gebruikte tanker is zowel langer en breder dan schepen die in werkelijkheid door het Beerkanaal varen. Wat misschien nog wel belangrijker is, is dat het schip een kleinere diepgang/waterdiepte verhouding heeft dan andere schepen in dit kanaal, in theorie ([1],[5, p.422] e.a.) een eigenschap die een grote invloed heeft op eventuele translatiegolven en op het stromingspatroon rond het schip. De tanker vaart in 127 tijdstappen van 12 seconden over de in figuur 7.6 weergegeven koers met een snelheid van 3,6 m/s. De eerste en de laatste 40 tijdstappen zullen weer gebruikt worden voor het versnellen en afremmen van het schip. De gemiddelde snelheid op dit deel van het traject is 1,8 m/s.

1.60 1.20 600s

900s

0.80

Y [m]

2100s

0.40 0s

-2.00

-1.50

-1.00

0.00 -0.50 0.00 -0.40 1500s

300s

X [m]

Figuur 7.6: Simulatie tanker door Beerkanaal Baan van het Schip (blauw) Golfmeetpunten (rood)

0.50

-0.80

Figuur 7.7: Beweging CoG van vrijdrijvend schip

De resultaten van deze simulatie zullen aan de hand van soortgelijke grafieken als in paragraaf 7.2 besproken worden. Zoals direct opvalt in figuur 7.7 is de uitwijking van het vrijdrijvende schip ongeveer 1,5 meter bij 2 meter. In tegenstelling tot de resultaten van de vaart door het Calandkanaal is de snelheid echter veel groter. In 300 seconden wordt nu een baan van 1,5 meter afgelegd. Dit geeft dus een snelheid van gemiddeld 0,5 cm/s. Aangezien de maximale naderingssnelheid tot de MOT steiger 4 cm/s is deze bijdrage niet verwaarloosbaar. Golfhoogten in de Maasvlakte

Bewegingen Vrij Drijvend Schip 2.00

0.020 0.010 0.000 -0.010 0

2000

4000

6000

MOT steiger 1 MOT begin steiger 2 MOT steiger 2

-0.020 -0.030

Tijd [sec] Figuur 7.8: Golfhoogtes op verschillende punten (zie fig.10.6)

Amplitude [m]

Hoogte [m]

0.030

1.00 0.00 0

2000

-1.00 -2.00

Tijd [sec]

4000 6000 Schrikken Verzetten Gieren Einde Run Schip Schip passeert MOT

Figuur 7.9: Beweging vrijdrijvende schip in de 8e Pet.

Wanneer we kijken naar de opgewekte golven in de bij de MOT (figuur 7.8) valt op dat deze overeenkomen met het primaire golfsysteem van het schip. De voornaamste bewegingen ontstaan tijdens de eerste 2000 seconden van de simulatie. Dit komt overeen met de verstoring die tegelijk met het varende schip aankomen (zoals ook blijkt in appendix A). Hierna treedt slechts een kleine reflectie op die nauwelijks invloed heeft op het afgemeerde schip. Bestand: Afstudeerverslag.doc

blz. 31 van 67



De in de inleiding genoemde translatiegolf is nauwelijks zichtbaar. In figuur 6.3, die met dezelfde simulatie is opgenomen, lijkt het of deze enigszins zichtbaar is in de 2e, 3e en 4e grafiek, voor het golfsysteem van het schip zelf is een kleine golf te zien van ongeveer 50 seconden lang die voor het schip uitloopt. In de overige grafieken is deze niet meer terug te vinden. De translatiegolf is zeer klein en niet meer zichtbaar op andere plaatsen dan op een paar punten in het Beerkanaal, de vraag is dan ook of dit daadwerkelijk een translatiegolf is, of eerder een golf ten gevolge van de rekenmethode. Dat er geen zichtbare translatiegolf ontstaat komt voornamelijk doordat de doorsnede van het kanaal in verhouding tot de doorsnede van het grootspant van het varende schip zeer groot is. [6 e.a.] In Appendix A worden deze en andere simulaties in soortgelijke grafieken weergegeven, met name het golfverloop in de diverse havens wordt daar duidelijker weergegeven en ook kort besproken.

7.2. Werkelijke verkeerssituaties Het uiteindelijke doel van deze studie is het bepalen van de invloed van passerende schepen op schepen die aan het afmeren zijn bij de Maasvlakte Olie Terminal. Hiervoor is het natuurlijk van belang om te bovenstaande simulaties te maken met de daadwerkelijke scheepvaart zoals die voorkomt in de Maasvlakte. Het is in de praktijk echter zo dat wanneer er een grote tanker aan het afmeren is bij de MOT het overige scheepvaartverkeer rond de Papegaaiebek en de 8e Petroleumhaven wordt stilgelegd. In Appendix B staat een uitgebreide opsomming van mogelijke scenario’s voor simulaties, gebaseerd op werkelijke verkeerssituaties. Al deze verkeerssituaties vonden plaats in de periode waarin ook de stromingsmetingen zijn verricht zodat deze hiermee later eventueel gevalideerd kunnen worden. Dit vergt echter wel een aanpassing van het huidige model met een uitbreiding met de mogelijkheid om een bocht te kunnen varen. Hiervoor is een subroutine in Delpass gecreëerd die is beschreven in appendix F. In deze subroutine kan de baan van het varende schip beschreven moet worden uit een verzameling van rechte lijnen en cirkels (of ellipsen) zodat niet voor elke tijdstap apart de exacte koers en positie van het schip handmatig moeten worden gedefinieerd. Een voorbeeld van een reële, veel voorkomende situatie is een containerschip dat gaat afmeren aan de Sealand terminal in de Europahaven. In dit geval wordt gekeken naar een containerschip dat uit het Calandkanaal om de Papegaaienbek heen vaart en stopt langs de kade van de Sealand terminal in de Europahaven.(figuur 7.10)

Figuur 7.10: Schematische voorstelling van een werkelijke vaarroute door de 1e Maasvlakte Bestand: Afstudeerverslag.doc

blz. 32 van 67



Om dit te kunnen modelleren zal het bestaande model van de haven aangepast moeten worden. Een schip kan namelijk niet door de muur van panelen varen die in het model was gebracht om het diepe en het ondiepe deel van de 1e Maasvlakte te scheiden. Daarom zal eerst gekeken moeten worden hoe een afgemeerd schip zich in de nieuwe situatie beweegt. Vervolgens zal deze situatie vergeleken worden met de reële run. 7.2.1. Nieuw model Maasvlakte 1 Zoals in de vorige paragraaf vermeld, zal in eerste instantie gekeken worden hoe een vrijdrijvend schip zich gedraagt in het nieuwe model van de 1e Maasvlakte. Het oude model bestond uit twee met elkaar communicerende delen, die gescheiden waren door een muur van panelen (figuur 7.11). Het nieuwe model beslaat hetzelfde gebied van de Rotterdamse haven, maar heeft nu slechts één diepgang (figuur 7.12). In navolging van het model voor de 2e Maasvlakte is deze diepgang 19,65 meter. Het oude model bestond uit 485 panelen, het nieuwe uit 411.

Figuur 7.11: Oud model van 1e Maasvlakte

Figuur 7.12: Nieuw model 1e Maasvlakte

Om te kunnen vergelijken of het model verandert is wordt in als eerste de simulatie van het schip dat door het beerkanaal vaart herhaalt met het nieuwe en daarna vergeleken met het oude model. De simulatie in het oude model is weergegeven in figuur 7.13, waarbij de blauwe lijn de baan van het schip weergeeft. Het onderbroken deel geeft aan dat het schip hier aan het versnellen, respectievelijk vertragen is. Het schip vaart van noord naar zuid. De voor deze simulatie gebruikte schepen zijn weergegeven in tabel 7.1. Het varende schip heeft een diepgang van 17,1 meter. Het afgemeerde schip een diepgang van 15,9 meter. 200 DWT tanker L B T ∇ Cb KG KB

92% 315 m 47,18 m 17,1 m 208400 m3 0,83 11,320 m 8,847 m

85% geladen 315 m 47,18 m 15,9 m 192608 m3 0,83 10,320 m 8,219 m

Tabel 7.1: Hoofdafmetingen varend en afgemeerd schip Beweging CoG

2.00 1.50

Y [m]

1.00

-2.50

0.50 -2.00

-1.50

-1.00

0.00 -0.50-0.500.00 -1.00

X [m] Figuur 7.13: Baan van het varende schip Bestand: Afstudeerverslag.doc

-1.50

0.50 oud nieuw

Figuur 7.14: Beweging zwaartepunt vrijdrijvend schip blz. 33 van 67



Figuur 7.14 geeft de beweging weer van het vrijdrijvende schip bij steiger 2 van de Maasvlakte Olie Terminal, zoals ook weergegeven in figuur 7.13. Zoals te zien is heeft de verandering in het model van de haven een kleine invloed op de beweging van het schip. Het schip beweegt ongeveer een halve meter meer in de lengterichting. De totale afgelegde baan van het schip blijft vrijwel hetzelfde. Doordat de ondiepte aan de west (links in figuur 7.13) zijde van het vrijdrijvende schip verdwenen is ondervindt het schip nu minder weerstand in die richting. Deze situatie is vergelijkbaar met het wegvallen van de kade bij de simulatie in de 2e Maasvlakte. De invloed van de verandering van het model is in ieder geval klein genoeg om een goede vergelijking met het onderzoek uit fase 1 mogelijk te maken.

7.2.2. Simulatie reële verkeerssituatie In deze paragraaf zal gekeken worden naar de invloed van een passerend schip dat een veel voorkomende koers vaart, op een schip dat vrijdrijvend ligt bij de 2e steiger van de Maasvlakte Olie Terminal. De reële verkeerssituatie bestaat uit een containerschip dat vanuit het Calandkanaal via het Beerkanaal naar de Sealand-terminal in de Europahaven vaart, om daar vervolgens af te gaan meren. Deze baan is weergegeven in figuur 7.15. De versnelling en vertraging zijn weergegeven door middel van de onderbroken lijn. Beweging CoG

4.00 3.00

Y [m]

2.00

-5.00

1.00 -4.00

-3.00

-2.00

0.00 -1.00-1.000.00 -2.00

X [m] Figuur 7.15: Baan van het varende schip

-3.00

1.00 oud nieuw reëel

Figuur 7.16: Beweging zwaartepunt vrijdrijvend schip

Zoals uit figuur 7.16 blijkt geeft de reële verkeerssituatie een andere beweging van het afgemeerde schip. Wat opvalt is dat de maximale uitwijking van het afgemeerde schip twee maal zo groot is als bij de oorspronkelijke simulatie (2x4 t.o.v. 1x2 meter). Dit is eenvoudig te verklaren door het feit dat het varende schip dichter bij het vrijdrijvende schip blijft. Tevens kan de stroming die van het varende schip afkomt eenvoudiger bij het vrijdrijvende schip komen, doordat het schip nu niet achter de bocht bij de ECT terminal verdwijnt, waardoor de stroming direct op het vrijdrijvende schip afgaat in plaats van te worden gereflecteerd op de kade. Het valt op dat de vorm van de beweging vrij constant blijft, ondanks dat de verstoring bij de reële baan van het varende schip, toch uit een andere richting komt. Dit is te verklaren door het de aanwezigheid van het talud onder steiger 2 van de MOT. Deze verhoging heeft een dempende werking op de dwarsbeweging van het schip, waardoor de beweging in de langsrichting versterkt wordt. Dit effect zal bij bestudering van de tweede Maasvlakte nader besproken worden.


blz. 34 van 67



7.2.3. Passerend containerschip Zoals eerder vermeld zijn er in de werkelijkheid geen tankers die de Europahaven binnenvaren, maar dat alleen containerschepen gebruik maken van deze haven. Uit de werkelijke verkeerssituaties de in de eerste paragraaf weergegeven zijn is al te zien dat het regelmatig voorkomt dat er containerschepen in en uitvaren terwijl er een tanker in de 8e Petroleumhaven aan het afmeren is. De baan die deze containerschepen varen komt overeen met de baan weergegeven in figuur 7.15. Om te bestuderen wat het effect is van een containerschip dat gaat afmeren aan de Sealand-terminal in de Europahaven, zullen hiermee enkele simulaties gedaan worden.. De meest maatgevende en degene die tevens het beste te vergelijken is met de voorgaande simulaties, is een simulatie waarbij het containerschip, dat bij het onderzoek naar de Euromax gebruikt is, eenzelfde baan aflegt als weergegeven in figuur 7.15. De hoofdafmetingen van het schip zijn weergegeven in tabel 7.2. Hoewel dit schip groter is dan de schepen die er op dit moment in de Europahaven afmeren, zal dit type schip hier in de nabije toekomst vaak te zien zijn. Beweging CoG

5.0 4.0 3.0

Y [m]

2.0 1.0

-6.0

-5.0

-4.0

-3.0

-2.0

0.0 -1.0 -1.0 0.0 -2.0 -3.0

X [m]

-4.0

1.0

nieuw reëel container

Future Post Panamax Lpp B T Cb ∇ Aw KG KB

100% geladen 370,0 m 60,0 m 17,0 m 0,64 239147 m3 17276 m2 14,50 m 9,266 m

Tabel 7.2: Gemodelleerd container schip

Figuur 7.17: Beweging zwaartepunt vrijdrijvend schip

Figuur 7.17 geeft de bewegingen van het vrijdrijvende schip bij steiger 2 van de Maasvlakte Olie Terminal als het containerschip langs vaart. In deze figuur zijn tevens de bewegingen weergegeven van de vorige twee besproken simulaties. In deze figuur is te zien dat de beweging van het vrijdrijvende schip wederom groter is ten gevolge van het passerende containerschip dan bij de passerende tanker. De beweging in langs richting is één meter toegenomen, terwijl ook de beweging in dwarsrichting een meter groter is geworden. Dit wordt alleen veroorzaakt door de grotere verstoring die het containerschip veroorzaakt, omdat dit schip een grotere waterverplaatsing heeft dan de eerder bestudeerde tanker.


blz. 35 van 67



7.3. Afmeersystemen 7.3.1. G.F.M. Remery [10] In dit verslag is een aantal malen vermeld dat afmeerlijnen de bewegingen van de vrijdrijvende schepen kunnen verminderen. In de praktijk is dit uiteraard het geval, maar in de hier gebruikte modellering is dit tot nu toe nog niet aangetoond. De reden hiervoor is dat de modellering van afmeerinstallaties (trossen, fenders, bolders e.d.) niet eenvoudig is vanwege de vele factoren die hier bij komen kijken. DELPASS heeft de mogelijkheid om een lineair veer systeem aan te brengen in het model. Een schip kan verbonden worden met een lineaire veer voor alle graden van vrijheid. De veer grijpt aan in het zwaartepunt van het schip. Tevens is er de mogelijkheid om demping aan te brengen. Dit leidt tot:

F = ( M + a ) &x& + cx& + kx

[7.1]

Waarin: F = kracht op het schip M = massa van het schip a = toegevoegde massa van het schip c = demping k = veerconstante

[N] [kg] [kg] [kg/sec] [N/m]

Door voor verschillende richtingen een veerconstante te definiëren kan een afmeersysteem benaderd worden. G.F.M. Remery [10] heeft uitgebreid onderzoek gedaan naar de afmeersystemen van schepen. Een kleine vergelijking (figuur 7.18) laat zien dat de benadering van DELPASS vrij nauwkeurig is. Deze vergelijking is gemaakt voor de situatie, beschreven in [10], waarbij een 30 MDWT tanker op 30 meter afstand een 100 MDWT tanker passeert. Voor details van de exacte voorwaarden wordt verwezen naar [10]. Een uitgebreidere vergelijking van DELPASS en G.F.M. Remery [10] is te vinden in M. Bos [15]. Noot: De waarden op de x en y-as van figuur 7.18 zijn dimensieloos gemaakt volgens:

Dwarskracht Delpass Remery

Kracht [-]

50 40 30 20 10 0 -10 -3 -20 -30

X-as:

-2

-1

0

1

2

3

Y-as:

FY V2

 m2  kN ⋅ sec 2  x

  

1 ( L1 + L2 ) 2

Positie van passerend schip [-] Figuur 7.18 vergelijking Remery [10] met DELPASS

In de volgende paragrafen zal getracht worden aan te tonen dat een deugdelijk afmeersysteem de in de vorige hoofdstukken gevonden bewegingen van vrijdrijvende schepen kan terugdringen tot binnen de gewenste marges. Voor het gemak zal worden uitgegaan van een gewenst maximum van een halve meter. Dit komt globaal overeen met eisen die gesteld worden aan de bewegingen van schepen die aan het laden of lossen zijn bij een containerterminal. Bestand: Afstudeerverslag.doc

blz. 36 van 67



7.3.2. Reële verkeerssituatie In fase 1 van dit rapport is ontdekt dat de grootste bewegingen van een vrijdrijvend schip bij steiger 2 van de MOT ontstaan bij de reële verkeerssituatie. In deze paragraaf wordt getracht een simpele voorstelling te maken van een afmeerconfiguratie van de vrijdrijvende tanker. Het doel van deze voorstelling is te bepalen of een eenvoudig afmeersysteem de bewegingen van het schip kan terugbrengen tot aanvaardbare proporties. Het schip wordt veronderstelt afgemeerd te zijn met 6 lijnen, globaal weergegeven in figuur 7.19. Ieder van deze lijnen wordt beschreven door een veer met een stijfheid van 600 kN/m. (ong. 60 ton). De totale veerstijfheid komt voor deze configuratie uit op 1200 kN/m inde lengterichting en 1200 kN/m in de dwarsrichting. Hierbij wordt uitgegaan van het feit dat in de lengterichting op één moment slechts de helft van de trossen een bijdrage levert, terwijl in de dwarsrichting alle trossen een bijdrage leveren. Tevens is aan het systeem een demping toegevoegd ter grootte van 5 % van de kritische demping. De kritische demping is bepaald door uit te gaan van een toegevoegde massa van 15% van de totale massa van het schip. De configuratie van het afmeersysteem is gebaseerd op onderzoek uitgevoerd door het Waterloopkundig laboratorium [16] en Alkyon [17]. Figuur 7.20 geeft een beeld van de beweging van het zwaartepunt van een schip dat afgemeerd is aan steiger 2 van de MOT. De simulatie is exact gelijk aan die beschreven in paragraaf 7.3.2, waarvan de resultaten zijn weergegeven in figuur 7.17. Figuur 17.20 laat zien dat met deze meerlijnen de beweging van het schip wordt gereduceerd tot een beweging parallel aan de kade, met een maximale uitwijking van 0,8 meter. In deze figuur valt ook op dat de demping van het systeem onderschat is, aangezien de beweging sterk heen en weer springt. Figuur 7.21 geeft een opname in de tijd van de krachten die op de meerlijnen werken. Hieruit blijkt dat er een kracht van maximaal 160 kN op het totale systeem werkt. Er wordt niet nader ingegaan op de vraag hoe deze kracht over de lijnen is verdeeld, maar deze waarden zijn niet groot in vergelijking met de resultaten van [16] en [17]. Beweging van CoG Reële situatie met afmeersysteem 1.2

Y [m]

0.8 0.4 0.0 -1.0

-0.5

-0.4 0.0

0.5

1.0

-0.8 -1.2 X [m]

Figuur 7.19: Ruwe schets afmeerconfiguratie `

-6.0

Afmeerkracht in X-richting

5.0 4.0

200

3.0 2.0

150

1.0 -5.0

-4.0

-3.0

-2.0

0.0 -1.0 -1.0 0.0 -2.0 -3.0

X [m]

-4.0

Figuur 7.17: Beweging zwaartepunt vrijdrijvend schip.


1.0

nieuw reëel container

Kracht [kN]

Y [m]

Beweging CoG

Figuur 7.20: Beweging CoG afgemeerd schip.

100 50 0 -501000

1200

1400

1600

1800

2000

-100 -150

Tijd [s]

Figuur 7.21: Krachten op afmeerlijnen X-richting

blz. 37 van 67



Een afmeersysteem bevat meestal een fender. Een fender wordt meestal beschreven door een wrijvingscoëfficiënt inde langsrichting van het schip. Aangezien DELPASS deze mogelijkheid niet bevat, wordt de fender hier gemodelleerd door een de veerconstante in beide richtingen te verhogen. Een fender kan in de Y-richting van het scheepsvaste assenstelsel slechts één kant op kan werken, namelijk bij een beweging richting de kade, toch is deze invloed meegenomen door een verhoging van de veerstijfheid in deze richting. In de langsrichting (X-richting) wordt een extra waarde van 100 kN/m meegenomen om de fender te modelleren. De totale veerstijfheid voor de X-richting bedraagt hierdoor 1300 kN en voor de Y-richting 2200 kN. Aangezien de totale kracht op het schip gelijk blijft, zal deze versterking van het afmeersysteem leiden tot een verkleining van de bewegingen van het schip. Dit is duidelijk te zien in figuur 7.22 waarin de bewegingen van het zwaartepunt van het afgemeerde schip te zien zijn. De maximale uitwijking bedraagt nu niet meer dan 0,2 meter. Beweging van CoG Reële situatie met afmeersysteem incl. fender 0.3

Y [m]

0.2 0.1 -0.6

-0.4

0.0 -0.2 -0.10.0

0.2

0.4

0.6

-0.2 -0.3 X [m]

Figuur 7.22: Beweging afgemeerd schip incl .fender.

De hier gevonden krachten en bewegingen op de afgemeerde schepen, staan in redelijke verhouding tot de gevonden krachten en bewegingen in de eerder aangehaalde studies van het Waterloopkundig Laboratorium [16] en Alkyon [17]. De hier gevonden waarden moeten niet als exacte waarden gezien worden. In dit hoofdstuk is alleen getracht aan te tonen, dat de in eerdere paragrafen berekende bewegingen van vrijdrijvende schepen, door het aanbrengen van een afmeersysteem, tot redelijke waarden terug zijn te brengen. Voor de exacte bepaling van de invloed van trossen en fenders zou een diepgaander onderzoek nodig zijn. Tevens zou gedacht moeten worden de mogelijkheden hiervoor binnen DELPASS uit te breiden. Dit zou gedaan kunnen worden door de mogelijkheid van het invoeren van wrijvingscoëfficiënten die werken als een functie van de optredende kracht. Tevens zou gedacht kunnen worden aan het implementeren van kwadratische functies voor de trossen en eventueel de mogelijkheid om bij overschrijding van een bepaalde minimum of maximum waarde de troskracht te reduceren tot nul. Immers als een tros slap komt te hangen of breekt zal deze geen rol meer spelen in het tegengaan van de beweging van het schip. Ten slotte verdient het aanbeveling om nader te bestuderen hoe groot de in werkelijkheid optredende troskrachten zijn. De aangehaalde studies [16,17] naar afgemeerde schepen geven hierover ook geen uitsluitsel.


blz. 38 van 67



8.

Vergelijking resultaten met metingen

Door de dienst Beheer Water en Bodem van het HbR zijn naar aanleiding van de problematiek bij de MOT een reeks metingen gedaan naar de stroming bij deze steigers. Dit is gedaan door twee meetinstrumenten op de bodem bij zowel steiger 1 als 2 van de MOT te plaatsen. Deze meetinstrumenten zijn opgesteld op de bodem van de haven en meten door middel van drie radargolven de stroomsnelheid aan de hand van de stroomsnelheid van de deeltjes in het water. Dit instrument meet in 10 minuten honderd maal de stroomsnelheid en schrijft de gemiddelde snelheid, richting en meethoogte (t.o.v. de bodem) over deze 10 minuten weg. Deze gemiddelden worden vervolgens uitgelezen en verwerkt in een figuur zoals hieronder weergegeven. 8ph MOT Stroomsnelheid -5 NAP 200

360

160

120 270

0

...

...

3 -0 -5 19

03 -518

...

-40

180

Stroomrichting in graden

40

03 -517

Stroomsnelheid in cm/s

80

-80 90 -120

-160 -200

0 Tijd in MET

punt1 snelheid

punt 2 snelheid

10 minuut waterstand Beerkanaal

punt1 richting

punt2 richting Bron:GHR/Fac/Watersystemen

Figuur 8.1: Weergave stromingsmetingen MOT

Nadeel van deze weergave is dat de stroomrichting niet kan worden weergegeven en dat de snelheid op een vast punt ten opzichte van NAP wordt weergegeven in plaats van een bepaalde diepgang. Tevens vormt het grote tijdsinterval (10 min.) tussen de meetpunten een belemmering voor een vergelijking met het rekenmodel. Daarnaast kan de waterhoogte op een bepaald tijdstip niet vastgesteld worden. Uit deze metingen is voorlopig wel gebleken dat er op sommige momenten een verschil in stroming bestaat tussen beide meetpunten. Dit verschil is zodanig van grote en richting dat dit mogelijk een verklaring vormt voor het optreden van plotselinge gierversnellingen bij schepen die aan het afmeren zijn. Vooral als de achtersteven van het schip nog in de stroming van het beerkanaal ligt en het voorschip zich al in de 8e Petroleumhaven bevindt. Uit kwantitatief onderzoek is gebleken dat eventuele optredende pieken in de stromingsmetingen niet toe te schrijven zijn aan passerende schepen in dat gebied en een zuiver natuurlijk fenomeen zijn. De getijdenstroming, die bij laag water uit het Beerkanaal komt, blijkt zich bij een bepaalde snelheid bij de Papegaaienbek te splitsen in twee richtingen; één het Calandkanaal in richting Noordzee en één in de richting van de 8e Petroleumhaven. Deze laatste stroming zorgt mogelijk voor een plotselinge toename van de naderingssnelheid van de tankers.


blz. 39 van 67



Een andere benaderingsroute voor de steigers van de Maasvlakte Olie Terminal is als oplossing van het probleem naar voren gekomen.


blz. 40 van 67



9.

Conclusies

In de eerste fase van het afstudeeronderzoek zijn de modellering voor de eerste Maasvlakte en de problematiek vastgesteld. Het doel van dit afstudeerproject is het bestuderen en het voorspellen van het gedrag van translatiegolven in het havengebied van Rotterdam, met name in het gebied rond de Maasvlakte Olie Terminal (MOT). Voor de bestudering van de invloeden van de passerende schepen op schepen die aan het afmeren zijn, zal gebruik gemaakt worden van het rekenmodel DELPASS, dat ontwikkeld is door de vakgroep Hydromechanica aan de Technische Universiteit Delft. Dit model maakt gebruik van een “double body” model voor de bepaling van de initiële verstoring door het varende schip. Vervolgens wordt met een diffractie berekening in het frequentiedomein de invloed van de omgeving op het afgemeerde schip meegenomen. Translatiegolven lijken geen rol te spelen bij de beweging van het vrijdrijvende schip bij steiger 2 van de Maasvlakte Olie Terminal. Deze zijn nauwelijks zichtbaar aanwezig en verspreiden zich niet zichtbaar in de havens langs het Beerkanaal. De verklaring hiervoor is het feit dat de doorsnede van het kanaal in verhouding tot de doorsnede van het schip zeer groot is. Een schip dat door het Calandkanaal vaart zou in het ergste geval een beweging van een vrijdrijvend schip bij steiger 2 van de MOT van 1 meter in de langsrichting en 0,5 meter in de dwarsrichting kunnen veroorzaken. Dit is makkelijk op te vangen door een goed afmeersysteem. Een tanker die door het Beerkanaal vaart veroorzaakt een beweging bij een zelfde vrijdrijvende schip van 1,5 meter in de langsrichting en 1,5 meter in de dwarsrichting. Bij een simulatie met een reëlere verkeerssituatie, waarbij een containerschip vanuit het Calandkanaal naar de Europahaven vaart beweegt ditzelfde vrijdrijvende schip 3 meter in dwarsrichting (6 meter totaal) en 5 meter in langsrichting (één richting op). Al deze bewegingen gelden voor een vrijdrijvend schip, een standaard afmeersysteem is voldoende om deze bewegingen op te vangen en tot aanvaardbare waarden, afhankelijk van de situatie, tot minder dan 0,5 meter, terug te dringen. De gedane stromingsmetingen in de 8e Petroleumhaven zijn niet bruikbaar voor een validatie van het rekenkundig model in DELPASS. Uit deze metingen is echter wel gebleken dat de te hoge naderingssnelheden bij schepen die aan het afmeren zijn in de 8e Petroleumhaven, waarschijnlijk worden veroorzaakt door de getijdenstroming in het Beerkanaal. Een andere benaderingsroute van de steigers van de Maasvlakte Olie Terminal heeft geleid tot een oplossing van dit probleem.


blz. 41 van 67



Fase 2: Tweede Maasvlakte 10.

Inleiding

In de eerste fase werd de invloed van varende schepen op schepen die afgemeerd waren aan de Maasvlakte Olie Terminal bestudeerd, waarbij de nadruk lag op mogelijke opgewekte translatiegolven, die ontstaan door de verstoring van de stationaire stroming rond een varend schip. De volgende stap is het bestuderen van de nieuwe geometrie van de 2e Maasvlakte. Hierbij is het tevens interessant om te kijken naar schepen die in dit vaarwater aan de kade van de toekomstige Euromax treminsal zijn afgemeerd. In dit deel van het rapport wordt de zogenaamde “doorsteekvariant” van de 2e Maasvlakte onder de loep genomen. Bij deze variant varen schepen via het Calandkanaal, het Beerkanaal door de Yangtzehaven de 2e Maasvlakte binnen. Hierbij wordt de huidige Yangtzehaven verbreedt en verdiept. De voorlopige indeling van dit nieuwe havengebied wordt voorlopig als in figuur 10.1 weergegeven. Deze plannen zijn nog niet definitief vastgelegd. Het onderzoek naar de Yangtzehaven lijkt in vele opzichten op het eerdere onderzoek naar translatiegolven bij duwbakcombinaties in het Hartelkanaal [7]. Aangezien het hier ook een vrij lang en recht kanaal met relatief grote schepen betreft. Dit rapport behandelt twee aspecten met betrekking tot schepen die door de Yangtzehaven de 2e Maasvlakte opvaren. In het eerste deel wordt gekeken naar eventuele opgewekte translatiegolven, het tweede deel bekijkt de directe invloed van het passerende schip op een schip dat langs de kade is afgemeerd.

Figuur 10.1:Doorsteekvariant 2e Maasvlakte


blz. 42 van 67



11.

Translatiegolven in de 2e Maasvlakte

11.1. Modellering 2e Maasvlakte Bij het modelleren van de 2e Maasvlakte is uitgegaan van de zogenaamde doorsteekvariant, waarbij zee- en binnenvaartschepen door de verbrede en verdiepte Yangtzehaven de 2e Maasvlakte kunnen bereiken. Hierbij is uitgegaan van de plannen van 1 februari 2003. Deze situatie is weergegeven in figuur 10.1. Een doorsnede van de Yangtzehaven is weergegeven in figuur 11.1.

Figuur 11.1: Doorsnede Yangtzehaven bij doorsteekvariant 2e Maasvlakte

De modellering van deze variant wordt weergegeven in figuur 11.2. Hierbij zijn dezelfde afwegingen en overwegingen gemaakt als bij in fase 1, voor zover dit de modellering betrof. Hierbij moet vooral gedacht worden aan de hoeveelheden panelen en het wel of niet meenemen van aanwezig talud en andere verfijningen. Dit heeft geleid tot het model zoals weergegeven in figuur 11.2.

Figuur 11.2: Modellering 2e Maasvlakte

Dit model bestaat uit 1101 punten en 539 panelen, iets meer dan het model gebruikt in fase 1 (981 punten, 485 panelen). Bestand: Afstudeerverslag.doc

blz. 43 van 67



Het talud uit figuur 11.1 in de Yangtzehaven is meegenomen omdat dit de kanaaldoorsnede aanzienlijk verkleint (ongeveer 10%) en zoals eerder is gebleken ([7]) is voornamelijk de verhouding tussen de grootspant doorsnede van het schip en de kanaaldoorsnede belangrijk voor eventuele opgewekte translatiegolven. Ten tweede moet opgemerkt worden dat het panelen rooster ter hoogte van de toekomstige Euromaxterminal (noordzijde van de Yangtzehaven) verfijnd is ten opzichte van de overige panelen. Dit voornamelijk vanwege het feit dat in het tweede deel van deze fase op dit gedeelte de afgemeerde schepen komen te liggen. Zoals blijkt uit onderstaande figuren (figuur 11.3 en 14.4) is er weinig verschil in de bewegingen tussen een schip dat afgemeerd is bij de kademuur met een fijne panelen belegging (140 panelen (figuur 11.4)) en met de grovere panelen belegging (35 panelen (figuur 11.3)). Door de verfijning is de fout in de benadering wel iets afgenomen, waardoor de maximum uitwijkingen (zowel in X als Y richting) toch behoorlijk is afgenomen (10%). Beweging van CoG

Beweging van CoG

Grof model

Verfijnd model met talud

1.0

1.0

-10.0

-5.0

-1.0 0.0 -2.0 -3.0

5.0

10.0

Y [m]

Y [m]

0.0 -10.0

-4.0

-5.0

0.0 -1.00.0

5.0

10.0

-2.0 -3.0 -4.0 -5.0

-5.0

X [m]

X [m]

Figuur 11.3 & 4: Beweging zwaartepunt v/e schip afgemeerd langs (11.3) grof gemodelleerde Euromax terminal (11.4). Idem voor fijnere modellering.

Aangezien de maximale uitwijking bepalend is voor de maximaal optredende troskrachten die later worden bestudeerd, is gekozen om met de verfijning te werken. De extra rekentijd weegt in dit geval niet op tegen de toegenomen nauwkeurigheid. Ten slotte valt op dat de afscheiding tussen het diepe en het ondiepe deel bij de 8e petroleumhaven is komen te vervallen. Hiermee valt tevens het, in fase 1 besproken, drempel effect weg. Deze scheiding is verwijderd met het oog op de voorbij varende schepen. Om eventuele instationare verschijnselen te onderzoeken die optreden bij het binnenvaren van de Yangtzehaven, is het beter dat zogenoemde opstart effecten enigszins uitgedempt zijn. Wanneer het varende schip niet meer versneld, maar met een constante snelheid de Yangtzehaven binnen vaart, betekend dit dat op dat moment het enige instationare effect de verandering van de geometrie betreft en niet meer die van de snelheid van het schip. Hiervoor is een aanloop traject nodig dat voorbij de voormalige afscheiding van de twee waterdiepten begint. In de panelenmethode is het niet mogelijk om door deze barrière heen te varen, omdat dit in principe een dubbele kademuur is, waar aan de ene zijde de inkomende potentiaal aan de andere zijde wordt doorgegeven. Zou het schip hier doorheen varen, dan gebeurt hetzelfde als het schip in een kade van het haven model zou varen, waardoor de normaalsnelheid op de panelen van de haven negatief wordt en er vervolgens fouten optreden in de uitvoer, die worden weergegeven in de vorm van drukpieken. In de plannen voor de 2e Maasvlakte is er ook sprake van om de MOT-2 steiger te verplaatsen, dit gecombineerd met het feit dat het diepte verschil tussen de beide stukken afneemt zorgt ervoor dat deze vereenvoudiging weinig af doet aan de modellering van de werkelijke havengeometrie.


blz. 44 van 67



11.2. Translatiegolven Yangtzehaven (tanker) Zoals in fase 1 vermeld worden translatie golven veroorzaakt door een verstoring van de stationaire stroming rond een schip. Dit kan een verandering in de snelheid zijn, maar ook een verandering in de omgeving van het schip. Bij bestudering van de geometrie van de 2e Maasvlakte lijkt de Yangtzehaven één van de meest voor de hand liggende plaatsen om te zoeken naar het optreden van translatiegolven. Zodra een schip de Yangtzehaven binnenvaart (vanuit de eerste Maasvlakte) ondergaat deze een verandering in de omgeving vergelijkbaar met die in [7]. Bij dit deel van het onderzoek wordt uitgegaan van de bij fase 1 gebruikte tanker (tabel 11.1), die met een snelheid van 7 knopen (3,6 m/s) de Yangtzehaven binnen vaart. De tanker wordt in twee runs met een verschillende beladingtoestand vergeleken, om tegelijk te kunnen vergelijken wat de invloed van het oppervlak van de onderwaterdoorsnede van het grootspant is op de ontstane golven. De diepgang van de tanker is zo gekozen dat de verhouding voor de diepste tanker diepgang/waterdiepte 1,15. De tanker vaart 127 stappen à 19,5 seconden, met 40 stappen voor versnelling en 40 voor vertraging. De simulatie wordt aangevuld met nullen tot 1024 stappen. De positie van het schip wordt zo gekozen dat deze op volle snelheid is voor het binnenvaren van de Yangtzehaven. Dit is gedaan om te zorgen dat de verstoring van de versnelling niet bijdraagt aan de verandering van de stroming rond het schip. 200 DWT tanker L B T ∇ Cb Aw KG KB

92% 315 m 47,18 m 17,1 m 208400 m3 0,83 13215 m2 11,320 m 8,847 m

Tabel 11.1: Gemodelleerde tanker

85% geladen 315 m 47,18 m 15,9 m 192608 m3 0,83 13097 m2 10,320 m 8,219 m Figuur 11.5: Koers en Golfmeetpunten Yangtzehaven

De baan van het varende schip is in figuur 11.5 weergegeven, de onderbroken lijnen markeren de trajecten waarin het schip versneld, respectievelijk vertraagd wordt. De genummerde punten in figuur 11.5 geven punten aan waar de golfhoogte tijdens de simulatie wordt gemeten. Voor punten 4 t/m 7 zijn de gegevens weergegeven in figuren 11.6 t/m 9 en tabel 11.2. Meetpunt

X

Y

4 5 6 7

-1964 -2636 -3308 -3980

-1175 -904 -632 -361

Afstand tot Tijdstip begin pos. schip passeren schip 2575 1105 3300 1307 4025 1508 4750 1709

Tijdstip pas. golf noord 1042 1192 1341 1490

Tijdstip pas. golf zuid 999 1148 1298 1447

Tabel 11.2: Gegevens meetpunten

Bij bestudering van de geometrie van de haven, zijn er twee duidelijke punten te definiëren waarbij de geometrie dusdanig verandert, dat dit kan leiden tot een verstoring van de omstroming van het schip en er dus een translatiegolf zou kunnen ontstaan. Het eerste punt is het passeren van het begin van de noordelijke kade van de Yangtzehaven, het tweede punt is het passeren van het begin van de zuidelijke kade. De golven die hierbij zouden ontstaan worden aangeduid met respectievelijk “golf noord” en “golf zuid”. Gezien de golfhoogtes die gemeten zijn in de bovenstaande 4 punten, wordt uitgegaan van een golfsnelheid van 13,9 m/s (Appendix B). Met deze snelheid is berekend op welk moment een Bestand: Afstudeerverslag.doc

blz. 45 van 67



translatiegolf, opgewekt door één van de twee bovenstaande instationaire veranderingen, langs één van deze punten zou moeten lopen. Punt 5

0.20

0.20

0.10

0.10

0.00 800 -0.10

1000

1200

1400

1600

1800

Hoogte [m]

Hoogte [m]

Punt 4

-0.20

0.00 800 -0.10

1000

1400

1600

1800

1600

1800

-0.20

-0.30

-0.30

Tijd [s]

Tijd [s]

Punt 6

Punt 7

0.20

0.20

0.10

0.10

0.00 800 -0.10

1000

1200

1400

-0.20

1600

1800

Hoogte [m]

Hoogte [m]

1200

0.00 800 -0.10

1000

1200

1400

-0.20

-0.30

Tijd [s]

-0.30

Tijd [s]

Figuren 11.6 t/m 11.9: (11.6) golfhoogte in punt 4, (11.7) punt 5, (11.8) punt 6 en (11.9) punt 7 Legenda:

tijdstip waarop schip passeert tijdstip waarop golf noord zou passeren T= 17,1m T=15,9m

idem, golf zuid

Uit de grafieken in de figuren 11.6 t/m 9 blijkt dat er zich geen laagfrequente golven, in een ruime marge om deze tijdstippen heen, los lijken te maken van het schip. Dit betekent dat er géén zichtbare translatiegolven ontstaan door het binnenvaren van de Yangtzehaven. Waarschijnlijk komt dit doordat de verhouding tussen de doorsnede van het kanaal en de doorsnede van het schip nog steeds te groot is, waardoor de invloed van de kades op de omstroming van het schip verwaarloosbaar klein wordt. Tevens blijkt dat de verschillende beladingtoestanden van de schepen weinig invloed hebben op de vorm van het golfpatroon. Uiteraard zit er wel een klein verschil in de hoogten van de opgewekte golven, maar dit is pas van belang als we gaan kijken naar de invloed van deze golven op afgemeerde schepen.


blz. 46 van 67



11.3. Translatiegolven Yangtzehaven (container) Aangezien er waarschijnlijk geen olie tankers door de Yangtzehaven zullen gaan varen, maar wel nieuwe generatie containerschepen. Is het ook interessant om te kijken wat voor golfpatroon deze schepen opwekken in de Yangtzehaven. Theoretisch gezien maakt voor het opwekken van translatiegolven de vorm nauwelijks uit en zou dit alleen van invloed moeten zijn door de weerstandsgolven van het schip. De hoofdafmetingen van deze 12,000 TEU schepen worden weergegeven in tabel 11.3. Een volledig panelenmodel van dit schip is te zien in Appendix C. Future Post Panamax Lpp B T Cb ∇ Aw KG KB

100% geladen 370,0 m 60,0 m 17,0 m 0,64 239147 m3 17276 m2 14,50 m 9,266 m

Tabel 11.3: Gemodelleerd container schip

Figuur 11.10: Panelenmodel Containerschip

De resultaten van de simulatie worden weergegeven in de figuren 11.11 t/m 11.14, hier zijn de resultaten van het containerschip gestippeld weergegeven, terwijl de doorgetrokken lijn de resultaten van de tanker uit paragraaf 11.2 weergeven. In deze figuur valt op dat, net als bij het diepgangsverschil bij de tankers, ook hier een nauwelijks ander golfpatroon in de haven ontstaat. Door de grotere waterverplaatsing van het schip ontstaan er wel grotere golven ter plaatse van het schip, maar hiervoor en hierna treedt nauwelijks verschil op. Punt 5

0.20

0.20

0.10

0.10

0.00 800

1000

1200

1400

1600

1800

-0.10

Hoogte [m]

Hoogte [m]

Punt 4

-0.20

0.00 800 -0.10

1000

1400

1600

1800

1600

1800

-0.20

-0.30

-0.30

Tijd [s]

Tijd [s]

Punt 6

Punt 7

0.20

0.20

0.10

0.10

0.00 800 -0.10

1000

1200

1400

-0.20

1600

1800

Hoogte [m]

Hoogte [m]

1200

0.00 800 -0.10

1000

1200

1400

-0.20

-0.30

Tijd [s]

-0.30

Tijd [s]

Figuren 11.11 t/m 11.14: (11.11) golfhoogte in punt 4, (11.12) punt 5, (11.13) punt 6 en (11.14) punt 7 Legenda:

tijdstip waarop schip passeert tijdstip waarop golf noord zou passeren Tanker T = 17,1m Container Schip


blz. 47 van 67

idem, golf zuid



11.4. Translatiegolven overige havens Naast de verstoring van de omstroming van een schip bij het invaren van de Yangtzehaven, is ook de versnelling van het schip een instationair verschijnsel dat een mogelijke translatiegolf zou kunnen veroorzaken. In de doorsteekvariant van de 2e Maasvlakte zijn twee punten vast te stellen waar schepen zullen versnellen en vertragen. In eerste instantie zal een schip gaan versnellen nadat de Papegaaienbek gerond is en men recht voor de Yangtzehaven ligt. Een schip zal aan het einde van de Yangtzehaven moeten vertragen, om zo de bocht te kunnen ronden naar de rest van de 2e Maasvlakte. Beide instationaire verschijnselen zouden mogelijk tot translatiegolven kunnen leiden. Zoals ook bij het onderzoek naar het Hartelkanaal [7] is gebleken, waarbij bij schepen die afremmen voor een bocht hun “meelopende golfdal” verliezen en deze als translatiegolf zijn weg onafhankelijk vervolgt door het kanaal. Om dit te onderzoeken is de simulatie met de tanker met een diepgang van 15,9 meter een aantal malen herhaalt, waarbij steeds is gekeken naar het golfverloop in een ander deel van de 2e Maasvlakte, alsmede de Europahaven en de 8e Petroleumhaven. In appendix C zijn de volledige gegevens weergegeven. In deze paragraaf worden alleen de grafieken aangehaald die benodigd zijn voor de bespreking van het verloop van de golfsystemen. 11.4.1. Golfverloop 2e Maasvlakte Het varende schip in de simulatie begint te varen op tijdstip 0 en is 2476,5 seconden later volledig tot stilstand gekomen in zijn eindpositie zoals weergegeven in figuur 11.5. Zoals in figuur 11.15 te zien is, is er op dit eindpunt al nauwelijks sprake meer van enige golven. Punt D.10 0.20

0.10

0.10

0.00 0

1000

2000

-0.10 -0.20

Tijd [s]

Figuur 11.15: Golfhoogtes in meetpunt 9

3000

Hoogte [m]

Hoogte [m]

Punt 9 0.20

0.00 0

1000

2000

3000

-0.10 -0.20

Tijd [s]

Figuur 11.16: Golfhoogtes in meetpunt D.10

De enige nog zichtbare golf in figuur 11.15 is de verstoring door de versnelling van het schip. Deze wordt rond 1000 seconden zichtbaar in dit punt. Deze lange zeer lage golf blijft in heel de 2e Maasvlakte zichtbaar en plant zich voort met een snelheid van ongeveer 14 m/s, wat gelijk is aan de in Appendix B voorspelde snelheid voor dit soort golven in ondiep water. Figuur 11.16 geeft een meetpunt weer aan het einde van de 2e Maasvlakte, waar deze golf 5 kilometer (360 seconden later) door de kade gereflecteerd wordt en dus tijdelijk versterkt. Deze golf zal in de praktijk nauwelijks merkbaar zijn of misschien niet voorkomen aangezien de versnelling van het schip veel minder extreem is en doordat de verstoring door het opstarten van het schip voornamelijk een gevolg is van de gebruikte rekenmethode.


blz. 48 van 67



11.4.2. Golfverloop Europahaven en 8e Petroleumhaven In de simulaties in paragraaf 11.2 vaart de tanker vrij dicht langs de 8e Petroleumhaven en tevens langs de ingang van de Europahaven. Hierdoor zal een schip dat afgemeerd is in één van beide havens waarschijnlijk hinder ondervinden van een passerend schip. Zeker bij de huidige simulatie zal een schip dat afgemeerd ligt in de 8e Petroleumhaven een duidelijk merkbare beweging ondervinden door passerende scheepvaart. Punt C.5 0.20

0.10

0.10

0.00 0

1000

2000

3000

-0.10

Hoogte [m]

Hoogte [m]

Punt C.2 0.20

0.00 0

1000

2000

3000

-0.10 -0.20

-0.20

Tijd [s]

Tijd [s]

Figuur 11.17: Golfhoogtes meetpunt C.2

Figuur 11.18: Golfhoogtes meetpunt C.3

Als we kijken naar het golfverloop bij een meetpunt bij de huidige MOT-1 steiger (bijvoorbeeld punt C.2, zie figuur 11.17) en de toekomstige MOT-2 steiger (bijv. Punt C.5, figuur 11.18), dan blijkt dat het hier meevalt met de verstoring door het passerende schip. Het schip passeert tussen tijdstippen 800 en 900 en uit de figuur is op te maken dat de opgewekte golven niet noemenswaardig groot zijn. Behalve een directe invloed door de opgewekte golven van het schip, is er ook geen aanwijzing dat er seiches ontstaan of een belangrijke spiegeldaling in de haven.

-2.0

Krachten op drijvend schip 0.05

2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 -0.5 0.0 -1.0 -1.5 -2.0

0.00

Kracht [kN]

Y [m]

Beweging van CoG

-0.05

0

400

800

1200

1600

-0.10

2.0

4.0

6.0

-0.15

X-richting Y-richting

-0.20

X [m]

Figuur 11.19: Beweging CoG schip in 8e Pet.Haven

-0.25

Tijd [s]

Figuur 11:20: Krachten op schip in 8e Pet. Haven

Een schip dat langs de nieuwe MOT-2 steiger ligt zal een grotere invloed ondervinden van een langsvarend schip dan in fase 1 is gevonden, want het varende schip passeert op een veel kleinere afstand dan in fase 1 het geval is. In figuur 11.19 is de beweging van het zwaartepunt van een tanker (diepgang 15,9 m.) vrijdrijvend langs de nieuwe MOT-2 steiger weergegeven. Zoals op te maken is uit de figuur is de verzet (x-richting) van het schip ongeveer 3,5 meter en is er nauwelijks sprake van een schrik beweging (y-richting), ongeveer 30 cm. In de praktijk zal dit geen problemen opleveren, omdat de trossen van een schip deze krachten makkelijk aankunnen. De kracht op het schip bedraagt namelijk slechts 0,12 kN. in beide richtingen, ongeveer 1,2 ton maximaal. Het golfverloop in de Europahaven toont wel een interessant beeld. Alhoewel in eerste instantie de invloed van het passerende schip niet groter lijkt dan het geval is bij de 8e Petroleumhaven, zijn er toch enkele aandachtspunten.


blz. 49 van 67



Punt B.10 0.20

0.10

0.10

0.00 0

1000

2000

3000

-0.10

Hoogte [m]

Hoogte [m]

Punt B.9 0.20

0.00 0

1000

2000

3000

-0.10

-0.20

-0.20

Tijd [s]

Figuur 11.21: Golfhoogtes meetpunt B.9

Tijd [s]

Figuur 11.22: Golfhoogtes meetpunt B.10

Als men kijkt naar meetpunten die diep in de Europahaven liggen (voor exacte locatie zie appendix A) zoals de punten B.9 en B.10, weergegeven in figuren 11.21 en 11.22, dan valt op dat de door het schip opgewekte golven tot ver achter in de haven zichtbaar zijn. Rond het tijdstip 1000 is duidelijk een vrij lange 2-3 cm. diepe golf zichtbaar die zich door de haven beweegt. Vooral door de vernauwing bij de TOR terminal lijkt deze zich versterkt te hebben. Gezien de duur van het golfdal (250 seconden) is hier toch sprake van een kleine spiegeldaling in dit deel van de haven. In dit geval is het zo klein dat het voor afgemeerde schepen geen merkbare invloed zal hebben, maar in een andere zijhaven had dit fenomeen grotere gevolgen kunnen hebben.

12.

Invloed op afgemeerde schepen

Behalve translatiegolven hebben passerende schepen meer invloed op langs de kade afgemeerde schepen. De nauwkeurigheid voorspelling door DELPASS van deze hydrodynamische krachten is ondermeer getest aan de hand van modelproeven in het MARIN [10]. In een scheepsvast assenstelsel, zal de beweging die een schip maakt in de dwars (y) richting gedempt worden door de aanwezigheid van de kade. Deze beweging wordt gedeeltelijk omgezet in een beweging in de langsrichting van het vrij drijvende schip. Dit wordt duidelijk wanneer we een vergelijking maken tussen de simulatie in de Yangtzehaven en een situatie in open water (waarbij alleen de haven weg gelaten is). Hier is duidelijk te zien dat de dwarsbeweging van het vrijdrijvende schip onder invloed van de kade wordt omgezet in een langsbeweging. Zie voor een verdere beschrijving ook J.A. Pinkster e.a. [9]. In de figuren 12.1 t/m 12.3 is dit effect duidelijk zichtbaar voor schepen die afgemeerd zijn langs de Euromax kade. De beweging van het schip is voornamelijk in de x-richting van het scheepsvaste assenstelsel, terwijl de beweging dwars op de kade sterk gedempt is. Als we dit kwalitatief vergelijken met de beweging van een vrijdrijvend schip langs de MOT-2 steiger uit fase 1 (figuur 12.4), dan zien we dat het effect van de steiger zeer klein is in vergelijking met het effect van deze dichte kade muur. Beweging van CoG

Beweging van CoG

Passerende Tanker - Afgemeerde Tanker

Passerende Container - Afgemeerde Tanker

1.0

1.0

0.0 -5.0

-1.00.0

5.0

10.0

-20.0

Y [m]

Y [m]

-10.0

-2.0 -3.0 -4.0

-10.0

0.0 -5.0 -1.00.0

5.0

10.0

15.0

-2.0 -3.0 -4.0

-5.0

-5.0

X [m]

X [m]

Fig. 12.1: Beweging zwaartepunt vrijdrijvende tanker Euromax.


-15.0

Fig. 12.2: idem vrijdrijvend container schip

blz. 50 van 67


De Invloed van passerende schepen op afgemeerde schepen 1.60

Beweging van CoG Passerende Container - Afgemeerde Container

1.20

1.0

600s

-15.0

-10.0

Y [m]

-20.0

-5.0 -1.00.0

5.0

10.0

15.0

-2.0 -3.0

-2.00

0.40 0s

-1.50

0.00 -0.50 0.00 -0.40

-1.00

-4.0

X [m]

X [m]

Figuur 12.3: idem als 12.2 met passerend container schip

0.50

1500s

300s

-5.0

0.80

2100s

Y [m]

0.0

900s

-0.80

Figuur 12.4: vrijdrijvende tanker aan MOT-2 steiger

Beweging van CoG (open water) Passerende Container - Afgemeerd Container

Beweging CoG 0.60

0.0 -20.0

-15.0

-10.0

-5.0

0.0

5.0

10.0

15.0

0.30

Y [m]

Y [m]

-2.0 -4.0

-0.60

-6.0 -8.0

-0.30

0.00 0.00 -0.30

0.30

0.60

-0.60

-10.0

X [m]

Figuur 12.5: idem als 25.3, maar nu in open water.

X [m] Figuur 12.6: Invloed afmeersysteem op beweging CoG

De hierboven getoonde figuren maken alleen een kwalitatieve vergelijking van de beweging mogelijk. Om nauwkeurigere uitspraken te doen zal het noodzakelijk zijn om systematischere simulaties te doen. Figuur 12.6 toont tenslotte nog aan dat toepassing van eenzelfde afmeersysteem als beschreven in paragraaf 7.3 een aanzienlijke reductie van de bewegingen bewerkstelligd, tot waarden van 0,5 meter in langsrichting. Uiteraard zou uiteindelijk een vergelijking met ware grote metingen gemaakt moeten worden, om het model beter te kunnen valideren. Hierbij moet gedacht worden aan het opmeten van krachten en bewegingen in afmeerlijnen van schepen die langs een rechte kade in een doorgaand kanaal afgemeerd zijn. Een bestaande situatie die zich daarvoor leent is bijvoorbeeld de kade van de EECV terminal aan het Calandkanaal. Het enige nadeel hier is dat de passerende schepen meestal niet van dezelfde orde van grootte zijn als de daar afgemeerde schepen.

Figuur 12.7: Kade EECV terminal aan het Calandkanaal


blz. 51 van 67



13.

Conclusies

In dit rapport is uitgegaan van de doorsteekvariant van de 2e Maasvlakte, waarbij de huidige Yangtzehaven dient als verbinding tussen de eerste en de 2e Maasvlakte. Aan de hand van diverse simulaties zijn de effecten van varende schepen op afgemeerde schepen bepaald. Uit het onderzoek naar de vorming van translatiegolven in de Yangtzehaven en de rest van de 2e Maasvlakte, blijkt dat de doorsnede van het vaarwater zo groot is in vergelijking met de grootspant doorsnede van het onderwater gedeelte van het schip, dat er geen zichtbare translatiegolven optreden. De invloed van translatiegolven op afgemeerde schepen is hierdoor ook verwaarloosbaar. Bij het onderzoek naar het golfverloop in de overige delen van de 2e Maasvlakte, alsmede de Europahaven en de 8e Petroleumhaven valt op dat ook hier de invloed van een varend schip gering is. In de 2e Maasvlakte worden nauwelijks golven waargenomen en ook in de 8e Petroleumhaven is het effect van een passerend schip op een afgemeerd schip gering. Een vrijdrijvend schip langs steiger 2 van de MOT zal hoogstens 5 meter in langsrichting bewegen (5 meter naar achteren, niet naar voren) en 1 meter in dwarsrichting (0,5 m. per zijde). Toepassing van een vereenvoudigde afmeerinstallatie reduceert de beweging in langsrichting tot meer acceptabele waarde van 0,5 meter. Hierbij moet wel benadrukt worden dat dit slechts een grove benadering van het systeem is. Rond het tijdstip 1000 is duidelijk een vrij lange 2-3 cm. diepe golf zichtbaar die zich door de haven beweegt. Vooral door de vernauwing bij de TOR terminal lijkt deze zich versterkt te hebben. Aangezien het hier om een golf van maximaal 3 cm. gaat zal ook de invloed van deze golf gering zijn. Het geeft echter wel aan dat bij kleinere insteekhavens wel een significante spiegeldaling op zou kunnen treden ten gevolge van passerende schepen. Schepen die zijn afgemeerd aan de Euromax-kade in de Yangtzehaven hebben uiteraard te maken met een aanzienlijke invloed van een passerend schip. In een vrijdrijvende toestand bewegen schepen zeer veel langs de kade, wel tot 15 meter in langsrichting (25 meter totaal). De beweging in dwarsrichting wordt verkleind tot maximaal 1 meter. Hiermee wordt vooral aangetoond dat de kade werkt als een demper voor de dwarsscheepse beweging en die beweging zich vooral omzet in een beweging parallel aan de kade, zoals ook eerder vermeld bij schepen afgemeerd aan de MOT-2 steiger bij fase 1 van dit onderzoek.


blz. 52 van 67



Fase 3: Euromax Terminal 14.

Inleiding

Voordat de aanleg van de 2e Maasvlakte zal beginnen, is het Havenbedrijf Rotterdam op dit moment bezig met het verleggen en verbreden van de Yangtzehaven. Het is de bedoeling dat er, op het nu nog braakliggende terrein naast de Maasvlakte Olie Terminal, binnenkort een nieuwe containerterminal, genaamd “Euromax”, verrijst. Deze terminal moet geschikt gemaakt worden om de nieuwste generatie containerschepen (12,000 TEU) af te kunnen handelen. Tevens wordt aan de zuidelijke ingang van de Yangtzehaven een nieuwe terminal voor de TOR-line ontwikkeld. Reden genoeg dus om even stil te staan bij de verstoringen die door de voorbij varende schepen worden opgewekt in deze tijdelijke situatie. Zoals nog net te zien is in onderstaande figuur (figuur 14.1) is in deze tijdelijke situatie, de MOT-2 steiger nog aanwezig. Dit zou ertoe kunnen lijden dat het in fase 1 genoemde ‘drempeleffect’ in deze situatie nog een rol kan spelen. De verstoring van de stroming rond het schip, waardoor een mogelijke translatiegolf ontstaat, zou dus hier veroorzaakt kunnen worden door een plotselinge ondiepte in het vaarwater. Deze fase vormt een aanvulling op de onderzoeken gedaan in fase 1 en 2 van dit afstudeeronderzoek Er zal niet uitvoerig worden stil gestaan bij de modellering en de gebruikte schepen. In hoofdstuk 15 zal hier kort iets over vermeld worden, hoofdstuk 16 bespreekt direct de resultaten van de gedane simulaties. In hoofdstuk 17 wordt een vergelijking gemaakt met de toekomstige doorsteek variant van de Yangtzehaven, waarna de conclusies samengevat zullen worden in hoofdstuk 18.

Euromax Terminal Maasvlakte Oil Terminal

Yangtzehaven

Steiger 2

Steiger1 8e Pet

Europahaven

Beerkanaal

Figuur 14.1: Model 1e Maasvlakte met Euromax-Terminal


blz. 53 van 67



15.

Modellering Euromax Terminal

Het is de bedoeling dat de situatie zoals die hier gemodelleerd wordt, slechts bestaat totdat de 2e Maasvlakte gereed is. De Yangtzehaven krijgt nu direct de lay-out die het in de toekomstige 2e Maasvlakte ook zal krijgen. De grote uitzondering hierbij is dat de 2e MOT steiger nu nog niet komt te vervallen. Dit in het achterhoofd houdend, leidt dit tot de modellering van de haven zoals weergegeven in figuur 15.1. Het grote verschil met het model dat gebruikt is voor de bestudering van de effecten van passerende schepen op schepen die afgemeerd zijn bij de 8e Petroleum haven, is dat ook in dit geval de scheiding tussen het diepe en ondiepe deel van de haven is komen te vervallen. De Yangtzehaven wordt in deze situatie verdiept tot 19,65 meter, gelijk aan de diepgang die gebruikt wordt in de 2e Maasvlakte. Aangezien schepen in de simulatie uit het Beerkanaal tot in de Yangtzehaven zullen varen. Het model van de haven bestaat uit 657 panelen en heeft een waterdiepte van 19,65 meter.

Figuur 15.1: Modellering Euromax Terminal

Om een eenvoudige vergelijking te kunnen maken is het gemodelleerde schip de eerder gebruikte tanker. Hierbij is de diepgang aangepast, zodat der verhouding waterdiepte/diepgang =1,15. De hoofdafmetingen van het gemodelleerde schip worden weergegeven in tabel 15.1. 200 DWT tanker L B T ∇ Cb Aw KG KB

90% 315 m 47,18 m 17,1 m 208400 m3 0,83 13215 m2 11,320 m 8,847 m

Tabel 15.1: Hoofdafmetingen gemodelleerde tanker


blz. 54 van 67



16.

Golfhoogtes in de Yangtzehaven

16.1. Simulatie en meetpunten In de simulatie vaart de, in tabel 15.1 beschreven tanker, in 127 stappen van 15 seconden en een snelheid van 3,6 m/s (7 knoop) de Yangtzehaven in. Hierbij zijn de eerste 40 stappen versnellend, met een gemiddelde snelheid van 1,8 meter per seconde en de laatste 40 vertragend, met dezelfde gemiddelde snelheid. In de figuren 16.1 en 16.2 wordt het traject van het varende schip aangegeven. De delen waar een versnelling/vertraging optreedt zijn gestippeld weergegeven. In deze figuren zijn tevens de punten weergegeven waar de golfhoogtes bepaald zijn. Deze punten zijn verdeeld in twee reeksen, genaamd ‘A’ en ‘B’, waarbij reeks A in de baan van het schip ligt, en reeks B verspreidt is over de kade van de haven. De coördinaten van deze punten zijn weergegeven in tabel 16.1.

Figuur 16.1: Locatie meetpunten reeks A

Meetpunt 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Reeks A X -4332 -3957 -3409 -2861 -2314 -1766 -1218 -671 -123 424

Figuur 16.2: Locatie meetpunten reeks B

Y -221 -370 -591 -812 -1033 -1255 -1476 -1697 -1918 -2140

Reeks B X -2340 -2810 -3280 -3750 -4220 -4332 -4445 -3585 -2725 -1865

Y -700 -511 -3225 -133 56 -222 -500 -847 -1193 -1540

Tabel 16.1: Coördinaten meerpunten

16.2. Bijzondere punten Net als bij fase 2 zijn er in deze situatie enkele punten die om bijzondere aandacht vragen. Het gaat hier om drie punten waar de stroming rond het schip verstoord wordt. Deze punten zijn: A. Begin noordelijke kade Yangtzehaven B. Begin zuidelijke kade Yangtzehaven C. Maasvlakte Olie Terminal steiger 2 Aan de hand van de theoretisch voortplantingssnelheid van een golf bij deze waterdiepte (Appendix D), wordt ook hier weer getracht deze verstoringen te herkennen in de punten waar de golfhoogtes berekend zijn. Bestand: Afstudeerverslag.doc

blz. 55 van 67



In de onderstaande figuren (16.3 t/m 16.6) is voor een viertal meetpunten weergegeven wanneer een eventuele, door één van de drie bovenstaande punten opgewekte, translatiegolf zou passeren. Tabel 16.2 geeft de berekening van de tijdstippen weer. Hierbij refereren de genummerde tijdstippen aan de genummerde mogelijkheden op de vorige pagina. Punt 6 0.20

0.10

0.10

0.00 600 -0.10

800

1000

1200

1400

Hoogte [m]

Hoogte [m]

Punt 7 0.20

0.00 600 -0.10

1600

800

1200

1400

1600

-0.20

-0.20 -0.30

-0.30

Tijd [s]

Tijd [s]

Punt 4

Punt 5 0.20

0.20

0.10

0.10

Hoogte [m]

Hoogte [m]

1000

0.00 600

800

1000

1200

1400

1600

-0.10 -0.20

0.00 600 -0.10

800

1000

1200

1400

1600

-0.20

-0.30

-0.30

Tijd [s]

Tijd [s]

Figuren 16.3 t/m 16.6: Golfmeetpunten serie A en tijdstippen van mogelijke translatiegolven

Punt 1 0.20

Legenda: Hoogte [m]

0.10 0.00 600 -0.10

800

1000

1200

1400

n u

1600

-0.20 -0.30

Passage Schip bij Meetpunt Passage Golf ontstaan bij A Passage Golf ontstaan bij B Passage Golf ontstaan bij C

Tijd [s]

Figuur 16.7: Translatiegolven aan het einde van de Yangtzehaven

# 4 5 6 7 1

Punt (serie A) X Y afstand -2862 -813 3544 -2314 -1034 2953 -1767 -1255 2363 -1219 -1476 1772 -4333 -223 5125

schip 1284 1120 956 792 -

Tijdstippen (sec.) punt A punt B 905 1037 862 995 820 952 777 1019 1151

punt C 798 755 713 670 912

Tabel 16.2: Meetpunten en tijdstippen van mogelijke translatiegolven

Bij bestudering van bovenstaande figuren, lijkt het of er in punt 4 een golftop (3 cm.) te zien is op het genoemde A-tijdstip (905 sec.). Deze golf komt echter in geen van de andere punten terug en kan dus als ruis beschouwd worden.


blz. 56 van 67



In figuur 16.7 wordt apart aandacht besteed aan meetpunt 1. Dit punt bevindt zich in het midden van de kade op het einde van de Yangtzehaven. Mochten er eventuele translatiegolven ontstaan ten gevolge van het varende schip, dan zouden deze hier, dankzij de reflectie, versterkt te zien moeten zijn. Dit is echter niet het geval. Waarmee het eerder aangetoonde feit dat er geen translatiegolven optreden bevestigd wordt. Punt 10 0.20

0.10

0.10

0.00 600 -0.10

800

1000

1200

1400

1600

Hoogte [m]

Hoogte [m]

Punt 2 0.20

-0.20

0.00 600 -0.10

800

1200

1400

1600

1400

1600

-0.20

-0.30

-0.30

Tijd [s]

Tijd [s]

Punt 9

Punt 3 0.20

0.20

0.10

0.10

0.00 600

800

1000

1200

1400

1600

-0.10

Hoogte [m]

Hoogte [m]

1000

0.00 600 -0.10

800

1000

1200

-0.20

-0.20

-0.30

-0.30

Tijd [s]

Tijd [s]

Figuren 16.8 t/m 16.11: Golfmeetpunten serie B en tijdstippen van mogelijke translatiegolven

# 2 3 9 10

Punt (serie B) X Y afstand -28106 -511 2556 -3280 -322 3415 -2725 -1193 3271 -1865 -1540 2344

schip 1010 1248 1209 951

Tijdstippen (sec.) punt 1 punt 2 834 966 895 1028 885 1018 819 951

punt3 727 788 778 712

Tabel 16.3: Meetpunten en tijdstippen van mogelijke translatiegolven

Berekeningen van golfhoogtes in de baan van het schip, hebben als nadeel dat het hoogfrequente deel van het golfspectrum zeer energierijk is door de passage van het schip. Dit betekend dat bij de inverse Fast Fourier Transformatie er een hoog frequente ruis ontstaat over de gehele tijdsduur van de berekening. (zie ook theorie, rapport 1e Maasvlakte) Wanneer men echter de golfhoogtes aan de zijkant van de haven bekijkt, waar het hoogfrequente deel van de verstoring al meer is uitgedempt, dan ontstaat een iets egaler golf verloop. Translatiegolven kenmerken zich in het feit dat zij zich over de hele breedte van het kanaal uitstrekken. Deze zouden hierdoor goed zichtbaar kunnen worden in de figuren 16.8 tot en met 16.11. In deze figuren zijn de resultaten weergegeven van de golfhoogte berekeningen in meetpunten serie B. Ook in deze punten zijn de tijdstippen weergegeven waar translatiegolven, ontstaan op één van de momenten aangegeven aan het begin van deze paragraaf, weergegeven. Hierbij is wederom te zien dat er geen sprake is van ontstane translatiegolven. In appendix G worden de resultaten van enkele andere simulaties weergegeven, alsmede de volledige resultaten van de hier beschreven berekeningen. Bestand: Afstudeerverslag.doc

blz. 57 van 67



16.3. Seiches Bij afgesloten havens bestaat het gevaar dat er seiches, oftewel staande golven, op treden. Aangezien de Yangtezehaven aan 3 zijden gesloten is, zou dit fenomeen ook hier op kunnen treden. In dit geval zou een eventuele translatiegolf, hoewel die niet aangetoond zijn, een seiche kunnen veroorzaken. Wanneer een lange golf een bassin (haven) binnenloopt, blijft de periode hetzelfde, maar verandert de amplitude, afhankelijk van het feit of de periode nabij één van de eigenperiodes van het bassin ligt. Maximale versterking treedt op als de twee periodes identiek zijn, zogenaamde resonantie. Interne oscillaties of seiches in een haven, beïnvloeden schepen door ze te laten schrikken, verzetten of rollen, in overeenstemming met hun positie ten opzichte van de oscillatie Gezien de verhoging van de amplitude kunnen deze bewegingen vrij groot worden. [5] De grondtoon van een bassin, is de laagst mogelijke eigenfrequentie, i.e. een staande golf met één knooppunt. Hiervoor geldt: Golflengte = Golfsnelheid =

2L

[m]

gd

[m/s]

Golfperiode = 2L/ gd

[sec]

Hierbij is: L = lengte van het bassin (of breedte) [m] g = versnelling t.g.v. zwaartekracht [m/s2] d = diepte van het bassin [m] Naast de grondtoon kunnen er ook seiches ontstaan met hogere frequenties. Hierbij zouden dan meerdere knooppunten optreden. Tevens kunnen seiches zowel in de breedte als in de lengte van een haven optreden. Voor golven die seiches veroorzaken geldt dat zij in de buurt van een eigen frequentie van de haven liggen. Algemeen geldt dus, dat wil een golf een seiche in een haven veroorzaken, dan moet zijn periode in de buurt liggen van Tmn:

Tmn

  m 2 n2 = 2 gd  2 + 2 B  L

−

1

 2  [sec.] 

waarbij: m = het aantal knooppunten in breedte richting n = het aantal knooppunten in lengte richting Voor de Yangtzehaven geldt: L = 3425 m B = 600 m g = 9,81 m/s2 d = 19,65 m T10 = 493 sec.˜ 8 min. ? 10 = 2 mHz Tabel 16.4 geeft een klein overzicht van mogelijke resonantie frequenties. Hierbij moet wel vermeld worden dat de hogere frequenties nauwelijks waarneembaar zijn. Tevens zijn deze zo energie -arm, dat


blz. 58 van 67



er nauwelijks zichtbare resonantie zal optreden in dit frequentie gebied en de golven vrij snel zullen uitdempen.

m

N

0 1 2 3 4 0 493 247 164 123 1 86 85 82 77 71 2 43 43 43 42 41

Tabel 16.4: mogelijke resonantie frequenties (sec)

Seiches zouden aan de uiteinden van de haven zichtbaar moeten zijn. Bij bestudering van de golfpunten 3 (breedte) en 6 (lengte richting) van meet-serie B (resp. figuren 16.13 en 16.12), is geen regelmatige resonantie zichtbaar gedurende het verloop van de simulatie. Het is dan ook onwaarschijnlijk dat er seiches ontstaan zijn, mede door het uitblijven van translatiegolven. Punt B.6

Punt B.3 Oost->West

0.20

0.20

0.10

0.10

0.00 0

1000

2000

-0.10

3000

Hoogte [m]

Hoogte [m]

Oost->West

0.00 0

1000

2000

3000

-0.10 -0.20

-0.20

Tijd [s]

Tijd [s]

Figuur 16.12: Golfhoogtes in meetpunt B.6

Figuur 16.13: Golfhoogtes in meetpunt B.3

Uiteraard zouden in de Yangtzehaven wel seiches kunnen ontstaan door natuurlijke invloeden, zoals wind en zeegolven. Zie hiervoor [11].

17.

Vergelijking doorgaande met afgesloten Yangtzehaven

17.1. Golven Nu beide toekomstige varianten van de Yangtzehaven zijn doorgerekend, is het interessant om te vergelijken wat het verschil is tussen de effecten die een varend schip op de golven en afgemeerde schepen in de Yangtzehaven zal hebben.


blz. 59 van 67



Figuur 17.1: Yangtzehaven, tevens zijn de banen van de varende schepen en de golfmeetpunten weergegeven.

Verwacht wordt dat wanneer de Yangtzehaven als doorsteek naar de 2e Maasvlakte gebruikt gaat worden, dit ervoor zal zorgen dat opgewekte golven meer ruimte hebben om te verspreiden en daarom minder reflectie zullen vertonen. In deze ‘open’ situatie zal een schip dat in de Yangtzehaven ligt daardoor waarschijnlijk ook minder gaan bewegen dan wanneer de Yangtzehaven aan de westzijde gesloten is. In figuur 17.1 zijn beide situaties weergegeven. Hierin zijn tevens de banen van de varende schepen weergegeven, alsmede de locatie van de in deze paragraaf besproken golfmeetpunten (zie ook Tabel 16.1, reeks B). In dit hoofdstuk zal de gesloten situatie zoveel mogelijk in het blauw worden weergegeven en de open situatie met (onderbroken) rode lijnen. De benaming ‘open’ en ‘gesloten’ slaat in dit hoofdstuk op de westzijde van de Yangtzehaven, waarbij open staat voor de variant waarbij de Yangtzehaven als doorsteek naar de 2e Maasvlakte fungeert. Vanwege het verschil in lengte van de baan van het varende schip, zijn de tijdstappen verschillend bij beide berekeningen. De plaats waar het schip begint met afremmen is hierdoor ook verschillend. Ter hoogte van meetpunten 2 en 9 zijn in beide gevallen de schepen nog op volle snelheid, waardoor deze geschikt zijn om een goede vergelijking te maken. Golfhoogtes in de Yangtzehaven Punt 2

0.20

0.10

0.00 0

1000

2000

-0.10

3000

Gesloten Open

-0.20

Hoogte [m]

Hoogte [m]

0.20

Golfhoogtes in de Yangtzehaven Punt 9

0.10

0.00 0

1000

2000

-0.10

3000

Gesloten Open

-0.20

Tijd [sec]

Tijd [sec]

Figuren 17.2 en 17.3: Golfhoogtes in resp. meetpunten 2 en 9

Bovenstaande figuren zijn weergaven van de golfhoogte in verloop van de tijd voor deze vier meetpunten. Zoals gezegd passeert het varende schip in de gesloten Yangtzehaven iets eerder dan bij het open geval. In de gesloten situatie ligt het schip weer stil na 1920 seconden, in de open situatie na 2496 seconden.


blz. 60 van 67



Opmerkelijk is dat er nauwelijks verschil waarneembaar is tussen het golfpatroon veroorzaakt door het passeren van de schepen. Pas na 2000 seconden, als het schip in de gesloten situatie al weer stil ligt, lijkt het of er in de open situatie meer beweging in het water zit. Dit zou twee mogelijke oorzaken kunnen hebben. Ten eerste vaart het schip in de open situatie langer en brengt zo meer energie in het water. Deze energie heeft langer nodig om te verspreiden en daardoor golft het water langer in de haven, echter door het grotere beschikbare oppervlakte voor deze verspreiding zal dit effect klein zijn. Waarschijnlijker is dat doordat het einde van de haven verder weg is, het langer duurt totdat een gereflecteerde golf terug komt. In de gesloten situatie komen op het einde gereflecteerde golven eerder terug en opgaan in de relatief grote verstoring van het water door het varende schip. In de open situatie duurt het langer voordat de golven gereflecteerd worden, zelfs zo lang dat het schip al gestopt is met varen en alleen de gereflecteerd golven zichtbaar zijn. Dit is ook te zien aan het feit dat de golfpiek, die zichtbaar is na het dal ter plaatse van het schip, hoger is in de gesloten situatie. Golfhoogtes in de Yangtzehaven Punt 2

0.20

0.10

0.00 0

1000

2000

-0.10

3000

Gesloten Open

-0.20

Hoogte [m]

Hoogte [m]

0.20

Golfhoogtes in de Yangtzehaven Punt 9

0.10

0.00 0

1000

2000

-0.10

3000

Gesloten Open

-0.20

Tijd [sec]

Tijd [sec]

Figuren 17.4 en 17.5: Golfhoogtes in resp. meetpunten 2 en 9, beide schepen zelfde tijd aan het varen.

Dit wordt zichtbaar wanneer we het schip in de open haven even lang laten varen als het schip in de gesloten haven (1920 sec.). Hier wordt zichtbaar dat de golven in de gesloten haven eerder (1300 t.o.v. 1600 seconden na de passage van het schip) reflecteren en daardoor een iets hogere piek (6 t.o.v. 4 cm. van top tot dal) veroorzaken, op redelijk korte tijd na passage van het schip, terwijl in de open situatie er een tweede golfpiek later in de tijd ontstaat (rond 2000 sec. na begin van de berekening). Tevens is zichtbaar dat er nog steeds meer beweging is in de open situatie, wat betekend dat de energie overdracht van het varende schip niet de oorzaak is van dit verschil. Hierbij moet wel opgemerkt worden dat vanwege de grootte van de golven (maximaal 12 cm. van top tot dal) het mogelijk is dat het verschil in golfhoogtes vooral wordt verklaart door de berekening zelf. Het verschil in panelen zorgt voor een verschil in de berekende waarden en in de FFT. Aangezien de golfhoogtes klein zijn, kan een kleine fout al een relatief groot verschil in golfhoogte betekenen. Een vergelijking van de golfhoogtes in de andere meetpunten is te vinden in Appendix H. De voornaamste verschillen die te zien zijn in de resultaten in deze appendix, zijn het gevolg van de snelheid van het passerende schip en niet het gevolg van het verschil in havengeometrie.

17.2. Invloed op stilliggende schepen Naast de verschillen in optredende golven, is het tevens interessant om te kijken naar de effecten op een schip dat ligt in de Yangtzehaven. Hierbij maken we gebruik van de berekeningen die al voor de vorige rapporten gemaakt zijn.


blz. 61 van 67


De Invloed van passerende schepen op afgemeerde schepen Beweging van CoG

Schrikkrachten op Vrijdrijvend Schip in Yangtzehaven

2.0

3.0

0.0 -15.0

-10.0

-5.0

2.0 0.0

5.0

10.0

15.0

Kracht [kN]

-20.0

Y [m]

-2.0 -4.0 -6.0

1.0 0.0 -1000

-500

0

Gesloten Open

-8.0

500

1000

-1.0

-10.0

X [m]

-2.0

Gesloten

-3.0

Open

Tijd [sec]

Fig. 17.6:Vergelijking bewegingen vrijdrijvende schepen

Fig. 17.7: Vergelijking krachten op vrijdrijvende schepen.

In figuur 17.6 is de beweging van het zwaartepunt van een vrijdrijvend schip in de Yangtzehaven weergegeven. Hierbij is te zien dat de beweging van het schip kleiner (18 t.o.v. 24 meter in langsrichting) is wanneer de Yangtzehaven gesloten is. Deze figuur geeft echter een verkeerde voorstelling van zaken, omdat de snelheid waarmee het passerende schip vaart al aan het afnemen is op het moment dat het varende schip het vrijdrijvende schip passeert. Dit is ook te zien aan de krachten die op het drijvende schip uitgeoefend worden, zoals die in de schrik richting, weergegeven in figuur 17.7. In deze figuur zijn de krachten opgewekt door het passerende schip, zonder invloed van de havengeometrie, op het drijvende schip weergegeven ten opzichte van het moment van het passeren van het varende schip. Op tijdstip 0 is het zwaartepunt van het varende schip op gelijke hoogte met het zwaartepunt van het drijvende schip. Hierbij is duidelijk te zien dat de maximale uitgeoefende kracht in x-richting1 op het schip kleiner is ten gevolge van de lagere snelheid (gem. 3,0 m/sec in vergelijking tot 3,6 m/sec.) die niet constant is tijdens de passage. Beweging CoG

Schrik Beweging CoG

2.0

20.0

-20.0

-15.0

-10.0

-5.0

0.0

5.0

10.0

15.0

Y [m]

-2.0 -4.0 -6.0

Beweging [m]

15.0

0.0

5.0 -2000

-1000

0.0 -5.0 0

1000

2000

3000

-10.0 -15.0

Gesloten Open

-8.0

Gesloten Open

10.0

-20.0

-10.0

Tijd [sec]

X [m]

Figuur 17.8:Vergelijking bewegingen vrijdrijvende schepen

Figuur 17.9: Vergelijking schrik beweging op vrijdrijvende schepen

Verzet Beweging CoG

Beweging [m]

0.2 -2000

-1000

0.0 -0.2 0

1000

2000

3000

-0.4 -0.6 -0.8

Gesloten Open

-1.0 -1.2 -1.4

Tijd [sec]

Figuur 17.10:Vergelijking verzet beweging op vrijdrijvende schepen Figuur 17.11: Nieuwe positie afgemeerd schip.

1

Alle in dit hoofdstuk genoemde richtingen zijn in het scheepsgebonden assenstelsel.


blz. 62 van 67



Om tot een goede vergelijking te komen tussen de twee configuratie is het vrijdrijvende schip verplaatst richting de ingang van de Yangtzehaven (figuur 17.11). Het passerende schip vaart nu in beide gevallen voorbij op volle snelheid, namelijk 3,6 m/sec (7 knoop) en gaat pas vaart minderen als het voorbij het stilliggende schip is. Figuur 17.8 laat zien dat de totale beweging in beide gevallen even groot is, alleen is in de gesloten haven (20 meter in langsrichting, 1 meter in dwarsrichting), de beweging van het schip in de negatieve y-richting (richting de oostzijde van de haven) groter (15 meter) dan de beweging in de positieve yrichting (5 meter, figuur 17.9). Dit blijkt ook uit figuur 17.12 waarin de krachten in de schrik beweging van de vrijdrijvende schepen wordt weergegeven. De afsluiting van de Yangtzehaven en de kleine verschillen die daarbij optreden in het golfpatroon, zorgen er kennelijk wel voor dat het schip zich meer in de richting van de open zijde van de Yangtzehaven gaat bewegen. Dit komt overeen met de besproken mogelijkheid dat de golven eerder gereflecteerd worden, en de verstoring van het varende schip versterken in de richting tegengesteld aan de koers van dat schip. Verzetkrachten op Vrijdrijvend Schip

Schrikkrachten op Vrijdrijvend Schip

800 600

400 200 0 -1000

-500

0

-200

500

1000

Kracht [kN]

Kracht [kN]

600

-600

400 200 0 -1000

Gesloten Open

-400

Gesloten Open

-500

0

500

1000

-200 -400

Tijd [sec]

Tijd [sec]

Figuur 17.12: Schrik krachten op vrijdrijvende schepen

Figuur 17.13: Verzet krachten op vrijdrijvende schepen

Dit zou kunnen betekenen dat het fenomeen, waarbij de wand als demper werkt en de beweging van een schip een andere richting geeft, dat we eerder gezien hebben bij de 8e petroleumhaven en dat uitvoerig beschreven wordt in [9], zelfs op grotere afstand al merkbaar is. Een vergelijking van de figuren 17.6 en 17.8 leert dat het talud aan de achterzijde van het schip niet hetzelfde veronderstelde effect zou hebben. Er is immers geen verschil zichtbaar in de beweging van het schip in de open situatie. Dit komt doordat het talud te diep en te kort is om een effectieve barrière te vormen. Beweging CoG

Schrikkrachten

0.0 -20.0

-15.0

-10.0

-5.0

0.0

5.0

10.0

15.0

Y [m]

-2.0 -4.0 -6.0 -8.0

Gesloten Open (1920 sec)

Kracht (kN)

2.0

14.0 12.0 10.0 8.0 6.0 4.0

Gesloten Open Trendlijn

2.0 0.0

-10.0

X [m]

Figuur: 17.14: Vergelijking bewegingen bij gelijk tijdsinterval

0

0.02

0.04

Frequentie (rad/sec)

0.06

Figuur: 17.15: Schrikkracht op vrijdrijvend schip

Figuur 17.14 zien dat het in dit het gebruikte tijdsinterval voor de simulatie geen invloed heeft op het afgemeerde schip. In deze figuur is te zien dat de beweging van het schip in de open Yangtzehaven hetzelfde is wanneer het varende schip eerder stopt.


blz. 63 van 67



Figuur 17.15 toont tenslotte aan dat de wand niet de oorzaak is van het verschil in bewegingen tussen de twee varianten. Deze figuur geeft de golfkrachten op het vrijdrijvende schip weer per frequentie component. De trendlijn is in beide situaties gelijk, maar de pieken zorgen voor een verschil in beweging. Een verklaring voor deze pieken moet in de rekenmethode gezocht worden. Met name de Fourier Transformatie zorgt voor een schokkerig verloop in de grafiek. Ten slotte moet nog vermeldt worden dat de grootte van de bewegingen van een afgemeerd schip voornamelijk afhankelijk van de snelheid van het passerende schip zijn. Dit betekent dat de in de vorige alinea’s genoemde verschillen tussen de “open” en “gesloten” varianten van de Yangtzehaven ondergeschikt zullen zijn aan een verschil in snelheid van het passerende schip. In de praktijk zal een schip in de Yangtzehaven minder snel varen wanneer deze nog afgesloten is, dan wanneer de Yangtzehaven als doorsteekhaven fungeert, dus zullen de bewegingen van afgemeerde schepen ook kleiner zijn. Het onderzoek naar de 2e Maasvlakte kan als maatgevend worden beschouwd voor de tijdelijke situatie bij de Euromax terminal.


blz. 64 van 67



18.

Conclusies

In deze derde fase is uitvoerig stilgestaan bij de mogelijke effecten van varende schepen in de Yangtzehaven. Hierbij is met name gekeken naar mogelijk optredende translatiegolven. Door de aanwezigheid van de 2e steiger van de Maasvlakte Olie Terminal, moet een inkomend schip over een soort drempel heen om de Yangtzehaven in te varen. Aangezien deze drempel zich vlak bij het begin van de Yangtzehaven bevindt, werd de mogelijkheid verondersteld dat zich een soortgelijke situatie zou ontwikkelen als in het Hartelkanaal [7], waar de verstoring door deze drempel een translatiegolf veroorzaakte. Uit berekeningen van verscheidene mogelijkheden en bestudering van optredende golven ten gevolge van het varende schip, blijkt dat er geen translatiegolven opgewekt worden bij het binnen varen van de Yangtzehaven. De berekende verstoringen blijven kleiner dan 2 centimeter van top tot dal en zijn voornamelijk toe te schrijven aan de rekenmethode. Hiernaast is nog gespeculeerd over mogelijke seiches in de Yangtzehaven, aangezien deze haven een bijna gesloten bassin vormt. Ondanks de vrij hoge resonantie frequenties (2-4 mHz) zijn er geen zichtbare seiches ontdekt. Mogelijke opwekking van seiches door natuurlijke factoren is hierbij niet uitgesloten. De vergelijking tussen de Yangtzehaven na aanleg van de Euromax terminal (“gesloten” situatie) en de Yangtzehaven na aanleg van de 2e Maasvlakte (“open” situatie), laat zien dat er nauwelijks verschil ontstaat in het golfverloop in de haven. In de gesloten situatie is zichtbaar dat de door het schip opgewekte verstoring eerder gereflecteerd wordt (na 1300 sec.) dan in de gesloten situatie (1600 sec.). Doordat het einde van de haven voor reflectie zorgt is de verstoring na passage van het schip ook groter in de gesloten situatie (6 t.o.v. 4 cm. van top tot dal). Bij bestudering van een vrijdrijvend schip in deze haven blijkt dat de kleine verschillen in dit golfpatroon er voor zorgt dat een vrijdrijvend schip langs de kade van de Euromax-terminal zich anders gaat bewegen. De totale verplaatsing van het schip blijft hetzelfde (20 meter in langsrichting van voor tot achter en 1 meter in dwarsrichting.), maar de beweging zelf verschilt wel. In het open geval lijkt het schip meer weerstand te ondervinden in de richting van de gesloten wand aan het einde van de Yangtzehaven, waardoor de verplaatsing 5 meter meer in de richting van het open einde (oostzijde Yangtzehaven) verplaatst wordt. Om aan te tonen of deze wand aan het einde van de Yangtzehaven werkelijk invloed heeft op de beweging van het vrijdrijvende schip, worden deze schepen 700 meter in de richting van de ingang van de Yangtzehaven geplaatst. Hier blijkt dat het verschil in beweging niet veroorzaakt wordt door achterste wand, maar het gevolg zijn van het verschil in fasen van de golfkrachten op de vrijdrijvende schepen. Deze fase verschillen ontstaan door de verschillen in het aantal panelen tussen de twee modellen van de haven. De grootte van de bewegingen van een afgemeerd schip zijn voornamelijk afhankelijk van de snelheid van het passerende schip. Dit betekent dat de in de vorige alinea’s genoemde verschillen tussen de “open” en “gesloten” varianten van de Yangtzehaven ondergeschikt zullen zijn aan een verschil in snelheid van het passerende schip. In de praktijk zal een schip in de Yangtzehaven minder snel varen wanneer deze nog afgesloten is, dan wanneer de Yangtzehaven als doorsteekhaven fungeert, dus zullen de bewegingen van afgemeerde schepen ook kleiner zijn. Het onderzoek naar de 2e Maasvlakte kan als maatgevend worden beschouwd voor de tijdelijke situatie bij de Euromax terminal.


blz. 65 van 67



19.

Algemene Conclusies en aanbevelingen

19.1. Algemene Conclusies Het doel van dit afstudeerproject is het bestuderen en het voorspellen van het gedrag van translatiegolven in het havengebied van Rotterdam, met name in het gebied rond de Maasvlakte Olie Terminal (MOT). Translatiegolven blijken geen rol te spelen in de Eerste en Tweede Maasvlakte. Dit type golf is niet aantoonbaar aanwezig en plant zich niet aantoonbaar voort in de havens van de beide Maasvlaktes. De verklaring hiervoor is het feit dat de doorsnede van het kanaal in verhouding tot de doorsnede van het schip zeer groot is. De ergste bewegingen van een vrijdrijvend schip bij steiger 2 van de MOT wordt gevonden bij een simulatie met een reële verkeerssituatie, waarbij een containerschip vanuit het Calandkanaal naar de Europahaven vaart, beweegt dit vrijdrijvende schip 3 meter in dwarsrichting (6 meter totaal) en 5 meter in langsrichting (alleen achteruit). Al deze bewegingen gelden voor een vrijdrijvend schip, een standaard afmeersysteem is voldoende om deze bewegingen op te vangen en tot aanvaardbare waarden (ongeveer 0,3 m. in langsrichting) terug te dringen. Bij bestudering van de Yangtzehaven blijkt dat de situatie waarbij de Yangtzehaven als doorsteekhaven naar de Tweede Maasvlakte gebruikt wordt maatgevend te zijn voor de bewegingen van de afgemeerde schepen langs de kade. Schepen die vrijdrijvend langs de kade van de Euromax terminal in de Yangtezhaven liggen, bewegen bij een schip (post Panamax containerschip) dat met 7 knopen op een afstand van 300 meter passeert, maximaal 15 meter in langsrichting (30 meter totaal) en 1 meter in dwarsrichting (slechts één richting, van de kade af). Ook hier reduceert een afmeersysteem de bewegingen van het schip tot acceptabele waarden van 0,5 meter in langsrichting. De gedane stromingsmetingen in de 8e Petroleumhaven zijn niet bruikbaar voor een validatie van het rekenkundig model in DELPASS. Uit deze metingen is echter wel gebleken dat de te hoge naderingssnelheden bij schepen die aan het afmeren zijn in de 8e Petroleumhaven, waarschijnlijk worden veroorzaakt door de getijdenstroming in het Beerkanaal. Een andere benaderingsroute van de steigers van de Maasvlakte Olie Terminal heeft geleid tot een oplossing van dit probleem.

19.2. Aanbevelingen Uit dit onderzoek komen drie belangrijke aanbevelingen naar voren. Ten eerste is een validatie van DELPASS nodig. Dit zou kunnen gebeuren door geschikte metingen uit te voeren aan stroming of aan bewegingen van een vrijdrijvend schip. Een tweede aanbeveling volgt uit de bestudering van de afmeerkrachten. Om een goede vergelijking mogelijk te maken zou gekeken moeten worden in hoeverre echte trossen zich inderdaad lineair gedragen, of dat er een betere benaderingsmethode geïmplementeerd zou kunnen worden in DELPASS. Tevens verdiend het aanbeveling om ware grote metingen te doen naar werkelijk optredende troskrachten bij afgemeerde schepen. Hiermee zou een optimalisatie van de afmeersystemen van schepen bereikt kunnen worden. Dit zou uiteraard kunnen leiden tot een reductie van kosten voor deze systemen. De derde aanbeveling betreft spiegeldaling. Het zou zeer interessant zijn om te onderzoeken of DELPASS ook geschikt is om spiegeldaling correct te bepalen voor havens. Vooral in kleinere havens is dit een veel voorkomend probleem. In dit verslag is speigeldaling ook kort aangestipt, maar niet verder uitgewerkt, omdat dit niet relevant is voor de hier bestudeerde havens. Bestand: Afstudeerverslag.doc

blz. 66 van 67



20. [1] [2] [3] [4]

[5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17]

Referenties Korsmeyer, F.T. Lee, C.-H., Newman, J.N.: ”Computation of Ship Interaction Forces in Restricted Waters”, Journal of Ship Research, Vol. 37, No. 4, pp 298-306, Dec. 1993 Naaijen, P.: “On the Application of 3 Dimensional Linear Potential Theory in Practical Hydrodynamical Problems”, MSc. Thesis Report, Delft, Nederland, Nov. 2002 Ertekin, R.C., Qian, Z.-M.: ”Numerical grid generation and Upstream waves for ships moving in restricted waters”, 5th Conference on Numerical Ship Hydrodynamics, Japan, Sep. 1989 National Transportation Safety Board: “Explosion and fire aboard the US tankship Jupiter, September 16, 1990”, Marine Accident Report, PB91-916404, Washington D.C., VS, Mar. 1991 Cornick, H.F.: “Dock and Harbour Engineering, Vol.2: The design of harbours”, 2e ed., Londen, GB, 1918 Journeé, J.M.J., Pinkster, J.: “Introduction in Ship Hydromechanics”, Lecture notes, Delft, Nederland, Apr. 2002 Rijkswaterstaat, Dienst Verkeerskunde, Hoofdafdeling Scheepvaart: “Onderzoek Transaltiegolven op Hartelkanaal”, Nota S 78.29, Dordrecht, Nederland, Nov. 1979 Gerrtisma, J.: “Golven, Scheepsbewegingen, Sturen en Manoeuvreren 1”, Rapport nr. 563-K, Delft, Nederland, 1978 Pinkster, J.A., Ruijter, M.N.: “The Influence of Passing Ships on Ships moored in Restricted Waters”, OTC-16719, Houston, VS, Mei 2004 Remery, G.F.M.: “Mooring Forces induced by Passing Ships”, OTC-2066, Houston, VS, Mei 1974 Jong, M.P.C. de, Battjes, J.A.: “Onderzoek karakteristieken seiches Maeslantkering”, Delft, Nederland, Nov. 2003 Newman, J.N.: ”Marine Hydrodynamics”, Cambridge, VS,1977 Zhongsheng, F.: “A comparison of integral equation methods for calculation of hydrodynamic forces on large offshore structures”, Marintec China 85 Conference, Shanghai, China, 1985 Grue, J. & Biberg, D.: “Wave forces on marine structures with small speed in water of restricted depth”, Applied Ocean Research Vol. 15, 1993 Bos, M.: “Afstudeerproject schip-schip interactie”, Rapport-1118-S, Delft, Nederland, Nov. 1997 Lesser, G.R., Weiler, O.M.: “Mooring Simulation Project”, Rapport Waterloopkundig Laboratorium, Delft, Nederland, Juni 2001. Reijden, E. Van der,: “Effect passerende schepen op TOR terminal”, rapport nr. A1153R1r0, Marknesse, Nederland, Nov. 2003.


blz. 67 van 67


De invloed van passerende schepen op afgemeerde schepen, Juni 2004, O.A. Willemse

Recommend Documents