NO162205B - Fremgangsm te og svekke virkningen av doen ninger p kyst- eller offshorekonstruksjoner. - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår en fremgangsmåte og en innretning for dempning av virkningen av dønninger med henblikk på beskyttelse av kyst- eller offshorekonstruksjoner eller

-installasjoner.

Det er kjent at meget tallrike sektorer av aktivi-tet som kommer innenfor sjøens yrker, ville ha stor fordel av eksistensen av en dønningsdempende anordning som er for-holdsvis billig å konstruere, som bare krever et minimum av vedlikehold, som er motstandsdyktig mot dårlige værforhold, som ikke hindrer seilingen av fartøyer med lav tonnasje, og som ikke påvirker det estetiske utseende av et sted.

Blant de mulige anvendelser av en sådan innretning kan det som ikke-uttømmende eksempler nevnes: - reduksjon av skvulping i havner og natulige til-fluktssteder - beskyttelse av diker eller demninger som er til-bøyelig til å vise tegn til utmattelse

- beskyttelse av offshore-installasjoner (rigger

av alle typer, nedsenkede lagringstanker, etc.)

- forbedring av sikkerheten av operasjoner til

sjøs (bortsleping av konstruksjoner, montering av prefabrik-kerte elementer, gjenvinning av oljesøl, etc.), og eventuelt også - gjenvinning av energi fra bølger og dønninger.

Det er allerede blitt foreslått et stort antall systemer og anlegg som forsøker å frembringe virkninger av denne type. En praktisk talt uttømmende oversikt over stu-diene av dette emne kan spesielt finnes i Rapport R 727 som ble publisert i mai 1971 av det amerikanske Marinedeparte-ment.

De hittil foreslåtte innretninger gjør ikke desto mindre bruk av materialelementer som vanligvis innebærer dempningsvirkninger av viskøs opprinnelse, mens det, da døn-ninger er et fenomen av periodisk oscillerende type, ville ha syntes mer lovende, for å oppnå dempning, å benytte de mid-ler som skriver seg fra klassiske, matematiske beregninger ved undulasjonsfenomener. Dette er imidlertid ikke tilfelle, og oppfinnelsen er nettopp rettet på en helt ny type av system som er basert på kunnsakpen om et fenomen som vil bli identifisert under betegnelsen "oscillerende vegg av vann", og hvis frembringelse, basert på teoretiske beregninger av undulasjonsfenomener av denne type, i praksis oppnår de nød-vendige resultater ved hjelp av materialelementer som er både enkle, billige og kompakte.

For å lette forståelsen av oppfinnelsen, skal det teoretiske grunnlag på hvilket oppfinnelsen hviler, først forklares.

Beskrivelse av fenomenet med den oscillerende vegg av vann

To mulige tilfeller kan betraktes, alt etter vanndybden på installasjonsstedet: Eørste tilfelle: Vanndybden er grunn i forhold til bølgelengden av den innfallende dønning.

Dersom man i dette tilfelle betrakter en parallell-epipedisk tank, lengde L og høyde H, som er plassert på hav-bunnen og er rettet normalt på den innfallende dønning 0^, består systemet av fjerne bølger av den innfallende dønning 4> , den reflekterte bølge $ og den bølge $ som avbøyes på

J. KL)

grunn av tanken. Dette er vist på fig. 1 på tegningene.

Dersom man nå antar at en vilkårlig mekanisk anordning, som for eksempel en hydraulisk aktuator 1, trekker tanken i en vekslende, horisontal translasjonsbevegelse, med

iwt

likningen X(t) = Ae , i forhold til ovennevnte bølgesystem, vil det bli overlagret et system av to strålingsbølger 4> rog ^' ri som forplanter seg på hver side av tanken. Dette er vist på fig. 2 på tegningene.

Det er da klart at ved å innstille amplituden A

av aktuatorens 1 bevegelse på riktig måte, vil det alltid være mulig å sikre at $ har den samme amplitude som <J> , mens det, ved å innstille fasen av aktuatorens vekslende bevegelse, alltid vil være mulig å tvinge <J>r til å være i fase med <J>D, i hvilket øyeblikk bølgene 4>r og <t>D utslettes gjensidig slik at det oppnås en ideell dønningsdemper.

Dersom man på det matematiske plan skriver de Newton-likninger som bestemmer bevegelsene til et fast lege-me under virkningene av treghetskrefter, hydrodynamiske krefter og forbindelseseffekter, kan det observeres at det alltid finnes minst én dønningsperiode for hvilken innretningen bevarer sine ideelle demperegenskaper når aktuatoren 1 er-stattes av en enkel fjær med stivhet K. I dette tilfelle observeres da et rent skvulpingsfenomen ved fronten av tanken. Det er dette som er vist på fig. 3.

Det er videre mulig å gi tankens masse en verdi M for hvilken koeffisienten K blir lik null. I dette øyeblikk er det blitt oppnådd en ideell dønningsdemper, med tank, men uten at det er nødvendig å påvirke denne tank på noen som helst måte.

Endelig gjelder for tanken, dersom høyden H er fast, at det finnes en bredde L for hvilken den aktuelle masse M er lik massen av det fortrengte vannvolum. I dette øyeblikk er tanken ganske enkelt ekvivalent med en innhyl-ling full av vann, og som bare er utsatt for vertikale krefter. Under disse forhold er det ingen ulempe å avskaffe, tankens sidevegger, slik at det således frembringes en ideell dønningsdemper, idet tanken er erstattet av en tynn, horisontal plate e, med svakt positiv oppdrift, som er festet til stramme kabler 2, 2', som vist på fig. 4.

Med andre ord, og i teorien, er det derfor mulig å tenke ut en "ideell" dønningsdemper, dvs. som fullstendig opphever innfallende dønninger, ganske enkelt ved hjelp av en eneste plate av passende størrelse som er nedsenket til den riktige dybde, slik at den skive av vann som er avgren-set under denne plate, da oscillerer horisontalt med den nødvendige amplitude og fase slik at denne dempning oppnås. Dette er hva som er betegnet som fenomenet med den oscillerende vegg av vann og som er illustrert på fig. 4.

I praksis er det klart at antallet og størrelsen av de impliserte parametere i virkeligheten er slik at man bare kan forsøke å oppnå en dempningseffektivitet som er maksimal, dvs. optimal, under gitte tilstander, idet denne effektivitet er gitt ved formelen

Man har således vært i stand til å observere at effektiviteten R i prosent, for eksempel med en plate med lengde L = 12 m og en tykkelse e = 0,24 m, og som er nedsenket til 1,5 m fra den frie overflate ved en vanndybde på 11 m, varierer betinget av dønningsperioden i overensstemmelse med en kurve som er vist på fig. 5. Det viser seg derfor at denne effektivitet, i dette første tilfelle, er meget god for et vidt område av frekvenser.

Andre tilfelle: Vanndybden er stor i forhold til bølgelengden av de innfallende dønninger.

For å oppnå realistiske, teknologiske konfigura-sjoner, vil "vegg av vann"-fenomenet i dette tilfelle bli igangsatt ved å frembringe en narretank eller fiktiv tank med en høyde h som er lik avstanden mellom taket av en øvre plate P^ og gulvet av en nedre plate P,,. Dette er illustrert på fig. 6.

På samme måte som i det første tilfelle var det mulig å fastslå ytelsene eller effektivitetene betinget av dønningsperioden for en innretning bestående av to over hverandre anbrakte plater med en lengde på 12 m og en tykkelse på 0,2 4 m, og som var nedsenket i vann med en dybde på 20 m, den ene 14 m fra bunnen og den andre 18 m fra bunnen, dvs. adskilt fra hverandre med en avstand på 4 m i høy-den.

Man får da den kurve som er vist på fig. 7, hvilken kurve også indikerer en meget tilfredsstillende effektivitet i et rimelig frekvensområde.

Det er selvsagt både mulig og ønskelig å sammen-kople innretningene av begge typer, enten i serie, dvs. den ene etter den andre på dønningsbanen, eller i parallell,

dvs. overlagret den ene på den andre. Dette er hva som er illustrert på henholdsvis fig. 8 og 9.

På fig. 8 er den lange dønningsdemper plassert først og består av to plater 3, 3', mens den korte dønnings-demper, bestående av to plater 4, 4<*>, deretter er plassert på en dybde som er mindre enn den første.

På fig. 9 er det derimot benyttet bare tre over hverandre anbrakte plater, dvs. 3, 3', 4', som altså arbei-der i parallell.

Dersom man nå refererer til materiell realisering, kan denne anta mange forskjellige former alt etter

- vannets dybde

- størrelsen av tidevannsområdet

- beskaffenheten av jordbunnen

- egenskapene til de innfallende dønninger

- ytelsen til dønningsdemperen.

Det antall parametere som må taes i betraktning for å definere den demper som er best egnet for et gitt sted, er derfor meget stort. Denne omstendighet er ikke særlig straf-fende innenfor rammen av oppfinnelsen, da fenomenet med den oscillerende vegg av vann er av en undulasjons- eller bølge-natur som man lett kan finne ut av ved beregning, uansett kompleksiteten av den benyttede innretning, i motsetning til tidligere dønningsdempere som benyttet seg av dempningsvirk-ningene av viskøs opprinnelse. En fullstendig, foreløpig konstruksjon kan derfor uttenkes ut fra matematiske modeller som allerede eksisterer (optimering av hydrodynamisk opera-sjon, konstruksjonsutforming, krefter som overføres til for-ankringene, etc.). Tilflukt til eksperimentelle prøver på småskalamodeller er da bare nødvendig for å bekrefte gyldig-heten av de teoretiske forutsigelser før materialisering av prosjektet.

For å ta et eksempel, er det på fig. 10 skjemati-sert en mulig konfigurasjon i et særlig ugunstig tilfelle hvor:

- tidevannsområdet er betydelig

- vannet er meget dypt

- sjøforholdene kan være meget strenge, og

- på grunn av jordbunnens beskaffenhet er det umulig å oppta store forankringskrefter.

I det viste tilfelle som kan sammenliknes med til-fellet på fig. 8, består de to suksessive dempningsinnret-ninger av de fire følgende plater:

Kabelrullene 5 og 5', som optimerer nedsenkningen av platen og dobbeltplaten (P3/ P4), må bare utvikle meget lave krefter dersom man tar i betraktning at utviklin-gen av sjøtilstandene alltid er meget langsom.

Styringen av disse ruller kan være mer eller mindre avansert alt etter hvorvidt optimering er nødvendig betinget av tidevannsområdet alene eller også av sjøtilstan-den. I det første tilfelle påvirkes styringen ganske enkelt ved hjelp av en trykkoppfanger, mens styringen i det andre tilfelle må påvirkes av en mikroprosessor.

Styringen av rullene kan dessuten styres i reell tid, for å dra fordel av de stampende og duvende bevegelser av platen P2 eller dobbeltplaten P^, P^, for å absorbere hele eller en del av energien av de innfallende bølger, enten for å gjenvinne denne energi eller ganske enkelt for å tilføre den energi som er nødvendig for å manøvrere rullene.

Ovenstående eksempel er selvsagt bare gitt som en illustrasjon og er på ingen måte uttømmende, idet oppfinnelsen dekker alle forbindelser og kombinasjoner av bjelker som frembringer en "oscillerende vegg av vann", med den virkning å redusere konsekvensene av et dønningsfenomen, særlig, men ikke utelukkende, ved de innledningsvis angitte anvendelser. Fig. 11 - 13 illustrerer således en praktisk ut-førelse av oppfinnelsen ved anvendelse av denne for beskyttelse av en demning i dårlig forfatning. Fig. 11 viser skjematisk den dempning som skal be-skyttes og som er betegnet med henvisningen D, og også iso-batlinjene ved 5, 10, 20, 35 og 40 m, og retningen H av den fremherskende dønning.

I overensstemmelse med oppfinnelsen er denne demning beskyttet ved hjelp av en plate P med en bredde på 12 m og en tykkelse på 1,2 m, hvilken plate er rettet normalt på retningen H og er nedsenket 3 m over bunnen på 35 m, som vist på fig. 12. Platen har kraftig positiv oppdrift og er bygget av stivt og lett materiale og er dekket av en hud eller hinne med en tykkelse på 10 mm. Platen fastholdes ved hjelp av kabler C som er festet 1 m fra hver ende av platen og er fortøyd til bunnen ved hjelp av blokker som er beliggende i en avstand av 8 m på hver side av platens lengdeakse. Disse kabler har en stivhet på 10 000 tonn pr. meter med en kabelavstand på 10 m i retningen parallelt med dønningsdek-ket.

Den effektivitet som oppnås ved hjelp av dette system, er vist ved hjelp av kurven på fig. 13 og kan betraktes som meget tilfredsstillende, dvs. mellom 80 og 100 % for dønningsperioder fra 4,5 til 7 sekunder.

Det kan således anses at demningen D ved hjelp av innretningen ifølge oppfinnelsen, hvis enkelhet er åpenbar, blir effektivt beskyttet mot virkningene av dønninger under de mest vanlige forhold.

Claims (10)

1. Fremgangsmåte for å bevirke dempning av virkningene av dønninger med henblikk på beskyttelse av kyst- eller offshore-konstruksjoner eller -installasjoner, KARAKTERISERT VED at en stiv, tynn plate nedsenkes til en bestemt høyde over en horisontal, fast flate på en slik måte at det mellom denne plate og den nevnte, faste flate dannes en "oscillerende vegg av vann", dvs. en vannmasse med en bestemt høyde som oscillerer horisontalt, idet denne vannmasse frembringer et bølge-typefenomen som ut fra den innfallende dønning nedstrøms av den oscillerende vannvegg frembringer en avbøyd bølge (0D) og en strålingsbølge ( <fiT) hvis sammensetning gir en resultant med null eller liten amplitude.

2. Innretning for dempning av dønninger på et gitt sted med henblikk på beskyttelse av dette, ved benyttelse av fremgangsmåten ifølge krav 1, KARAKTERISERT VED at den omfatter minst én stiv, tynn plate som er nedsenket til en bestemt høyde over en horisontal, fast flate på en slik måte at det mellom denne plate og den nevnte, faste flate er dannet en oscillerende vegg av vann.

3. Innretning ifølge krav 2, KARAKTERISERT VED at den faste flate utgjøres av bunnen av vannet.

4. Innretning ifølge krav 3, KARAKTERISERT VED at den faste flate utgjøres av en fast, underliggende plate.

5. Innretning ifølge ett av kravene 2-4, KARAKTERISERT VED at den omfatter en sammenstilling av flere horisontale plater eller grupper av horisontale plater som er anbrakt over hverandre i nedsenket stilling og som danner flere oscillerende yannvegger som er beliggende på forskjellige høyder og/eller følger etter hverandre i horisontal retning.

6. Innretning ifølge ett av kravene 2-5, KARAKTERISERT VED at minst én plate er festet til stive understøttelser som er forankret på bunnen av vannet.

7. Innretning ifølge ett av kravene 2-6, KARAKTERISERT VED at minst én plate er forsynt med svakt positiv oppdrift og er fortøyd via stramme kabler.

8. Innretning ifølge ett av kravene 2-7, KARAKTERISERT VED at høyden over bunnen for minst én plate er regulerbar.

9. Innretning ifølge krav 7 og 8, KARAKTERISERT VED at reguleringen av høyden av den nevnte plate utføres ved varia-sjon av lengden av platens forankringskabler.

10. Innretning ifølge krav 8 eller 9, KARAKTERISERT VED at midlene for regulering av høyden av minst én plate omfatter i det minste en trykkoppfanger og/eller en mikroprosessor på en slik måte at det sikres en optimal regulering som funksjon av stedets egenskaper (dybde, tidevannshøyde) og den innfallende dønning (periode, amplitude).