Tutkimus luotsiveneen kaatumisesta Kemin edustalla

Transkriptio

1 Merenkulkulaitoksen julkaisuja 9/2004 Tutkimus luotsiveneen kaatumisesta Kemin edustalla Helsinki 2004 ISBN ISSN

2

3 Merenkulkulaitoksen julkaisuja 9/2004 Tutkimus luotsiveneen kaatumisesta Kemin edustalla Helsinki 2004 ISBN ISSN

4 ISSN Merenkulkulaitos, Helsinki 2004

5 Julkaisija KUVAILULEHTI Julkaisun päivämäärä Tekijät (toimielimestä: toimielimen nimi, puheenjohtaja, sihteeri) Tutkija: Keijo Hanhirova, Teknillinen korkeakoulu Laivalaboratorio Hyväksynyt: Jerzy Matusiak, TkT, Professori Julkaisun laji Tutkimusraportti Toimeksiantaja Merenkulkulaitos Toimielimen asettamispäivämäärä Julkaisun nimi Tutkimus luotsiveneen kaatumisesta Kemin edustalla Tiivistelmä Yrittäessään jättää luotsia kovassa merenkäynnissä Kemin edustalla Ajoksen väylällä West Sailor kemikaalitankkeriin luotsivene Pilot MKL 3202 kaatui, täyttyi osittain vedellä, mutta oikeni ja pääsi omin avuin satamaan. Henkilövahinkoja ei loukkaantumisen lisäksi sattunut. Onnettomuuden syitä haluttiin selvittää mallikokeiden ja laskennallisten simulointien avulla. Luotsiveneen kaatuminen tapahtui myötäaallokossa, jossa laivan peräaallon ja meriaallokon oletettiin yhdessä aiheuttaneen veneen kaatumisen. Veneen käyttäytymiseen tällaisissa olosuhteissa vaikuttaa aluksen dynaaminen vakavuus, sekä sen merikelpoisuusominaisuudet. Projektin tarkoituksena oli selvittää luotsiveneen dynaaminen vakavuus ja veneen käyttäytyminen tapahtuman aikana vallitsevia olosuhteita jäljittelevässä myötäaallokossa mallikokeiden avulla. Mallikokeiden lisäksi veneen liikkeitä analysoitiin laskennallisesti erilaisissa aallokkoolosuhteissa. Mallikokeissa havaittiin, että luotsivene on niin vakaa, että se ei ilmeisesti kaadu yksinään onnettomuuden aikana vallinneissa olosuhteissa. Todennäköisin syy onnettomuuteen on mutkailuliikkeen yhdistyminen surffaamiseen aallokossa. Mutkailuliike aiheutui kontaktista laivan kanssa. Luotsivene oli laivan kyljessä kohdassa, jossa laivan virtauskentän ja kääntymisliikkeen seurauksena vene ei päässyt irti laivasta. Aallokossa pienempi luotsivene kohoilee paikallisen aallon mukana kun taas laiva liikkuu eri tavalla. Veneen ja laivan kontaktissa suhteellinen liike voi kaltevan laivan kyljen alueella aiheuttaa veneelle liiketilan, johon se ei muuten aallokossa joutuisi. Kun luotsi jätetään laivaan on se turvallista tehdä yhdensuuntaisen keskilaivan alueella ja välttää laivan peräosaa, jossa laivan vesiviiva kapenee. Avainsanat (asiasanat) Onnettomuudet, merikelpoisuus, mallikoe, simulointi Muut tiedot Sarjan nimi ja numero Merenkulkulaitoksen julkaisuja 9/2004 Kokonaissivumäärä Kieli 24 suomi Jakaja Merenkulkulaitos ISSN Hinta Kustantaja ISBN Luottamuksellisuus julkinen

6

7 1. Taustaa Pilotin ja mallin tiedot Pilotin alkuvakavuus ja keinunnan ominaisperiodi Pilotin vakavuus nopeuden funktiona Kemikaalitankkeri West Sailor Kaatumisajankohdan olosuhteet ja paikka Kaatumistilanne Mallikokeet Kaatumistilanteen jatkoanalyysi Kaatumisen laskennallinen simulointi Luotsiveneen kaatuminen peräaallokossa Vastaava tilanne ilman kääntöliikettä Johtopäätökset Lähdeluettelo

8 4 1. TAUSTAA Yrittäessään jättää luotsia kovassa merenkäynnissä Kemin edustalla Ajoksen väylällä West Sailor kemikaalitankkeriin luotsivene Pilot MKL 3202 kaatui, täyttyi osittain vedellä, mutta oikeni ja pääsi omin avuin satamaan. Henkilövahinkoja ei loukkaantumisen lisäksi sattunut. Onnettomuuden syitä haluttiin selvittää mallikokeiden ja laskennallisten simulointien avulla. Luotsiveneen kaatuminen tapahtui myötäaallokossa, jossa laivan peräaallon ja meriaallokon oletettiin yhdessä aiheuttaneen veneen kaatumisen. Veneen käyttäytymiseen tällaisissa olosuhteissa vaikuttaa aluksen dynaaminen vakavuus, sekä sen merikelpoisuusominaisuudet. Projektin tarkoituksena oli selvittää luotsiveneen dynaaminen vakavuus ja veneen käyttäytyminen tapahtuman aikana vallitsevia olosuhteita jäljittelevässä myötäaallokossa mallikokeiden avulla. Mallikokeiden lisäksi veneen liikkeitä analysoitiin laskennallisesti erilaisissa aallokko-olosuhteissa. 2. PILOTIN JA MALLIN TIEDOT Mallin rakentamiseksi Pilotin piirustuksia sähköisessä muodossa, Napa-mallia pyydettiin veneen rakentajalta, joka oli teettänyt sellaisen Valtion teknillisessä tutkimuskeskuksessa. Rakentaja ei kuitenkaan halunnut Napa-mallia luovuttaa, vaan vaati luovuttamisen ehtona ensin allekirjoitettavaksi salassapitositoumusta, jossa sanktioiksi määritettiin euron rikkomussakko. Koska salassapitositoumusta pidettiin kohtuuttomana, päätettiin uusi Napa-malli teettää Pilotin rungon geometriapiirustuksista, jotka olivat paperilla veneen luovutusaineistossa. Kuva 1. Luovutusaineiston mukainen Pilotin kaariruutu.

9 5 Kuvissa 1 ja 2 on esitetty luovutusaineiston runkogeometriapiirustukset. Kuva 2. Luovutusaineiston mukainen Pilotin profiili, vertikaalit ja vesiviivapiirustus. Luovutusaineiston sisältämät rungon geometriapiirustukset eivät kuitenkaan vastanneet rakennettua venettä, vaan niistä puuttui perään lisätty jatke, perälaatikko. Perälaatikko oli näkyvissä osassa rakennepiirustuksia, mutta kaikki yksityiskohdat eivät niistäkään selvinneet. Puuttuvat tiedot käytiin mittaamassa veneestä, joka jouduttiin nostamaan maihin. Täydennetyistä piirustuksista teetettiin Napa-malli ulkopuolisella tekijällä. Tämän avulla voitiin rakentaa sekä fyysinen että simulointien vaatima numeerinen malli. Pilotin malli rakennettiin mittakaavassa λ = 8,456. Taulukko 1 sisältää veneen ja mallin mitat.

10 6 Taulukko 1. Pilotin ja mallin mitat Vene Malli L WL m 12,1 1,43 L OA m 13,5 1,60 B m 4,55 0,54 T m 1,50 0,18 T runko m 0,75 0,09 Uppouma kg Nopeus, maksimi kn 20 Nopeus, onnettomuudessa noin kn 9 Nopeus, onnettomuudessa noin m/s 4,63 1,59 Keulassa kaaret ovat terävät v-muotoiset ja niissä on taite palteessa sekä ylempänä kyljessä. Perässä kaarimuoto on huomattavasti tylpempi ja palteessa on kaksi taitetta. Veneessä on syvä köli ja suora potkuriakseli. Kuva 3. Pilotin vitriinimalli. Kuvan on toimittanut Toimialapäällikkö Tuula Forsblom Pohjanlahden merenkulkupiiristä.

11 7 Perään on lisätty uppoumaa, vesiviivapituutta ja vakavuutta kasvattava perälaatikko, joka ulottuu hieman vesiviivan yläpuolelle. Kuvassa 3 on esitetty Pilotin vitriinimalli, jossa koko vene on mallitettuna kansirakennelmat mukaan lukien. Kuvassa 4 on esitetty Pilotin malli, joka on rakennettu Teknillisessä korkeakoulussa. Kuvan malli on varusteltu toimimaan kauko-ohjattuna. Painoja on jouduttu nostamaan kannen yläpuolelle rakennettuun varteen, jotta vaadittu vakavuus ja keinuntaperiodi saavutettiin. Keulassa näkyvä paino pitää mallin tasapainossa kun se on ripustettuna nostoköyteen. Kuva 4. Teknillisessä korkeakoulussa rakennettu vapaasti kulkeva Pilotin malli. Roiskelistan paikkaa eikä poikkileikkauksen mittoja piirustuksiin ole merkitty. Listan paikka arvioitiin valokuvien perusteella, jotka oli otettu veneen ollessa maihin nostettuna. Poikkileikkauksen mitat oli mitattu samassa yhteydessä. 3.1 Pilotin alkuvakavuus ja keinunnan ominaisperiodi Jotta liikkeiden dynamiikka saataisiin tarkasti mallitetuksi, veneen painopisteen korkeus, alkuvaihtokeskuskorkeus ja keinunnan ominaisperiodi tulee tuntea. Pilotin alkuvakavuus määritettiin kallistuskokeen avulla. Luotsiaseman laiturissa veneen reunalle nostettiin betonipainoja ja mitattiin kallistuskulma digitaalisella vesivaa alla. Kuvassa 5 on esitetty kallistuskokeesta ja siinä käytetty paino nostettuna veneen reunalle.

12 8 Kuva 5. Pilotin kallistuskoe ja siinä käytetty paino veneen reunalla. Veneen alkuvaihtokeskuskorkeudeksi GM 0 saatiin 1,5 m, mikä vastaa hyvin VTT:n laskennallisesti valmistajan toimittamasta aineistosta laaditun NAPA-tiedoston avulla määrittämää arvoa 1,52 m. Keinunnan ominaisperiodi T ϕ mitattiin keinuttamalla Pilottia kakkosnelosella miesvoimin laiturissa. Pilot saatettiin keinumaan noin viiden asteen amplitudilla ja annettiin sitten keinua vapaasti. Mittaamalla vapaasti keinuvan veneen liike, ominaisperiodi voitiin määrittää keinunnan aikahistoriasta. Samalla saatiin keinunnan vaimennuskerroin määritetyksi. Usean keinutuksen keskiarvona keinunnan ominaisperiodiksi saatiin 2,9 s. Keinunnan vaimennuskerroin saatiin samalla määritetyksi. Sen arvoksi saatiin 0, Pilotin vakavuus nopeuden funktiona Pilotin vakavuus nopeuden funktiona määritettiin nostamalla veneen reunalle paino ja mittaamalla veneen kallistuskulma nopeuden funktiona. Mittaus suoritettiin paikallaan ja viiden mittauspisteen avulla 20 solmun nopeuteen asti. Mittaukset suoritettiin ajamalla veneellä vakionopeuksilla tyynessä vedessä. Kuvassa 6 on esitetty GM nopeuden funktiona.

13 9 Kuva 6. Pilotin vakavuus nopeuden funktiona tyynessä vedessä. Kuvasta nähdään, että vakavuus pienenee progressiivisesti nopeuden kasvaessa. Aluksi GM pienenee hitaasti, mutta noin 12 solmun nopeuden jälkeen nopeammin. Maksimi nopeudella vakavuus on pienentynyt hieman alle puoleen staattisesta arvosta. Nopeudella, jossa onnettomuus tapahtui GM on pienentynyt vain noin 10% ja on vielä noin 1,4 m. Pilot on siis erittäin vakaa alus tällä nopeudella. 4. KEMIKAALITANKKERI WEST SAILOR Laiva, johon luotsi oli tarkoitus jättää oli kemikaalitankkeri West Sailor. Kuvassa 7 on esitetty laiva etuviistosta nähtynä.

14 10 Kuva 7. Kemikaalitankkeri West Sailor. West Sailorin tietoja, jotka ovat oleellisia tämän tutkimuksen yhteydessä, on esitetty taulukossa 2. Taulukko 2. West Sailorin tietoja. IMO NR Kokonaispituus 95,00 m Leveys 16,00 m Varalaita, kesä 1,76 m Nopeus lastattuna 12,50 kn Etäisyys peräpeilistä komentosillan etureunaan 25,00 m

15 11 5. KAATUMISAJANKOHDAN OLOSUHTEET JA PAIKKA Tapahtuma paikka oli Kemin edustalla Ajoksen väylällä. Tapahtuma-aika oli ilta klo syyskuun lopussa, 28.9 vuonna Päivällä tuuli oli puhaltanut etelälounaasta 20 m/s nopeudella, mutta alkuillasta tuuli heikentyi nopeuteen 14 m/s. Aallokosta saatiin tieto merentutkimuslaitoksen ennustusmallin avulla noin kolmen meripeninkulman päässä onnettomuuspaikalta pisteessä 65 32' N, 24 34' E. Taulukossa 3 on esitetty ennustusmallin antamat tiedot. Tiedot toimitti Laura Tuomi merentutkimuslaitokselta. Taulukko 3. Merentutkimuslaitoksen ennuste aallokko-olosuhteista. klo Merkitsevä aallonkorkeus Hs Aallokon etenemissuunta Modaaliperiodi Tp Aallon pituus [m] [aste] [s] [m] 18 2, ,60 90,2 21 2, ,60 90,2 24 2, ,60 90,2 Aallon pituus taulukossa on laskettu ennustusmallin antaman modaalisen periodin perusteella. Merkitsevä aallonkorkeus Hs oli hitaasti pienenemässä ja aallokon etenemissuunta oli samoin hitaasti kiertymässä itää kohti. 6. KAATUMISTILANNE West Sailor oli matkalla satamaan. Luotsia lähdettiin viemään laivalle luotsipaikalla, mutta keskilaivalla oli ollut niin vähän varalaitaa, että aallot olivat huuhtoneet aluksen kantta. Luotsi oli todennut, ettei laivaan voi vallitsevissa olosuhteissa nousta. Laivaa pyydettiin ajamaan ns. Ajoksen linjan päähän, jossa olosuhteet ovat yleensä paremmat ja laivalla on tilaa suojan antamiseen luotsiveneelle. West Sailorin kulkureitti onnettomuuden aikana on esitetty Kuvassa 8, johon on lisätty nuoli osoittamaan aallokon etenemissuuntaa. Neliöt osoittavat aluksen paikan minuutin välein.

16 12 Kuva 8. West Sailorin kulkema reitti onnettomuuden aikana. Aallokko tuli siis suoraan perän takaa. Pilotin ohjaajan kertomuksen mukaan linjan päässä aallot huuhtelivat edelleen laivan keskiosaa. Luotsin jättöä päätettiin yrittää laivan peräosasta, jossa oli kuivaa kylkeä, johon veneellä voi nojata. Laivalle annettiin ohjeet kääntää hieman oikealle ja pitää vauhti noin yhdeksänä solmuna. Luotsi oli kannella valmiina siirtymään laivaan. Pilotin ajettua laivan vasempaan kylkeen veneen savupiippu osui laivan kylkeen, jolloin kuljettaja päätti yrittää ajaa pois laivan sivulta. Vene ei kuitenkaan päässyt irti vaikka kone oli täydellä teholla. Takaa tuli voimakas aalto, joka työnsi Pilotin irti laivasta. Pilot lähti surffaamaan aallon mukana koneen ollessa edelleen täydellä teholla. Pilot kaatui vasemmalle kyljelleen. Ohjaamon ovi oli auki ja vettä pääsi sisään noin metrin verran. Vesi tempaisi oven mennessään kiinni ja vene pysyi kumollaan. Ovi saatiin potkaistuksi auki, jolloin vesi alkoi virrata ulos ja Pilot oikeni oltuaan noin viisi minuuttia kumollaan. Pilot pääsi omin voimin satamaan ja laiva jäi ankkuriin. Vakavia henkilövahinkoja ei tullut. 7. MALLIKOKEET Tilannetta lähdettiin tutkimaan ajatuksena mallittaa aallokko-olosuhteet ja katsoa kaatuuko Pilot myötäaallokossa. Malli varustettiin aluksi pitkän hinausaltaan olosuhteisiin, joissa malli oli yhdistettynä virtakaapeleiden kautta vaunuun. Silloin malli sai käyttövoiman potkurikoneistoon ja peräsimen ohjauksen vaunusta. Kokeet osoittivat, että virtakaapeli

17 13 rajoittaa liiaksi mallin liikkeitä, eikä riittävän montaa aallon harjan ohitusta vinottain aaltoon nähden pystytty toteuttamaan 11 m leveässä altaassa. Malli varusteltiin seuraavaksi vapaasti kulkevaksi, omien akkujen ja kauko-ohjauksen avulla. Mallin vakavuus nopeuden funktion tarkistettiin ajamalla kauko-ohjattua mallia ja mittaamalla painolla kallistetun veneen kulkuasento nopeuden funktiona. Kuvassa 9 on esitetty mittauksen tulos. Kuva 9. Pilotin vapaasti kulkevan mallin vakavuus nopeuden funktiona. Tulos poikkeaa hieman veneen tuloksesta. Syynä on ilmeisesti se, että vapaasti kulkevalla mallilla potkuri toimii ylikuormitettuna, koska kitkavastus on mallille suhteessa suurempi kuin veneelle. Ylikuormitetun potkurin voimakkaampi virtauskenttä perän tylpän pohjamuodon alueella heikentää vakavuutta nopeuden kasvaessa nopeammin kuin veneellä. Tulos on kuitenkin oikealla alueella ja tutkimuksen kannalta konservatiivinen, koska vakavuus heikkenisi nopeammin kuin Pilotilla. Mallikokeet siirrettiin neliöaltaaseen, jossa leveys aallon harjan suunnassa on 40 m. Mallia ajettiin olosuhteissa, jotka edustavat onnettomuuden aikana vallinneita olosuhteita, mutta jyrkemmällä aallokolla. Olosuhteet olivat silloin selvästi vaativammat kuin tilastotietojen perusteella onnettomuushetkestä voidaan arvioida. Kokeet kuvattiin videolle ja kuvauksista tehtiin kooste, jossa olosuhteet olivat Taulukko 4 mukaiset.

18 14 Taulukko 4. Pilotin kokeissa käytetyt aallokot veneen mittakaavassa. Aallon korkeus Aallon periodi Aallonpituus [m] [s] [m] 4,87 4,4 29,7 5,19 4,7 33,8 5,11 4,9 38,2 3,59 3,2 16,0 Videolla kokeet nähdään normaalinopeudella ja lisäksi hidastettuna nopeuteen, joka vastaa mallin aikamittakaavaa. Kuvassa 10 malli kulkee sivumyötäisessä aallokossa, jonka korkeus on 5,11 m ja periodi 4,9 s. Kuva 10. Malli sivumyötäisessä aallokossa, aallon korkeus 5,11 m ja aallon periodi 4,9 s.

19 15 Aallon harja on juuri saavuttanut mallin, jyskintäkulma on suurimmillaan, mutta keinuntakulma ei ole kovinkaan suuri. Kuvassa 11 malli kulkee sivuaallokossa, jonka korkeus on 3,59 m ja periodi 3,2 s. Kuva 11 malli kulkee sivuaallokossa, jonka korkeus on 3,59 m ja periodi 3,2 s. Malli kallistelee erittäin paljon sivuaallokossa, samalla aalto työntää mallia voimakkaasti sivusuuntaan. Mallin pohjan koko toinen puoli on näkyvissä ja potkuri on puoliksi ilmassa. Kuitenkaan malli ei kaadu näissäkään olosuhteissa. Aallon pituutta ja korkeutta varioimalla voitiin todeta, että Pilot ei yksinään kaadu tällaisissa olosuhteissa. Veneen vakavuus on selvästi riittävä, eikä kaatumisvaaraa selvästikään ole havaittavissa.

20 16 8. KAATUMISTILANTEEN JATKOANALYYSI Kun oli selvinnyt, että vene ei yksinään kaadu, jouduttiin kaatumistilannetta analysoimalla hakemaan ratkaisua tapahtuneeseen. Pilotin liiketilaa kontaktin jälkeen analysoitiin ohjaajan ja laivan kapteenin kertomuksien avulla. Pilotin ohjaajan mukaan Vesi huilasi vielä aika ajoittain laivan (keskiosan) kannella, joten Pilot päätti yrittää luotsin jättöä taempaa laivan sivuosasta, jossa oli enempi kuivaa kylkeä johon voi nojata Pilotilla. Laivalle annettiin ohjeet kääntää hieman oikealle... Laivan kylkeen ajettuani vastasi korsteeni laivaan... ja lähdin ajamaan pois... mutta sepä ei irronnutkaan vaikka käytin täyttä konetta. Samassa tuli perän takaa voimakas aalto, joka pukkasi Pilotin irti laivasta ja Pilotti lähti surffaamaan aallon mukana, tässä vaiheessa oli vielä täysi eteen samassa Pilotti kaatumaan BB-puolelle. Kaatumistilanteen aikana West Sailor ajoi noin 10 kn nopeudella. Kapteenin mukaan laiva komennettiin: turn hard to starboard and so was done. West Sailor kääntyi noin 70 minuutissa, mikä nähdään Kuvasta 8. Laivan ja Pilotin kesken oli ilmeisesti eri käsitys ohjailuliikkeestä, jolla aallokkoa vastaan haettiin suojaa. Kontaktissa Pilot ajoi oikealle kääntyvän laivan vasempaan peräosaan kiinni. Etäisyys laivan peräpeilistä komentosillan etuosaan on 25 m, joten Pilotin pituus on noin puolet tästä. Kuvassa 12 nähdään kuinka West Sailorin perän vesiviivat kapenevat nopeasti tällä alueella. Kuva 12. West Sailorin perän kapenevat vesiviivat ja perän kaarien voimakkaasti ylöspäin levenevä muoto.

21 17 Kuvassa 13. On kaavamaisesti esitetty West Sailorin kaaria perän alueella vesiviivan tuntumassa. Vesiviivaa leikkaavat kaaret levenevät jyrkemmin ylöspäin laivan takana kuin lähempänä laivan keskiosaa. Kuva 13 Kaavio West Sailorin perän kaarista vesiviivan alueelta. Kuva ei ole mittakaavassa. Kuvassa 14, on Pilot kuvattuna takaapäin. Savupiippu veneen perässä on selvästi veneen reunan sisäpuolella. Koska savupiippu otti kiinni laivaan, Pilotin perän on täytynyt olla laivan kapenevan perän alueella, jossa laivan kaari on jo selvästi kalteva vesilinjan tuntumassa. Kuva 14. Pilot takaa nähtynä. Savupiipun paikka veneen reunan suhteen on hyvin nähtävissä.

22 18 Pilotin peräosa ja peräsin on silloin laivan suhteen alueella, jossa virtaus kääntyy laivan keskiviivaa kohti ja painaa silloin venettä laivan runkoa päin. Samanaikaisesti laiva kääntyi tiukasti oikealle. Käännöksen vaikutuksesta laivan perä siirtyy vasempaan päin ja paikallinen virtaus kääntyy vielä jyrkemmin kohti laivan keskiviivaa. Tämän paikallisen virtauksen seurauksena Pilot imeytyi kiinni laivan runkoon eikä päässyt siitä irti vaikka konetta käytettiin täysillä. Kun voimakas aalto tuli, Pilot nousi aallon mukana nopeammin kuin laivan perä ja samalla laivan ylöspäin levenevä perä työnsi Pilotin irti rungosta. Koska laivan perän kaaret leviävät takana nopeammin ylöspäin, niin Pilotin perä sai suuremman sivuttaisliikkeen vasempaan kuin keula. Pilot siis työnnettiin irti laivasta ja samalla se joutui mutkailuliikkeeseen, jonka kääntymissuunta oli oikeallle. Kontakti laivan kanssa on kaavamaisesti esitetty Kuvassa 15, josta myös nähdään kulmaliikkeiden ja aallon pinnan korkeuden positiiviset suunnat. Kuvassa veneen poikkileikkaus nähdään takaapäin. Kuva 15. West Sailorin ja Pilotin kontakti tilanne. Pilot oli siis painautunut West Sailorin kylkeen kohdassa, jossa laivan perä on sivuttaisliikkeessä Pilottia päin. Tällaisen liikkeen seurauksien tutkiminen mallikokeilla ei ole kovinkaan helppoa, koska kyseessä on kahden aluksen kontakti meriaallokossa. Kontaktin ja aallokon ajoitus pitäisi saada osumaan juuri oikein, lisäksi alusten liiketila pitäisi vastata onnettomuustilannetta. Näistä syistä kontaktin seurauksia ryhdyttiin selvittämään laskennallisen simuloinnin avulla. 9. KAATUMISEN LASKENNALLINEN SIMULOINTI Laskennallisesti Pilotin liike voidaan toteuttaa antamalla alkuarvoina haluttu liiketila ja laskemalla alkuehtojen seurauksena syntyvä liike aallokossa. Käytetty menetelmä on kaksivaiheinen, jolla veneen epälineaariset liikkeet aallokossa voidaan laskea. Seuraavassa kuvataan menetelmän sisältö lyhyesti.

23 19 Yleinen malli laivan liikedynamiikalle aallokossa on jaettu lineaariseen- ja epälineaariseen osaan. Laivan lineaarinen vaste aallokossa arvioidaan lineaarisen stripteorian avulla. Epälineaarinen osuus muodostuu jäykän kappaleen dynamiikan ristivaikutustermeistä, palautus- ja Froude-Krylov-voimien epälineaarisista osuuksista. Laivan vastus ja peräsimen sekä potkurin toiminta otetaan myös huomioon. Palautus- ja Froude-Krylov-voimat lasketaan kolmidimensioisen paneelimallin avulla. Radiaatio- ja diffraktiovoimien oletetaan olevan riittävän hyvin laskettavissa lineaarisen mallin avulla. Laivan liike eteenpäin ja muiden vasteiden epälineaarinen osuus ratkaistaan 13 epälineaarisen tavallisen differentiaaliyhtälön muodostaman yhtälöryhmän avulla numeerisesti ajan suhteen. Tuloksena saadaan laivan kokonaisvaste kolmena siirtymänä sekä Eulerin kulmina inertiakoordinaatistossa. Laskennan tulokset tässä raportissa on esitetty Kuvan 16 mukaisesti veneen painopisteeseen kiinnitetyssä koordinaatistossa, jossa ratkaistujen liikekomponenttien positiiviset suunnat on merkitty näkyviin veneen painopisteeseen kiinnitetyssä XYZ-koordinaatistossa. Aalto X keinunta Y jyskintä Peräsinkulma mutkailu Z Kuva 16. Veneen painopisteeseen kiinnitetty XYZ-koordinaatisto ja liikekomponenttien positiiviset suunnat. Kulmaliikkeiden positiivinen suunta on kuten oikeakätisellä ruuvilla kun se etenee akselin suuntaan. Menetelmä on kuvattu viitteissä.

24 Luotsiveneen kaatuminen peräaallokossa Pilotin kaatumistilanne analysoitiin laskennallisesti, jolloin laivan ja veneen välisen kontaktin ja aallokon yhteisvaikutuksen seurauksena syntyvä mutkailuliike saatiin otetuksi huomioon. Kun West Sailor kääntyi oikealle annettujen ohjeiden mukaisesti, sen kääntymisnopeus oli noin 1 aste/s. Alusten kontaktin seurauksena on saattanut olla suurempikin mutkailunopeus, mutta laskennassa se asetettiin samaksi kuin West Sailorilla oli. Ohjaajan kertomuksen mukaan kone oli täysillä ja koska aalto heitti veneen irti laivasta kun se oli pyrkimässä pois laivan kyljestä peräsinkulma on oletettu 35 asteeksi vasempaan. Kun lasketaan syntyvä liike näillä alkuarvoilla, saadaan tuloksena Kuvan 17 esittämät liikkeet. Kuva 17. Pilotin simuloitu liiketila laivan ja veneen törmäyksen seurauksena, kun mutkailunopeus on 1 aste/s ja peräsinkulma 35 astetta vasempaan. Laskennassa ainoat nollasta eroavat alkuehdot ovat veneen nopeus eteenpäin ja mutkailunopeus. Aloituksen transienttien vaimentamisen vuoksi ensimmäinen aalto on vaimennettuna mukana ja sen amplitudi kasvaa niin, että noin viiden sekunnin jälkeen se

25 21 vaikuttaa täydellä voimallaan. Aallon pinnan korkeus lasketaan veneen painopisteen kohdalla. Painopiste taas etenee veneen nopeuden mukaan.kiinnostava liiketila alkaa siis noin viiden sekunnin jälkeen kun aalto saa Pilotin kiinni ja vene lähtee kiihtymään aallon edessä. Kuvassa aallon pinnankorkeus on esitetty 10-kertaisena havainnollisuuden vuoksi. Kun aalto tulee Pilot kallistuu hieman vasemmalle kyljelleen ja lähtee surffaamaan aaltoa alas. Aluksi vauhti kiihtyy voimakkaasti, mutta kun aallon harja saapuu veneen kohdalle, vauhti putoaa äkkiä ja samalla keinuntakulma kasvaa nopeasti yli 70 asteen. Vene siis käytännössä kaatuu. Veneen nopeus kasvaa maksimissaan noin 12 solmuun, jossa dynaaminen vakavuus on Kuvan 6 mukaisesti vielä erittäin hyvä. Dynaamisen vakavuuden määrittäminen tapahtui kuitenkin tyynessä vedessä, jossa virtaustilanne rungon ympärillä on stationäärinen. Aallokossa tilanne on toisenlainen, koska aallon sisäinen nopeuskenttä vaikuttaa veneen suhteelliseen virtausnopeuteen veden suhteen. Vene kulkee dynaamisen painekentän kannattamana ja äkisti painekenttä muuttuu kun aalto saavuttaa veneen. Tämä tarkoittaa, että vene ei enää ole tasapainotilassa, koska sen kulkuasennon uppoumaa ei enää kannattele riittävä dynaaminen painekenttä. Ilmeisesti kaatuminen aiheutuu tämän seurauksena. Suoritetuissa vertailulaskelmissa nähtiin, ettei peräsinkulmalla ollut suurta vaikutusta kaatumiseen, vaan ratkaiseva tekijä oli mutkailuliike. 9.2 Vastaava tilanne ilman kääntöliikettä Seuraavaksi suoritettiin tarkistuslaskelma Pilotin käyttäytymisestä samoissa olosuhteissa ilman kontaktin aiheuttamaa mutkailuliikettä, lisäksi venettä ohjasi autopilotti. Kuvassa 18 on esitetty laskennan tulokset.

26 22 Kuva 18. Pilotin simuloitu liiketila laivan ja veneen törmäyksen seurauksena, ilman mutkailunopeutta, automaattiohjaus. Laskenta alkaa samaan tapaan kuin aikaisemmin, eli noin viiden sekunnin jälkeen aalto on täysimittainen. Kun aalto saa Pilotin kiinni, veneen vauhti alkaa kasvaa ja se lähtee surffaamaan aaltoa alas. Pilot jää kiinni aaltoon lähes vakioasennossa ja kulkee aallon mukana eteenpäin. Keinunta- ja jyskintäkulmat lähestyvät aallon paikallista kaltevuutta veneen kulkiessa vinosti aaltoa alas. Mutkailukulma lähestyy aloitussuuntaa. Autopilotin peräsinkulma oli suurimmillaan 1,3 astetta. Mitään yllättävää veneen käyttäytymisessä ei tässä tilanteessa ole havaittavissa.

27 JOHTOPÄÄTÖKSET Mallikokeissa havaittiin, että luotsivene on niin vakaa, että se ei ilmeisesti kaadu yksinään onnettomuuden aikana vallinneissa olosuhteissa. Todennäköisin syy onnettomuuteen on mutkailuliikkeen yhdistyminen surffaamiseen aallokossa. Mutkailuliike aiheutui kontaktista laivan kanssa. Luotsivene oli laivan kyljessä kohdassa, jossa laivan virtauskentän ja kääntymisliikkeen seurauksena vene ei päässyt irti laivasta. Aallokossa pienempi luotsivene kohoilee paikallisen aallon mukana kun taas laiva liikkuu eri tavalla. Veneen ja laivan kontaktissa suhteellinen liike voi kaltevan laivan kyljen alueella aiheuttaa veneelle liiketilan, johon se ei muuten aallokossa joutuisi. Kun luotsi jätetään laivaan on se turvallista tehdä yhdensuuntaisen keskilaivan alueella ja välttää laivan peräosaa, jossa laivan vesiviiva kapenee.

28 24 Lähdeluettelo Matusiak, Jerzy; Matusiak, J. Matusiak, Jerzy; On the effects of wave amplitude, damping and initial conditions on the parametric roll resonance. Proceedings of the 8th International Conference on Stability of Ships and Ocean Vehicles, Madrid, Spain, September 2003, pp Two-stage approach to determination of non-linear motions of ship in waves. 4th Osaka Collouqium on Seakeeping Performance of Ships, Osaka, Japan, 17-21st October, 2000 Towards an unified theoretical model of ship dynamics, The Maritime Research Seminar 2002, held in Sjökulla on ,