beknopte-beschouwing-over-de-bepaling-van-weerstands

BEKNOPTE BESCHOUWTNG OVER DE
BEPALING VAN WEERSTANDS-
EN
CAPACITE]TSFUNCT]ES VOOR
VAARWEGEN
TEN BEHOEVE VAN DE VAARWEGENNOTA.
Nota 70.12.1
Rijkswaterstaat
Directie Benedenrivieren
Studiedienst Verkeer te h/ater
Isinds 1-1-1972: Dienst Verkeerskunde
Hoofdafdeling Scheepvaart
Dordrecht,
januari
)
197'1
INHOUD
bl-z.
1. ïnleiding . . . | . . . r . . . | . . . . . . . . . . . . . . .
2,
Nadere beschouwing vaarsnelheden.
3. Vaarsnelheid op beperkt water onder ideale omstandigheden
4.
Waterloopkundigde omstandigheden.
5. Overige omstandigheden.
6,
Vaarsnelheid in verband met de verkeersbelasti-ng.
7.
Ilogelij ke aanpak ter bepaling van de weerstands- en capaciteitsf .rncties.
attaa
1
F]GUREN
1. Verband tussen motorvermogen en Vaarsnelheid
verschillende randvoorwaarden .
2.
Voor
Verband tussen vaarsnelheid en afmetingen van het
dwarsprofiel voor verschillende schepen.
3. Vergelljking tussen scheepssneLheden in
en in een trapezium vormlg dwarsprofiel
een rechthoe
met
gelij
kig
ke
waterdiepte.
4. Schematisch verband tussen verkeerslntensiteit en vaarsnelheid.
BEKNOPTE BESCHOUI^JÏNG OVER DE BEPALING VAN
WEERSTANDS- EN CAPACITEITSFUNKTIES VOOR
VAARWEGEN TEN BEHOEVE VAN DE VAARWEGENNOTA.
1. ïnleidlng
die een schip kan realiseren op een bepaalde
vaarweg hangt af van een zeer groot aantal variabelen. 0mdat de
weerstands- en capaciteltsfuncties slechts globaal bepaald zullen
worden dient eerst vastgesteld te worden welke variabelen het meest
relevant zijn.
lYet betrekking tot een gegeven schip of groep van schepen kunnen
vier soorten snelheden onderscheiden worden:
a) vaarsnelheid op onbeperkt water onder 1deale omstandigheden.
bl idem op beperkt water.
cJ vaarsnelheid op beperkt water bij voorkomende waterloopkundige,
meteorologische en zintuigfysiologische omstandigheden.
dl als onder e bij een bepaalde verkeersbelasting. Deze laatste kan
de door het schip gereallseerde vaarsnelheid genoemd worden.
De vaarsnelheid
2. Nadere beschouwing vaarsnelheden
De vaarsnelheld op onbeperkt water onder ideale omstandigheden
wordt ultsluitend bepaald door de eigenschappen van het schip. Voor
de binnenvaart is deze snelheid slechts van theoretisch belang.
fn de nevenstaande figuur worden
een aantaL verbanden tussen verkeersbelasting Ib. v. intensiteitJ en
gerealiseerde snelheid schematisch
weergegeven. De cijfers 1, 2.....
.. . geven het verband:
aJ voor een gegeven schip of groep van
schepen bij verschillende randvoor-
Í'1..
o
F
J
Lr.l
í,
É
waarden.
b) voor verschillende schepen of
groepen van schepen bij overigens
gelijke randvoonvaarden.
o
lNTENStrEtr
--+
In de eerste plaats dienen de snelheden V,l ,- Vr..,., Vn" .. ', die
optreden bij een te verh,aarlozen verkeersintensiteit, aan een nadere
beschouwing onderuorpen te worden.
wordt bepaald door:
V_
n
1. schip en vaarweg Ivaarsnelheid onder ideale omstandigheden op beperkt
waterJ.
2. waterloopkundige omstandigheden.
3. overige omstandigheden,
Hierop wordt in de volgende paragrafen nader ingegaan.
3. Vaarsnelheid op beperkt water onder ideale omstandiEheden
De gerealiseerde vaarsnelheid hangt
af van de volgende factoren.
I. Vaarweg Istilstaand water, geen golven).
Voor een gegeven schip 1s de vaarsnelheid afhankeliik van de
volgende factoren:
a) Dwarsprofiel .... r. .... . r .. .. r r.. ...Watgrdiepte;
breedte;
vorm Italuds].
Enkele voorbeelden van de invloed van het dwarsprofiel op
de vaarsnelheid worden gegeven in de figuren 1, 2 en 3.
De basisgegevens die gebruikt zijn voor het samenstellen van
deze bijlagen, zijn ontleend aan "Bericht nr. 333" Van de
"Versuchsanstalt f[]r Binnenschiffbau" te Duisburg.
Bfj ruime dwarsprofielen zal de invloed van de vorm van het
dwarsprofiel in het algemeen te verwaarlozen zijn.
b) Strekking van rie vaarweg
In een vaarweg met bochten neemt de scheepsweerstand, onder
invloed van hydrodynamische verschijnselen, toe en daardoor de
vaarsnelheid af. Nagegaan moet worden bii welke verhouding van
boogstraal en scheepslengte de lnvloed van betekenis is.
De volgende factoren kunnen buiten beschouwing gelaten worden:
bodem- en wandruwheid;
klej-ne variaties in het dwarsprofiel in een aaneengesloten stuk
VaAn^/eg;
dichtheid van het water;
plaats van het schip in het dwarsprofiel (langs de oever een lagere
snelheid dan in de as).
fI. Schip
In een gegeven vaarweg
word
t de vaarsnelheid bepaald door
de
volgende scheepseigenschappen :
aJ Scheepsweerstand, . . . r . - - ., . . . scheepsafmetingen (onder water
J;
scheepsvorm.
jven:
Buiten beschouwing
luchtweerstand (t.g.v. de eigen snelheidJ;
wÍjze van varen Iveel of weinig roeri.
bl VOOftStUWing ... r r.. r,.., . WijZe Van VOOftStUWing;
vermogen;
rts t uwings ren dement .
Voorbeelden van de invloed van de scheepsafmetingen en de
scheepsvorm volgen uit de figuren 1 en 2 [een ongeladen schip
bereikt een veel hogere snelheid dan een geladen schip).
Voor geladen schepen is bfi een gelijk specifiek vermogen
voo
het snelheidsverschil niet groot. Nagegaan moet worden of dit
voor Kleinere schepen Ib.v. spitsen en kempenaars) ook nog het
geval is.
Bij de wijze van voortstuwing moet onderscheid gemaakt worden
tussen motorschepen en duweenheden enerzijds en sleepschepen
anderzii ds.
0f het voortstuwingsrendement in de beschouwing moet worden
opgenomen hangt af van de methode die toegepast wordt om de
vaarsnelheld te bepalen.
4. Waterloopkundige omstandig-heden
a) Stroomsnelheid
Als eerste benadering kan gewerkt worden met de gemlddelde stroomsneLheid. De horizontale en vertieale snelheidsgradiËlnt blijven dan
buiten beschouwing. De vaarsnelheid is in dit geval gelijk aan vaarsnelheid op stil water plus of minus de stroomsnelheid (afhankelijk
van de vaarri-chting).
b) Verhang
Hiervan moet nagegaan worden of de invloed refevant i-s.
tïet betrekking tot de blnnenvaart kan' de :n,l,--ed van goLver; np
de scheepsweerstand bulten beschouwing gelaten worden.
5. 0verige omstandigheden
I.
lïeteoro logis che omstandigheden : ii sgang
wind
zicht lmist e.d.)
II. Ztntuigfysiologische omstandighedent Deze zijn van belang voor
zicht Iobstakels e.d.J
de te voeren navigatie:
bebakenl ng
navigatie hulpmiddelen aan boord.
De kwantitatieve lnvloed van de onder I en II genoemde omstandigheden op de vaarsnelheid zal in het algemeen moeilijk te bepalen zijn.
ï,rlaarschijnlijk zal met een zeel globale benadering volstaan moeten
worden.
6. Vaarsnêlhetd in verband met de verkeersbelastl-ng
De vaarsnelheid van een schip wordt beÍnvloed door het gedrag
van het schip zelf en door interacties met andere schepen en met de
oever. De volgende situaties zijn van belang:
a) Schip alleen
Een varend schlp veroorzaakt een verstoring in het water die
met het schip meebeweegt en zj-ch manifesteert al-s een kleine opstuwing van de waterspiegel voor het schip en een retourstroom plus
een spiegeldalingsgolf naast het schip. De verstoring i-s synrnetrisch
ten opzichte van schip zolang het zich in de as van de vaarrr^/eg
voortbeweegt. Vaart het sehip dicht bij de oever dan is de verstoring
asymmetrisch waardoor krachten in dwarsrichting en momenten op het
schip gaan werken. Er is dan sprake van oeverzuiglng die vaartverLies
tot gevolg heeft.
Verder geldt in het algemeen dat iedere koerswijziging vaartveroorzaakt.
verlies, zij het echter tijdelijk,
bl Ontmoeting tussen twee schepen
Indien twee schepen elkaar ontmoeten in geval van een geringe
verkeersintensiteit, op een nj.et al te brede vaarweg, dan blijven
ze zolang mogelijk in de as varen en wijken pas op het laatste
moment uit, Er treedt enlg snelheldsverlies op als gevolg van de
koerswijzigingen, Soms wordt vlak voor dat de ontmoetlng plaatsvindt,
het schroeftoerental verlaagd met het oog op de veiligheid.
Een ontmoeting duurt echter slechts kort waardoor het vaartverlies
gering is.
Bij een hoge verkeersintenslteit, in welk geval veel ontmoetingen plaatsvinden, varen de sehepen in het algemeen op de
stuurboordshelft. Door het niet i.n de as varen zal de gemiddelde
snelheid van de schepen op de vaan^reg dalen. De mate waarin wordt
mede bepaald door de afmetingen van de vaaruleg.
cl 0ploopmanoeuvres
Tijdens oploopmanoeuvres versterken de onder a genoemde
verstoringen elkaar. Er treden zuigingsverschijnselen op tussen de
schepen onderllng en tussen de schfpen en de oevers.
Voor het vaartverlies tijdens' oploopmanoeuvres kunnen de
volgende oorzaken genoemd worden:
1. Zolang de schepen zich naast eLkaar bevinden functioneren zri
gezamenlijk als éón schip met een grotere natte dwarsdoorsnede
dan ieder van de afzonderlijlte schepen. Dit werkt "vaarï/aterbeperkend" en daardoor weerstandsvergrotend.
2. Tijdens het verlaten van de spiegeldalingsgolf behorend bij het
opgelopen schip, moet de oploper een helling overwinnen.
3. Koerswi j ziging ti- j dens de manoeuvres .
4. De zuigingsverschijnselen maken in verband met aanvaringsgevaar,
in veel gevallen, een verlaging van het schroeftoerental, dikwijls
van beide schepen, noodzakelijk.
Concluderend kan gesteld worden dat een oploopmanoeuvre vaartverlies tot gevolg heeft van zowel de oploper als de opgelopene.
De mate waarin is weer mede afhankelijk van de afmetingen van de
vaarweg.
In twee gevallen 1s een oploopmanoeuvre niet mogeli-jk. Ten
eerste in geval van ruimtegebrek veroorzaakt door tegenliggers of
mogelijke tegenllggers in geval van slecht uitzicht Ibocht, brug
enz.). Het snellere schip neemt dan tijdelijk
dezelfde vaarsnelheld
aan als de langzamer varende voorligger
Ten tweede indien het initiëi1e snelheidsverschil tussen
oploper en opgelopene Iafhankelijk van de afmetingen van de vaarweg)
niet groot genoeg is. Voorbeelden ontleend aan modelproeven
[Waterloopk. Lab. J worden gegeven in de volgende tabe]..
vaarsnelh.
Ikm,/uJ
vaarsnelh.
km,/uJ oplopend motorsch.
in
de kanaaLprofielen:
duweenh ei d
100x6^2
g
(
130
x 5 *2
B
13,4
10
15,5
15,3
11
17
,5
17 ,1
13,
vaarsnelheden van een motorschlp (80 x 9,5 x 2,5 ,3J
die vereist zijn om een duweenheid t1g1 x 22,8 x 3,3 t3), met een
gegeven initië1e vaarsneLheid, op te lopen in een rechthoekig kanaallYinimale initiëjle
proflel.
Samenvattend kan gesteld worden
dat bij een toenemende verkeerslntensiteit
de vaarsnelheld van een schip of de gemiddelde vaarsnelheid van een groep
schepen, afneemt als gevolg van twee oorzaken:
1. Oorzaken van fysische aard: weerstandsvergroti.ng door koersveranderingen,
interacties van schip en oever, interacties van schepen onderlÍng.
2. 0orzaken van verkeerstechnische aard: snelheidsaanpassingen als gevolg van
een afname van de bewegingsvrijheid en een toenemende onoverzichtelijkheid.
7. t'lCIËGfÍ;iïe rrnpsit terbep.ultne stft de qttrutffids: eëpaqtte1ï;$fr*nt{JÊ9_
welk verband er bestaat tussen scheepsafmetingen en laadvermogen
bij de verschillende scheepstypen. Hieruit dient een indeling in grootteklasserr te worden afge i.eid.
2. Nagaan welk verband er bestaat tussen toegepast motorvermogen en laadvermogen bij de verschillende scheepstypen.
3. Vaststellen van de gereallseerde vaarsnelheden van individuele schepen op
beperkt water onder ideale omstandigheden, Dit dient te gebeuren voor
verschlllende kanaalproflelen, scheepstypen en scheepsafmetingen
(grootteklassen).
4. Vaststellen van het functlonele verband tussen de vaarsnelheid van
individuele schepen (die b.V. bepaalde groottekLassen vertegenwoordigen)
of van groepen schepen en de verkeersintensiteit.
5. Het bepalen van de invloed op de vaarsnelheid van de waterloopkundige
en overige omstandlgheden lzie par. 5J,
Ad1en2.
Het N.V.I. heeft reeds enig materiaal op dit gebied verzameLd en
1.
Nagaan
bewerkt.
Ad 3.
Er zijn twee methoden mogeli-jk die voorloplg de theoretlsche
en practische methode genoemd worden.
aJ theoretische methode
tïet behulp van weerstandsformuLes het verband tussen de weerstandskracht en de vaarsnelheid bepalen. DÍt dient te gebeuren voor kanaalprofielen waarvan de breedte en de diepte systematisch gevarieerd worden.
Verschillende scheepstypen Isleep, motorschip, duweenheid) van een
aantal nader te bepalen grootteklassen, dienen in beschouwing te worden
genomen.
Verder moet onderzocht worden welke voortstutvingsrendementen in
rekening moeten worden gebracht {deze varieren o.ê. met de belasting
van de schroefJ.
Indien het motorvermogen bekend is kan het aan de schroef afgegeven
vermogen geschat worden en'met behulp hiervan vervoLgens de vaarsnel-
heid in verschillende dwarsprofielen bepaald worden.
bl practische methode
lYet behulp van gegevens uit model- en prototypemetingen de
gewenste verbanden tussen scheepsafmetingen, -typen en motorvermogen
enerzijds en de afmetingen van het dwarsproflel anderzijds bepalen.
Zowel met het oog op de nauwkeurigheld als de uitvoerbaarheid op
korte termijn, moet voorshands de voorkeur worden gegeven aan de
practlsche methode.
.
Ad 4.
Gestreefd dient te worden naar het vinden van het verband tussen
de gemiddelde vaarsnelheid van een standaardschip en een gewogen verkeersintensiteit. De weglngsfactoren worden bepaald door de afmetingen van het
dwarsprofiel. Het standaardschip dient voor elke vaarweg apart gedefinleerd
te worden.
Het werkelijke verkeersaanbod, dat uit verschillende scheepstypen en
schepen van verschillende grootteklassen bestaat, moet omgerekend worden
in standaardschepen.
fn principe zijn drie methoden mogeliik.
aJ Simulatie
Met behulp van een simulatiemodel de gewenste verhanden vaststeLlen.
0p korte termijn is deze methode niet uitvoerbaar in verband met de
zeer grote hoeveelheid gegevens die hiervoor nodig is.
bl lvleten 1n de praktijk
Tot op heden z3.jn slechts twee metingen van beperkte omvang verricht.
Een op het Amsterdam-Rijnkanaal en een op de t,r/aal in de buurt van
Nijmegen. De resultaten van beide metingen zi-jn nog in bewerking.
c) Benadering op basis van ervari-ngskennis
flet behulp van gegevens uit passeerproeven in modelsituaties en op
ware grootte, en verder op basis van praktijkervaring de maximaLe
verkeersintensiteit (= capaciteitJ trachten vast te stellen.
Hierbij moet tevens de voorkomende vaarsnelheid bepaald worden.
De eenvoudigste benadering van de snelheidsbelastingskromme is een
lineair verband tussen vaarsnelheid en verkeersintensiteit dat bepaald
wordt door de twee volgende punten í,zte bijlage 4) :
1. De sneLheid van het individuele standaardschip.
Z. De gerealiseerde snelheid bij een verkeersaanbod geliik aan de
capaciteit.
Indien dit om practische redenen gewenst is kan het lineaire
verband trapsgewijs benaderd worden door het instellen van intensiteitsnelheidsklassen zoals schematisch is weergegeven in bij lage 4.
In verband met de beperkte beschlkbare tijd zal noodgedwongen de
methode cr die minder betrouwbaar is dan de twee andere methoden toegepast
moeten worden.
sclf lP:
00
x
9,5
x
2,5 rn3
F-?05m2
í EUROPA SCHI P I
WAALI
F = 2?C
A. DAI{
n2
-
RUNKANAAL
F= t2óm2
KANAAL VAN
3
(
È
ST. ANDRIES
=I,l
t00 200 300 a00
800
600
YERtíOsEN (A"P.l(
1000
VERBAXO ÏUSSEII YERHOGEX EI{ VAARSilELHEI D
I VERSCHILLENDE KAilAALFROFIELE N}
-
scHlP: 80x9,5x dn3
( EURO PA SCHIP
0,103
YO OR
}IIDDE
}
ACHÏE
i
I
m.
01600 m.
N
|
R
.30O m.
3 2rs
=u,
t00
600
t00
t000
VERMOGEN IA.F.I( I
YERBAI{D ïUSSEN VERMOgEH EN V AARSNELHEID
(OELADEI EN ONOELADE}I scHt F I
VERBAND ÏUSSEN MOïORVERMOGEN EN YAARSNELHEIO
VERSCHILL
ENDE
-
RANDVOORWAARDEN
IJKSWATERSTAAT
DIENST VERKEERSKUNDE
HOOFDAFDELI NG SCHEEPVAART
R
F
OFP. NAT DWARSPROFIEL
Ys
YAARS}IEt}IEIO
d
D
IE PGA
T{G
AAN OE
APK
SC HE PE N
SCHROEF
TOEGEVOERD
VOOR
Fig.
YERMOOEN
I
SCHAAL:
get.
Vt
gez.
Nr.70.t2.1
SCHEPEN ( I r bxd I
s0.0x9,5x2,5m3
L
AA
WATERVERPL. TYPE
1620 m 3
u.s.
1190 m 3
u.s.
t680 rn 3
i'|.S.
DV ERMOGEN
Co. t300 ton
Co. 950 ton
Ca. 1260 ton
6615 X 8,2 X 2,5 m3
9,00 x $5 x'2,5 m3
7OO APK
5I5 APK
725 APK
+I
SPECIFIEX
I
HOTORVERMOGEN IS
I
DE
I
lrt
A PX
VERHOUDING:
r 013
WATERVERFL.
I
a
!ro
a
t0
30 {0
2A
t0 30
lÍml
7A
t0
90 r00
r20
VERBAND TUSSEN VAARSHELHEID EN YAARWE6BREEDÏE VOOR
VERSCHTLLEN DE SCHEPE N ICELUX SFECIFIEK IIOTORVERHOOEN I.
AANDUIDING SCHEPEN: ZIE BOVEH
723 AFK
00
5r
5
aa
)
tl
Br57m.
5r5 AFK
700 AFK
)".
19,2 m.
;
3 ro
nt
lr0
510
D Íml --.----{>
VERBAXD ÏUSSEN VAARSNELHEID EN VAAR IYE ODIEFÏE VOOR
VOOR VERSCHILLENDE SCHEFEN I OELUK SFECIFIEK MOTORVER }.IOgENI.
VERBAND TUSSEN VAARSNELHEID
DWARSPROFIE
L
EN AFMEÏINGEN NA
VOOR VERSCHILLENDE SCHEPEN
IJKSWATERSTAAT
DIENST VERKEERSKUNDE
HOOFDAFDELING SCHEEPVAART
R
Fb.
HET
2
SCHAAL:
get.
q"t
gqz.
Nr. 70.12.l
o
\t
o
(qt
{o
ílt
rÍ
Ít
(\|
ílt
o
(qt
o
ÀT
ro
GI
!t
Êl
a\l
È
o
z
G.
J
9
=
S-
1
ta
/
I
{
I
:
I
FEI
lrrE=
:=r3
e3:i
I
ol
I,l lrf J
JJÍg,E.
I
--
I
I
rol
22 H H
IL
crr ll
tt
cr
tÍtazz
-
rlll
tf;.b,f ,f
C'
ct
.o
to
FFF
\t(r|O
€(\lOolo)
ooo
FF,F-()O
F?F-t-'
FF
.-
rs n/u sn
Ï UsSEN SCHEEPSSNELHE DE N IN EEN
lG EN lN - EEN T RAFE ZIUM VORIíllG DWARSPR0F
VERGELUKIN G
RECHïHOE
K
MEÏ GELUKE
WATERDIEPTE
RIJKSWATERSTAAT
DIENST VERKEERSKUNDE
HOOFDAFDELI NG SCHEEPVAART
Fig. 3
IEL
SCHAAL:
get.
J
íf}uto_o.
ggoo
HHHg
--FÊ
rtíÍ'
GIF
.F
-o-=u,
()
I
/
2
;gËË
=-33
=2tr,É'
;nÈ.9
o
F+
t
ts
gFz.
Nr.
7
0.
12
.l
io
H
E
rl
H
g
(-)
o
CI
É,
cl
l'l
z
ËP
CI
H
F
Íl
z-
Ëi ?
ig1:r!
,t--^
J
lll
=t||Íl
,t=3
r|
D
ËËË7.
E
3ËiZ
2or-J
trt
Y=rl-o
UÈ
=
3
'ï
lrl
F
EJ
-J
trl
-Ít
Íd
2í:
g=o
=2
Í
=3"'
o
.
o
t{
(Íl
H
ooaÍt
f n/*x )
SCHEI,IAï
ISCH
VE RBA HD
VER K EER S INTEN S IÏ E IT
EN
s,r
Fig. 4
ïussEN
VAARSl{E LTIEID
RIJKSWATERSTAAT
DIENST VERKEERSKUNDE
HOOFDAFDELING SCHEEPVAART
SCHAAL:
gpt.
gEz.
Nr. 70. t2.
I