Dimensionering van vaar- en toegangsgeulen: ontwerpmethoden en gangbare praktijk

Transcriptie

1 Dimensionering van vaar- en toegangsgeulen: ontwerpmethoden en gangbare praktijk ir. Jeroen François Promotor: Prof. dr. ir. Marc Vantorre Masterproef ingediend tot het behalen van de graad Master in de Maritieme Wetenschappen. Academiejaar

2

3 Dimensionering van vaar- en toegangsgeulen: ontwerpmethoden en gangbare praktijk ir. Jeroen François Promotor: Prof. dr. ir. Marc Vantorre Masterproef ingediend tot het behalen van de graad Master in de Maritieme Wetenschappen. Academiejaar

4 Toelating tot bruikleen D e auteur geeft de toelating dit afstudeerwerk voor consultatie beschikbaar te stellen en delen van het afstudeerwerk te kopiëren voor persoonlijk gebruik. Elk ander gebruik valt onder de beperkingen van het auteursrecht, in het bijzonder met betrekking tot de verplichting de bron uitdrukkelijk te vermelden bij het aanhalen van resultaten uit dit afstudeerwerk. Gent, 11 mei 2009 ir. Jeroen François i

5 Samenvatting A ls gevolg van toenemende schaalvergrotingen in de scheepvaart dringt een weloverwogen ontwerp van vaar- en toegangsgeulen zich op. Het doel van deze masterproef bestaat erin verschillende bestaande situaties te toetsen aan de drie ontwerpmethoden. Daarnaast wordt ook de invloed van twee parameters op de vaargeulbreedte bepaald. Ten eerste wordt de invloed van de lengte van het schip op de vaargeulbreedte bepaald volgens de drie methoden. Bij de drie ontwerpschepen wordt enkel de lengte gevarieerd; de overige dimensies blijven gelijk. Vervolgens wordt de invloed van de kielspeling en de bijhorende diepgang van het schip op de vaargeulbreedte bekeken. Opnieuw wordt dit aan de drie ontwerpmethoden getoetst. Het ontwerpschip heeft hier drie verschillende diepgangen. Als locatie voor het testen van de invloed van de lengte en kielspeling van het ontwerpschip op de vaargeulbreedte wordt geopteerd voor de Gaillard Cut in het Panamakanaal. Daarnaast wordt kort de stopafstand berekend volgens de Spaanse methode, en dit in de Pas van t Zand voor de haven van Zeebrugge. Daarenboven worden drie bochten in de Westerschelde getoetst aan de verschillende ontwerpmethoden. Naast de bepaling van de bochtstralen wordt ook de vaargeulbreedte in de bocht bekeken. Tenslotte wordt een recht stuk vaargeul in de Westerschelde gedimensioneerd en getoetst aan de huidige vaargeulbreedte. De resultaten van de analyses verschaffen een duidelijk beeld van de invloed van bepaalde parameters. Zo blijkt de lengte en kielspeling van het ontwerpschip en de windsterkte een belangrijke invloed te hebben op de nodige vaargeulbreedte. Ook bij het dimensioneren van de bochtstraal en breedte speelt de kielspeling een belangrijke rol. Het is echter onmogelijk te besluiten welk van de beschouwde richtlijnen de meest of minst conservatieve resultaten oplevert. Dit is immers sterk afhankelijk van de geanalyseerde situatie. Trefwoorden: vaargeul, voorontwerpmethode, vaargeulbreedte, bochtstraal, ontwerpschip, stopafstand ii

6 Inhoudstafel HOOFDSTUK 1 INLEIDING DOEL VAN DE SCRIPTIE OPBOUW VAN DE SCRIPTIE THEORETISCHE ACHTERGROND Parameters Ontwerpschip Navigatiehulp Squat Waterdensiteit Oevereffecten Interactie tussen schepen Wind Stroming Golven PIANC, Approach channels: A guide for design [1] Diepte Breedte Tracé Design standard for fairway in next generation [2] Diepte Breedte Tracé ROM : Designing the maritime configuration of ports, approach channels and flotation areas [3] Diepte Breedte Tracé HOOFDSTUK 2 INVLOED LENGTE PANAMAKANAAL GAILLARD CUT Ontwerpomstandigheden Waterdiepte Wind Golven Stroming Bodem iii

7 Inhoudstafel Oevers Navigatiehulp Verkeersintensiteit Ontwerpschepen Schepen Vaarsnelheid INVLOED LENGTE Spaanse ontwerpmethode (ROM) Windsnelheid 33 knopen Windsnelheid 15 knopen Windsnelheid 0 knopen Vergelijking vaargeulbreedtes bij de drie windsnelheden L oa /B verhouding Tweerichtingsverkeer Japanse ontwerpmethode Windsnelheid 33 knopen Windsnelheid 15 knopen Windsnelheid 0 knopen Vergelijking vaargeulbreedtes bij de drie windsnelheden Vergelijking Spaanse Japanse ontwerpmethode BESLUIT HOOFDSTUK 3 INVLOED KIELSPELING ONTWERP Ontwerpomstandigheden Ontwerpschepen INVLOED KIELSPELING Spaanse ontwerpmethode (ROM) Windsnelheid 33 knopen Windsnelheid 15 knopen Windsnelheid 0 knopen PIANC ontwerpmethode Japanse ontwerpmethode BESLUIT HOOFDSTUK 4 STOPAFSTAND THEORETISCHE ACHTERGROND [3] ONTWERPSCHEPEN BEREKENING STOPAFSTAND BESLUIT HOOFDSTUK 5 BOCHTEN WESTERSCHELDE ONTWERP iv

8 Inhoudstafel Ontwerpschip Locaties Ontwerpomstandigheden Invloed kielspeling HANSWEERT Spaanse methode (ROM) PIANC ontwerpmethode Japanse methode BATH Spaanse methode (ROM) PIANC ontwerpmethode Japanse methode BALLASTPLAAT Spaanse methode (ROM) PIANC ontwerpmethode Japanse methode BESLUIT HOOFDSTUK 6 VAARGEUL WESTERSCHELDE ONTWERP Ontwerpschip Locatie Ontwerpomstandigheden Waterdiepte Stroming EENRICHTINGSVERKEER TWEERICHTINGSVERKEER OPLOPEN VAN SCHEPEN BESLUIT HOOFDSTUK 7 BESLUIT v

9 Lijst van figuren Figuur 1.1: Oevereffecten... 5 Figuur 1.2: Vaargeulbreedte volgens PIANC... 9 Figuur 1.3: Een- en tweerichtingsverkeer volgens Japanse methode Figuur 1.4: Tweerichtingsverkeer met oplopen volgens Japanse methode Figuur 2.1: Locatie Panamakanaal [5] Figuur 2.2: Gaillard Cut Figuur 2.3: Sectorlichten Gaillard Cut Figuur 2.4: Ingenomen breedte door een schip Figuur 4.1: Krachten op een schip en hun effecten tijdens een stopmanoeuvre Figuur 5.1: Locatie Hansweert (1), Bath (2) en Ballastplaat (3) Figuur 5.2: Bocht ter hoogte van Hansweert Figuur 5.3: Drift van een schip tijdens een bochtmanoeuvre Figuur 5.4: Bocht ter hoogte van Bath Figuur 5.5: Bocht ter hoogte van Ballastplaat Figuur 6.1: Locatie boei vi

10 Lijst van grafieken Grafiek 2.1: Vaargeulbreedte bij 33kn wind Grafiek 2.2: Vaargeulbreedte bij 15kn wind Grafiek 2.3: Vaargeulbreedte bij 0kn wind Grafiek 2.4: Vaargeulbreedtes L oa /B verhoudingen bij 33kn wind Grafiek 2.5: Vaargeulbreedte bij tweerichtingsverkeer - 33kn wind Grafiek 2.6: Vaargeulbreedte bij tweerichtingsverkeer - 15kn wind Grafiek 2.7: Vaargeulbreedte bij tweerichtingsverkeer - 0kn wind Grafiek 2.8: Vaargeulbreedte bij 33kn wind Grafiek 2.9: Vaargeulbreedte bij 15kn wind Grafiek 2.10: Vaargeulbreedte bij 0kn wind Grafiek 2.11: Vaargeulbreedte bij 33kn wind Grafiek 2.12: Vaargeulbreedte bij 15kn wind Grafiek 2.13: Vaargeulbreedte bij 0kn wind Grafiek 3.1: Vaargeulbreedtes ROM 33kn Grafiek 3.2: Vaargeulbreedtes ROM 15kn Grafiek 3.3: Vaargeulbreedtes ROM 0kn Grafiek 3.4: Vaargeulbreedtes PIANC 33kn Grafiek 3.5: Vaargeulbreedtes PIANC 15kn Grafiek 3.6: Vaargeulbreedtes PIANC 0kn Grafiek 3.7: Vaargeulbreedtes Japan Grafiek 5.1: Vaargeulbreedtes ROM: 1-richtingsverkeer Grafiek 5.2: Vaargeulbreedtes ROM: 2-richtingsverkeer Grafiek 5.3: Bepaling bochtstraal PIANC [1] Grafiek 5.4: Bijkomende bochtbreedte PIANC [1] Grafiek 5.5: Vaargeulbreedtes PIANC: 1-richtingsverkeer Grafiek 5.6: Vaargeulbreedtes PIANC: 2-richtingsverkeer Grafiek 5.7: Bochtstraal Japanse methode i.f.v. de roerhoek Grafiek 5.8: Vaargeulbreedtes Japan: 1-richtingsverkeer Grafiek 5.9: Vaargeulbreedtes Japan: 2-richtingsverkeer Grafiek 5.10: Vaargeulbreedtes ROM: 1- & 2-richtingsverkeer Grafiek 5.11: Vaargeulbreedtes PIANC: 1- & 2-richtingsverkeer Grafiek 5.12: Vaargeulbreedtes JAPAN: 1- & 2-richtingsverkeer Grafiek 5.13: Vaargeulbreedtes ROM: 1- & 2-richtingsverkeer vii

11 Lijst van grafieken Grafiek 5.14: Vaargeulbreedtes PIANC: 1- & 2-richtingsverkeer Grafiek 5.15: Vaargeulbreedtes JAPAN: 1- & 2-richtingsverkeer Grafiek 6.1: Tijhoogte t.o.v. TAW [10] Grafiek 6.2: Waterdiepte boei Grafiek 6.3: Langs- en dwarsstroming Grafiek 6.4: Vaargeulbreedtes eenrichtingsverkeer Diepgang 12,15m Grafiek 6.5: Vaargeulbreedtes eenrichtingsverkeer Diepgang 14,50m Grafiek 6.6: Vaargeulbreedtes tweerichtingsverkeer Diepgang 12,15m Grafiek 6.7: Vaargeulbreedtes tweerichtingsverkeer Diepgang 14,50m Grafiek 6.8: Vaargeulbreedtes bij oplopen van schepen Diepgang 12,15m Grafiek 6.9: Vaargeulbreedtes bij oplopen van schepen Diepgang 14,50m viii

12 Lijst van tabellen Tabel 2.1: Maandelijkse maximale windsnelheid gedurende 20 seconden (in mph) [7] Tabel 2.2: Dimensies ontwerpschepen Tabel 2.3: Vaargeulbreedte bij 33kn wind Tabel 2.4: Vaargeulbreedte bij 15kn wind Tabel 2.5: Gemiddeld verschil in vaargeulbreedte tussen schepen bij 15kn & 33kn Tabel 2.6: Vaargeulbreedte bij 23kn wind Tabel 2.7: Gemiddeld verschil in vaargeulbreedte tussen schepen bij 23kn & 33kn Tabel 2.8: Vaargeulbreedte bij 0kn wind Tabel 2.9: Overzicht vaargeulbreedtes Tabel 2.10: Verschillen tussen vaargeulbreedtes Tabel 2.11: L oa /B verhoudingen ontwerpschepen Tabel 2.12: Overzicht vaargeulbreedtes tweerichtingsverkeer Tabel 2.13: Vaargeulbreedte bij 33kn wind Tabel 2.14: Vaargeulbreedte bij 15kn wind Tabel 2.15: Gemiddeld verschil in vaargeulbreedte tussen schepen bij 15kn & 33kn Tabel 2.16: Vaargeulbreedte bij 0kn wind Tabel 2.17: Overzicht vaargeulbreedtes Tabel 2.18: Verschillen tussen vaargeulbreedtes Tabel 2.19: Overzicht vaargeulbreedtes beide methodes Tabel 3.1: Dimensies ontwerpschepen Tabel 3.2: Vaargeulbreedtes ROM 33kn Tabel 3.3: Vaargeulbreedtes ROM 15kn Tabel 3.4: Vaargeulbreedtes ROM 0kn Tabel 3.5: Vaargeulbreedtes PIANC Tabel 3.6: Vaargeulbreedtes Japan Tabel 4.1: Dimensies ontwerpschepen Tabel 4.2: Vermogens ontwerpschepen Tabel 4.3: Voortstuwingskracht propeller Tabel 4.4: Stopafstanden Tabel 5.1: Dimensies ontwerpschip ix

13 Lijst van tabellen Tabel 6.1: Dimensies ontwerpschip Tabel 6.2: Vaargeulbreedtes eenrichtingsverkeer Diepgang 12,15m Tabel 6.3: Vaargeulbreedtes eenrichtingsverkeer Diepgang 14,50m Tabel 6.4: Vaargeulbreedtes tweerichtingsverkeer Diepgang 12,15m Tabel 6.5: Vaargeulbreedtes tweerichtingsverkeer Diepgang 14,50m Tabel 6.6: Vaargeulbreedtes bij oplopen van schepen Diepgang 12,15m Tabel 6.7: Vaargeulbreedtes bij oplopen van schepen Diepgang 14,50m x

14 Hoofdstuk 1 Inleiding I n dit eerste hoofdstuk wordt een inleiding gegeven; het doel en de opbouw van de scriptie worden toegelicht. Daarnaast wordt een korte theoretische achtergrond gegeven waarin de verschillende parameters uit de doeken gedaan worden en de drie ontwerpmethoden toegelicht worden. 1.1 Doel van de scriptie In dit werk worden drie voorontwerpmethodes voor vaargeulen beschouwd: de design guide van PIANC (1997), de ROM van de Spaanse havenautoriteiten (2003) en de ontwerpmethode van het Japanse Instituut voor Navigatie (2004) [1][2][3]. Na het kort opsommen van de parameters die een invloed hebben op het dimensioneren worden deze ontwerprichtlijnen inhoudelijk met elkaar vergeleken. De invloed van twee parameters, namelijk de lengte en de diepgang van het ontwerpschip, op de breedtebepaling van de vaargeul wordt bekeken. Daarnaast worden bestaande situaties van vaargeulen en bochten getoetst aan de verschillende methodes en vergeleken met de praktijk. 1

15 Hoofdstuk 1 Inleiding 1.2 Opbouw van de scriptie Hoofdstuk 1 vormt de algemene inleiding tot deze masterproef. Een korte theoretische achtergrond wordt geschetst, waarin de verschillende parameters opgesomd en de drie ontwerpmethoden toegelicht worden. In hoofdstuk 2 wordt de invloed van de lengte van het schip op de vaargeulbreedte bepaald volgens de drie methoden. Bij de drie ontwerpschepen wordt enkel de lengte gevarieerd; de overige dimensies blijven gelijk. Hoofdstuk 3 vormt ietwat een aanvulling op voorgaand hoofdstuk; de invloed van de kielspeling en de bijhorende diepgang van het schip op de vaargeulbreedte wordt bekeken. Opnieuw wordt dit aan de drie ontwerpmethoden getoetst. Er wordt geopteerd voor een ontwerpschip met drie verschillende diepgangen. Als locatie voor het testen van de invloed van de lengte en kielspeling van het ontwerpschip op de vaargeulbreedte wordt geopteerd voor de Gaillard Cut in het Panamakanaal. In hoofdstuk 4 wordt kort de stopafstand berekend volgens de Spaanse methode, en dit in de Pas van t Zand voor de haven van Zeebrugge. In hoofdstuk 5 worden drie bochten in de Westerschelde getoetst aan de verschillende ontwerpmethoden. Naast de bepaling van de bochtstralen wordt ook de vaargeulbreedte in de bocht bekeken. In hoofdstuk 6 wordt een recht stuk vaargeul in de Westerschelde gedimensioneerd en getoetst aan de huidige vaargeulbreedte. Tenslotte wordt een algemeen besluit geformuleerd in hoofdstuk 7; de meest relevante bevindingen worden hier samengevat. 2

16 Hoofdstuk 1 Inleiding 1.3 Theoretische achtergrond In het eerste deel van deze paragraaf worden de verschillende parameters geïnventariseerd die bepalend zijn voor de dimensionering van de vaargeul. Verder wordt voor de drie ontwerpmethoden (ROM, PIANC en Japan) afzonderlijk nagegaan welke parameters van invloed zijn en hoe dit gebeurt. Door een vergelijking te geven tussen deze methoden wordt een duidelijk beeld verkregen van positieve en negatieve aspecten van de ontwerpregels Parameters Ontwerpschip De dimensionering van de vaargeul gebeurt op basis van een vooraf bepaald ontwerpschip. Een juiste keuze moet ervoor zorgen dat de overige schepen het kanaal op een veilige manier kunnen gebruiken. Dit impliceert niet dat het schip met de grootste afmetingen steeds dienst zal doen als ontwerpschip; deze mogen bijvoorbeeld enkel op bepaalde momenten de geul binnen. Kleinere schepen met een slechte manoeuvreerbaarheid, risicovolle lading of grote lateraal oppervlakte kan mogelijk het ontwerpschip zijn. Soms zijn er restricties met betrekking tot het oplopen of kruisen van schepen, waardoor in die situatie soms kleinere ontwerpschepen en acht worden genomen. Veelal worden verschillende types schepen in de berekening betrokken, waarbij meestal de meest negatieve eigenschappen van alle types in rekening gebracht wordt. Bij het ontwerpschip zijn de scheepsafmetingen van belang, zowel de horizontale als de verticale. Als gevolg van uitwendige krachten (wind, stroming, golfslag) zal het schip onder een zeker drifthoek gaan varen. Samen met de scheepslengte zorgt de drifthoek voor een extra breedte ingenomen door het schip. Een andere belangrijke factor bij het bepalen van de drifthoek is de laterale oppervlakte van het schip. Schepen met een hoge vrijboord hebben aanzienlijke laterale oppervlaktes en zullen bijgevolg vrij gevoelig zijn aan destabiliserende krachten door zijwind. De diepgang van een schip zal de diepte van de vaargeul bepalen. Daarnaast heeft de kielspeling ook een invloed op de koersstabiliteit en de manoeuvreerbaarheid van het ontwerpschip. Directionele stabiliteit en een goede 3

17 Hoofdstuk 1 Inleiding manoeuvreerbaarheid in bochten zijn tegenstrijdige begrippen. De mate van manoeuvreerbaarheid beïnvloed de vaargeulbreedte en de vorm van het tracé. Daarnaast is ook de snelheid van het ontwerpschip van belang. Bij hogere snelheden is het moeilijker om situaties juist in te schatten en ook de reactietijd wordt kleiner. Daarom wordt aangeraden om in vaargeulen met beperkte afmetingen de snelheid te beperken. Verder zal de squat ook toenemen bij hogere vaarsnelheden wat zal leiden tot kleinere kielspelingen. Verder worden interactiekrachten tussen schip en oever of schepen onderling groter bij toenemende snelheid. Tenslotte hebben wind, stroming en golfslag minder effect op de drift van het schip bij hogere vaarsnelheden. Om te besluiten hebben sommige schepen een groter ladingsrisico wat zich vertaalt in eventuele bijkomende breedte- en/of dieptetoeslagen Navigatiehulp De breedte dat een schip zal innemen is sterk afhankelijk van de beschikbare navigatiehulp. In de hedendaagse scheepvaart zijn er verschillende navigatiesystemen beschikbaar; er kan onderscheid gemaakt worden tussen markeringen langsheen de vaargeul (visuele navigatie), navigatiesystemen aan boord van het schip en informatie die door een loods op het schip of het vasteland doorgegeven wordt. Vaargeulen kunnen aangeduid worden met behulp van boeien. Geleidings- en sectorlichten maken een bepaalde koers mogelijk. Naast deze navigatiehulpmiddelen zijn er nog de elektronische uitvindingen die een meer exacte positiebepaling mogelijk maken. GPS 1 laat toe de positie van het schip te bepalen met behulp van satellieten; DGPS 2 maakt hierenboven gebruik van grondstations en maakt een nog nauwkeurigere positiebepaling mogelijk. Verder wordt er gebruik gemaakt van zeekaarten, die eventueel elektronisch kunnen zijn. hoe betrouwbaarder de plaatsbepaling van het schip, hoe nauwer de grenzen van de vaargeul gekozen kunnen worden. 1 Global Positioning System 2 Differential GPS 4

18 Hoofdstuk 1 Inleiding Squat Door de voorwaarts snelheid van het schip ontstaat er lokaal een drukdaling rondom het schip, wat ervoor zorgt dat de waterspiegel lokaal zal zakken en het schip een neerwaartse beweging ondergaat. Deze drukdaling is niet constant waardoor er een langse trim zal optreden. Zoals reeds aangehaald, heeft de snelheid een beduidende invloed op de squat. Daarnaast zijn de blokkagecoëfficiënt en de vorm van de scheepsromp van belang Waterdensiteit Bij overgang van zout naar zoet water verkleint de opstuwende kracht op de scheepsromp waardoor de diepgang van het schip toeneemt. Dit valt te verklaren door het verschil in densiteit; bij een overgang van zout naar zoet water zal de waterdensiteit van 1025 kg/m³ verminderen tot 1000 kg/m³ Oevereffecten Meestal varen schepen dichter bij een van de oevers dan in het midden van de vaargeul. De relatieve snelheid van het water tussen het schip en de dichtste oever zal groter zijn waardoor er een waterdaling zal optreden. Hierdoor ontstaat een kracht die het schip naar de oever stuwt. Aangezien de waterdaling het grootste is achteraan het schip, ontstaat er een bijkomend giermoment dat de boeg van het schip naar het midden van het kanaal doet draaien [4]. Dit wordt verduidelijkt in onderstaande figuur. Figuur 1.1: Oevereffecten 5

19 Hoofdstuk 1 Inleiding De laterale kracht en het giermoment worden beïnvloed door de scheepssnelheid en de afstand van het schip tot de oever. Daarnaast hebben ook de geometrie van de oevers en de taludhelling een belangrijke invloed op de oevereffecten Interactie tussen schepen Wanneer schepen elkaar oplopen of ontmoeten, zullen beide vaartuigen aan interactiekrachten onderworpen worden. Naarmate de snelheid van de schepen groter wordt en de tussenafstand kleiner, zullen de resulterende krachten toenemen. De drifthoek van de schepen zal hierdoor tijdelijk toenemen en een extra roerhoek is noodzakelijk om dit te compenseren. Om de nodige roerhoek te beperken zullen de schepen een zekere tussenafstand in acht moeten nemen. Deze afstand is mee bepalend voor de breedte in een kanaal waar oplopen en/of ontmoeten mogelijk is. Bij het oplopen van schepen zijn de optredende interactiekrachten kleiner dan bij het ontmoeten. De schepen bevinden zich echter langer in elkaars invloedzone en oefenen gedurende een langere tijd krachten uit op elkaar. De tussenafstand die nodig is om de drift tot een aanvaardbaar niveau te beperken zal, ondanks de kleinere krachten, groter zijn voor oplopende dan voor ontmoetende schepen Wind Windkrachten hebben een belangrijke invloed op het gedrag van een schip en het is dan ook aangewezen ze in acht te nemen bij het ontwerp van een vaargeul. Ten gevolge van wind die inwerkt op de bovenbouw, zal het schip onder een zekere drifthoek varen om zo een evenwichtstoestand te bereiken. In deze situatie worden de aangrijpende windkrachten gecompenseerd door de hydrodynamische weerstand van het water op de scheepsromp en is het mogelijk een rechte koers aan te houden. Het scheepsgedrag onder invloed van wind is afhankelijk van verschillende factoren; de intensiteit van de wind, de relatieve windrichting ten opzichte van de koers van het schip, de vorm van de bovenbouw en de scheepsromp, de beladingsgraad en de snelheid van het schip. Hoe groter de drifthoek van een schip, hoe groter de breedte die zal gebruikt worden tijdens het varen. In gebieden waar hevige wind kan voorkomen moet hiermee rekening gehouden worden. 6

20 Hoofdstuk 1 Inleiding Stroming De stroming speelt een sleutelrol in het ontwerp van een vaargeul. Grote dwarsstromingen kunnen scheepvaart immers voor een bepaalde tijd onmogelijk maken. De reactie van een schip op de stroming is vergelijkbaar met het gedrag van een schip onder invloed van wind. Bij dwarsstromingen zal het schip een zijdelingse verplaatsing ondergaan. Om over de grond toch een rechte koers aan te houden moet het schip onder een drifthoek varen. De invloed van langsstroming op het schip is sterk afhankelijk van de stromingsrichting. Bij tegenstroom zal men in moeilijke situaties goed kunnen manoeuvreren. Een schip dat aan 10kn vaart bij 3kn tegenstroom zal eventuele obstakels aan een snelheid van slechts 7kn passeren. De snelheid van het roer ten opzichte van het water bedraagt echter 10kn en het schip zal vlot kunnen manoeuvreren. Een schip dat met de stroom mee vaart, ervaart het omgekeerde. Stroming is veelal geen constant gegeven; zowel de stromingsrichting als de snelheid verandert voortdurend gedurende een tijcyclus. Uit het voorgaande kan besloten worden dat de stroming en de wind een vergelijkbare invloed hebben op de vaargeulbreedte. De stromingsrichting, de intensiteit en de corresponderende drifthoek zijn bepalend voor de breedte van de geul Golven Golven induceren in de eerste plaats verticale scheepsbewegingen (slingeren, dompen, stampen) en hebben bijgevolg een invloed op de benodigde diepte van een vaargeul. De invallende golven kunnen ook leiden tot gier- en verzetbewegingen van het schip. De resulterende drifthoek moet in rekening gebracht worden bij het ontwerp van de vaargeul; meerbepaald bij de bepaling van de breedte. 7

21 Hoofdstuk 1 Inleiding PIANC, Approach channels: A guide for design [1] Als gevolg van de toenemende ontwikkeling van diepzeehavens werd in de jaren 60 steeds meer aandacht besteed aan de dimensionering van de toegangskanalen tot deze havens. Het ontwerp van vaargeulen werd voor het eerst bestudeerd door een werkgroep van IOTC (International Oil Tankers Commission). In een eerste rapport in 1973 werden richtlijnen gegeven met betrekking tot de afmetingen en het tracé van toegangskanalen. Onder andere de aanzienlijke schaalvergroting van schepen leidde in 1980 tot de oprichting van een nieuwe werkgroep, die de aanbevelingen uit 1973 als conservatief omschreef Diepte Volgens de PIANC-richtlijnen moet de nodige waterdiepte geschat worden rekening houdend met de volgende factoren: De statische diepgang van het schip De getijden De squat ten gevolge van de voorwaartse snelheid Het effect van de waterdensiteit op de diepgang van het schip De scheepsbewegingen ten gevolge van de golven (stampen, dompen, slingeren) Het bodemtype (rots, zand, slib) De diepgang van het schip in rust is afhankelijk van het scheepstype en de beladingsgraad. Voor de bepaling van de verticale afmeting van het kanaal zal de maximale diepgang van het ontwerpschip in acht genomen worden. Aangezien voor de grootste schepen meestal tijvensters in acht genomen worden, is het mogelijk dat de diepte van het vaarwater bepaald wordt door kleinere schepen die gedurende een volledige tijcyclus de geul moeten kunnen gebruiken. Ten gevolge van golven kunnen schepen aanzienlijke op- en neerwaartse bewegingen ondergaan. In de richtlijnen van PIANC wordt echter geen berekeningsmethode gegeven om deze toch wel belangrijke verplaatsingen te begroten. Ook de extra marge om rekening te houden met het bodemtype wordt nergens verder gespecificeerd. 8

22 Hoofdstuk 1 Inleiding Breedte De totale breedte van de vaargeul is de som van een aantal factoren, weergegeven in onderstaande figuur (voor tweerichtingsverkeer). Naast de basisbreedte (W BM ), wordt er rekening gehouden met de nodige afstanden tot de oevers om oevereffecten te beperken (W bg en W br ). Vervolgens wordt ook rekening gehouden met de benodigde breedte die het passeren van schepen toelaat (W p ) en een factor W i die rekening houdt met een aantal breedtetoeslagen (stroming, wind, golven). Figuur 1.2: Vaargeulbreedte volgens PIANC De basisbreedte W BM is afhankelijk van de manoeuvreerbaarheid van het schip. Deze waarde wordt berekend door de breedte van het schip te vermenigvuldigen met een factor tussen 1,3 en 1,8. De afstand tot de oever hangt voornamelijk af van de geometrie van de oever en de vaarsnelheid. De breedtetoeslag voor het oplopen van schepen hangt af van de snelheid en de breedte van de schepen. De additionele breedtes zijn te wijten aan een reeks factoren. Het varen aan hogere snelheid brengt extra risico s met zich mee; grotere squat, grotere stopafstand, minder zichtbaarheid, Bij de wind wordt enkel de component loodrecht op de scheepsas in rekening gebracht; de additionele breedte is afhankelijk van de windsnelheid en de snelheid van het schip. De stroming wordt ontbonden in een laterale en longitudinale component. In de richtlijn wordt geen rekening gehouden met stroming mee of stroming tegen. De extra breedtes die de golfwerking in rekening brengt zijn afhankelijk van golfhoogte, golflengte en vaarsnelheid. In de richtlijnen wordt verder onderscheid gemaakt tussen binnen- en buitenwateren. In eerstgenoemde worden schepen niet onderworpen aan golfwerking. In open water daarentegen wordt er rekening gehouden met golven en de daardoor geïnduceerde scheepsbewegingen. 9

23 Hoofdstuk 1 Inleiding Bij beperkte kielspelingen speelt ook de samenstelling en oppervlakte van de bodem een rol. Tenslotte wordt er ook nog rekening gehouden met de belading van het schip; sommige ladingen zijn risicovol en brengen een extra breedte met zich mee Tracé Met betrekking tot het tracé van de vaargeul worden enkele algemene richtlijnen gegeven die in overweging moeten worden genomen bij het ontwerp: De lengte van de vaargeul moet zo kort mogelijk zijn. Er moet zoveel mogelijk gebruik gemaakt worden van natuurlijke dieptes. Moeilijk te baggeren zones moeten vermeden worden. Bochten nabij haveningangen moeten vermeden worden. Geulen die loodrecht op een kade of steiger uitkomen moeten vermeden worden. Bij het aanleggen van de geul moeten dwarsstromingen zoveel mogelijk vermeden worden. De ideale vaargeul bestaat uit rechte stukken die aaneengeschakeld zijn met flauwe bochten. De bochtstraal moet afgeleid worden uit draaicirkelproeven met de ontwerpschepen. De waterdiepte speelt hierbij ook een rol aangezien die bepalend is voor de draaicirkel. Tussen twee bochten wordt een transitiezone van minstens 5 scheepslengtes vooropgesteld. De breedte in bochten moet minstens even groot zijn dan in de rechte secties. Eventuele verbredingen gebeuren bij voorkeur aan de binnenkant. 10

24 Hoofdstuk 1 Inleiding Design standard for fairway in next generation [2] In een eerste fase gingen de onderzoekers na in welke mate het PIANC-rapport uit 1997 toepasbaar is op de Japanse havengebieden. Op basis van deze Design Guide werden enkele toegangskanalen tot Japanse havens gedimensioneerd. Vervolgens probeerde men het gedrag van een schip onder de gegeven ontwerpomstandigheden zo goed mogelijk te voorspellen aan de hand van eigen hydrodynamische berekeningen. Vooral de controleberekeningen waarin de manoeuvreerbaarheid van het schip een bepalende factor is, leidden volgens de Japanse onderzoekers tot afwijkende resultaten. Daarnaast vertonen de dimensies volgens het PIANC-rapport soms aanzienlijke discontinuïteiten voor weinig verschillende ontwerpomstandigheden. Het studiecomité besloot dan ook dat de ontwerprichtlijn van PIANC geen toepassing vindt binnen de Japanse zee- en havengebieden. De studiegroep werd vervolgens uitgebreid met meer betrokken partijen en in 2003 werd een eerste tijdelijke versie van een eigen Japanse Design Standard gepubliceerd. De daaropvolgende bemerkingen en suggesties in acht genomen, kwam men in 2004 tot het huidige rapport. Ook dit heeft nog geen definitief karakter, het is immers de bedoeling de richtlijnen blijvend te herzien aan de hand van bijkomende onderzoeken Diepte De diepte van de vaargeul is afhankelijk van de diepgang van het schip, de verticale verplaatsing ten gevolge van de squat, de inzinking ten gevolge van stampen en dompen, de inzinking door slingeren en dompen en tenslotte een benodigde kielspeling voor veilig en vlot manoeuvreren. Met de voorgaande gegevens kan nu in een eerste stadium de nodige waterdiepte berekend worden. Er moet echter nog rekening gehouden worden met tal van andere factoren waar niet dieper op in gegaan wordt in de richtlijn: Getijden Baggertolerantie Nauwkeurigheid van de dieptebepaling Bathymetrie Waterdensiteit 11

25 Hoofdstuk 1 Inleiding Tot slot wordt er benadrukt dat de bepaling van de vaargeuldiepte een iteratief proces is. De vaargeuldiepte is namelijk een parameter bij het bepalen van de squat. De berekeningen worden daarom herhaald tot het gewenste niveau van nauwkeurigheid wordt bereikt Breedte Via de basisbreedte W m wordt er rekening gehouden met de extra breedte die een schip inneemt als gevolg van wind, stroming en fouten op de plaatsbepaling. De breedte W b moet in acht genomen worden om de oevereffecten te beperken terwijl W c en W ov worden aangewend om respectievelijk het ontmoeten en oplopen van schepen veilig te laten verlopen. Onderstaande figuren geven een beeld van de breedte van verschillende types vaargeulen. Figuur 1.3: Een- en tweerichtingsverkeer volgens Japanse methode Figuur 1.4: Tweerichtingsverkeer met oplopen volgens Japanse methode Bij het bepalen van de basisbreedte W m rekeningen gehouden met de drifthoek van het schip en de afwijking ten gevolge van de beschikbare navigatiesystemen. De drifthoek wordt veroorzaakt door wind, stroming, en het gieren van het schip. 12

26 Hoofdstuk 1 Inleiding In de Japanse richtlijn worden vier mogelijke navigatiehulpen opgesomd, waarvoor telkens een bijkomende breedte beschouwd wordt. Een eerste navigatiehulp zijn lichtboeien die de vaargeul afbakenen. Een tweede mogelijkheid zijn geleidingslichten die aan wal staan. Als derde kan de koers van het schip ook bepaald worden via radar gecombineerd met boeien aan beide zijden van het vaarwater (nauwkeurigheid 1 ). Tenslotte is er het gebruik van GPS en DGPS, welke een positiebepaling tot op 30m respectievelijk 1m nauwkeurig mogelijk maakt. Hoe nauwkeuriger het navigatiesysteem, hoe kleiner de extra breedte. Wanneer een schip langsheen een oever vaart zal het onderhevig zijn aan oevereffecten. Er ontstaan een kracht en een moment waardoor het schip naar de oever toe gezogen wordt en de boeg van de oever wegdraait. Schepen die elkaar ontmoeten, oefenen ook destabiliserende krachten uit op elkaar waardoor ze onder een drifthoek zullen varen Tracé In de Japanse Design Standard worden slechts enkele richtlijnen gegeven betreffende het tracé van de vaargeul: De nodige bochtstraal kan berekend worden uitgaande van de manoeuvreerbaarheid van het schip, de lengte tussen de loodlijnen, de vaarsnelheid en de roerhoek die kan aangewend worden in de bocht. Indien twee rechte stukken met een bocht verbonden worden, treden er geen problemen op zolang de hoek tussen de hartlijnen van de twee secties kleiner blijft dan 30. Indien de hoek groter wordt, kan de nodige bochtstraal berekend worden uitgaande van het soort schip, de vaarsnelheid en de aangewende roerhoek. Eventuele verbredingen van het kanaal in bochten gebeuren bij voorkeur aan de binnenkant van de bocht. Voor verdere informatie wordt verwezen naar de ontwerprichtlijn van PIANC. 13

27 Hoofdstuk 1 Inleiding ROM : Designing the maritime configuration of ports, approach channels and flotation areas [3] In 1987 werd het ROM-programma (Recommendations for Maritime Works) gestart met de oprichting van een eerste technisch comité in opdracht van het Spaanse Ministerie van Openbare Werken en Ruimtelijke Ordening. Uit deze werkgroep kwamen enkele documenten met richtlijnen voort waarin de nieuwste en meest geavanceerde technologieën met betrekking tot maritieme werken werden samengebracht. De richtlijnen moesten dienen als handleiding voor ontwerpers, ingenieurs en uitvoerders binnen de maritieme sector. In opdracht van de havenautoriteiten (Puertos del Estado) werden de richtlijnen uit 1987 gematerialiseerd wat leidde tot de ROM [3]. Dit document is een bruikbaar instrument geworden bij het ontwerp en de uitvoer van havens, toegangsgeulen en vaargebieden zowel binnen als buiten de Spaanse landsgrenzen. Om tot een weloverwogen ontwerp te komen worden de factoren die de manoeuvreerbaarheid van een schip kunnen beïnvloeden, bekeken vanuit twee standpunten. Enerzijds worden de karakteristieken van het ontwerpschip bekeken: de voortstuwingsinstallatie, de roeren, ankers, afmetingen, Anderzijds worden de omgevingsinvloeden beschouwd: wind, stroming, golven, oeverzuiging, In tegenstelling tot de eerder beschouwde ontwerpmethodes (PIANC en Japan), beperkt de ROM zich niet tot het ontwerp van vaargeulen. Ook haveningangen, manoeuvreerruimtes en dokken worden beschouwd in het document. Deze aspecten vallen echter buiten het bestek van dit werk Diepte De diepte van een vaargeul wordt volgens de ROM bepaald door de volgende factoren: Statische diepgang van het schip Waterdensiteit Ladingsverdeling Squat Scheepsbewegingen ten gevolge van golven, wind en stroming Scheepsbewegingen ten gevolge van koerswijzigingen Nodige kielspeling voor navigatie en veiligheid tegen het raken van de bodem Getijden 14

28 Hoofdstuk 1 Inleiding Voor de statische diepgang wordt de grootste diepgang gekozen die door het schip kan worden aangenomen in de betreffende vaargeul. Door een ongelijkmatige ladingsverdeling kan reeds in statische toestand een trim optreden. Hierdoor kan voor- of achteraan het schip een toename van de diepgang voorkomen. Tengevolge van de waterverplaatsing zal bij het varen ook een dynamische trim of squat ontstaan. In ondiep water zal de manoeuvreerbaarheid van een schip afnemen. In de ROM wordt de minimale kielspeling gegeven die een schip nodig heeft om vlot te kunnen navigeren. Daarbij wordt ook een extra diepte in acht genomen om de kans op het raken van de bodem te minimaliseren. Beide termen zijn afhankelijk van zowel deplacement als vaarsnelheid van het schip Breedte De totale breedte van de vaargeul is de som van een aantal factoren: De breedte van het ontwerpschip Extra ruimte die door het schip wordt ingenomen bij het varen onder een drifthoek Additionele breedte afhankelijk van beschikbare navigatiehulp Additionele breedte voor de vertraagde respons van het schip Afstand nodig om de oevereffecten te beperken Tussenafstand die schepen moeten aanhouden om elkaar te kunnen ontmoeten Er wordt een additionele breedte ingenomen door het schip varend onder een zekere drifthoek, veroorzaakt door verschillende externe krachten. De belangrijkste factor hierbij is de windsterkte en richting. Daarnaast zijn ook de stroming en golfwerking van belang. Een bijkomende breedte houdt rekening met de fouten die gemaakt worden bij de plaatsbepaling van het schip. Er zal immers steeds een zeker verschil zijn tussen de werkelijke positie van het schip en de theoretische positie bepaald via de beschikbare navigatiesystemen. De grootte van de afwijking is afhankelijk van de nauwkeurigheid van de gebruikte apparatuur en eventuele markeringen van het vaarwater. Naast het type navigatiehulp is ook het al dan niet aanwezig zijn van een loods bepalend voor de additionele breedte. Wanneer een afwijking op de koers wordt waargenomen, wordt er een correctie uitgevoerd. Deze zal echter niet ogenblikkelijk in werking treden en de afwijking van het schip zal gedurende een beperkte tijd blijven toenemen. De extra breedte die rekening houdt met dit fenomeen, is afhankelijk van de manoeuvreerbaarheid van het schip, de scheepsbreedte en de verhouding tussen waterdiepte en diepgang; en wordt de vertraagde respons van het schip genoemd. 15

29 Hoofdstuk 1 Inleiding Een extra breedte moet aan elke zijde van het kanaal in rekening worden gebracht. Deze zorgt ervoor dat schepen doorheen het vaarwater kunnen navigeren zonder dat ze merkbaar beïnvloed worden door oevereffecten. Daarnaast is er nog een minimale afstand die steeds aanwezig moet zijn tussen een schip en de oevers van het kanaal. Beide termen zijn afhankelijk van de geometrie (taludhelling van de oevers. Daarnaast zijn ook de vaarsnelheid en scheepsbreedte zijn bepalende factoren Tracé Het tracé van een vaargeul kan niet bepaald worden volgens eenduidige regels. Bij het ontwerp moeten de onderstaande richtlijnen in de mate van het mogelijke in acht genomen worden: Het tracé van de vaargeul moet zo veel mogelijke rechte stukken bevatten en vooral S-bochten moeten worden vermeden. De geul moet zo goed mogelijk gealligneerd worden met de richting van de sterkste stromingen. Op deze manier worden hinderlijke dwarsstromingen vermeden. Op plaatsen waar grote golven kunnen optreden moet de geul zoveel mogelijk gealligneerd worden met de richting waarin de grootste golven zich voortplanten. Zones waar veel sediment afgezet wordt, moeten vermeden worden om de onderhoudsbaggerwerken te beperken. Nabij haveningangen prefereert men rechte secties zodat schepen geen moeilijke manoeuvres moeten uitvoeren bij het binnenvaren van de haven. Indien mogelijk moeten vaargeulen evenwijdig met steigers of kaaimuren worden aangelegd. In smalle secties van een kanaal moet een recht stuk van minimaal 5 keer de maximale scheepslengte worden voorzien. Indien bochten onvermijdelijk zijn, is het aangewezen één grote bocht aan te leggen in plaats van verschillende kleine. De hoek tussen twee aaneengesloten rechte secties bedraagt bij voorkeur niet meer dan 30. De bochtstraal moet minimum 5 keer de maximale scheepslengte bedragen. Bij grote hoeken tussen de rechte stukken, prefereert men een straal van 10 scheepslengtes of meer. De zichtbaarheid gemeten langs de aslijn van het kanaal moet steeds groter zijn dan de stopafstand van het schip. De overgang tussen secties met verschillende breedte gebeurt geleidelijk aan met een variatie van maximum 1/10. 16

30 Hoofdstuk 2 Invloed lengte I n de Japanse en de Spaanse (ROM) ontwerpmethode is de lengte van het schip een belangrijke paramater bij de bepaling van de breedte van een vaargeul. Bij de PIANC ontwerpregels heeft de lengte van het schip geen enkele invloed op de breedte van de vaargeul. Een verklaring hiervoor is dat de geometrie van het schip niet in rekening gebracht wordt; er wordt enkel gebruik gemaakt van discrete waarden. In dit hoofdstuk wordt dieper ingegaan op de invloed van de lengte in de Spaanse en Japanse ontwerpregels. Als locatie om de invloed van de scheepslengte te toetsen wordt geopteerd voor de Gaillard Cut in het Panamakanaal. Dit is een eenvoudige vaargeul met steile oevers waar er voldoende gegevens van beschikbaar zijn. In dit hoofdstuk is het echter niet de bedoeling om de bestaande en toekomstige dimensies van het kanaal te toetsen aan de ontwerpschepen; er wordt enkel gekeken naar de invloed van de scheepslengte op de breedte van de vaargeul. 2.1 Panamakanaal Gaillard Cut Het Panamakanaal verbindt sinds 1914 de Atlantische met de Pacifische Oceaan. Het kanaal heeft een lengte van ruim 80km en bestaat voor een groot deel uit meren die via nauwere secties met elkaar verbonden zijn. Langs het toegangskanaal aan de Atlantische zijde wordt via een eerste sluizencomplex het Gatunmeer bereikt, vandaar leidt de Rio Chagres tot aan de Gaillard Cut en via een laatste sluizencomplex komt men uiteindelijk in het kanaal richting Pacifische Oceaan. Het Panamakanaal speelt reeds lange tijd een belangrijke rol in het intercontinentale transport. Schepen moeten immers niet meer rond Zuid-Amerika om van de Atlantische naar de Pacifische Oceaan te varen en vice versa. 17

31 Hoofdstuk 2 Invloed lengte Figuur 2.1: Locatie Panamakanaal [5] Ondanks de sterke toename van het getransporteerde volume doorheen het kanaal, blijft het jaarlijks aantal transits nagenoeg constant. Dit wijst op een aanzienlijke schaalvergroting van de schepen in het Panamakanaal. In 2011 zullen zelfs meer dan 35% van de containerschepen te groot zijn om het huidige kanaal te gebruiken [6]. Om tegemoet te komen aan de sterke groei van het transport over zee werd in opdracht van de ACP (Panama Canal Authority) een uitbreidingsproject voor het kanaal ontwikkeld; het Third set of locks project. Het project omvat onder andere de aanleg van nieuwe sluiscomplexen aan zowel de Atlantische als de Pacifische kant van het kanaal en de verbreding en verdieping van zowel de nauwe Gaillard Cut als de vaarwateren in het Gatunmeer. Momenteel is het kanaal bevaarbaar voor schepen met een maximale breedte van 32,3m (panamaxbreedte) en een lengte van 294m. Na de uitbreiding zal het kanaal gebruikt kunnen worden door postpanamaxschepen met een breedte van 48,8m en lengte van 366m. In dit hoofdstuk wordt de Gaillard Cut beschouwd. De Gaillard Cut is een 12,6km lange sectie van het Panamakanaal die de Rio Chagres verbindt met het sluizencomplex aan de Pacifische Oceaan. De Gaillard Cut is een van de nauwste delen van het kanaal en speelt een bepalende rol in de organisatie van het verkeer op het kanaal. Er zijn namelijk strenge restricties opgelegd aan de schepen die elkaar kunnen ontmoeten in de Gaillard Cut. Onderstaande foto geeft een beeld van de smalle kanaalsectie. 18

32 Hoofdstuk 2 Invloed lengte Figuur 2.2: Gaillard Cut Momenteel bedraagt de breedte van de Gaillard Cut 192m en wordt er een waterdiepte van 15,6m gegarandeerd. Het Third set of locks project voorziet echter een verbreding van het kanaal tot 218m en een verdieping tot 16,8m. Samen met de bouw van grotere sluizen moeten deze werken zorgen voor een grotere capaciteit van het kanaal Ontwerpomstandigheden Waterdiepte In de Gaillard Cut is momenteel een waterdiepte van 15,6m beschikbaar tijdens droge perioden. Het Third set of locks project voorziet echter een verdieping van de sectie met 1,2m. Het vernieuwde kanaal zal een waterdiepte van 16,8m hebben. In het Panamakanaal moet geen dieptevariatie ten gevolge van getijden in acht genomen worden. In de Japanse ontwerpmethode is de waterdiepte buiten de vaargeul een belangrijke parameter bij de bepaling van de oevereffecten; de waterdiepte D out moet gelijkgesteld worden aan 0m. Voor verdere berekeningen wordt gebruik gemaakt van de vernieuwde waterdiepte van 16,8m. 19

33 Hoofdstuk 2 Invloed lengte Wind Een schip zal slechts beïnvloed worden door de wind indien deze gedurende een bepaalde tijd aanhoudt. Krachtige windstoten van enkele seconden zullen niet volstaan om een schip uit koers te brengen. De in acht te nemen windsnelheid wordt dan ook bepaald op basis van metingen uitgevoerd aan de luchthaven van Balboa (Tabel 2.1). Tabel 2.1: Maandelijkse maximale windsnelheid gedurende 20 seconden (in mph) [7] Vanaf 1985 tot 2002 wordt de maandelijkse maximale windsnelheid gegeven die gedurende 20sec aanhoudt. Hierbij wordt opgemerkt dat de snelheden in de tabel zijn uitgedrukt in landmijl per uur (mph) in plaats van zeemijl per uur (kn). Voor elke maand wordt het gemiddelde bepaald van de opgetekende maxima. Het grootste gemiddelde wordt bereikt in maart en bedraagt 28,7mph (33kn). Deze waarde zal in de verdere analyses gebruikt worden Golven De Gaillard Cut is een beschermde vaargeulen; er moet geen golfwerking in rekening gebracht worden bij de bepaling van de vaargeulbreedte. 20

34 Hoofdstuk 2 Invloed lengte Stroming De stromingen in de Gaillard Cut kunnen verwaarloosd worden bij de bepaling van de breedte van de vaargeul Bodem De Gaillard Cut is een kanaal volledig uitgegraven in rots. De bodem mag daar dan ook ruw en hard ondersteld worden Oevers De oevers van de Gaillard Cut zijn steil ( > 45 ) en hard (rotsen) Navigatiehulp In smallere secties van het Panamakanaal zoals de Gaillard Cut kan er gebruik gemaakt worden van diverse navigatiehulpen die langsheen het kanaal zijn opgesteld. Zo zijn de kanaalgrenzen voorzien van lichten om s nachts transits mogelijk te maken. Daarnaast zijn er ook geleidingslichten en sectorlichten geplaatst om een nauwkeurige koersbepaling toe te laten. Met behulp van deze navigatiesystemen wordt de maximale zijdelingse afwijking van een schip beperkt tot 6m (Figuur 2.3). Figuur 2.3: Sectorlichten Gaillard Cut In de Gaillard Cut wordt daarom per schip een extra breedte van 12m in acht genomen om rekening te houden met de nauwkeurigheid van de positiebepaling. Hier wordt dus een andere (meer correcte) breedtetoeslag gebruikt dan in de ontwerpmethodes wordt gegeven. 21

35 Hoofdstuk 2 Invloed lengte Verkeersintensiteit Momenteel varen ongeveer schepen per jaar doorheen het Panamakanaal, dit komt neer op 39 schepen per dag. Na de uitbreidingswerken worden jaarlijks transits verwacht wat overeenkomt met 47 schepen per dag [8]. Rekening houdend met het feit dat niet alle schepen s nachts het kanaal kunnen gebruiken, kan er besloten worden dat er op bepaalde momenten van de dag een hoge verkeersintensiteit zal zijn (meer dan 3 schepen per uur) Ontwerpschepen Schepen In dit opzicht zijn de exacte ontwerpschepen die de dimensies van het kanaal en de sluizen bepalen van minder belang, aangezien hier de invloed van de lengte bekeken wordt en niet het al dan niet voldoen aan de verschillende ontwerpparameters van beide methoden. Om de invloed van de scheepslengte op de breedte van de vaargeul te bepalen wordt van de verschillende ontwerpschepen enkel de lengte gevarieerd; de breedte en diepgang blijven hetzelfde. Er worden drie ontwerpschepen vooropgesteld. Als eerste ontwerpschip wordt een bestaand standaardschip van het postpanamax-type gekozen. Deze schepen hebben een lengte van 366m, een breedte van 48,8m en een diepgang van 15m. Het tweede en derde ontwerpschip zijn hypothetische schepen, waarbij het enige verschil ten opzichte van het postpanamaxschip de lengte is. Deze hebben respectievelijk een lengte van 294m en 255m. Deze lengtes zijn gekozen op basis van bestaande scheepstypes. Een lengte van 294m is ook terug te vinden bij de huidige panamax (4500 TEU) en de panamax-plus (6000 TEU) schepen. Panamaxschepen van DWT hebben een lengte van 255m; hierop is de lengte van het derde ontwerpschip gebaseerd. De volgende tabel geeft de relevante dimensies van de verschillende ontwerpschepen die bij de volgende analyses beschouwd worden. Daarnaast wordt ook telkens de verhouding L oa /B gegeven. 22

36 Hoofdstuk 2 Invloed lengte Postpanamax TEU Schip 2 Schip 3 L oa (m) L pp (m) Breedte (m) 48,8 48,8 48,8 Diepgang (m) L oa /B (m) 7,5 6,02 5,23 Tabel 2.2: Dimensies ontwerpschepen Aangezien alle ontwerpschepen eenzelfde diepgang van 15m hebben, en de vernieuwde diepte van de Gaillard Cut 16,8m bedraagt, is de kielspeling 1,8m of 12% Vaarsnelheid Door de afwezigheid van getijden en stroming blijven de ontwerpomstandigheden in het Panamakanaal nagenoeg constant. De vaargeulbreedte zal in de volgende analyses dan ook bepaald worden in functie van de vaarsnelheid. In de Gaillard Cut wordt gevaren met een snelheid van 6 à 8kn. 2.2 Invloed lengte Vooraleer te beginnen met het toepassen van de Spaanse en Japanse methode, wordt er even theoretisch bekeken waarom en hoe de lengte een invloed heeft op de breedtebepaling van de vaargeulen. Als gevolg van uitwendige krachten (stroming, wind, golven) zal een schip onvermijdelijk onder een zekere drifthoek varen. Samen met de horizontale scheepsafmetingen bepaalt deze hoek de breedte die tijdens het varen door het schip wordt ingenomen. Aangezien er in de Gaillard Cut geen noemenswaardige stroming en golven voorkomen, zal hier enkel de wind een belangrijk effect hebben op de drifthoek. Zolang het schip een quasi-rechte koers aanhoudt (kleine drifthoek) wordt het afgelegde pad vooral door de breedte van het schip bepaald. Bij toenemende drifthoek wordt de invloed van de scheepslengte steeds groter. 23

37 Hoofdstuk 2 Invloed lengte De breedte ingenomen door een schip, varend onder een zeker drifthoek β: ( β ) cos( β ) W ( B) = Loa sin + B (2.1) De volgende figuur maakt het voorgaande duidelijk. Bij een kleine drifthoek β is ook sin(β) klein en de invloed van de lengte L oa beperkt. Hierbij ligt cos(β) vrij dicht bij 1, en is de breedte van het schip bepalend. Wanneer de drifthoek β echter toeneemt, zal sin(β) vergroten en cos(β) afnemen. Het belang van de scheepslengte neemt toe terwijl de invloed van de breedte verkleint. Figuur 2.4: Ingenomen breedte door een schip De laterale oppervlakte van het schip boven de waterlijn is een belangrijke factor bij de bepaling van de drifthoek. Schepen met een hoge vrijboord hebben aanzienlijke laterale oppervlaktes en zullen bijgevolg onderhevig zijn aan grote destabiliserende krachten ten gevolge van zijwind. Hierdoor zal het schip onder een aanzienlijke drifthoek β varen. De vrijboord van een schip is in grote mate afhankelijk van het soort schip. Een eerste type zijn de weight carriers, dit zijn schepen met een grote ladingsdichtheid. De maximale lading wordt hier gelimiteerd door haar gewicht en niet door het ingenomen volume. Deze schepen varen onder vrij grote diepgang en hun beperkte vrijboord zorgt ervoor dat ze minder gevoelig zijn aan hevige wind. Typische voorbeelden van dit soort schepen zijn de bulkcarriers en tankers. Een tweede type schepen zijn deze met kleinere ladingsdichtheid, de volume carriers. In tegenstelling tot bij de weight carriers wordt de lading begrensd door het volume dat ze inneemt en niet door het gewicht. Dit type schepen vaart met kleinere diepgang, heeft een 24