Beveiliging tegen paaldoorslag
Paaldoorslag is het plotseling zakken van een paal wanneer de ondergrond eronder tijdens het heien bezwijkt. Wat betekent dit voor de kraan, hoe wordt de val gestopt en wat deed een POLARIS-schokdemper in een vergelijkende studie naar paaldoorslag met 1,500 t?
- Paaldoorslag is een ongecontroleerde val van een paal met de heihamer erop, wanneer de paalpunt een zwakke grondlaag bereikt waarvan de weerstand kleiner is dan het gewicht van de paal en de hamer. Ze kunnen in een seconde of twee meerdere meters zakken.
- Als de kraan de hamer nog draagt, moet de kraanlijn deze stoppen, en ook de paal als beide aan elkaar zijn geklemd. Bij een starre verbinding worden ze alleen afgeremd door de rek van de kraan, staalkabel en het hijsgerei, waardoor de kracht piekt.
- In onze vergelijkende CONSTELLATION-studie van een paal en hamer van samen 1,500 t bij 5.0 m/s bereikte de haaklast met een starre verbinding 37.7 MN, ofwel 2.28 keer de statische haaklast (een dynamische versterkingsfactor, DAF, van 2.28) en 154 % van de veilige werklast (SWL) van de kraan. Met een POLARIS van 2,000 t bereikte deze 23.6 MN (DAF 1.43, 96 % van SWL), waarbij 4.98 m van de beschikbare slag van 6.0 m werd benut.
- De schokdemper wordt gedimensioneerd voor de zwaarste geloofwaardige doorslag: de energie van de bewegende massa, de piekkracht die de kraan kan opnemen en de slag die nodig is om de beweging te stoppen.
Tijdens het heien staat de hamer op de paal en volgt de kraan alleen, met slappe stroppen. Bij paaldoorslag wordt de speling in een ogenblik opgenomen en moet de kraanlijn stoppen wat eraan hangt: de hamer, en ook de paal als beide aan elkaar zijn geklemd.
Wat is paaldoorslag?
Offshorepalen worden in een geleideframe of paalgrijper geplaatst en met een hydraulische hamer de zeebodem in geheid. Tussen de slagen houden de schachtwrijving en de weerstand aan de paalpunt de paal op zijn plaats. Wanneer de punt vanuit een sterkere laag in een zwakke laag doordringt, bijvoorbeeld los zand of zachte klei onder een stijvere laag, kan die weerstand onder het gewicht van de paal en de hamer komen. De paal versnelt dan door zijn eigen gewicht en dat van de hamer. Grondboringen en sonderingen (CPTs) laten zien waar zulke lagen liggen. Een analyse van paaldoorslag vergelijkt de grondweerstand met dat gewicht en berekent hoe ver en hoe snel de paal kan zakken.
De slag van de schokdemper is niet de afstand waarover de paal door de grond zakt. Het is de verplaatsing tussen de aansluitpunten van de schokdemper terwijl de paal en hamer tot stilstand worden gebracht. Het hijsmodel legt het verband tussen beide.
Wat betekent dit voor de kraan?
Een bewegende massa m met snelheid v heeft een kinetische energie van \tfrac{1}{2} m v^2. De paal en hamer van samen 1,500 t in de studie hebben bij 5.0 m/s een kinetische energie van 18.75 MJ. Wanneer ze worden gestopt door een verbinding met stijfheid k die bij die snelheid strak komt te staan, gaan de kinetische energie en de arbeid die het gewicht tijdens de rek levert in het uitrekken van de verbinding. De piekkracht is dan
waarbij W het gewicht van de bewegende massa is. Hoe stijver het krachtpad, hoe hoger de piek. Een kraanlier, de staalkabel en het hijsgerei zijn stijf. Bij een starre afremming wordt de kraan dus veel zwaarder belast dan bij de statische last (een hoge DAF). Daarna kan de lijn slap vallen en opnieuw met een schok strak trekken terwijl de last uittrilt. Een schokdemper voegt een meegevend element aan dat krachtpad toe: de gasveer bouwt de kracht op tot de instelwaarde, waarna het ventiel de kracht rond die waarde houdt terwijl de last wordt gestopt.
Met en zonder POLARIS
In onze vergelijkende CONSTELLATION-studie CS-2026-005, een paal van 1,200 t met een hamer van 300 t, die aan de paalkop is geklemd, beweegt met 5.0 m/s. De lijn draagt hun gewicht al. Het model wordt tweemaal met dezelfde parameters doorgerekend: eenmaal met een starre verbinding en eenmaal met een POLARIS van 2,000 t met een slag van 6.0 m.
| Resultaat | Starre verbinding | Met POLARIS |
|---|---|---|
| Piekhaaklast, ten opzichte van de kraan-SWL van 24.5 MN | 37.7 MN (154 %) | 23.6 MN (96 %) |
| DAF aan de haak, bij een statische last van 16,553 kN | 2.28 | 1.43 |
| DAF onder de schokdemper, bij een nuttige last van 14,710 kN | 2.41 | 1.31 |
| Terugveren met volledig slappe lijn na het stoppen | 2 | 0 |
| Benutte slag | geen schokdemper | 4.98 m van 6.0 m (83 %) |
De berekende paaldoorslag met schokdemper is getoetst met een onafhankelijke rekenmethode. Omdat de lijn het gewicht al draagt, is de gesloten formule voor dit geval W + v\sqrt{k m}; Daarmee wordt de piek bij een starre verbinding begrensd tussen 34.2 MN met rek van de kraan zelf en 44.8 MN met een starre kraan. Vanuit slappe stroppen zou de piek hoger zijn. Als de hamer los op de paal staat, zou de lijn alleen de hamer opvangen. Lees de studie over het stoppen van paaldoorslag →
De schokdemper dimensioneren
Drie eisen moeten op elkaar aansluiten, uitgaande van de zwaarste geloofwaardige doorslag en niet van de verwachte:
- Energie. De kinetische energie van de bewegende massa wanneer de lijn de last opvangt: 18.75 MJ in de studie. Het gewicht blijft tijdens de slag aan de schokdemper trekken, dus alleen de kracht boven dat gewicht remt de last af.
- Piekkracht. De kracht die de kraan, staalkabel, het hijsgerei en de hamer kunnen opnemen. De instelwaarde van het ventiel ligt tussen het gewicht en die grens: in de studie 18.0 MN, tussen 14.7 MN en de kraan-SWL van 24.5 MN.
- Slag. De verplaatsing die nodig is om met de kracht boven het gewicht de kinetische energie op te nemen, met reserve aan het einde. Als de schokdemper de eindaanslag raakt, beschermt hij de kraan niet meer.
Over de gebruikte slag van 4.98 m nam de schokdemper in de studie 18.75 MJ aan kinetische energie op, plus ongeveer 73 MJ aan arbeid door het gewicht. Ons artikel over schokdemping voor kranen geeft een eerste schatting van de slag op basis van de energie en de toegestane piek. Bij de DAF van 1.43 uit de studie komt die schatting uit op 5.85 m, terwijl de gebruikte eenheid met een slag van 6.0 m daarvan 4.98 m benutte. Een tijdsdomeinmodel van de kraan, het hijsgerei, de schokdemper, de hamer en de paal bevestigt vervolgens de piek.
Paaldoorslag meenemen in de planning
Het risico op paaldoorslag wordt beoordeeld tijdens de voorbereiding van het heien. Een analyse op basis van de grondgegevens levert geloofwaardige doorslagscenario’s op, elk met een afstand en snelheid. Met de massa’s van paal en hamer wordt daaruit de energie bepaald; de lasttabel van de kraan bepaalt welke kracht hij kan opnemen. Samen bepalen ze de benodigde energiecapaciteit, kracht en slag van de schokdemper.
Het hijsgerei is even belangrijk als de schokdemper. POLARIS hangt in de kraanlijn en soepele stroppen lopen van het stanguiteinde naar de hamer. Tijdens het heien hangen ze slap en blijft de stang ingetrokken. Zo lopen het gewicht en de slagen van de hamer nooit via de schokdemper en is de volledige slag beschikbaar zodra de paal doorslaat.
Het eigen gewicht van de schokdemper telt ook mee in de lasttabel van de kraan voor de hijsoperatie. POLARIS combineert een klein gasvolume met via CFD ontworpen ventielen in één hydraulische cilinder, zonder externe accumulatoren of naaldventielen. Daardoor blijft hij licht voor zijn capaciteit: 75 tot 4,000 t, met een slag van 1.0 tot 8.0 m.
Bronnen en aannames
- De studie is onze CONSTELLATION-studie CS-2026-005 (Revisie A, 4 augustus 2026): een paal van 1,200 t met een hamer van 300 t die aan de paalkop is geklemd, bij 5.0 m/s. De lijn draagt hun gewicht al. De kraan heeft een SWL van 24,517 kN en de POLARIS van 2,000 t heeft een slag van 6.0 m en een ventielinstelling van 18,000 kN. De DAF aan de haak is gebaseerd op de statische haaklast van 16,553 kN. Dit is een gemodelleerde studie, geen gecertificeerde projectanalyse.
- De relatie voor de piekkracht volgt uit de energiebalans van een vallende massa die wordt gestopt door een lineaire veer die bij de doorslagsnelheid strak komt te staan. Werkelijke krachtpaden zijn niet lineair; de uitkomst van het tijdsdomeinmodel is leidend.
- Doorslagafstanden en snelheden volgen uit de grondgegevens van de betreffende locatie. De 5.0 m/s uit de studie is één geval, geen gebruikelijke waarde.
Veelgestelde vragen
Wat is paaldoorslag?
Een ongecontroleerde val van een paal tijdens het heien, wanneer de punt een zwakke grondlaag bereikt waarvan de weerstand kleiner is dan het gewicht van de paal en hamer. Ze kunnen in een seconde of twee meerdere meters zakken. De kraanlijn moet dan de hamer stoppen, en ook de paal als beide aan elkaar zijn geklemd.
Hoe gevaarlijk is paaldoorslag zonder beveiliging?
In onze vergelijkende studie van een paal van 1,200 t en een hamer van 300 t bij 5.0 m/s veroorzaakte een starre verbinding een haaklast van 37.7 MN (DAF 2.28), ofwel 154 % van de kraan-SWL. Terwijl de last uittrilde, viel de lijn tweemaal volledig slap. De piek in een ander geval hangt af van de bewegende massa, de snelheid en de stijfheid van het krachtpad.
Hoe beschermt een schokdemper tegen paaldoorslag?
De schokdemper hangt in de kraanlijn tussen de kraan en de hamer. Wanneer de paal doorslaat en de stroppen strak komen te staan, maakt de schokdemper zijn slag: de gasveer bouwt de kracht op tot de ventielinstelling en het ventiel houdt de kracht rond die waarde terwijl de last tot stilstand komt. In de studie bleef de haaklast met POLARIS beperkt tot 23.6 MN (DAF 1.43), binnen de kraan-SWL.
Hoe wordt de beveiliging tegen paaldoorslag gedimensioneerd?
Op basis van de zwaarste geloofwaardige doorslag. Grondboringen en sonderingen (CPTs) voeden een analyse die de doorslagafstand en snelheid oplevert. De bewegende massa en snelheid bepalen de energie; de lasttabel van de kraan bepaalt de toelaatbare kracht. De slag moet voldoende zijn om met de kracht boven het gewicht die energie op te nemen, met reserve aan het einde. Ons artikel over schokdemping voor kranen geeft een eerste schatting van de slag.
Waarom hangen de stroppen vóór paaldoorslag slap?
Tijdens het heien staat de hamer op de paal en volgt de kraan alleen. Door de slappe soepele stroppen komen het gewicht en de slagen van de hamer niet op de schokdemper terecht. De stang blijft dus ingetrokken en de volledige slag is beschikbaar zodra de paal doorslaat.
Is beveiliging tegen paaldoorslag relevant voor offshorewindenergie?
Ja. Monopalen worden door grondlagen heen geheid. Een doorslag kan optreden waar een zwakke laag onder een sterkere laag het gewicht van de paal en hamer niet kan dragen. Ook het eigen gewicht van de schokdemper telt mee in de lasttabel van de kraan, waardoor een lichte eenheid voordeel biedt.
Wilt u een kraan beschermen tegen paaldoorslag?
Stuur ons:
- de massa’s van de paal en hamer
- de grondgegevens of de doorslagscenario’s met afstand en snelheid
- de kraan, de lasttabel en de configuratie van het hijsgerei
- de pieklast of DAF die u kunt toelaten
Wij sturen u een voorlopige POLARIS-beoordeling en de invoergegevens die nodig zijn om deze te verifiëren.
Stuur uw hijssituatie →