Bescherming tegen het doorschieten van palen

Tijdens offshore-heiwerkzaamheden worden grote stalen palen door een geleideframe neergelaten en met een hydraulische hamer in de zeebodem geheid. De grondweerstand ondersteunt tijdens het heien het gewicht van de paal. Als de paalpunt echter een zwakke of zachte laag, zoals los zand of zachte klei, bereikt, kan de weerstand plotseling afnemen en versnelt de paal onder invloed van de zwaartekracht omlaag.

Deze vrije val staat bekend als een pile run. De paal kan binnen enkele seconden meerdere meters zakken. Wanneer deze een hardere laag of het einde van de zachte zone bereikt, wordt hij abrupt afgeremd. De resulterende schok wordt via de hamer, het geleideframe en de kraankabel overgebracht op de kraangiek en de scheepsconstructie.

Zonder bescherming kan een starre stop de haakbelasting tot ver boven het statische gewicht opdrijven; in de door ND gemodelleerde screeningscasus met een ingeklemde pile run kwam de factor boven 3 uit, met risico op overbelasting van de kraan, kabelschade en beschadiging van de hei-installatie. De ernst is casusspecifiek en wordt bepaald door de randvoorwaarden voor paal, hamer, grond en hijsgereedschap.

A kraanschokdemper wordt in het hijssysteem van de kraan geïnstalleerd, doorgaans in de hijslijn tussen de kraanhaak en de last, om de energie van een pile run te absorberen. Deze werkt volgens hetzelfde gasveerprincipe als een passieve heave-compensator, maar is specifiek ontworpen voor de kortdurende belastingen met hoge energie die kenmerkend zijn voor pile runs.

Wanneer een pile run optreedt, zorgt de plotselinge toename van de kabelsnelheid ervoor dat de schokdemper snel zijn slag doorloopt, waarbij de gasvulling wordt samengedrukt en de kinetische energie van de vallende paal wordt geabsorbeerd. Zolang de schokdemper binnen zijn kracht-slagbereik blijft, ondervindt de kraan hoogstens de weerstand van de schokdemper, een fractie van de piek bij een starre verbinding. Het bereiken van de eindaanslag doet die begrenzing teniet; daarom wordt de slag gecontroleerd.

De belangrijkste ontwerpparameters zijn:

• Energiecapaciteit — Moet de stopenergie kunnen opnemen die het gekoppelde model aan de schokdemper toewijst, inclusief de arbeid tijdens de stopslag, zonder dat de bruikbare slag wordt overschreden.
• Piekkracht — De maximale weerstandskracht tijdens de slag, die de piekbelasting op de kraan bepaalt.
• Bruikbare slag — Moet de relatieve verplaatsing door de schokdemper in de maatgevende stopcasus afdekken, met marge tot de eindaanslag; dit is niet noodzakelijk de indringingsafstand van de paal in de grond.

Zie voor meer informatie over de energiebalans bij schokabsorptie onze pagina over schokabsorptie voor kranen.

Norwegian Dynamics POLARIS is een lichte schokdemper die specifiek is ontworpen voor kraanwerkzaamheden, waaronder bescherming tegen pile runs. Met capaciteiten van 75 tot 4,000 ton en slagen van 1.0 tot 8.0 meter bestrijkt POLARIS het toepassingsbereik dat offshore-heicampagnes doorgaans vereisen.

De belangrijkste kenmerken van het POLARIS-ontwerp zijn:

• Lichte constructie — Minimaliseert de invloed op de bruikbare lasttabel, waardoor hijscapaciteit voor de nuttige last behouden blijft.
• Snelle energieabsorptie — Afgestemde kenmerken van gasveer en demping die zijn geoptimaliseerd voor de kortdurende belastingen met hoge energie van pile runs.
• Eenvoudig, robuust ontwerp — Geen elektronica, sensoren of externe voeding. Werkt betrouwbaar in de zware offshore-omgeving.

Het risico van een pile run wordt tijdens de ontwerpfase van heiwerkzaamheden beoordeeld aan de hand van geotechnische gegevens. Grondboringen en sonderingen (CPT’s) identificeren mogelijke zwakke lagen waarin pile runs kunnen optreden. Vervolgens worden de verwachte afstand en snelheid van de pile run berekend op basis van het paalgewicht, het grondweerstandsprofiel en de hamerenergie.

Deze berekeningen bepalen de specificatie van de schokdemper: energiecapaciteit, piekkracht en slag. De schokdemper moet worden gedimensioneerd voor het zwaarste geloofwaardige pile run scenario, niet alleen voor de verwachte casus, omdat de gevolgen van onderdimensionering ernstig zijn.

Bescherming tegen pile runs is ook relevant voor de installatie van windparken, waar monopalen in mogelijk variabele grondomstandigheden in de zeebodem worden geheid. POLARIS is zeer geschikt voor deze toepassing en combineert doeltreffende bescherming met het lichte ontwerp dat kraanwerkzaamheden met hoge capaciteit vereisen. Zie ook snel hijsen voor verwante technieken die de efficiëntie bij repetitieve installatiecampagnes verbeteren.