Een offshore constructieschip tijdens het blauwe uur in matige dwars inkomende golven, met de kraangiek geheven tegen de lucht
Kenniscentrum

RAO’s voor scheepsbewegingen: van golfspectrum tot kraantipbeweging

De zee brengt de romp in beweging. De kraantip ondergaat heave, stampen en rollen, met hun onderlinge faseverschillen.

VAN ZEEGANG TOT KRAANTIPBEWEGINGSCHEMA · GEEN CASUSWAARDENZEE PER RICHTINGveel componenten, veel richtingenKRAANTIPrelevant punt voor de hijsRAO-NULPUNTxPzPKRAANTIPRESPONSamplitude en fase01GOLFSPECTRUMSη(ω, richting)02COMPLEXE SCHIP-RAO’szes DOF bij de oorsprong03KRAANTIP-RAOhefboomarmen xP, yP, zP04HIJSMODELcomp., kabel, nuttige lastVAN ZEEGANG TOT KRAANTIPBEWEGINGSchema: geen casuswaarden01GOLFSPECTRUMSη(ω, richting): veel componenten,veel richtingen02COMPLEXE SCHIP-RAO’sZes vrijheidsgraden, amplitudeen fase, bij de RAO-oorsprongRAO-nulpunt03KRAANTIP-RAOHefboomarmen brengen rol en stampvan oorsprong naar kraantipkraantipxP​zP​04HIJSMODELCompensator, kabel, nuttige lastreageren op kraantipbewegingkraantipkabelcompensatornutt.last
De keten die dit artikel volgt: een richtingsafhankelijke zeegang brengt de romp in beweging, de RAO’s van het schip vertalen dit naar beweging van de kraantip, en die kraantiprespons is de invoer die het hijsmodel daadwerkelijk krijgt.

Bij een hijsoperatie vanaf een schip is de golfhoogte slechts de omgevingsinvoer. De technisch relevante grootheid is de beweging van het werkelijke hijspunt. Daarvoor moeten de scheepsrespons en de fase ervan, de kraangeometrie en het golfspectrum samen worden beschouwd.

Hoge golven kunnen een beperkte kraantipbeweging veroorzaken als de meeste golfenergie buiten de perioden ligt waarop het schip sterk reageert. Lagere golven kunnen ongunstiger zijn als hun energie samenvalt met een piek in heave, stampen of rollen. De beladingstoestand, golfrichting en kraanpositie kunnen de uitkomst verder veranderen.

De schakel tussen de zee en het schip is de responsamplitudeoperator, of RAO. De schakel tussen het schip en de hijsoperatie is de kraantip-RAO. Dat onderscheid is belangrijk: de compensator wordt niet rechtstreeks door de golfhoogte aangeslagen. De primaire kinematische excitatie is de beweging van de kraantip.

Wat een RAO voor scheepsbewegingen precies bevat

Een RAO beschrijft de lineaire respons van eerste orde op een regelmatige golf met eenheidsamplitude, als functie van golfperiode of frequentie en golfrichting. Een heave-RAO van 0.80 m/m bij T = 10 s betekent dat een regelmatige golf met 1 m enkelvoudige amplitude bij die frequentie een enkelvoudige heave-amplitude van 0.80 m veroorzaakt, voor de opgegeven golfrichting en scheepstoestand.

Een volledige respons omvat zowel amplitude, de grootte van de respons, als fase, het tijdstip ten opzichte van de golf. Het bestand bevat doorgaans beide voor alle zes bewegingen van het starre lichaam: surge, sway, heave, roll, pitch en yaw. Ook moeten de RAO-oorsprong, assen, positieve draairichtingen, beladingstoestand, conventie voor golfrichting, scheepssnelheid en frequentieconventie zijn vastgelegd.

Gebruikelijke RAO-eenheden: controleer altijd de bronconventie
ResponsGebruikelijke eenheidControleer vóór gebruik
Surge, sway, heavem/mEnkelvoudige golfamplitude tegenover golfhoogte; oorsprong van de respons
Roll, pitch, yawrad/m of deg/mNormalisatie van de hoek; zet graden om in radialen voordat u hefboomarmen toepast
Fasedeg of radVoorlopen of achterlopen; faseoorsprong bij golftop, golfdal of nuldoorgang
Frequentie-asrad/s, Hz of sGolffrequentie tegenover ontmoetingsfrequentie; oplopende tegenover aflopende periode
Golfrichting0–180° of 0–360°Richting waaruit golven komen tegenover richting waarin ze lopen; betekenis van 0°

RAO’s kunnen afkomstig zijn uit een stralings-diffractieanalyse in combinatie met een model voor massa, traagheid, hydrostatische herstellende krachten en demping van het schip; uit modelproeven; of uit een goedgekeurd handboek voor scheepsbewegingen. Ze gelden voor de gemodelleerde toestand. Een RAO-set voor de diepgang tijdens transit beschrijft niet automatisch hetzelfde schip bij operationele diepgang met andere ballast, trim, deklading of kraanconfiguratie.

Kijk waar de spectra samenvallen, niet naar de hoogste curve

In een heave-respons zijn doorgaans drie gebieden te onderscheiden. Bij zeer lange golflengten ten opzichte van het schip nadert de heave-RAO bij nul vaart, uitgedrukt in m/m, doorgaans zijn quasi-statische grens nabij 1. Bij zeer korte perioden nadert de verplaatsingsrespons van het starre lichaam doorgaans nul. Daartussen zorgen traagheid, hydrostatische herstellende krachten en demping voor pieken of schouders in een of meer bewegingen.

Curven voor rollen en stampen vragen meer aandacht, omdat ze doorgaans een hoek per meter golf als eenheid hebben. Een rotatie-RAO van 1 deg/m betekent niet dat het schip “meer dan de golf” beweegt. De relevante vraag is welk effect die hoek heeft op het hijspunt.

Figuur 1De overlap met het golfspectrum bepaalt de responsIllustratief, geen scheepsgegevens
Golfspectrum, kraantip-RAO en responsspectrum op een gedeelde periode-asHet golfspectrum en de kraantip-RAO overlappen tussen ongeveer acht en twaalf seconden. Door de RAO te kwadrateren en met het golfspectrum te vermenigvuldigen, ontstaat het responsspectrum in het onderste paneel. GOLFENERGIE TREFT KRAANTIP-RAO SCHEMA · GEEN NUMERIEKE SCHAAL OVERLAP ENERGIE / RAO 4 8 12 16 GOLFENERGIE Sη(ω) TIP-RAO |Htip(ω)| TIPRESPONS |Htip|² · Sη GOLFPERIODE T (s) Respons = product van de twee bovenste curves: alleen perioden met golfenergie en een grote tip-RAO dragen bij. WAAR GOLFENERGIE EN TIP-RAO SAMENVALLENSchematisch: geen getalschaaloverlapGOLFENERGIESη(ω)TIP-RAO|Htip(ω)|TIPRESPONS|Htip|² · Sη481216golfperiode T (s)Respons = product van de twee curves hierboven:alleen perioden met golfenergie en een grote tip-RAOdragen bij.
De respons wordt bepaald door de overlap tussen het richtingsafhankelijke zeespectrum en de RAO van de kraantip, niet door Hs of de grootste RAO-ordinaat afzonderlijk.
0°

Kopzee

Vaak gevoelig voor stampen en heave. Volgens de gebruikte conventie kan kopzee 0° of 180° zijn.

90°

Dwarszee

Vaak gevoelig voor rollen; de respons hangt sterk af van de beladingstoestand en demping.

45°

Schuine zee

Meerdere bewegingen kunnen tegelijk bijdragen. De fase bepaalt of ze elkaar versterken of opheffen.

Dit zijn tendensen, geen operationele regels. De scheepskoers kan de inzetbaarheid sterk beïnvloeden, maar wordt begrensd door positiehouden, wind en stroming, de limieten van de thrusters, offlead en sidelead van de kraan, het hijstraject, nabijgelegen installaties en de goedgekeurde procedure.

Van scheeps-RAO’s naar beweging van de kraantip

Het hydrodynamische referentiepunt is zelden het hijspunt. Bij een kraan vooraan, achteraan of buiten de hartlijn wordt hoekbeweging omgezet in verticale verplaatsing.

Bij kleine bewegingen van een star lichaam is de complexe verticale RAO van de kraantip:

H_{z,P}(\omega,\beta)=H_3(\omega,\beta)+y_P H_4(\omega,\beta)-x_P H_5(\omega,\beta)

Hierbij zijn H_3, H_4 en H_5 de RAO’s voor heave, rollen en stampen; x_P en y_P zijn de offsets met teken ten opzichte van de RAO-oorsprong; \omega is de frequentie en \beta is de relatieve golfrichting. Rotatie-RAO’s moeten in radialen per meter worden uitgedrukt voordat ze met een hefboomarm worden vermenigvuldigd.

Elke term is complex. Combineer eerst grootte en fase en bepaal pas daarna de uiteindelijke grootte. Door de drie weergegeven groottes op te tellen, gaat de fase-informatie verloren.

Figuur 2Eén referentiepunt, één werkelijk hijspuntVastgelegde assen en tekens
OVERDRACHTSFUNCTIE KRAANTIPHz,P​ = H3​ + yP​H4​ − xP​H5​rekenvoorbeeld op schaalZIJAANZICHTx voor, z omhoogxP​ = 30 mzP​H3​ heaveH5​ stampen, + = boeg omlaagtip P−xP​·H5​BOVENZICHTx voor, y bakboordxP​ = 30 myP​ = 10 mRAO-nulpunttip PH4​ rollen, stuurboord neer positief: bakboordtip stijgt, dus bijdrage +yP​·H4​ aan de tipCOMPLEX VLAKde tiprespons bij deze periodeReImH3​ = 0.60 (heave)−xP​·H5​ = −0.30 (stampen)+yP​·H4​ = +i 0.08 (rollen)Hz,P​ = 0.30 + i 0.08|Hz,P​| = 0.31 m/mGroottes optellen: 0.60 + 0.30 + 0.08 = 0.98 m/mMet fase optellen: |0.30 + i 0.08| = 0.31 m/mfoutjuistWaarden uit het rekenvoorbeeld hieronder: hypothetische data.OVERDRACHTSFUNCTIE KRAANTIPHz,P​ = H3​ + yP​H4​ − xP​H5​ZIJAANZICHTx voor, z omhoogxP​ = 30 mzP​H3​ heaveH5​ stampen, boeg neer positieftip P−xP​·H5​BOVENAANZ.x voor, y bakboordxP​ = 30 myP​ = 10 mRAO-nulpunttip PH4​ rollen, stuurboord neer positief:bakboordtip stijgt, dus +yP​·H4​COMPLEX VLAKtiprespons bij deze periodeReImH3​ = 0.60 (heave)−xP​·H5​ = −0.30 (stampen)+yP​·H4​ = +i 0.08 (rollen)Hz,P​ = 0.30 + i 0.08|Hz,P​| = 0.31 m/mAmplitudes opgeteld: 0.60 + 0.30 + 0.08 = 0.98Met fase: |0.30 + i 0.08| = 0.31 m/mfoutjuistVoorbeeldwaarden: hypothetische data.
Op schaal getekend op basis van het uitgewerkte voorbeeld hieronder. Stampen heft de helft van de heave op en rollen voegt een component toe die 90° in fase verschilt. Daardoor beweegt de kraantip 0.31 m per meter golfamplitude, in plaats van de 0.98 m die optelling van de amplitudes suggereert. De tekens volgen de hierboven vastgelegde conventie.

Van een golfspectrum naar bewegingsstatistiek

Een werkelijke zee bevat veel frequentiecomponenten. Voor een langkammige zee bij één invalshoek is het eerste-orde responsspectrum van de kraantip:

S_{z,P}(\omega;\beta)=\left|H_{z,P}(\omega,\beta)\right|^2 S_\eta(\omega)

Voor een zee met richtingsspreiding wordt de respons over de richtingen geïntegreerd:

S_{z,P}(\omega)=\int_{-\pi}^{\pi}\left|H_{z,P}(\omega,\beta)\right|^2 S_\eta(\omega,\beta)\,d\beta

Dit is van belang wanneer windzee en deining uit verschillende richtingen komen, of wanneer de richtingsspreiding zowel voor stampen als voor rollen gevoelige invalshoeken omvat. Het artikel over golfspectra, Hs en Tp behandelt de omgevingskant van de berekening.

De responsstatistiek volgt dan uit spectrale momenten:

m_n=\int_0^\infty \omega^n S_{z,P}(\omega)\,d\omega
RMS-positie\sqrt{m_0}
RMS-snelheid\sqrt{m_2}
RMS-versnelling\sqrt{m_4}
Significante dubbele amplitude*4\sqrt{m_0}

* Smalbandige Gaussische benadering. Voor een ontwerpmaximum zijn ook een opgegeven blootstellingsduur, responsbandbreedte, statistisch model en waarschijnlijkheidscriterium nodig.

Als het schip een relevante voorwaartse snelheid heeft, moet de analyse onderscheid maken tussen golffrequentie en ontmoetingsfrequentie. Werkschepen die op positie blijven, worden vaak beoordeeld bij een snelheid nabij nul; dat geldt niet voor doorvaart, slepen en sommige installaties.

Waar RAO’s ophouden en het hijsmodel begint

Een bewegingsspectrum van de kraantip geeft op zichzelf nog geen haakbelasting, compensatorslag, DAF of toelaatbare zeegang. Het vormt de excitatie voor de kraan, lier, hijskabel, hijsgerei, compensator en nuttige last.

Wat scheeps-RAO’s bijdragen en wat elke hijsfase toevoegt
HijsfaseRAO-bijdrageAanvullend model
Vrij van dek en waterExcitatie van het hijspuntStijfheid van hijskabel en hijsgerei, massa van de nuttige last, demping en hijsbeweging
Loskomen of lastovernameBeweging van elk steunpunt of hijspuntRelatieve fase, contact, voorspanning, hijssnelheid en verlies van ondersteuning
Passage door de spatzoneKraantipbeweging en golfstandVariatie in opwaartse kracht, weerstand, toegevoegde massa, slamming en mogelijke overgang van slappe lijn naar schokbelasting
Neerlaten in de waterkolomBeweging van de kraantip als excitatieDynamica van lange hijsdraden, hydrodynamica van de nuttige last, gedrag van de compensator en stroming
Landing op de zeebodemResterende beweging van het hijspuntRespons van de nuttige last, contact- en bodemmodel, landingscriteria, minimale trekkracht en opnieuw hijsen

Als golven ook rechtstreeks op de nuttige last inwerken, moeten de golfhoogte, de kinematica van de waterdeeltjes en de scheepsrespons worden gegenereerd uit dezelfde richtingscomponenten of dezelfde realisatie in het tijdsdomein, zodat hun onderlinge fase behouden blijft.

Hier ligt de grens tussen scheepsrespons en de dynamische versterkingsfactor (DAF): RAO’s beschrijven de opgelegde beweging; DAF geeft een gespecificeerde piekbelasting ten opzichte van een opgegeven referentie, nadat de belastingsketen heeft gereageerd. Zie voor de hydrodynamica en dynamische analyse van maritieme hijsoperaties de DNV-RP-N103-leidraad voor maritieme operaties.

Welke gegevens nodig zijn voor een screening van scheepsbewegingen

Een bruikbaar gegevenspakket over scheepsbewegingen omvat meer dan een grafiek in een PDF. Controleer vóór de berekening of de gegevens alle onderstaande vragen beantwoorden.

01

Toestand van het schip

Waterverplaatsing, diepgang, trim, zwaartepunt en traagheidsmomenten; vaarsnelheid; waterdiepte; stabilisatoren, appendages en uitgangspunten voor slingerdemping.

02

RAO-conventie

Oorsprong, assen, positieve draairichtingen, conventies voor amplitude en fase, hoekeenheden, referentie voor golfamplitude en bronrevisie.

03

Koershoek en frequentie

Richting waaruit of waarheen de golven lopen, definitie van 0°, koershoekraster, periode/Hz/rad/s-as en golffrequentie of ontmoetingsfrequentie.

04

Kraangeometrie

De werkelijke coördinaten van het hijspunt bij de gebruikte giekhoek, vlucht en zwenkhoek, gemeten vanaf de RAO-oorsprong en niet alleen vanaf de kraanvoet.

05

Meteoceanografische uitgangspunten

Hs, Tp, spectrale vorm, richtingsspreiding, windzee- en deiningcomponenten, haalbare koershoeken en blootstellingsduur.

06

Hijsmodel en grenscriteria

Gegevens over nuttige last, aanslagmiddelen, hijsdraad, kraan en compensator; hijsvolgorde; piek- en minimale trekkracht, slag, snelheid en projectcriteria.

1Valideer

eenheden, oorsprong, fase, belastinggeval en koershoek

2Transformeer

complexe bewegingen naar de werkelijke kraantip

3Pas zeegang toe

voor elk spectrum, elke richting en elke koershoek

4Bereken de hijsfasen

gekoppelde respons van de belastingsketen

5Toets de grenscriteria

de volledige Hs–Tp grens

Een screening van de uitvoerbaarheid van offshore hijsoperaties volgt deze keten over het Hs–Tp vlak. De screening toont per koershoek het uitvoerbare gebied en geeft aan welk grenscriterium dat afbakent, in plaats van één bewegingsgetal zonder nadere kwalificatie te leveren.

Generieke of door classificatieregels voorgeschreven bewegingen mogen alleen voor een conceptscreening worden gebruikt als de toepasselijke methode dit toestaat en aan de geldigheidsvoorwaarden is voldaan. Ze zijn niet per definitie conservatief voor alle perioden, koershoeken, beladingstoestanden of kraanposities. Gebruik voor definitieve weerlimieten en dimensionering van apparatuur de voor het project geaccepteerde scheepsgegevens, of leg vast waarom vervangende gegevens volstaan.

Scheepsbewegingen en RAO’s: veelgestelde vragen

Is een RAO dimensieloos?
RAO’s voor translatiebewegingen worden vaak uitgedrukt in m/m en zijn daarmee dimensieloos. RAO’s voor rotaties worden vaak uitgedrukt in rad/m of deg/m, hoewel ook conventies bestaan die zijn genormaliseerd op golfhelling of golfsteilheid. Controleer de bestandskop en de toelichting bij de bron.
Kan ik een heave-RAO vermenigvuldigen met Hs?
Niet om een ontwerpmaximum te bepalen. In een onregelmatige zeegang is de energie verdeeld over frequenties en richtingen. Pas de volledige complexe RAO toe op het spectrum, bepaal de responsstatistiek en pas vervolgens de opgegeven extremenmethode voor de blootstellingsduur toe.
Waarom zijn slingeren en stampen van belang voor de verticale beweging van de kraantip?
Het hijspunt ligt niet op de RAO-oorsprong. Stampen werkt via de hefboomarm in langsrichting en slingeren via de hefboomarm in dwarsrichting. Bij een grote afstand tussen kraan en oorsprong kan de bijdrage van de hoekbewegingen groter zijn dan die van zuivere heave.
Is alleen een heave-RAO voldoende?
Alleen als het hijspunt op de oorsprong van de respons ligt of als is aangetoond dat de weggelaten bijdragen van hoekbewegingen verwaarloosbaar zijn. Voor een kraan buiten die oorsprong zijn doorgaans de amplitudes en fasen van heave, slingeren en stampen nodig.
Kan een MRU de scheeps-RAO’s vervangen?
A bewegingsreferentie-eenheid (MRU) meet de werkelijk opgetreden beweging van het schip. RAO’s voorspellen de statistische respons voor beoogde zeetoestanden en koershoeken. Meetgegevens kunnen het model valideren of bijstellen, maar één meetreeks bepaalt niet het volledige operationele venster.
Omvatten scheeps-RAO’s ook de kraan en de nuttige last?
Meestal niet. Ze beschrijven normaal gesproken de respons van het schip als star lichaam. Kraanflexibiliteit, lier- en hijsdraaddynamica, passieve heave-compensatie en hydrodynamica van de nuttige last horen in het gekoppelde hijsmodel thuis, tenzij de aangeleverde respons ze uitdrukkelijk omvat.

Uitgangspunten en aannames

Dit artikel geeft een overzicht van de methode; projectdocumenten en de daarin aangewezen edities zijn leidend. Nuttige primaire en technische bronnen zijn:

Laat uw scheepsscenario doorrekenen

Vertaal scheepsbewegingen naar een hijslimiet.

Stuur de RAO’s voor de operationele toestand, de coördinaten van de kraantip, de golfgegevens voor de locatie, de haalbare koershoeken en de hijsvolgorde. Wij brengen hiaten in de bewegingsgegevens in kaart en bepalen vervolgens de reikwijdte van een analyse van de kraantiprespons of een volledige gekoppelde uitvoerbaarheidsscreening.

Gerelateerde producten

  • CONSTELLATION: Hijsimulatie en screening
  • ANTARES: Adaptief-passieve heave-compensator
  • VEGA: Actieve heave-compensatie

Gerelateerde artikelen

Terug naar het Kenniscentrum