Onderwerp: Uitleg over statische stabiliteit

Het gaat bij Archimedes om het gewicht van de verplaatste vloeistof, dit is toch echt onafhankelijk van de mate waarin het zwaartepunt hoger of lager licht ten opzichte van de waterlijn. Bij een hellingshoek is het zwaartepunt van het gewicht van de verplaatste vloeistof dwarsscheeps verplaatst.

Kan je de theorie dat het zwaartepunt eerst omhoog zou gaan onderbouwen?

@ Jotm: Dat gaat niet werken. Dat houd geen rekening met de onregelmatige geometrie van een boot. Zie bijvoorbeeld in mijn stukje de verwijzingen in de curves waar de kiel(bulb) uit het water komt en waar de opbouw het water raakt. Daar (en nog enkele andere plekken) zitten 'bumps' in de curve die je op de door jouw genoemde manier niet mee kunt nemen.

Daarnaast gaat dit artikeltje niet om hoe je het een en ander uitrekend, maar meer om inzicht te geven in wat diverse zaken voor invloed kunnen hebben op de stabiliteit van de boot.

Ik heb een beetje moeite met de theorie van JotM over verplaatsing van het zwaartepunt in hoogte als maat voor de stabiliteit. Ook deze theorie moet gelden voor een eenvoudige vierkante bak. En dat doet deze theorie niet....
Het artikel waar Erikdejong mee begon is mi wel correct.

Misschien is het handig als jullie even goed kijken op welk bericht ik reageerde ( zeilersforum.nl/index.php/foru...eit?start=25#1170422 ) en waar ik het over heb:

De totale energie tussen rust recht overeind (geen hellend koppel) en AVS (ook geen hellend koppel). Kwestie van energiebalans.

Dat zegt inderdaad *niets* over het richtend moment onderweg en het verloop daarvan.

Maar dat was de vraag niet en dat boeit dus ook helemaal niet.
Als ik tegen een veer aanduw en met die veer een karretje van een plateautje een hobbelig heuveltje opduw tot ik weer op een horizontaal plateautje sta waarbij de veer geheel ontspannen is kan ik enorm ingewikkeld gaan doen over het verloop van het kracht-weg diagram onderweg. Maar ook zonder dat ik dat weet kan ik je op een briefje geven dat het oppervlak onder dat diagram, de totale arbeid, overeenkomt met de toename van de potentiële energie tussen de twee plateautjes. Die is m•g•(h2-h1) Moeilijker is het niet.

JotM, mijn reactie gaat over het stukje:
Het zwaartepunt van een schip van 3 ton moet voor cat A dus tenminste 1 m omhoog, bij een schip van 6 ton tenminste 50 cm, bij een schip van 12 ton tenminste 25 cm, ...

Ik lees hier dat de verplaatsing van het zwaartepunt in hoogte een maat zou zijn voor de stabiliteit. Of lees ik dat verkeerd?

Je leest selectief, je moet de regels erboven ook lezen, daar gaat het om.

"Het oppervlak onder de richtend moment curve".
Niet de grootte van het richtend koppel op een willekeurig moment tussen 0° en AVS, maar het totale oppervlak.
Dat is de hoeveelheid energie (arbeid) die moet worden geleverd om de boot op z'n kop te rollen.

JotM,ik heb de regels erboven gelezen, wat je daaruit herhaalt klopt, maar de laatste regels uit de tekst begrijp ik niet en kan je dat laatste stukje uitleggen?
“ Het zwaartepunt van een schip van 3 ton moet voor cat A dus tenminste 1 m omhoog, bij een schip van 6 ton tenminste 50 cm, bij een schip van 12 ton tenminste 25 cm, ...”

Volgens mij zegt JotM dat de mate waarin het zwaartepunt omhoog is gekomen maal de massa maal g tijdens het kenteren tot het moment van AVS gelijk is aan het oppervlak onder de richtend momentcurve. En het oppervlak onder die momentcurve is een maat voor de totale hoeveel energie die nodig is om een voorwerp, boot of iets anders, tot AVS te brengen.

steef ton: ja dat zegt JotM, Dat is precies mijn punt. Het zwaartepunt gaat volgens mij niet altijd omhoog als een schip kentert. In ieder geval niet bij een vierkante bak...

steef ton schreef :
Zoals ik het begrijp wel ja.

Ik ben dan nog even al een tijdje aan de zij lijn aan het spitten, naar het gewicht van een in dit geval een boot , jij en boarderbas beweerden dat het gewicht er niet toe deed.

A is dit allemaal ver heel ver buiten mijn terrein, maar zoals Erik het uitlegt kom ik een heel eind , en stapje bij stapje kan ik het echt wel volgen. goed tot zover.

Op dat gegeven kwam ik ook op mijn andere spoor de energie in de golven en toppen, en de benodigde energie omdat over te zetten in beweging van.

tot zover, want zit dr nog midden in

Maar herkende even wat gegeven

Voor totale stabiliteitsomvang, jazeker.
Precies hetgene waarvan van Erik en consorten wordt verwacht dat ze het uitrekenen obv (NEN-EN-)ISO 12217-2:2017, randnummer 6.4, voor ontwerpcategoriën A en B, bij het ontwerpen van een zeiljacht dat beoogd wordt te gebruiken op zee.

Dan kan je natuurlijk voor tig hoeken het richtend koppel bepalen en mbv de Regel van Simpson een schatting maken. Maar je kunt ook het verschil in U_p tussen rust en AVS bepalen. Die is gelijk aan het oppervlak onder de kromme.

[Edit] en het verschil in U_p tussen AVS en "stabiel op z'n kop" (180°) is het oppervlak tussen de kromme en de nullijn van AVS tot 180°.

Folkboot schreef :
Jawel hoor, dat gebeurt ook bij een vierkante bak.
Alleen als je een kubus bedoelt (of een balk die 2 gelijke zijden kent) en het zwaartepunt en de waterlijn ligt precies op de diagonalen zal het zwaartepunt niet omhoog komen. Maar zo'n voorwerp heeft helemaal geen voorkeur meer voor een bepaalde stand in het water en kan vrij draaien langs een lijn loodrecht op de diagonalen (voor een balk om de lijn loodrecht door de diagonalen op het vlak waarvan de zijden gelijk zijn). Dus ook daar klopt het. De stabiliteitscurve zal permanent langs de nullijn lopen en er is geen energie nodig om het voorwerp te kenteren en het zwaartepunt zal dus ook niet omhoog komen.

edit: eigenlijk wel een mooie illustratie van hoe dat werkt.

Erik,

Even uit interesse, heb jij een achtergrond in de scheepsbouw? (en of anderen hier?) ik ben blij verrast met de kunde en kennis hier. Statisch klopt het inderdaad allemaal. Dynamisch is, zoals je aangeeft, een heel ander verhaal. Dan spelen er zoveel factoren mee dat ik m'n vingers er niet aan zou durven branden om hier in het algemeen iets over te zeggen.

Nu heb ik meer verstand van zeegaande schepen ipv jachten en die zijn niet (makkelijk) met elkaar te vergelijken. De onderzoeken die ik gedaan heb naar schepen die omgeslagen zijn waren eigenlijk allemaal in theorie stabiel genoeg volgens de voorschriften. Bijna altijd waren het (meerdere) externe factoren die ervoor zorgde dat een schip kapseisde.

ik vind dit leuke materie en ben ook benieuwd of, en wat jij durft te zeggen over dynamische stabiliteit. (en de discussies die er hierop gaan volgen

Top uitleg, en ik denk, heel begrijpelijk voor de meesten onder ons.

1 Ding wat ik nog ns wil weten: Bij de meeste boten met een hefkiel achtige constructie, is de kiel niet geborgd. Dus: op zn kop lazert hij naar beneden. Maar dat zie ik niet vaak terug in de stabiliteitscurves.

En: Worden die curves nu berekend? Of echt gemeten?

Jotm:
het is helemaal correct dat het oppervlak onder een GZ kromme een energiewaarde voorstelt.
De berekening met Up op basis van een verplaatsing in hoogte van het zwaartepunt tussen de beginstand en de AVS stand is voor mij helemaal nieuw. Nu ben ik nooit te oud om te leren, maar ik betwijfel of het zwaartepunt bij AVS Altijd hoger ligt dan bij de beginstand bij een positieve GZ-kromme.

Ook een vierkante bak heeft een GZ kromme. De theorie dat het gewichtszwaartepunt omhoog zou gaan zou toch ook voor een vierkante bak moeten gelden? ik kan het gaan narekenen (kan eenvoudig bij een bak) maar volgens mij kan daarbij het zwaartepunt omlaag gaan in de hele beweging tussen 0 graden en de AVS waarbij de bak gaat kenteren. Dit zou een negatieve Up zijn met een positieve GZ-kromme. Of zie ik hier iets verkeerd?

steef ton schreef :
Een balk met het zwaartepunt Op de waterlijn zal zich ook gaan richten en een voorkeursstand hebben. In die toestand zit het drukkingspunt onder het zwaartepunt. Alleen als het drukkingspunt en het zwaartepunt zich op dezelfde plek bevindt (en blijft) is er geen energie nodig om de balk te laten kenteren. Dat kan alleen bij een onderzeeboot optreden die onerwater vaart. Bij een boot met een waterlijn verschuift het drukkingspunt bij een hellingshoek.


Edit: het werkt toch anders dan je beschrijft, ps ik heb een scheepsbouw achtergrond

Als je dat vindt, alleen aan mij vertellen.

steef ton schreef :
goed punt, hiermee toon je juist aan dat bij alle ander vormen dan een kubus (of bol!) het verhogen van het zwaartepunt bij het kenteren de energie is die overwonnen moet worden door een externe kracht.

Bij een balk met een vierkante doorsnede (b = h), vloeistofspiegel op h/2 en G exact in het midden is de B-curve die ik beschreef cirkelvormig (kan niet anders, vanwege symmetrie) en valt het "vals metacentrum" samen met G.

Labiel evenwicht, geen arbeid, dus ook geen potentiaalverschil.

Edit:
(Zoals Steef, in net iets andere bewoording, al schreef)

AndreAzuree schreef : Cirkelvormige doorsnede is super leerzaam. Daar start Dick Koopmans jr. een (imho erg leuke) presentatie over stabiliteit mee. Aanrader!

dyanemaniac schreef : Ja, ik heb scheepsbouwkunde gestudeerd aan de HTS haarlem, daarna nog een vervolg opleiding gedaan aan de TU in delft en nog een vervolg opleiding aan de Wolfson unit in Southhampton. Daarnaast heb ik mijn hele leven lang boten bestudeerd en wist ik op mijn 6e of 7e al dat ik boten wilde gaan ontwerpen. Vanaf dat moment heb ik alles wat los en vast zit gelezen over praktische en theoretische scheepsbouw. Na mijn opleidign enkele jaren als zeilmaker (ontwerper) gewerkt alvorens ik in de middelgrote scheepsbouw ben gestapt waar ik als projectleider het ontwerpen van schepen overzag en daarnaast bouwtoezicht heb gehouden op de werven. Min of meer hobby matig heb ik een redelijk aantal zeiljachten ontworpen, waaronder die van mijzelf welke ik ook zelf gebouwd heb. Met deze boot vaar ik nu al 11 jaar in het hoge noorden, maar in de winter maanden hou ik me nog steeds bezig met ontwerp projecten.
Dat is inderdaad veel complexer, niet zozeer vanwege de theorie die er achter zit, maar de vrijwel onmogelijk lange lijst met uitzonderingen op de regels.
Deel van mijn werk bestond ook uit het maken van ladingsberekeningen voor zware ladingschepen en het bepalen van laad en los volgorde, ballasten, ballast flushing etc. Daarvan leer je ook dat een kleine fout in de volgorde van laden of lossen catastrofale gevolgen kan hebben. Als ontwerper moet je proberen al die scenario's te herkennen en dan per stuk te bekijken of ze nog aan de veilige kant van de grenzen liggen. Als dat niet het geval is dan moet je proberen een oplossing te vinden om die specifieke situatie te vermijden. Helaas komt het voor dat er in de praktijk onverwachte zaken gebeuren waar je achter je bureau geen rekening mee gehouden hebben. Gelukkkig kijken er ook altijd klassificatiemaatschappijen mee over je schouder welke zeer bruikbare feedback geven en voor sommige projecten heb je ook nog te maken met de verzekeringsmaatschappijen welke zelf diverse scenario's doorrekenen en hun feedback/Eisen voor je neerleggen. Je hoeft het dus nooit helemaal alleen te doen en dat voorkomt heel veel fouten en dus ook scheepsongelukken. Echter de hele theorie achter stabiliteit is gelijk voor iedere boot, of dadt nu een optimistje is of een bak met een flinke kraan erop of de Queen Mary II, ze gedragen zich allemaal volgens dezelfde natuurwetten.
Dat word wel even een klus om dat te schrijven en te redigeren en dan nog driemaal te herschrijven en het dan zodang leesbaar te maken dat niet-scheepsbouwers het ook nog begrijpen. Dat is het uiteindelijke doel natuurlijk. De discussie die je hierboven ziet is veel te theoretisch en heft ook eigenlijk weinig meer met de statische stabiliteit te maken, dat gaat al veel meer naar de dynamische hoek.

Erikdejong schreef :
ha! idem. ik vermoedde al wel een dergelijke achtergrond.

Ik ben al jaren werkzaam bij SARC en zodoende veel (theoretisch) bezig met stabiliteitssommetjes. Leuke en veelzijdige materie. dynamisch zijn er een hoop factoren die je zeker stuk voor stuk kan benoemen en berekenen maar uiteindelijk is het dan toch altijd een kansberekening. een eventueel vervolg zie ik graag tegemoet!

Groet

Nu ik dit allemaal zo met interesse lees, vraag ik me af of er geen betere voorspellers zijn van veilig gedrag op zee (tijdens een combinatie van helling door wind, en golven) dan de stabiliteitskromme. Theoretisch moeten die er natuurlijk zeker zijn, maar in de praktijk is er alleen de stabiliteitskromme. Waarschijnlijk is het probleem dat er te weinig relevante data is van jachten waarbij het fout is gegaan om tot een nauwkeuriger algoritme te komen dat veilig gedrag op zee beter kan voorspellen. Het kan ook zo zijn dat het gewoon te weinig fout gaat in de praktijk. Stel je eens voor dat we van ieder schip dat gekenterd is precies zouden weten wat de statische/dynamische eigenschappen en omstandigheden waren (bijv winddruk, golfhoogte, etc). Dan zou je vast tot preciezere modelvorming moeten kunnen komen. Just a thought, ben zeker geen expert.

Joop66 schreef : Als je stabiliteit goed wilt doen reken je een hele rits aan scenario's door en voor de diverse aspecten van het ontwerp werk je met de worst case scenario voor dat specifieke aspect.
Zo heb je bijvoorbeeld inderdaad de hefkiel, je rekent de stabiliteit uit met de kiel naar beneden om zodanig het maximale richtende moment te vinden zodat je de belastingen op de tuigage kunt uitrekenen. Maar voor stabiliteitsgedrag in open water is de kiel omhoog juist weer ongunstiger en moet je daar mee werken.

Naast de hefkiel heb je natuurlijk ook nog diverse beladingscondities en status van de boot zelf. Neem bijvoorbeeld de vloeistof niveaus in de tank en de bevoorading. We werken altijd met een "arrival", "mid-voyage" en "departure" conditie. Bij aankomst in de haven gaan we er vanuit dat de brandstof tank bijvoorbeeld maar 10% vulling heeft. Dat geeft minimaal gewicht op die plek, maar wel een maximaal vrijvloeistof oppervlak (klotsende vloeistof verminderd de stabiliteit aanzienlijk). De departure conditie word berekend met 98% vulling van de brandstof tank, dat geeft een combinatie van maximaal gewicht en de aanwezigheid van een vrij vloeistof oppervlak. De voorraden worden in dit scenario beschouwd als 100% bij vertrek en volledig leeg bij aankomst. De gewichten van personen worden op de minst gunstige plek gezet. Voor de slechtste stabiliteit van een zeiljacht is dat staand op het kajuitdak, voor het hoogste richtende moment tijdens het zeilen (berekenen tuigage) is dat zittend met de beentjes over de rand. Daar is dus een hele rits met combinaties mogelijk welke allemaal doorgerekend moeten worden.

Dan heb je nog de status van de boot. Alles is leuk en aardig tot de boot lek raakt. Je moet dus ook alle scenarios nog eens doorekenen met een boot waar een laag water in rond klotst. Heb je een boot met waterdichte schotten dan reken je alle scenario's nog eens door met 1 van de compartimenten volledig volgelopen. Heb je een boot over 24m lang of eentje die aan klasse moet voldoen dan reken je met een scheur over 15% van de scheepslengte. Dat gaat dus altijd minimaal over twwe compartimenten, maar in sommige gevalen dus zelfs over drie of meer. Dan ga je dus ook alle intact scenario's nog eens doorrekenen met twee of meer aangrenzende comparitiment volledig vol gelopen.

Kortom, het is een enorme klus om alleen all de scenario's op te zetten waar je mee gaat rekenen. Gelukkig rekend de computer het allemaal uit tegenwoordig en per scenario duurt dat maar enkele minuten. Maar het is een enorm boekhoud karwei om alle variabelen juist in te voeren per scenario.

Zo heb ik vorige maand bijvoorbeeld een stabilteitsboek gemaakt voor een 25m boot welke in het noordpool gebied moet gaan werken. Daarbij moet aan de Polar Code van de IMO voldaan worden dus de boot moet aan triple adjacent compartment flooding voldoen en er zijn alleen al 16 verschillende beladingsscenario's voor die boot. Met enkele flooding, dual flooding en triple flooding word het stabiliteitsboek zomaar 900 pagina's lang. En dat zijn dan alleen maar samenvattingen van alle unput data en de numerieke uitkomsten. Voor een vrachtschip van enige lengte praat je zomaar over enkele duizenden pagina's voor de stabiliteitsboeken.

Terug naar je begin vraag over de curve met de kiel omhoog of omlaag: waarschijnlijk is alles wat je vind in brochures de meest gunstige situatie. Maar de werven (ontwerpers) zijn verplicht om veel meer situaties door te rekenen en in de ongunstigste situatie moeten diverse parameters nog aan bepaalde criteria voldoen. Bijvoorbeeld minimale vrijboord hoogte in een lek conditie, een minimale GM (afstand tussen zwaartepunt en metacenter hoogte), bepaalde ratio tussen postieve en negatieve stabiliteit, minimale volloophoeken en ga zo maar door.

Het grafiekje wat we hier allemaal wel kennen zegt opzich nog maar weinig over de stabiliteit zelf en is meestal de meest gunstige situatie. Zet je bijvoorbeeld een rolfok en/of een rolgrootzeil op je boot dan kan de AVS (doorkenterhoek) zomaar met 5 tot 8 graden afnemen. De gemiddelde vertrekkersboot heeft waarschijnlijk een AVS welke 10 tot wel 15 graden kleiner is als wat de ontwerpers publiceren voor de boot vanwege alle zooi die aanboord gesleept word.

Dan het tweede deel van je vraag. De curves worden berekend en daarne gecontrolleerd doormiddel van een stabiliteitsproef. Bij deze proef worden er gewichten aan dek gezet welke als ze allemaal aan een kant staan ongeveer 2 graden helling veroorzaken. Deze proef vind idealiter plaats met een lege boot, lege tanks geen zeilen op de mast etc. en er mag absoluut geen wind of golf slag zijn. De gewichten worden op een van te voren berekende plaats gezet waarbij de boot rechtop ligt. Dan worden er op diverse vrijboord metingen verricht zodat op basis van het lijnenplan berekend kan worden hoe zwaar de boot is en waar het gewichtszwaartepunt in de dwars- en langsscheepse richting ligt. Om de hoogte van het gewichtszwaartepunt te kunnen bepalen worden de gewichten aan dek 1 voor 1 verplaatst. Als het even kan gebruikt men 4 gewichten of 4 groepen met gewichten. In de rechtop positie staan er twee aan bb en twee aan sb. De eerste verplaatsing is dan 1 van de twee gewichten van een kant naar de andere kant te brengen. De verplaatste afstand word gemeten en geregistreerd en de helling word afgelezen door middel van een gedempte pendulum. Idealiter eentje op het voordek en eentje op het achterdek die onafhankelijk van elkaar afgelezen worden. De tweede verplaatsing gaat het andere gewicht ook naar de andere kant en dan zit je zo om en nabij die 2 graden helling. Dan in twee verplaatsingen ga je weer terug naar de center positie en dan doe je precies hetzelfde aan de andere kant. Je hebt dus in totaal 8 verplaatsingen welke allemaal ongeveer 1 graad hellingsverschil hebben veroorzaakt. Met die verplaatsingen kun je de afstand tussen het gewichtszwaartepunt en de metacenter hoogte berekenen. Omdat je acht verplaatsingen met 2 verschillende pendulums hebt kun je het 16 keer berekenen en je zou telkens op hetzelfde getal uit moeten komen. Omdat het echter een praktijk meting betreft zitten er minimale verschillen in en men rekent dus met het gemiddelde van deze 16 waarnemingen. Omdat de metacenter hoogte bepaald word door de vorm van het waterlijn oppervlak (welke men van het lijnenplan kan berekenen aan de hand van de vrijboord metingen) kun je dus terug rekenen hoe hoog het gewichtszwaartepunt ligt.
Dan kom je dus aan alle gegevens van de boot maar dan met die 4 gewichten aan dek. Doormiddel van momentenstellingen kun je terug rekenen naar een lege boot en daarna naar de boot in diverse beladingscondities. Officieel hoort zo'n proef voor iedere boot gedaan te worden en weer herhaald als meer dan 1% van het leeggewicht van de boot veranderd is door opknappen, verbouwen of aanpassen. Op een boot van 4 ton hebben we het dus over iets minimaals als 40 kg verschil.

Kortom, het word berekend, maar dan in de praktijk gecheked voor 1 bepaalde beladingsconditie. Alle andere beladingscondities worden berekend aan de hand van die ene praktijk test. En feitelijk is de praktijktest alleen maar bedoeld om de exacte ligging van het zwaartepunt in 3 richtingen te bepalen en om het gewicht van de boot te registreren.

AndreAzuree schreef : Die zijn er zeker en die worden ook veelvuldig gebruikt. Zelfs voor de (in mijn ogen) slechts matige eisen van de CE word er voor slechts 25% van de parameters naar de stabiliteitscurve gekeken, de rest komt uit andere gegevens vandaan. De stabiliteitscurve geeft wel degelijk redelijk wat inhoudelijke onformatie over de boot en er valt een hoop uit te halen. Echter zijn de curves die door de werven bij hun boten geleverd worden van zeer beperkte waarde omdat eigenlijk nooit de beladingsconditie erbij gegeven word en vaker niet dan wel staan er geen waarden op de vertikale as. Je kunt dus slechts 2 gegevens uit de curves halen: de verhouding tussen positieve en negatieve stabiliteit en de AVS. Deze warden opzich zeggen maar weinig over de boot als geheel. Pas als je weet in welke conditie ze berekend zijn en wat de waarden langs de staande as zijn dan kun je er nog wat meer uit halen.

Daarom blijf ik ook regelmatig herhalen dat het geven van een AVS bij een boot eigenlijk helemaal niets zegt over de veiligheid van de betreffende boot op zee. Zie dat vooral ook in de context die ik gaf in mijn vorige post waarbij de AVS veelal 10 graden of zelfs nog meer als dat minder geworden is vanwege alle zooi die op een boot geschroeft word alvorens men de oceaan er mee opwilt.