Onderwerp: Project Snow Leopard: Ontwerp

Een van de grootste uitdagingen van dit project is de boot bestendig te maken tegen kruiendijs in volle zee. De boot sterk genoeg maken is geen optie, ijs krijgt namelijk alles kapot. Je moet dus de boot zodanig ontwerpen dat deze bovenop het ijs terecht komt als er tegen de romp aan gedrukt word. De rompvorm moet dus zodanig zijn dat het drukkende ijs onder de boot door gaat. Zeeijs kan in de pressure ridges (is daar een Nederlands woord voor?) tot wel 20m dik worden. Bij zeeijs ligt ongeveer 90% van het volume onder water. Dat betekend dat bij een pressure ridge het vrijboord van het ijs wel 2m hoog kan zijn. De boot moet dus minimaal een vrijboord van 2m hebben, en op die hoogte ook nog voldoende overhang hebben in alle richtingen dat als er ijsdruk komt, dat de boot omhoog wil gaan.

Hier een illustratie om dat wat te verduidelijken:


De ijsdruk komt altijd van twee kanten, anders zou de boot gewoon zijwaarts weggedrukt worden. Er is dus een evenwicht tussen de druk aan BB en aan SB. Ijs druk is vrijwel altijd een punt belasting omdat ijs nu eenmaal zeer grillige vormen heeft. Stel dat de druk precies dwarsscheeps van het gewichtszwaartepunt van de boot valt, dan zou de grootte van A1 en van A2 gecombineerd gelijk moeten zijn aan het gewicht van de boot omdat de boot immers netjes gelijkmatig uit het water gedrukt gaat worden. Naar mate je verder naar achteren of naar voren aan de boot gaat drukken dan komt alleen de boeg of alleen het hek omhoog en is de benodigde druk dus minder. De resultante van kracht A1 en van kracht A2 varieren dus heel erg met de lokatie van waar het in de langsscheepse richting is, hoe dik het ijs is, ofwel op welke hoogte het tegen de romp aan drukt en van de helling waar de boot onder ligt.

Met deze methode heb ik de resultante druk (B1 en B2) op de spanten en de huid uitgerekend op enkele honderden plekken langs de romp op diverse hoogten, langsscheepse posities en onder verschillende hellingshoeken. Aan de hand daarvan heb ik vast kunnen stellen hoe dik de huid beplating moet worden, hoe sterk de spanten moeten worden, waar er extra langsspanten geplaatst moeten worden, hoeveel compressie het dek aan moet kunnen, hoe zwaar de waterdichte schotten in elkaar gedrukt worden en watvoor gevolgen de ijsdruk heeft op het optillen van de boot.

Met die gegevens kun je verder rekenen hoeveel de constructie gaat wegen (in aluminium) en dus wat het totaal gewicht van de boot ongeveer gaat worden. Daarmee kun je een lijnenplan ontwerpen en aan de hand daarvan je berekeningen voor de druk resultantes weer controleren (denk aan de ontwerp spiraal).
Een voorwaarde voor dit ontwerp is echter dat het ook goed zeilt. De romp mag dus niet te veel vertrimmen onder helling, Het nat oppervlak moet in de hand gehouden worden om de wrijving van de boot door het water laag te houden. Daarnaast moeten het drukkingspunt, het waterlijn oppervlakte zwaartepunt, de langsscheepse positie van het onderwater volume zwaartepunt, het grootspant oppervlakte coefficient en nog enkele andere waarden, binnen bepaalde marges en ratio's vallen om er zeker van te zijn dat de boot niet al te veel golven wil gaan trekken als deze op snelheid komt. Dit alles is een zeer tijdrovend en complex karwei met vele iteraties om uiteindelijk tot een redelijk resultaat te komen zonder al te veel compromissen.

Dit alles heeft geresulteerd in een lijnenplan wat er ongeveer zo uitziet:







En de bijbehoorende constructie ongeveer zo:

Indrukwekkend veel om rekening mee te houden!

Heb je overleg met eerdere ontwerpers (ik denk aan de Pelagic 77 van Tony Castro) of is dit een niche-wereldje ieder voor zich?
De Pelagic 77 heeft hetzelfde programma, dezelfde lengte, ...

Niet echt overleg met andere ontwerpers, er zijn voor zover ik weet maar twee andere (zeil) boten in de wereld die volgens vergelijkbare princiepes en voor hetzelfde doel ontworpen zijn. Dat zijn de NanuQ die door Dijkstra ontworpen is en de Antarctica die voor Jean-Louis Étiene gebouwd is. Later is dat de Seamaster geworden onder Peter Blake (waar hij op vermoord is) en die nu onder de naam Tara vaart.

De Pelagic 77 heeft zelfs helemaal geen ijsversterking en is met zijn dubbele roeren en dubbele schroef niet eens geschikt voor het varen in wat dichter opeen gepakt ijs. Die boot is dus eigenlijk helemaal niet te vergelijken met 'Snow Leopard'. Neem bijvoorbeeld al het verschil in gewicht, ik heb echt al mijn trucjes uit de kast moeten halen om het gewicht zo laag mogelijk te houden, maar het kale casco weegt al ruim 30 ton meer als dat van de Pelagic 77.

EDIT: De 'Fram' van Fridjof Nansen hoort natuurlijk ook in het rijtje met zeilboten die secifiek voor het overleven van kruiend ijs zijn ontworpen, al is dat bijna onmogelijk een zeilboot te noemen met haar kleine tuigage en ruim 500 ton scheepsgewicht.

Mooi!!
Zeeijs kan in de pressure ridges (is daar een Nederlands woord voor?) Kistwerk? Al is de nederlandse uitvoering een stuk minder heftig.

In je construktie tekening zie ik zo niet de huiddikte. Wel voor huid/dek overgang (12.7mm), en de huid lijk ongeveer 2x zo dik (25.4mm) (Stomme amerikaanse maten ) Net boven de waterlijn lijkt een stringer te zitten die niet haaks op de huid staat, maar horizontaal. ?????
En een midzwaard kast. Heb ik ook, en mijn theorie is dat als de kast doorloopt tot boven de waterlijn, je bij het bevriezen hiervan geen last hebt van het beslotenruimte effect en dus heel blijft, ongeacht of het vanaf boven dan wel vanaf onder dichtvriest. Bij mij gaat het tot dusver goed, maar klopt dit?

Pressure ridges zijn de plekken waar het kruiende ijs zichzelf opstapelt en je dus meerdere lagen ijs bovenop elkaar krijgt. Die vriezen weer aan elkaar vast waardoor je ijs diktes tot wel 20m kunt krijgen, terwijl het ijs op de noordpool al een tiental jaren niet echt meer boven de 2,5 tot 3 m ijsdikte uitkomt. 'Vroeger' was het noordpool ijs gemiddeld rond de 5m dik.

De huiddikte (inclusief de spiegel) word 25.4mm. Helaas moet ik hier met Amerikaanse plaatdikten werken, maar het zij zo
De stringer zit inderdaad horizontaal, dat is niet de sterkste manier, maar dat maakt het aanzienlijk eenvoudiger om hem op de juiste hoogte van de waterlijn te houden van spiegel tot boeg en doorlopend over alle waterdichte schotten.

Een kielkast zal altijd bevriezen, maar je krijgt er over het algemeen geen schade van als er nog een laagje lucht aan de bovenkant staat, ofwel de bovenkant van de kast moet boven de beladen waterlijn zitten. Het voorste deel van de kielkast word bij ons overigens wel open naar dek toe, op die manier kun je de kiel eruit tillen voor onderhoud zonder de boot uit het water te hoeven halen. Het probleem met kielen die van onder uit de kielkast moeten komen is dat je de boot meestal hoog moet opbokken en dat je stellages moet gaan bouwen om de kiel te laten zakken en weer terug te duwen. Gewoon in de kielkast laten zakken van bovenaf vind ik het makkelijkste. Hier een langsschets:




Dat oog bovenop is een hijsoog waar je de strop van een kraan aanvast kunt maken.

Erik, de andere Nanuq (igloo.sailworks.net/index.html) telt die ook mee? Kwam toevallig een paar dagen na ons vertrek n Thorshavn aan. Watkins altijd leuk aan dienst vind is dat ie net zo'n motor heeft als Norna..

Die Nanuq is inderdaad een gave boot en natuurlijk telt die mee Echter is ook die boot matig tot niet bestand tegen kruiend ijs. Ik zou die boot erder vergelijken met wat ik nu heb dan met wat we nu aan het bouwen zijn.

Mooie inkijk in t ontwerp (en straks vast ook de bouw) van een unieke boot.

Valt zo iets nou ook te testen op schaal vooraf? Model in de vriezer oid? Of is dat een rare gedachte cq is er genoeg praktijk data beschikbaar om confident te zijn?

Dat valt zeker op schaal te testen. Er zijn diverse sleeptank faciliteiten in de wereld waar ze het water ook kunnen laten bevriezen om op die manier schaal testen te doen voor ijsbrekers en booreilanden.
Zie bijvoorbeeld dit filmpje:


Dit soort model testen kosten echter enkele honderduizenden euro's en de toegevoegde waarde is in ons geval minimaal. We hebben er dus niet voor gekozen om er gebruik van te maken.

Er zijn inmiddels drie kleine schepen die zich bewust in de de open oceaan hebben laten invriezen zonder structurele schade. De bevindingen die daarvan terug zijn gekomen zijn goed beschreven. Ik maak me dus niet zoveel zorgen dat we dit niet goed doen.

Hier wat leuke plaatjes van de 'Tara' ingevroren nabij de Geografische Noordpool, ze hebben iets meer als 500 dagen vastgezeten in het ijs



Wie graag meer wil weten over deze expeditie, dan kan ik je de volgende boeken van harte aanbevelen:

www.abebooks.com/servlet/BookD...ppet-_-srp1-_-title1

En

www.abebooks.com/servlet/BookD...ppet-_-srp1-_-title1

Henk de Velde weet er toch wel wat van

Henk de Velde heeft heel mooi geilustreerd dat twee roeren op een boot in het ijs geen goed idee is
De eerste de beste keer dat hij een beetje ijsdruk kreeg voor een paar uurtjes was gelijk zijn boot onbruikbaar en moest met een ijsbreker afgevoerd worden.

Erik, zie je mogelijkheden om juist daarom niet alleen de kiel, de schroef en de scheg maar ook het roer geheel in de romp te trekken? Zoals bijvoorbeeld bij de Dehlya 22/25 (totaal ander concept maar toch ter illustratie). Moest overigens denken aan de Fram (uit 1893) met een ophaalbaar schroef)

Het roer word inderdaad volledig wegneembaar. Ik weet niet precies hoe het op Dehlya zit, maar bij ons komt er een schacht in het achterschip waar een dummy in geplaatst kan worden en die dummy heeft een gat met lagers waar de roerkoning doorheen gaat. Door een luik in het dek trek je het roer met dummy en al uit het onderwaterschip vandaan. In 20m is dan het roer er onder vandaan zonder gereedschap nodig te hebben.

Dat is inderdaad vergelijkbaar zoals bij de Dehlya 22/25 wordt toegepast. Dank voor alle inzichten waar je ons deelgenoot van maakt. Daar is veel van op te steken!

Erikdejong schreef :
Nog hele fraaie lijnen!

Is de waterlijn belasen of leeg? Is zon geveegde kont niet lastig met het te water laten van de jetski's?

Wat voor programma gebruik je voor het ontwerp?

Mischien een vreemde vraag maar waarom een mono en geen multi hull. Alles redundant betere l b verhoudikg. Kan lichter structureel omdat de afstanden kleiner zijn en minder ballast nodig is. En als grootste plus veel meer dek en cabine space. Heb je ergens aan een multi gedacht aan het begin van het project?

boarderbas schreef : Dank je! Ik ben er zelf ook best content mee.
De waterlijn is in het lijenplan gezet op 100 ton. Leeg zeilklaar gewicht is ongeveer 85 tot 87 ton, maar volgeladen gewicht voor een 2 jarige expeditie ingevroren in het ijs is 140 ton. Echter de meeste mijlen zullen zo ongeveer rond de 100 ton scheepsgewicht gevaren worden, dus dat heb ik gebruikt voor mijn basis ontwerp. Jetski's komen niet aanboord. Afhankelijk van het project wat we gaan doen nemen we een RIB mee die in de garage kan, of maximaal twee sneeuwscooters. Een boot als deze vaart maximaal onder 15 graden helling en het lijnenplan in het achterschip zorgt op deze manier voor een redelijk symmetrisch geheel zonder te veel voorover te trimmen. Breed in het achterschip heeft alleen zin als je daardoor meer zeil kunt voeren zodat je de boot in plane kunt brengen. Alles wat niet kan planeren is over het algemeen beter af met een smal kontje. En oer een boot van 87 ton en (veel)meer heb ik geen ilussies of die ooit in een surf zal komen.
Ik gebruik maxsurf voor lijnenplan ontwikkeling en de berekeningen van hydrostatics, stabiliteit, lekstabiliteit en tank inhouden. Normaal plain en simple AutoCAD is gebruikt voor de technische tekeningen (meeste is 2D) en voor FEA en complexere onderdelen gebruik ik Solidworks.

FKZ schreef : Multihulls zijn mijn favorite boten, vooral tri's, helaas zijn ze totaal ongeschikt voor gebruik in ijs. Daarnaast zijn ze absoluut vreselijk als het aankomt op het meenemen van gewicht en hebben ze zeer veel buitenoppervlak waardoor afkoeling in zeer lage temperaturen (we hebben het over -60) een te groot probleem oplevert omdat het niet warm te houden is.

Wat gedetaileerdere uitleg over deze standpunten:
Manouvreren in dicht opeen gedrukte ijsschotsen betekend dat je je de boeg tussen twee schotsen zet en met motorvermogen drijf je ze uit elkaar om jezelf zo een doorgang te forceren. Een multihull heeft twee of drie boegen en die kun je nooit tussen twee ijsschotsen in krijgen om jezelf zo een weg te banen. Ook komen ijsschotsen klem te zitten tussen de rompen. Om diezelfde reden zijn dubbele roeren en of dubbele schroeven ook ongeschikt. Als je jezelf een wegbaant tussen kleinere ijsschotsen die dicht tegen elkaar aan liggen, dan komen ze diagonaal onder de romp door te schuiven, de kiel verdeelt ze dan naar BB of naar SB en in bijna alle gevallen mist het ijs op die manier de schroef mits die in het midden van je boot zit, zelfde geldt voor je roer. Je kunt dit fenomeen ook zeer duidelijk zien op het filmpje van die sleepproeven in de ijs tank die ik een paar posts terug plaatste. De schtsen kantelen as het ware van horizontaal naar diagonaal als de romp er langs komt, eenmaal voorbij vallen de ijsschotsen weer terug in horizontale positie. Dit gedrag word enorm bemoeilijkt door een multihull te gebruiken omdat alle ijsschotsen van verschilend formaat zijn. Als je een grote schots aan BB hebt en een kleine aan SB dan word een mono hull gewoon opzij geduwd door de grotere schots tot er een balans is. Met een multi gebeurt dat niet, vooral niet omdat je de enkele boeg niet als een wig tussen de schotsen kunt duwen.

Gewicht is het andere probleem. Voor het wetenschappelijke aspect hebben we voor een uitgebreide expeditie rond de 15 ton aan materiaal en uitrusting nodig. Daar komt 6 ton eten en drinken bij en 30 ton brandstof om de boel warm genoeg te houden om aan boord te kunnen leven, we hebben het dus al snel over 50 tot 55 ton aan 'payload' welke aanboord moet kunnen. In het geval van een multihull zou dat nog meer moeten zijn omdat je veel meer energie nodig hebt om er een op temperatuur te houden. Een multihull welke nog redelijk kan zeilen met een payload van 55 ton bestaat simpelweg en kan ook niet gemaakt worden.

Helaas is de multihull om diverse praktische redenen dus niet mogelijk, maar zeiltechnisch gezien hebben tri's zeker mijn voorkeur.

Er is nog een belangrijk aspect wat ik in mijn post van gister mbt de sterkte van de romp nog niet had beschreven, dat is de aanvaringen met ijs.
Deze boot loopt redelijk makkelijk 10-11 knopen vanwege het formaat, maar dat betekend ook dat je met dergelijke snelheden een blok ijs of een drijvende boomstam mee kunt pikken. Die laatste komen nogal eens voor in het arktische gebied. Net zoals ik de puntbelasting op de romp voor ijsdruk heb uitgerekend, heb ik datzelfde gedaan op een diverse plekken op de romp voor aanvaringen. De hoeveelheid energie en dus belasting op de romp die vrijkomt door een aanvaring kan groot zijn. Ik ben dus uitgegaan van een oneidnig groot en zwaar blok ijs/rots/boomstam wat niet beweegt zodra deze boot er mee in aanvaring komt. De boot dient dus tot volledige stilstand te kunnen komen zonder schade aan de romp te krijgen. Ik ben voor de impact belasting dus uit gegaan van het maximale gewicht van de boot, maximale kruissnelheid en minimale stoptijd. Dat is dus 140 ton met 11 knopen wat in 0.25 seconde tot stilstand moet komen. De kinetische energie moet door de huid en door de spanten opgenomen worden. Echter vinden 'botsingen' altijd onder een hoek met de huid paats, hetzij door de waterlijnen vormen, hetzij door de vormen van de vertikalen. De uiteindelijke belasting op de romp is dus niet de ipact kracht van de aanvaring, maar de resultante darvan welke haaks op de huid komt te staan. Hier een tekeningetje op dit te ilustreren, hoe verder naar achteren de aanvaring plaatsvind, hoe kleiner de resutante van de daadwerkelijke impact op de romp constructie is. De boeg moet voor deze exercitie dus sterker uitgevoerd worden dan het middenschip.:



In het zijaanzicht heb je een vergelijkbaar fenomeen omdat de boeg overhangt naar voren toe, het object van de aanvaring dwingt de boot dus om van richting af te wijken door de schuinte van de romp waar de aanvaring plaats vind.

Mijn doel is om de romp zodanig sterk te maken dat dergelijke aanvaringen zonder deuken zijn te doorstaan. De effecten van een full-stop aanvaring heb ik, net als de statische ijsdruk, ook op enkele honderden plekken van de romp doorgerekend, op diverse hoogten boven en onder de waterlijn alsook op diverse plekken op de hartlijn van de boot en daar vandaan.

Mooi om te lezen allemaal, heel interessant.
Hoewel van heel andere orde heb ik zelf ooit een aanvaring precies op de boeg mogen ondergaan. Hoewel de paal in kwestie (diameter 0,5m of zo) wellicht een klein beetje heeft meegebogen heeft was dat een volledige stop van ca. 5 kn naar nul. Er zat wel een gat in de boeg (diameter ca. 10cm, vrij klein dus) maar de rest van de boot en interieur bleef heel. Ik vond het erg knap van de bouwers van de boot dat ze dit soort geweld kon overleven. Het liet ook duidelijk zien dat het vastzetten van spullen ook erg belangrijk is, gelukkig was dat bij mij wel het geval. Als de boot het houdt maar de bemanning wordt bedolven onder (in jouw geval) tonnen aan schuivend materiaal dan lijkt me dat ook geen gezonde situatie.

Erikdejong schreef :
Ik begrijp dat je alleen voor een aanvaring op de boeg uitgegaan bent van een "full stop" in 0,25s? En dat het schip in alle andere gevallen "afketst"?

Afketsen gebeurt in meer of minder mate in iedere richting. Vanuit het bovenaanzicht gezien is het vrij duidelijk dat als je iets op de boeg oppikt dat je dan een grotere impact krijgt dan iets wat op de zijkant opgepikt word en min of meer afketst. In bijna alle gevallen is het overigens de boot welke weggeduwd word, want een blok ijs wat ongeveer half zo groot is als de boot weegt al meer dan de boot zelf. Het is soms een behoorlijk wilde rit als je door ijs heen gaat. De boeg zelf ketst echter ook af in meer of mindere mate, het ijs kan namelijk inder water gedrukt worden of de boot komt omhoog. Op Bagheera heb ik regelmatig een aanvaring met ijs waarbij de schots een meter of 7 onder boot door gaat alvorens het tegen de kiel tot stilstand komt.

Hier een zijaanzicht van de boeg. Hoe hoger de plaats van impact tijdens een aanvaring, hoe kleiner de liftende vector is. Het meeste ijs wat we tegen komen is minder dan 30cm hoog boven de waterlijn en kunnen we dus met grotere snelheid tegenaan varen. Dat betekend dat als we door ijs heen varen met een grotere dikte, dat we het langzamer aan moeten doen.

Off topic: nog even en je hebt al die ijsvoorzieningen niet nodig, Erik...
Tegen 2050 heb je een ijsvrije poolzee...
Code rood voor de mensheid...

Edit: verwijzing naar laatste IPCC-rapport.
www.demorgen.be/nieuws/code-ro...%2Fwww.google.com%2F

Tot die tijd zullen er heel wat wetenschappers zijn die de smeltende polen vanaf het water willen onderzoeken.
Erik wil vlgs mij in die behoefte voorzien en er een boterham aan verdienen.

Gepost met de officiële Zeilersforum-app

Ja, zeker.
Ik zit qua milieu/klimaat op dezelfde lijn als Erik. Denk wel dat hij begrijpt dat mijn off topic opmerking niet tegen hem of zijn plannen gericht is, maar wel een diepe zucht is naar de laksheid om iets drastisch te willen doorvoeren.