osa 3 analyysi · ääriarvojen ja tilastollisen jakauman sel-vittämiseen. sen vuoksi koe...

estonia – loppuraportti 151

.

OSA 3 ANALYYSI

152 estonia – loppuraportti

.


.

LUKU 12

Yleiskatsauserillis-tutkimuksiin

Taulukko 12.1 SSPA:n laboratorion testiohjelma.

Kurssi aallo- Nopeus Merkitsevä aallonkorkeus, Hs

kon suhteen Nimellinen Mitattu keulassa Mittausaika

Hinausallas:Vasta-aallokko: 180° 10 kn 4,0 m 3,9 m 30 min

180° 15 kn 4,0 m 3,9 m 320 min180° 19 kn 4,0 m 3,9 m 20 min180° 10 kn 5,5 m 5,1 m 60 min180° 15 kn 5,5 m 5,2 m 40 min180° 19 kn 5,5 m 5,2 m 30 min

MDL:Vasta-aallokko: 180° 15 kn 4,0 m 4,1 m 30 minSivuvastainen 150° 10 kn 4,0 m 4,2 m 30 minaallokko: 150° 10 kn 5,5 m 5,3 m 30 min

150° 15 kn 5,5 m 5,3 m 30 min150° 14,5 kn 4,3 m 4,5 m 180 min

12.1Merenkäynnin visiiriin

aiheuttamienkuormitusten määritys

mallikokeilla

12.1.1Koeohjelma

Ruotsalaisen SSPA:n laboratorioissa teh-tiin suuri määrä komission tilaamia mal-likokeita. Koeohjelman ensisijaisena tar-koituksena oli määrittää aallokon isku-jen takia visiiriin kohdistunut kuormitussillä kulkunopeudella, sillä kurssilla janiissä aallokko-olosuhteissa, jotka toden-näköisesti vallitsivat silloin, kun ESTO-NIAn visiiri irtosi. Lisäksi testattiin eräi-den muuttujien vaihtelun vaikutusta aal-tokuormiin. Mallikokeiden tuloksia onlisäksi verrattu aaltokuormien tietoko-nesimulaatioihin jaksossa 12.2. SSPA:ntäydellinen tutkimusraportti on liiteosassa(Supplement 410).

Mittakaavassa 1:35 rakennettiin ES-TONIAn pienoismalli, joka varustettiinpropulsiolaitteilla ja kääntyvillä peräsi-millä. Keulavisiiri rakennettiin eri kap-paleena ja se kiinnitettiin runkoonkuusikomponenttivaa’an avulla, jotta

voitaisiin mitata vaikuttavat voimat jamomentit kaikissa kuudessa vapausas-teessa. Visiirin painon vaikutus poistet-tiin mittaustuloksista ja momentit siir-rettiin visiirin saranoiden akselin keski-pisteeseen.

Aaltokuormituskokeet vasta-aallo-kossa tehtiin hinausaltaassa ja kokeetsivuvastaisessa aallokossa merikelpoi-suusaltaassa. Molemmissa koesarjoissamalli liikkui omien potkuriensa avulla.Pitkäharjainen epäsäännöllinen aallok-ko muodostettiin JONSWAP-aaltospekt-rin mukaisesti.

Mallikokeissa keskityttiin kuormienääriarvojen ja tilastollisen jakauman sel-vittämiseen. Sen vuoksi koe toistettiinkaksissa eri olosuhteissa useita kertojaniin, että aallokon amplitudia ja periodiavaihdeltiin hieman.

Epäsäännöllisessä aallokossa tehdys-sä koesarjassa käytetyt olosuhteet on esi-tetty taulukossa 12.1.

Aaltospektrin huipun periodina käy-tettiin kaikissa kokeissa arvoa 8,0 s lu-kuun ottamatta viimeistä, jossa käytetty(huippu)periodi oli 8,3 s. Viimeksi mai-nitun arvon oletettiin tuolloin kaikkeintodennäköisimmin vastaavan niitä olo-suhteita, joissa ESTONIAn keulavisiiriirtosi.


.

○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○

Kuva 12.1 Mitattu aaltojen aiheuttama, visiiriä avaava, pystytasossa vaikuttavamomentti sivuvastaisessa aallokossa.

○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○

30

20

10

0100010010

Keskimääräinen ylitykseen kuluva aika, [min]

Y-momentti, [MNm] Vasta-aallokko 180° kulmassa

3.9 m10 kn

3.9 m15 kn

3.9 m19 kn

5.1 m10 kn

5.2 m15 kn

5.2 m19 kn

1

60

50

40

30

20

10

0100010010


Y-momentti, [MNm] Sivuvastainen aallokko 150° kulmassa

1

4.2 m10 kn

4.5 m14.5 kn

5.3 m10 kn

5.3 m15 kn

12.1.2Tiivistelmä

Keulan iskukuormitusten epälineaarises-ta ja satunnaisesta luonteesta johtuenmitattujen kuormien absoluuttiseen suu-ruuteen on suhtauduttava varauksella.Pienet muutokset aluksen keulan ja aal-tojen suhteellisessa liikkeessä, samoinkuin aaltoprofiilissa, aiheuttivat suuriaeroja kuormien arvoissa. Suurimpia kuor-mia ei yleensä havaittu korkeimpien yk-sittäisten aaltojen kohdalla, vaan aalto-jen ja laivan liikkeiden pahimpien yhdis-telmien yhteydessä.

Kaikkein kriittisin, eri kokeissa mi-tattu aaltojen aiheuttaman kuormituk-sen komponentti, kannen saranan ym-päri avaava momentti eli Y-momentti, onesitetty kuvissa 12.1 ja 12.2 keskimääräi-sen ylitykseen kuluvan ajan funktiona.Pystysuunnassa vaikuttava voima, Z-voi-ma, on esitetty samalla tavalla kuvissa12.7 ja 12.8. Keskimääräinen ylitykseenkuluva aika tarkoittaa tässä keskimää-räistä kuormitushuippujen välistä aikaa,jossa ko. kuormitushuiput ovat yhtä suu-ria tai suurempia kuin ilmoitettu arvo.Kuviot on piirretty ottamalla kunkin koe-sarjan täysmittakaavaa vastaava aika jajakamalla se tietyn kuormitustason ylit-tävien huippujen lukumäärällä, jokamääräytyy SSPA:n raportissa 7524 ole-van Weibull-käyrän mukaan.

Esitetyt aallokon aiheuttamat kuor-mat eivät ota huomioon visiirin omaapainoa. Tämä vähentää pystysuoraanvaikuttavaa voimaa noin 0,6 MN ja avaa-vaa momenttia noin 2,9 MNm (1 MNvastaa 102 tonnin painoa).

12.1.3Pitkät koesarjat

sivuvastaisessa aallokossa

Merikelpoisuusaltaassa tehdyissä pitkis-sä koesarjoissa käytettiin sivuvastaista,vasemmalta tulevaa aallokkoa, jonkamerkitsevä aallonkorkeus (H

S) oli 4,3 m

sekä aluksen nopeutena arvoa 14,5 sol-mua. Näiden arvojen uskottiin kokeidensuorittamisen aikaan vastaavan niitä olo-suhteita, joissa ESTONIAn visiirin kiin-

nikkeet pettivät. Tässä koesarjassa, jokavastaa täysmittakaavassa kolmen tunninmittausaikaa, mitatut aaltojen visiiriinkohdistamien kuormien yksittäiset mak-simikomponentit on esitetty taulukossa12.2.

Kaikki maksimiarvot, Y-voimaa ja Z-momenttia lukuun ottamatta, havaittiinsamanaikaisesti (mitattu Y-voima oli täs-sä yhteydessä 2,2 MN ja Z-momentti 3,8MNm). Kun nämä suurimmat kuormat

mitattiin, aallon huippuamplitudi oli 3,7m, aallon ja keulan välinen suhteellinenliike 6,3 m ja suhteellinen nopeus 6,2 m/s.

Pitkittäisen ja pystysuoran voimanhuippuarvot esiintyivät aina samanaikai-sesti ja suunnilleen saman suuruisina.Kuitenkin ainoastaan harvat näistä kuor-mitushuipuista aiheuttivat saranan akse-lin suhteen positiivisen avaavan momen-tin, joka olisi ollut kyllin suuri ylittääk-

Kuva 12.2 Mitattu aaltojen aiheuttama, visiiriä avaava, pystytasossa vaikuttavamomentti vasta-aallokossa.


. .

○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○

Kuva 12.3 Näytteitä mallikokeissa mitatuista aikasarjoista.

4.5

Voimat:Pitkittäisvoima X-voima 7,7 MN (positiivinen perään)Sivuvoima (Poikittainen voima) Y-voima 2,7 MN (positiivinen oikealle)Pystyvoimat Z-voima 7,4 MN (positiivinen ylös)

Momentit visiirin sarana-akselilla:Momentti pitkittäisakselin suhteen, X-momentti 10,2 MNm (positiivinen vasen puoli ylös)Momentti poikittaisakselin suhteen, Y-momentti 35,4 MNm (positiivinen avaava ylöspäin)Momentti pystyakselin suhteen, Z-momentti 4,1 MNm (fpositiivinen vasen puoli eteen)

seen visiirin painosta aiheutuvan sulke-van momentin ja vain kaksi avaavaamomenttia oli suurempia kuin 20 MNm.Useimpien kuormituskertojen aiheutta-ma avaavan momentin huippuarvo olipienempi kuin noin 5 MNm.

Kuvassa 12.3 on esitetty aikasarjanamitatun aaltoprofiilin visiiriin aiheutta-ma pystysuora voima ja avaava momenttisaranan akselin suhteen. Kuva vastaa noin17 minuutin aikaa täysmittakaavassa.

12.1.4Aaltokuorman komponentit –aallonkorkeuden, kurssin ja

nopeuden vaikutus

Kuvissa 12.4–12.6 ja 12.9 on esitettyyhteenveto merkitsevän aallonkorkeu-den, kurssin ja nopeuden vaikutuksestaaaltojen visiirille aiheuttamiin kuormiin.Vertailussa on käytetty todennäköisim-piä maksimiarvoja, jotka esiintyvät 30minuutin aikana. Useimmissa koesarjois-sa tämä tarkoittaa sitä, että annettu arvovastaa korkeinta yksittäistä mittausarvoaja siksi epävarmuus eri arvojen suuruu-dessa on huomattava. Kuvissa samojaolosuhteita vastaavien tulosten arvot onyhdistetty suorilla viivoilla. Todellisetkuormien arvot ovat kuitenkin verran-nollisia H

S:n (merkitsevä aallonkorkeus)

korkeampaan potenssiin kuin ensimmäi-seen, joten suoralla viivalla ekstrapoloin-tia ja interpolointia ei pitäisi käyttää.

On ilmeistä, että aallonkorkeudenvaikutus on sivuvastaisessa aallokossapaljon suurempi kuin vasta-aallokossa.Tulokset viittaavat siihen, että sivuvastai-sessa aallokossa merenkäyntiolosuhteil-la on ”kynnys”, jonka alapuolella aallo-kon visiiriin kohdistama kuormitus onhyvin vähäinen. Kun nämä olosuhteetylitetään, suurten voimien ja moment-tien esiintymisen riski kasvaa nopeasti,vaikka olosuhteet aluksella liikkeiden jakiihtyvyyksien suhteen muuten eivätmuuttuisikaan merkittävästi. Kokeissakäytetyissä olosuhteissa tämä kynnys onhavaittavissa silloin, kun merkitsevä aal-lonkorkeus on noin 4,0 m.

Aaltovoimat näyttävät olevan sivu-vastaisessa aallokossa molemmilla tutki-

Taulukko 12.2 Suurimmat aaltokuorman komponentit sivuvastaisessa aallokossaHs = 4,5 m

Aalto

profi

ili (m

) –

Aallo

n ha

rja p

ositiivine

n MDL ajot 67–116: 14,5 solmua, Hs = 4,5 m Sivuvastainen aallokko

Z-voim

a (M

N) –

Positiivine

n ylö

sYh

-mom

entti (MN

m) –

Avaava

voim

a po

sitiivine

n

Aika (s)


.

○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○

Kuva 12.4 Visiiriin vaikuttava pitkittäinen ja poikittainen aaltokuorma.Mallikoetuloksia vastaisessa ja sivuvastaisessa aallokossa 10 ja 15 solmun

nopeuksilla.

180°15 kn10 kn

12

10

8

6

4

2

06543

Merkitsevä aallonkorkeus, [m]

X- ja Z momentti, [MNm] Ylitykseen kuluva aika 30 min

Z momentti, 150° 15 kn, 10 kn

60

50

40

30

20

10

06543


Y-momentti, [MNm] Ylitykseen kuluva aika 30 min

150°10 kn

150°14.5-15 kn

X momentti, 150° 10 kn

X momentti, 150°15 kn

Kuva 12.6 Aaltojen aiheuttama avaava momentti visiirin saranoiden kautta kulkevanakselin suhteen. Mallikoetuloksia vastaisessa ja sivuvastaisessa aallokossa 10 ja 15

solmun nopeuksilla.

○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○

○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○

°

12

10

8

6

4

2

06543


X- ja Y voima, [MN] Ylitykseen kuluva aika 30 min

X voima, 180°15 kn

10 kn

Y voima, 150°15 kn,10 kn

14.5-15 kn

X voima, 150°10 kn

tuilla aallonkorkeuksilla lähes lineaari-sesti riippuvaisia nopeudesta. Nopeudenalentaminen 15 solmusta 10 solmuunvähentää siten voimia suunnilleen yh-dellä kolmanneksella. Vasta-aallokossasuuremmilla aallonkorkeuksilla nopeu-den vaikutus näyttää pienenevän.

12.2Keulavisiiriin

kohdistuneidenvertikaalistenaaltokuormien

numeerinen simulointi

12.2.1Johdanto

ESTONIAn keulavisiiriin kohdistuneitapystysuoria (vertikaalisia) aaltokuormiaon myös simuloitu epälineaarista, nu-meerista menetelmää käyttäen onnetto-muusmatkan aikaisten aaltokuormien jatärkeimpien kuormitusparametrien vai-kutuksen arvioimiseksi. Numeeriset en-nusteet täydentävät SSPA:n mallikokei-ta, sillä on ollut mahdollista simuloidapaljon pidempiä ajanjaksoja kuin mitämallikokeissa voitiin mitata.

Koska veteen painuvan rungon ym-päri tapahtuva virtaus on hyvin moni-mutkainen ilmiö, täsmällisiä numeerisiamenetelmiä virtauksen simuloimiseksi eiole olemassa. Käytetty simulointimene-telmä perustuu tekniseen tarkasteluta-paan, jolla aaltokuormien pystysuuntai-set komponentit voitiin laskea. Näin ol-len kuormituksen muiden komponent-tien simuloiminen ja visiirin pinnan pai-nejakautuman laskeminen ei ole ollutmahdollista.

Numeerista menetelmää on käsiteltytarkemmin liiteosassa olevassa täydelli-sessä raportissa (Supplement 408). Me-netelmän tarkkuuden arvioimiseksi si-muloituja pystysuoria aaltokuormia onverrattu kokeissa saatuihin tuloksiin.

Simuloinnit on tehty pitkäharjaisen,epäsäännöllisen aallokon aikahistorialla,joka on muodostettu JONSWAP-aalto-spektrikaavan avulla. Jokaisessa tapauk-

Kuva 12.5 Aaltojen aiheuttama momentti visiirin pitkittäis- ja pystyakselin suhteen.Mallikoetuloksia sivuvastaisessa aallokossa 10 ja 15 solmun nopeuksilla.


.

Taulukko 12.3 Simuloidut keulavisiiriin aallokossa vaikuttavat pystykuormat,Simulointiohjelma ja esimerkkejä tuloksista (visiirin paino vähennettynä).

Kurssi aallokon Nopeus Keula- Hs Tp Z-voima [MN] Z-voima [MN]suhteen [astetta] [kn] aallon [m] [s] Keskimääräinen Keskimääräinen

korkeus ylitykseen kuluva ylitykseen kuluva[m] aika 30 minuuttia aika 10 tuntia

Vasta-aallokko, 180 15 1,0 4,0 8,0 2,50 3,60180 15 1,0 4,0 8,5 2,55 3,95180 12 0,65 4,0 8,0 2,05 3,10180 10 0,4 4,0 8,0 1,70 2,70180 10 0,4 5,5 8,0 4,35 7,15180 12 0,65 5,5 8,0 4,80 7,50180 15 1,0 5,5 8,0 5,35 8,10180 15 1,5 5,5 8,0 6,30 9,60

Sivuvastainen aallokko, 150 15 1,0 4,0 8,0 2,95 4,20150 15 1,0 4,5 8,0 4,00 5,60150 15 1,5 4,0 8,0 3,45 4,80

○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○

sessa simuloitu ajanjakso oli 36 tunninpituinen ja käsitti kuusi kuuden tunninmittaista simulaatiota. Täydellinen simu-lointiohjelma on esitetty taulukossa 12.3.

12.2.2Simulointimenetelmä

Simulointimenetelmä perustuu epäline-aariseen ”strip”-teoriaan, joka on käytän-nöllinen menetelmä simuloitaessa laivanliikkeitä ja rungon kuormitusta aallokos-sa. Käytetyssä menetelmässä pitkäharjai-sen, epäsäännöllisen aallokon aikahisto-ria ja aluksen liikkeet on generoitu line-aarista superpositiomenetelmää käyttäen.Keulavisiiriä on tarkasteltu pienenä, ve-teen painuvana kappaleena. Visiiriin vai-kuttavaa pystysuoraa voimaa määritettä-essä on tällöin oletettu, että aaltojen dy-naaminen paine ja liike sekä nopeus jakiihtyvyys ovat vakioita visiirin täyttä-män tilan sisällä. Tämä oletus vastaa to-dellisuutta silloin, kun aallon pituus onhuomattavasti suurempi kuin keulavisii-rin mitat.

Numeerinen malli sisältää strip-teo-rian antamat hydrostaattiset ja hydrody-naamiset voimat sekä liikemäärätarkas-telun mukaiset, epälineaariset hydrody-naamiset voimat. Visiirin veden alla ole-van osan suuruuden vaihtelusta johtuvat

hydrodynaamisten voimien epälineaari-suudet on otettu huomioon tarkastele-malla kullakin aika-askeleella senhetkis-tä vedenpinnan tasoa. Numeeriseen mal-liin sisältyvät seuraavat voimakomponen-tit:• Visiirin paino, jonka oletetaan olleen

0,6 MN (60 t).• Hitausvoima, joka perustuu aluksen

jäykän kappaleen kiihtyvyyteen visii-rin keskipisteessä.

• Visiirin lisätyn massan ja vaimennuk-sen aiheuttama hydrodynaaminenvoima, joka on oletettu verrannolli-seksi vastaavaan pystysuoraan kiihty-vyyteen ja nopeuteen.

• Hydrostaattinen noste, joka riippuukunakin hetkenä visiirin veden allaolevan osan tilavuudesta.

• Froude-Krylov voima, joka määrite-tään visiirin vedenalaisen osan yli las-kettuna häiriöttömän aallon lineaari-sen hydrodynaamisen paineen integ-raalina.

• Epälineaarinen pystysuora iskuvoima,jossa merkittävä termi on kohoilunlisätyn massan pystyliikkeen suhteenja suhteellisen pystynopeuden neliöntulo.

• Veden alla olevan visiirin osan ympäritapahtuvan stationäärisen virtauksenaiheuttama voima laskettiin etukäteen

SHIPFLOW-ohjelmalla tyynessä ve-dessä eri keulasyväyksille. Kullakinaika-askeleella käytettiin sovitetunkäyrän antamia arvoja.

Stationäärisen keula-aallon vaikutus huo-mioitiin vakiokorjauksella kasvattamallavisiirin vedenalaista osaa. TällöinSHIPFLOW-ohjelmalla lasketun keula-aallon korkeus eri nopeuksilla lisättiinvisiirin keskilinjan pystysuoraan suhteel-liseen liikkeeseen.

12.2.3Tulokset

Simulaatioiden tärkeimmät tulokset käy-vät ilmi kuvista, jotka esittävät todennä-köisyyksiä, joilla visiiriin kohdistuvanaaltovoiman pystykomponentti ylittäätietyt tasot. Mikäli kohdattujen aaltojenlukumäärää vastaava ylittämistodennä-köisyys esitetään logaritmisella asteikol-la ja pystyvoima lineaarisella asteikolla,suora viiva näyttää kuvaavan tuloksiahyvin. Ylittämistodennäköisyyden loga-ritmin ja visiirin pystykuormituksen vä-liselle lineaariselle riippuvuudelle ei oleteoreettisia perusteita. Weibull-jakautu-ma on usein sovitettu kuvaamaan pitkänaikavälin aallonkorkeuden ja aaltokuor-man jakautumaan, mutta tässä tapauk-sessa ei ole tietoa siitä, miten hyvin sekuvaisi jakautuman loppupäätä. Tästäsyystä suoritettiin pitkiä simulaatioitaekstrapoloinnin välttämiseksi.

Keulavisiirin aaltokuorman ja aallo-kon amplitudin välinen riippuvuus onhyvin epälineaarinen. Matalat aallot eivätedes ylety visiiriin. Vaikka simuloiduillaaalloilla on suunnilleen yhtäsuuri aallonharjojen ja laaksojen amplitudien jakau-tuma, niin simuloiduissa visiirikuormis-sa esiintyy korkeita huippuja vain silloin,kun keula vajoaa kohtaavaan aaltoon.Kun keula kohoaa vedestä, visiiriin vai-kuttava voima on suunnilleen yhtäsuurikuin visiirin paino.

Suurimpien simuloitujen aaltokuor-mien arvojen ylittymistodennäköisyys onnoin 1/30 000, joka vastaa suunnilleen30 000 kohdattua aaltoa koko 36 tunninsimulaation aikana. Näin ollen ylittymis-


.

Kuva 12.7 Mallikokeissa mitattujen (punainen) ja simuloitujen (sininen), visiiriinsivuvastaisessa aallokossa vaikuttavien pystykuormien vertailu.

○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○

Koe 180°10 kn

10

12

10

8

6

4

2

010010


Z-voima, [MN] Sivuvastainen aallokko 150°

1

4.5 m14.5 kn

5.3 m10 kn

5.3 m15 kn

4.0 m15 kn

4.5 m15 kn

12

10

8

6

4

2

01000100


Z-voima, [MN] Vasta-aallokko 180°

3.9 m15 kn

5.1 m10 kn5.2 m

15 kn

1

5.5 m15 kn

5.5 m10 kn4.0 m15 kn

4.0 m10 kn

12

10

8

6

4

2

06543


Z-voima, [MN] Ylitykseen kuluva aika 30 min

Koe 180°15 kn

Koe 150°10 kn

Koe 150°14.5-15 kn

Sim., 150°15 kn

Sim., 180°15 kn12 kn10 kn

4.2 m10 kn

1000

Kuva 12.8 Mallikokeissa mitattujen (punainen) ja simuloitujen (sininen), visiiriinvasta-aallokossa vaikuttavien pystykuormien vertailu.

○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○

Kuva 12.9 Mallikokeissa mitattujen (punainen) ja simuloitujen (sininen), visiiriinvaikuttavien pystykuormien vertailu. Aallon korkeuden ja nopeuden vaikutus.

○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○

15

todennäköisyydet voidaan korvata kes-kimääräisillä ylittymisperiodeilla käyttä-mällä kyseisen periodin aikana kohdat-tujen aaltojen lukumäärää. Vasta-aallo-kossa, 10 solmun nopeudella, alus koh-tasi noin 780 aaltoa tunnissa ja 15 sol-mun nopeudella 970 aaltoa tunnissa. Si-vuvastaisessa aallokossa, 15 solmun no-peudella kohdattujen aaltojen lukumää-rä oli 860 aaltoa tunnissa.

Taulukossa 12.3 on esitetty yhteen-veto suoritetuista simuloinneista. Tulok-sista on ilmoitettu visiirin todennäköisinsuurin kuormitus 30 minuutin ja 10 tun-nin aikana. Todennäköisyys sille, ettäsuurin 30 minuutin altistumisaikanaesiintyvä kuormitus on suurempi kuin10 tunnin altistumisaikana esiintyvä kuor-mitus on noin 1/20. Tulokset on esitettysamalla tavoin kuin mallikokeiden yhtey-dessä eli visiirin staattinen paino on jätet-ty ottamatta huomioon.

Taulukko 12.3 ja kuva 12.9 osoitta-vat, miten suuri vaikutus aallonkorkeu-della on visiirin pystykuormitukseen. Kunmerkitsevä aallonkorkeus kasvaa vasta-aallokossa 4,0 metristä 5,5 metriin, kuor-mitus kasvaa 10 solmun nopeudella 160%ja 15 solmun nopeudella 120%. Sivuvas-taisessa aallokossa aallonkorkeuden kas-vu 4,0 metristä 4,5 metriin aiheuttaanoin 35% lisäyksen visiirin kuormituk-sessa.

Aluksen kulkunopeuden vaikutus onsuunnilleen lineaarinen matalammissaaallokoissa. Täten 15 solmun nopeudellavisiirin kuormitus on noin 50% suurem-pi kuin 10 solmun nopeudella vasta-aal-lokossa, kun H

S = 4,0 m. Nopeuden li-

sääntyessä visiirin kuormitus kasvaa hi-taammin korkeammassa kuin matalam-massa aallokossa. Kun aallokon suuntamuuttuu vastaisesta sivuvastaiseksi, visii-rin kuormitus kasvaa noin 15–20% mer-kitsevän aallonkorkeuden ollessa 4,0 m.

Stationäärisen keula-aallon vaikutusvisiirin kuormitukseen on huomattavas-ti pienempi kuin merkitsevän aallonkor-keuden vaikutus. Keula-aallon vaikutuson kuitenkin numeerisessa menetelmäs-sä otettu huomioon karkeasti ja todelli-suudessa sillä saattaa olla suurempi vai-kutus kuormitukseen.


.

Taulukko 12.4 Yhteenveto mallikokeessa mitattujen aaltokuormienjakaantumisesta:

Kuorman Kumulatiivinen Suurin arvo 30 minuutin aikanakomponentti todennäköisyysjakautuma

Weibull: Kuormitushuip- Ylitys- Todennäköisin Ylitys-[MN] F(x) = 1-exp(-(x/b)k) pujen lukumäärä todennäköisyys suurin arvo todennäköisyys[MNm] parametrit: 30 minuutissa 0,95 0,05

b k n

X-voima 1,41 1,04 50 3,85 5,23 9,01Y-voima 0,58 0,93 11 0,85 1,49 3,53Z-voima 1,40 1,05 53 3,86 5,20 8,86X-momentti 1,00 0,60 8 1,28 3,39 14,88Y-momentti 5,11 0,81 11 7,97 15,04 40,71

12.2.4Vertailu mallikokeiden

tuloksiin

Laadullisesti simuloinnin tulokset vas-taavat hyvin kokeellisia tuloksia. Visiirinkuormituksen kokeellisessa aikahisto-riassa esiintyy samanlaisia, korkeita, ylös-päin vaikuttavia voimahuippuja kuin si-muloinnin tuloksissa, ja alaspäin vaikut-tavat kuormitukset ovat merkityksettö-miä. Mallikokeet vahvistavat, että aallon-korkeudella on hyvin voimakas vaikutuskuormitukseen ja että visiirin kuormi-tuksen ja aluksen nopeuden välillä vallit-see suunnilleen lineaarinen riippuvuus.Myös kokeissa visiirin kuormitus sivu-vastaisessa aallokossa oli suurempi kuinvasta-aallokossa.

Simulointien ja mallikoetulosten lu-kuarvoja on vertailtu kuvissa 12.7 ja 12.8,joissa on esitetty visiirin pystykuormanja keskimääräisen ylitysperiodin keski-näinen riippuvuus ja kuvassa 12.9, jokakuvaa aallonkorkeuden ja nopeuden vai-kutusta 30 minuutin keskimääräiselläylitysperiodilla.

Kaikissa tapauksissa simuloidut kuor-mat olivat pienempiä kuin mitatut kuor-mat. Yleensä korrelaatio oli parempi kor-keassa aallokossa kuin matalassa. Korre-laatio oli erittäin hyvä matalassa vasta-aallokossa 10 solmun nopeudella. Sivu-vastaisessa, 4,5 m korkeassa aallokossa,15 solmun nopeudella, simuloinnin tu-lokset vastasivat melko hyvin koetulok-sia noin 40 minuutin keskimääräiseenylitysperiodiin asti. Sen jälkeen koetu-lokset kasvoivat huomattavasti nopeam-min kuin simuloidut visiirin kuormat.

Numeeristen simulointimenetelmienyleisen likimääräisen luonteen ja useidenkäytettyjen yksinkertaistavien oletustenlisäksi saattaa olla myös muita syitä sii-hen, miksi kokeellisten ja numeeristentulosten erot kasvavat noin 30 minuuttiapitemmillä keskimääräisillä ylitysperio-deilla. Kokeellisten kuormitusarvojenääripäässä erot saattavat johtua tilastolli-sista syistä, sillä mallikokeet eivät luon-nollisestikaan olleet kovin pitkiä.

Toinen mahdollinen syy eroihin saat-taa olla aaltojen ominaisuuksissa. Simu-

loitujen aaltojen harjat ja laaksot nou-dattivat symmetristä Rayleigh-jakautu-maa, kun taas kokeissa korkeammat aal-lot olivat epäsymmetrisiä ja niiden har-jojen korkeudet olivat suurempia kuinlaaksojen syvyydet. Eräät aallonharjojenkorkeudet olivat varsin suuria merkitse-vään aallonkorkeuteen verrattuna.

Sekä mallikokeet että simulaatiot viit-taavat kuitenkin siihen, että suurimmatvisiirin kuormat eivät ole suurimpienaaltohuippujen aiheuttamia. Ei ole sel-vyyttä siitä, mitkä yksittäisten aaltojenominaispiirteet ovat edellytyksenä suu-rien kuormien syntymiselle, mutta vai-kuttaa siltä, että aallon harjan on oltavasuhteellisen korkea ja jyrkkä. Usein suur-ta visiirin kuormaa edeltäneen aallonpohja on ollut hyvin tasainen. Vaikkakorkeimmat aallonharjat eivät aiheutasuurimpia kuormia, koetulokset viitta-vat siihen, että suurimpien havaittujenaallonharjojen korkeuksien ja suurimpi-en visiirin pystykuormien välillä saattaaolla jonkinlainen riippuvuus. Voidaanolettaa, että jos aallonharjojen korkeu-det ovat poikkeuksellisen suuria, niin neaallokon ominaispiirteet, jotka ovat suu-rien kuormien esiintymisen kannaltamerkittäviä, saattavat myös olla poikke-uksellisia.

Avomerellä, syvässä vedessä mitatutaallot noudattavat yleensä Rayleigh-ja-kautumaa varsin hyvin. Voimakkaidenmyrskyjen aikana aaltojen harjat alkavat

kuitenkin muuttua jyrkemmiksi ja aal-lonpohjat muuttuvat tasaisemmiksi, jo-ten niiden jakautumat ovat poikkeaviavähemmän myrskyisiin olosuhteisiin ver-rattuna. Lisäksi aallokko saattaa lyhyellä-kin aikavälillä sisältää muutamia hyvinkorkeita yksittäisiä aaltoja.

12.3Onnettomuusolosuhteissavisiiriin kohdistuneiden

maksimivoimien arviointiSen jälkeen kun ESTONIA oli muuttanutkurssia käännöspisteessä, se kulki noinpuolen tunnin ajan noin 14 solmun no-peudella sivuvastaisessa aallokossa en-nenkuin visiirin kiinnitykset pettivät. Erimerentutkimuslaitokset ovat arvioineetmerkitsevän aallonkorkeuden onnetto-muuspaikalla olleen klo 01 aikaan 4,0–4,1 m. Komissio on mallikokeiden tulos-ten ja simulointien perusteella arvioinut,mikä oli visiiriin kohdistuneiden maksi-miaaltokuormien todennäköinen vaih-teluväli loppuvaiheessa.

Arvion tärkeimpänä lähtökohtana onkäytetty pitkää mallikoesarjaa, joka teh-tiin sivuvastaisessa aallokossa 4,5 m mer-kitsevällä aallonkorkeudella. Kokeissamitatuille eri kuormituskomponenteilleon sovitettu Weibull- todennäköisyysja-kautuma. Tämän tyyppinen jakautuma


.

Taulukko 12.5 Yhteenveto arvioiduista, onnettomuusolosuhteissa vaikuttaneistaaaltokuorman komponenteista. Sivuvastainen aallokko H

s 4,0 - 4,1 m.

Kuorman komponentti Kuorman positiivinen Suurin arvo 30 minuutin aikanasuunta Vaihteluväli 90 % Todennäköisin

todennäköisyydellä arvo

Visiiriin kohdistuvat voimat:X-voima (pitkittäinen) perään 2,7–6,3 MN 3,6 MNY-voima (poikittainen) oikealle 0,6–2,5 MN 1,0 MNZ-voima (pysty) ylös 2,7–6,2 MN 3,6 MN

Momentit sarana-akselinsuhteen:X-momentti vasen puoli ylös 0,6–7,4 MNm 1,7 MNmY-momentti avaava 4,0–20,0 MNm 7,5 MNmZ-momentti vasen puoli eteen 0,5–2,5 MNm 1,0 MNm

○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○

○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○

55

50

45

40

35

30

25

20

15

10

5

01211109876543210

Y-momentti [MNm]

Z-voima [MN]

Kuva 12.10 Pystyvoimien ja avaavien momenttien välinen korrelaatiomallikoetuloksissa. Ympyrät osoittavat suurinta yksittäistä mitattua arvoa eri

mittauksissa. Mustat pisteet osoittavat 13 korkeinta arvoa sivuvastaisessaaallokossa tehdyissä kokeissa, kun H

s = 4,5 m. Viiva osoittaa suurimmat arvioidut

kuormat onnettomuuden aikana vallinneissa olosuhteissa.

näyttää pätevän vielä pienillä todennä-köisyyden arvoilla, kuten pitkät numee-riset simulaatiot osoittavat. Näistä perus-jakautumista on laskettu ääriarvojakau-tumat 30 minuutin altistumisajalle ja nii-den perusteella on laskettu todennäköi-simmät maksimikuormat ja niiden vaih-teluväli 90% luotettavuusvälillä. Malli-koetulosten analyyseistä on esitetty yh-

teenveto taulukossa 12.4. Koska 30 mi-nuutin aikana havaittujen kuormitus-huippujen lukumäärä on pieni, niin ar-vioitujen todennäköisimpien suurimpi-en kuormitushuippujen vaihteluväli onsuuri. Varsinkin X- ja Y-momenteilla,joilla on merkittävästi pienempi muoto-parametri, k, kuin voimilla, ilmenee mak-simiarvojen jakautumassa suurta hajon-

taa. Z-momentin hajontaa ei analysoituyksityiskohtaisesti.

Onnettomuuden sattuessa vallinneis-sa olosuhteissa esiintyneet kuormat arvi-oitiin lopuksi karkeasti pienentämällämallikoetulosten kuormia eri merkitse-vien aallonkorkeuksien, 4,5 m ja 4,0–4,1m, eroja vastaavassa suhteessa. Voimatpienenivät 30% ja momentit 50%. Voi-mien pienenemismäärä on peräisin nu-meerisista simulaatioista (ks. taulukko12.3 ja kuva 12.9) ja momenttien pie-nenemismäärä perustuu voimien ja mo-menttien välisen riippuvuuden analysoin-tiin (kuva 12.10).

Komission arvio suurimmista visii-riin vaikuttaneista aaltokuormista on-nettomuuden aikaisissa olosuhteissa onkoottu taulukkoon 12.5. Koska malliko-keissa käytettyjen aaltojen huiput olivatmelko korkeita aallonpohjiin verrattu-na, tämä arvio saattaa olla hieman liiansuuri. Toisaalta, eri merentutkimuslai-tosten mukaan arvioon vallinneista aal-lokko-olosuhteista liittyvä epävarmuusvastaa merkitsevän aallonkorkeuden ar-vossa noin 0,5 m. Mikäli tämä epävar-muus otettaisiin huomioon, esitettyjenmaksimiarvojen vaihteluväli kasvaisihuomattavasti.

12.4Aallokon aiheuttamien

liikkeiden arviot

12.4.1Laskentamenetelmä

ESTONIAlla vallinneen tilanteen analy-soimiseksi aallokon aiheuttamien liik-keiden osalta on tehty numeerisia arvioi-ta käyttämällä hyväksi strip-teoriaa jalineaarista superpositioperiaatetta. Strip-teoria on perustana yleisesti tunnetullenumeeriselle menetelmälle, jonka tark-kuus on todettu useissa vertailuissa mal-likokeiden ja täysmittakaavakokeidentuloksiin. Myös nyt käsillä olevassa ta-pauksessa teorian antamat tulokset vas-taavat hyvin koetuloksia.

Päähuomio on kiinnitetty kannelle


.

○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○

Kuva 12.11 Pystykiihtyvyys komentosillalla sivuvastaisessa aallokossa, Hs = 4 m.

KURSSI 150 astetta, Hs = 4 m

0

1

2

3

AALTOSPEKTRIN HUIPUN PERIODI [s]

ABS.

PYSTYK

IIHTYVYYS [m/

s2 ]

V = 7 knV = 12 knV = 15 knV = 17 kn

6 7 8 9 10

MERKITSEVÄ AMPLITUDI

tulevaan veteen, aluksen pohjaan koh-distuviin iskuihin ja matkustajien muka-vuuteen, jonka kannalta määrävänä teki-jänä on pystykiihtyvyys. Täydellinen ra-portti aaltojen aiheuttamista liikkeistä onerillisenä liitteenä (Supplement 412).

Numeeriset ennusteet tehtiin pitkä-harjaiselle, epäsäännölliselle aallokolle,joka määriteltiin JONSWAP- ja ISSC-spektrien avulla. Spektrin huippuja vas-taavat aallon periodit (modaaliset perio-dit) olivat 7,0 s, 7,8 s, 8,5 s, ja 9,5 s.Periodilla 7,8 s, joka on lähellä onnetto-muuden aikaista aaltoperiodia, laskettiinaaltojen aiheuttamat liikkeet myös lyhyt-harjaisessa aallokossa. Käytetty merkit-sevä aallonkorkeus oli aina 4,0 m, jonkaarvioidaan vastaavan onnettomuudensattuessa vallinneita olosuhteita.

Aluksen nopeuden vaikutus aaltojenaiheuttamiin liikkeisiin tutkittiin käyt-täen nopeuksia 7, 12, 15 ja 17 solmua.Aluksen kurssit aaltojen suhteen olivat180°, joka tarkoittaa vasta-aallokkoa, sekä150° ja 120°, jotka merkitsivät sivuvas-taista aallokkoa. Aallot kohtasivat ESTO-NIAn hieman aluksen keulan vasemmal-ta puolelta.

12.4.2Tulokset

Numeeristen laskelmien tulokset osoit-tavat yleisesti, että aaltojen modaalisellaperiodilla ja aluksen kurssilla aaltojensuhteen on suurempi vaikutus aaltojensynnyttämiin liikkeisiin kuin aluksennopeudella tässä tarkastelluilla periodienja kurssien arvoilla. Merkitsevä liike-amplitudi kasvaa aaltojen periodin kas-vaessa ja kun aluksen kurssi aaltojensuhteen muuttuu vasta-aallokosta kohtisivuaallokkoa. Liikkeet olivat lyhythar-jaisessa aallokossa suuremmat kuin pit-käharjaisessa, suuntaa 120° lukuunotta-matta. Tulokset viittaavat siihen, ettäonnettomuusyönä aallot olivat suhteelli-sen lyhyitä aluksen pituuteen verrattunaja alus liikkui lähinnä aaltojen läpi, var-sinkin ennen keskiyötä.

Juuri ennen onnettomuutta keulavi-siirin pystykiihtyvyyden merkitsevä amp-litudi oli 2–2,5 m/s2 ja suurimmat amp-litudit saattoivat olla noin 0,4 g. Tämäkiihtyvyystaso on suunnilleen puolet sii-tä tasosta, jolla rahtialukset muuttavatkurssia tai pienentävät nopeutta kiihty-

vyyksien pienentämiseksi ja noin kaksikolmasosaa vastaavasta ro-ro lastialustentasosta.

Matkustajaosaston keulapäässä pys-tykiihtyvyydet ylittivät hieman ennenonnettomuutta selvästi ISO:n merisai-rautta koskevassa standardissa (ISO 2631/3) määritellyn rajan, joka vastaa huomat-tavan epämukavia olosuhteita. VastaavaISO-raja, millä tasolla 10% ihmisistä tu-lee merisairaaksi, on merkitsevän amp-litudin avulla ilmaistuna 1,0 m/s2. Noin20% ESTONIAn keulahyttien matkusta-jista on saattanut olla merisairaita. Keski-laivassa pystykiihtyvyydet olivat huomat-tavasti ISO:n raja-arvon alapuolella japerälaivassa ne olivat suunnilleen sensuuruisia. Ennen keskiyötä, kun aallon-korkeus oli pienempi, pystykiihtyvyydetolivat ainakin 25% pienempiä kuin juuriennen onnettomuutta.

Nopeuden pienentäminen 15 solmus-ta 7 solmuun olisi pienentänyt merkitse-vää pystykiihtyvyyttä suunnilleen arvos-ta 1,5 m/s2 arvoon 1,3 m/s2 matkustaja-osaston keulapäässä tai komentosillalla(kuva 12.11). Jos aluksen kurssia olisimuutettu aaltojen suhteen, olisi kiihty-vyystaso alkanut merkittävästi pienentyäaallokon tullessa takaa sivulta. Huomat-tavasti näitä ESTONIAlle ennustettujaarvoja suurempia pystykiihtyvyyksiä onmitattu matkustaja-aluksilla kovissamyrskyissä monilla eri merialueilla, Itä-meri mukaan luettuna.

Keulassa vedenpinnan taso kohosiautokannen tason yläpuolelle lähes jo-kaisen aallon kohtaamisen yhteydessäkeulan ja vedenpinnan yhdistetyn pysty-liikkeen takia. Keskimäärin yksi aaltosadasta, eli yksi aalto viiden minuutinaikana, ylsi rampin aukon yläreunan ta-solle. Tästä oli vielä 2,5 m matkaa varalai-dan yläreunaan. Näissä tapauksissa keu-lakannelle tuli roiskeita ja vettä. Eloon-jääneet ovat yleisesti kertoneet, että il-massa lensi paljon roiskeita ja vettä jatoisinaan keula painui veden alle. Keula-kannelle tuli kuitenkin harvoin suuriamääriä vettä ja kovia pohjaiskuja sattuiharvoin. Keulan varalaitaan kohdistuviaiskuja tapahtui ilmeisesti paljon useam-min kuin pohjaiskuja.


.

○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○

Kuva 12.13 ESTONIAn kallistuma suhteessa autokannella olevaan vesimäärään.

010

2030

4050

6070

8090

VETTÄ AUTOKANNELLA [tonnia]

KALLIST

UMA

[aste

tta]

0 1000 2000 3000 4000 5000

Kaatuminen

Staattinen, koko kylki mukanaStaattinen, kansien 4–5 peräosateivät mukanaDynaaminen, koko kylki mukana

Kaatuminen

○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○

Kuva 12.12 ESTONIAn staattisia vakavuuskäyriä, kun autokannella oli eri määriävettä. Laivan kylki oletettu ehjäksi.

-1,5

-1,0

-0,5

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

0 20 40 60 80 100KALLISTUMA [astetta]

VAKA

VUUS

VARSI h

[m]

= 0

=1000

=4000 =3000 =2000 =1400

= 200 = 400 = 600

Vettä autokannella[tonnia]

12.5Kallistuneen aluksenhydrodynaamisten

ominaisuuksien määritysmallikokeilla

Kaikumittaustutkimuksissa havaittujen,meren pohjassa olevien hylyn kappalei-den ja ohjailusimulaatioiden perusteellaon todettu, että ESTONIA kääntyi onnet-tomuuden alkuvaiheissa vasempaan.SSPA:n merikelpoisuusaltaassa suoritet-tiin aaltokuormakokeiden yhteydessäsarja mallikokeita, joilla pyrittiin selvit-tämään, olisiko aluksen kääntyminenvasempaan voinut tapahtua spontaanis-ti, laivan rungon muuttuneiden hydro-dynaamisten ominaisuuksien takia senjälkeen, kun alus alkoi kallistua liikkues-saan eteenpäin. Täydellinen raportti näistäkoetuloksista on esitetty erillisessä liit-teessä (Supplement 410).

Omilla potkureillaan liikkuvaa ES-TONIAn pienoismallia ajettiin tyynessävedessä ja vastaavasti sivuaallokossa 14,5solmun nopeudella. Ajon aikana aluksenlaidalle asetettiin erillisiä painoja, jotkaaiheuttivat alukselle staattisen kallistu-man välillä 9°–27°. Autopilotin ollessapäällä suoran kurssin säilyttämisessä eiollut ongelmia, vaikka käytettiin vainpieniä peräsinkulmia. Kun peräsimet lu-kittiin, alus pyrki kääntymään samallepuolelle kuin se oli kallistunut. Esimer-kiksi oikeanpuoleinen kallistuma ai-heutti käännöksen oikealle. Aluksen käyt-täytymisessä ei ollut suuria eroja, kunpainot asetettiin pituussuunnassa eri paik-koihin.

Mallikokeiden perusteella voidaanpäätellä, että mahdollinen käännös va-sempaan kaatumisen alkuvaiheessa eijohtunut aluksen kallistuneessa asennossamuuttuneista hydrodynaamisista ominai-suuksista. Kokeet tehtiin kuitenkin il-man minkäänlaista tuulta. Ohjailusimu-laatioilla on osoitettu, että peräsinten ol-lessa lukittuina ja nopeuden pienentyes-sä, viistosti edestä puhaltava tuuli saisialuksen kääntymään kohti tuulta, muttaei kokonaan tuulen silmän yli toisellepuolelle.

12.6Aluksen vuodon ja

uppoamisen simulointiKomissio tilasi teoreettisia tutkimuksia,joilla selvitettiin ja simuloitiin ESTO-NIAn nopeaa täyttymistä vedellä, kaatu-mista ja uppoamista. Nämä selvityksetsisältävät analyysejä hydrostaattisista kel-luntatilanteista ja vakavuudesta, aluksenliikkeistä aallokossa kallistuneena ja au-tokannelle virranneen veden määrästäkaatumisen alkuvaiheessa. Raportit ovatkokonaisuudessaan liiteosassa. Seuraa-

vassa on vain lyhyt yhteenveto tärkeim-mistä tuloksista.

12.6.1Kelluntatilanteet ja vakavuus

vuodon aikana

Komissiolle tehtiin uusia vakavuuslas-kelmia viimeisen voimassa olleen kallis-tuskokeen tulosten perusteella. Laskel-mat vahvistavat, että ESTONIA täyttionnettomuusmatkan lastitilanteessaSOLAS 1974 sopimuksen mukaiset kah-den osaston vuotovakavuusvaatimukset.


.

○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○

Kuva 12.14 Varalaita ensimmäisiin mahdollisiin vuotoaukkoihin suhteessaautokannella olevaan vesimäärään. Aukot ovat sivuikkuna perässä kannella 4 ja 5,kaarella 6, keularampin oikeanpuoleinen alanurkka, peräovi kannella 5 ja etuovi

kannella 5.

VARALAITA

-6

-4

-2

0

2

4

6

8

10

12

0 1000 2000 3000 4000 5000

VETTÄ AUTOKANNELLA [tonnia]

VARA

LAITA

[m]

Ikkuna #6 kansi 4Ikkuna #6 kansi 5Rampin nurkkaOvi #4 kansi 5Ovi #139 kansi 5

Vuotovakavuusmääräykset koskevat vainaluksen vesitiivistä osaa laipiokannen ala-puolella, tässä tapauksessa autokannenalapuolella.

Suurella, avoimella autokannella va-rustetun ro-ro aluksen alkuvakavuus onerittäin herkkä autokannelle pääsevänveden suhteen. Pieni vesimäärä huonon-taa vakavuutta pystysuorassa asennossaja aiheuttaa syvän kallistuman tasapai-noasemassa.

ESTONIAn staattista vakavuutta onanalysoitu myös, kun autokannella olieri määriä vettä. Kuva 12.12 esittää staat-tisia vakavuuskäyriä veden määrän au-tokannella kasvaessa 0:sta 4 000:een ton-niin. Nämä käyrät pätevät, kun aluksenkylki on ehjä. Laskelmat osoittavat, että400 tonnia vettä autokannella aiheuttaavähän yli 10 asteen stattisen kallistumanja 1 000 tonnia vähän yli 20 asteenkallistuman (kuva 12.13). Jyrkkä kään-nös 15 solmun nopeudella olisi aiheutta-nut noin 3 asteen lisäkallistuman.

Vaikka kallistuma kasvoi nopeasti,pelkkä vesi autokannella ei olisi riittänytkaatamaan alusta ja aiheuttamaan sel-

viytymismahdollisuuksien menetystä.Niin kauan kuin runko oli ehjä ja veden-pitävä autokannen ala- ja yläpuolella,autokannella oleva vesi ei oleellisestimuuttanut jäännösvakavuutta suurillakallistuskulmilla (kuva 12.12). Kaatu-minen varmistui vasta veden tunkeu-tuessa aluksen muihin osiin.

Kun veden määrä autokannella jat-kuvasti kasvoi, olivat hydrostaattistenlaskelmien mukaan ensimmäiset mah-dolliset muiden osastojen vuotopisteetkannen 4 ikkunat perässä (kuva 12.14).Pian sen jälkeen olivat myös ikkunat japeräovi kannella 5 veden alla. Vähän alle2 000 tonnia vettä autokannella riittipainamaan ensimmäiset vuotopisteetkeskimääräiselle vesiviivapintatasolle.Silloin kallistuma oli noin 35 astetta.Ramppiaukon alin nurkka oli tässä vai-heessa vielä vähän keskimääräisen ve-denpinnan yläpuolella.

Niin pian kuin vesi pääsi vapaastitunkeutumaan matkustajakansille kokojäännösvakavuus oli uhattuna ja laivakäytännössä menetetty. Ilman ehjää ylä-rakennetta kannen 4 yläpuolella suurin

mahdollinen kallistuskulma tasapaino-asemassa olisi ollut 40 astetta ennen täy-dellistä kaatumista. Tämä tilanne olisiylitetty, kun autokannella oli noin 2 000tonnia vettä.

Vakavuuslaskelmat osoittavat, ettäESTONIAlla olisi ollut pieni positiivinenalkuvakavuus, jos kaksi sauna-osastoa jaseuraava osasto peräänpäin kannella 0olisivat olleet vuodon kohteena. Vaka-vuus olisi ollut huonoin vuodon alkuvai-heessa ja parantunut, kun enemmän vet-tä olisi virrannut näihin kolmeen osas-toon.

Lastin liikkumisen vaikutusta selvi-tettiin myös erillisissä tutkimuksissa. Ajo-neuvojen jakautumasta autokannella joh-tui, että suurin mahdollinen lastin paino-pisteen siirtymä poikittaissuunnassa olisivoinut olla vain muutaman metrin suu-ruusluokkaa. Lastin kahden metrin siirty-män vaikutuksesta olisi tarvittu noin 10 %vähemmän vettä autokannella progressii-visen vuodon alkamiseen kannelle 4.

12.6.2Veden sisäänvirtauksen

simuloinnit

Veden virtausta sisään ramppiaukon kaut-ta, kun visiiri oli pettänyt ja pudonnut,simuloitiin kahdella eri numeerisellamenetelmällä. Yksi menetelmistä on sa-manlainen kuin aaltoiskukuormien si-muloinnissa käytetty menetelmä, toisinsanoen keulan liikettä aaltojen pinnansuhteen tarkastellaan aikatasossa. Toi-sessa lähestymistavassa käytetään suh-teellisten liikkeiden jakautumaa taajuus-tasossa.

Simulointien yhteiset lähtötiedot ovat:• Suhteellisen liikkeen kuvaaminen epä-

säännöllisessä aallokossa.• Vesipartikkeleiden suhteellisen nopeu-

den kuvaus laivan pitkittäisakselinsuunnassa funktiona pystysuuntaises-ta paikasta, aallon profiilista ja laivannopeudesta ja kurssista aallokon suun-nan suhteen.

• Kellunta-asennon muutoksen huomi-oon ottaminen, kun vettäkertyy sisäl-le.


.

○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○

Kuva 12.15 Autokannelle keularampin aukon läpi virtaavien eri vesimäärienylitystodennäköisyyksiä sivuvastaisessa ja vastaisessa aallokossa 15 solmun

nopeudella. Aluksen kallistuma on parametrinä. C = Varalaita rampinoikeapuoleiseen alakulmaan. BW = Keula-aallon korkeus.

YLITY

STODE

NNÄK

ÖISYYS

0 500 1000 1500 2000 2500 3000

VEDEN VIRTAAMA SISÄÄN, [t/min]

KURSSI=150°, KALLISTUMA=0°, C=1.4 m, BW=1 m



KURSSI=180°, KALLISTUMA=35°,C=-0.35 m, BW=1 m0,001

0,010

0,100

1,000 Hs = 4 m, V = 15 solmua

Kuva 12.16 Keskimääräinen veden virtaama sisään suhteessa laivan nopeuteen jaautokannella olevan veden määrään sivuvastaisessa aallokossa.

○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○

Simuloinneista saadut tulokset ovat hy-vin herkkiä pienille muutoksille alkuar-voissa. Lisäksi aaltojen ja laivan liikkei-den satunnaisuudesta lyhyiden ajanjak-sojen aikana johtuva luontainen epävar-muus on hyvin suuri. Sen vuoksi tulok-sia ei voida käyttää erillisinä todistamaanjotain tiettyä veden sisäänvirtauksen ai-kataulua oikeaksi. Simulointien arvo onlähinnä siinä, että niillä voidaan toden-taa, onko oletettu kaatumisen tapahtu-makulku mahdollinen veden sisäänvir-tausnopeuden osalta.

Onnettomuuden ensimmäisessä vai-heessa ESTONIAn oletetaan ajaneen noin14 solmun nopeudella sivuvastaisessaaallokossa, jonka merkitsevä korkeus olinoin 4 m. Sillä hetkellä, kun ramppi olirepeytynyt kokonaan auki, oli laskelmienmukaan keskimääräinen veden virtaussisälle autokannelle 300–600 t/min. Vir-taaman suuruus riippuu siitä, mikä ole-tetaan varalaidaksi keulassa aluksen kul-kuasennossa (kuvat 12.15 ja 12.16).Tämä merkitsee sitä, että yhden tai muu-taman minuutin aikana alukselle saattoikehittyä 20 asteen kallistuma.

Kaatumisen peräkkäisiä vaiheita kä-sitellään tarkemmin myöhemmin tässäraportissa, missä analysoidaan kaatumi-sen aikataulua ja koko tapahtumakulkuatodistajalausuntojen ja simulointien tu-losten perusteella. Tässä esitetään lyhytyhteenveto tärkeimpien parametrienmuutosten vaikutuksista.

Aluksen nopeudella on suuri vaiku-tus sisään aikayksikössä virtaavan vedenmäärään. Jos nopeutta pienennetään15:sta 10:een solmuun, pienenee virtaa-ma vastaisessa ja sivuvastaisessa aallo-kossa noin 50 %. Tämä vaikutus johtuuosaksi pienentyneestä sisäänvirtauksennopeudesta ja osaksi madaltuneesta keu-la-aallosta.

Virtaamaan vaikuttaa myös autokan-nella oleva vesimäärä. Kun alus kallistuu,pienenee varalaita ramppiaukkoon ja si-säänvirtaus kiihtyy. Jossain määrin tätävaikutusta kumoaa aluksen muuttuneetliikkeet kallistuneena. Eri tutkimuksetantoivat liikeominaisuuksien osalta jon-kin verran erilaisia tuloksia ja tuloksetpoikkesivat toisistaan kallistuskulman

Keskimääräinen veden virtaama sisään [t/min]

Vettä autokannella [t]

600

500

400

300

200

100

00 500 1000 1500 2000

Hs = 4 m, Tp = 8 s, 150°


. .

vaikutuksen suhteen. Kuitenkin yleisestiottaen virtaama on 2–3 kertaa suurempikuin alkuperäisessa pystysuorassa asen-nossa, kun autokannelle on tullut 1 800tonnia vettä ja kallistuma on likimain 35astetta.

Aallokon suunta vaikuttaa myös ve-den virtaukseen autokannelle. Virtaamaon suurin sivuvastaisessa aallokossa suu-rien suhteellisen liikkeen amplitudienvuoksi. Sivuaallokossa sisälle virtaa vainhyvin vähän vettä niin kauan kuin no-peus ja kallistuskulma eivät ole kohtuut-toman suuria.

Simuloinnit viittaavat siihen, että ai-kaa kului progressiivisen vuodon alka-miseen kannen 4 matkustajatiloihin 5–15 min. siitä, kun virtaus ramppiaukonkautta alkoi. Aika-arviot riippuvat kui-tenkin voimakkaasti siitä, mitä toimen-piteitä oletetaan tehdyn ensimmäistenkriittisten minuuttien aikana.

12.7Visiirin kiinnikkeiden

tutkimukset

12.7.1Yleistä

Visiirin murtuneita kiinnikkeitä ja niihinliittyviä osia tutkittiin erilaisin soveltuvinmenetelmin. Näihin kuuluivat talteenotettujen osien silmämääräiset tarkaste-lut, lujuuslaskelmat ja laboratoriokokeet.Myös sisaraluksesta, DIANA II:sta, tal-teen otettuja osia tutkittiin vertailun vuok-si. Tässä luvussa on lyhyt kooste liitteenasiaa koskevista raporteista. Lujuustut-kimusten päätelmät esitetään luvussa 15.

Talteen otettujen osien materiaalejatunnistettiin kemiallisen koostumuksenmäärityksen avulla ja mekaanisilla ko-keilla, kuten kovuus-, veto- tai iskuko-kein siltä osin kuin oli tarpeen lujuus- jaiskusitkeysluokan selvittämiseksi. Veny-neen ja taipuneen pohjalukon visiirin-puoleinen korvake mitattiin sen koke-man kuorman suuruuden arvioimiseksi.Mittaustuloksia vertailtiin täys- ja osa-mittakaavamallikokeilla saatuihin voiman

Taulukko 12.6. Yhteenveto visiirin kiinnikkeiden materiaaleistasekä kokeista niiden tutkimiseksi.

Päätutkimus Lisäkokeet Muut Materiaali jamuut havainnot

Pohjalukko

Visiirin korvake Mitat ja muoto Kovuus Tavallinen laivateräsHBS 10/3000 Venynyt n. 6 mm myötörajan

ylittäneen kuormanvaikutuksesta

Laivan puoleisen Vetokokeet Kovuus Mikroskopia Korvakkeet: Tavallinen laivateräslukitusosan kolme HV 10 Hitsit: Korkealuja teräs.murtunutta kiinnitys- Vähäistä särömuodostustakorvaketta hitseissä.

Lukkotappi Kovuus ja mitat HBS 5/250 230–235 HBS 5/250DIANA II:sta HRB 96–98 HRB

(UTS 760–785 MPa)

Visiirin korvake Kovuus ja mitat Kovuus Tavallinen laivateräs.DIANA II:sta HBS 10/3000 Venynyt kuten ESTONIAn

korvake

Visiirin takalaipio Vetokokeet ja Paksuus 8 mm Tavallinen laivateräs,paksuuden laminaatiolla ei alentavaasuuntainen vetokoe vaikutusta paksuuden(12x12mm2, suuntaiseen lujuuteen, teräspituus 8 mm) hyvälaatuista

Vaakajäykkääjä Vetokoe Paksuus Kemiallinen Tavallinen laivateräs10 mm analyysi

Pystyjäykkääjä Paksuus Kemiallinen Tavallinen laivateräs20 mm analyysi

Saranat

Reikälevyt Vetokokeet ja Tavallinen laivateräsiskukokeet Luokka E (T

KV28<-40C)

Laakerin tukiholkki Kemiallinen analyysi

Tukiholkin hitsi Vetokoe 14 mm Murtuma 6.4 mm leveänäpaksulle viipaleelle leikkauksena hitsin läpi,

murtovoima 0.12 MN,leikkauslujuus n. 717 MPa

Nostosylinterien kiinnikkeet

Yläkiinnike Kovuus Tavallinen laivateräs

3-kannen levy Iskukokeet Murtuman Luokka C (TKV28

<0C)mikroskooppi- Väsymismurtumia jatarkastelu kylmähaurausmurtumia

Kovuusmittaukset: HBS 10/3000 on Brinell-koe 10 mm teräskuulalla ja 3000 kg massalla. HRB on Rockwell B-kovuus jaHV on Vickers pyramidikovuus. Lujuusarvot: UTS=vetomurtolujuus, USS=leikkausmurtolujuus ja UFL=leikkausmurtovoima.Kylmäsitkeyden tunnusluku T

KV28 on lämpötila, jossa saavutetaan 28 joulen iskumurtoenergia Charpy-V menetelmällä.


.

○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○

Kuva 12.17 Pohjalukon visiirinpuoleinen korvake, jonka reikään on

sijoitettu lukkotapin mittainenympyrälevy.

○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○

Kuva 12.18 Pohjalukon visiirin puoleisen korvakkeen mitat onnettomuuden jälkeen.

ja muodonmuutoksen keskinäisiin riip-puvuuksiin. Visiirin jousto-ominaisuuk-sia mitattiin aaltokuormien lukoille aihe-uttamien kuormien arvioinnin helpotta-miseksi.

Analyyttisiä ja äärellisten alkioidenmukaisia laskelmia (FEM-laskelmia) teh-tiin eri kiinnikkeiden murtolujuudenarvioimiseksi ottamalla huomioon lai-vaan asennettujen osien materiaalit, mi-tat ja sijainnit. Hitsausliitokset ja niissäesiintyneet puutteet ja vauriot arvioitiintarpeen mukaan.

Visiirin kiinnikejärjestelmän yhdis-tetty lujuus arvioitiin mekaniikan sään-töjen mukaisilla, voima- ja momenttita-sapainon huomioon ottavilla laskelmillavaihtelemalla ulkoista visiiriin vaikutta-vaa kuormaa. Laskelmat tehtiin käyttäensekä oletettua kuorman jakautumista lu-koille että vaihdellen eri lukkojen jäyk-kyyksiä ja aaltokuormakeskiön sijainti-pistettä aaltovoimaresultantin vaiku-tusuoralla.

Pohjalukon maalikerroksia tutkittiinsen likimääräisen iän arvioimiseksi.

12.7.2Materiaalien tunnistaminen ja

mikroskooppitarkastelut

Rakenteissa käytettyjä materiaaleja tun-nistettiin taulukon 12.6 mukaisesti. Tau-lukkoon on merkitty, mitä koetta kul-loinkin on käytetty sekä ilmaistaan ko-

keen tuloksen mukaiset päätelmät.Optista ja elektronimikroskopiaa käy-

tettiin säröilyn etsimiseksi sekä murtu-malajien tunnistamiseksi. Lujuutta sel-västi alentavan väsymisen jälkiä havait-tiin erityisesti visiirin nostosylinterienkiinnikkeissä. Vasemmalla puolella noinpuolet kannen 3 kuormaa kantavastapoikkipinnasta oli murtunut väsymälläennen turmaa. Tällä alueella oli selviämerkkejä korjaushitsauksesta.

12.7.3Kiinnikkeiden tutkimukset

Pohjalukon korvakkeet ja visiirinpuoleinen korvake

Hylystä talteen otettujen pohjalukonkorvakkeiden materiaaliominaisuuksiamääritettiin niistä otettujen näytteidenavulla. Materiaali oli tavallista laivateräs-tä, jonka myötölujuus on noin 240 MPaja vetomurtolujuus 410 MPa. Korvakkei-den murtumat osoittivat piirteitä, jotkaovat ominaisia hyvälaatuiselle sitkeälleteräslevylle, joka murtuu paikallisen yli-kuormituksen vaikutuksesta. Joitakinhaaroittuneita säröjä, jotka olivat kool-taan vähäisiä verrattuna korvakkeidenmittoihin, löydettiin läheltä korvakkei-den ja lukkoholkkien välisten pienahit-sien primäärimurtumia. Nämä ovat voi-neet syntyä laivan normaalin käytön yh-teydessä johtuen lukkoon kohdistuvista

vaihtelevista kuormista tai lopulliseenmurtumaan johtaneen tapahtumaketjunaikana. Näiden pienten säröjen vaiku-tusta pohjalukon lujuuteen on ollut mah-dotonta arvioida, mutta vaikutus on luul-tavasti ollut vähäinen lukkomateriaalinsuuren sitkeyden takia.

Lukkokiinnikkeiden murtumia tar-

POHJALUKON VISIIRIN PUOLEINEN KORVAKEVenyneen korvakkeen mitat

Alkuperäinen muoto merkitty katkoviivalla

57,8 ja57,3

vaihe 1

vaihe 2


.

kasteltiin myös optisella stereomikro-skoopilla ja pyyhkäisyelektronimikro-skoopilla. Kaikki murtumat todettiin piir-teiltään sitkeiksi ja ne olivat syntyneetpaikallisen ylikuormituksen seuraukse-na. Merkkejä liitosvirheistä ja vajaastatunkeumasta havaittiin korvakkeiden jalukkoholkkien välisissä pienaliitoksissa.

Korvakkeiden ja hitsien kovuudetmitattiin hitsausliitoksen lujuuden arvioi-miseksi. Korvakkeen ja lukkoholkin vä-lisen pienaliitosmateriaalin kovuus oliHV10 = 270–275, mikä vastaa hitsimate-riaalin vetomurtolujuutta 865 MPa (DIN50150). Korvakkeen kovuus oli HV10 =128–150, mikä hyvin vastaa mitattuavetomurtolujuutta 417 MPa. Hitsimate-riaali oli siten merkittävästi lujempaa kuinliitettyjen levyjen materiaali.

Kunkin murtuneen korvakkeen lu-juus arvioitiin käyttäen kokeilla mitattu-ja materiaaliominaisuuksia ja korvakkeenmurtumien mittoja.

Hitsausliitokset myötävaikuttavatmerkittävästi lukkokokonaisuuden lu-juuteen. Suuret vaihtelut murtumanmuodossa tekivät murtuneen hitsauslii-toksen mittojen määrityksen erityisentyölääksi. Yksikäsitteisin arvio pohjalu-kon lujuudelle saatiin analysoimalla vi-siirin puoleisen ehjäksi jääneen, muttavenyneen korvakkeen muodon muutos.Käyttäen saatua lujuuden arviota oli mah-dollista laskemalla arvioida hitsausliitos-ten osuus. Laskelma osoittaa, ettäpienahitsin tehollinen paksuus on voi-nut olla noin 3 mm. Tämä vastaa havain-toa, vaikkakin murtunut hitsi oli hyvinepäsäännöllinen.

Visiirin puoleinen korvake oli taipu-nut ja venynyt (kuvat 12.17 ja 12.18).Kovuuden mittaus osoittaa, että korvak-keen materiaali on todennäköisimmintavallista laivaterästä ja saranalevymate-riaalin kaltaista. Korvakkeen taakse osoit-tava eli reiällinen pää oli venynyt ja taipu-nut oikealle. Analysoimalla korvakkeenreiän ja kannaksen muotoa voitiin pää-tellä, että korvakkeen mitta ja muotoolivat olleet alunperin piirustusten mu-kaisia. Talteen otettaessa korvakkeenkannas oli paksuudeltaan 47,5 mm ku-ten piirustuksissa. Tämä viittaa siihen,

ettei korvakkeen vetävä pää ollut kulu-nut ohuemmaksi käytössä.

Useiden täys- ja osamittakaavamal-leilla tehtyjen kokeiden tulosten ja visii-rin korvakkeen vertailu osoitti, että kor-vake oli mitä todennnäköisimmin ensinvenynyt ja vasta sitten taipunut sivulle.Kokeissa havaittiin, että pysyvä ja palau-tumaton venymä syntyy korvakkeeseen,kun vetovoima on ylittänyt noin 0,5MN. Havaittu noin 6 mm pysyvä veny-mä on voinut syntyä luokkaa 1,5 MNolevan vetävän voiman vaikutuksesta.Lisäksi havaittiin, että korvakkeen reiäneteenpäin olevalta pinnalta oli kulunutpois noin 2 mm, mikä viittaa visiirinnojaamiseen lukkoa vasten laivan käy-tön aikana. Tämän lisäksi korvakkeentyvi oli ilmeisesti ollut noin 3 mm lyhy-empi kuin piirustuksiin merkitty pituusolisi edellyttänyt.

Murtuneen laivanpuoleisen lukko-rungon murtovoimaa arvioitiin kahdellaeri menetelmällä. Toisessa käytettiinmuodonmuutosenergiaperiaatetta olet-tamalla lukkotappi täysin jäykäksi. Toi-nen oli yksinkertainen lukkorungon eriosien lujuuksiin perustuva menetelmä,jossa hitsin voiman kanssa yhdensuun-taiset pinnat leikkautuvat ja kohtisuoratpoikkipintojen minimiprojektiot mur-tuvat materiaalin vetomurtorajaa vastaa-valla voimalla. Molemmissa menetelmis-sä tarvittiin kokeellisesti määritettyjä pa-rametreja.

Oli mahdotonta arvioida, oliko käy-tön yhteydessä mahdollisesti syntynytvaurio – esimerkiksi väsymisvaurio –alentanut pohjalukon lujuutta. Väsymis-säröjä ei löytynyt lukkorungosta, muttasäröjä on saattanut esiintyä hitseissä en-nen turmaa. Jos oletetaan näin ja jospuolet hitseistä olisivat olleet murtuneet,pohjalukon lujuus olisi ollut alimmil-laan luokkaa 0,8 MN, kuten Hampurinyliopistossa tehdyt kokeet osoittavat (ks.kohta 15.3). Tässä tapauksessa olisi 1,5MN suuruinen visiirin puoleista korva-ketta venyttänyt voima loogisesti esiin-tynyt aiemmin. Tämä voima olisi pannuthitsien vaurioitumisen alkuun ja lukonalkuperäinen lujuus olisi silloin ollutsuurempi kuin 1,5 MN. On myös lasket-

tu että teoreettisesti lukon lujuus ei olisivoinut ylittää arvoa 1,8 MN, mikä onvisiirin puoleisen korvakkeen murtokuor-ma korvakkeen kärjen leikkautuessa.Tähän viittaavat Hampurin yliopistossasaadut koetulokset.

Myös DIANA II:n pohjalukon osiatutkittiin, sillä sen visiirin lukkokonst-ruktio oli likimain samanlainen kuinESTONIAssa. DIANA II:sta saatiin poh-jalukon visiirin puoleinen korvake ja luk-kotappi. Lukkotapin materiaali oli lu-jempaa terästä kuin korvake. Korvake olitavallista laivanrakennusterästä. Sen taak-sepäin osoittava pää oli venähtänyt useitamillimetrejä ilmeisesti ylikuorman takiasamalla tavoin kuin ESTONIAssa. Kor-vakkeen reikä ja lukkotappi olivat kulu-neet etupuolelta useita millimetrejä enem-män kuin ESTONIAssa johtuen visiirinnojaamisesta pohjalukkoon ja sitä seu-ranneesta hankauksesta.

Maalikerrostumien analyysi

Maalikerrostumia otettiin analysoitavik-si pohjalukkorungon oikeanpuoleisestakorvakkeesta (kuva 12.19) sekä visiirinkorvakkeesta (kuva 12.20). Maalauskoostui useista kerroksista, neljästä seit-semään lukkorungon korvakkeessa jakahdeksasta visiirin korvakkeessa. Mo-net maalikerrokset olivat katkonaisia.Maalikerrosten kemialliset koostumuk-set indikoivat, että molemmissa korvak-keissa oli ruskea lakkakerros, jonka pääl-lä oli harmaa alusmaali. Visiirin korvak-keessa alimpana käytettyä kellertävääalusmaalia ei löydetty lukkorungon kor-vakkeesta. Valkoiset ja punaiset maali-tahrat lukkorungon korvakkeen pinnas-sa ja päällimmäisten maalikerrosten vä-lissä olivat kemiallisesti samankaltaisiavisiirin korvakkeen valkoisten ja punais-ten maalikerrosten kanssa. Näin ollen onilmeistä, että lukko kokonaisuudessaanoli vanha ja peräisin aluksen varhaiseltaajalta. Maalikerrostumien tutkimustenyksityiskohtaiset raportit ovat liiteosassa(Supplement 509).

Sivulukot

Sivulukkojen visiirin puoleiset korvak-keet ovat hylyssä kiinni lukkojen tapeis-


.

○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○

Kuva 12.19 Maalikerrosten poikkileikkaus pohjalukon laivanpuoleisen lukkorungonoikeanpuoleisesta korvakkeesta otetusta näytteestä.

○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○

Kuva 12.20 Maalikerrosten poikkileikkaus pohjalukon visiirinpuoleisesta lenkistäotetusta näytteestä.

○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○

Kuva 12.21 Sivulukontäysmittakaavakoe.

○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○

Kuva 12.22 Vasemmanpuoleisensivulukkolenkin irtoamiseen liittyvämurtuma vaakajäykkääjän kohdalla.

Kuva 12.23 Oikeanpuoleisensivulukkolenkin irtoamiseen liittyvämurtuma vaakajäykkääjän kohdalla.

○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○

Kuva 12.23 Oikeanpuoleisensivulukkolenkin irtoamiseen liittyvämurtuma vaakajäykkääjän kohdalla.

sa. Näin ollen ainoat tutkittavissa olevatautenttiset osat olivat visiirin alueet, jois-ta korvakkeet olivat repeytyneet irti.

Visiirin takalaipiolevy tutkittiin sivu-lukkokorvakkeen kiinnitysalueelta. Tut-kimuksissa todettiin, että korvakkeet oli-vat repeytyneet vieden mukanaan osialaipiosta sekä vaakajäykkääjästä. Vaaka-jäykkääjälevyn murtuma oli syntynyt leik-kautumalla levyn läpi, pystyjäykkääjästäoli murtunut reunan kulmaa kiinni-tyshitsin kohdalta ja visiirin takalaipiooli murtunut ”lävistymällä”. Visiirin ta-kalaipiolevyssä oli havaittavissa jossainmäärin ns. delaminointia. Takalaipiole-vyn leikkausmurtumassa oli jälkiä voi-makkaista hankaumista.

Sivulukkokorvakkeen asennus tut-kittiin yksityiskohdittain ja sivulukkojenlujuus arvioitiin sekä täysmittakaavako-kein, tietokonemallin avulla että lasken-nallisesti. Lukon kuormituksen suun-naksi valittiin visiirin pyörähtämisestä,joko saranoidensa tai alaetunurkan ym-päri, syntyvä suunta ilman sivuttaisiavoimia. Näin ollen vain veto 38° visiirintakalaipioon nähden otettiin huomioonkokeissa. Muita kuormituksen suuntiaarvioitiin laskennallisesti.

Neljä täysmittakaavaista osamalli-koetta tehtiin erilaisilla levykenttäjäykis-tyksillä (kuva 12.21). Kokeissa synty-


.

neet murtumat olivat hyvin samankaltai-sia autenttisten murtumien kanssa, eri-tyisesti takalaipio- ja vaakajäykkääjämur-tuman osalta. Mallin takalaipio-osan javaakajäykkääjäosan jäykistämisellä olimerkittävä vaikutus mitattuun murto-voimaan. Koe, joka vastasi parhaiten vi-siirin omaa rakennetta, antoi murtovoi-maksi 1,8 MN, joka muunnettuna visii-rin materiaaleille ja levypaksuuksillemerkitsi noin 1,6 MN murtovoimaa vir-heettömästi hitsatulle sivulukolle. Veto-kokein selvitettiin autenttisen visiirin le-vyjen materiaalien lujuudet. Autenttisenvasemmanpuoleisen lukon kohdalla ha-vaittiin takalaipion ja vaakajäykkääjänliitoksessa vajavaisuus (kuvat 12.22 ja12.23). Tämän arvioitiin alentavan va-semmanpuoleisen lukon lujuuden 1,2MN:iin. Oikeanpuoleinen lukko oli vir-heetön.

Laskelmat, joita tehtiin kokeiden rin-nalla antoivat yhteneväisiä tuloksia. Nu-meerinen tietokonemalli äärellisten al-kioiden menetelmällä (FEM) antoi au-tenttisten levyjen jännitys-venymäyhte-yttä käyttäen sivulukon murtovoimaksi1,6 MN. Lukon murtovoima olisi ollutalhaisempi, jos se olisi vaikuttanut visii-rin takalaipion suuntaisesti, esimerkiksimikäli visiiri olisi kuormittuessaan pyr-kinyt nousemaan ylös sen sijaan, että seolisi kiertynyt saranoidensa tai alaetu-nurkkansa ympäri.

Saranat

Saranoiden murtumat tutkittiin osittainsamoin menetelmin kuin pohjalukonmurtumat. Tutkitut murtumat olivat luon-teeltaan sitkeitä eikä selviä merkkejä vä-symisestä ollut havaittavissa. Erään näyt-teen murtuma ulottui hitsin läpi. Hitsinsisäpuolinen onkalo oli magnetiitin täyt-tämä, mikä viittaa hitaaseen korroosioonhappiköyhän väliaineen vaikutuksesta.Tämä viittaa siihen, että onkalo on ollutolemassa pitkään ennen turmaa ja ettäsiihen on päässyt kosteutta.

Myöhemmissä tutkimuksissa vahvis-tui myös, että saranaholkkien ja sarana-levyjen välisissä hitseissä oli yleisesti juu-risäröjä ja että nämä säröt olivat jossainmäärin kasvaneet väsymällä. Lisäksi to-

dettiin, että saranalevyjen holkinreikienkannasten murtumat olivat alkaneet alem-pien kannasten sitkeillä murtumilla kan-nasten vetolujuuden ylittävän voimanvaikutuksesta ja edenneet ylempiin kan-naksiin, joiden murtumat olivat taivu-tuksen seurausta. Tämä pääteltiin ylem-pien murtumien muodosta eli siitä, ettäreiän sisäpuolinen levyn paksuus oli ve-don takia ohentunut ja kannaksen ulko-reuna oli puristumisen takia paksumpikuin alunperin. Mikroskooppiset piir-teet olivat sitkeitä.

Ne saranalevyjen murtumat, jotka oli-vat tasomaisia, edellyttivät myös levyjeniskusitkeyden mittaamista kylmähauraus-taipumuksen määrittämiseksi. Levymate-riaalista valmistettujen iskukoesauvojenantamat tulokset osoittivat levyt erittäinsitkeiksi ja hyvälaatuisiksi eikä lujuudenalenemista kylmähaurauden vaikutuksestavoida pitää mahdollisena.

Levyn vetomurtolujuus mitattiin. Saa-tu tulos 450–460 MPa vastaa tavallistalaivanrakennusterästä.

Kaksi vetokoetta tehtiin myös sarana-holkin ja levyn reiän reunan yhdistel-mästä otetuilla viipaleilla liitoshitsin lu-juuden mittaamiseksi. Koekappaleet val-mistettiin hylystä talteen otetusta holkis-ta, jossa oli jäljellä pala reikälevyn kan-nasta. Noin 14 mm pitkien pienaliitostenmurtovoimaksi mitattiin 0,12 MN. Mur-tumat syntyivät valtaosin leikkautumallaleikkausmurtolujuuden ollessa noin 700MPa. Näin ollen saranaholkkien kiinni-tyspienahitsien materiaali oli erittäin lu-jaa.

Saranan lujuus laskettiin taaksepäinja alas noin 21° suuntautuvalle voimalle(vahva suunta) sekä alas ja eteen noin 21astetta suuntautuvalle leikkaavalle kuor-mittavalle voimalle (heikoksi oletettusuunta). Saranan vahva suunta oletettiinyhteneväksi saranalevyn muotokulmanpuolittajaan ja heikko vastaavasti tähännähden kohtisuoraksi.

Saranan murtovoimaksi heikossasuunnassa hitsin leikkautumisen osaltaarvioitiin 4,6 MN. Tähän voidaan lisätä2,3 MN saranalevyn leikkautumisen vaa-timaa voimaa, mikäli holkin ja saranale-vyn reiän välinen välys olisi pieni.

Ennen turmaa oli havaittu säröjä sa-ranaholkkien ja saranalevyjen välistenpienaliitosten alasektoreissa, jotka rapor-toitiin komissiolle ja otettiin huomioonmurtovoiman arvioissa. Juurisäröt, joitalöydettiin liitosten etusektoreissa, ovatvoineet alentaa saranoiden lujuuksia ylläesitetyistä.

Nostosylinterien kiinnikkeet

Visiirin avaamiseen käytetyillä hydrauli-sylintereillä oli toissijainen vaikutus vi-siirin irtoamiseen. Niihin liittyviä mate-riaaleja ja murtumia tutkittiin täydentä-vien tietojen saamiseksi. Todettiin, ettävasemmanpuoleisen hydraulisylinterinalapään kiinnikkeen ja kannen 3 liitos-kohdassa oli kiinnikettä huomattavastiheikentävää säröilyä. Kannen 3 lopulli-nen murtuma oli kylmähauraudelle omi-naista lohkomurtumaa. Yhdestä nosto-sylinterin yläkiinnikekorvakkeesta mi-tattiin kovuus. Mittaus osoitti, että kor-vake oli tavallista laivanrakennusterästä.

Kiinnikejärjestelmä

Visiirin kiinnikejärjestelmän lujuutta ar-vioitiin ottamalla huomioon kunkin kiin-nikkeen lujuus sekä laskemalla eri malle-ja käyttäen aaltokuormituksen jakautu-minen kiinnikkeille.

Viiden kiinnikkeen muodostama jär-jestelmä on staattisesti määräämätön jareaktiovoimat riippuvat sekä visiirinomasta jäykkyydestä että kiinnikkeidenpaikallisesta jäykkyydestä. Myös visiirinsovitus ja kiinnikevälykset vaikuttavatvoimien muodostumiseen. Laskentamal-lin laatiminen koko visiirille katsottiinsiksi kannattamattomaksi. Sen sijaan laa-dittiin eri tavoin tasapainossa olevia las-kenta-arvioita. Tulokset ovat pikemminviitteellisiä kuin tarkkoihin johtopäätök-siin oikeuttavia.

Visiirin rakenteellinen jäykkyys mi-tattiin kuormittamalla sitä ylösalaisessaasennossaan, jossa sitä säilytettiin sara-navarsiin tuettuna. Lisäämällä ylimääräi-nen paino toiseen saranavarteen ja nosta-malla tunnetulla voimalla toisesta saatiintulokseksi, että kuormituspiste siirtyy 1MN:n suuruisella voimalla noin 25 mm.Visiiri on näin ollen keskiosaltaan sangen


.

joustava, kun otetaan huomioon siihenkohdistuva usean MN:n suuruinen epä-keskeinen aaltokuormitus. Visiirin kum-mankin sivun rakenne on laatikkomai-nen ja näin ollen suhteellisen jäykkä ver-rattuna keskiosan vääntöjoustavuuteen.Visiirin pohja, johon pohjalukon korva-ke on kiinnitetty, on niinikään joustavarakenneosa sivuihin verrattuna.

Statiikan sääntöjä noudattaen laadit-tiin kolme eri laskentajärjestelmää vaih-televan aaltokuorman kiinnikkeille ja-kautumisen arvioimiseksi. Järjestelmissäkäytettiin oletusta lukkojen välisestäosuudesta vasteen suuntien ja suuruu-den muodostumiseen. Yhdessä arviossa

voimaosuuksia kiinnikkeiden ja lukko-jen välillä varioitiin, toisessa vaihdeltiinkiinnikkeiden jäykkyyksiä ja kolman-nessa siirreltiin aaltovoimakeskiötä aal-tovoimaresultantin vaikutussuoralla sekävarioitiin pohja- ja sivulukkojen osuuttavisiirin kiinnipitoon avaavaa momenttiavastaan. SSPA:ssa mitattuja aaltovoima-komponenttien suhteita käytettiin kai-kissa laskelmissa kiinnikkeet murtavankokonaisaaltovoiman arvioimiseksi. Tu-lokset viittaavat siihen, että vasemman-puoleinen sivulukko tarvitsee murtuak-seen vähiten aaltovoimaa kohdattaessaaallokko edestä vasemmalta, mutta seu-raavan kiinnikkeen murtaminen vaatii

enemmän voimaa. Ei ollut mahdollistayhtä vakuuttavasti arvioida, murtuikovoiman kohottua seuraavaksi pohjaluk-ko vai sarana, sillä erityisesti sarananlujuuden arvio oli melko epätarkka. Kiin-nikkeet murtava aaltovoima on selvästipienempi aallokon tullessa vinosti edestäkuin, jos se tulisi suoraan edestä.

Havaitut vauriot visiirissä viittaavatsiihen, että vasen sarana olisi murtunutheti sivulukon jälkeen. Tällainen tapah-tumien kulku olisi tehnyt mahdolliseksivisiirin kohoamisen, vasemman kohdis-tussakaran kolon vaurioitumisen sekäpohjalukon visiirinpuoleisen korvakkeenselvän taipumisen alaspäin.

osa 3 analyysi · ääriarvojen ja tilastollisen jakauman sel-vittämiseen. sen vuoksi koe...

Documents