Steinar Skoglund, Rambøll DATO

Transkript

1 Notat Nytt Nasjonalmuseum Erosjonsbeskyttelse av sjøvannsledning SINTEF Materialer og kjemi Postadresse: Postboks 4760 Sluppen 7465 Trondheim Sentralbord: Telefaks: Foretaksregister: SAKSBEHANDLER / FORFATTER Grim Eidnes Ragnhild L. Daae BEHANDLING UTTALELSE ORIENTERING ETTER AVTALE GÅR TIL Steinar Skoglund, Rambøll X DATO GRADERING Fortrolig 1 Bakgrunn Et nytt Nasjonalmuseum for kunst, arkitektur og design er under bygging i Oslo. I planleggingen av bygget inngår et sjøvannsledning fra vel 20 m dyp i Pipervika. Ledningen legges langs bunnen inn mot Aker Brygge og følger kaifronten innover (figur 1). Innerst på Aker Brygge kobles ledningen til eksisterende rør på om lag 2 m dyp. På utvalgte steder langs traséen er det planlagt å legge ut mørtelsekker for å sikre et jevnt og stabilt underlag. På de første om lag 100 m fra tilkoblingen innerst på Aker Brygge vurderes det å legge ut betongmatter over røret som beskyttelse og erosjonssikring. 2 Målsetting Rambøll er engasjert som rådgivere i byggeprosessen og har henvendt seg til SINTEFs avdeling for Miljøteknologi for å få beregnet propellerosjon fra skipstrafikken i området. Beregningene skal gi propellstrømmens styrke langs bunnen for dimensjonerende båter som trafikkerer området, og relatere denne til en kritisk kornstørrelse, det vil si den minste kornstørrelsen som forventes å bli liggende i ro på bunnen under påvirkning av denne bunnstrømmen. Rambøll har spesielt bedt om svar på to forhold: 1. Hvor lang strekning av ledningen må beskyttes mot propellkrefter 2. Hvilken type beskyttelse er best egnet betongmatter eller løsmasser 1 av 8

2 Figur 1. Den planlagte sjøvannsledningens trasé fra vel 20 m dyp i Pipervika inn mot kai og langs (under) Aker Brygge mot det nye Nasjonalmuseet. 3 Datagrunnlag Det opplyses at båttrafikken til og fra indre del av Aker Brygge først og fremst er Nesoddbåtene som legger til ved de to innerste kaiene, samt hurtigbåten MS Baronen som benytter den tredje kaia. De såkalte øybåtene til bl.a. Hovedøya og Gressholmen legger til ved Rådhusbrygga (brygge 4). Ved valg av dimensjonerende båt vektlegges stor dypgående, dypt plassert propell, stor motorkraft og en viss regularitet eller hyppighet av ankomster og avganger. Vi har ut fra dette valgt å se på aktuell propellstrøm fra MS Baronen og de tre identiske søsterbåtene MS Kongen, MS Dronningen og MS Prinsen som utgjør Nesoddbåtene. Disse antas å være dimensjonerende og representative for de erosjonskreftene som genereres langs bunnen som følge av båttrafikken innerst ved Aker Brygge. Ved beregning av oppvirvling av bunnsedimenter fra båttrafikk trengs det opplysninger om propellenes størrelse og plassering, båtens dypgående samt motorens yteevne og aktuelt pådrag. Tekniske data som er benyttet i beregningeneer vist i tabell 1. De er velvilligst stilt til vår disposisjon av Norled, Brødrene Aa og Frydenbø Schottel Nordic. Tabell 1. Nøkkeltall for dimensjonerende båter ved indre Aker Brygge Båt Propelldyp (m) Propelldiameter (m) Dypgående (m) Motorkraft (kw) Pådrag v/ kai *) (kw) MS Baronen 1,3 1,3 2,0 2 x x 200 Nesoddbåtene 3,5 1,85 3,2 2 x x (360, 600, 840) *) I mangel av en eksakt verdi for Nesoddbåtene, har vi benyttet gitte pådrag i forhold til maksimal motorkraft, nemlig 30, 50 og 70 % av 1200 kw. 2 av 8

3 4 Modellresultater Modellen som benyttes for beregning av propellstrøm, er utviklet av SINTEF. Den er nærmere beskrevet i kapittel 3 i Daae og Rye (2011). Tabell 2 viser resultatet av modellberegningene i form av maksimumshastigheten på propellstrålen ved bunnen for et gitt pådrag på motoren. Propellstrålen er visualisert i figur 2-4 med inntegnede isolinjer for bunnstrømshastigheter. Tabell 2. Maksimal propellstrøm ved bunnen for forskjellig motorpådrag og vanndyp (4, 6 og 8 m) Båt Motorpådrag 4 m 6 m 8 m Maks bunnstrøm (m/s) MS Baronen 2 x 200 kw 2,0 1,5 1,2 30 % (2 x 360 kw) *) 2,2 1,4 Nesoddbåtene 50 % (2 x 600 kw) *) 2,6 1,7 70 % (2 x 840 kw) *) 2,9 1,9 *) Nesoddbåtene stikker dypere enn 4 m og ingen verdier er derfor oppgitt for dette vanndypet. 3 av 8

4 Figur 2. Beregnet bunnstrømshastighet for MS Baronen ved 4, 6 og 8 m vanndyp. 4 av 8

5 Figur 3. Beregnet bunnstrømshastighet ved 6 m vanndyp for Nesoddbåtene ved 30, 50 og 70 % motorpådrag. 5 av 8

6 Figur 4. Beregnet bunnstrømshastighet ved 8 m vanndyp for Nesoddbåtene ved 30, 50 og 70 % motorpådrag. 6 av 8

7 5 Sedimenttransport Forflytting av bunnsedimenter skjer som et resultat av medrivning ( pick-up ), transport og avsetning og forårsakes av strøm, bølger eller begge deler. Den dominerende sedimenttransporten for større partikler (d > 2 mm) skjer langs bunnen, mens den for mindre og lettere partikler (d < 0,2 mm) skjer suspendert i vannmassene. For sediment mellom 0,2 og 2 mm vil sedimenttransporten kunne skje både langs bunnen og som sediment i suspensjon. Den antas imidlertid i all hovedsak å være forårsaket av strøm (og ikke bølger). Når bunnstresset overstiger en viss grenseverdi som følge av et forsterket strømpådrag langs bunnen, vil sandkornene begynne å bevege seg. Den matematiske relasjonen mellom bunnstress, bunnstrøm og medrivning (oppvirvling) er blant annet vist i Eidnes og Daae (2014). Vi har benyttet formelverket som er gitt der, til å relatere den beregnede maksimale bunnstrømmen gitt i tabell 2 til den minste sedimentstørrelsen som kan forventes å forbli i ro. Resultatet er vist i tabell 3. Tabell 3. Minste sedimentstørrelse ( ) som er beregnet å ligge i ro ved gitt bunnstrøm. Båt Motorpådrag 4 m 6 m 8 m 4 m 6 m 8 m Maks bunnstrøm (m/s) Minste D 50 (mm) før suspensjon MS Baronen 2 x 200 kw 2,0 1,5 1, % (2 x 360 kw) - 2,2 1, Nesoddbåtene 50 % (2 x 600 kw) - 2,6 1, % (2 x 840 kw) - 2,9 1, Beregningene viser hvordan størrelsen på et stabilt sediment øker jo grunnere det er og hvor stor pådrag som benyttes. På 6 m vanndyp vil f.eks. Nesoddbåtene kunne virvle opp sedimenter med medianverdi D 50 lik 5 cm og mindre dersom motorpådraget er 70 %. Ved 30 % motorpådrag viser beregningene at bare sedimenter mindre enn 2,3 cm eroderes på 6 m dyp. Velger man å tildekke sjøvannsledningen med løsmasser, viser tabellen ovenfor hvilket krav som må stilles til massenes medianstørrelsen D 50 ut fra aktuelt vanndyp og motorpådrag. En enkel validering av disse beregningene får man ved å ta sedimentprøver langs den planlagte traséen og sette opp en kornstørrelsesfordeling. Fordelingen forventes å ha en abrupt knekk ved den minste sedimentstørrelsen som motsetter seg erosjon. Siden erosjonen i all hovedsak forventes å være drevet av propellstrøm, burde knekk-verdien samsvare med verdiene i tabell 3. Erosjonssikring trenger ikke skje ved tildekking av sand og stein. Bruk av betongmatter er vurdert i dette konkrete tilfellet, og det er ingenting som tilsier at ikke de vil ha samme nytten så lenge de er tunge nok til å bli liggende. 7 av 8

8 Erosjonssikring er noe som normalt gjennomføres i bølgesonen, eller som i dette tilfellet - propellsonen. Bunnstrømshastighetene som er beregnet i tabell 3, gjelder for buksering ved kai og strekker seg godt ned gjennom hele vannsøylen. Når båtene først har kommet i bevegelse, kompenseres propellstrømmen av båtens hastighet. En ofte anvendt design-regel er da å redusere beregnet bunnstrøm med halve båtens hastighet. Dermed elimineres fort erosjonsfaren et stykke fra kai. 6 Referanser Daae, R.L. og Rye, H. (2011): Oppvirvling av sediment fra skipstrafikk i Trondheim havn. Rapport SINTEF F19889 Eidnes, G. og Daae, R.L. (2014): Renere havn Trondheim. Oppvirvling av sediment fra båttrafikk. SINTEF-notat datert av 8