YOUR EXTREME 2014 KONGSBERG NATURAL DISASTER SIPHON TEMPESTAS EXTREMUM Benedicte Todnem Borgersen Jørgen Aasheim Martine Falch Løfsgaard Stine Svoen Gudrun Glende Bygg- og miljøteknikk, 4. kl Produktutvikling og produksjon, 3. kl Komunikasjonsteknologi, 4. kl Materialteknologi, 3. kl Materialteknologi, 3. kl Inngress Trondheim står under vann. Vannmengdene er et stort problem ved en orkan. Samfunnet trenger en innovativ løsning som kan føre til hurtig senkning av vannivået.
DEL 2 Lagbeskrivelse Laget vårt består av fem ekstreme studenter med ulik bakgrunnskompetanse innenfor materialer, bygg, maskin og programutvikling. Vi har kompetansen til å utvikle og planlegge ideen vår. Jørgen, vår altvitende Y-kromosom, med kompetanse innenfor produktutvikling. Stine som lever for materialenes ekstreme egenskaper. Martine med sin grensesprengende dagdrømming med en forkjærlighet for dataverdenen. Benedicte og hennes brennende lidenskap for konstruksjoners kompleksitet. Og Gudrun da, med sin maktsykhet holder fokuset og oss i tøylene. 2
DEL 3 Innledning Trondheim står under vann, orkanen Olav Tryggvasson har slått til. Vannføringen i Nidelven er ekstremt høy og vannstanden er flere meter høyere enn normalen. Flommen som er forårsaket av store nedbørsmengder og økt havnivå, har etter få timer blitt karakterisert som en skadeflom der hus, veier og jordbruk er totalskadet. Denne besvarelsen på Kongsbergs Your Extreme 2014 omhandler oversvømmelsen og hvordan man kan få fjernet de ødeleggende vannmassene ved hjelp av hevertprinsippet. Dette vil gjennomføres ved hjelp av en naturlig startprosess, vanntyngde, trykkforskjeller og minimalt med elektrisk energi. NDS (Natural Disaster Siphon) NDS vil starte når vannføringen i Nidelven er ved sitt kritiske nivå. Den vil være i drift både under orkanen og i dagene som følger etter orkanen. Konstruksjonen er designet for Trondheim og vil være permanent, men kan også bygges og benyttes andre steder i verden hvor lignende geografi finnes. NDS kan ikke bare benyttes ved orkan, men også når vannføringen i Nidelven blir kritisk. Løsningen på oppgaven tar utgangspunkt i hevertprinsippet. Hevertprinsippet baserer seg på transport av væske fra et høyereliggende punkt til et lavereliggende punkt ved hjelp av et rør, som vist i figur 1. Væsken trenger noe hjelp til å begynne å renne, men når man først har fått i gang systemet vil tyngekraften og trykket fra væsken få prosessen til å starte. Energimessig vil potensiell energi (fra væskens høyde i det øverste punktet på rørledningen) bli omdannet til kinetisk energi (fra væskens fart i røret), og man trenger da ingen ekstra energi til å holde strømmen i gang. For å oppnå heverteffekten må man tilføre systemet startenergi. En mulighet er en pumpe som pumper væsken i gang. En annen mulighet er å fylle deler av røret med en væske på forhånd, for så åpne en ventil slik at væsken begynner å renne mot det laverliggende punktet. Ved vannoverflaten i det lavereliggende punktet til høyre og ved væskeoverflaten i det høyereliggende punktet til venstre, vist i figur 1, er det likt trykk (P = 1 atm). Hevertprinsippet baseres på at væsken renner så langsomt at de vertikale trykkforskjellene i væsken er like som om systemet skulle ha vært i ro. Tyngden og forskjellen i trykkraften vil holde hverandre i likevekt, og differansen i trykkraft øverst og nederst i væskeelementet er lik væskeelementets tyngde. Dette betyr at i den lange væskesøylen til høyre, vil trykket avta mer fra væskeoverflaten til det høyeste punktet på røret enn i det korte røret til venstre. Det vil derfor være lavere trykk i væsken som er i den høyre delen av røret enn i væsken som er i den venstre delen av røret. Dermed vil væsken bli drevet mot høyre og trykkutligning, slik at det høyereliggende punktet tappes og det lavereliggende punktet fylles opp. Figur 1: Teoretisk figur av hevertprinsippet. 3
Ved hjelp av hevertprinsippet kan man lage et system som skal drenere bort vannet i en oversvømmelse. Vannet skal dreneres ut av Trondheim sentrum fra et sluk like ved Nidelven og over Byåsen. Deretter føres vannet gjennom et rør over Bymarka og ut i Sundet ved Ringvål. Vannet i byen vil dreneres til et hovedsluk ved hjelp av rørledninger som er plassert under byen og koblet til mindre sluk. Dette blir forklart senere i besvarelsen. For at hevertprinsippet skal fungere trenger man en utløser som starter prosessen. Ettersom det kan være mangel på strøm under en orkan vil det være nødvendig med en naturlig startprosess. En slik naturlig startprosess vil Skjellbreia, en dam på toppen av bymarka, stå for. Røret legges igjennom Skjellbreia og vil ha en åpningsmekanisme i toppen av røret som ligger i bunnen av vannet for å tappe inn vann i røret. Vannet føres inn i den sørlige delen av røret, (det vil si delen av røret mellom ventil 1 og 2). Ved en orkan vil det samles så mye vann i Nidelven at man kan benytte anlegget. Da vil vannstanden være så høy at vannet renner igjennom filterene, over kanten av bassenget og ned i sluket. Det viktigste med filteret er at vannet slipper inn og ingen fremmedlegemer, eksempelvis trestokker. Systemet vil kun starte når vannføringen i Nidelven når det kritiske nivået og klarer å renne over bassengkanten. Ventil 2 vil deretter åpnes og like etter åpnes også ventil 1. Da vil vannet som befinner seg i bassenget ved Nidelven bli fraktet over Byåsen og ut ved Ringvål. Sluket i bassenget ved Nidelven vil være over havoverflaten, og utløpet vil befinne seg ved havoverflaten. Hele NDSsystemet er vist i figur 2. Figur 2: Skisse av NDS. 4
Hovedsluket skal plasseres i den ytre svingen av Nidelven nord for Øya. Her er det et område mellom togskinnene og boligområder som kan passe. På denne måten får man tak i mye av vannet som renner over elvens normale vannivå. Figur 3 og 4 viser et tverrsnitt av hovedsluket og et perspektivbilde av sluket. Mindre sluk plasseres på strategiske steder i sentrum, og er koblet til hovedsluket ved hjelp av nedgravde rør. Figur 3: Tverrsnitt av hovedsluket. 5
Figur 4: Perspektivbilde av hovedsluket. Det er viktig å føre overvann bort fra Trondehim sentrum for å minske skader som de store vannmengende vil føre til. Fokuset vil være å føre bort vann fra kritiske områder som vil være ekstremt utsatt, eksempelvis St. Olavs Hospital og Bakklandet. Vannet vil dreneres bort ved hjelp av rør som strekker seg fra de utsatte områdene til hovedsluket ved Nidelven. Fokuset er å få fjernet vannmassene som kan føre til at Bakklandet sklir ut i Nidelven, og vannmasser som kan forhindre fremkommeligheten til nødarbeid. Bakklandet og Singsaker befinner seg i områder med stor andel kvikkleire som ved orkan kan gi bevegelser som resulterer i at Bakklandet sklir ut. Figur 5 viser en foreslått rute for røret. Rørledningen er lagt i lavere deler av terrenget, fra Nidelven opp til Skjellbreia og nedover mot Ringvål langs med elveleier og ut i Sundet. Figur 6 viser høydeprofilen til kartet vist i figur 5. Den røde streken viser et forslag til hvordan rørledning kan legges over og under bakkenivå. 6
Figur 5: Forslag i vei for rørledningen. Rørledningen i blått. Figur 6: Høydeprofil for veien til rørledningen fra kartet i figur 5. 7
Materialbruk Seigherdede mikrolegerte stål (høyfast stål) vil brukes ved luken på systemets høyeste punkt. Til rørene som skal frakte vannet vil vi benytte duplex stål. Seigherding tilsier at stålet har blitt herdet og anløpt. Dette gir en høyere flyte- og bruddgrense og bedre slagseighet. Dette er viktig fordi metallet som skal brukes i luken må tåle høyt trykk, friksjon, varme, og ytre påvrikninger. Seigherdede mikrolegerte stål har den beste kombinasjonen av styrke og seighet. I tillegg er metallet sveisbart. Duplex rustfrie stål er høylegerte stål med 25% krom og 5-9% nikkel, med et lavt karboninnhold på 0.03%. Det har en høy fasthet og god korrosjonsmotstand. Dette er viktig da vannet som skal transporteres er brakkvann. Duplex stål danner en fremmed fase ved 475 grader celcius, og egner seg dermed for transport av vann, men ikke i luken der metallet vil varmes opp ved sveising under konstruksjon. For å unngå slitasje i rørene, ønsker man en rettest mulig rørvei. Slitasjen vil være konsentrert i hjørnene, og vanntrykket vil bli lavere jo skarpere hjørnene er. Luken Luken som åpnes for å fylle rørledningen med vann, er formet som et utsnitt av røret, vist i figur 7 og 8. Luken åpnes ved hjelp av hydrauliske sylindre (punkt 1 og 4 i figur 7 og 8) som dytter luken oppover, og kan låses i topposisjonen ved hjelp av låsepinner som svinger ut. Når luken stenges holdes den nede av vanntrykket i dammen. Det hydrauliske systemet har batterier som sikkerhet og er derfor ikke avhengig av strømnettet. Figur 7 og 8 viser luken i lukket (punkt 3 i figur 7) og åpen (punkt 5 i figur 8) posisjon, med sylinderen i øvre (punkt 4 i figur 7) og nedre (punkt 1 i figur 8) posisjon. Figur 7: Luken er lukket. Figur 8: Luken er åpen. Referanser www.norgeskart.no http://materialteknologi.hig.no/materiallare/arbeidsplan/korrosjonsbestandige%20stal/materiall aere-korrosjonsbestandige%20stal-kompendium.pdf http://materialteknologi.hig.no/materiallare/arbeidsplan/sveisbare%20konstruksjonsmaterialer/ Materiallaere-sveisbare%20konstruksjonsstal-kompendium.pdf http://no.wikipedia.org/wiki/hevert https://snl.no/hevert 8