Ponttoonilaiturin kallistusvakavuus

Painovoima ja noste kumoavat toisensa

Uivassa laiturissa vaikuttaa kaksi voimaa: kuorman (laiturin oma massa + hyötykuorma) painovoima sekä tätä vastustava ponttonien noste eli kantovoima. Niin kauan kuin laituri on pinnalla nämä voimat aina kumoavat toisensa. Kun kuormaa lisätään niin ponttonit uppoavat syvemmälle aiheuttaen lisää nostetta kunnes noste on yhtä suuri kuin kuorman painovoima. Noste riippuu vain ja ainoastaan ponttonien veden alla olevasta osasta eli uppoamasta, veden pinnan yläpuolinen tilavuus ei vaikuta siihen mitenkään.

Sama asia pätee vaikka kuorman painopiste ei olisikaan laiturin keskellä. Silloin laituri kallistuu ja kallistuksen suunnassa ponttonit painuvat syvemmälle aiheuttaen siellä suuremman nosteen, koska veden alla olevan osan tilavuus siellä kasvaa. Tasapainotilassa kallistuneena koko kuorman massakeskipiste ja ponttonien yhdistetty nostekeskipiste ovat aina täsmälleen samalla suoralla pystysuunnassa ja yhtä suuria (muuten laituriin vaikuttaisi sitä edelleen kallistava momentti).

Ponttoonien sijoittelun vaikutus

Edellä esitetystä johtuu, että laiturin keskellä oleva noste (ponttooni tai sen osa) ei juurikaan osallistu kallistumisen ehkäisyyn vaan laituri kallistuu sen ympäri kuin keinulauta. Vain laiturin reunan lähellä oleva noste vastustaa kallistumista. Tästä syystä vakain ponttonilaiturin malli on ns. “katamaraani”, jossa ponttonit sijaitsevat mahdollisimman lähellä pitkien sivujen reunoja. Tällöin niiden nosteen aiheuttama kallistusta vastustava momentti on suurempi pidemmästä vipuvarresta johtuen. Asiaa havainnollistaa kuva 1, jossa on vertailtu kahta samanlaista vapaasti kelluvaa laituria, joissa on täsmälleen samat ponttoonit, mutta ne on sijoitettu eri tavalla.

Laituri A on kuvan esittämässä tilanteessa lähellä kaatumista. Kallistavan painon siirtyessä vielä reunemmaksi lähestytään hyvin nopeasti kriittistä pistettä, jossa kuorman massakeskipiste siirtyy nostekeskipisteen ulkopuolelle ja laituri kaatuu hyvin äkillisesti. Vaikka kallistava hyötykuorma on tässä tapauksessa vain ¼ ponttoonien kokonaiskantavuudesta! Laituri B, jossa samat ponttoonit on sijoitettu laiturin reunoille, on täsmälleen samalla kuormituksella vielä täysin vakaa ja sietää vielä enemmänkin kallistavaa kuormaa. Asia on helposti myös kokeellisesti todennettavissa: rakenna pienoismalli vanerilevystä ja styroksin kappaleista ja vertaile laitureiden käyttäytymistä eri kuormituksilla.

Hyviä ja huonoja esimerkkejä

Kuvassa 2 on esitetty  erimuotoisia laitureita ja vakavuuden suhteen sekä hyviä että huonoja ponttoonien sijoituksia. Kaikissa hyvä-huono-vertailun pareissa laiturin paino ja ponttoonien tilavuus eli kantavuus ovat samat. Kuva pätee yhtäläisesti niin kevyillä muoviponttooneilla varustetuille laitureille, kuin myös raskaita betoniponttooneita käyttäville laitureillekin.

Vieläkin vakaampi laiturista saadaan, jos ponttonit sijoitetaan osin tai kokonaan kannen reunan ulkopuolelle, mutta tämä on varsinkin venekäytössä hankalaa.

Ponttoonin muodon vaikutus

Ponttoonien muodolla ei edellä olevassa tarkastelussa ole muuta merkitystä kuin sitä kautta, miten hyvin ponttoonit voidaan sijoittaa mahdollisimman lähelle laiturin reunaa. Pitkät ja kapeat ponttoonit ovat tässä suhteessa parempia kuin leveät ja laatikkomaiset.

Ponttoonin muodolla on kuitenkin vaikutusta siihen miten se käyttäytyy kuormitettaessa. Kuten edellä jo todettiin vain ponttoonin kulloinkin veden alla oleva osa aiheuttaa nostetta. Nosteen suuruus on yhtä suuri kuin ponttoonin syrjäyttämän veden paino eli se määräytyy suoraan ponttoonin vedenalaisesta tilavuudesta. Tilavuuden pituusyksikköä kohden määrää ponttoonin poikkileikkauksen pinta-ala. Eli riittää kun tarkastelemme eri muotoisten ponttoonien poikkileikkausta ja nimenomaan sen vedenalaisen osan pinta-alaa eri kuormituksilla. Kuvassa 3 on vertailtu eri muotoisia saman tilavuuden ja kantavuuden omaavia ponttooneita sekä niiden uppoamaa ja kuivakorkeutta ¾ kuormituksella koko kantavuudesta. Ponttoonien pituudella ei tässä vertailussa ole merkitystä ja kuormituksen voidaan ajatella olevan esim. per metri pituussuunnassa.

Laskettuja arvoja eri muotoisille ponttooneille

Nyrkkisääntönä tavanomaisille muoviponttonilaitureille voidaan käyttää:

• laiturin omamassa (kansi + ponttoonit) on ¼ ponttoonien (brutto)kantavuudesta

• laiturin maksimi hyötykuorma on puolet ponttoonien kantavuudesta

• viimeinen ¼ on kallistusvara: harvemmin kuorma on tarkasti keskellä

Näin ponttoonien tärkeimmäksi työalueeksi muodostuu uppoama-alue ¼ - ¾. Ponttoonille voidaan määritellä “jäykkyys”, joka on sen painuma tällä alueella. Edellisessä kuvassa esitettyjen ponttoonien kuivakorkeudet eri kuormituksilla on laskettu oheisessa taulukossa. Kaikilla taulukon muodoilla on sama poikkileikkauksen pinta-ala ja näin myös sama tilavuus ja kantavuus pituusyksikköä kohden.

Läpileikkaukseltaan pyöreä putkiponttooni on kuivakorkeudeltaan paras eli sillä saadaan kuivin laituri. Se on myös lähes yhtä jäykkä kuin matalampi suorakaide vaakatasossa (desimaalien pyöristys antaa näille saman arvon).

Pystyssä oleva suorakaide ei ole hyvä muoto sillä sen jäykkyys on huono eli painuma työalueella suuri.

Poikkileikkaukseltaan neliömäinen ponttooni on ominaisuuksiltaan kompromissi pystyssä olevan ja vaakatasossa olevan suorakaiteen välillä.

Laatikkomainen suorakaide vaakatasossa on jäykkyydeltään paras, mutta sillä tehty laituri on märempi kuin muilla muodoilla. Jos ponttonia vielä levennetään ja mataloitetaan niin tuloksena on vieläkin jäykempi, mutta märempi laituri ja kallistusvara jää pieneksi.

Ylöspäin levenevä läpileikkaukseltaan puolisuunnikkaan muotoinen ponttooni on kaikkein huonoin. Tämä johtuu siitä, että sen suurin tilavuus on aivan väärässä paikassa eli yläosassa, jossa se tulee hyötykäyttöön vasta ääritilanteessa ponttoonin upotessa kokonaan. Puolisuunnikkaan muotoinen ponttooni toimiikin paremmin kyljellään jolloin sen suurin tilavuus ja näin myös nosteen keskipiste saadaan mahdollisimman lähelle laiturin reunaa.

Entäpä kallistuneena?

Edellä tarkasteltiin ponttoonien muodon vaikutusta kuormitettaessa niitä pystyasennossa. Mutta tosielämässä laituri ja sen ponttoonit ovat usein, ja nimenomaan juuri kriittisissä tilanteissa, kallistuneina. Miten kallistuminen vaikuttaa ponttonin ominaisuuksiin?

Seuraavassa asiaa tarkastellaan laiturissa, jossa ponttoonit ovat sen reunalla (“katamaraani” tyyppinen). Tällöin laituri kallistuu vähemmän kuormitetun ponttoonin ympäri ja kallistumista vastustava momentti aiheutuu syvemmälle uppoavan ponttoonin nosteesta ja vipuvartena on lähes koko laiturin leveys. Momentti on sitä suurempi ja laituri sitä vakaampi, mitä lähempänä reunaa nosteen keskipiste on.

Pyöreä putkiponttooni luonnollisesti säilyttää kaikki ominaisuutensa myös kallistuneena ja sen noste vastustaa kallistumista lähes samalla momenttivarrella aina uppoamiseen saakka.

Vaakatasossa olevan suorakaiteen muotoinen (laatikko) ponttooni vastustaa kallistumista alkuun jopa pyöreää paremmin koska sen nosteen keskipiste siirtyy hieman kallistuksen suuntaan eli laiturin reunaa kohti. Tämän voi hyvin havaita kuvasta 1. Mutta kun ponttoonin uloin reuna painuu veden pinnan alapuolelle, alkaa nosteen keskipiste kallistuksen lisääntyessä siirtymään takaisin kohden poikkileikkauksen geometrista keskipistettä. Tämän voi ajatella myös siten, että lisäkallistumista voi vastustaa enää sisempänä laiturissa oleva veden pinnan yläpuolinen osa, jonka sekä noste (tilavuus) että sen aiheuttama kallistusta vastustava momentti sen upotessa on selvästi pienempi kuin jo uponneella ulkoreunan osalla oli. Tästä syystä laiturin kaatuminen tapahtuu äkillisemmin kuin pyöreällä ponttoonilla.

Ilmiö on voimakkain hyvin matalilla laatikkoponttooneilla, joilla se tapahtuu jo suhteellisen pienillä kallistuskulmilla. Vaikka laituri ei kaatuisikaan niin laiturin reunan kastuminen saa sillä olevat ihmiset mieltämään sen kaatuvan. Saman kantavuuden omaavilla pyöreillä tai enemmän neliömäisillä ponttooneilla kallistuskulma voi olla samalla painonjakaumalla jopa isompi, mutta silti laituri pysyy vakaampana ja kallistuminen ei kastele reunaa ja näin säikäytä ihmisiä.

Poikkileikkaukseltaan neliömäisen ponttoonin ominaisuudet kallistuneina ovat pyöreän ja matalan laatikkomaisen ponttonin välimaastossa. Myös puolisuunnikkaan muotoinen ponttooni toimii kallistuneena hyvin, mutta vain mikäli se on kyljellään eli siten, että suurin tilavuus on laiturin ulkoreunalla.

On huomattava, että kallistuskulma tietyllä vinokuormituksella ei kerro laiturin stabiilisuudesta sillä korkeammilla ponttoneilla varustetun laiturin kallistuskulma on useimmiten suurempi, mutta silti se voi olla vakaampi kuin vastaava laituri matalilla ponttooneilla.

Massan lisäämisen vaikutus, betoniponttoonit

Kuvassa 4 on vaihdettu kuvan 1 laiturin A ponttonit 1.000 kg painavammiksi betonikuorisiksi ponttoneiksi (tasapaksu kuori esim. styroksin ympärillä, myös pohjassa). Tällöin myös tilavuutta täytyy kasvattaa kaksinkertaiseksi jotta ponttooneilla olisi sama nettokantavuus.  Leveyssuunnan kallistusvakavuuden kannalta molemmat kuvassa 4 esitetyt ponttoonien vaihtoehdot toimivat samalla tavalla. Vaihtoehto b vastaa paremmin käytännön laitureita tämän kaltaisilla betoniponttooneilla.