Ponttoonilaiturin kallistusvakavuus

Tärkein uivan laiturin ominaisuus ei ole sen kantavuus vaan kallistusvakavuus. Eli mitä tapahtuu kun kuorma laiturilla on enemmän sen toisella laidalla: kuinka paljon laituri kallistuu, kastuuko kansi, kaatuuko laituri?

Laituri on herkin kallistumaan pienimmän dimensionsa suunnassa. Varsinkin kapeat käyntilaiturit ovat lähes aina tarpeeksi vakaita pituussuunnassa, mutta usein hyvinkin kiikkeriä leveyssuunnassa. Tässä kirjoituksessa on lyhyesti ja kansantajuisesti esitetty tärkeimmät laiturin kallistusvakavuuteen vaikuttavat asiat.

Käsitteitä:

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 kohdalla 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 ponttonit, 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 ponttonien kokonaiskantavuudesta! Laituri B, jossa samat ponttonit 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

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 ponttoni 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 ponttonin upotessa kokonaan. Puolisuunnikkaan muotoinen ponttoni toimiikin paremmin kyljellään jolloin sen suurin tilavuus ja näin myös nosteen keskipiste saadaan mahdollisimman lähelle laiturin reunaa.

Entäpä kallistuneena?

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

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

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

Vaakatasossa olevan suorakaiteen muotoinen (laatikko) ponttoni 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 ponttonin uloin reuna painuu veden pinnan alapuolelle, alkaa nosteen keskipiste kallistuksen lisääntyessä siirtymään takaisin kohden poikkileikkauksen geometrista keskipistettä. Tämän voi ajatella myös siten, että lisäkallistumista vastustaa enää sisempänä laiturissa oleva veden pinnan yläpuolinen osa, jonka sekä noste (tilavuus) että sen aiheuttama kallistusta vastustava momentti on selvästi pienempi kuin jo uponneella ulkoreunan osalla oli. Tästä syystä laiturin kaatuminen tapahtuu äkillisemmin kuin pyöreällä ponttonilla.

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

Poikkileikkaukseltaan neliömäisen ponttonin ominaisuudet kallistuneina ovat pyöreän ja matalan laatikkomaisen ponttonin välimaastossa. Myös puolisuunnikkaan muotoinen ponttoni 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 ponttoneilla.

Massan lisäämisen vaikutus, betoniponttoonit

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

Ponttonien suuremmasta massasta ja tilavuudesta huolimatta kallistuminen samalla (staattisella) vinokuormituksella on sama tai jopa hieman suurempi, kuin kuvan 1 kevyillä muoviponttoneilla. Suurempi siksi, että ponttonien suurempi massakeskipiste siirtyy hieman kallistuksen suuntaan. Tämä saattaa tuntua yllättävältä, mutta selittyy helposti verrattaessa kuvaa 1 kuvaan 4, jossa eri massa- ja nostekomponentit on piirretty erillisinä. Piirroksesta ilmenee myös, että puolet ponttonien tilavuudesta on kuvan esittämään kallistumiseen asti koko ajan veden pinnan alapuolella. Tämän osan sekä massakeskipiste (ei piirretty kuvassa) että nostekeskipiste ovat suunnilleen samassa paikassa (geometrisessä keskipisteessä) ja se ei näin ollen veden alla aiheuta kallistusta vastustavaa momenttia. Tämä pinnan alainen, kallistuksen ehkäisyyn osallistumaton puolikas vastaa juuri kuvan 1 muoviponttoneihin nähden lisättyä 1.000 kg painoa ja kantavuutta.Kallistusta vastustaa vain saman tilavuuden omaava vedenpinnan yläpuolinen osa kuin kuvassa 1. Ja tämän pinnan yläpuolisen osan kallistusta vastustava momentti aiheutuu kallistuksen suunnassa lisääntyneen uppoaman nosteesta, joka taas riippuu vain ja ainoastaan syrjäytetyn veden painosta, ei ponttonien painosta.Laiturin kaatuminen kallistavan kuorman vielä lisääntyessä ei kuitenkaan ole yhtä äkillinen, kuin muoviponttoneilla koska nyt koko laiturin painopiste (massakeskipiste) on alempana. Mutta tällä ei ole juurikaan käytännön merkitystä sillä laiturin reunan kastuessa sillä olevat ihmiset on jo säikäytetty.

Edellä esitetty pätee kun laiturin massakeskipiste (painopiste) on ponttonien uppoaman nostekeskipisteen yläpuolella tai samassa kohdassa. Erittäin suurella ponttonien massalla saadaan kyllä vakautettua laituria, mutta vain mikäli koko laiturin massakeskipiste saadaan selvästi ponttonien uppoaman nostekeskipisteen alapuolelle. Eli samalla periaatteella kuin uppoumarunkoiset purjeveneet vakautetaan. Tämä saavutetaan kuitenkin vain erittäin syvällä uivilla, raskailla ja kalliilla massiivisilla ponttoneilla, jotka eivät sovellu matalissa rannoissa käytettäviin mökkilaitureihin.

Tavallisen uivan mökkilaiturin vakauttaminen kiikkerien ja/tai väärin sijoitettujen ponttonien massaa lisäämällä on lähinnä ”hölmöläisten touhua”. Ponttonien tarkoitushan on kelluttaa laituria. Kallistusvakavuuden kannalta massan mukanaan tuomille kustannuksille ei tule mitään katetta ja huomattavasti parempaan ja edullisempaan lopputulokseen päästään ponttonien kantavuuden oikealla sijoituksella (kuva 2).

Yhteenveto

Paras kallistusvakavuus toteutuu ns. “katamaraani” rakenteella ja käytännössä poikkileikkaukseltaan pyöreillä ja pitkillä putkiponttoneilla. Myös pitkänomaiset (esim. useita peräkkäin) ja poikkileikkaukseltaan lähes neliömäiset tai kyljellään olevan puolisuunnikkaan muotoiset ponttonit ovat kallistusvakavuuden kannalta hyviä, mutta eivät ole yhtä vahvoja ja samalla tavalla jäykistä laituria kuin koko pituuden putkiponttonit.

Kallistusvakavuuden kannalta huonoin rakenne on matalat laatikkomaiset ponttonit sijoitettuna laiturin alle poikittain sen koko leveydeltä. Tämä hyvin yleinen laiturimalli vaatii toimiakseen T-päädyn, rantakiinnityksen tai ankkuroinnin tuomaa apua ettei se kallistelisi vaarallisesti kuin kiikkulauta.

Keskustelu asiasta

Tässä esitetyt asiat ja laskelmat perustuvat täysin fysiikan lakeihin. Vastaan mielelläni asiaa koskeviin asiallisiin kysymyksiin sähköpostitse. Myös vasta-argumentit ja erilaiset mielipiteet ja näkökulmat ovat järkevästi perusteltuina tervetulleita. Voin myös jatkossa julkaista valittuja kysymyksiä ja kommentteja näillä sivuilla.

© Copyright 2011-2013 Pasi Nikulainen