Met welk bootontwerp voorkom je kapseizen?

Een video is de beste manier om een idee te krijgen van het ‘uitbreken’ (Engelse term: broaching); het onbestuurbaar raken van een schip door een hoge golf van achter. Het is in een paar seconden gebeurd. In het beste geval raakt een schip dan een flink eind uit de koers. In het ergste geval draait het schip zijwaarts op de golven en kapseist het. Het is de nachtmerrie van elke ervaren schipper, zeker op relatief kleine snelle schepen.

Dr.ir. Matteo Bonci (1989) werd geboren aan de Middellandse zee in Genua, Italië, en hij was al op vroege leeftijd gefascineerd door de manier waarop boten over en door het water bewogen. Manoeuvreerbaarheid en koersvastheid hadden zijn interesse toen hij als technisch toezichthouder aan snelle motorjachten werkte bij Palumbo Superyachts in Napels.

Bonci, die nu als onderzoeker bij Marin werkt, zag dat de manoeuvreerbaarheid van schepen steevast geoptimaliseerd werd voor vlak water. Hij begon zich steeds vaker af te vragen hoe zulke schepen zich gedragen op volle zee en in hoge golven. Dat ging hij uitzoeken tijdens zijn promotieonderzoek bij prof.dr.ir. René Huijsmans (3mE).

Sleeptank
Onderzoek naar het gedrag van schepen met hoge achteropkomende golven begon met modelonderzoek in sleeptanks in de jaren zeventig, en omstreeks de eeuwwisseling ook in Japan. Maar de belangrijkste vraag bleef onopgehelderd: waarom zijn sommige schepen meer gevoelig voor uitbreken dan anderen, en welke ontwerpkenmerken bepalen die gevoeligheid?

KNRM reddingboot NH 1816. (Foto: KNRM)

Tijdens zijn promotieonderzoek richtte Bonci zich op relatief kleine en snelle schepen van maximaal 50 meter lengte en met een topsnelheid van 15-20 knopen (1 knoop = 1,85 km/uur). Hij nam het nieuwste reddingvaartuig van de KNRM, de NH 1816, als voorbeeld. Dit 20-meter lange schip werd gebouwd door Damen Shipyards.

Bonci benaderde het probleem (de beschrijving van het gedrag van snelle schepen in hoge achteropkomende golven)  zowel experimenteel als numeriek. Hij gebruikte een door Marin ontwikkeld wiskundig model dat het mogelijk maakt om verschillende ontwerpvariaties door te rekenen.

Test in Delftse sleeptank op kalm water. (Foto: M. Bonci)

De experimentele metingen vonden plaats in de sleeptanks van de TU Delft en van Marin, zowel op rustig water als bij golven. Een schaalmodel van de NH 1816 werd onder de verrijdbare brug geplaatst zodat driedimensionale krachten en momenten tijdens de beproevingen konden worden gemeten. Deze metingen werden gebruikt om de uitkomsten van het computermodel te kalibreren.

Grotere roer en vinnen
Bonci kwam erachter dat de gevoeligheid voor uitbreken verkleind kon worden door een grotere koersstabiliteit (in de vorm van grotere vinnen of kielen) of roeroppervlak. Grotere koersstabiliteit helpt vooral bij langere golven (meer dan 2,5 keer de scheepslengte) en een groter roer bleek vooral effectief bij lagere snelheden en kortere golven. Gebaseerd op zijn resultaten stelt Bonci dat de gevoeligheid voor uitbreken aanzienlijk afneemt door de vinnen en het roeroppervlak van een snel schip ongeveer 25 procent groter uit te voeren.

Test in sleeptank van Marin met achteropkomende golven. (Foto: M. Bonci)

Damen Shipyards was betrokken bij het onderzoek. Hoe kijken zij tegen de aanbevelingen aan? Jochem de Jong, manager onderzoek bij de R&D afdeling van Damen, zegt: “Het is belangrijk een beter inzicht te hebben in de gevoeligheid voor uitbreken van schepen. Bonci heeft ons daar een stap verder in gebracht .

Of de koersvastheid van een schip verbeterd wordt door grotere vinnen en roer hangt af van veel factoren die een rol spelen bij het ontwerp van een schip. Zo telt bijvoorbeeld de kans dat een schip in dat soort omstandigheden terechtkomt, en het belang dat een klant hecht aan een betere koersstabiliteit in een volgende zee.”

Vluchten voor het gevaar
Een van Damens klanten die wel in dergelijke omstandigheden opereert is de KNRM. Hans van der Molen, interim-hoofd van de technische dienst, zegt dat de studie van Bonci niet relevant is voor de KNRM. “In de sleeptank werd met golven van twee meter gewerkt, op schaal dan. Tussen de eilanden hebben we soms met golven van 5 tot 6 meter te maken.” Schippers van de KNRM hebben geleerd om vooruit te vluchten voor gevaarlijke achteropkomende golven. Dat is waarom de reddingsmaatschappij belang hecht aan een topsnelheid van minimaal 30 knopen, omdat ze daarmee golven voor kunnen blijven.

Bonci kent deze techniek. “Eén van mijn stellingen gaat hierover”, zegt hij. “In gevaarlijke situaties kunnen schepen met een groot motorvermogen aan uitbreken ontsnappen door voor de golf weg te varen.” Maar, zet hij, de meeste schepen kunnen dat niet. “Minder snelle schepen zoals patrouillevaartuigen of vissersschepen kunnen niet aan de golven ontsnappen, en voor hen is uitbreken een reëel gevaar.”

• Matteo Bonci, The Manoeuvrability of High-Speed Craft in the Following Sea, promotors prof.dr.ir. René Huijsmans and dr.ir. Ido Akkerman (Faculteit 3mE, 15 November 2019.