Fartygs stabilitet i sjögång

Transkript

1 Fartygs stabilitet i sjögång Analys av en olycka och hur den hade kunnat undvikas Kungliga Tekniska Högskolan Kandidatexamensarbete inom marina system Handledare: Anders Rosén Emil Andersson Sarah Hagman

2 Sammanfattning Under de senaste 50 åren har fartygs egenskaper förändrats till följd av tekniska framgångar och förstärkt efterfrågan på effektiva transporter. En slankare skrovutformning under vattenlinjen och breda lastdäck tillgodoser redares, lastägares och övriga parters krav på stora mängder frakt i kombination med låg bränsleförbrukning och korta leveranstider. Skrovkonstruktioner med fokus på ovanstående kan å andra sidan innebära en stabilitetsrisk vid sjögång. De existerande intaktstabilitetskriterierna satta av FN-organet IMO, en internationell sjösäkerhetsorganisation, täcker generellt inte behovet av sjösäkerhet för dynamisk stabilitet. Till följd av detta pågår inom IMO en utveckling av andra generationens intakstabilitetskriterier vars huvudsakliga syfte är att förebygga fem stycken på senare tid uppkommna instabilitetsfall, vilka är: stabilitetsförlust i följande sjö, parametrisk rullning, okontrollerbar vågsurfing, synkron rullning i sidsjö och häftig lateral acceleration. Detta kandidatexamensarbete innefattar en litteraturstudie som beskriver uppkomsten av dessa fem instabilitetsfall med en djupare analys av stabilitetsförlust i följande sjö. Analysen av instabilitetsfallet avser en modellering i Matlab [1] med utgångspunkt i Finnbirch:s förlisning, utredd av Statens Haverkommession SHK [2]. Finnbirch var ett Ro-Ro fartyg som tjänstgjorde på Östersjön år I november 2006 trafikerade fartyget sin vanliga rutt mellan Helsingfors och Århus då ett oväder gav upphov till tre kraftiga krängningar mot babord sida. Efter den sista krängningen förblev fartyget i slagsida och förlisningen var ett faktum. Finnbirch haverisekvens återskapas och analyseras för att utvärdera metoder som kan ha förebyggt haveriet. Återskapandet ger en möjlighet till att utvärdera skillnaderna och rimligheten mellan stabilitetsresultatet från SHK och den egna modelleringen. Analysen tyder på att flera bidragande faktorer i kombination med varandra t.ex. lastförskjutning vid mindre krängningsvinklar än väntat, ett högt KG, bristfälligt handlande i situationen och Finnbirch:s unika stabilitetsegenskaper resulterade i kapsejsning. För att idag kunna förebygga liknande haverier finns system för ombordbaserad vägledning som tar hänsyn till fartygets dynamiska egenskaper och rådande väderleksrapport för att identifiera riskerna för instabilitet. Det går även att utvärdera andra generationens intakstabilitetskriterier för stabilitetsförluster i följande sjö och se om fartyget påvisar sig vara känsligt. Vilket kriteriet påvisade för en analys av Finnbirch:s dynamiska stabilitet. År 2006 existerade inte dessa metoder och den enda åtgärden för att reducera risken för haveriet hade varit genom fördjupad kunskap hos besättningen gällande stabilitetsförluster i följande sjö med hänsyn till GZ-kurvans utseende och striktare restriktioner för surrning av last.

3 Förord Detta kandidatexamensarbete är ett samarbete mellan Emil Andersson och Sarah Hagman som studerar tredje året på Farkostteknikprogrammet KTH. Arbetet behandlar området marina system och handlar specifikt om en analys av en fartygsolycka till följd av stabilitetsförluster i följande sjö. Arbetet har tagits fram i samråd med vår handledare Anders Rosén. Till honom vill vi även rikta ett stort tack för kontinuerlig hjälp, handledning och bidragandet av material till litteraturstudien. Arbetet har skett i ett nära samarbete där kommunikationen varit grundläggande. Vi har träffats ofta för att ta del av varandras åsikter och diskutera innehållet. De delar i rapporten där bägge parter varit delaktiga i är introduktionsavsnittet, sammanfattningen och slutsatsen. Det faktagrundade arbetet har delats upp när det kommer till skrivandet. Emil har behandlat avsnitten gällande bakgrund om grundläggande stabilitet (kap 2), det första stabilitetskriteriet satt av IMO (kap 2.3), Stabilitetsförlust i följande sjö (kap 3.1), Okontrollerbar vågsurfing (kap 3.3), Finnbirch stabilitet vid avfärd och vid lastförskjutning (kap ), analys av Finnbirch stabilitet (kap 7) och utvärderingen av stabilitetsförluster i följande sjö (kap 8.4). Han har även haft ansvaret för programmeringen och dess tillhörande kapitel som går under Modellering (kap 6). Sarah har behandlat de kapitel som avser det andra stabilitetskriteriet satt av IMO (kap 2.3), Parametrisk rullning (kap 3.2), rullning i sidsjö (kap 3.4), Häftig lateral acceleration (kap 3.5), Finnbirch:s händelseförlopp och fartygsbeskrivning (kap ), lastsäkring innan avfärd (kap 8.1), navigering under olyckstillfället (kap 8.2), ombordbaserad vägledning (kap 8.3), lastfallsändring (kap 8.5) samt skrovutformningen (kap 8.6). Kapitel 4 har delats in så att varje tillhörande kriterie fick skrivas av den som har behandlat motsvarande instabilitetsfall.

4 Innehåll Sammanfattning Förord Innehåll 1 Introduktion 1 2 Bakgrund om stabilitet Jämvikt Hydrostatisk stabilitet Stabilitetskriterier IMO Dynamiska instabilitetsfall Stabilitetsförlust i följande sjö Parametrisk rullning Okontrollerbar vågsurfing Synkron rullning i sidsjö Häftig lateral acceleration Andra generationens intaktstabilitetskriterier Stabilitetsförluster i följande sjö Parametrisk rullning Okontrollerbar vågsurfing Synkron rullning i sidsjö Finnbirch Händelseförlopp Fartyget Dokumenterad lugnvattenstabilitet Stabilitet i följande sjö Modellering 19 7 Analys av Finnbirch:s stabilitet Statisk stabilitet i lugnvatten Dynamisk stabilitet i vågor Hur kunde haveriet undvikas? Navigering under olyckstillfället Lastsäkring innan avfärd Ombordbaserad vägledning Andra generationens intaktstabilitetskriterier Lastfallsändring Skrovutformning Slutsats Referenser 34

5 1 Introduktion Vid utformningen av nya fartygsmodeller kan strävan efter effektivitet ske på bekostnad av säkerhet. Påträffade incidenter har klargjort att nya generationer skrov har nedsatta stabilitetsegenskaper i svår sjögång. Detta har medfört ett antal incidenter och olyckor, till exempel för fartyget Finnbirch på omslaget av denna rapport. Som en reaktion på detta har den internationella sjösäkerhetsorganisationen IMO, ett krav- och standardsättande FN-organ, uppmärksammat fem dynamiska stabilitetsaspekter: stabilitetsförlust i följande sjö, parametrisk rullning, okontrollerbar vågsurfing, synkron rullning i sidjö och häftig lateral acceleration. Syftet med detta projekt är att utvärdera förebyggande metoder och åtgärder gällande Finnbirch:s förlisning. Olyckan inträffade på svenskt vatten år 2006 och omfattande studier kring scenariot tyder på att stabilitetsförlust i följande sjö ligger bakom förlisningen. Till grund för utvärderingen ges en överblick om grundläggande statisk stabilitet i lugnvatten i form av hydrostatisk jämvikt och instiftade stabilitetskriterier. De dynamiska instabilitetsfallen introduceras med motsvarande intaktstabilitetskriterier. En utförlig beskrivning ges av Finnbirch och dess stabilitet baserat på Svenska Haverikommissionens utredning av Finnbirch:s förlisning [2]. Ett numeriskt verktyg för modellering av dynamisk stabilitet i vågor utvecklas. Haverisekvensen återskapas och stabiliteten för Finnbirch analyseras. Intaktstabilitetskriterierna för stabilitetsförluster i följande sjö utvärderas tillsammans med åtgärder gällande navigering under olyckstillfället, lastsäkring innan avfärd, ombordbaserad vägledning, lastfallsändring och skrovutformning. 1

6 2 Bakgrund om stabilitet Stabilitet till sjöss är definerat som fartygets förmåga att hantera störningar från yttre krafter så som vind och sjögång. I detta avsnitt ges en förklaring till ett fartygs hydrostatiska stabilitet där bland annat jämvikt samt flytande och upprätande förmåga förklaras mer ingående. För en mer omfattande genomgång av ämnet hänvisas läsaren till Hydrostatics & stability chapter 2, Anders Rosén [3] eller Fartygs stabilitet, Mikael Huss [4]. 2.1 Jämvikt Enligt Newton:s första lag är en kropp i jämvikt då summan av alla krafter som verkar på den är noll. För en kropp nedsänkt i en vätska är jämvikt uppnådd då massan av dess deplacement (undantryckta volym) motsvarar kroppens totala massa dvs när tyngdkraften F G är ekvivalent med flytkraften F B, se Figur 1.[3] Figur 1: Jämvikt för en kropp nedsänkt i en västka där fribord f, djupgående T, bredden B, höjden D och volymen V är representerade [3]. Beroende på skrovets form och massfördelning kan fartyget ha en jämvikt där lutning förekommer i sidled och längsled. Ballasttankar är vanligt förkommande och kan distribuera massan så att jämvikt uppnås i ett önskvärt flytläge.[3] 2.2 Hydrostatisk stabilitet Eftersom fartyg är utformade att vara långa och slanka är transversell stabilitet, förmågan att hantera en krängning, den mest studerade typen av stabilitet. När ett fartyg utsätt för ett krängande moment som motsvaras av vinkel η enligt Figur 2, uppstår en förflyttning av deplacementet V som separerar flytkraften från gravitationskraften ett horisontellt avstånd GZ. Detta avstånd GZ är ett mått på fartygets upprätande förmåga om inga ytterligare störningar uppträder. Av geometriska skäl ökar momentet i storlek vid lägre masscentrum och större fartygsbredd. [3] Figur 2: Fartyget utsatt för en krängning η och den resulterande hävarmen GZ [3]. 2

7 Det återuprättande momentet är för positiva krängningsvinklar definerat enligt: R = F B GZ (2.1) För att få en god uppskattning av ett fartygs stabilitet i form av en GZ-kurva, där hävarmen är en funktion av krängningen, krävs en detaljerad beskrivning av skrovgeometrin och en numerisk modellering i t.ex. Matlab [1]. Med en definerad skrovgeometri i form av sektioner och punkter kan hydrostatisk data beräknas genom en integration över skrovsektionerna. Data i form av skrovgeometri, massa, masscentrum och position på ytan ger genom modellering hydrostatisk jämvikt för varje krängningsvinkel η. I Figur 3 visas en GZ-kurva för ett fartyg med lådformat skrov. Utsätts detta fartyg för ett krängande moment som motsvarar ett GZ på 0.65 m kommer inte kroppen motverka krängningen förrän en transversell lutning på ca 30 grader har uppnåtts. Figur 3: Hävarmen GZ som funktion av krängningen η för ett lådformat skrov med längd 40m, bredd 4m, djupgående 4m och ett KG motsvarande 1.13m. Ytterligare ett mått på stabilitet är GM och anger det avstånd i meter som skiljer masscentrum och metacentrum åt. Där metacentrum M, är definierad som skärningen mellan den vertikala verkningslinjen för flytkraften och tyngdkraftens verkningslinje då krängningen η är noll, vilket går att urskilja i Figur 2. För små krängningsvinklar är GM approximativt konstant och är då refererad som metacenterhöjden GM 0, för vilket följande samband gäller: GZ = GM 0 η. (2.2) vilket går att översätta som lutningen av GZ-kurvan vid 0 graders krängning. GM 0 antar positiva värden då metacentrum är placerad över masscentrum, i annat fall negativ. För fallet i Figur 3 motsvarar GM 0 ett värde på 2 m. [3] 3

8 2.3 Stabilitetskriterier IMO Sjösäkerhetsorganisationen IMO har kriterier gällande egenskaperna för en statiskt analyserad GZkurva i lugnvatten enligt Tabell 1. Dessa kriterier infördes för att upprätthålla en lämplig standard gällande stabilitet till sjöss efter flera årtionden av utvärdering. De satta parametrarna enligt Tabell 1 är baserade på en statistisk utförd analys av fartyg som kapsejsat på grund av otillräcklig stabilitet.[5] Tabell 1: Kriterier för statisk analyserad GZ-kurva i lugnvatten.[5] Kriterie Standard Enhet Area under GZ-kurvan upp till η= mrad Area under GZ-kurvan upp till η= mrad Area under GZ-kurvan mellan η=30 och η= mrad GZ vid η= m Krängningsvinkel η vid GZmax 25 Ursprungliga metacenterhöjden GM m Det andra av de två stabilitetskriterierna som beskrivs i 2008 IS code [5] är väderkriteriet vars syfte är till för att undvika kapsejsning vid förlust av manöverbarheten i hårt väder. Vilket uppkommer då all elektricitet på ett fartyg har slagits ut. Scenariot har länge varit känt och använts av IMO sedan Grunden till kriteriet uppkom redan 1977 i Torremolinos International Convention for the Safety of Fishing Vessels. Restriktionerna kom sedan att utvecklas och implementeras så det gällde alla passagerar-, lastfartyg samt fiskebåtar vars längd översteg 45 m. [6] För att ett fartyg ska klara av att motstå verkan av sidvind och rullning ska det så kallade väderkriteriet i Figur 4 uppfyllas. Grafen visar en GZ-kurva där ett fartyg påverkas av ett konstant vindtryck som verkar vinkelrät mot centerlinjen vilket resulterar i en krängning l w1, vilken beräknas enligt ekvation (2.2). ϕ 0 beskrivs av vinkeln då ett fartyg är i jämvikt, denna får ej överskrida 16 eller tills dess att 80% av skrovsidan är nedsänkt i vattnet, beroende på vilken som är lägst. ϕ 1 beskrivs av den vinkel som uppkommer då ett fartyg rullar mot vinden på grund av vågorna. En krängning uppkommen av en hård kastvind kallas l w2, vilken fås fram genom ekvation (2.3). Då ett fartyg är utsatt för dessa förhållanden ska area b vara lika med eller större än area a för att kriteriet skall uppfyllas. Variablerna tillhörande kriteriekurvan återfinns i Tabell 2. [5] Figur 4: Kriteriekurvan för väderkriteriet [7] 4

9 l w1 = P AZ 1000g (2.3) l w2 = 1, 5 l w1 (2.4) Tabell 2: Variabler tillhörande kriteriekurvan.[5] Beteckningar Enhet Beskrivning ϕ 0 Krängningsvinkeln vid konstant vindtryck ϕ 1 Krängningsvinkeln uppkommen av vågorna ϕ 2 ϕ f, ϕ c eller 50, beroende på vilken av dem som är minst ϕ f Vinkeln då öppningar på skrovsidan börjar ta in vatten ϕ c Motsvarande vinkel då l w2 skär GZ-kurvan för andra gången P Pa Vindtryck A m 2 Sidarean ovanför vattenlinjen Z m Vertikala distansen mellan centrum av A och motsvarande under vattenlinjen m 3 Deplacementet g m/s 2 Tyngdaccelerationen 5

10 3 Dynamiska instabilitetsfall Under de senaste 50 åren har fartygs egenskaper förändrats till följd av tekniska framgångar och förstärkt efterfrågan på transport. Mängden transporterade varor i kombination med korta leveranstider har förändrat skrovets utseende. En slankare skrovutformning under vattenlinjen och breda lastdäck tillgodoser samhällets krav på stora mängder frakt i kombination med låg bränsleförbrukning och korta leveranstider. Skrovkonstruktioner med fokus på ovanstående kan å andra sidan innebära en stabilitetsrisk vid sjögång. I detta avsnitt förklaras varje instabilitetsfall ingående i form av bakgrund och uppkomst. 3.1 Stabilitetsförlust i följande sjö Fartygs skrovutformning varierar med egenskaperna som eftertraktas. För fartyg som fraktar volymslaster så som bilar, containers eller trailers är normalt de förliga sektionerna breda upptill för skydd mot vågor men smalnar av mot vattenlinjen för att minska motståndet. De mittersta sektionerna är breda med ett konstant rektangulärt tvärsnitt. Akterutrummet är avsedd för lastoch maskinutrymme och är därför bred upptill men smalnar även den av mot vattenlinjen. När en våg går från akter till för med en en vågdal placerad midskepps ökar bredden på vattenlinjen i förhållande till vattenlinjen i lugnvatten, se Figur 5:a) nedan för placering av vågen och bild b) för inverkan på vattenlinjen. Figur 5: Vågens inverkan på vattenlinjen då vågdalen är placerad midskepps för navigering i följande sjö där blå och gul linje representerar vågens inverkan i förhållande till lugnvatten [7]. Är däremot vågtoppen placerad midskepps ändras situationen drastiskt. Till följd av den avsmalnande skrovutformningen i akter och för i kombination med mittsektionens konstanta tvärsnitt minskar bredden på vattenlinjen vilket går att urskilja i Figur 6. Figur 6: Vågens inverkan på vattenlinjen då vågtoppen är placerad midskepps för navigering i följande sjö där blå och gul linje representerar vågens inverkan i förhållande till lugnvatten [7]. Med lugnvatten som referenspunkt är det möjligt att urskilja kopplingen mellan bredden på vattenlinjen och GZ-kurvans utseende. Det följer från ett hydrostatiskt perspektiv att vattenlinjens bredd inverkar på GZ-kurvan enligt Figur 7 där ökad bredd på vattenlinjen inverkar positivt på stabiliteten. 6

11 Figur 7: Hur bredden på vattenlinjen inverkar på GZ-kurvan [7]. Förändringen av stabilitetsegenskaperna i vågor är den fysikaliska grunden till stabilitetsförluster i följande sjö. För ett fartyg med en relativt hög hastighet som går i följande sjö med vågor som rör sig i ungefär samma hastighet som fartyget finns det risk för nedsatta stabilitetsegenskaper. Exponeras då mittsektionen för en vågtopp under en längre tid kan krängning uppstå och resultera i stora krängningsvinklar eller till och med kapsejsning. Är krängningsvinkeln istället liten så återställs stabiliteten då vågen passerat. Trots en signifikant reduktion hos det upprätande momentet under exponeringen av vågen resulterar det nödvändigtvis inte kapsejsning. Det krävs en externt påtvingad krängning i form av t.ex. lastförskjutningar, låringssjö, manövrar eller vindbyar för att resultera i kraftig krängning. Om det inte finns ett externt påtvingat moment kan fartyget hålla en upprätt position så länge metacenterhöjden inte är negativ.[7] 7

12 3.2 Parametrisk rullning Parametrisk rullning är ett resonansfenomen orsakad av en periodisk variation i tvärgående stabilitet. Fenomenet uppkommer huvudsakligen i följande och mötande sjö när tiden mellan två efterföljande vågpassager är ungefär hälften så stor fartygets egenrullningsfrekvens.[7] Fartyget kränger åt ena sidan på grund av minskad stabilitet då en våg ligger midskepps. När stabiliteten sedan ökar igen då vågdalen ligger midskepps kommer det återupprätande momentet öka i form av lagrad energi. Om fartyget återigen förlorar stabiliteten, p.g.a. av vågen, då den är i upprätt läge kommer fartyget rulla ännu mer i sidled åt andra hållet. Fortsätter mönstret att upprepa sig kommer detta leda till rullning med succesivtökande amplitud. Figur 8 illustrerar händelseförloppet och stabilitetsskillnader för en cykel. Figur 8: Uppkomsten av parametrisk rullning pga växlande stabilitet där rad 3 representerar vattenlinjens bredd och rad 4 GZ-kurvans utseende. [7] Om ett fartyg rullar i lugnvatten kommer rullningen succesivt avta tack vare dämpningen. Denna försvagning har en avgörande roll huruvida förloppet eskalerar eller inte. Om energiförlusten per cykel orsakad av dämpningen är större än energivinningen, uppkommen av stabilitetsvariationerna, kommer krängningsvinkeln och rullningen minska. Om däremot energivinningen är större än energiförlusten kommer fartygets rullning och krängning eskalera. För uppkomst av fenomenet måste fartygets stabilitetsvariation vara tillräckligt stor, de mötande vågorna ska ha en period som motsvarar fartygets halva egenrullningsperiod och dess rulldämpning måste vara tillräckligt låg. Företeelsen är då direkt beroende av fartygets hastighet relativt vågen samt vågriktningen. Då fartyget färdas i följande sjö minskas den relativa hastigheten som i sin tur leder till ökad periodtid och minskad frekvens. Om den däremot färdas i motsatt vågriktning kommer periodtiden minska och frekvensen öka. [7] Verkliga fall där fartyg drabbats av parametrisk rullning finns till exempel dokumenterade i [8] och [9]. 8

13 3.3 Okontrollerbar vågsurfing Fenomenet består av två på nära håll relaterade händelser nämligen vågsurfing och broaching [7]. Vågsurfing uppkommer då ett fartyg går i följande eller låringssjö där en vågtopp med något högre hastighet, placerad i aktern, påtvingar en acceleration hos fartyget. En kombination av stabilitetsförändring, krängande moment och förligt trim kan leda till en kritisk situation med förlust av roderverkan, även kallad broaching. Ett scenario där dessa två händelser samverkar inleds typiskt med att fartyget surfar på vågens framkant med en kraftig girning. Då den kommit ner i vågdalen ligger den mer eller mindre tvärs den efterföljande vågtoppen. Vågtoppen hinner då ifatt fartyget, ökar krängningen en aning och bryter över fartygets däck, i värsta fall med kapsejsning som följd.[4] Eftersom vågsurfing oftast föregår broaching är det lämpligt att bygga kriterierna på risken för vågsurfing. För att ett fartyg ska ligga inom riskzonen för okontrollerbar vågsurfing måste därför följande villkor uppfyllas: 1. våglängden är mellan en till tre gånger fartygets längd; 2. vågen måste vara tillräckligt brant för att påtvinga en acceleration; 3. fartygets hastighet måste vara ungefär lika stor som vågens hastighet. Fartyg med längder som överstiger 200 m kan inte vågsurfa då vågor med jämförbara våglängder tenderar att färdas mycket snabbare än fartygen.[7] 9

14 3.4 Synkron rullning i sidsjö Scenariot skiljer sig en del från de övriga instabilitetsfallen då de andra riktar sig mot stabilitetsförluster i följande- eller låringssjö med undantag för laterala accelerationer. Denna typ av instabilitet uppkommer då ett fartyg ligger i sidsjö och har förlorat manövrerbarheten. På grund av vågor och vind kommer fartyget rulla, kränga och driva. Förlust av framdrivningsförmåga och manövrerbarhet kan i sidsjö leda till stabilitetsförluster. Händelseförloppet visar att samtidigt som fartyget rullar kommer en kastvind från det håll den just rullat mot, detta ger upphov till en kraft som rullar tillbaka skeppet samtidigt som drivhastigheten ökar. I och med detta kommer krängningen öka i vindens riktning ända tills dess att den når sin maximala rullningsvinkel. Således kan stabilitetsförluster uppkomma, vilket visas i Figur 9. [7] Figur 9: Ett fartyg ligger i sidsjö samtidigt som den utsätts för en kraftig kastvind från sidan.[7] 10

15 3.5 Häftig lateral acceleration Kraftiga accelerationer som uppkommer i horisontellt led kan bero på att ett fartyg har hamnat i en så kallad synkron resonans. Inträffar detta i samband med att ett fartyg har ett stort GM ökar accelerationerna avsevärt på grund av det stora upprättande momentet. Häftiga accelerationer uppkommer då ett fartyg rullar i vågorna. Ju högre upp på fartyget ett föremål befinner sig desto högre blir hastigheten då distansen som ska täckas under samma tidsperiod är större än motsvarande distans längre ned på fartyget. Då riktningen på hastigheten varierar under en period uppkommer de största accelerationerna och krafterna högst upp på fartyget, se Figur 10. Hur lång periodtiden är beror på det upprättande momentet. Ju större detta moment är desto kortare blir periodtiden som är direkt kopplat till kraftigare hastighetsändringar och häftigare accelerationer. [7] Figur 10: Ett fartyg rullar vilket resulterar i kraftiga accelerationer.[7] Scenariot har blivit allt mer uppmärksammat de senaste åren då incidenter uppkomna av häftiga accelerationer har inträffat. En uppmärksammad olycka är den som CMV CHICAGO EXPRESS råkade ut för Kraftiga accelerationer medförde att besättningsmän kastades hejdlöst fram och tillbaka på bryggan vilket resulterade i att en person avled på grund av sina skador. Dessa typer av accelerationer är alltså mer skadliga för människor än för strukturer. De mest skadliga krafterna är de horisontella då dessa kan leda till en fara för besättningen.[10] Händelsen är en typ av synkron resonans vilket betyder att en förstärkning av rörelsen har uppkommit då fartygets egenrullningsfrekvens och vågens excitationsfrekvens ligger nära varandra. Hur stor förstärkningen blir beror på vågfrekvensen, fartygets riktning relativt vågen samt dess hastighet. Den starkaste förstärkningen i fartygets rörelse fås då den sammanstötande vågfrekvensen ligger nära fartygets egenrullningsfrekvens. Det beror på att all energi från excitationen bidrar ytterligare till fartygets rullning. [7] 11

16 4 Andra generationens intaktstabilitetskriterier Till de dynamiska instabilitetsfallen pågår, inom IMO, en kontinuerlig utveckling av andra generationens intaktstabilitetskriterier. Varje kriterie består av fyra nivåer och är till för att avgöra hur pass sårbart fartyget är för det studerade instabilitetsfallet. Nivå ett är mest konservativ och beräkningsmässigt enklast. Syftet med dessa kriterier är att ställa högre krav på den kommande generationens fartyg när det gäller dess dynamiska stabilitet i sjögång. En utvärdering för var och en av fallen har sin utgångspunkt på nivå ett, uppfyller fartyget de satta kraven studeras nästa instabilitetsfall, annars genomförs en mer detaljerad utvärdering på nästa nivå. Nivå 3 innebär avancerad simulering av fartygets rörelse i flera frihetsgrader. Nivå 4 motsvarar formulering av en operativ vägledning gällande navigering till havs även kallad Operational Guidance, OG. Ett flödesschema över nivåerna visas i Figur 11. I detta avsnitt introduceras kortfattat kriterier motsvarande nivå ett och två för fyra av de fem dynamiska instabilitetsfallen. Figur 11: Flödesschema över andra generationens intaktstabilitetskriterier.[11] 4.1 Stabilitetsförluster i följande sjö Kriteriet ska utvärdera stabilitetsvariationer i vågor i form av GZ-kurvor där jämvikt i vertikaloch stampningsled beaktas. För båda nivåerna ska resultatet utvärderas för 10 olika placeringar av vågtoppen. Nivå 1 Kriteriet på nivå ett lägger fokus på metacenterhöjden vid stabilitetsvariationer i sjögång. Stabilitetsvariationerna analyseras för våglängder motsvarande fartygets längd L och en våghöjd motsvarande 3.3% av L. Ett fartyg anses inte vara sårbar för stabilitetsförluster i följande sjö om värdet på den minsta metacenterhöjden, GM min, är större än 0.05 m. Vid beräkningar av GM min ska korrektioner med hänsyn till fria vätskeytor utföras.[12] 12

17 Nivå 2 Kriteriet på nivå två lägger fokus på GZ vid stabilitetsvariationer i vågor. Stabilitetsvariationerna analyseras för samtiliga förekommande sjötillstånd enligt vågstatistik för Nordatlanten, eventuellt annat geofrafiskt område om fartyget är belagt med operationell begränsning. Ett fartyg anses inte vara sårbar för stabilitetsförluster i följande sjö på nivå två så länge det största värdet av parametrarna CR 1 och CR 2 understiger Parametrarna erhålls genom en viktning enligt: CR 1 = CR 2 = N W i C1 i (4.1) i=1 N W i C2 i (4.2) i=1 där W i är en viktfaktor och anger sannolikheten för att ett visst sjötillstånd inträffar. C1 i och C2 i beräknas för samtiliga sjötillstånd i och kan anta värdet 1 respektive 0 och definieras enligt: { 1, φv < 30 C1 i = 0, annars där φ v är definierad som den krängning i grader då fartyget förlorar sin stabilitet d.v.s. då GZkurvan för första gången passerar ett GZ-värde motsvarande noll. { 1, φs > 15 för passagerarfartyg, för övriga 25 C2 i = 0, annars där φ s är den krängning som motsvaras av ett krängande moment som bygger på data gällande Froudes tal, våglängd, djupgående och effektiv våglängd H i. Den effektiva våglängden erhålls genom filtrering av sjötillstånd inom fartygets längd baserat på ett lämpligt valt vågspektrum. Både CR 1 och CR 2 utvärderas för N antal möjliga sjötillstånd. [12] 4.2 Parametrisk rullning Kriterierna i detta avsnitt tar utöver den statiska stabiliteten hänsyn till variation i metacenterhöjden och vågor. Nivå 1 Ett fartyg anses inte vara känsligt för parametrisk rullning om kvoten mellan fartygets metacenterhöjd i lugnvatten GM C och metacenterhöjdens amplitudskillnad i vågor GM 1 uppfyller GM 1 GM c R P R, (4.3) där R P R är en fastställd kritisk nivå. Skulle kvoten närma sig ett befinner sig fartyget i ett mycket kritiskt läge.[12] Nivå 2 På denna nivå görs en mer noggrann undersökning av hur vågorna påverkar fartyget. Problemet formuleras som en rörelseekvation för fartygets rullning. Denna löses sedan med en tidssimulering som avgör om fartyget är känsligt för parametrisk rullning.[7] 13

18 4.3 Okontrollerbar vågsurfing Nivå1 Okontrollerbar vågsurfing infördes år 1995 som ett kriterie baserat på Froudes tal. Ett fartyg anses inte vara känsligt för okontrollerbar vågsurfing om Froudes tal överstiger ett värde på 0.3 med antagandet att fartyget går i följande sjö. [12] Nivå 2 Gällande kriteriet för nivå 2 existerar det två alternativ. Det första är en guidance to the master d.v.s. en guide gällande navigeringen ombord, upprättad 2007 i MSC.1\Circ.1228 [13]. Ett fartygs hastighet och, eller navigering bör ändras om: 1. den genomsnittliga våglängden är längre än 80% av fartygets längd, 2. den signifikanta våghöjden är högre än 4% fartygets längd, 3. vinkeln α mellan fartyg och mötande sjö är i ett intervall mellan 135 och 225, 4. fartygets hastighet överstiger en faktor 1.8L cos(180 α) (4.4) där L motsvarar fartygets längd i meter.[7] Det andra alternativet innebär en avancerad analys av sannolikhetsfunktionen för de lokala vågtyperna i ett Piersan-Koskowitz vågspektum. [12] 4.4 Synkron rullning i sidsjö För att ett fartyg ska klara av att motstå sidvind och rullning, vilket scenariot består av, ska följande två nivåtyper av väderkriteriet uppfyllas. Nivå 1 Den första nivån är näst intill identisk med föreskrifterna från 2008 och det är fortfarande den som används. Endast en mindre tabelländring gällande branthetsfaktorn skiljer sig. Kriteriet återfinns i kapitel 2.3. Nivå 2 Denna nivå ger en mer avancerad beskrivning av den första nivån. Här görs beskrivningar, dock fortfarande förenklade, av olika lastfall för att få en mer specifik bedömning av problemet. En del antaganden i beräkningarna behöver fortfarande utföras för att denna ska kunna motsvara en realistisk tolkning av varje fall. Ett fartygs karakteristiska egenskaper antas vara kända och för att få en uppfattning av de miljömässiga förhållandena beskrivs dessa med hjälp av medelvärden och spektrum. Fartygets karakteristiska egenskaper tillsammans med miljöförhållandena beskriver sedan rörelseekvationen som i sin tur ska lösas för att få ut nödvändig information. [7] 14

19 5 Finnbirch Finnbirch var ett Ro-Ro fartyg som trafikerades på uppdrag av Finnlines och tjänstgjorde på Östersjön år Dess dimensioner motsvarades av en längd på 156 m, en bredd inklusive sponsoner på 22.7m och ett max djupgående på 7.3 m. Med detta djupgående kunde fartyget ha en maximal dödvikt på 8672 ton. I november 2006 trafikerade Finnbirch sin vanliga rutt då ett oväder fick fartyget att börja kränga kraftigt mot babord sida. Efter tre väldiga krängningar förblev fartyget i slagsida. Några timmar senare kapsejsade fartyget och förlisningen var ett faktum. Det visade sig sedan att olyckan hade inträffat på grund av stabilitetsförlust i följande sjö. Två besättningsmän avled i samband med incidenten. Haveriet utreddes av Statens haverikommision, SHK.[2] 5.1 Händelseförlopp Den 31:a oktober 2006 avgick fartyget Finnbirch Helsingfors för att påbörja sin rutt mot Århus. Fartyget var lastat med semitrailers och rulltrailers vilka i sin tur var lastade med timmer, trävaror, stålprodukter samt pappersrullar. Vid avgång var vädret lugnt men enligt rapporten skulle vindstyrkan öka. Rutten planerades utifrån väderleksrapporten med förväntande väderförändringar. När Finnbirch avgick hade den enligt kaptenen ett djupgående på 7.05 m och ett trim på 0.4 m. Överbefälhavaren hade även räknat ut ett GM vilket motsvarade 1.20 m och bekräftade att alla krav på GZ-kurvan var uppfyllda.[2] På eftermiddagen den första november passerade Finnbirch söder om gotska sandön för att sedan fortsätta mellan Gotland och Öland, en rutt de hade valt utifrån det svåra vädret. Enligt fartygets andrestyrman kom vågorna norrifrån med en del inslag av nordostliga vågor. Fartyget rullade 7-10 samt surfade emellanåt på de följande vågorna. Rullningen ökade sedan till och fartyget ändrade då kurs för att få vågorna rakt akterifrån, detta resulterade i en minskad rörelse i sidled. Kursen försökte sedan återupptas, detta var dock svårt då rörelsen ännu en gång ökade. Kaptenen beordrade då att behålla kursen där vågorna kom i följande sjö. Rörelserna minskade men strax därefter kom den första kraftiga krängningen mot babord vilken kaptenen uppskattade till 25 grader. Fartyget återhämtade sig och lyckades räta upp sig. Ytterligare två krängningar följde sedan. Den andra rullningen var värre än den första och den tredje uppskattades nå en vinkel på enligt kaptenen. Efter detta lyckades fartyget inte återhämta sig utan förblev i slagsida. Detta berodde på att lasten hade förskjutits på grund av de kraftiga krängningarna vilket resulterade i ett förflyttat masscentrum för hela fartyget. Kaptenen kunde inte nå motorstyrningen från sin position och fartyget bibehöll då sin hastighet. Vid denna tidpunkt bestämde sig Kaptenen för att anropa ett nödsamtal. Besättningen samlades på bryggan och tog på sig överlevnadsdräkter. Ungefär 30 minuter senare syntes svart rök vilket antogs betyda att maskineriet hade stannat, nödfallsgeneratorn hade även startat vid det här laget. Två närliggande fartyg satte kurs mot Finnbirch när nödropet ankom. Dock var det svårt för besättningarna ombord på dessa att försöka rädda de i nöd. Finnbirch rullade och kastades åt sidan vilket även gjorde det problematiskt för räddningspersonalen i helikopterna att nå besättningen. När mörkret sedan föll blev det isigt på däck samtidigt som slagsidan hela tiden ökade vilket gjorde det omöjligt för besättningen att förflytta sig utan att ta livshotande risker. I och med den ständigt ökande slagsidan stod det snart klart att Finnbirch hade kapsejsat och tio minuter senare hade hon försvunnit från radarn. Besättningen hoppade eller spolades ner i vattnet samtidigt som fartyget sjönk. Där befann de sig tillsammans med vrakdelar, timmer och övrig last som sköts upp från det sjunkande fartyget. 12 av 14 besättningsmän lyckades räddas ur vattnet, de andra två hittades avlidna senare på kvällen respektive tre veckor efter olyckan. [2] Enligt väderprognosen skulle det under olycksdagen blåsa en nord till nordostlig vind med en styrka på upp emot 22m/s och en våghöjd på approximativa fem meter. Vid olyckstillfället låg sedan mycket riktigt vinden på 20m/s med en del kastvindar på 26-29m/s. Våghöjden låg på fyra meter men enstaka kunde uppnå en höjd på 7-8 meter. Våglängden var minst 80 meter och färdades med en hastighet på knop i samma riktning som fartyget.[2] 15

20 5.2 Fartyget Fartyget togs i bruk 1978 för att tjänstgöra på en rutt mellan Europa och Canada. Året därpå försågs hon med sponsoner för att öka dess stabilitet. När fartyget senare svenskregistrerades år 1986 adderades ytterligare ett lastdäck, se Figur 12. Från år 2000 trafikerade Finnbirch sträckan mellan Helsingfors och Århus ända tills förlisningen ägde rum. Finnbirch hade fått okonventionella stabilitetsegenskaper efter det att både sponsoner och en duck tail adderats på fartyget, se Figur 13. Dess GZ-kurva hade visat en försvagning i stabiliteten för krängningsvinklar mellan grader. Det fanns inte heller något stabiliseringssystem ombord på fartyget som kunde användas för att reglera och minimera rullningen i hårt väder. Utrymme och möjlighet fanns för att montera stabilisatorer men detta genomfördes dock aldrig. Fartyget var till en början utrustat med slingerkölar, dessa hade dock succesivt slipats ned efter att fartyget hade verkat i isiga förhållanden. Vid förlisningen hade dessa helt och hållet försvunnit.[2] I januari 2006 utfördes en genomgående inspektion av fartyget, då anmärktes totalt nio fel. Bland dessa fanns en anmärkning gällande surrningsmaterialet. En granskning av rutiner och operativ beredskap utfördes samtidigt. Däribland upptäcktes en del brister kring rutiner, övningar och dokumentationen. När fartyget sjönk hade alla brister rapporterats åtgärdade och alla anmärkningar hade strukits. Något som dock inte hade åtgärdats var att besättningen ombord inte visste hur lasten säkrades. Då detta inte var en lag utan endast en rekommendation registrerades aldrig detta som ett fel.[2] Figur 12: Fartyget Finnbirch med det adderade väderdäcket och de pålagda sponsonerna som syns som utbuktningar på skrovsidan.[14] Figur 13: Spantruta för Finnbirch. Här ses även de adderade sponsonerna.[2] 16

21 5.3 Dokumenterad lugnvattenstabilitet Före avgång från Helsingfors fastställde överstyrman fartygets metacenterhöjd GM till 1.2 m och alla värden för GZ-kurvan uppfyllde stabilitetskraven satta av IMO enligt Tabell 1. Fartyget hade ett djupgående på ungefär 7 m och enligt föreskrifterna för trim och stabilitet bör GM för detta djupgående uppgå till minst 1.07 m vilket uppfylldes. Med ett Excel-ark programmerad av ett sjöbefäl kunde data i form av transversell stabilitet med hänsyn till effekten av fria vätskeytor erhållas. Vid avgång från Helsingfors hade Finnbirch ett deplacement som motsvarar ton och ett masscentrum beläget 10.3 m i vertikalled, m i transversalled och 74.8 m i longitudinalled sett från aktern, Figur 14 representerar den erhållna GZ-kurvan. Figur 14: GZ-kruva för Finnbirch vid avgång från Helsingfors.[2] Enligt stabilitetskurvan i Figur 14 uppvisar Finnbirch en väldigt liten ökning av det upprätande momentet mellan 20 och 35 graders krängning. Detta tyder på att en större krängning motverkas först då lutningen uppgår till 35 grader. En krängning större än 20 grader kan medföra stora konsekvenser för säkerheten ombord på fartyget. [2] Lastsäkringen var i flera aspekter inte tillräcklig enligt internationella föreskrifterna och rekommendationer. Om lasten varit säkrad i enlighet med standard hade riskerna för lastförskjutning minskat och indirekt minskat riskerna för haveri. Förskjutningen av last ombord uppskattas motsvara en m transversell förflyttning av masscentrum. Övrig data för stabilitetskurvan är densamma som för avfärden och den resulterade GZ-kurvan motsvarar Figur 15.[2] Figur 15: GZ-kruva för Finnbirch vid lastförskjutning.[2] 17

22 5.4 Stabilitet i följande sjö Vid utvärdering av stabilitetsegenskaperna i följande sjö ligger lastfallet vid avgång från Helsingfors till grund. Från den metoerologiska informationen vid scenariotillfället uppmättes de kraftigaste vågorna till en höjd på 7-8 m med en våglängd på minst 80 m. Den analyserade stabiliteten modellerad av SHK går att urskilja i Figur 16 och 17. När vågen ligger midskepps med en höjd på 4 m och en våglängd på 90 m enligt Figur 16 medför det en påtaglig reducering av stabiliteten. Figur 16: GZ-kurva för en våg placerad midskepps med en höjd på 4 m och våglängd på 90 m.[2] Figur 17: GZ-kurva för fyra vågor placerade midskepps med höjden 7 m och varierande våglängder.[2] GZ-kurvan i Figur 17 närmar sig negativa värden för vågor med en våglängd över 90 m vilket indikerar att det finns risk för fartyget att förlora sin statiska stabilitet. 18

23 6 Modellering För att modellera och analysera den dynamiska stabiliteten hos ett fartyg har ett Matlab-skript [1] från kursen SD2725, introduktion till marin teknik, vidareutvecklats. Ursprungligen var skriptet avsett för att analysera den statiska stabiliteten i lugnvatten. Skrovgeometrin för ett specifikt fartyg är i punktform fördelad över ett antal sektioner enligt Figur 18. När hydrostatisk jämvikt beräknas enligt Kapitel 2.2, för det aktuella lastfallet, sker en integration över fartygets längd som medför information gällande bland annat skärningslinje mellan skrov och vattenlinje samt centrum för flytkraften. För varje krängningsvinkel η sker denna integration. Utifrån flytkraftens position erhålls det horisontella avståndet till masscentrum, även kallad GZ. Figur 18: Skrovgeometri för fartyget Finnbirch med våg placerad midskepps med våglängd 90 m och våghöjd 4 m. Vidareutveckling av skriptet bygger på införandet av en harmonisk våg med våglängd λ [m] och våghöjd h [m]. Ett flödesschema som motsvarar upplägget som presenteras löpande i avsnittet går att urskilja i Figur 19 där den gröna texten visar de steg som tillkommit i vidareutvecklingen. Med hänsyn till jämvikt i vertikal- och stampningsled analyseras den dynamiska stabiliteten för det aktuella sjötillståndet. För att uppnå jämvikt i vertikalled, se Kapitel 2.1 för definition, beräknar skriptet det djupgående som minimerar differansen sett till storleksordning mellan flytkraften och tyngdkraften. På samma sätt beräknar skriptet fram ett trim, med enda skillnaden att avståndet i längsled mellan F G och F B minimeras. Processen ses som iterativ för varje krängningsvinkel η och jämvikt betraktas som uppfylld om det relativa felet i jämvikten är procentuellt liten. Motsvarande värde på GZ erhålls för varje värde på krängningen η. Varieras våghöjden i kombination med vågtoppens placering så kan stabiliteten för ett stort antal sjötillstånd analyseras. Vid utvärdering av intaktstabilitetskriterierna för stabilitetsförluster i följande sjö enligt Kapitel 4.1 är den dynamiska stabiliteten analyserad kvasistatiskt. Fartyget befinner sig alltså i statisk jämvikt i vågen för varje tidsögonblick bortsett från den tillåtna rörelsen i krängning. Då skillnaden mellan fartygets hastighet och vågens hastighet är relativt liten så betraktas de dynamiska rörelserna för fartyget relativt vågen som försumbara. Utifrån stabilitetsegenskaper presenterade i en GZ-kurva interpoleras de vinklar φ v och φ s som sökes för en analys på Nivå 2 för kriteriet i Kapitel 4.1. För utvärdering av samma kriterie beräknas även den minsta metacenterhöjden fram enligt Nivå 1. 19

24 Figur 19: Flödesschema över modellering där svart text motsvarar användningsområde för skript innan utveckling och grön efter implementation av dynamisk stabilitet. 20

25 7 Analys av Finnbirch:s stabilitet Detta kapitel återskapar scenariot och utvärderar stabiliteten genom en modellering i Matlab [1] enligt Kapitel 6. Återskapandet av scenariot medför en möjlighet att bedöma skillnaderna mellan metoderna och på så sätt utvärdera resultatets rimlighet. Genererade resultat jämför med SHK:s resultat presenterat i avsnitt 5.3 och Statisk stabilitet i lugnvatten För utvärdering av skillnaderna mellan modelleringarna för statisk stabilitet presenteras en grafisk sammanställning av GZ-kurvorna enligt Figur där den svarta kurvan motsvarar SHK:s resultat och den röda representerar modelleringen i Matlab[1]. Figur 20: GZ-kurvor för avfärden från Helsingfors där den svarta kurvan motsvar SHK:s resultat och den röda representerar modelleringen i Matlab.[2] Då konturerna på den svarta och röda kurvan i Figur 20 stämmer bra överens anses de båda vara en rimlig representation av den statiska stabiliteten. Lutningen på kurvan för små krängningsvinklar representerar GM och är i princip identiska för de två utvärderingarna. Det största värdet för GZ är svårtydligt i Figur 20 men för de två kurvorna skiljer det sig inte åt mer än en tiondels meter, vilket för ett fartyg i Finnbirch storleksordning inte är påtagligt. Något att påpeka är att utvärderingen av SHK ger en mer konservativ uppskattning av stabiliteten än modelleringen i Matlab vilket i detta fall har stor betydelse för stabiliteten. På grund av karaktären av Finnbirch:s GZ-kurva d.v.s. platån omkring 20 till 35 grader, medför detta en mycket stor skillnad i resulterande krängande vinkel för ett krängande moment. Skulle t.ex. fartyget utsätts för ett krängande moment som motsvarar ett GZ på 0.3 m motverkas denna krängning vid 17 grader enligt den röda kurvan och 35 grader enligt den svarta kurvan. Detta medför att lastförskjutningen hade med stor sannolikhet ägt rum enligt SHK:s beräkningar men inte enligt Matlab modelleringen. En stor bidragande faktor till skillnaden mellan de två modelleringarna är hur väl skrovgeometrin över Finnirch är definerad. För modelleringen i Matlab är Finnbirch:s skrovgeometri definierad i punktform, manuellt avläst från spantrutan i haverirapporten enligt Figur 13. Ytterliggare en bidragande faktor är att modelleringen är beräknad utan hänsyn till trim för statisk analys av GZ-kurvan i lugnvatten I Figur 21 är GZ-kurvan för den statiska stabiliteten vid lastförskjuten presenterad för de två modelleringarna. Även där erhålls ett rimligt resultat då konturerna på kurvorna stämmer bra överens. 21

26 Figur 21: GZ-kurvor för lastförskjutningen där den svarta kurvan motsvarar SHK:s resultat och den röda representerar modelleringen i Matlab.[2] 22

27 7.2 Dynamisk stabilitet i vågor Den dynamiska stabiliteten utvärderas med hänsyn till jämvikt i både vertikal- och stampningsled enligt Kapitel 6. För en våg placerad midskepps med våghöjd 4 m och våglängd 90 m blir resultatet enligt Figur 22, där SHK:s resultat och modelleringen i Matlab [1] går att urskilja med en blå respektive röd kurva. Egenskaperna för de två kurvorna i Figur 22 är även i detta fall märkbart lika med undantaget att den röda är en mer konservativ representation vid krängning av små vinklar. Figur 22: GZ-kurva för en våg placerad midskepps med en höjd på 4 m och våglängd på 90 m där den blå kurvan motsvar SHK:s resultat och den röda representerar modelleringen i Matlab. [2] Givet osäkerheter vad gäller geometri och vissa metodiska oklarheter i SHK:s rapport så anses modelleringens resultat ha tillräckligt god överensstämmelse med SHK:s resultat. 23

28 8 Hur kunde haveriet undvikas? Det finns ett flertal metoder och åtgärder för att undvika haverier till följd av stabilitetsförluster. I fallet med Finnbirch tillkommer även utvärderingsmöjligheter av de, under utveckling, införda intaktstabilitetskriterierna på Nivå 1 och 2 för stabilitetsförluster i följande sjö. I detta kapitel presenteras de metoder och åtgärder som vid rådande omständigheter skulle kunna ha förebyggt kapsejsningen. 8.1 Navigering under olyckstillfället När Finnbirch började rulla grader togs beslutet av andrestyrman att ändra kurs till navigering genom följande sjö. När Kaptenen beodrade andrestyrman att steg för steg försöka återgå till föregående kurs kom den första stora krängningen som motsvarade 25 grader. Istället för att hålla fast vid prioriteringen gällande ankomstid kunde istället beslut om kursändring och hastighet tas för att se vilka kombinationer som minimerar farygets krängningar. Hade detta inte medfört en förbättring hade ett alternativ varit att söka skydd vid antingen Ölands eller Gotlands kust. Besättningen hade bristande kunskaper vad gäller stabilitetsförlust i följande sjö enligt kaptenen själv. Han kunde inte minnas att de hade fått lära sig det under sin tid på sjöbefälsutbildningen.[2](s.56). 8.2 Lastsäkring innan avfärd Att Finnbirch hade stabilitetsproblem och var svårhanterlig vid vissa krängningsvinklar var känt inom företaget.[2](s.56). Det är då synnerligen viktigt att fartyget behåller sitt ursprungliga masscentrum. Trots detta fanns inte en fullständig lastsäkringsmanual och den som fanns följdes inte heller.[2](s.12) Förbiseendet av detta medförde att lasten förskjöts vid mindre vinklar än vad som ansågs troligt vilket i sin tur resulterade i att fartyget inte hade samma upprätande förmåga efter de kraftiga krängningarna. Med bättre säkring av lasten hade hade en förskjutning kunnat undikas vilket hade begränsat konsekvenserna av de kraftiga krängningsvinklarna. 24

29 8.3 Ombordbaserad vägledning Idag utvecklas kontinuerligt system som varnar fartyg om de riskerar att hamna i en situation där stabiliteten påverkas negativt. Rederier vill inte alltid uppge att det finns nedsatta stabilitetsegenskaper hos vissa av fartygen. Detta är en av anledningarna till att användandet av systemet är begränsat. Några som talar öppet om dessa problem är Wallenius Shipping. Som åtgärd använder de sig av ett ombordbaserat vägledningssystem som kallas Seaware EnRoute Live som ägs av AWT, a StormGeo company. Systemet Seaware EnRoute Live är ett planeringssystem för fartyg med uppgift att öka säkerheten och reducera bränslekonsumtionen. Systemet fungerar som ett verktyg för att upptäcka och undvika farliga vädersituationer. Alla fartyg påverkas på ett unikt sätt i sjögång. Åtgärderna bör då vara direkt kopplat till fartygets beteende istället för att endast utgå från väderprognosen. Seaware EnRoute Live förbättrar planeringen av en rutt genom att ta hänsyn till fartygets dynamik i form av stelkroppsrörelse, acceleration och krängning. [15] De intaktstabilitetsfall som systemet kan identifiera och förutse är parametrisk rullning, stabilitetsförlust i följande sjö, okontrollerbar vågsurfing och synkron rullning. För att systemet ska kunna uppfatta fartygets rörelse och beteende är fartygen utrustade med rörelsesensorer som mäter bl.a. vinkelhastighet och accelerationer. Det ideala hade varit att ha sensorn i masscentrum men för enkelhetens skull placeras sensorn i närheten av bryggan. Placeringen har dock mindre betydelse då fartyget betraktas som en stel kropp vilket betyder att rörelserna kan translateras till alla punkter på fartyget. För att systemet ska fungera och ge en så korrekt lägesrapport som möjligt ska skrovgeometrin och en korrekt kartläggning av däcken vara given och finnas i systemet. Det specifika lastfallet för varje rutt måste betraktas. Den information som krävs för varje lastfall är djupgående, trim och position gällande masscentrum. Detta läggs in manuellt i systemet ombord. Beräkningarna sker ombord på fartyget och väderleksrapporten skickas från land två gånger dagligen. [16] Figur 23: Exempel på hur en väderkarta kan se ut. 25

30 Resultatet av systemets beräkningar sammanställs i ett polardiagram. Här ses risken för instabilitet som en funktion av riktning och hastighet för den aktuella väderleksrapporten. Exempel på ett sådant diagram visas i Figur 24. I diagrammet utläses fartygets ostliga kurs och dess hastighet på 16.5 knop. Det går också att utläsa att fartyget befinner sig i riskzonen för försämrad stabilitet. Figur 24: Exempel på hur ett polardiagram ser ut. Seaware Enroute Live är främst riktat mot RoRo-fartyg och containerfartyg då det oftast är sådana fartyg som ligger i riskzonen för instabilitet. Idag är alla Walleniusbåtar samt två Wilhelmsenfartyg utrustade med systemet vilket motsvarar ett 20-tal fartyg. Det är betydligt fler fartyg som riskerar att råka ut för något av de dynamiska instabilitetsfallen, dock har lika omfattande åtgärder inte vidtagits av andra rederier. Förhoppningarna enligt Stormgeo är att EnRoute Live ska komma att användas i större utsträckning. Till en början är förhoppningen att de företag som köper begagnade Walleniusbåtar även tar över systemet och inser fördelarna. På så sätt kan användandet av systemet expanderas. Skulle det även vara så att IMO sätter krav på ett operativt vägledningssystem är förhoppningen att Seaware EnRoute Live ett alternativ för rederierna. Övriga utvecklingsmöjligheter gällande systemet är att fartyget ska vara utrustad med två marinklassade datorer och tre rörelsesensorer för förbättrad analys. En annan utvecklingsmöjlighet är att i framtiden kunna styra systemet från land som idag begränsas av uppkopplingsmöjligheter. [16] Med ett system motsvarande Seaware EnRoute Live ombord på Finnbirch hade besättningen kunnat uppmärksammas på vilka kombinationer av kurs och hastighet som hade varit kritiska. Därigenom hade olyckan eventuellt kunnat undvikas. 26

31 8.4 Andra generationens intaktstabilitetskriterier Utifrån återskapandet av Finnbirch:s förlisning med modellering enligt Kapitel 6 utvärderas intaktstabilitetskriterierna från Kapitel 4.1 för stabilitetsförluster i följande sjö. Till grund för utvärderingen är lastfallet vid avfärd från Kapitel 5.3. Anledningen till denna utvärdering av Finnbirch är att kontrollera om de införda kriterierna påvisar känslighet gällande stabilitetsförluster i följande sjö. Nivå 1 Vid utvärdering av kriteriet på Nivå 1 är det mest kritiska fallet då vågtoppen är placerad midskepps vilket går att urskilja som den röda kurvan i Figur 26. De gröna kurvorna representerar 9 förskjutningar av vågtoppen mellan % av fartygets längd. Med en våghöjd på 5.12 m och en våglängd motsvarande fartygets längd L på 153 m motsvarar den minsta metacenterhöjden ett värde på m. Utifrån detta resultat uppfyller Finnbirch inte kravet på ett minsta GM min motsvarande 0.05 m och påvisar sig därför vara känsligt för stabilitetsförluster i följande sjö. Figur 25: Utvärdering av intaktstabilitetskriterier för stabilitetsförluster i följande sjö på Nivå 1. Röd kurva motsvarar en vågtopp placerad midskepps och de gröna 9 förskjutningar mellan % av fartygets längd L. 27

32 Nivå 2 På Nivå 2 analyseras 121 vågtyper där vågtoppens position varieras 10 gånger för 11 olika våghöjder. För varje våg beräknas φ v och φ s enligt Kapitel 4.1 med enda skillnaden att det minsta φ v och det största φ s plockas ut för varje våghöjd. Sedan bestäms motsvarande värden för φ v och φ s för alla effektiva våghöjder genom interpolation ur en tabell med samtliga sjötillstånd enligt vågstatistik för Nordatlanten. Resulterande värden på CR 1 och CR 2 blir respektive Detta ska jämföras med den kritiska gränsen Finnbirch uppfyller alltså inte de satta kriterierna enligt Kapitel 4.1 på Nivå 2. Vid olyckstillfället kunde enstaka våghöjder motsvarande 7-8 meter uppträda. Utvärderas stabiliteten för den fixa våghöjden på 7.7 m under variation av vågpositionen erhålls en tredimensionell GZ-kurva som funktion av vågposition och krängning enligt Figur 26. Då positiva värden på GZ är av intresse studeras krängningsvinklar mellan Figur 26: 3D graf över GZ som funktion av vågförskjutningen [m] och krängningen mellan 0-60 [grader] Utifrån Figur 26 går det att urskilja ökad GZ för vågförskjutningar mellan 40 och 120 meter. Med anledningen att vågtopparna för dessa förskjutningar inte befinner sig i en omgivning av fartygets centrum. Roteras denna tredimensionella graf så att GZ blir en funktion av krängningen får den tvådimensionella kurvan ett utseende enligt Figur 27. Den roterade grafen liknar resultatet från Nivå 1 som presenteras i Figur 25 där krängningvinklar mellan 0-90 studeras. Enda skillnaden mellan kurvorna är den varierande våghöjden. 28 Figur 27: Roterad tredimensionell graf som representerar GZ [m] som en funktion av krängningen mellan 0-90 [grader]

33 Placeras istället vågen fix midskepps med varierande våghöjder erhålls en tredimensionell graf enligt Figur 28. Utifrån grafen går det att urskilja väldig låga värden på GZ för i stort sett alla våghöjder och krängningar. Figur 28: 3D graf över GZ som funktion av vågförskjutningen [m] och krängningen mellan 0-60 [grader] Figur 26 och 28 visar hur stor inverkan vågtoppens placering och våghöjden har på den dynamiska stabiliteten för Finnbirch. Då tillståndet till havs vid sjögång är mycket mer komplex än just inverkan av en harmonisk våg är denna utvärdering en förenkling av verkligheten. Absolut värsta scenariot är då exponeringstiden för en vågtopp placerad midskepps är långvarig. För detta scenario krävs inte en stor inverkan av en externt påtvingad krängning för att resultera i kapsejsning. En externt påtvingad krängning är t.ex. en lastförskjutning, vindby, manöver eller navigering i låringssjö, alla dessa förekom mer eller mindre under scenariot för Finnbirch. Då Finnbirch inte uppfyllde de satta kriterierna på varken Nivå 1 eller 2 motsvarar nästa nivå i undersökningen en avancerad simulering av fartygets rörelse i fler frihetsgrader. Utifrån denna simulering kan en operativ vägledning utformas för att förhindra stabilitetsförluster i situationer likt scenariosekvensen. Andra alternativ skulle kunna vara att använda kriteriet på Nivå 2 antingen vid lastning av fartyget eller redan under designprocessen för att säkerställa fartygsegenskaper som uppfyller Nivå 2. Detta analyseras i följande två avsnitt. 29