20190412 Oplegnotitie KpNK 2017 11200741-009 ... · 12/31/2018 · De hierop volgende samenvatting...
Transcript of 20190412 Oplegnotitie KpNK 2017 11200741-009 ... · 12/31/2018 · De hierop volgende samenvatting...
Kennisprogramma Natte KunstwerkenKennisplan 2017
Trillingsgevoeligheid keermiddelen
Trillingen van fibre-reinforced polymersluisdeuren en -schuiven (MSc thesis)
Jelmer Veldhuizen (Technische Universiteit Delft)Anton Heinsbroek (Deltares)Wim Kortlever (Rijkswaterstaat)
Kenmerk : KpNK-2017-NKW-03b001Versie : 1.0Datum publicatie : 31 december 2018
Voor vragen met betrekking tot het rapport kunt u terecht bij de auteurs:Anton Heinsbroek - [email protected] Kortlever - [email protected]
Voor vragen over Kennisprogramma Natte Kunstwerken en Kennisplan 2017 kunt u terecht bij:Maarten van der Vlist - [email protected]
In het Kennisprogramma Natte Kunstwerken (KpNK) werken Deltares, MARIN,Rijkswaterstaat en TNO samen aan de kennisontwikkeling om de vervangings- enrenovatieopgave bij natte kunstwerken (stuwen, sluizen, gemalen en storm-vloedkeringen) efficiënt en kostenbesparend aan te pakken.
Voor het kennisprogramma wordt er jaarlijks een inhoudelijk Kennisplan inclusiefbijbehorend financieringsplan opgesteld. Andere partijen (zoals waterschappenen marktpartijen) worden nadrukkelijk uitgenodigd om deel te nemen.
Meer informatie over het Kennisprogramma Natte Kunstwerken vindt opwww.nattekunstwerkenvandetoekomst.nl waar ook de onderzoeksresultaten terbeschikking worden gesteld.
De samenwerking binnen het Kennisprogramma Natte Kunstwerken vormt deuitwerking van de onderzoekslijn “Toekomstbestendige Natte Kunstwerken”binnen het Nationaal Kennisplatform voor Water en Klimaat (NKWK). Dit kennis-platform brengt Nederlandse overheden, kennisinstellingen en bedrijven bijelkaar om samen te werken aan pilots, actuele vraagstukken en lange termijn-ontwikkelingen op gebied van water- en klimaatvraagstukken.
Meer informatie staat op www.waterenklimaat.nl.
Kennisprogramma Natte KunstwerkenKennisplan 2017
Voorwoord
Sluizen, stuwen, gemalen en stormvloedkeringen zijn belangrijke assets van beheerders zoalsRijkswaterstaat en de waterschappen. Een groot deel van deze natte kunstwerken bereikt komendedecennia het einde van de (technische) levensduur waarvoor het is ontworpen. Er dient zich dan ookeen aanzienlijke vervangings- en renovatieopgave van deze kunstwerken aan.
De laatste jaren wordt steeds meer gezocht naar mogelijkheden om levensduur van kunstwerken teverlengen, en om bij einde levensduur (noodzakelijke) ingrepen aan gebiedsontwikkelingen en/offunctionele/netwerk ontwikkelingen te koppelen. Rijkswaterstaat heeft daartoe als asset managereen vernieuwde werkwijze voor het Vervanging en Renovatie (VenR) proces opgesteld, welke de basisvormt voor de inrichting van het Kennisprogramma Natte Kunstwerken (zie Figuur 1).
Figuur 1. Vernieuwde RWS-werkwijze Vervanging en Renovatie.
In het Kennisprogramma Natte Kunstwerken wordt kennis ontwikkeld die bijdraagt aan deverschillende stappen binnen deze vernieuwde VenR-werkwijze, met als focuspunten stap 1(prognoserapport) en stap 2 (regio-analyse en -advies). Het prognoserapport richt zicht op de (einde)technische levensduur, het regio-advies brengt met name de relatie object-netwerk-gebied in kaart.
Het onderzoek in het Kennisprogramma Natte Kunstwerken vindt plaats langs de onderstaande3 onderzoekssporen en heeft tot doel om een effectieve en efficiënte aanpak van de vervanging- enrenovatie-opgave en nieuwbouw van natte kunstwerken mogelijk te maken:
· bestaand object - inzicht in (einde) technische levensduur- levensduurverlenging
· object-systeem - inzicht in (einde) functionele levensduur enobject-systeemrelaties
· nieuw(e) object/objectonderdelen - toepassen innovaties- inspelen op toekomstige ontwikkelingen.
Kennisprogramma Natte KunstwerkenKennisplan 2017
Sinds enkele jaren is er het Nationaal Kennisplatform voor Water en Klimaat (NKWK). Hieronder lopendiverse onderzoekslijnen. Eén van de onderzoekslijnen is “Toekomstbestendige Natte Kunstwerken”.Voor het praktisch laten functioneren van deze onderzoekslijn is er een SamenwerkingsovereenkomstNatte Kunstwerken en een Kennisprogramma Natte Kunstwerken opgesteld:
· Samenwerkingsovereenkomst Natte Kunstwerken. De partijen die momenteel binnen dezeovereenkomst samenwerken aan onderwerpen rondom de vervangings- en renovatieopgavebij natte kunstwerken zijn Deltares, MARIN, Rijkswaterstaat en TNO.
· In het kader van de bovengenoemde Samenwerkingsovereenkomst Natte Kunstwerken ende 3 onderzoekssporen van het Kennisprogramma Natte Kunstwerken wordt er jaarlijks eeninhoudelijk Kennisplan inclusief bijbehorend financieringsplan opgesteld.
Naast de genoemde partijen zijn en worden andere partijen nadrukkelijk uitgenodigd om deel tenemen aan de Samenwerkingsovereenkomst Natte Kunstwerken en/of het Kennisplan. Inzet kanzowel in kind en/of financieel zijn. In het Kennisplan 2017 is er binnen het kader vanKennisprogramma Natte Kunstwerken samengewerkt met Lock2Twente en Acotec BV.
Resultaten uit het Kennisprogramma Natte Kunstwerken worden gedeeld met de gehele sector, onderandere via de website www.nattekunstwerkenvandetoekomst.nl.
De hierop volgende samenvatting heeft betrekking op de MSc thesis “Trillingsgevoeligheidkeermiddelen - Flow-induced vibrations of fibre-reinforced polymer hydraulic gates” en debijbehorende onderliggende eindpresentatie. Dit onderzoek is geleid door Deltares in het kader vanhet Kennisplan 2017. In verband met de Algemene Verordening Gegevensbescherming is het origineleDeltares rapport ten behoeve van het publiceren op de website alleen qua persoonsgegevens, maarniet qua inhoud aangepast.
Kennisprogramma Natte KunstwerkenKennisplan 2017
Trillingsgevoeligheid keermiddelen – Flow-induced vibrations of fibre-reinforcedpolymer hydraulic gates (MSc thesis)
1
Samenvatting
Trillingsgevoeligheid keermiddelenAanleiding
Stalen waterbouwkundige constructies vergen veel onderhoud en hebben vaak een kortere levensduurdan gewenst. Hierdoor is er behoefte aan innovatieve materialen die staal zouden kunnen vervangen,en wordt daarnaar onderzoek gedaan. Een van deze alternatieve materialen is vezel-versterkt kunststof(VVK; ook wel Fibre Reinforced Polymer, FRP) door de hoge sterkte, lange levensduur en lage dichtheid.
Waterbouwkundige deuren en schuiven met onderstroom kunnen onderhevig zijn aan door stromingveroorzaakte trillingen welke catastrofale gevolgen kunnen hebben, zoals het bezwijken van eensegmentschuif in de Folsom dam (Verenigde Staten; 1995) waardoor 40% van het stuwmeerleegstroomde.
Het handboek ‘Dynamisch gedrag van waterbouwkundige constructies’ (Kolkman & Jongeling) biedt demogelijkheid om ongewenste trillingen te voorspellen. Het handboek is gebaseerd op jarenlangeervaring met metingen van trillingen bij met name stalen waterbouwkundige constructies. Debelangrijkste excitatiebron voor trillingen is zelf-excitatie waarbij de beweging van de schuif dekrachten die op de schuif werken dermate verandert dat de beweging versterkt wordt. In het handboek‘Dynamisch gedrag van waterbouwkundige constructies’ zijn drie excitatiemechanismen omschrevenwaarvan de methode voor het voorspellen van het zogenaamde “galloping” mechanisme als enige nietverder uitgewerkt is.
Aangezien het gebruik van VVK in de waterbouwkundige deuren en schuiven een vrij recenteontwikkeling is, is de invloed van de keuze voor dit relatief nieuwe materiaal op trillingsgevoeligheidnog nauwelijks onderzocht. De ambitie is dan ook om deze invloed te onderzoeken. Dit onderzoekdraagt bij aan de kennis betreffende het toepassen van dit soort innovaties en het inspelen optoekomstige ontwikkelingen.
Onderzoeksvraag en -opzet (WAT)
Het omschreven probleem leidt tot de volgende onderzoeksvraag: “Wat is de invloed van de keuze voorVVK op door stroming veroorzaakte galloping-type trillingen bij waterbouwkundige schuiven metonderstroom?”
Kennisprogramma Natte KunstwerkenKennisplan 2017
Trillingsgevoeligheid keermiddelen – Flow-induced vibrations of fibre-reinforcedpolymer hydraulic gates (MSc thesis)
2
Onderzoeksaanpak en -methode (HOE)
1 Om deze onderzoeksvraag te beantwoorden is eerst verdiept in het materiaal VVK en detheorie van de interactie tussen vloeistof en constructie (fluidstructure interaction).
2 Hierna is de invloed van VVK op de (dynamische) eigenschappen van een waterbouwkundigeschuif geanalyseerd.
3 De gevonden verschillen tussen een VVK en een stalen schuif uit de vorige stap zijn gebruikt omverschillende ontwerpen van een schuif te maken. Deze ontwerpen voor een schuif metonderstroom, door waterstandsverschillen tussen de beide zijden van de schuif, zijn vervolgensmet behulp van numerieke stromingsleer software (computational fluid dynamics software,CFD) gesimuleerd. Middels deze software zijn de opwaartse krachten bepaald die op de schuifwerken. Dit is gedaan voor verschillende combinaties van de openingshoogte en bijbehorendeverticale snelheden van de schuif, waardoor een tabel met krachten ontstaat. Hierbij is gebruikgemaakt van de quasistatische analyse die beschreven staat in ‘Self-excited vibrations ofvertical-lift gates’ (Nguyen D. Thang & Eduard Naudascher, 1986).
4 Aangezien demping per definitie gelijk is aan de verandering van de kracht als functie van deverandering van de snelheid kan de hydrodynamische demping afgeleid worden van degevonden krachten in de krachtentabel in Stap 3.
5 De schuifconstructie is geschematiseerd als een massa-veer-demper systeem waarbij de schuifals massa weergegeven wordt en de veer en demper door de ophanging worden verzorgd. Deopwaartse krachten die in Stap 3 gevonden zijn zijn als input gebruikt voor het massa-veer-demper systeem in de vorm van de externe kracht. De schuif wordt op verschillendeopeningshoogten geplaatst en krijgt een kleine initiële verticale snelheid waarna op basis vande responsie gekeken wordt of de beweging uitgedempt wordt of dat de beweging versterktwordt door de hydrodynamische belasting.
6 Resultaten van de benodigde demping uit de vorige stap zijn vergeleken met de negatievehydrodynamische demping die in Stap 4 gevonden is.
Onderzoeksresultaten en synthese
De MSc thesis “Flow-induced vibrations of fibre-reinforced polymer hydraulic gates” opgesteld door deheer J.C.A. Veldhuizen van de faculteit Civiele Techniek van Technische Universiteit Delft kan via devolgende link naar de TU Delft repository worden ingezien.
Een grotere dikte resulteert in de aanwezigheid van een grotere negatieve hydrodynamische dempingvoor een grotere range van openingshoogten. Hierdoor is meer externe demping benodigd om dezenegatieve demping op te heffen of is een aanpassing van de constructie benodigd om galloping-typetrillingen te voorkomen. Het aangepaste ontwerp voor VVK-schuiven met verticale bewegings-mogelijkheid, zijnde een verticale plaat met verstijvingsribben en daarmee anders dan een veelvoudig
Kennisprogramma Natte KunstwerkenKennisplan 2017
Trillingsgevoeligheid keermiddelen – Flow-induced vibrations of fibre-reinforcedpolymer hydraulic gates (MSc thesis)
3
toegepast ontwerp van een stalen schuif, heeft ook een grotere negatieve hydrodynamische dempingtot gevolg dan een stalen schuif.
Zowel de invloed van een grotere dikte als een ander type constructie (VVK laminaat of sandwichpaneeltegenover een verstijfde stalen plaat) hebben, kortom, een grotere trillingsgevoeligheid tot gevolg.
Daarnaast is het mogelijk gebleken om met behulp van numerieke stromingsleer softwaregebruikmakende van de quasi-statische analyse te voorspellen welke externe demping benodigd is inhet mechanische massa-veer-demping systeem om een stabiele oplossing te krijgen.
Evaluatie en vooruitblik
De methode gepresenteerd in dit onderzoek kan gebruikt worden om trillingen door het galloping-mechanisme te voorspellen. Ook kan worden bepaald bij welke openingshoogtes negatieve hydro-dynamische demping op kan treden. Dit is vooral van belang voor bijvoorbeeld spuisluizen ofandere waterbouwkundige deuren die op een bepaalde openingshoogte dienen te worden stilgehouden om een bepaald debiet door te laten. Het is te verwachten dat de toegepaste methodetevens toegepast kan worden op andere waterbouwkundige deuren onderhevig aan onderstroom.
Dit onderzoek biedt een aanvulling op het door TNO geschreven rapport ‘Literature search onscreening for flow-vibrations on hydraulic gates’ (S. Belfroid, 2017; TNO 2017 R10528|02). In ditdocument wordt namelijk het volgende aanbevolen: "Uitbreiding screening voor de excitatie vande galloping mode in sluizen en kleppen".
Aangezien dit onderzoek gebruik maakt van numerieke stromingsleer software, dienen deresultaten nog te worden gevalideerd middels fysieke experimenten in een stroomgoot. Verderzouden de resultaten dienen te worden geverifieerd door in numerieke stromingsleer softwareeen bewegende schuif te modelleren of gebruik te maken van een driedimensionaal model inplaats van een tweedimensionaal model.
Kennisprogramma Natte KunstwerkenKennisplan 2017
Trillingsgevoeligheid keermiddelen – Flow-induced vibrations of fibre-reinforcedpolymer hydraulic gates (MSc thesis)
4
Jelmer Veldhuizen | 30-10-17 | slide #1
Flow-Induced Vibrations of Fibre-Reinforced Polymer
Hydraulic Gates
Jelmer Veldhuizen 30-10-17
Prediction of galloping-type vibrations
Jelmer Veldhuizen | 30-10-17 | slide #2
Todays topics
• Introduction
• Problem statement
• Research question
• Research approach
• Results
• Conclusions
• Recommendations
Jelmer Veldhuizen | 30-10-17 | slide #3
• In collaboration with:
• Part of knowledge program:
Introduction
Jelmer Veldhuizen | 30-10-17 | slide #4
Introduction: hydraulic gates
Introduction
Problem statement
Research question
Research approach
Results
Conclusions
Recommendations
Jelmer Veldhuizen | 30-10-17 | slide #5
•
• Equation of motion:
Introduction: dynamics
Damping, c Stiffness, k
Mass, m
Introduction
Problem statement
Research question
Research approach
Results
Conclusions
Recommendations
(t)my cy ky F
Jelmer Veldhuizen | 30-10-17 | slide #6
Introduction: vibrations
• Excitation sources (causes of vibrations):
• Possible consequences:
Introduction
Problem statement
Research question
Research approach
Results
Conclusions
Recommendations
Jelmer Veldhuizen | 30-10-17 | slide #7
• Alternative for steel hydraulic gates:
• Fibre-Reinforced Polymer:
– Consists of:• Fibres;
• Resin.
Introduction: Fibre-Reinforced Polymer
Introduction
Problem statement
Research question
Research approach
Results
Conclusions
Recommendations
Jelmer Veldhuizen | 30-10-17 | slide #8
Flow-Induced Vibrations of Fibre-Reinforced
Polymer Hydraulic Gates
Introduction
Problem statement
Research question
Research approach
Results
Conclusions
Recommendations
Jelmer Veldhuizen | 30-10-17 | slide #9
Problem statement
• Fibre-Reinforced Polymer hydraulic gates:
• Flow-induced vibrations: – Self-excitation;
– Amplified by movement;
– Primarily underflow;
– Priority #1 [1].
Introduction
Problem statement
Research question
Research approach
Results
Conclusions
Recommendations
[1] P. A. Kolkman and T. H. G. Jongeling, Dynamic behaviour of hydraulic structures. Part A: Structures in flowing fluid (2007).
Jelmer Veldhuizen | 30-10-17 | slide #10
• Galloping:
• Force depending on relative flow direction.
• Den Hartog [2].
• Kolkman & Jongeling [1].
Problem statement
Movement direction
[1] P. A. Kolkman and T. H. G. Jongeling, Dynamic behaviour of hydraulic structures. Part A: Structures in flowing fluid (2007).
[2] J. P. den Hartog, Mechanical Vibrations (Dover Publications, Inc., New York, 1956)
Introduction
Problem statement
Research question
Research approach
Results
Conclusions
Recommendations
Flow direction
Jelmer Veldhuizen | 30-10-17 | slide #11
Problem statement
Introduction
Problem statement
Research question
Research approach
Results
Conclusions
Recommendations
Jelmer Veldhuizen | 30-10-17 | slide #12
Research question
“What influence does the choice for Fibre-Reinforced Polymer have on the occurrence of
flow-induced galloping-type vibrations of hydraulic gates with underflow?”
Introduction
Problem statement
Research question
Research approach
Results
Conclusions
Recommendations
Jelmer Veldhuizen | 30-10-17 | slide #13
Research approach
• Part 1: Literature study regarding:– Fibre-Reinforced Polymer;
– Fluid-Structure Interaction.
• Part 2: Influence choice of Fibre-Reinforced Polymer on dynamic properties of a plate:– Differences between a steel and FRP hydraulic gate are
used as input for part 3.
• Part 3: Analysis of galloping-type vibrations.
Introduction
Problem statement
Research question
Research approach
Results
Conclusions
Recommendations
Jelmer Veldhuizen | 30-10-17 | slide #14
( , )my cy ky F y y
Research approach: part 3
• Equation of motion:
Introduction
Problem statement
Research question
Research approach
Results
Conclusions
Recommendations
Jelmer Veldhuizen | 30-10-17 | slide #15
• Thang & Naudascher [3].
• Quasi-static analysis:– VS fully coupled.
[3] N.D. Thang and E.Naudascher, Self-excited vibrations of vertical-lift gates, Journal of Hydraulic Research 24, 391 (1986).
Research approach: part 3
Introduction
Problem statement
Research question
Research approach
Results
Conclusions
Recommendations
tan( / V)y
Jelmer Veldhuizen | 30-10-17 | slide #16
• Step 1: Designs of the hydraulic gates are made.
• Step 2:
• Step 3: Hydrodynamic damping and stiffness:
Research approach: part 3
w
Fyk
y
w
Fyc
y
( , )F y y
Introduction
Problem statement
Research question
Research approach
Results
Conclusions
Recommendations
Included
Jelmer Veldhuizen | 30-10-17 | slide #17
•
• Step 5: Krylov-Bogoliubov method of averaging:
• Step 6: Stability:
Research approach: part 3
( ) ( )sin( ( ))y t A t t t
( , )my cy ky F y y Introduction
Problem statement
Research question
Research approach
Results
Conclusions
Recommendations
Jelmer Veldhuizen | 30-10-17 | slide #18
Results
• GFRP and CFRP dimensioned on:– The same bending strength as the steel plate;
– The same bending stiffness as the steel plate.• Dominant factor.
• Differences:– Thickness;
– Design.
Introduction
Problem statement
Research question
Research approach
Results
Conclusions
Recommendations
Jelmer Veldhuizen | 30-10-17 | slide #19
Results: Computational Fluid Dynamics
Introduction
Problem statement
Research question
Research approach
Results
Conclusions
Recommendations
Jelmer Veldhuizen | 30-10-17 | slide #20
Results: Computational Fluid Dynamics
• ( , )F y yIntroduction
Problem statement
Research question
Research approach
Results
Conclusions
Recommendations
Jelmer Veldhuizen | 30-10-17 | slide #21
Results: Computational Fluid Dynamics
• w
Fyc
y
Introduction
Problem statement
Research question
Research approach
Results
Conclusions
Recommendations
Jelmer Veldhuizen | 30-10-17 | slide #22
Results: Simulation of vibrations
Introduction
Problem statement
Research question
Research approach
Results
Conclusions
Recommendations
Jelmer Veldhuizen | 30-10-17 | slide #23
Results: Simulation of vibrations
Introduction
Problem statement
Research question
Research approach
Results
Conclusions
Recommendations
Jelmer Veldhuizen | 30-10-17 | slide #24
Results: Simulation of vibrations
Introduction
Problem statement
Research question
Research approach
Results
Conclusions
Recommendations
Jelmer Veldhuizen | 30-10-17 | slide #25
Conclusions
“What influence does the choice for Fibre-Reinforced Polymer have on the occurrence of flow-induced galloping-
type vibrations of hydraulic gates with underflow?”
• Influence thickness;– Larger negative damping.
• Larger range where this occurs.
• Influence different design.– Larger negative damping.
• Possible application:– Prediction of galloping-type instabilities using quasi-static CFD
computations Prevention of vibrations.
Introduction
Problem statement
Research question
Research approach
Results
Conclusions
Recommendations
Jelmer Veldhuizen | 30-10-17 | slide #26
Recommendations:
• Verification and validation of the CFD model
• Apply the presented method to other hydraulic gates:– Tainter-gates;
– Sector gates.
Introduction
Problem statement
Research question
Research approach
Results
Conclusions
Recommendations
Jelmer Veldhuizen | 30-10-17 | slide #27
Prediction of flow-induced vibrations?
Questions?
A step is made…
Thank you for your attention
Jelmer Veldhuizen | 30-10-17 | slide #28
FRP applications
Jelmer Veldhuizen | 30-10-17 | slide #29
FRP theory
• Materials:– Fibres;
– Resin.
• Properties:– High strength;
– Low stiffness;
– Orthotropic material properties
Jelmer Veldhuizen | 30-10-17 | slide #30
FRP differences steel
Jelmer Veldhuizen | 30-10-17 | slide #31
FRP Influence orthotropy
Jelmer Veldhuizen | 30-10-17 | slide #32
Added mass: horizontal
Jelmer Veldhuizen | 30-10-17 | slide #33
Added mass: vertical
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8
Relative opening height: delta/h
50
100
150
200
250
300
350
400
TielemanShipAlmost closed gateLinear interpolationQuadratic interpolation
Jelmer Veldhuizen | 30-10-17 | slide #34
Thang & Naudascher
Jelmer Veldhuizen | 30-10-17 | slide #35
CFD model
Jelmer Veldhuizen | 30-10-17 | slide #36
Influence of the inclination angle
• Max decrease of 12%
Jelmer Veldhuizen | 30-10-17 | slide #37
Partial validation
Jelmer Veldhuizen | 30-10-17 | slide #38
Partial validation
Jelmer Veldhuizen | 30-10-17 | slide #39
Partial validation
Jelmer Veldhuizen | 30-10-17 | slide #40
Partial validation
Jelmer Veldhuizen | 30-10-17 | slide #41
Partial validation
Jelmer Veldhuizen | 30-10-17 | slide #42
Partial validation
Jelmer Veldhuizen | 30-10-17 | slide #43
Partial validation
Jelmer Veldhuizen | 30-10-17 | slide #44
Sensitivity analysis
Jelmer Veldhuizen | 30-10-17 | slide #45
Sensitivity analysis
Jelmer Veldhuizen | 30-10-17 | slide #46
Sensitivity analysis
Jelmer Veldhuizen | 30-10-17 | slide #47
Sensitivity analysis
Jelmer Veldhuizen | 30-10-17 | slide #48
Hydrodynamic damping
Jelmer Veldhuizen | 30-10-17 | slide #49
Hydrodynamic damping
Jelmer Veldhuizen | 30-10-17 | slide #50
Scaled required damping
Jelmer Veldhuizen | 30-10-17 | slide #51
Possible solutions
• Apply more external damping
• Change the geometry of the hydraulic gate: