20190412 Oplegnotitie KpNK 2017 11200741-009 ... · 12/31/2018 · De hierop volgende samenvatting heeft betrekking op de MSc thesis “Trillingsgevoeligheid keermiddelen - Flow-induced

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.

mailto:[email protected]

https://www.nattekunstwerkenvandetoekomst.nl/


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.


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.

https://www.nattekunstwerkenvandetoekomst.nl/


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?”



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

https://repository.tudelft.nl/islandora/object/uuid%3A42abd0ba-3aab-4a2e-8c70-c5eef4b6cf65?collection=education

https://repository.tudelft.nl/islandora/object/uuid%3A42abd0ba-3aab-4a2e-8c70-c5eef4b6cf65?collection=education



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.



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


Todays topics

• Introduction

• Problem statement

• Research question

• Research approach

• Results

• Conclusions

• Recommendations


• In collaboration with:

• Part of knowledge program:

Introduction


Introduction: hydraulic gates

Introduction

Problem statement

Research question

Research approach

Results

Conclusions

Recommendations


•

• 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


Introduction: vibrations

• Excitation sources (causes of vibrations):

• Possible consequences:

Introduction

Problem statement

Research question

Research approach

Results

Conclusions

Recommendations


• 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


Flow-Induced Vibrations of Fibre-Reinforced

Polymer Hydraulic Gates

Introduction

Problem statement

Research question

Research approach

Results

Conclusions

Recommendations


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).


• 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


Problem statement

Introduction

Problem statement

Research question

Research approach

Results

Conclusions

Recommendations


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


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


( , )my cy ky F y y

Research approach: part 3

• Equation of motion:

Introduction

Problem statement

Research question

Research approach

Results

Conclusions

Recommendations


• 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).


Introduction

Problem statement

Research question

Research approach

Results

Conclusions

Recommendations

tan( / V)y


• Step 1: Designs of the hydraulic gates are made.

• Step 2:

• Step 3: Hydrodynamic damping and stiffness:


w

Fyk

y

w

Fyc

y

( , )F y y

Introduction

Problem statement

Research question

Research approach

Results

Conclusions

Recommendations

Included


•

• Step 5: Krylov-Bogoliubov method of averaging:

• Step 6: Stability:


( ) ( )sin( ( ))y t A t t t

( , )my cy ky F y y Introduction

Problem statement

Research question

Research approach

Results

Conclusions

Recommendations


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


Results: Computational Fluid Dynamics

Introduction

Problem statement

Research question

Research approach

Results

Conclusions

Recommendations



• ( , )F y yIntroduction

Problem statement

Research question

Research approach

Results

Conclusions

Recommendations



• w

Fyc

y

Introduction

Problem statement

Research question

Research approach

Results

Conclusions

Recommendations


Results: Simulation of vibrations

Introduction

Problem statement

Research question

Research approach

Results

Conclusions

Recommendations



Introduction

Problem statement

Research question

Research approach

Results

Conclusions

Recommendations



Introduction

Problem statement

Research question

Research approach

Results

Conclusions

Recommendations


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


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


Prediction of flow-induced vibrations?

Questions?

A step is made…

Thank you for your attention


FRP applications


FRP theory

• Materials:– Fibres;

– Resin.

• Properties:– High strength;

– Low stiffness;

– Orthotropic material properties


FRP differences steel


FRP Influence orthotropy


Added mass: horizontal


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


Thang & Naudascher


CFD model


Influence of the inclination angle

• Max decrease of 12%


Partial validation


Partial validation


Partial validation


Partial validation


Partial validation


Partial validation


Partial validation


Sensitivity analysis








Hydrodynamic damping


Hydrodynamic damping


Scaled required damping


Possible solutions

• Apply more external damping

• Change the geometry of the hydraulic gate:

Documents

20190412 Oplegnotitie KpNK 2017 11200741-009 ... · 12/31/2018 · De hierop volgende samenvatting heeft betrekking op de MSc thesis “Trillingsgevoeligheid keermiddelen - Flow-induced