Flytestabilitet

**Flytestabilitet** er en flytende innretnings evne til å motstå kantring og synking. 
 
## Hovedbegreper
* Tyngdepunktet (G) er angrepspunktet for vektresultanten. Tyngdepunktet fastsettes som et punkt med tre koordinater eller som et område. Tyngdepunktet vil variere over tid på grunn av endring av last, ballastering og endringer i hvor personer ombord befinner seg. Når en definerer det som et område, er det som et område tyngdepunktet må holde seg innenfor for å ha tilstrekkelig stabilitet.
* Oppdriftpunkt (O – *engelsk B*) er volumtyngdepunktet av fortrengt væskemengde.
* Metasenteret (M) er skjæringspunktet mellom skipets en vertikal linje gjennom tyngdepunktet ved null krengning (ofte senterlinjeplanet på et skip) og vertikalen gjennom oppdriftspunktet ved små vinkler. Ved større vinkler brukes begrepet falskt metasenter. Når det ikke er krengning vil oppdriften og tyngde ha samme virkelinje. Når en får krengning vil oppdriftspunktet flytte seg, og det gir grunnlaget for beregning av metasenteret.
* Metasenterhøyden (GM) er avstanden mellom tyngdepunktet og metasenteret. Metasenterhøyden brukes som et mål for intaktstabilitet.
* Rettende arm (GZ) er horisontalavstanden mellom tyngdepunktet (G) og en vertikal linje gjennom oppdriftspunktet (O).
* Høyden på tyngdepunktet (KG – *engelsk VCG*) er vertikalavstanden fra kjøl (K) til tyngdepunktet (G).

## Kontroll av vekt og tyngdepunkt - deplasementsmåling og krengeprøver

For skip og flytende plattformer er det vanlig at en for å ha kontroll med vekter og tyngdepunkt:
* under prosjekterings- og byggefasen har en tett vektoppfølging. Nøyaktige vektbestemmelser er vanskelige oppnå, men en får på denne måten et godt anslag av den endelige vekten. Det er laget en internasjonal standard for vektoppfølging.
* utfører vindmodellforsøk for å få pålitelige data til stabilitetsanalyser.
* så nær fullførelse som mulig og ved større ombygginger, gjennomfører en krengeprøve for å bestemme vekt og plassering av tyngdepunkt. Ved krengeprøven krenges skipet eller plattformen en til fire grader, og en beregner ut fra målingene plasseringen av tyngdepunktet. Vekten bestemmes ut fra måling av deplasementet og bestemmes av Arkimedes lov.
* under bruk fører en logg over alle endringer i vekt og plassering av alt større utstyr. Disse benyttes ved en daglig kontroll av stabiliteten der en i beregningene bruker maksimal dekkslast plassert i den mest ugunstige posisjonen. 
* hvert femte år foretar en deplasementsmåling for å undersøke om vekten har forandret seg. Ved forskjeller (typisk 1 % avvik) i lettskipsvekten avholdes ny krengeprøve.
* tanker har peilesystemer som gjør det mulig å vise væskenivået i alle tanker som, når de fylles eller tømmes, virker inn på stabiliteten. Og som ved krengning viser væskenivået i de ballasttanker som er planlagt benyttet til å rette opp plattformen.
* utvendig har indikatorer for dypgående i hvert hjørne av halvt nedsenkbare og oppjekkbare plattformer, og forut og akter for plattformer med skipsskrog.

For å unngå at fartøyer har for mye last ombord og blir ustabil, skal de merkes i samsvar den internasjonale lastelinjekonvensjon, der merkingen viser største tillatte dypgang.

## Fri overflate
Fri-overflateeffekten er en av flere mekanismer der et fartøy kan bli ustabilt og kantre. Det er når væsker eller last med liten intern friksjon som frø, grus eller knust malm i praksis som fungerer som væsker, skvalper eller beveger seg i et fartøys lasterom, dekk, eller tanker som følge av bevegelser i fartøyet.

I et fullastet fartøy motvirkes bevegelsene i fartøyet av et økende oppdriftsvolum av fortrengt sjøvann på den senkte siden. Hvis en masse inne i skipet beveger seg i retning av bevegelsesretningen av fartøyet, motvirker den rettende effekten dette ved å flytte tyngdepunktet mot senkte siden. Den fri-overflateeffekten kan bli et problem i et fartøy med delvis fulle lasterom, drivstoff- eller vanntanker. Om rommet bare er delvis fullt, vil væsken i rommet svare til fartøyets bevegelser. For eksempel om et fartøy ruller mot styrbord, vil væsken bevege seg til styrbord side, og dette vil flytte fartøyets tyngdepunkt mot styrbord. Dette bremser fartøyets bevegelse tilbake mot vertikal stilling. Også store volumer av bevegelige væsker forårsaker betydelige dynamiske laster, som virker mot den rettende effekten. Når fartøyet er tilbake til vertikalposisjonen gjentas effekten på motsatt side. I tung sjø, kan dette forårsaker at hvert kast blir mer og mer ekstremt. Til slutt kan den bli større enn den rettende effekt og føre til en kantring.

Mens gjentatte svingninger i økende omfang ofte blir forbundet med fri-overflateeffekten, er de ikke en nødvendig betingelse. For eksempel fikk både SS Normandie, Deepwater Horizon og MS al-Salam Boccaccio 98, gradvis oppbygging av vann fra brannslokking, som forårsaket kantring i én sammenhengende bevegelse.

Jo høyere oppe væskebevegelser oppstår, dess farligere er de. For å redusere denne faren har lasteskip mindre avdelinger, i stedet for færre større. Det reduserer de frie overflateeffektene. Det å holde individuelle tanker enten tomme eller fulle er en annen måte å redusere effekten. Tanker eller rom som ikke er i fartøyets senterlinje er noe mindre utsatt for destabiliserende svingninger. Tilsvarende er trange rom på ytterpunktene fjernt fra senterlinjene mindre utsatt for å forårsake ustabilitet.

Noen fartøyer er utstyrt med antirulletanker som bremser hastigheten på vannet ved overføringer mellom babord og styrbord side av tanker. Dette er ment å ha en effekt motsatt av den frie-overflateeffekten. Noen fartøyer er utstyrt med aktive stabilitetssystemer, der en legger inn energi i systemet i form av pumper, hydrauliske stempler eller elektriske aktuatorer. Disse systemene omfatter systemer festet til sidene av fartøyet, eller tanker der vann pumpes rundt for å motvirke bevegelse av fartøyet. Aktive stabilisator er normalt brukt til å redusere rulling for fartøyer i bevegelse. For et skip hvor ventiler er knyttet til innsluttet luftrom er lukket, vil kompresjonen av luftvolum øker den effektive hydrostatiske stivheten av skroget og reduserer dets hiv, pitch og rulleperioder. En kan da ha to ulike egenperioder for skipet. Dette er spesielt effektivt i rulling, der en kan dimensjonere slik at en får en betydelig endring i egenperioden. En kan da regulere egenperioden ut fra innkommende bølgeperiode. I tillegg vil væskebevegelser i den neddykkede delen av åpne tanker i tillegg gi viskøs dempning som reduserer bevegelsene ytterligere. Åpne bunntanker med innelukket luft på begge sider av et skip kan brukes til å redusere rullebevegelsene. Tankene gir likevel ikke reduksjon i hiv- eller pitch-bevegelsene. Det er fordi bølgelastene som forårsaker disse to bevegelsene er flere størrelsesordener større enn laster forårsaket av lufttankene. Tankene kan brukes aktivt eller passivt.

## Ballastering
Ballasten kan bestå av stein, grus, malm med stor egenvekt eller væsker som vann. Ballasten brukes for å unngå kantring. Væsker kan flyttes mellom tanker, til eller fra utsiden ved hjelp av et ballastsystem, som består av pumper, rør og ventiler. Plattformer er utstyrt med et pumpesystem som kan ballastere og deballastere enhver ballasttank under normale operasjons- og transittilstander. Kontrollert gravitasjonsfylling av tanker tillates, men for å forebygge uheldige hendelser foretrekker noen å la all væske bli pumpet opp til dekket og derfra videre til den aktuelle tanken. Ved vannfylling av et hvert rom på oppjekkbare innretninger og et hvert rom i søylene eller pongtongene på halvt nedsenkbare innretninger er ballastering fortsatt mulig.

Ballastsystemet dimensjoneres slik at en har kapasitet til:
* å kunne bringe plattformen fra en hvilken som helst dypgang til dypgående for en sikker tilstand, i løpet av tre timer. 
* med alle pumpene intakte innen tre timer etter skade, å kunne bringe innretningen tilbake til en opprettet og styrkemessig akseptabel dypgående.   
* med en hvilken som helst pumpe ute av drift, å bringe plattformen tilbake til en opprettet og styrkemessig akseptabel dypgående. 
For halvt nedsenkbare innretninger klarer en dette uten å ta inn ytterligere ballast. Motfylling kan vurderes brukt som operasjonelt tiltak.

Ballastsystemet er utstyrt med minst to uavhengige pumper slik at ballastering kan gjennomføres i tilfelle feil ved en hvilken som helst av pumpene. Ballastsystemet er også slik at ingen enkelt feil i systemet eller en operatørfeil kan føre til utilsiktet overføring av ballastvann fra en tank til en annen, eller utilsiktet fylling eller tømming av tanker. Nødkraften kan også betjene ballastsystemet. Nødstoppfunksjonen isolerer eller kobler ut kraftforsyningen til fjernbetjeningssystemene og til pumpene, og ballastsystemet går til en sikker posisjon der ventiler stenges og pumper stoppes.

Kontrollen med uttømming av ballastvann er regnet som en viktig miljøsak knyttet til forurensing og spredning av arter i verdenshavene.

## Effekten av kjøl

I mange vektstabile båter som yachter, bidrar kjølen ofte med 35-50% til den totale vekten av båten. En har da fast ballast plassert i kjølen, som gir en rettende kraft slik at kantring bare er mulig under svært sterk vind og høy sjø. På bildet er tyngdepunktet (G) og oppdriftspunktet (A - vanligvis O på norsk) vist. Med økende krengning til den ene siden presser vinden på seilet, mens samtidig flytter krengningen oppdriftssenteret utover, og dermed øker det rettende momentet. Dette kalles gjerne vektstabilitet. Det som særpreger dette er at tyngdepunktet er under oppdriftspunktet. En tilsvarende effekt oppnås på sparbøyer, der en har tung ballast i bunnen av bøyen, og oppdriftslegemene høyt oppe.

Skip uten særlig kjøl og høyt tyngdepunkt som joller og robåter, er normalt stabile. En liten krengningen kan lett kompenseres ved å flytte mannskap eller vekten til motsatt side ved sterk vind, mens for sterk krengning fører til kantring. Dette kalles gjerne formstabilitet. Katamaraner har for eksempel på grunn av sin bredde, en høy formstabilitet.

Både i form- og i vektstabile båter er det en viss krengevinkel der båten kantrer. For en del yachter er kantrevinkelen vanligvis mellom 110° og 160°, mens joller som regel har godt under 90°. Avhengig av hvordan en båt oppfører seg på ulike krengende vinkler, snakker vi om initialstabilitet og sekundærstabilitet.

Kjølen er normalt sveist under skipet i hele lengden av skipet. Slingrekjøl (bilgekjøl) er i par, en for hver side av skipet. Et skip kan ha mer enn én kjøl per side, men dette er sjeldent. Kjølen øker også den hydrodynamiske motstanden og øker dempningen når et fartøy eller plattform ruller, og begrenser dermed rullingen.

## Stabilitetsberegninger

Historisk ble stabilitetsberegninger utført etter grove tommelfingerregler, ofte knyttet til et bestemt system for måling. Noen av disse benyttes fortsatt, men muligheter for modellforsøk, bedre forståelse av væskedynamikk og skipets bevegelser samt datamaskinanalyser åpner for en mer dyptgående analyser.

Når et fartøy flyter på sjøen, er det påvirket av vekten som virker loddrett nedover og oppdriften, som virker loddrett oppover. Ligger skipet i stille vann, vil de to holde hverandre i likevekt. Ved bevegelser vil vekten bidra til å gjøre fartøyet ustabilt, og oppdriften til å stabilisere.

Det utføres stabilitetsberegninger for både intakt og skadet tilstand. Skip er vanligvis laget for lett å tilfredsstille stabilitetskravene. For halvt nedsenkbare plattformer kan god stabilitet være vanskeligere å oppnå, og de er mer følsomme for skader.

Kontroll av stabilitet vil gjerne foregå i flere faser:
* Kontroll av stabilitet i ro.
* Kontroll av stabilitet i ro med vind.
* Kontroll i bevegelse i bølger og vind.
* Kontroll i skadet tilstand i ro.

Det er ulike måter å vise at et fartøy eller en plattform er stabil. Bruker en et regelverk gir det ett sett med fornuftige metoder og sikkerhetsfaktorer, mens et annet gir et annet. Det er sjelden fornuftig å hente enkelstående krav fra forskjellige regelverk. Det er derimot vanlig at en må tilfredsstille flere regelverk avhengig av hvor i verden en skal opererere.

## Intakt stabilitet
Med begrepet «intakt stabilitet» menes at fartøyet er uskadet.

Metasenterhøyden brukes som mål på intakt stabilitet ved små helninger opp til ca 5°. Ved større helninger kan det ikke lenger anses som et sikkert kriterium. I stedet brukes rettende arm (GZ) for store vinkler i stabilitetsberegninger.

### Stabilitet i ro uten bølger, strøm og vind - kontroll av metasenterhøyden

Stabilitetsberegninger i intakt tilstand er relativt enkle og innebære i hovedsak at sentrum for oppdrift (O) sammenliknes med sentrum for vekten (G).

Et legeme som er i ro eller beveger seg med en konstant hastighet, er i en likevektstilstand. Det er tre typer likevekt:
* stabil likevekt når en etter at ytre laster er fjernet, søker seg tilbake til utgangspunktet (GM>0).
* labil likevekt når en forblir i den nye tilstanden (GM=0).
* ustabil likevekt når en fjerner seg fra opprinnelig tilstand (GM