Sisältö. Luento 5: Paino. Laivasuunnittelijan perustehtävä Poikittainen vakavuus Omapainon arviointi. Kul Laivaprojekti

Transkriptio

1 Luento 5: Paino Kul Laivaprojekti Sovellettu mekaniikka Meritekniikan tutkimusryhmä Sisältö Laivasuunnittelijan perustehtävä Poikittainen vakavuus Omapainon arviointi Schneekluth, Ship design for efficiency and economy, sivut INSKO, Laivan painolaskenta, Taggart, Ship Design and Construction, Ch 11.3, 2003, Sname

2 Laivasuunnittelijan perustehtävä painoyhtälön toteuttaminen halutulla syväyksellä vaatii oikean arvion laivan omapainosta W LS : = W LS + W DW painolaskujen avulla määritetään omapaino painoon liittyy aina myös painopisteen paikka vaaka- ja pystysuunnassa, joskus myös sivusuunnassa, liian painava laiva: ei pysty ottamaan suunniteltua lastia vakavuus ei täytä vaatimuksia laiva ei ui tasakölillä haluttua nopeutta ei saavuteta valmistuskustannukset ylittyvät. laivan poikittainen alkuvakavuus Laivan yleissuunnittelussa seuraavat suureet ovat keskeisiä: uppouman pp:n korkeus KB laivan massan pp:n korkeus KG vaihtokeskussäde MB= I B M vaihtokeskuskorkeus GM G KVV B B' K B

3 Käyrälehti (curves of form or hydrostatic curves) A WP I L KB TPI 1m I T MCT 1m LCB LCF KM T C B KM L C P C WP C M Perä Keula Painolaskelmat telakalla painolaskelmat ovat suuritöiset ja nähtävä pitkäjänteisenä prosessina eikä yksittäistoimenpiteenä, painolaskennan tarkkuutta lisätään suunnittelun edistyessä ajallisesti voidaan painolaskelmat jaotella seuraavasti: esilaskenta päättyy laivasopimukseen seurantalaskelmat rakentamisvaiheessa lopulliset, viralliset laskelmat laivan luovutuksessa jälkilaskenta,jossa selvitetään laivan painomuutokset tilastointi sellaisessa muodossa, että tietoja voidaan uusissa projekteissa hyödyntää. telakalla laivan todellinen paino ja painopisteen paikka todetaan kallistuskokeen yhteydessä. laskenta ajan perusteella voidaan erottaa kolme tarkkuustasoa: pika-arvio alustava painolaskelma yksityiskohtainen painolaskelma. alustava yleiskuva erittely muutostiedot valmistuneet piirustukset työpiirustukset lopullinen erittely punnitustulokset virallisen kantavuus ja vakavuus kallistuskoe esilaskelma viralliset laskelmat välikalkyylit painonseurantaa varten loppuanalyysi tiedot päämittoja varten muutostrendit jälkilaskenta painotilastot

4 Laivan omapainon ryhmittely Omapainon jakoperusteet on oltava samat laivasta toiseen. Tällöin tuloksilla on tilastollista merkitystä. Seuraavassa on esitetty karkea ryhmittely: runko, osuus omapainosta % sisältää runko- ja kansirakenteet konevarusteet, osuus omapainosta % sisältää: kuljetuskoneiston ja siihen liittyvä varustus sähkön- ja lämmöntuottolaitteet LVI-laitteet kansivarusteet, osuus omapainosta 5-20 % sisältää lastinkäsittelylaitteet ankkurointi ja kiinnitysvarusteet sisustusvarusteet, osuus omapainosta lastilaivoilla 2-3%, matkustajalaivoilla % sisältää: asuntotilat yleiset tilat keittiöt ja varastotilat Alustava painolaskelma omapainon kukin ryhmä jaetaan pienempiin osiin, esimerkiksi rungon paino: perälaiva = C 211 x LBH keulalaiva = C 212 x LBH kaksoispohja = C 213 x LB H runkolaipiot = C 214 x A runkokannet= C 215 x A laidoitus = C 216 x L(B + 2H) ylärakenteet = C 221 x V savupiippu= C 223 x V konealustat= C 23 x LBH painokertoimien C arvot otetaan tilastoista. Sen sijaan tilavuudet ja pinta-alat lasketaan projektin karkeasta yleisjärjestelypiirustuksesta, vastaavasti muut ryhmät: koneisto, varustelu ja sisustus, suurten erikoisvarusteiden paino mahdollisesti suoraan. jaottelu pysyy samana laivasta toiseen, ajantarve alle vuorokausi

5 RoPax-laivan vaadittava uppouma RoPax-laivan päätiedot pituus LWL m leveys B m syväys T 6.00 m sivukorkeus D m koneteho PB 12 MW nopeus 17 solmua matkustaja määrä 140 henk. silta miehistö päällöstö ruokasali cafeteria matkustajahytit matkustajahytit RO-RO-lasti keittiö matkustajahytit RO-RO-lasti apukoneet WB-tankit pääkoneet lastiruuma, saksihissit PÖ-tankit WB-tankit ryhmä G/ton VCG/m vert M HCG/m hor M kantavuus ro-ro lasti polttoaine makeavesi miehistö matkustajat muona yhteensä , , omapaino ,75 47,40 vaadittava upp ,14 45, B = 24 m T = 6.0 m Ropax teräspaino ryhmä yksikkö P-kerroin yksikön paino VCG vertik. M HCG hor. M kg/yks. arvo [ton] runko perälaiva LBH 1, , ,4 6,7 202,6 keulalaiva LBH 0, ,19 10,5 254, ,7 pohjarakenne lbh , runkolaipiot LBH 7, , , ,4 laid+kaar L(B+2H) ,64 7,9 4547, ,4 sekalaiset LBH 1, ,408 6,3 323, ,36 runkok. yk. A runkok. 1k A ,5 8,7 2066, ,5 runkok. 2k A ,8 259,2 55, ylärak. 1 sk. V ,6 15,8 2079, ,8 ylärak. ro-rok. V ,2 17, ,4 2 sk V ,6 18,6 2447, ,8 3 sk V ,5 3332, sk V ,2 24,5 2038, ,2 5sk. V , , runko yht ,37 48,32

6 Ropax sisustus ryhmä yksikkö P- kerroin kg/yks. yksikö n arvo paino [ton] VCG vertik. M HCG hor. M konehuone AMW yk:n päällä A sk päällä A , sk päällä A ,5 20,6 2605, ,5 3 sk päällä A ,8 23,4 1867, ,8 4 sk päällä A ,2 1807, sisustus yht ,08 62,37 Ropax koneisto ryhmä yksikkö P- kerroin kg/yks. yksikö n arvo paino [ton] VCG vertik. M HCG hor. M pääkoneet KPL , potk, vaih, AMW ,8 302, aks apukoneet AMW ,9 538, koneh. putk AMW , runko. putk LBH 1, ,36 3,2 145, ,5 LVI Sis. A ,86 18,1 1644, ,9 kaapelit, sähk. LBH 2, , ,6 1028, ,4 koneis to yht ,56 32,7 8

7 Ropax varustelu ryhmä yksikkö P- kerroin kg/yks. yksikö n arvo paino [ton] VCG vertik. M HCG hor. M taav. pel.vene KPL , ankkuriv. l(b+h) ,72 7,5 410, ,9 peräportti KPL hissit lastk. kpl ,8 228, muut lbh 9, , , ,9 varustelu yht ,90 45,99 Ropax omapaino yhteensä ryhmä yksikkö P- kerroin kg/yks. yksikö n arvo paino [ton] VCG vertik. M HCG yhteensä ,75 47,40 reservi, 10 % 424 omapaino 4668 omap/lbd 0,154 hor. M

8 Yksityiskohtainen painolaskelma laivan suunnittelu on edennyt niin pitkälle, että myös painokertoimet C voidaan laskea: yleisjärjestelypiirustuksesta rakennepiirustuksista järjestelmä piirustuksista laivan erittelystä laitetoimittajien antamista tarjouksista projektilaivan tekniset ratkaisut otetaan huomioon täysmääräisesti, yksityiskohtaiset laskelmat tuottavat kilottain paperia ajantarve on noin kaksi viikkoa Painokertoimet Perustapauksena on jäykistetty levykenttä, jossa levyyn on kiinnitetty kaaret, pitkittäisjäykkääjät ja poikittaiset kehyskaaret. Tämän rakenteen neliöpaino eli painokerroin C saadaan laskettua seuraavasti: C = 8t + 1 S GIR ( S GIR s 1)W FR + 1 S GIR W GIR + 1 S WEB W Web [ton/m 2 ] Esimerkki, Laske seuraavan pitkittäinkaaritetun kannen neliöpaino: T-400x6,0/100x10 HP-160x7 Kehyskaariväli S = 4x0,8= 2,4 m ja T-400x8/100x ,0 C = 8x8+ 1 3,5 (3,5 0,7 1)x11, ,5 26,69+ 1 kg 40,82 =102 2,4 m 2

9 Painolaskennan vakioita meriveden tiheys Itämeri 1,01 ton/m 3, valtameri 1,025 ton/m 3 Helsinki 1,0038 ton/m 3, katso Merenkulun lainsäädäntö s.960 öljyt, kun lämpötila on noin 20 o C raskaspolttoaine 0,93 ton/m 3 voiteluaine 0,91 ton/m 3 dieselpolttoaine 0,83 ton/m 3 teräs tiheys keskimäärin 7,8 ton/m 3 teräksen valmistustoleranssit huomioon ottaen painolaskennassa käytetään aina arvoa 8,0 ton/m 3 esimerkiksi 1 mm paksuinen teräslevy painaa 8 kg/m 2 Käytännön näkökohtia painolaskennasta painolaskuvirheiden välttämiseksi on hyödyllistä suorittaa: suuruusluokka-arviointia vertailua tilastoihin kilpailevia laskelmia uudelleen laskentaa toisella metodilla painojen ja painopisteiden laskenta muodostaa olellisen osan laivasuunnittelussa mitä karkeampi projekti sitä yksinkertaisemmat ja tilastoon perustuvat painolaskelmat, painolaskelmiin kuuluu iteratiivisuus, liian yksityiskohtaiset laskelmat suunnittelun alkuvaiheessa antavat huonon lopputuloksen, omapainoennusteeseen telakka lisää painoreservin, jonka suuruus on riippuvainen laivatyypistä, tilaajasta ja telakan kokemuksesta ja se voi vaihdella 5-15 % omapainosta.

10 Omapainon ja painopisteen reservin käytön motivaatiot laivan omapainon ja siihen liittyvän painopisteen laskelmat laaditaan suunnitteluvaiheessa, jolloin laivan päämitat ja rungonmuoto lyödään lukkoon rakentamisvaihe kasvattaa omapainoa ja sen painopisteen korkeutta, telakka varautuu omapainon ja painopisteen korkeuden (KG) muutoksiin, jotka johtuvat telakasta: konstruktiomuutokset ja painolaskennan epätarkkuus, käyttämällä reserviä: omapainon reservillä varmistetaan, ettei sopimusarvoa laivan kantavuudesta aliteta painopisteen korkeusreservillä varmistetaan, ettei laivan GM vaatimusta aliteta = W ls + W res + W dw, jossa uppouman nostovoima W ls laivan omapaino W res telakan omapainon reservi W dw laivan kantavuus GM = KM ( KG +KG res ), jossa GM alkuvaihtokeskuskorkeus KM alkuvaihtokeskuksen etäisyys kölipisteestä KG painopisteen etäisyys kölipisteestä KG res painopisteen reservi Reservin suuruuteen vaikuttavat tekijät laivan kantavuuden ja uppoaman välinen suhde: mitä pienempi sitä painokriittisempi laiva, Normandin luku kuvaa samaa asiaa esimerkiksi, jos laivan kyseinen suhdeluku on 0.2, niin 10 % omapainon ylitys syö 40 % kantavuudesta ja lopputulos on painokatastrofi, omapainon koostumus, jos se sisältää runsaasti pienistä painopositioista koostuvaa varustelua. Esimerkiksi matkustajalaivan sisustusvarustelun painon määrittäminen, laivan rakennustapa, standarisoinnin, esim. moduulitekniikan avulla saadaan painotieto paremmaksi, uutuusaste: telakan kokemus kyseessä olevasta laivatyypistä, jos telakalla ei ole laivatyypistä rakentamiskokemusta on reserviä kasvattamalla varauduttava puutteelliseen painotietämykseen. telakan kokemus varustamosta. Esimerkiksi venäläisille varustamoille toimitettavissa laivoissa tulee varautua painolisäyksiin reserviä kasvattamalla. rakentamisen vaiheen ajankohta: sopimus, vesillelasku ja luovutus risteilylaiva iso tankkeri ro-ro alus omapaino/uppouma 0 50 % 100 %

11 Omapainon reservin ohjearvoja reservi suuruus on ilmaistu prosentteina omapainosta ja kohdistetaan koko laivan omapainoon, ei sen osille. Painopisteen korkeuden reservi metreissä reserviä kulutetaan laivan valmistuksen aikana ja tavoitteena on, että laivan luovutushetkellä painon reservin suuruus on 0 % ja painopisteen korkeuden arvo on 0,1 m. Jäännösreservin tarve johtuu GM-arvon määrittämisen vaikeudesta todellisessa käyttötilanteessa. reservin suuruus riippuu DW/D - suhteesta, seuraavat arvot ovat käyttökelpoisia prototyyppilaivalle, jonka kyseinen suhde on 0,2-0,3: alustavat painolaskelmat, jotka perustuvat kyseisen laivan suunnitelmista laskettuihin painokertoimiin, 15 %, painopisteen reservi 1 m linjojen lukkoon lyönnin ajankohtana, 10 %, pp reservi 0,8 m kuusi kuukautta ennen luovutusta 3 %, pp reservi 0,6 m jos telakalla on käytettävissä prototyyppilaivan kallistuskokeen tulokset, niin serkulle voidaan käyttää pienempiä reservin arvoja, kuitenkin pitäen mielessä, että laivasysteemien painot yleensä kasvavat: alustavat painolaskelmat: 8 % ja 0,5 m linjat kiinni: 6 % ja 0,40 m 6 kk ennen luovutusta 3 % ja 0,30 m. Scantling-reservi telakan painolaskennan virheet näkyvät laivan syväydessä scantling-reservi on telakan hätävara kantavuuden sakkorajan suhteen, T MAX käytetään varalaidan ja rungon mitoituksessa sekä kantavuuden sakkorajan määrittämisessä T KVV käytetään suoritusarvojen laskennassa (kantavuus- ja vastus) scantling-reservin DT = T MAX - T KVV suuruus on yleensä 0,20 m T T kvv varalaita F T max

12 Kantavuuden käsitteitä sopimuskantavuus: laivasopimuksessa mainittu kantavuusvaatimus (dwt) kantavuuden sakkoraja: kantavuuden arvo, jonka alittamisesta joudutaan maksamaan sakkoa tilaajalle (mk/ton), kantavuuden hylkäysraja: kantavuuden arvo, jonka alituksen jälkeen tilaajan ei tarvitse ottaa laivaa vastaan juridinen kantavuus: kantavuuden arvo, jossa on otettu huomioon tilaajan aiheuttamat painomuutokset lisättynä painolastivaraus. Tällä kompensoidaan painon lisäyksen aiheuttama omapainon painopisteen nousu eli säilytetään laivan poikittainen vakavuus ennallaan. lisäpaino painolastivaraus G Telakan ja tilaajan aiheuttamat omapainon paino muutokset tilaajan luetaan uudisrakennuksen sopimuserittelyn ulkopuolelta tulevat painomuutokset. Varustamon kannalta laivan ansaintakyky alenee, Tilaajan painomuutokset otetaan huomioon siten, että varsinaisen painon lisäksi painolastivaraus, jolla huolehditaan omapainon painopistekorkeuden KG säilymisestä ennallaan. Sopimuskantavuudesta vähennetään nämä molemmat ja tulosta kutsutaan juridiseksi kantavuudeksi painolastivarauksen realisointi riippuu kallistuskokeen tuloksesta. Telakan painomuutoksia varten on reservi sopimushetken kantavuus telakan omapainon reservi laskettu laivan omapaino sopimushetkellä sopimushetki lisäpaino uppouma KVV:llä juridinen kantavuus tilaajan aiheuttamat omapainon muutokset ja niiden painolastivaraukset jäljellä oleva omapainon reservi telakan omapainon muutokset rakentamisajan tilanne G aika painolastivaraus