Laivan painolaskenta

Transkriptio

1 Aalto-yliopisto Insinööritieteiden korkeakoulu Konetekniikan koulutusohjelma Laivan painolaskenta Kandidaatintyö Timo Särkkä

2 AALTO-YLIOPISTO INSINÖÖRITIETEIDEN KORKEAKOULU PL 11000, AALTO KANDIDAATINTYÖN TIIVISTELMÄ Tekijä: Timo Särkkä Työn nimi: Laivan painolaskenta Koulutusohjelma: Konetekniikka Pääaine: Meritekniikka Pääaineen koodi: K3005 Vastuuopettaja(t): prof. Gary Marquis Ohjaaja(t): TkT Heikki Remes Laiva on kelluva kappale. Siksi sen suunnittelussa on pidettävä huolta uppoumatasapainon oikeanlaisesta toteutumisesta. Tämä tarkoittaa käytännössä laivan painon ja painopisteen paikan määrittelyä niin, että vaaditut suoritus- ja turvallisuusvaatimukset täyttyvät. Painolla on myös vahva linkki laivaprojektin kustannuksiin. Painolaskenta on oleellinen osa laivanrakennusprojektia, ja se on näennäisestä yksinkertaisuudestaan huolimatta haasteellinen tehtävä vielä nykyajankin laivanrakennuksessa. Tämän kandidaatintyön tavoitteena on luoda yleiskatsaus laivan painolaskentaan. Painolaskentakirjallisuus englanniksi on kattavaa, mutta selkeä suomenkielinen perusesitys aiheesta puuttuu. Työssä esitellään lyhyesti aiheen teoria ja käydään läpi painoarviointi- ja painolaskentamenetelmiä, lähtien pika-arvioista ja edeten yksityiskohtaisiin painolaskelmiin asti. Lisäksi esitellään painolaskennan organisoimista telakalla ja painolaskennan riskitekijöitä. Tässä työssä nähdään laivasuunnittelun iteratiivinen luonne, joka koskee myös painolaskentaa. Tarkkojen painoarvioiden tekeminen ei yksin riitä. Alussa saatuja arviotuloksia pitää suunnittelun edetessä tarkentaa ja tuotantovaiheessa painon kehitystä täytyy seurata tarkasti. Todellinen laivan paino saadaan määritettyä vasta kallistuskokeessa. Telakan painolaskentaorganisaation täytyy toimia tehokkaasti ja häiriötilanteisiin nopeasti reagoiden, jotta laivan paino luovutushetkellä ei ylitä suunnitteluarvoja. Painolaskenta sinänsä ei vaadi laivanrakennustekniikan erityisen syvällistä osaamista, vaan pikemminkin kykyä muodostaa yleiskäsitys koko laivanrakennusprosessista ja sen eri suunnittelu- ja työvaiheista. Varsinkin Suomen telakkateollisuuden perinteisesti tuottamat laivatyypit vaativat erityisen tarkkaa painohallintaa. Siksi alan osaajien tieto-, taito- ja motivaatiotaso on turvattava tulevaisuudessakin. Päivämäärä: Kieli: suomi Sivumäärä: 30 Avainsanat: laiva, paino, painolaskenta, laivanrakennus

3 Sisällysluettelo Käytetyt symbolit... ii Käytetyt lyhenteet... iv 1 Johdanto Painolaskennan teoriaa ja taustaa Painoyhtälö ja painopiste Laivan painon koostumus Reservit Painolaskenta laivanrakennusprojektissa Pika-arviot ja alustavat painolaskelmat Laivan omapaino ja rungon paino Kuljetuskoneiston ja propulsiojärjestelmän paino Varustelu- ja sisustuspaino, sekä muut kohteet Painopisteen korkeuden arviointi Yksityiskohtaiset painolaskelmat ja painoseuranta Painojen laskenta piirustuksista ja tuotemalleista Painokehityksen seuranta Jälkilaskenta ja kallistuskoe Painolaskennan organisointi telakalla Riskit painolaskennassa Yhteenveto Lähteet Liitteet Liite 1 Schneekluthin menetelmissä käytettyjä kertoimia painojen arvioimiseen Liite 2 Esimerkki painolaskennassa käytetystä taulukkolaskentapohjasta i

4 Käytetyt symbolit laivan vedenalaisen uppouman tilavuus laivan kansirakenteiden tilavuus veden noste, laivan uppouman nostovoima θ laivan poikittainen kallistumiskulma veden tiheys Munro-Smithin painokerroin laivan pituudelle Munro-Smithin painokerroin laivan leveydelle kallistavan painon etäisyys laivan keskiakselilta Munro-Smithin painokerroin laivan sivukorkeudelle gravitaatiokiihtyvyys Schneekluthin potkurin painokerroin kierrosten lukumäärä minuutissa (rpm) Harvaldin & Jensenin rungon painokerroin kallistuskokeessa käytetty laivaa kallistava paino potkurin lapojen lukumäärä pinta-ala potkurin pinta-alasuhde laivan leveys kuutioluku, tai muu painoarviokerroin laivan muotokerroin laivan sivukorkeus potkurin halkaisija laivan painopiste alkuvaihtokeskuskorkeus oikaisevan momentin varsi laivan kölipiste laivan painopisteen korkeus kölipisteestä laivan alkuvaihtokeskuksen korkeus kölipisteestä laivan pituus alkuvaihtokeskus laivan koneteho Schneekluthin varustelupainokerroin ii

5 laivan syväys uppouman nostovoiman vaikutuspiste uppouman nostovoiman vaikutuspiste laivan kallistuttua osan tai rakenteen tilavuus laivan tai rakenteen paino laivan vesiviiva (waterline) vesiviiva laivan kallistuttua Alaindeksit me laivan päämoottorit n nykyinen projektilaiva r referenssi-/esikuvalaiva pp perpendikkelien välinen etäisyys prop potkuri s laivan modifioidun sivukorkeuden tunnus shaft potkuriakseli sst kansirakenteet (superstructure) DW laivan kantavuus (dead weight) EO varustelu- ja sisustus (equipment & outfit) GV laivan koko tilavuus (gross volume) H laivan runko KG laivan painopisteen korkeus kölipisteestä LS laivan omapaino (light ship) M laivan koneisto R reservi SO Harvaldin menetelmän kerroin litteraryhmiä iii

6 Käytetyt lyhenteet CAD INSKO SAWE SNAME SLA Computer Aided Design Insinöörijärjestöjen Koulutuskeskus Society of Allied Weight Engineers Society of Naval Architects and Marine Engineers Service Life Allowance iv

7 1 Johdanto Laivan uppoumatasapainon laskeminen on laivasuunnittelijan tärkeimpiä tehtäviä. Tämä tarkoittaa käytännössä laivan painon ja painopisteen paikan määrittelyä. Laivan paino ja painopiste vaikuttavat koko laivaprojektin kannalta olennaisiin asioihin, kuten laivan suorituskykyyn, merikelpoisuuteen ja vakavuuteen. Paino on myös vahvasti kytköksissä laivaprojektin kustannuksiin. Laivan paino täytyy ottaa huomioon suunnittelussa samalla tarkkuudella, kuin muutkin tekniset kriteerit. Pienten yksittäisten painolaskentavirheiden kumulatiivinen vaikutus voi johtaa aluksen huonoon suorituskykyyn ja olla täten uhka koko laivanrakennusprojektille. Suuret virheet voivat aiheuttaa vakavia myöhästymisiä ja pahimmillaan koko projektin hylkäämisen. Siksi riittävän laadukas painolaskenta on yksi onnistuneen laivanrakennusprojektin peruspilareista. Laivan painolaskenta on hyvin hierarkkinen ja iteratiivinen prosessi, jonka tarkkuus lisääntyy suunnittelun edetessä. Suunnittelun alussa laivalle luodaan painoarvio käyttäen tilastollisia ja parametrisia menetelmiä. Projektin edetessä arviot vaihtuvat todelliseksi tiedoksi ja painot voidaan laskea käyttäen suunnittelupiirustuksia ja laiteluetteloita. Painolaskennassa hallittavan tiedon määrä on varsinkin isoissa aluksissa valtava. Painolaskennan teoria pelkistettynä on yksinkertaista ja käytännön haasteet ovatkin enemmän organisatorisia. Painolaskenta vaatii ennen kaikkea pitkäjänteisyyttä. Telakan painolaskijan täytyy pitää huolta siitä, että projektin painonhallinta otetaan eri sidosryhmissä riittävän vakavasti. Tämä saattaa olla välillä haastava tehtävä, kun samalla täytyy ottaa huomioon laivaprojektien tiukat taloudelliset ja tekniset vaatimukset. Eri suunnittelijaryhmien intressit saattavat välillä olla ristiriidassa ja aiheuttaa ongelmia projektin painohallinnalle. Aiheesta on julkaistu kirjallisuutta kohtuullisen paljon. Englanninkieliset perusteokset ovat laajoja ja kattavia. Esimerkiksi tässäkin työssä lähteenä monesti käytetty SAWEn [1] julkaisema ohjekirjamainen painolaskentateos käsittelee aihetta hyvin perusteellisesti. Suppeammin aihetta käsittelee SNAMEn [2] laivanrakennuksen oppikirja. Schneekluthin käytännön laivasuunnittelua esittelevä teos keskittyy laivaprojektin alkuvaiheen painoarviointityötä helpottaviin empiirisiin kaavoihin [3]. Muitakin vieraskielisiä lähteitä on lukuisia. Suomenkielinen painolaskennan kirjallisuus kaipaisi lisää selkeyttä [4, 5, 6]. Tämän kandidaatintyön tavoitteena onkin muodostaa aiheesta lukijalle selkeä kokonaiskuva. Tämä tehdään luomalla yleiskatsaus painolaskennan menetelmiin ja työvaiheisiin. Aluksi esitellään aiheen teoriaa ja taustaa. Sen jälkeen keskitytään painolaskennan menetelmiin lähtien ensimmäisistä painoarvioista edeten aina jälkilaskelmiin asti. Ensimmäiset painoarviot ovat yleensä vaikein ja tärkein vaihe painolaskennassa: siksi niille on annettu tässä työssä suhteellisen paljon huomiota. Varsinaisten painolaskentamenetelmien lisäksi käsitellään painolaskentaorganisaatiota ja painolaskennan riskejä. Viimeinen luku sisältää yhteenvedon ja pohdintaa. 1

8 2 Painolaskennan teoriaa ja taustaa Laivan painohallinta poikkeaa muiden rakenteiden painohallinnasta. Usein muiden kuljetusvälineiden, kuten autojen, valmistuksessa luodaan ensin prototyyppi, jonka paino voidaan määrittää ennen oikean tuotannon aloittamista. Laiva rakennetaan suoraan suunnitelmien perusteella ja ilman testausprototyyppiä, joten painon ja painopisteen suuruudet on laskettava jo suunnitteluvaiheessa oikein. Lähtökohtana on laivan painoyhtälö, jossa laivan paino ja uppouman nostovoima (eli veden noste) ovat tasapainossa. Painoyhtälön toteuttaminen halutulla syväyksellä vaatii laivasuunnittelijalta oikean arvion laivan omapainosta. [5, s. 2 4] 2.1 Painoyhtälö ja painopiste Laiva on kelluva kappale. Vedessä laivan runkoon kohdistuu hydrostaattinen paine, jonka resultanttia kutsutaan laivan uppouman nostovoimaksi. Arkhimedeen lain mukaan nesteeseen osittain tai kokonaan upotettuun kappaleeseen kohdistuu noste, jonka suuruus on yhtä suuri (mutta suunnaltaan vastakkainen), kuin kappaleen syrjäyttämän neste- tai kaasumäärän paino. Siten saadaan uppouman nostovoimaksi: LBT (1) jossa on veden tiheys, g maan vetovoiman kiihtyvyys, laivan uppouman tilavuus ja laivan uppouman täyteläisyysaste. Laivan lineaariset päämitat ovat L laivan vesiviivapituus, B laivan leveys ja T laivan syväys. Laivan painoyhtälö voidaan esittää laivan omapainon (light ship), laivan kantavuuden (dead weight) ja uppouman nostovoiman avulla: Laivan omapainoon lasketaan runkorakenne, laitteet ja varusteet ja laivan kantavuuteen lasti, polttoaine ja miehistö. Painojen jaottelua tarkemmin eri osa-alueisiin on käsitelty kohdassa 2.2. Laivan painon lisäksi toinen yhtä tärkeä tekijä on laivan painopisteen sijainti. Laivan painopisteellä on vaikutusta esimerkiksi laivan alkuvakavuuteen. Tarkastellaan esimerkin vuoksi alusta, jonka oletetaan olevan kallistuneen kulmaan θ, kuten kuvassa 1 on esitetty. Kun painopiste G on tarpeeksi matalalla, aluksen painon W ja uppouman nostovoiman muodostama oikaiseva voimapari pyrkii palauttamaan kallistuneen aluksen takaisin pystysuoraan asentoon. Kuvassa 1 on esitetty tämä voimapari, jota yleensä kutsutaan oikaisevaksi momentiksi. Oikaisevan momentin varsi on kuvassa näkyvän laivan painopisteen G ja pisteen Z välinen etäisyys,. Jos laivan painopiste sijaitsee liian korkealla, se voi muodostaa nostovoiman kanssa kallistavan voimaparin, joka kallistaa alusta lisää. Tämä saattaa johtaa epävakaaseen laivaan. Kuvan 1 tilanteessa tämä merkitsisi sitä, että painopiste G olisi uppouman nostovoiman vaikutuspisteen U oikealla puolella. On kuitenkin huomattava, että liian matalallakaan sijaitseva painopiste ei ole hyväksi. Tämä saattaa aiheuttaa ylivakaan laivan, jonka lyhyt (2) 2

9 keinunnan jaksonaika johtaa suuriin kiihtyvyyksiin [7, s ]. Tämä ilmenee käytännössä laivan häiritsevän voimakkaana keinuntana. Kuva 1. Laivan alkuvakavuus ja siihen vaikuttavat tekijät. G on laivan painopiste, U uppouman nostovoiman vaikutuspiste, θ kallistumiskulma ja M alkuvaihtokeskus. Etäisyys GZ on vakavuusmomenttivarsi, GM on alkuvaihtokeskuskorkeus ja KG on painopisteen korkeus kölipisteestä [1, s. 43] [7, s. 18]. Painolaskennan lisäksi laivasuunnittelussa on määritettävä aluksen oikea painopisteen korkeus kölipisteestä,. Tämä varmistaa riittävän poikittaisen vakavuuden. Lisäksi painolaskennassa määritetään painopisteen sijainti laivan pitkittäisessä suunnassa. Tällä sijainnilla on vaikutusta muun muassa laivan pitkittäisessä suunnassa tapahtuvaan kallistumiseen, jota kutsutaan trimmiksi. [7, s. 59, 67 72] 2.2 Laivan painon koostumus Käytännön painolaskennassa laivan omapaino on pakko jakaa pienempiin osiin, jotta kokonaisuus pysyy hallittavana. Omapaino voidaan jakaa osiin esimerkiksi Schneekluthin mukaan [3, s. 149]: jossa on rungon paino, kansirakenteiden paino, varuste- ja sisustuspaino, koneiston paino ja painoreservi. Painolaskennan perusajatuksena on, että suunnittelun alkuvaiheessa laivan omapainolle ja yksittäisille osatekijöille lasketaan riittävän tarkka arvio, jota päivitetään suunnittelun edetessä. Suunnittelun (3) 3

10 alussa painot ovat arvioita. Suunnittelun edetessä arviot tarkentuvat oikeiksi painotiedoiksi, jotka saadaan joko laskemalla tai punnitsemalla. Telakasta riippuen voidaan käyttää yllä olevan jaon lisäksi jotain toista jakotapaa. Olennaista on, että telakan sisällä jako pysyy laivaprojektista toiseen samana, jotta laskelmilla on tilastollista merkitystä. Laivan painon koostumuksen jaottelu näkyy parhaiten telakoilla käytettävässä litterajärjestelmässä, jossa laivan osapainot jaetaan numeroituun ryhmiin. Laiva paino voitaisiin jakaa päälitteroihin esimerkiksi seuraavasti Räisäsen teoksen mukaan (1-littera varataan painoa sisältämättömälle, koko laivaa koskevalle materiaalille) [6, s. 5, kpl 4]: 2. Laivakohtaiset erikoisjärjestelmät 3. Runko ja kansirakenteet, maalaus (teräs ja alumiini) 4. Sisustus 5. LVI 6. Kuljetuskoneisto 7. Laivajärjestelmät 8. Ohjailu, hallinta, pelastautuminen 9. Sähkö, automaatio. Nämä päälitterat voidaan jakaa niin moneen alalitteraan, kuin on tarpeellista. Litterajärjestelmään kuuluu olennaisena osana se, että eri litteraryhmiä voidaan vertailla laivojen kesken. Toisilta osapuolilta tuleviin litterajärjestelmätietoihin onkin siksi suhtauduttava varauksellisesti, koska ei voida välttämättä tietää mitä painoja eri telakoiden käyttämät litteraryhmät sisältävät. Eri alustyypit ovat erilaisia painolaskennan näkökulmasta. Esimerkiksi tankkerin ja risteilyaluksen koneisto- ja sisustuspainojen osuus koko laivan painosta on täysin erilainen. Varsta on esittänyt [5, s. 3] eräiden laivatyyppien painon (eli uppouman) erilaisen koostumuksen: Jäänmurtaja Risteilyalus Pieni tankkeri Roro-alus Runko Varustelu Sisustus Koneisto Kantavuus Kuva 2. Eräiden laivatyyppien uppouman suuntaa-antavia koostumuksia Varstan mukaan. Osuudet on esitetty prosenttiosuuksina laivan koko painosta [5, s. 3]. Kuvassa 2 laivan omapaino koostuu siis rungosta, varustelusta, sisustuksesta ja koneistosta. Runko vie kaikilla alustyypeillä suurimman osan laivan omapainosta. 4

11 Painolaskennassa kannattaa suurimmalla tarkkuudella laskea suuret painopositiot ja pienimpien laskemisessa voidaan sallia suuremmat suhteelliset virheet. Esimerkiksi pienen tankkerin sisustuspainossa tapahtunut laskentavirhe on ymmärrettävästi pienempi huolenaihe, kuin runkopainon laskeminen väärin edes pieneltä osin. Paras ja tarkin lopputulos saadaan kuitenkin vain silloin, kuin kaikki painoon vaikuttavat tekijät tunnetaan ja lasketaan niin hyvin, kuin on mahdollista. Toinen painon koostumukseen liittyvä asia on eri alustyyppien painokriittisyys. Kuvassa 2 vaaleansininen osuus kuvaa laivan kantavuutta. Mitä pienempi on kantavuuden ja uppoaman välinen suhde, sitä painokriittisempi laiva on kyseessä. Toisin sanoen, omapainon osuuden ollessa suuri, sen pienikin ylittäminen syö ison osan laivan kantavuudesta. Asia on helppo todeta Varstan [5, s. 18] esimerkistä: oletetaan, että laivan omapainon osuus uppoamasta on 80 % ja kantavuuden 20 %. Huolimattoman painohallinnan seurauksena omapaino ylitetään 10 prosentilla, jolloin uusi omapainon osuus on 88 %. Tällöin kantavuus on pienentynyt 12 prosenttiin uppoamasta, jolloin omapainon lisäys on syönyt kantavuudesta peräti 40 %. Tällainen lopputulos olisi katastrofi, eikä laivan tilaajan tarvitsisi ottaa alusta enää vastaan. Se merkitsisi telakalle huimia taloudellisia tappioita. 2.3 Reservit Schneekluthin mukaan esitetyn laivan painoyhtälön (3) painoreservitermi poikkeaa hieman muista tekijöistä, mutta se on telakan kannalta erittäin tärkeä yksittäinen tekijä. Kokemus on osoittanut, että laivatyypistä, koosta tai projektin monimutkaisuudesta riippumatta laivan omapainolla ja painopisteen korkeudella on taipumus kasvaa projektin edistyessä [2, s. 9, kpl 12]. Telakan täytyy varautua näihin epävarmuustekijöihin, jotka voivat johtua telakan tekemistä laivan rakenteen muutoksista, painolaskennan epätarkkuuksista, yleisjärjestelyn muutoksista tai viranomaisten tulkintojen muuttumisesta. Varautuminen tarkoittaa käytännössä sitä, että laskettuun omapainoon ja painopisteeseen lisätään reservit ja. Painoreservin suuruus ilmaistaan prosentteina omapainosta ja sen oletetaan vaikuttavan laivan koko omapainoon, ei vain tietyille osille. Samoin painopisteen reservin arvo voidaan ilmoittaa prosentteina alkuperäisestä arvosta, mutta myös pituusmittana metreissä. [4, s. 9, kpl 3] [5, s. 19] Reservien ajatuksena on, että alustavaan painolaskelmaan lasketaan varalta puskuri, jota kulutetaan laivan suunnittelu- ja tuotantoprosessin aikana. Tavoitteena on, että luovutushetkellä painoreservi on kulutettu loppuun, eli sen suuruus on 0 %. Painopisteen korkeuden reservin arvo voi luovutushetkellä olla vielä n. 0,1 m johtuen painopisteen määrittämisen hankaluudesta. Reservit lisätään painolaskelmiin jo hyvin aikaisessa suunnitteluprosessin vaiheessa. Tyypilliset reservien arvot vaihtelevat paljon rakennusajan ja laivatyypin mukaan. Räisänen antaa teoksessaan suuntaa-antavia arvoja laivanrakennusprojektin eri vaiheiden reservien arvoille: alustavat laskut 8 %, sopimuspaino 5 %, vesillelasku 2 % ja luovutus 0 %. [3, s. 178][5, s. 19] [6, s. 5, kpl 6] Kappaleessa 2.2 mainittu painokriittisyys on yksi reservien suuruuteen vaikuttava tekijä. Jos kantavuus on pieni osa laivan kokonaispainosta, omapainon pienikin prosentuaalinen ylitys on projektin kannalta kohtalokas asia. Tähän voidaan varautua riittävillä reserveillä. Toinen reservien suuruuteen vaikuttava asia on osapainojen 5

12 lukumäärä ja monimutkaisuus. Pienten osakokonaisuuksien suuri määrä vaikeuttaa painolaskennan hallintatyötä. Esimerkiksi valtavan risteilyaluksen sisustusvarustelun painon määritteleminen voi olla hankalaa. Epävarmat painopositiot täytyy ottaa riittävällä vakavuudella huomioon reservien suuruutta laskiessa. Kolmanneksi, reservien suuruuteen vaikuttaa myös telakan kokemus laivatyypistä ja tilaajasta. Osa alkusuunnittelun painoarvioista on joka tapauksessa kokeneiden painolaskijoiden valistuneita arvauksia. Jos kokemusta puuttuu, täytyy asiaan varautua isommilla reserveillä. On muistettava, että reservit ovat pääasiassa varautumista telakan omiin muutoksiin. Kauppasopimuksessa laivalle määritellään omapaino, telakan painoreservi ja kantavuus. Kun sopimus on tehty, tilaajan vaatimat muutokset vähennetään sopimushetken kantavuudesta, ei telakan omasta reservistä, ellei muuta sovita. Jäljelle jäänyttä kantavuutta kutsutaan juridiseksi kantavuudeksi. Näin menettelemällä telakka on sopimusteknisesti turvassa. Tilaajan vaatimien painomuutosten takia sopimushetken kantavuudesta varataan myös ns. painolastivarauksia, joilla varmistetaan laivan omapainon painopisteen pysyminen oikealla tasolla. Alla oleva kuva selventää sopimusteknisiä termejä painolaskennan kannalta [5, s. 21]. Kuva 3. Laivan painoreservi ja kantavuustermien selvennyksiä sopimushetkellä ja rakentamisaikana [5, s. 21]. Kuluvat reservit eivät aiheuta telakalle ylimääräisiä kustannuksia, koska ne on laskettu jo etukäteen osaksi projektia [4, s. 10, kpl 3]. Jos ajatellaan, että reservi kuluu täysin loppuun, on aluksen lopullisen painon ennustaminen onnistunut hyvin. Kulumatta jäänyttä reserviä voidaan sen sijaan pitää turhana kustannuksena: varustamon silmissä painolaskuihin on jätetty turhaan ilmaa, joka olisi voitu täyttää esimerkiksi lisäämällä kantavuutta. Joka tapauksessa kulumatta jäänyt reservi on monin kerroin parempi ja halvempi vaihtoehto epäonnistuneelle painolaskennalle ja ylittyneelle omapainolle. Jos laivan kantavuus ei ole sopimuksessa mainitun mukainen, voi telakka joutua maksamaan varustamolle sakkoja. Sakoton kantavuuden alitus voi olla 1 8 % jonka jälkeen telakka joutuu maksamaan sakkoja. Tyypillinen hylkäysraja, jolloin tilaajan ei 6

13 tarvitse enää ottaa laivaa vastaan, on yleensä 3 15 % [6, s. 1, kpl 5]. Telakka voi käyttää laivan rakennusaikana sakkojen välttämiseksi niin sanottua scantling-reserviä, joka on telakan hätävara kantavuuden sakkorajan suhteen. Sen suuruus on noin 0,2 metriä, ja se lisätään suunnittelussa käytettyyn syväykseen. Scantling-reservin ja suunnittelusyväyksen summa on aluksen suurin sallittu syväys. Suurinta sallittua syväystä käytetään aluksen varalaidan ja runkorakenteen suunnittelussa, sekä kantavuuden sakkorajan määrittämisessä. Suunnittelusyväystä käytetään suoritusarvojen, esimerkiksi sopimuskantavuuden ja vastuksen laskennassa. [5, s. 19] Joskus on tarvetta varata alukselle ylimääräinen painoreservi, jota voidaan kutsua laivan elinkaaren reserviksi (Service Life Allowance, SLA) [2, s. 9, kpl 12]. Elinkaaren reservi on käyttökelpoinen aluksissa, joiden omapainon oletetaan lisääntyvän niiden käyttöaikana esimerkiksi uusien järjestelmien ja laitteistojen asennusten takia. Tällaisia aluksia voivat olla esimerkiksi sotalaivat, joihin uusien asejärjestelmien asentaminen aluksen eliniän aikana on hyvin todennäköistä. Myös kauppa-aluksiin voidaan varata elinkaaren reservi, joskaan se ei ole yhtä yleistä kuin sotalaivojen kohdalla. 2.4 Painolaskenta laivanrakennusprojektissa Laivan suunnittelun lähtökohdan muodostaa kuljetustehtävä. Lähtötietoina ovat esimerkiksi suunniteltu reitti, satamat, lastityyppi ja -määrä sekä erilaiset rajoitukset. Kuljetustehtävän ratkaisuna saadaan laivan tai laivaperheen perustiedot, kuten alusten lukumäärä, tyyppi, koko ja nopeus. Kuljetustehtävästä edetään laivatason ratkaisuun, jossa määritetään aluksi mm. aluksen päämitat. Aluksen päämittojen tulee täyttää tila- ja painovaatimukset. Tämä tarkoittaa sitä, että laivan toiminnalliset tilat täytyy mahduttaa rungon sisäpuolelle ja aluksella pitää olla tilaajan vaatima kantavuus. [8, s. 6-7] Aluksen pitää myös olla riittävän vakaa ja taloudellisesti suorituskykyinen. Aluksen paino vaikuttaa kaikkiin näihin asioihin. Painolaskija tekee ensimmäisen arvion laivan painosta alkusuunnitteluvaiheessa käyttämällä parametrisia ja tilastollisia menetelmiä ja vertailemalla sitä jo rakennettujen, vastaavantyyppisten alusten painoihin. Painolaskelmiin kuuluu iteratiivisuus: liian yksityiskohtaiset laskelmat suunnittelun alkuvaiheessa voivat antaa huonon lopputuloksen, siksi alkuarvio ei saa olla liian yksityiskohtainen. Sen täytyy silti olla riittävän tarkka, jotta suunnittelun jatkaminen on mielekästä. On jopa sanottu, että alkusuunnittelussa luotu painoarvio on koko painohallinnan tärkein arvio, koska se luo puitteet lopuille laskuille ja isolle osalle muuta suunnittelua. Painolaskennan alussa käytettyjä menetelmiä kutsutaan yleisesti pika-arvioiksi ja näiden ajantarve on muutama tunti. [1, s. 36] Pika-arvioiden jälkeen siirrytään alustaviin painolaskelmiin. Näissä laskuissa voidaan yhä käyttää osaksi pika-arvioiden antamia tuloksia ja lisäksi tarkentaa laskuja suorilla laskelmilla niiden piirustuksien ja laiteluetteloiden tiedoilla, joita aluksesta sillä hetkellä on saatavilla. Voidaan myös käyttää esikuvalaivojen tietoja (esimerkiksi teräspaino/pinta-alayksikkö) ja sopivia tilastoista otettavia kertoimia, joilla projektilaivan eri osapainoja voidaan laskea. Tässä vaiheessa myös laivan eri osa-alueita jaetaan litterajärjestelmän mukaisesti tarkempiin osiin. Alustavien painolaskelmien pohjalta saadaan tarvittava aineisto tilaussopimuksen tekoa varten. Alustavien painolaskelmien ajantarve on joitakin päiviä. 7

14 Laivaprojektin eteneminen Kun tilaussopimus on syntynyt, siirrytään painolaskennassa yksityiskohtaisiin laskelmiin. Laivaprojektin kannalta tämä tarkoittaa perus- ja valmistussuunnittelua. Piirustukset ja kaaviot tulevat tarkemmiksi, laitteita valitaan ja painoja saadaan laskettua suoraan piirustuksista. CAD-ohjelmien tuottamat tuotemallit ja niiden perusteella luodut piirustukset ovat tässä vaiheessa tärkeässä roolissa. Laivan linjat, uppouma ja vakavuus lukitaan lopullisesti ja suunnitelmiin lisätään puuttuvia tiloja ja laitteita. Toisin sanoen kaikki tekniset yksityiskohdat lukitaan. Laitteiden painot voidaan laskea laitetoimittajien tiedoista, lohkojen painot rakennesuunnitelmista ja niin edelleen. Yksityiskohtaisten laskelmien ajantarve on viikkoja. Laivan rakennusvaiheessa olennaista on painokehityksen seuraaminen. Litterajärjestelmän mukaiset painoryhmät käydään läpi sitä mukaa, kun työpiirustuksia valmistuu ja samalla painoarviotietoja vaihdetaan todellisiin painotietoihin. Samalla täytyy seurata, että paino- ja painopistekehitys on projektin kannalta suotuisaa. Tämä voidaan tehdä seuraamalla projektille määriteltyjen reservien kehittymistä. Painolaskenta päättyy jälkilaskelmaan, johon on kerätty kaikkien laivan osien toteutuneiden painojen, painopisteiden ja momenttien tiedot. Ennen luovutusta laivalle tehdään kallistuskoe, jossa laivan todellinen paino ja painopiste määritetään. Jälkilaskelman tietoja verrataan kallistuskokeen tuloksiin. Tulosten vastatessa riittävällä tarkkuudella toisiaan, voidaan näin varmistaa laivan lopullinen paino ja tulosten tarkkuus. Seuraavissa luvuissa on painolaskennan osa-alueita käsitelty taulukossa 1 esitetyn jaon mukaisesti. Ensiksi tarkastellaan pika-arvioita ja alustavia painolaskelmia. Sen jälkeen edetään yksityiskohtaisiin painolaskelmiin ja itse rakennusaikana tapahtuvaan painoseurantaan. Tämän jälkeen esitellään laivalle tehtävä kallistuskoe ja lopuksi jälkilaskelma. Taulukko 1. Painolaskennan tarkkuustasot, niiden sisältö, sekä laivaprojektin eri suunnittelu- ja rakennusvaiheiden linkittyminen painolaskentaan. Painolaskennan vaihe Sisältö Ajantarve Projektin vaihe Pika-arviot Tilasto- ja kerroinmenetelmä, Muutamia tunteja Alkusuunnittelu karkeat arviot Alustavat painolaskelmat Tilasto- ja kerroinmenetelmät, ja Muutamia päiviä Sopimussuunnittelu alustavien piirustusten pohjalta Yksityiskohtaiset painolaskelmat Yksityiskohtaiset painolaskelmat ja laivaprojektin painon kehittymisen seuranta tehdyt laskelmat Piirustusten ja CAD-mallien pohjalta lasketut laskelmat Työpiirustusten pohjalta tehdyt tarkat laskelmat ja jo rakennettujen osien oikeat painot, "rauta-raudalta" Viikkoja Viikkoja tai kuukausia, etenee rakentamisen mukaan Perus- ja valmistussuunnittelu Tuotanto- ja rakennusvaihe Kallistuskokeen laskelmat Laivan todellisen painon Muutama päivä Kallistuskoe ja painopisteen määritys Jälkilaskelma ja analysointi Laivan lopullinen laskettu paino, Päivistä viikkoon Luovutus arvokasta pohjatietoa tulevaisuuden laivaprojekteihin, tilastojen päivitys 8

15 3 Pika-arviot ja alustavat painolaskelmat Alkusuunnitteluvaiheessa laivalle määritellään tekninen käyttötarkoitus sekä tärkeimmät parametrit [8, s. 3]. Painolaskenta suoritetaan pika-arvioina ja alustavina painolaskelmina. Suunnittelu on vielä niin alustavassa vaiheessa, että painolaskennan mahdolliset virheet voidaan korjata päämittoja tai projektin hintaa muuttamalla. Jo tässä vaiheessa täytyy pitää huolta siitä, että laivaprojektissa on riittävä ja asiantuntevasti johdettu painohallintaohjelma. Pika-arvioiden tarkkuus on n. ± 5 % [1, s. 92]. Alkusuunnitteluvaiheen painoarvioinnille korvaamatonta on telakan tietokanta aikaisemmin rakennetuista laivoista, komponenteista ja materiaaleista. Pika-arviot perustuvat käytännössä referenssilaivojen painotietojen skaalaukseen sopivien kertoimien avulla. Kun lähestytään sopimusvaihetta, voidaan tilasto- ja kerroinlaskelmia tarkentaa alustavien teknisten piirustusten ja mittojen avulla tehdyillä laskelmilla. Tällöin puhutaan alustavista painolaskelmista. Suunnittelun edettyä riittävän tarkalle tasolle, telakka vastaa varustamon tarjouspyyntöön esittämällä aluksen yleisjärjestelykuvan ja sen hetkiset tekniset piirustukset ja tiedot. Tästä käynnistyvät laivasopimuksen neuvottelut. Painolaskijan täytyy varmistaa tarjousvaiheessa, että tarjouksen painoreservi on tarpeeksi suuri. Sopimusta tehdessä kriittistä on se, että painoreservi tulee riittävän suuruisena kirjatuksi sopimukseen. [4, s. 4, kpl 3] Erilaisia menetelmiä pika-arvioiden tekemiseksi on useita. Pika-arvioita tehdessä voidaan käyttää [1, s ] [4, s. 2-3, kpl 3]: telakan omia, aikaisempien laivojen tiedoista laskettuja parametreja ja tilastoarvoja, joista voidaan laskea painoarvioita nykyiselle laivaprojektille skaalaamalla erilaisilla kertoimilla empiirisiä, kirjallisuudesta saatuja regressiokaavoja ja muita kokemuksen tai tilastojen pohjalta rakennettuja kaavoja On huomattava, että telakan omat tilastot ovat aina tarkempia telakan rakentamille laivatyypeille, kuin kirjallisuudesta poimitut kaavat. Aina ei kuitenkaan uutta laivakonseptia suunniteltaessa kattavaa tilastotietoa ole saatavilla. Tällöin voidaan turvautua kirjallisuudessa esitettyihin menetelmiin. Alustavissa laskelmissa voidaan pika-arvioita tarkentaa suunnittelupiirustuksien tiedoilla niiltä osin, kun niitä on saatavilla. Sopimusvaiheeseen mennessä on yleensä valmiina jo yleisjärjestely- ja pääkaarikuva, rungon teräsrakenteiden pääluokituskuvat, sisustusratkaisut, hyttipainot, laiteluetteloita, putkisto- ja sähköverkkokaavioita [4, s. 3, kpl 3]. Tässä osiossa on käsitelty pika-arviomenetelmien käyttöä seuraaville laivan osa-alueille: omapaino, runko, koneisto, apulaitteet, varustelu- ja sisustus ja muut osa-alueet. Muihin osa-alueisiin kuuluu mm. tietotekniset laitteet. Lisäksi on esitelty painopisteen korkeuden arviointimenetelmiä. 9

16 3.1 Laivan omapaino ja rungon paino Rungon osuus laivan omapainosta on INSKOn monisteen mukaan n % [4, s. 1, kpl 5]. On syytä mainita, että tässä kappaleessa esitetyt yhtälöt (4) ja (6) soveltuvat myös laivan omapainon arvioimiseen. Rungon painoa (tai laivan omapainoa) voidaan arvioida esimerkiksi kuutiolukumenetelmällä samantyyppistä referenssilaivaa, tai referenssilaivoja, apuna käyttäen [1, s. 108] [4, s. 11, kpl 2]: jossa kerroin C on referenssilaivan perusteella laskettu kuutioluku ja, ja nykyisen projektilaivan pituus, leveys ja sivukorkeus. viittaa nykyiseen projektilaivan rungon painoon. Kuutioluku C voidaan laskea kaavasta: (4) (5) jossa on referenssilaivan rungon paino ja, ja referenssilaivan päämittoja. Kuutiolukumenetelmä ei huomioi kunnolla laivan täyteläisyyttä, pituuden vaikutusta lujuuteen eikä pääkannen yläpuolisten rakenteiden osuutta [6, s. 3, kpl 5]. Luonnollisesti myös erilaiset referenssialukset antavat erilaisia kertoimen C arvoja. Näitä arvoja voidaan ottaa myös suoraan tilastoista, jos sellaisia on saatavilla. Menetelmän tarkkuus kasvaa, jos tarjolla on useita projektialuksen kanssa samantyyppisiä referenssialuksia. Tällöin voidaan laskea näiden alusten tiedoista laskettujen C-kertoimien keskiarvo, tai valita parhaiten nykyistä projektia kuvaavat kertoimen C arvot. Munro-Smithin differentiaalimenetelmä [6, s. 3, kpl 5] antaa suhteellisen luotettavia arvioita keskenään samanmuotoisille ja tyyppisille laivoille, kun päämitat eivät muutu merkittävästi: pituus ja leveys saavat vaihdella n. 16 % ja sivukorkeus 6 %. Lisäksi syväyksen täytyy pysyä lähes samana, pääkoneen teho ei saa juuri muuttua ja lastilaivoissa kansirakenteiden täytyy pysyä entisellään. Laivan runko- tai omapaino saadaan tällä menetelmällä kaavasta: jossa kertoimille voidaan antaa keskimääräisiä arvoja: runkopainon laskemiseksi: omapainon laskemiseksi lastilaivoille: omapainon laskemiseksi matkustajalaivoille: Kolmantena menetelmänä voidaan mainita kerroinmenetelmä, joka on luotettava keino laskea laivan omapaino, jos käytettävissä on laaja tilastoaineisto [6, s. 3, kpl 5]. Kerroinmenetelmässä muodostetaan rakennettujen laivojen eri osille ja järjestelmille sopivat vertailuyksiköt ja summataan näin saatu suuri määrä ( ) osapainoja (6) 10

17 kokonaispainoksi. Levander on maininnut kirjassaan, että alkusuunnittelussa voidaan laivan omapaino jakaa 6-10 eri osaan [17, s. 71]. Varstan kurssimateriaalissa [5, s. 8] jako on rungon osalta tehty seuraavasti: Perälaiva = Keulalaiva = Kaksoispohja = Runkolaipiot = Runkokannet = Laidoitus = Ylärakenteet = Savupiippu = Konealustat = Painokertoimien C arvot saadaan suoraan tilastoista. Kertoimien C alaindeksit viittaavat eri litteraryhmiin. Pinta-ala- ja tilavuussuureet (LBD, A, V) voidaan sen sijaan laskea suoraan nykyisen projektin yleisjärjestelypiirustuksesta. Vastaavalla tavalla voidaan laskea arvio muille painoryhmille, kuten koneistolle, varustelulle ja sisustukselle. Lisää esimerkkejä löytyy SAWEn ohjekirjasta [1, s. 121]. Kun suunnittelu on edennyt tarpeeksi pitkälle, voidaan myös painokertoimet C laskea nykyiselle projektilaivalle. Tällöin menetelmä soveltuu myös yksityiskohtaisempien painotietojen laskemiseen. Painokertoimien laskemista on käsitelty luvussa 4. Schneekluth on kehittänyt empiirisiä kaavoja teräsrunkorakenteen painon arvioimiseen kuivalasti- ja konttialuksille [3, s ]. Kaavat ovat monimutkaisia ja Schneekluth määrittelee lukuisia reunaehtoja, jotka laivan pitää täyttää, jotta kaavat antaisivat tarkkoja arvioita. Kaavoja ei sen tarkemmin esitellä tässä työssä niiden pituuden ja vaikean esitystavan vuoksi. Schneekluth perustaa menetelmänsä laajoihin tilastoihin, mutta kaavoja käyttäessä tulee tuntea reunaehdot tarkasti. Harvaldin ja Jensenin menetelmä runkopainon arvioimiseksi on antanut 10 % tarkkuudella olevia teräspainoarvioita [3, s. 154]. Harvald ja Jensen keräsivät tietoja Tanskassa vuosina rakennetuista lastilaivoista, joista suuri osa rakennettiin vuosina Menetelmä antaa rungon teräspainoksi: jossa (8) Kertoimen arvo riippuu laivatyypistä. Kertoimien arvoja on taulukoitu liitteeseen 1. Jäävahvistukset ovat oma erikoisosa-alueensa. Jäissä liikkuva alus on yleensä joko jäänmurtaja, tai jäävahvistettu kauppa-alus. Itämerellä liikkuvat kauppa-alukset kuuluvat yleensä johonkin jääluokkaan. Jääluokitettujen alusten runko ja koneiston osat vaativat vahvistuksia, jotta ne kestäisivät jään aiheuttamat kuormitukset. Varsinkin laivan keula ja perä vaativat ylimääräisiä jäykistyksiä ja levyn paksuuksia täytyy korottaa. Samoin jäissä liikkuva alus tarvitsee enemmän konetehoa ja halkaisijaltaan isomman potkurinakselin. Myös potkurin täytyy olla kestävämpi, koska se voi kohdata (7) 11

18 suuria hetkellisiä ja iskumaisia jääkuormia. Kaikki nämä seikat aiheuttavat laivan omapainon kasvua. [15, osa 5, kpl 1] 3.2 Kuljetuskoneiston ja propulsiojärjestelmän paino Usein laivaprojektin alkuvaiheessa tiedetään ainoastaan koneisto- ja propulsioratkaisun perustyyppi ja arvioitu konetehovaatimus. Koneiston painon määrittämisessä on käytännöllisintä olettaa, että se on riippuvainen vaaditusta konetehosta [5, s. 10]. Jos koneiston tyyppi ja valmistaja tiedetään jo varhaisessa vaiheessa, voidaan nämä arviot korvata suoraan valmistajien tiedoilla. INSKOn moniste arvioi koko koneiston painoksi n % laivan omapainosta [4, s. 15, kpl 9]. Samoin kuin runkorakenteen painoa arvioidessa, voidaan uuden koneiston paino skaalata referenssilaivan avulla [1, s. 113]: (9) jossa on projektilaivan koneiston paino, on referenssilaivan koneiston paino ja ja vastaavasti projektilaivan ja referenssilaivan koneistotehot. Voidaan myös olettaa, että vain osa koneiston painosta on verrannollinen tehoon. Tällöin voidaan painoarviosta erottaa omaksi osakseen vakiotermi, joka on riippumaton tehosta ja pysyy joko vakiona, tai noudattaa jotain muuta riippuvuussuhdetta [1, s. 113]. Koneiston painon määrittämiseen voidaan myös käyttää ominaispainoa (tai ominaismassaa), joka tarkoittaa käytännössä koneiston massaa tonneissa per kilowatti. Tyypillisesti nämä arvot saadaan suoraan valmistajilta. Jos tämä ei ole mahdollista, voidaan käyttää erilaisia arvioita, tosin moottoritekniikan nopean kehittymisen takia kirjalähteiden antamat lukuarvot voivat olla epätarkkoja. Watson on arvioinut seuraavat ominaispainot tyypillisille laivadieselmoottoreille [12, s. 175]: Hitaat dieselmoottorit: Keskinopeat dieselmoottorit: Nopeat dieselmoottorit: Kaasuturbiinit: 0,035 0,045 t/kw 0,010 0,020 t/kw 0,003 0,004 t/kw 0,001 t/kw Koko koneistopaino voidaan määritellä Varstan mukaan seuraavasti [5, s. 10] skaalaamalla päämoottoreiden tehoa: (10) jossa on aluksen päämoottoreiden teho. Schneekluth esittää paljolti viitatut ja käytetyt kaavat potkuriakselin ja potkurin painojen arvioimiseksi [3, s ]. Potkurinakselin paino yksikössä t/m: (11) 12

19 jossa on pääkoneen teho kilowateissa ja kierrosten lukumäärä minuutissa (rpm). Normaalin kiinteäsiipisen potkurin paino saadaan laskettua kaavasta: (12) jossa on potkurin halkaisija metreissä ja k saadaan kaavasta: (13) Kaavassa / on potkurin pinta-alasuhde ja lapojen lukumäärä. Säätösiipisille potkureille kertoimen arvoksi voidaan arvioida 0,12 0, Varustelu- ja sisustuspaino, sekä muut kohteet Varustelu voidaan jakaa neljään osa-alueeseen: lohko-, kone-, sähkö- ja sisustusvarusteluun. Tarkempi jako näistä osa-alueista löytyy esimerkiksi Räisäsen toimittamasta kirjasta [6, s. 1-8, kpl 39]. INSKO on esittänyt seuraavat arviot eri varusteluosioiden painosta: sähköjärjestelmä 1 3 %, putkisto 5 %, sisustus rahtilaivoissa 3 4 %, sisustus matkustajalaivoissa %, runkovarustelu % ja kansivarustelu 5 10 % [4, s. 4, kpl 9]. Osuudet ovat prosentteja laivan lopullisesta omapainosta. Parhaat arviot varustelun painosta tulevat telakan omista arviokaavoista ja tilastoista toteutuneiden laivaprojektien perusteella. Schneekluth tarjoaa matkustaja-alusten koko varustelupainon määrittämiseen kaavaa [3, s. 167]: jossa on kerroin väliltä t/m 3 ja on koko laivan tilavuus (gross volume). Rahtilaivojen koko varustelupainon määrittämiseen Schneekluth tarjoaa yhtälöä [3, s. 168]: jossa on empiirinen kerroin ja saa erilaisia arvoja rahtilaivan tyypistä riippuen. Näitä kertoimia on taulukoitu liitteeseen 1. Sisustuspainon ominaispiirteenä on sen voimakas vaihtelu laivatyypistä toiseen. Sisustukseen kuuluvat mm. eristysmateriaalit, lattiapinnoitteet, ovet karmeineen, valaisimet, hytti- ja saniteettikalusteet, yleisten tilojen ja keittiöiden kalusteet. Tärkein lähtökohta sisustuspainojen arvioimiseen on referenssilaivojen piirustukset ja eri sisustuselementtien painotiedot. Vanhojen laivojen jälkilaskelmista voidaan laskea esimerkiksi pinta-alakertoimia. Moduulien käyttö helpottaa laskentaa esimerkiksi hyttien osalta. Huomionarvoista matkustaja-laivoissa on, että sisustuspainopositioita on paljon ja niiden yhteinen painopiste on melko ylhäällä. (14) (15) 13

20 Muihin osa-alueisiin voidaan lukea esimerkiksi elektroniset ja tietotekniset laitteet ja muut alusten erikoispiirteet, esimerkiksi asejärjestelmät ja muut isot erikoisrakenteet. Painoarvioiden tekeminen näille osa-alueille on usein haastavaa, koska painot ovat riippumattomia laivan päämitoista. Koska nämä varusteet tulevat yleensä alihankkijoilta, painolaskija voi pyytää heiltä arvion järjestelmien painosta. Yksi erikoiskohde on rungon maalipintojen paino, joka voidaan arvioida prosenttiosuuksina rungon painosta. INSKOn ohjekirjan mukaan voidaan tehdä arvio, että maalin osuus on 1 % aluksen rungon painosta [4, s. 9, kpl 9]. 3.4 Painopisteen korkeuden arviointi Painopisteen korkeus kölipisteestä koko laivalle voidaan arvioida Schneekluthin kaavasta [3, s. 150]: (16) jossa D on sivukorkeus, kansirakenteiden (engl. superstructure) tilavuus, laivan perpendikkelipituus ja kerroin laivatyypistä riippuvainen vakio, jonka arvoja on taulukoitu liitteeseen 1. Teräsrungon, lukuun ottamatta pääkannen yläpuolisia rakenteita, painopisteen paikka on melko riippumaton laivatyypistä ja saadaan yksinkertaisesta arviokaavasta [3, s. 173]: jossa on laivan modifioitu sivukorkeus, joka ottaa huomioon laivan ketkan ja lastiluukut. Varustelu- ja sisustuspainojen painopisteiden paikkaa Schneekluth on arvioinut niin ikään yksinkertaisilla arviokaavoilla [3, s. 173]. Kuivalastialuksille tyypillisiä arvoja ovat: (17) (18) Tankkereiden varustelu- ja sisustuspainon painopisteen laskemiseksi Schneekluth esittää seuraavaa kaavaa: (19) 14

21 4 Yksityiskohtaiset painolaskelmat ja painoseuranta Perus- ja valmistussuunnitteluvaihe ovat sopimuksen tekemisen jälkeisiä vaiheita, joiden aikana aluksen tekniset ominaisuudet lyödään lukkoon ja suunnittelu tehdään pieniä yksityiskohtia myöden [6, kpl 35-36]. Näissä vaiheissa suoritetaan yksityiskohtaista painolaskentaa. Painoon vaikuttavat tekijät, esimerkiksi rungon teräsrakenne ja suuret laitteet valitaan ja lukitaan lopullisesti, joten painorajojen ja reservien valvominen on erittäin tärkeää. Painolaskelmissa olennaista on reservin kehittymisen seuraaminen ja laskelmien ajantasaistaminen. Arviotietoja vaihdetaan laskettuihin tai parempiin arviotietoihin. Tilaaja voi perussuunnitteluvaiheessa vaatia muutoksia paljonkin. Päätetyt muutokset ja lisäykset täytyy kirjata laskelmiin. Valmistussuunnittelun aikana tehdään työpiirustukset, joista lasketaan aluksen toteutuva paino. Esimerkiksi teräspaino saadaan laskemalla lohkojen painot työpiirustuksista. CAD- ja muilla ohjelmilla luoduista malleista ja piirustuksista saadaan painotietoa oheistuotteena. Painoryhmät käydään läpi yksitellen piirustusten valmistuessa ja korvataan arviotiedot oikeilla painotiedoilla. Tässä vaiheessa käytetään jo ns. rautaraudalta -menetelmää painolaskennan osalta, eli aluksen osakokonaisuuksien painot lasketaan osien todellisten mittojen mukaan tai punnitaan. Painolaskijan tehtävänä on myös suorittaa painoseurantaa. Painokehitys täytyy olla hallittua, reservit eivät saa ylittyä ja täytyy pitää huolta siitä, että rakennetaan sellaisia rakenteita ja käytetään sellaisia materiaaleja, kuin suunnitelmissa ja piirustuksissa on määritelty [4, s. 4-5, kpl 3]. 4.1 Painojen laskenta piirustuksista ja tuotemalleista Painojen ja momenttien laskenta piirustuksista on yhä käytössä oleva tapa laivanrakennuksessa. Tavallista on toimittaa painolaskijoille kopioita piirustuksista sitä mukaa, kun niitä valmistuu. Painojen laskentaa piirustuksista käytetään varsinkin laivaprojektin alkusuunnitteluvaiheessa. Kun suunnittelu tarkentuu ja saataville tulee myös CAD-mallinnusohjelmilla tehtyjä suunnittelumalleja, saadaan painotietoja yksinkertaisemmin suoraan näiden mallien tietojen perusteella. [1, s. 137] Itse painojen laskeminen piirustuksista on suoraviivainen prosessi. Painolaskijan täytyy osata lukea teknisiä piirustuksia, jotta hän tietää eri symbolien merkityksen ja osaa lukea piirustuksista painolaskentaan tarvittavat tiedot. Käytännössä lasketaan siis piirustusten mittojen pohjalta esimerkiksi teräsosien eri dimensiot ja tietäen teräksen tiheys- ja painotiedot saadaan lopputulos teräspainolle. Laskenta voi kerrallaan keskittyä yhden osakokonaisuuden laskentaan, joka voi olla esimerkiksi tietty osa kannen tai lohkon teräsrakenteesta, yksi laitekomponentti tai vaikkapa lohkovarustelussa yhden lohkon tiettyyn osaan käytettävät varustelukomponentit. Kuvassa 4 on esitetty esimerkki pitkittäissuunnassa jäykistetystä kansirakenteesta [5, s. 9]. Tällaiselle rakenteelle voitaisiin laskea neliöpaino helposti summaamalla osien, eli teräslevyjen, jäykisteiden ja kehyskaarien painot yhteen. Neliöpainon arvo, jota tässä voimme merkitä symbolilla C, on itse asiassa yksi mahdollinen painokerroin kappaleessa 3.1 mainitulle kerroinmenetelmälle. Kun neliöpaino C tiedetään, voidaan 15

22 laivan kaikkien runkokansien paino laskea kertomalla painokerroin kansien yhteenlasketulla pinta-alalla: Kuva 4. Pitkittäisessä suunnassa jäykistetty kansirakenne [5, s.9] Kuten jo aikaisemmin on todettu, samaa periaatetta käyttäen voitaisiin laskea yksityiskohtaiset painot muillekin rungon osille. Laskettavan kohteen monimutkaisuudesta riippuu, onko kerroinmenetelmä paras menetelmä laskea painoja. Rungolle se on hyvä tapa, koska rakenteen paino on melko suoraan verrannollinen aluksen dimensioihin. Seuraavaksi painonlaskentaprosessissa luodaan taulukko, johon piirustuksen sisältämien eri elementtien ja osien painot ja painopisteiden sijainnit kirjataan. Työ vaatii tarkkuutta ja järjestelmällisyyttä. Lopputuloksena laskennasta on piirustuksen elementtien tiedoista luotu yksityiskohtainen painotaulukko, josta löytyy kaikkien piirustuksen sisältämien osien ja laitteiden painojen ja painopisteiden tiedot. Tämän taulukon tiedot syötetään eteenpäin ja näin ne tulevat otetuksi huomioon laivan kokonaisuuden kannalta. Esimerkki painolaskentalomakkeesta on esitetty liitteessä 2 [1, s. 151]. Lomakkeessa on vasemmalta alkaen lueteltu mm. seuraavat tiedot: osien litteranumero, piirustuksen numero, osien numerot, piirustuksen sisältämien osien kuvaukset sekä osien paino- ja painopistetiedot [1, s. 138]. Käytännössä tällaista taulukkolaskentaa voidaan suorittaa millä tahansa normaalilla taulukkolaskentaohjelmalla. Koska käsiteltävät tietomäärät ovat kuitenkin suuria, ja taulukkolaskentaohjelmillakin on rajoitteensa, voidaan myös käyttää juuri painolaskentaan tarkoitettuja tietokantaperusteisia ohjelmia. Esimerkkinä tällaisesta ohjelmasta voidaan mainita ShipWeight [13]. ShipWeightissä voidaan painolaskennan lisäksi luoda alustavia painoarvioita ja seurata ja raportoida painon kehittymistä. Ohjelman perustana on SQLtietokantajärjestelmä, joka helpottaa suuren tietomäärän käsittelyä. (20) 16

23 Kuva 5. Esimerkki NAPA Steel ohjelmalla suunnitellusta teräslohkosta ja sen eräistä painotiedoista [14]. Painotietoja voidaan saada myös mallinnusohjelmien sivutuotteena. CADmallintaminen ja tuotemallit ovat laivasuunnittelussa olleet jo vuosia jokaisen telakan ja laivasuunnittelijan perustyökaluja. Tietokonesuunnittelu mahdollistaa sen, että luotettavampia paino- ja painopistetietoja saadaan käyttöön suunnitteluprosessissa aikaisemmassa vaiheessa, kuin ennen. Esimerkiksi teräsrakenteen paino ja painopiste voidaan laskea tuotemallien avuilla luoduista piirustuksista, ennen kuin lopulliset työpiirustukset valmistuvat. Toisaalta, mallinnusohjelmilla ei yleensä voi tehdä suunnittelun alkuvaiheen pika-arvioita painosta, eikä niissä ole integroituja painoseuranta- tai raportointiominaisuuksia. Lisäksi, mallinnuksen pohjalta saadut painotiedot ovat vain niin hyviä, kuin itse mallikin on. Parhaimmillaan CAD-malleista saadut painotiedot ovatkin, kun niitä käytetään sopivasti täydentämään muualta saatuja aluksen painotietoja. Erilaisista suunnitteluohjelmistoista voidaan mainita esimerkkinä NAPA ja NAPA Steel -ohjelmistot, joista jälkimmäisellä voidaan suunnitella laivan teräsrunkorakenne ja saada tästä painotiedot suoraan [14]. Kuvassa 5 näkyy esimerkki NAPA Steel ohjelmalla suunnitellusta teräslohkosta ja sen eräistä painotiedoista. 17

24 Painon pitkittäistä jakaumaa tarvitaan laivan rakenteiden lujuus- ja kuormituslaskuissa, kuten esimerkiksi tyynen veden taivutusmomentin määrittämisessä [1, s. 155]. Painojakaumakäyrä on graafinen kuvaaja laivan painosta, jossa pystysuuntaisella akselilla on laivan paino ja vaaka-akselilla laivan pituus. Painon pitkittäisen jakauman laskemisperiaatetta ei tässä työssä käsitellä. Kuvassa 6 on esimerkki LNG-tankkerin kokonaispainon ja teräspainon pitkittäisestä jakaumasta [6, s. 7, kpl 5]. Ylempi käyrä kuvaa kokonaispainon ja alempi omapainon jakaumaa. Tankkerin painolaskelma sisältää 3053 positiota. Kuvaan piirretyt numeroidut ristit osoittavat eri litteroiden yhdistetyn painopisteen sijainnin laivassa. Kuva 6. LNG-tankkerin kokonais- ja omapainon pitkittäinen jakauma. [6, s. 7, kpl 5]. Edellä käsitellyt menetelmät painolaskelmien tekemiseksi perustuvat kaikki laskemiseen. Punnitseminen on kuitenkin kiistatta kaikkein tarkin tapa määrittää kappaleen paino. Vaikka kokonaista laivaa voidaan harvoin punnita suoraan, voidaan kuitenkin esimerkiksi isojenkin lohkojen painoja punnita suhteellisen vaivattomasti. Samoin suuriakin koneita ja laitteita, esimerkiksi moottoreita, voidaan punnita. Tämä voidaan tietysti tehdä vasta rakennusvaiheessa, kun osat tai lohkot ovat oikeasti valmiina. Osaltaan siis painojen punnitseminen on myös painokehityksen seurantaa. Punnintatyössä voidaan käyttää erilaisia laitteita koon ja käytännöllisyyden mukaan. Esimerkkinä voidaan mainita nostureiden kanssa käytettävät dynamometrit, erikokoiset vaa at tai trukit, joissa on integroitu vaaka. [1, s. 169] 4.2 Painokehityksen seuranta Uudisrakennuksen omapainon ja painopisteen korkeuden kehitystä on seurattava tuotanto- ja rakennusvaiheen aikana. Jotta seuranta olisi tehokasta ja tavoitteellista, 18

25 luodaan yleensä painohallintasuunnitelma, jossa määritellään painorajat ja reservit sekä sopimukselliset rajat painolle. Lisäksi suunnitelmassa jaetaan vastuu painon seurannasta telakan organisaatiossa, määritellään alihankkijoiden toimittamien osakokonaisuuksien painojen seuraamisen pelisäännöt ja kuvaillaan painoseurannan raportointikäytännöt. [1, s ] Yleensä painolle ja painopisteelle luodaan tarkistuspisteet, joiden kohdalla varmistetaan laivaprojektin suotuisa painokehitys. Kuva 7 selventää tarkistuspisteiden käsitettä ja laivan painokehitystä. Kuvassa on esitetty laivan painopisteen korkeuden ja sen pitkittäisen sijainnin kehitys sopimuksen tekemisen jälkeen. Todellinen painokehitys on merkitty kuvaan yhtenäisellä viivalla ja etukäteen laskettu ennuste katkoviivalla. [5, s. 20] Kuvan 7 laivan painolaskennan voidaan todeta onnistuneen melko hyvin. Omapaino on loppuvaiheessa ylittänyt erittelyarvon, mikä on todennäköisesti johtunut tilaajan vaatimista muutoksista. Tämän takia on ollut tärkeää kirjata muutokset (plus-miinuslista), jotta sakoilta on vältytty. Kuvasta 7 voidaan myös huomata, että linjojen tasoitusvaiheessa aluksen uppouma on pienentynyt ja että laivan painopisteiden (KG, LCG) kehitys on ollut suotuisaa. Painolaskenta ja -seuranta eivät aina mene suunnitelmien mukaan. Huono alkuarvio painosta, liian pienet reservit tai huono painoseuranta voivat johtaa siihen, että jo rakennusvaiheessa huomataan laivan painon lisääntyvän liian nopeasti. Kun epäsuotuisa kehitys havaitaan, voi olla aiheellista käynnistää painonsäästöohjelma projektin lopputuloksen turvaamiseksi. Suunnitelmat ohjelman käynnistämiseksi täytyy olla, vaikkei niitä koskaan tarvittaisikaan. Painonsäästöohjelman merkitystä voi verrata vakuutukseen. Normaaleissa olosuhteissa sitä ei tarvita, mutta odottamattoman sattuessa sitä voi pitää hyvänä sijoituksena. Painon vähentämiseksi ja säästämiseksi on monia eri keinoja. Perinteisten rakenteiden korvaaminen kevyemmillä tai paremman lujuus/paino-suhteen omaavilla rakenteilla voi olla kallista. Toisaalta, jos jo suunnittelun alusta asti suositaan kevyitä rakenteita, voidaan välttyä ns. massankertautumisefektiltä [4, s.2, kpl 13]. Massankertautumisefekti tarkoittaa sitä, että massaltaan suurempi laivan runko vaatii isommat moottorit liikuttaakseen runkoa, kuin kevyempi rakenne. Isommat moottorit kuluttavat enemmän polttoainetta, vaativat suuremmat apulaitteet sekä tukevammat perustukset ja niin edelleen. Näin huomataan, kuinka kevyemmän rakenteen käyttö voi säästää laivan lopullista painoa moninkertaisesti alkuperäiseen painosäästöön verrattuna. Esimerkkejä tarjolla olevista kevyistä materiaaleista on useita. Tavanomaisen teräksen korvaus onnistuu esimerkiksi alumiinilla. Alumiinilla on lisäksi erittäin hyvä korroosionkestävyys. Korkealujuusteräs sen sijaan tarjoaa perusterästä korkeampaa lujuus/paino-suhdetta. Nykyään myös komposiitit ovat hyvä vaihtoehto metalleille. Materiaaleja voidaan korvata kevyemmillä myös muualla kuin rungossa ja muissa perusrakenteissa. Esimerkiksi kevyemmät palo-, lämpö- ja äänieristysmateriaalit ja kevyistä materiaaleista tehdyt kaapelit ovat mahdollisia toteutuksia. Myös sisustusmateriaalien keventäminen voi johtaa esimerkiksi matkustajalaivoissa ratkaisevaankin painosäästöön. [1, s. 193] 19

26 Kuva 7. Laivan painon ja painopisteiden kehityksen seuranta ja tarkistuspisteet [5, s. 20]. Painon säästämiseksi osa tai laite voidaan myös suunnitella kokonaan tai osittain uudestaan, jotta päästään haluttuun osan tai kokonaisuuden painoon. Tämä tapa on tietysti suuresti riippuvainen ajankohdasta. Jos virheet on huomattu ja painonsäästöohjelma aloitettu tarpeeksi aikaisin, voidaan mahdollisesti jopa koko laivan runkorakenne suunnitella uusiksi. Runkorakenteessa voitaisiin käyttää esimerkiksi poimulevy- tai kennorakenteita, jotka tarjoavat paremman lujuus/paino-suhteen perinteisiin rakenteisiin verrattuna. Laitteiden perustukset ovat hyviä pienempiä kohteita, joissa uudelleensuunnittelu voi johtaa kevyempiin lopputuloksiin. Lisäksi työstettyjen materiaalien tiukemmat toleranssit voivat säästää joitakin prosenttien osia lopullisesta omapainosta. [1, s. 192] 20

27 Painopiste-, trimmi-, tai kallistumisongelma hoituu yleensä painon paikan siirtämisellä [1, s. 193]. Jos painopisteen korkeus kölipisteestä on liian suuri, luonnollinen ratkaisu on siirtää painavampia kohteita alemmas ja kevyempiä ylemmäs. Usein tämä ei kuitenkaan ole helppoa. Trimmin tai kallistumisen korjaaminen voi onnistua esimerkiksi painolasti-, polttoaine- tai makeavesitankkeja pituus- tai poikittaissuunnassa siirtämällä. 4.3 Jälkilaskenta ja kallistuskoe Kun laivan kaikki todelliset painot on saatu laskettua, on jälkilaskelma valmis. Jälkilaskelman tarkkuus ja siihen käytetty työ riippuu laivan monimutkaisuudesta ja uutuusasteesta. Uudella konseptilla tehdyn aluksen jälkilaskelmat on hyvä tehdä ja analysoida mahdollisimman tarkasti, jotta niitä voidaan hyödyntää tulevaisuudessa vastaavien laivanrakennusprojektien painoarvioissa. Ominaisuuksiltaan hyvin tunnetun sarjalaivan jälkilaskelma voidaan sen sijaan tehdä jo rutiinilla ilman kaiken kattavaa analysointityötä. Jälkilaskelmat ovat joka tapauksessa arvokasta pääomaa telakalle. Jälkilaskelman tarkkuus selviää vertaamalla sitä kallistuskokeen tulokseen. Jälkilaskelmien analysoinnissa voidaan käyttää esimerkiksi seuraavanlaisia kysymyksiä [4, s. 6, kpl 3]: Olivatko reservit sopivia, liian pieniä tai liian suuria? Kuinka laivan omapaino kehittyi kokonaisuutena? Kuinka eri litteraryhmien paino kehittyi? Jos poikkeamia havaittiin, mikä näiden syy oli? Oliko alkuarvio painosta riittävän tarkka? Entä sopimuksen aikaiset laskelmat? Mitä parannettavaa on itse painolaskentaorganisaatiossa ja menetelmissä? Jälkilaskelmat verifioidaan kallistuskokeella, jossa laivan todellinen paino ja painopisteen paikka määritetään [1, s. 197] [5, s. 4-6]. Kallistuskoe suoritetaan telakalla ennen merikokeita. Kokeessa oletetaan, että laivan kantavuus on noin nolla. Alkuvaihtokeskuskorkeus GM määritetään siirtämällä painoja poikittaisessa suunnassa niin, että laivalle aiheutetaan noin 2-3 asteen poikittaissuuntainen kallistuma. Kallistuman suuruus voidaan lukea laivalla olevista heilureista, joita on yleensä useampia. Painon siirto laidalta toiselle voidaan toteuttaa myös painolastitankkien avulla. Laivan omapaino saadaan laskettua, kun luetaan keula- ja peräsyväydet ja tiedetään lisäksi uppouman tilavuus (esimerkiksi käyrälehden avulla). Omapaino voidaan tämän jälkeen laskea käyttämällä yhtälöä (1). Kuva 8 havainnollistaa kallistuskokeen periaatetta [1, s. 198]. Alkuvaihtokeskuskorkeus GM saadaan laskettua seuraavasta lausekkeesta [1, s. 198]: Kun tiedetään alkuvaihtokeskuskorkeuden arvo, KG voidaan laskea seuraavasta yhtälöstä [1, s. 198]: (21) (22) 21

28 jossa KM on alkuvaihtokeskuksen korkeus kölipisteestä. Tämä suure voidaan määrittää esimerkiksi käyrälehden avulla [5, s. 6] Kallistuskoe on ainoa luotettava tapa määrittää painopisteen arvo KG. Painolaskennan kannalta kallistuskokeen tuloksena saadut arvot ovat tärkeitä vertailuarvoja. Kun painolaskennassa laskemalla saatuja arvoja verrataan kallistuskokeen tuloksiin, voidaan tulosten vastatessa riittävästi toisiaan todeta, että menetelmien luotettavuus on hyvällä tasolla ja että tulokset vastaavat todellista tilannetta. Jos tulokset eivät vastaa toisiaan, ollaan ongelmallisessa tilanteessa, jolle ei välttämättä löydy selväpiirteistä ja nopeaa ratkaisua. Joka tapauksessa kaikki virhelähteet ja niiden suhde kokonaisuuteen on selvitettävä ja sen jälkeen tehtävä uudet painolaskelmat. Pahimmillaan myös kallistuskoe voidaan joutua uusimaan, joka on kallista ja aikaa vievää. [2, s , kpl 12] Kuva 8. Periaatekuva kallistuskokeesta. Kallistava paino, w, siirretään etäisyydelle d keskilaivasta. Tämä aiheuttaa kallistavan momentin ja kulman θ. Laivassa oleva heiluri (kuvan vasemmassa laidassa) kallistuu samaan kulmaan kuin laiva. WL on alkuperäinen vesiviiva, WL1 vesiviiva kallistuneessa asennossa. U1 on uppoaman nostovoiman vaikutuspiste kallistuneessa asennossa. K on laivan kölipiste. [1, s. 198]. 22

29 5 Painolaskennan organisointi telakalla Laivan painolaskenta vaatii suuren tietomäärän käsittelyä. Siksi on tärkeää, että painolaskennan toiminta on pitkäjänteistä ja luotettavaa, mutta samalla kuitenkin riittävän nopeaa. Näiden vaatimusten takia telakoilla on yleensä painolaskentaa varten erillinen ryhmä, jonka koko riippuu laivatyyppien lukumäärästä ja siitä, kuinka tarkkoja painolaskelmia telakan rakentamat laivatyypit vaativat. Räisäsen mukaan vuonna 1995 Suomen kolmella telakalla on kullakin ollut kaksi painolaskijaa [6, s. 2, kpl 5]. Painolaskijoiden pitäminen omana ryhmänään on pitkällä aikavälillä edullista, koska se kehittää laskennan systematiikkaa ja menetelmiä. Kun järjestelmä toimii aina samalla logiikalla, on lasketuilla ja kerätyillä tiedoilla oikeaa arvoa esimerkiksi tulevaisuuden projektien kannalta. Painolaskentaryhmän on ajoissa havaittava projektin vaarallinen painokehitys. Tietty auktoriteetti ja uskottavuus muuhun organisaatioon nähden on pakollista, koska on pystyttävä ehdottamaan ja vaatimaan muutoksia, jos laivan paino alkaa karata käsistä. Esimerkiksi tilaussopimuksen jälkeen suunnitteluosastojen halutessa tehdä muutoksia laivan teknisiin perusratkaisuihin, täytyy asiasta ensin neuvotella painolaskijoiden kanssa. Myös reservien hallittu kulutus on yksi painolaskentaryhmän perustehtävistä. Vastuun jakautuminen riippuu telakan organisaatiosta. Itse painolaskentaryhmä vastaa painotietojen keräilystä, laskelmien valmistumisesta ajoissa ja tilastoinnista. [4, s. 8, kpl 3] Kuvassa 9 on esitetty esimerkki mahdollisesta telakan painolaskentaorganisaatiosta [1, s. 335]. Tässä esimerkissä ryhmä seuraa jo rakenteilla olevan laivan painon kehittymistä. Kaaviossa ST viittaa suunnittelutoimistoon, joka tekee suunnittelutyötä rakennettavana olevaan alukseen. Kaavion alalaidassa on esitetty henkilöt, jotka ilmoittavat jokaisen osa-alueen painot suunnittelijayrityksen painohallintainsinööreille. Symboli T viittaa telakan rakentamisesta tuleviin painotietoihin, ja symboli A alihankkijoiden toimittamiin painotietoihin. Painolaskentainsinöörit raportoivat painolaskentakoordinaattorille, jonka tehtäviin kuuluu mm. painoraporttien muodostaminen, painokehityksen seuraaminen ja yhteydenpito telakan painolaskennasta vastaavaan henkilöön (painolaskennan päällikkö telakalla). Kuvassa näkyvät myös suunnittelijayrityksen nimeämät projektin johtohenkilöt, projektipäällikkö ja tekninen johtaja, joiden alaisena painohallintakoordinaattori toimii. Samoin kaaviosta käy ilmi tietojen käsittelijöiden suhde muuhun organisaatioon. Telakan painolaskennan ylimpänä henkilönä toimii tässä esimerkissä pääsuunnittelija, jolla on päävastuu muustakin tekniikasta [4, s. 7, kpl 3]. Kaaviosta voidaan myös huomata alihankkijat osana painoseurantajärjestelmää. Alihankkijoiden toimittamien osakokonaisuuksien painot täytyy saada yhtä tarkasti kirjattua, kuin kaikki muut laivan osapainot. Täytyy huomioida, että esitetty kaavio on vain esimerkki, jossa vastuuta on siirretty paljon suunnittelutoimiston suuntaan. Yhtä hyvin painolaskenta voisi tapahtua enemmän myös telakan sisäisesti, jos suunnittelutoimistoa ei käytettäisi. Jotta painolaskenta tuottaisi päättäville tahoille riittävästi tietoa järkevässä muodossa, täytyy sen edistymisestä tehdä säännöllisin väliajoin raportteja. Projektin eri vaiheissa tuotetaan lukuisia eri raportteja. Peruslähtökohta on, että jokaisen suunnitteluvaiheen alussa ja lopussa luodaan painoraportti, jossa eritellään kaikki tarvittavat painotiedot sen 23

30 Kuva 9. Esimerkki laivan painonseurantaorganisaatiosta, joka valvoo laivaprojektin painon kehittymistä [1, s. 335]. hetkisen parhaan tiedon mukaan. Näiden ajanhetkien välillä luodaan myös väliaikaraportteja, joissa painokehitystä seurataan ja arvioidaan. Edellä mainitun mukaisesti esimerkiksi alkusuunnitteluvaiheessa, tarjous- ja sopimusvaiheessa, perussuunnitteluvaiheessa, valmistussuunnitteluvaiheessa sekä rakennusvaiheessa luodaan kaikissa useita painoraportteja. Lisäksi rakennusvaiheessa luodaan muita vaiheita enemmän väliaikaraportteja, jotta menestyksekäs painoseuranta voidaan varmistaa. [1, s. 52] 5.1 Riskit painolaskennassa Painolaskennan aikana käsitellään paljon epävarmoja tietoja. Epävarmuus aiheuttaa projektiin riskejä. Painolaskijan täytyy mahdollisimman hyvin yrittää ymmärtää riskien lähteitä ja kuinka niiden suuruuksille voitaisiin määritellä tai laskea arvo. Kun riskien suuruudet ja luonteet tunnetaan, voidaan ne ottaa huomioon ja niiden ehkäisemiseksi ryhtyä toimenpiteisiin. Riskienhallinta on oma tieteenalansa, jonka teoriaan tai käytäntöön ei tässä kandidaatintyössä oteta sen syvemmin kantaa. Mistä laivan painolaskennan riskit koostuvat? Riskilähteet voidaan periaatteessa jakaa kolmeen osaan: tuotannon ja rakennuksen aiheuttamiin riskeihin, laskenta- ja raportointiriskeihin sekä organisatorisiin riskeihin. Tuotannossa voidaan punnita 24

31 esimerkiksi lohkon eri osia väärin tai suunnitelmista poiketaan mittojen tai materiaalien osalta. Painolaskija saattaa laskea väärin tai käyttää virheellisiä tilastoja laskujensa perustana. Organisatorisesta riskistä on kyse, kun esimerkiksi painotiedot eivät kulkeudu oikein painolaskijalle joko organisaation omalta väeltä tai esimerkiksi alihankkijalta. [1, s ] Laivarakennuksen historia tuntee useita tapauksia, joissa laivan painohallinta on epäonnistunut osittain tai täydellisesti. INSKO ja Varsta ovat esitelleet kuuluisimpia tapauksia. Vasa-laivan uppoaminen heti satamasta lähdön jälkeen neitsytmatkallaan vuonna 1628 on näistä ehkä kuuluisin. Vasa purjehti heikossa tuulessa reilun kilometrin verran Tukholman Skeppsbronin saarelta, kaatui ja upposi. Laivan painopiste oli liiallisen tykkimäärän takia liian ylhäällä ja tykkikannen luukkujen varalaita oli liian pieni. [5, s ] 1900-luvulta löytyy useita esimerkkejä kiireessä rakennetuista sotalaivoista, joiden painoseuranta epäonnistui ja seurauksena jouduttiin tekemään rankkoja painonsäästötoimenpiteitä. Näin tapahtui monesti esimerkiksi juuri ennen toista maailmansotaa, kun valtioilla oli kova laivantarve ja nopeuden tavoittelu voitti laaduntarkkailun. USS Anderson oli amerikkalainen saattajasotalaiva, ja tätä alustyyppiä tilattiin yhteensä 108 kappaletta. Suunnittelutoimisto ja telakka antoivat ylipainohälytyksiä, mutta armeijan projektista vastaavat sidoshenkilöt vähättelivät näitä. Seurauksena oli laivan omapainon ylitys ja painopisteen korkeuden nousu, johon reagoitiin poistamalla torpedoputkia, tykistötorni, generaattori ja lisäksi jouduttiin lisäämään 60 tonnia kiintopainolastia aluksen kaksoispohjaan. Sodassa menetettiin useita tämän luokan aluksia heikon vuotovakavuuden ja varageneraattorin puuttumisen takia. Tapahtumien takia USA:n laivastossa tehtiin isoja organisaatiomuutoksia. [5, s. 23] Matkustajalaivoista INSKOn painolaskentateos mainitsee 1960-luvulla rakennetut autolautat Hansa Expressin ja Nilin, joilla oli liiallisesta painosta johtuvia matkustaja- ja syväysrajoituksia [4, Liite 1, kpl 1]. Hansa Expressiä pidennettiin lopulta tästä johtuen seitsemällä metrillä, jolloin alukseen saatiin lisää uppoumaa ja rajoituksien aiheuttamia hankaluuksia lievennettyä. Toisaalta, on tietoja myös rakennusprojekteista, joissa epäsuotuisa painokehitys on saatu hallintaan riittävällä painonsäästöohjelmalla luvulla rakennettiin autolautat Turella ja Rosella [4, s. 4, kpl 6]. Esisuunnitteluvaiheessa aluksille tehty painolaskenta osoitti laivatyypin omapainon olevan 265 tonnia aiemmin arvioitua suurempi. Sakkojen välttämiseksi aloitettiin välittömästi painonsäästökampanja. Erikoislujaa terästä ja alumiinirakenteita käyttämällä saatiin painoa vähennettyä yhteensä 250 tonnia. Loput vähennykset saatiin valitsemalla kevyempiä laitteita, jotka toisaalta maksoivat enemmän. Lopulta kävi niin, että painonsäästöohjelma oli liian aggressiivinen ja laivoista tuli jopa suunniteltua keveämpiä. Kävi kuitenkin onni onnettomuudessa ja todettiin, että laivojen nopeusvaatimuksia ei oltaisi voitu täyttää alkuperäisen painoisina. Vaikka sakot vältettiin, tuli lisäkustannuksia kuitenkin hinnakkaista kevytmateriaaleista, koska painoa säästettiin enemmän kuin olisi tarvinnut. 25

32 6 Yhteenveto Laivan painolaskenta on teorialtaan yksinkertainen osa-alue laivanrakennusprojektissa. Samalla se on kuitenkin yksi laivanrakennusprojektin tärkeimmistä tehtävistä. Painolaskenta on työläs prosessi. Hallittava tietomäärä on valtava, koska painolaskenta koskettaa jokaista teräspalkkia, laitekomponenttia ja kaapelimetriä, joka laivaan asennetaan. Painolaskennan täytyy olla hyvin organisoitua, systemaattista ja pitkäjänteistä, jotta laskelmat antaisivat tarkan lopputuloksen. Tämä ei yksin riitä. Telakalla täytyy myös olla historiatietoa menneistä laivaprojekteista kattavien tilastotietojen muodossa. Myös henkilökunnan vankka osaaminen ja kokemus ovat tärkeässä roolissa. Painolaskennan merkitystä aliarvioidaan helposti, vaikka laivan paino on sidoksissa sen kaikkein tärkeimpiin ominaisuuksiin ja suorituskykyyn. Tärkeintä painolaskennassa on muistaa sen iteratiivinen luonne ja suunnitteluprosessin edetessä tarkentuvat laskelmat. Tämän kandidaatintyön tavoitteena oli koostaa selkeä ja havainnollinen yleiskatsaus laivan painolaskennasta. Käytännössä tämä tehtiin kirjallisuuskatsauksena kokoamalla aiheen kirjallisuudesta olennaisimmat osat. Tässä työssä käsiteltiin niin aiheen perusteoriaa, kuin painoarvioiden ja painolaskentamenetelmien käyttöä. Esiteltiin myös yksinkertainen esimerkki mahdollisesta painolaskentaorganisaatiosta ja pohdittiin laskentaan liittyviä riskejä. Tämä työ tarjoaa aiheesta perustiedot, ja näitä tietoja voidaan tarvittaessa laajentaa tutustumalla lähdeluettelon teoksiin. Aluksi esiteltiin laivan omapainon arviointimenetelmiä. Monet niistä perustuvat tilastoihin tai skaalaukseen esikuvalaivojen perusteella. Vaikka valmiiden kaavojen käyttö on usein houkuttelevaa, täytyy aina pitää huolta siitä, että lähtötiedot tunnetaan tarpeeksi tarkasti. Lisäksi täytyy muistaa regressiokaavojen rajoitteet: ne ovat vain yhtä hyviä kuin niihin käytetyt tilastot. Usein on hyödyllistä ja järkevää käyttää useita eri menetelmiä painoarvion luomiseksi, jotta saadaan vertailutuloksia. Voidaan jopa turvautua luotettavan ulkopuolisen tahon tekemään vertailuarvioon, jos se katsotaan tarpeelliseksi. Alkuarviot tarkentuvat suunnittelun edetessä yksityiskohtaisiksi painotiedoiksi. Suunnitteluvaiheessa tässä korostuu tietotekniikan käyttö niin mallinnuksessa, kuin tiedonhallinnassakin. Terveen järjen käyttö ja äärimmäinen huolellisuus on kaikesta tietotekniikasta huolimatta painolaskijan paras työkalu. Tietomäärän hallintaan tuovat haasteensa myös nykyajan laivanrakennuksen verkostoitunut toiminta. Kun alihankkijoita on paljon, muodostuu jo pelkkä oikeiden painotietojen kerääminen haasteellisemmaksi. Painolaskenta sinänsä ei vaadi laivanrakennustekniikan erityisen syvällistä osaamista, vaan pikemminkin kykyä muodostaa yleiskäsitys koko laivanrakennusprosessista ja sen eri suunnittelu- ja työvaiheista. Painolaskenta näyttäytyy insinööreille usein pakollisena pahana, josta harva on kiinnostunut sen kaavamaisuuden takia. Kuitenkin varsinkin Suomen telakkateollisuuden perinteisesti tuottamat laivatyypit vaativat erityisen tarkkaa painohallintaa. Siksi alan osaajien tieto-, taito- ja motivaatiotaso on turvattava tulevaisuudessakin. 26

33 Lähteet 1 Cimino, Dominick et al. Marine Vehicle Weight Engineering. Society of Allied Weight Engineers: USA, s. ISBN Lamb, Thomas. Ship Design and Construction. Society of Naval Architects and Marine Engineers; Jersey City, NJ, ISBN (sähköinen). ISBN vol. 1, vol. 2 (painettu). 3 Schneekluth, H. & Bertram V. Ship Design for Efficiency and Economy. Oxford: Butterworth-Heinemann; Boston, s. ISBN (sähköinen). ISBN (painettu). 4 Alanko, J. Laivan painolaskenta. INSKO; Helsinki, s. (Insinöörijärjestöjen koulutuskeskus; 32-84). ISBN: Varsta, Petri. Aalto-yliopiston kurssin Kul Laivaprojekti kurssimateriaali: Laivan omapainon arviointi ja seuranta. Otaniemi, Aaltoyliopisto. 6 Räisänen, Pekka (toim.). Laivatekniikka: modernin laivanrakennuksen käsikirja. Turun ammattikorkeakoulu; Turku, s. ISBN Matusiak, Jerzy. Laivan kelluvuus ja vakavuus. Otatieto; Otaniemi, Aaltoyliopisto, s. ISBN Palonen, Anna. Tietokoneavusteinen laivan projektisuunnittelu. Diplomityö, s. 9 Aasen, R. & Bjørhovde S. Early stage weight and COG estimation using parametric formulas and regression on historical data. Presentation at the 69 th Annual Conference of Society of Allied Weight Engineers. Virginia, s. 10 Lewis, E. V. Principles of Naval Architecture Vol. 1, Stability and strength. Society of Naval Architects and Marine Engineers; Jersey City, NJ, ISBN: Harvald, S.A. & Jensen, J.J. Steel weight estimation for ships. Elsevier Science Pubs Ltd. PRADS Conference, Newcastle, Watson D.G.M. Practical Ship Design. Elsevier, Oxford, s. ISBN: ShipWeight Weight control software for ships and offshore constructions. [Viitattu ] < =7&Itemid=3> 14 NAPA Solutions for Design and Operation of Ships. [Viitattu ]. < 27

34 15 Det Norske Veritas. Rules of Ships. Newbuildings Special service and type additional class. Part 5, Chapter 1: Ships for Navigation in Ice. 07/2011. [Viitattu ] < 16 Levander K. System Based Ship Design. NTNU, Department of Marine Technology, 2007 (sähköinen versio). 28

35 Liite 1 Schneekluthin menetelmissä käytettyjä kertoimia painojen arvioimiseen (1/2) Kertoimen arvoja laivatyypistä riippuen, yhtälöön (10) [3, s. 154]: Huoltoalukset 0,0974 Irtolastialukset 0,0700 Hinaajat 0,0892 Tankkerit 0,0752 Lastialukset (1 kansi) 0,0700 VLCC 0,0645 Lastialukset (2 kantta) 0,0760 Tuotetankkerit 0,0664 Lastialukset (3 kantta) 0,0820 Jäähdytysalukset 0,0609 Junalaivat 0,0650 Matkustaja-alukset 0,0580 Pelastusalukset 0,0232 Kertoimen arvoja rahtilaivan varustepainojen määritykseen, yhtälöön (19) [3, s. 168]: Lastialukset 0,40 0,45 Konttialukset 0,34 0,38 Irtolastialukset ilman nostokurkia, pituus 0,22 0,25 n. 140 m Irtolastialukset ilman nostokurkia, pituus 0,17 0,18 n. 250 m Raakaöljytankkerit, pituus n. 150 m 0,28 Raakaöljytankkerit, pituus n. 300 m 0,17 Kertoimen arvoja eri alustyyppien painopisteen korkeuden määritykseen, yhtälöön (20) [3, s. 150]: Matkustaja-alukset 0,67 0,72 Isot lastialukset 0,58 0,64 Pienet lastialukset 0,60 0,80 Irtolastialukset 0,55 0,58 Tankkerit 0,52 0,54 29

36 Liite 2 Esimerkki painolaskennassa käytetystä taulukkolaskentapohjasta (2/2) 30