Luento 4: Rakenne Kul-24.4110 Laivaprojekti Sovellettu mekaniikka Meritekniikan tutkimusryhmä Sisältö Tarkastellaan laivan rakenteiden suunnittelua ja sääntöpohjaista mitoitusta, joka perustuu luokan sääntöihin. Laivan teräsmateriaalit esitetään. Laivapalkin klassillinen mitoitus kuvataan.
Luennon sisältö laivan rakenteen erikoispiirteet suunnittelun osaongelmat teräsmateriaalit laivan rakennehierarkia laivapalkin mitoitus laipio, kansi, kehyskaari rakenne esimerkkejä Laivan rakenteen erikoispiirteet suurin ihmisen valmistama liikkuva rakenne toimii ilman ja veden rajakerroksessa merenkäynnin aiheuttama kuormitus on tilastollinen ja teoreettisesti monimutkainen suolainen merivesi aiheuttaa korroosio-ongelman laivan rakenteen tulee olla vesitiivis laivan rakenteen painon on oltava mahdollisimman pieni, jotta lastin määrä olisi suuri uppoumaan nähden.
Laivan teräsrakennesuunnittelun työvaiheet rakenteelle asetettavat toiminnalliset vaatimukset rakenteen suunnittelu mitoitus materiaalinvalinta materiaalit: mekaaniset ja fysikaaliset ominaisuudet hinta ja toimitusehdot kustannusanalyysi eri vaihtoehdoille optimointi rakenteen valmistus: leikkaus ja taivutus hitsaus kokoonpano suunnitelma hyväksyttäminen luokalla ja tilaajalla Lujien terästen edut ja haitat edut: ainevahvuudet pienemmiksi ja siitä saatava painonvähennys hitsaustyö vähenee ja siten valmistuskustannukset alenevat kulutuksen ja pintapaineen kestävyys paranee haitat: hitsaustyön vaatimustaso kasvaa, hitsauksen menetelmäkokeet väsymislujuusriski kasvaa lommahdusalttius kasvaa rakenteen jäykkyys pienenee tarkemmat NDT-vaatimukset varastoinnissa ja valmistuksessa kirjanpito
Laivaterästen käyttö materiaalikertoimessa f 1 on otettu huomioon rakenteelle asetettavat väsymis- ja jäykkyysvaatimuksen siten, ettei koko lujuuden lisäystä saada laskea hyödyksi: LR: k L = 235 / R e ja k = 245 / R e, voimassa myötörajaan R e = 353 N/ mm 2 asti DNV: f 1 = R e / 235, voimassa myötörajaan R e = 390 N/ mm 2 asti arviot materiaalikertoimen arvoille suuremmilla myötörajan arvoilla: R e = 480 N/ mm 2 : k = 0,58 ja f 1 = 1,71 R e = 690 N/ mm 2 : k = 0,50 ja f 1 = 1,99 R e = 890 N/ mm 2 : k = 0,44 ja f 1 = 2,28 laatuluokkavaatimukset perustuvat rakenne-elementin vaurioriskiin ja materiaalin paksuuteen Laivan rungon päärakenne-elementit laivapalkki koostuu päärakenne-elementeistä, nämä muodostavat suljettuja osastoja, mutta tarvitsevat kaarijärjestelmän, jonka avulla kuorma siirretään esim. laidoituslevyltä kaarien, vaakajäykkääjien ja kehyskaarien kautta kansille, laivatyypistä riippuen päärakenne-elementtejä voi puuttua laivapalkista: ro-ro-laiva, jossa puuttuu poikittaisia laipoita konttilaiva, jossa lujuuskansi on olematon leveistä luukuista johtuen, kaarijärjestelminä tulevat kyseeseen: poikittainen, vain pienet alukset sekajärjestelmä, jossa pohja ja kannet pitkittäin, kun L suurempi kuin 100 m pitkittäinen kaarijärjestelmä, sotalaivat ja nopeat kauppalaivat. sivu laidoitus side shell palle bilge kansi deck pohjalaidoitus bottom shell pitkittäinen laipio longitudinal bulkhead poikittainen laipio transverse bulkhead kehyskaari web frame pitkittäinen kaari longitudinal frame vesipainekuorma water pressure kload pohjalaidoitus levy bottom plate
Laivarakenteet luokittelu lujuuslaskennan kannalta primääriset jännitykset: laivapalkki sekundääriset jännitykset: kehyskaaret, kaksoispohja tertiääriset jännitykset: jäykistetyt levykentät tertiääriset rakenne-elementit ja kaarijärjestelmät mitoitetaan ensiksi ja lopuksi tarkistetaan laivapalkin pitkittäislujuus σ 1 jännitys σ 2 jännitys laivapalkki neutraaliakseli σ 3 jännitys sivusisäköli pitkittäiskaar Laivan rakenteen mitoituksen osaongelmat rakenteeseen vaikuttava kuorma hydrostaattinen ja -dynaaminen kuorma laivan liikkeiden kiihtyvyyskuormat rakenteen vaste normaali- ja leikkausjännitykset taipumat rakenteen lujuus plastinen lujuus lommahduslujuus väsymislujuus haurasmurtumislujuus
Laivapalkki laivapalkin taivutusmomentti kostuu kahdesta osasta: tyynenveden momentista M sw.joka on seurausta laivan massan ja uppouman erilaisesta jakautumisesta pitkin laivapalkkia, aaltomomentista M w, joka johtuu veden painekentän muuttumisesta laivan rungon pinnalla aallossa. Klassillinen tarkastelu perustuu siihen, että laiva asetetaan staattiseen mitoitusaaltoon M T = M SW + M W Luokan taivutusmomentin jakautuma
Vaadittava taivutusvastus Jos laivapalkki noudattaa teknistä taivutusoppia, jolloin kokonaistaivutusmomentti jaettuna sallitulla jännitysarvolla antaa vaadittavan taivutusvastuksen Z. Riippuu laivatyypistä ConStruct laskee oikein riippumatta laivatyypistä Sallitussa jännityksessä otetaan huomioon laivapalkin sortumismuodot.tyypillinen arvo sallitulle jännitykselle on noin puolet materiaalin myötörajasta. Taivutusvastusvaatimus on funktio tyynenveden momentista, jonka minimointi lastin sijoittelulla on tärkeätä lastilaivoissa. Taivutusvastusvaatimus lasketaan laivapalkin eri kohdissa, jotta laivan muodon vaikutus tulee huomioon otetuksi. Z [m 3 ] 26 24 22 20 18 16 14 12 Z min = M T σ sall 10 0 500.000 1.000.0001.500.0002.000000 2.500.0003.000.000 M SW [knm] L = 200 m B = 30 m CB = 0.7 Laivapalkin poikkileikkauksen taivutusvastuksen laskenta Laivan poikkileikkauksen taivutusvastusta laskettaessa on muistettava sopimus, että laivapalkki noudattaa teknistä taivutusoppia, eli jännityksen jakautuma on lineaarinen. Ne rakenneosat, joissa teknisen taivutusopin vaatimukset eivät ole täytetty on poistettava. Aukot on poistettava hyötypinta-alasta Lisäksi on muistettava, että tarkastelemme nimellisjännityksiä eli esim. kannessa olevan pyöreän aukon todellinen jännitys on kolme kertaa nimellisjännitys. lujuuskansi on ylin jatkuva kansi 0,4 L alueella rakenne-elementit on oltava jatkuvia ja hyvin tuettuja. Luukun reunat otetaan mukaan jos tuenta on hyvä erikoislujien terästen kohdalla vertikaali ja horisontaalisuunnassa minimialueet.
Laivapalkin sortumismuodot teräsmateriaalin plastisoituminen, jossa esiintyvä jännitys ylittää myötörajan ja esiintyy pysyviä muodonmuutoksia, jos venymä kasvaa edelleeen niin lopulta materiaalin murtumispiste saavutetaan. Rakenteen materiaalille määritetään myötöraja. Esim. perusteräkselle (MS) sen arvo on 235 N/mm 2. laivan poikkileikkauksen rakenneosat puristuksessa voivat lommahtaa, jolloin ne menettävät kuormankantokyvyn. Rakenteen lommahduslujuus on riippuvainen kaarijärjestelmästä ja rakenneosien mitoista. Materiaalin myötölujuus ei vaikuta vaan kimmomoduli. laivapalkkia rasittavan aaltomomentin vaihtelu aiheuttaa väsymistä. Väsymistarkastelussa on otettava huomioon koko rasitushistoria. Rakenneyksityiskohdilla ja korroosiolla on suuri vaikutus. Alustavassa tarkastelussa väsyminen otetaan huomioon alentamalla sallittua jännitystasoa. Haurasmurtumislujuus varmistetaan materiaalille tehtävällä iskusitkeyskokeella. Haurasmurtumiseen vaikuttaa lämpötila, kuormitusnopeus ja materiaalin paksuus. ConStruct tarkistaa kaikki muut DNV:n sääntöjen pohjalta paitsi haurasmurtumisen materiaalivalinta hoitaa tämän Teräslaipiot (bulkhead) poikittaiset ja pitkittäiset laipiot kuuluuvat laivan primäärisiin lujuuselementteihin. Niiden tehtävänä on rajata tila. Laipioon kohdistuu painekuorma ja lisäksi laipion tasossa voi esiintyä rasituksia. laipioiden tehtävät: vesitiiviit laipiot (VT), sijoitus ja lukumäärä laivatyypistä riippuen tankkilaipiot palolaipiot tilalaipiot, joiden ei tarvitse olla tiiviitä loiskelaipiot, isoissa tankeissa vähentävät dynaamista kuormitusta vesikuorma: hydrodynaaminen ja -staattinen, jossa otettava huomioon ilmaputken korkeus irtolastin kuorma: lastin ahtauskerroin ja sortumiskulma, dyn ja stat. kuorma, laipion rakenneratkaisut: Jäykistetty levy Korrugoitu levy
kannet kansityyppejä: sää-, lasti-, sisustuskansi ja tankinkatto, kansien mitoituskuormana tasainen vesi-tai lastikuorma ja mahdolliset paikalliskuormat, esim. ro-ro kannella, hitauskomponentti otetaan huomioon. Lisäksi muistettava, että kannet muodostavat laivapalkin osan, josta johtuen kansissa esiintyy sekä vetoa että puristusta, kansia tukevat tolppalinjat ja laipiot. Tolppalinjan mitoituksessa otettava ylempien kansien kuorman vaikutus huomioon. kansien aukkojen nurkat pyöristettävä ja mahdollisesti levyn paksuutta lisättävä jännityskeskitymien vuoksi (loviprobleema): Edullinen aukon muoto on ellipsi: luukun aukon pyöristys lujuuskannessa luukun nurkan timanttilevy l 1 2 l 2 t 1:3 1,6 t l 2 mallireuna Kaksoispohjakonstruktio nykyaikaisissa laivoissa on kaikissa kaksoispohja, jolle on asetettu minimikorkeusvaatimus, esim DNV: h = 250 + 20 B + 50 T [mm], Konehuoneen kohdalla kp korkeusvaatimus voi olla noin 50 % suurempi johtuen jäykkyys- ja tankkitilavuusvaatimuksista jos laivassa on pohjannousu, niin kp korkeutta joudutaan kasvattamaaan kaksoispohja oltava pitkittäin kaaritettu ja kaaria ei saa katkaista poikittaisen rakenne-elementin kohdalla, jos laivan L on suurempi kuin 150 m, kaksoispohjan rakenne-elementit: kp rajoituu mitoituksen kannalta poikittaisiin laipioihin ja laidoitukseen kuormitus muodostuu: dyn. ja stat. vesikuormasta,ja lastin stat. ja dyn.kuormasta, keskisisäköli: jatkuva ja tiivis sivusisäkölit: lkm funktio laivan leveydestä, ei jatkuvia, kulkuaukot. Päämoottorien ja vaihteen alla sisäkölit pohjatukit:kehyskaarien kohdalla, jos pitkittäinen kaaritus, jatkuvat, kulkuaukot. Päämoottorin, vaihteen ja painelaakerin alla lisä pohjatukkeja laivapalkin pitkittäislujuuteen osallistuvien elementtien lommahduslujuus.
Kehyskaaret sitovat päärakenne-elementit toisiinsa kehyskaariväli on kaarivälin moni kerta sekä vaaka- että pysty kuormitustapaukset tarkistettavakuormitus koostuu: hydrostaattisesta ja hydrodynaamisesta paineesta sekä kiihtyvyysvoimista, yleensä laskenta suoritetaan 2 -D elementtimallilla, jossa otetaan huomioon primääristen rakenneelementtien tuenta jousien avulla kehyskaaren rakenne-elementtien lommahduslujuus on tarkistettava kansien kehyskaarien jänneväliä ja siten myös korkeutta pienennetään tolppalinjojen avulla kehyskaarien taipuma voi tulla myös kriittiseksi varsinkin HS -teräksillä. tehollinen laippa: laippa levyssä v allitseva norma alijä nnitys tehollisen laipan lev eys b e b b b e b σ e m = σ d y 0 uuma tehollinen laippa b Pääkaari L OA 180,40 m L PP 155,00 m L dim 157,46 m B25,50 m T KVV 7,1 m T dim 7,5 m Passengers 840 Cabins 420 Crew 360 Speed 27 kn 85% MCR Power 4x9,45 MW