Optimaal construeren van schepen in

58

5

^o

rof.Ir. J.J.W. NibberIng afd. Maritleme Techniek, _{TU Deift}

Optimaal construeren van schepen in staal van. hogere sterkte*)

Wat onder optirnaal construeren moet worden verstaan, hangt sterk aI van het object dat gebouwd wordt. BU vrachtschepen gant het vooral orn Jage produktiekosten; bE] offshoreconstructies staan veHlgheld enbetrouwbaarheid op de eerste plants enbLJ marinesche- pen kan eenIaag gewicht van prhnalr belangzEJn.

'Goedkoop' construeren Impliceert het naderen van grenzenwaar de constructie, de bemanning of hei milieu In gevaar komt. Dat naderen Is niet erg amide grenzen maar nauwkeurlgbekend zijn.

In de handelsscheepsbouw en -vaart laid de economlsche bestand niet altLJd toe dat schepen doelmatlg gebouwd wordenult oogpunten van onderhoud en gemakkeltjke reparatle. Ietsbeter lsihet gesteld met de constructleve voorzieningen ten hehoeve van het beperken van trillingen.

Hei constructiegewichi van grobe schepen Isindeloop van dejaren stark afgenornen, mede door bet gebruik van stani _{van hogere} sterkte en speclaiecorrosiebestrlJdingsmiddeien. De consequenties hiervan zullen worden besproken.

Optimaal construeren is in normale tijden een zaak van snel

bouwen. Hoe eerder een schip klaar is, des te minder drukken de

kapitaaiskosten van de wèrfoutiiiage en van het in het schip

andergeLrachte materiaai en materieci op de bouwkosten, Men dient te streven naar wat grotere spantafstanden en eenvoudige verbindingen. Gewichtsbesparingen zijn niet belangrijk. Deze tendens neemt toe naarmate de schepen groter zijn. Geheelanders iigt;het wanneer de orderportefeuiiie siecht gevuid is. Men'kan dan op het staaigewicht en de staaikosten trachten te besparen door meerwerk te doen en 'mooie' constructieste maken, die onverrnlj- deiijknauwkeurig (pas)werkmet zich meebrengen Het wordtdan zeker de moeite waard orn staalsoorten van hogere sterkte uitge- breidtegaan toepassen. Ook hier zijndevoordeIen.hetgrootstbij grotereschepen. De constructieve optima liggen voor een werf en een reder echter zeer verschiilend. Goedkope constructies zijn onverrnijdeiijk van matige kwaiiteit, wat de reder te zijner tijd merkt aan reparaties. Maar cok dit ugt genuanceerd.

In dit artikel zal veci aandacht worden besteed aan Seaiand-

containersehepen, omdat de Nederlandse indùstrie daar nauw bij betrokken geweest is en er veci over gepubliceerd is. Deze schepen hadden een sneiheid van 33 knoop en zijndan cok in verband met de brandstofkosten tijdig overgedaan aan de regering van de VS.

Daardoor heeft de oorspronkeiijke eigenaar maar weinig läst gehad van vermoeiingsscheuren ter piaatse van iuikhoofdhoeken en was voor hem de constructie van het schip (achteraf bezien) 'zeker optimaal!

Voor marineschepen en offshore-constructies moeten optima weer heel anders gedefinieerd worden dan voor koopvaardijschepen.

Dit ailes geeft al aan hoe veelzijdig hei onderwerp is dat _{aan de} schrljver werd opgegeven.

) Voordracht gehouden tijdens de PATO.cursus: 'Recente ontwikkelin- gen m'de Maritieme Techniek'. Deift 18-6-'86

Caidweli en Hewitt hebben al in 1975 aanwijzingen gegeven voor 'cost-effectivedesign' [1]. Het probieem van eeuwig veranderende materiaal- en arbeidskosten hebben zij omzeiid door de invoering van een parameter

production cost material cost

Verder werken zij met een factor F die aangeeft het reiatieve belang van gewichtsbesparingen en kostenbesparingen. Dewaarde van F meet uiteraarddoor de reder worden opgegeven aan de werf!

Figuur I geeft een voorbeeld. Heiaas brengen ook zij nergens de gunstige invioed van verkorten van de bouwtijd op de kapitaals- kosten in rekening.

Optimaai construeren begint bu hei optimaal kennisnemen van wat zoai in de literatuur tevoorschijn komt. De voor de praktische scheepsbouwer beiangrijkste brennen van kennis zijn weilicht de rapporten van de Ship Structure Committee. Deze worden al sedert 50 mar door de VS gratis verspreid in de scheepsbouwwe- reid. Enkele rapporten over de SL-7 schepen worden hierna behandeid en geven een goede indruk van de waarde ervan.

Andere relevante titels zijn: SSC-266: 'Review of ship structural

L

1

a 100

de constructeur / Oktober1986/'nr. lo

J::

00 04 02 03 04 06 06 07 06 09 10

.!9:kosten taaq Weeg factor (F)-.---. Fl gewicht laag

F!guur 1.

lnvloed van Fopgewich: en kisten viiieen op:imaalpaneel(1J

3S

2lOr 30

175. 25 E

E 11.0

'Os

70- lo

35- _s

09

°° Uotnrse Iretuod - 44im11a.. mare

° Euemalayila H.G.Fo1Us Fo*lnl L

8

i

^{6 5 4}

log a ^{3 2}

Figuur 2.

Ver:icalelangsscheepse buigspannin gen in schepen. (12/ (diklceliJn is :oegevoegd).

details'; SSC-273: 'Survey of structural tolerances'; SSC-272/294:

'In-service performance of structural details'; SSC-318: 'Fatigue characterisation of fabricated ship details'.

Een volgende groeprapporten zijnde proceedings van de commis- sies van het International Ship Structures Congress dat orn de drie jaren wordt gehouden. Het zijn state-of-the-art reports, waarvan de leesbaarheid goed is ondanks het hoge wetenschappelijke niveau.

Tenslotte moeten worden genoemd enkele boeken die in de laatste paar jaren zijn verschenen:

'Vibration ccintrol in ships'. Veritec 1985. Eindelijk een vol- waardige opvolger van het aloude bock van Todd. Vele con- structieve aanwijzingen ter voorkoming van trillingshinder.

'Fatigue handbook for offshore steel structures'. Tapir-Trond- heim N.T.H. Het bevat onder andere zeer instructieve reken- voorbeelden.

'Beháviouranddesign ofsteel plàted-structures'-;Baustatik U;

Stahlbau Eli-I Zürich. Zeer praktisch ingericht.

'Buckling of shells': ECCS Brussel, Richtlijnen met betrekking tot de druksterkte van kolommen en bizen voor offshore constructies.

Deze 4 werken zijn meer samenvattend dan gespécialiseerd, bevatten weinig theoretische ballast, zijn.duidelijk geschreven ten behoeve van de praktijk en zijn up-to-date.

De inhoud van de volgende hoofdstukken is gewijd aan de belastingen in zeegang, het gevaar van schade en breuk en de toepassing van staal van hogere sterkte.

Extreme belastingen ('Bad Loads and StatistIcs')

Indertijd is een schatting gemaakt van de hoogste langsscheepse buigspanningen die in een conventioneel vrachtschip cens in de 1000 jaar kunnen voorkomen. Het gingom de nominalespannin- gen ten gevolge van verticaleen horizontalegolfbuiging, slamming en whipping, temperatuurwisselingen en vlakwater-buiging. Er rolde een top-dal waarde uit ter grootte van 220 N/mm2 en een --grootstedrukspanningin het.deLvan20QN/mm,(SSC-206[2J).

Het laatste cijfer werd getoetst aan de draagkracht van matig tot siecht geconstrueerde schepen, gebouwd van Fe 410 met een de constructeur I oktober 1986 I nr. lo

vloeigrens van 260 N/mm2. De uitkomst gaf een bezwijkkans van cens in de 50000 schipjaren.

Figuur 2 (Lewis 1981 [6]) laat zien dat de spanningsniveaus van tankers, bulkcarriers en stukgoedschepen nogal uiteenkspen.

Tevensis voor de bovenste tanker aangegevendat in een dergelijk diagram de extremen bij rechtlijnige extrapolatie nogal conserva- tief geschat worden. hide VS is inmiddels op voorbeeldige wijze in de actuele behoefte aan betrouwbare gegevens voorzien en we!

voor schepen waaraan de R.D.M. en het MARIN (mee)gewerkt hebben. Er werden 8 Sealandcontainersthepengeïnstrumenteerd met rekmeters, die voor elke opvolgende periode van 4 uur de hoogst òpgetreden. spanningswisseling registreerden (SSC-311 [31). In figuur 3 rechtsboven is te zien dat in die extremen diverse typen spanningen gecombineerd voorkomen. De 1000-jaars span- ning zou bij rechtlijnige extrapolatie gelijk zijn aan ruim 500 NI mm2! De getrokken gebogen Iijn levert 390 N/mm2. Vergelijken we deze waarde met het eerder besproken maximum dat ooit is opgetreden- in koopvaardljschepen vóór 1965, dan zien we een stijging van

39020

X 100% = 77%.

(En dat in slechts 20 jaarl).

Eendeel hiervan is tedanken aan het gebruik van staalvanhogere sterkte en de toepassing van moderne corrosie-bestrijdingsmidde- len. Normaal bereikt men hlerdòor een verhoging van de nominale spanningen van maximaal25%. De rest moet te danken zijn aan het feit dat de klassebureaus van mening zijn dat deze schepen 'beter' geconstrucerden gebouwd konden worden dan vroeger het geval was. De belangrijkste factoren in dit ontwikkelingsproces zijn geweest de verbeteringen met betrekking tot de kerftaaiheid ende lasbaarheid van hetstaal (fijnkorrelstalen) ende vooruitgang van de lastechniek en het niet-destructief onderzock. Hierdoor werdiin elkgeval de kans op brosse breukbelangrijk verkleind (zie

ook het volgende hoofdstuk).

Opvallend is dat dergelijkehoge spanningen al tijdens de meetpe- node van circa 20 jaren zijn voorgekomen. In figuur 4 (SSC-320 [5]) is te zien wat de oorzaak hiervanis. De helft van de waarde van 370N/mm2 isafkomsftg van - door hevige slamming veroorzaakte

-

tweeknoopstrilspanningen. Op dit verschijnsel was in het geheel niet gerekend, niet in bet ontwerpstadium en evenmin op grond van de tot dan toe verkregen praktijkervaring. Tn [51 wordt opgemerkt dat het schip in het algemeen weinig neiging tot slarnmen.vertoonde. Hier staattegenover dat de weersomstandig- heden tijdens.het voorval uitzonderlijk siecht waren. In tweeuur.

tijd nam de windsnelheid toe van 100 naar 160 km/h. Het schip werd met de kop op degolven gelegd, wat niet kon verhinderen dat de zware slam van figuur 4 ontstond. Daarna Iiet men het schip met de golven meevaren.

Figuur 3.

Cumulasievefrequentieverdeling van de extremen van de Sealand- Mc. Leon. (langsscheepse buigspanningen: zle inzet)

59

20

5

Opfirnaal construeren van schepen ¡n staal van hogere sterkte..

HH'-

Vors Iodoc.d LsotIudioa1 V.reiosl Midship Bsodin0 oof l'ore sod Starboard)

IMousi« 370 N/rae

_Figuur 5.

D

lIME

Episodlsche golvenin verschilende stormen f5J VEJlJ75ùø

IPINODIC WAVE MEAMJRED DURING HURRiCANE CAMILLE

lIME Ir)

Met behoilp van de betrekking

Hmax=

4nN=

^{H 4l(HS =}significante.golfhoogte).

isuit terekenen hoe groot de kansisdat eon H/H0 = 2.4 tijdenseen stationaire toestand voorkomt wanneer de golfhoogten. aan de Rayleighverdeling voldoen -

. InN = 11.5 - N

100.000.

100.000 Dit komt neer op cens in de

> 24 ^{12 dagen.}

In werkelijkheid zijn er 4 gemeten tijdens een halve dag! In die periode hadde maximale golf volgens Rayleigh niet hoger dan2 H mogenzijn. 'Toch voldoen golfextrernen inhet algemeengoed 'aan de Rayleigh-verdeling. Voor'làngsscheepse golfbuigspanningen is dit niet zo. Figuur 6 geeft de gemeten maximale golfbuigspannin- gen voor vaste perioden, (meestal '/i .uur) 'in verhouding tot die

berekend op grond van de aanname dat de waarden aan dç

Rayleigh-verdeling voldoen. De factor isruim 1.5 [7] De Weibull.

verdelingisbeter

tlidscheepse buigspanning

71e 73E

reis.

100

2 20 E

/

60 80 100

/ Ex'.LnN'(N/mm2)

Fïguur 6.

Verhouding tussen X,... en VE.1N Japan Ship Research Assoc.

(1977)

De. kans op schade of breuk Brosse breuk

De SL-7'schepen hadden een groot opbuigendvlakwater.moment., Dit maakte dat de hogging-spanningen. in het dek - in extreme zeetoestanden - viermaal,zo hoog waren als de sagging-waarden [4]..Dit zou betekenendat inhet dek ooiteen maximale'(nominale) trekspannlng van 4/5 X 370 N/min2'= 300 N/mrn2'is voorgekomen Het 1000-jaars' maximum is 310 N/mm2. (Als in figuur 4 een vlakwaterspanning van 80 N/mm2 Wordt aangehouden, komt men zeifs op 330).

de'constnicteúr/ oktober 1986 Inr. 10

lw

,i T

^E

i80'

^o

b1543

_, /

//blSl /

Figuur 4.

Extreme golJbuâgspannlngen gemeten op de Sealand.Mc. Leanli/- dens eèn wntersgorm (5)

>

.'

^6Ó

5

js Öftchoon de Sealand-McLean vermoedelijk niet werd belaagd

door zogenaamde episodische golven, is het in dit kader toch intereùant te zien wat vooruitschieters dat zijn (figuur 5).

('I

I..0

'X

s,

s

.0

-

Zoals eerder werd toegelicht is ditin het algemeen niet te hoog uit een oogpunt van gevaar van brosse breuk. De marge ten opzichte van de vloeigrens van EH 33 (330 N/mm2) is voldoende. Voor- waarde is wet dat extreem hoge belastingen niet bij exircem lage temperaturenoptreden. Of dit zo is, is met behuip van SSC320 [5]

tebeoordelen. Hierin staan 38 zwaar weer gevallen vermeld. Naast de weer- en zeetoestanden zijn ook de zee- en luchttemperaturen gegeven, aismede de reparatiekosten. De temperaturen liggen in 31 van de 38 gevallen tussen +10°C en +25°C. Derest was als voigt verdeeid

Uiteraard is in dergelijke omstandigheden de zeetemperatuur het beiangrijkst. Het schip 31 is de Sealand Market. De schadebestond onderandere uit een 'hairline crack in the main deck at the fOrward end of No.2 hatch of 14" in length'. Eenscheur van die lengte kàn een vermoeiingsscheur zijn, maar waarschijnhijk is, dat het een gestopte brosse breuk was, al of niet ontstaan ter plaatse van een kleine vermoeiingsscheur. De aanwezigheid van de Iaatste is zeer goed mogelijk, gezien de hoge spanningen daar ter plaatse. Het schip 15 was een 16000 tons dw vrachtschip, gebouwd in 1969. Het lögboek vermeldt: 'There wasa sharp loud crack heard throughout the vessel. A fracture in the main deck at hatch No.4 was sighted from the bridge deck: length 16 feet'.

Dit allesdoet vermoeden dat alléén door combinaties van extreme belastingen en lage temperaturen brosse breuken kunnen ont- staan. De twee gescheurde schepengeven dit al ann. Maar het feit dat de overige 36 schepen - die alle bij hógere watertemperaturen

Figuur 7

Spanningen in hei hoofddek KIPS/o°. Kansgrooue: 10_6

A.NVIA$I DICE @rnoR

de constructeur / oktober 19861 nr. 10

in orkaanomstandigheden verkeerden - geen brosse breuken opliepen is bijzonder veelzeggend. In dit beeld past dat vaneen schip (niet opgenomen in de tabel) dat in januan 1977 doormidden brak bij Cape Ann, Mass, dus in koud water. Dc golf die dat

veroorzaakte werd geschat op 90 m lang en 14 m hoog. Dit

betekent een steilte van 1:7, wat het theoretisch maximum is. Het schip had eenlengte van 85m; de golf was dus vrijwel even lang.De hoogte was bijna driemaal zo groot als eefl L/20 golf. (Hierop wordt eenschip berekend!) Ook hier was een combinatie van een hogebelastiñg eneen lage temperatuur de oorzaak van de ramp. In [5] wordt met nadruk opgemerkt dat schepen met een lengte liggend tussen 250 en 450 voet en eeñ hoge blokcoëfficibnt in orkaanachtige winterstormen extra gevaar lopen, omdat de leng- ten van de hoogste golven in hetzelfde gebied liggen.

Vermoeling

In figuur 3 zijn 36000 waarnemingen van 4-uurs maxima vena- meld. Dit komt overeen met:

4 x 60 X60X 36.000

= x iO

13

wisselingen vanhet golfbuigend moment. Uit figuur 7uit [4] is af te leiden dat in punt E van de iuikhoofdhoeken een spanningsconcen tratie van ongeveer 2:aanwezig is(E/A voor de spanten 78 en 228).

Dit is lang! De linker uitvoering is nog beter (max. C/A = 1,6).

Deze lage waarden zijnmede te danken nan de 'losse' ophanging van de langscoamings ann de dwarscoamings (figuur 8).

SL.7 Contalnerships: Design

Figuar 8.

F!ex! bete verbinding van langsdrager aan dwarsdrager op hei hoofddek

Figuur 9 is in principe gelijk nan figuur 3, maar deverticale schaai geeft nu de spanningen ter plaatse van een Iuikhoofdhoek aanen de horizontale schaal de aantallen:wisselingenover2ojaar. Verder is in de figuur de door de American Welding Society gehanteerde lijn voor 'plain unwelded plates' getekeñd. De Miner-sommatie levert voor figuur9 een

E .. op van ongeveer 2,5.

81

102Ml A I ^{C D} O

O) ISO -

-

^.3 ,,. ^pp

75 III

-

- lID 32.5 9.3

II? lID 110 100

-

^._

-

tI) )1 50) pll)

- - -

III 191

- -

^{20.0 131} 1.1

315 HI ?&3 208

- -

310 III

- -

^{PIP lUt 100}

III 305 300 300

- - -

Schip

no. Zee Lucht

li

+3 +1

12 -f7

15 +1 +1

+4 +2

31 O

3

33 +3 +7

38 +7 +2

n

Figuur 9.

Cumulalievefrequenneverdeling van de langsscheepse busgspannin- gen op basis van .figuur 3

Dit betekent dat de eerste vermoeiingsscheuren. na 20 jaarl2,5= 8 jaar verwacht kunnen worden. Voor zeeomstandigheden,. waar corrosievermoeiing geldt, moet dit cijfer nog cens door 2 à 3 gedeeld worden. circa 3jaar. Dit komt aardig overeen met wat in de praktijk iswaargenomen. Wanneer descheurtjes klein zijn en blijven (regelmatig afboren of uitslijpenl) is er geen gevaar voor brosse breuk. Pas wanneer de scheurtippen een las of overgangs.

zone bereiken, kan de kans.op brosse breuk sterk toenemen, zelfs bij gebruik van 13H33, zoals bij de SL-7-schepen het geval was.

Immers, het lassen van het 50 mm dikke materiaal kon indie tijd best tot lage kerftaaiheden.leiden. Verder moet worden bedachi dat zeifs wanneer lassen geheel vnj van defecten zouden zijn, dat niet veel baal wanneer een vermoeiingsscheur crin aankomt.

Men kan tegenwerpen dat in het perfecte EH33 materiaal een eventueelontstaan bros breukje altijd zalstoppen. Maar dat is niet zeker. In paragraaf 3.9 van [8J wordt experimented onderzoek behandeld aan 13H33 van 'maar' 34mm dikte. Het materiaal was Niobium-genormaliseerd en zeer fijnkorrelig en had:bij 60°C nog Charpy-V-kerfslagwaardenvan 125 Joule. Toch konden bij 20°C eenmaal op gang gekomen brosse breuken niet stoppen. Voor 46

mm plaat was die temperatuúr zelfs 10°C. Gelukkig dat de

zectèmperaturen tijdens zeer zware stormen meestal veci hoger zijn!

Staat van hogere sterkte In de scheepsbouw ßreuksterke

In [4) wordt beschreven hoe men ertoe is gekomen orn in de doosliggers tussen het bovenste en het tweede dek van de SL-7 schepen EH 33en DH 33 staal te gebrúiken = 330N/mm2.

Aanvankelijk gaf men de voorkeur aan F13410 =a

250 N/m)_

inverband met eventuele reparaties, lasproblemen tijdens de bouw en het beperken van dc vcrvorrningen van dc luikopciiingcn. De

62

maal construeren van schepen in staal van hogere sterkte

44 i 'ir

II ^1.30

lOCO 301

t. 4 113" 13.1331

Figuurlo.

SL-7-doosllgger van Fe- 410

koaad DICO p.75Iii)

1.631- 141, Glad, C

b I.

60 0jrilO IO OIT' 11121 .16/361 .161

constructieveuitvoeringwas alsinfiguur 10. Aangezien de laspro- blemendaar ook nietgering waren en - blijkens latere berekenin- gen - deluikopeningenminder vervormden dan meneerst dàcht ,is

men overgegaan op EH33 en DH33. Dit resulteerde in een

enorme vereenvoudiging van de constructie:(figuur 11). Debespa- ring op bet staaigewicht van de romp bedroeg 700:ton. Ondanks dat een groot dccl hiervan ten goede kwam aan het topgewicht, moest nog 1450 ton vaste ballast en 300E ton extra staal in de bodern gestoken Worden orn voldoende containers op het dek te kunnen meevoeren zonder de stabiliteit in gevaar te brengen.

De 700tonstaalverlichting stellen op het totale staalgewichtniet io veelvoor. Het ípanningsniveau in het dek zalmisschien 10% hoger geworden zijn ten opzichte van de waarden voor een Fe 410-romp.

Figuur li.

SL-7-doosliggervan Fe 510

de constructeur / oktober 1986/nr, 10

T'

1a 1 Coi.00, P.l laD. L

(

I, IO 112 i.iil 26'. 0" 16,0711

De rekgrens van het Fe 510is wel minstens 30% hoger dan die van Fe 410. Eerder is gesteld dat de kans op brosse breuk daardoor niet groot is Voor een schip geheel vervaardigd van Fe 410, zoü die kans veeigroter geweest zijn! Immers de spanning van 300N/mm2 die binnen 20 jaar op de McLean is voorgekomen, zou voor een schip van Fe 410,als gevoig van de zwaardere constructie, ongeveer 270 N/mm2 hoog geweest zijn en dat ugt bóvende vloeigrens. De vervormingen in het dek blijven toch nog beperkt, doordat de scheepsdoorsnede in die toestand nog net niet geheel plastisch is.

Dit Iaatste Wordt pas bereikt bij een rekenspanning die circa 10%

boyen de vloeigrens ligt, dus bijo = 1,1X260 = 286 N/mm2 (260 = werkelijke vloeigrens van Fe 410). Dit komt fleer op een kans op bezwijken van circa 1:150 jaar in plaats van 1:50000 jaar voor Fe 510 (zie [2]). Met andere woorden één op de acht SL-7 schepen zou binnen 20jaar hebben kunnendoorbrekenwanneer zu van Fe 410

gemaakt zouden zijn. Het had met name de Sealand-Market

kunnen zijn, omdat die inderdaad cens aan een combinatie van extreem hoge belastingen en lagetemperaturen werd blootgesteld.

Dat het schip slechts een kleine scheur opliep, dankthet vermoede- lijk aan het gebruikte EH 33.

Het is wellicht nuttig orn nog cens uit teleggenwaarom de kans op breken met een factor 100 tot 1000vergroot wordt, wanneer in een schip een plastisch scharnier ontstaat. Dit is het eenvoudigst te doen door het gedrag van een plaat met een rond gat crin, die onderworpen wordt aan een trekbelasting, te beschouwen (figuur 12). Aan de randvan het gat heerst een spanningsconcentratie van 3. Zolang o

< 0vIi,

geldt overal o = E. Wanneer 0flom wordt verhoogd'tot 1/3o11, isaan de rand van het gatdespanninggelijk aan 0yI,,j en kan bij verderetoenamevan OnomvOOrlopig niet meer stijgen. De rek ter plaatse van het gat kan wel stijgen en zal steeds ongeveer driemaal zogroot zijn als de nominale rek. Wanneer0flom

de vloeigrens bereikt, is de rekdaar ongeveergelijk aan 0, 13%(r = o/E = 260/(2,1.X 10)).Ter plaatse van het gat is de rek dan 3 X

0,13% = 0,39%. Een kleine verhoging van de belasting (bij voorbeeld met 1%) zal de plaat over de gatdoorsnede doen

vloeiên, wat betekent dat de nominale rek 'ineens' groeit van 0,13%naar circa 1% (figuur 13). Ter plaatse van het gat groeit de

rek dus van 0,39% naar 3%. Voor een rond gat is dat niet

bezwaarlijk, maar voor een gelast constructiedetail, waarin lasfout- jes of vermoeiingsscheurtjes zitten, kan een vervorming van 3%, vooral bij lage temperatuur, funest zijn. Waarhet hier orn gaat is dat een geringe verhoging van de belasting de vervormingen doct toenemen met 750% (1/0,13.^X 100%). De vtoeigrens betekent derhalve voor op zuivere trek belaste constructiedelen een abso- lute bovengrens. Voor liggers die op bulging belast worden is er enige reserve, die. echter voor zeer holle kokers (schepen) niet boyen de 10% ultkomt.

Dat de verhoging van de brosse breuksterkte van een schip

inderdäad door de verhouding van de vlòeigrenzen van Fe 510 en Fe 410wordt aangegeven, blijkt uit figuur 14 [8]. Tevens is te zien

dat het niet uitmaakt of de constrúcties siecht zijn of zelfs kleine vermoeiingsscheurtjes bevatten. (Voor beide materialen bete- kende dat wel een reductie van de breuksterkte van circa 30%).

Drukslerkle

De druksterkte van niet-slanke constructies is ook ongeveer even-.

redig met de vloeigrens (figúur 15). De meéste verstijfde plaatvel- den in schepen zljninderdaad niet-slank. Doordat echter bij Fe 510 de plaatdikten kleiner, ende spanningen hoger zijndan bij Fe 410, krijgt men te maken met wat lagere plaatefficiencies (meewer-

kende plaatbreedten), waardoor het voordeel van de hogere

vloeigrensietsafneemt. Dit effect wordt des te groter ñaarmate de schepen kleiner, en dus de platen dunner zijn.

a'I'..

,flcwnnNp rca.

Figuar 14.

Invloed van verbeteringen van het scheepsstaal op de breukveilig- held. (Fe 410 Is AI.-rusrigstaal. Fe510ls genormaliseerd Nb-s:aal)

N

Vermoeiingssterkle

De vermoeiingssterkte van Fe510 is vrijwel gelijk aan die van Fe

410. Dit betekent, dat door het hogere spanningsniveau, bij

toepassing van Fe 510, eerder vermoeiingsscheuren zullen ont- staan. WI! men dit niet, dan moet beter 'geconstrueerd! worden, zowel in de tekenkamer, als op de lasvloer en de bouwplaats. Een mislukte poging hiertoe toont figullr 16. De waterloospoortjes waren mooi rond uitgebranden zeer zorgvùldig gelast, met 'zelfs' extra dikke lassen in de buurt van de gaten. Door de ronde vorm kwamen de uiteinden van de lassen echter zo dicht bij elkaar, dat daar een spleet ontstond, die tezamenmet de inkartelingen van de lassen een ideale beginplaats voor een vermoeiingsscheurtje vormde. Het laswerk had verder het plaatmateriaal daar ter plaatse zosterk verbrost, dat er gernakkelijk brosse breukjesontstonden.

Het betrokken schip bevatte er vele tientallen. Dat al die brosse breukJes gestopt zijn, is alleen te danken aan de betrekkelijk goede kwaliteit van het plaatmateriaal bûiten de door het lassen bein- vloede zone. Bij een iets lagere kerftaaiheid had het schip best kunnen breken. Alle ellendehad voorkomen kunnen worden door dëiäen lo iëndiWdkaarte laten overgaanT(stippellijn irífiguur 16). Ditgeval stamt niet uit een ver verleden, maar heeft zich twee

de constructeur I oktober 1988/ nr. 10 63

I$lS WST FtISUt COO

-- u-

ç. oNjwflHUS

".'1'iL

ro ^---

!ø ç,UMl'4'1'^.

^---

lolvim A

I

^{L1I. ON(PeON}

1 III

I.

o'

ISO

i

_I"

imaal construeren van schepen in staal van hogere sterkte

250

200

0-

500 450 400 350 300

2250

r

200

100

o oi 0.2 0.3 0.4 05 t (%

p I

0 2 4 0 e io 12 14 *0 *0 20 41...

INDRUI(KINO

Figuur 15.

- Invloed van de hoog:e van de vloeigrens op dedrukaterkie van een iangsspantconstructie

jaargeleden voorgedaan bij. een goed bekend staande Westeuro- pese wert.

Er zijn veci constructiedetaiis die het in Fe 410 nog net wèi

:''0k10eflde lang uithouden,;maar die in Fe 510 vroegen zeiden laat 'schéuren gaan vertonen. Overiapverbindingen komen hiervoor

het eerst in aanmerking. Wanneer de kiassebureaus dergeiijke

.. details tolereren, kan een wert de:reder veci eilende besparen door òp de meest bedreigde plaatsen de lasovergangen te 'shot-peenen'.

. Dit is veci goedkoper dan andere middeien ais slijpen of TIG- lassen, en bijna even doeitreffend. De iasspanningen gaan eruit en :;drukspanningen worden geindiceerd. Dit vertraagt de initiatie van

Scheuren in sterke mate.

Zoals ai eerder opgemerkt werd, geldt dat bij kleine en middel- grote schepen.de voordelen van Fe 510 kleiner zijn dànvoor grote schepen. De grens ugt vermoedelijk daar waar de plaatselijke belastingen de langsscheepse goifbuigbelastingen gaan overheer-

seni Men neemt vanouds ann dat dat blj L

90 m geschiedi.

ndere factoren zijn de grotere procentuele corrosietoeslag bij dünnere platen en het feit dat de lasvoordelen gering zijn, zeker wanìeer voor Fe 510 basischlassen vereist wordt, daar waar voor Pe 410 rûtiel lassen Wordt tóegestaan. Uiteraard geldt dit niet voor

"' ilie plaatsen waar in Fe 410 dikke piaat (> 30 mm) moet worden

'

toegepast, zoals in dekken met grote luikopeningen. Toch valt de gewichtswinst yank tegen, omdat in dergeiijke schepen deneutrale lIjn toch al lang iigt Vermindering van het dekmateriaai maakt dii

Figuur ¡6.

Siechte waterloospoors

-flog erger, waardoor het vele materiaai in de bodem laag wordt belast en derhalve niet optimaal wordt gebruikt.

Het voorgaande doct al vermoeden dat voor de scheepsbouw-

kunde stalen van nog hogere sterkte dan Fe 510 nauwelijks

voordelen bieden. Alleen in die gevallen dat de belastingen een statisch of semi-statisch karakter hebben en - zoals dan vrijwel altijd hei gcvul is - steeds in dezclfde richting werken, komen zeer sterke staalsoorten in aanmerking. Voorbeelden zijn luikdeksels, binnen, en buiten-'ramps' voor Ro-Ro schepen, hefinrichting èn romp van kraanschepen voor zeer zware lasten, en eventueel dekken voor zeer zware lading.

Figuur 17. Breukje ontstaan in doorsnede A-A (ziefiguur 16)

Conclusles

In de loop van 20 jaar is het spanningsniveau in grote, snelle schepen met meer dan 50% toegenomen.

Tochis de bezwijkkans niet veci verhoogd, vooral dank- zij het gebruik van staal van hogere sterkte.

Hogere sterkten dan Fe510hebben-voor schepen en-

verwante offshore-constructies (semi-subs) weinig zin in verband met vermoeiing.

Zeer zware stormen gaan meestal nietgepaard met lage zee- en luchttemperaturen. Dit betekent een kleinere kans op brosse breuk.

Llteratuur

Caldwell, J.B. en Hewitt, A.D.:'Towards cost-effective designofships structures'. Proc. mt. Conf. on Struct. Designand Fabr. in Shipbuil- ding. The Welding Institute 1976.

Nibbering, J.J.W.:'Permissible stresses and their limitations'. Report SSC-206, 1970. U.S. Coast Guard.

Oliver, J.C. en Ochi, K.: 'Evaluation ofSL-7 scratch gauge data.

Report SSC-311, 1981. U.S. Coast Guard.

(4] Boylston, i.W.. de Kot!, D.J. en Muntjewerf, ii.:'SL-7 container- ships: design, construction and operational experience'. Proc.

SNAME. 1974/75.

[5] Buckley, W.H.: 'A studyofextreme waves and their effrcts on ship structure'. Report SSC-320, 1983. U.S. Coast Guard.

(6] Lewis, E.V. en Zubaly, RB.: 'Predicting hull bending moments for design'. Proc. Extreme Loads Response Symposium 1981, SNAME.

[7] JapanShipResearchAssociation, 1977.--- - (8] Nibbering, J.J.W.: 'Breukmechanica, vermoeling enkwaliieitsbeheer-

sing van maritieme constructies'. N.M.I. report No. 150, dec. 198

(1]

de constructeur/ oktober1986 Inr. 10

-

i

^'--'S.s..

¡'t

^{I. Fe 510}

1 ^\

'i ii,

i

Ii

^Fe410

ii i' 'i

i