3 YLEISJÄRJESTELY
3.5 Case-katamaraanin versioiden vertailu
3.5.3 Konehuone
Aluksen toimiessa ahtailla tai muuten nopeusrajoitetuilla väylillä on tehontarve normaalia matkanopeutta huomattavasti pienempi. Polttoainetalouden kannalta on järkevämpää installoida neljä pientä kuin kaksi suurta kaasuturbiinia. Reitillä käytettävistä nopeuksista riippuen voidaan päätyä joko neljään yhtäsuureen konee
seen tai isä-poika koneistoon.
Konehuoneen kapeudesta johtuen pääkoneita ei voida sijoittaa vierekkäin. Ne voidaan käytettävissä olevan tilan koosta ja muodosta riippuen sijoittaa esimerkiksi peräkkäin eri korkeudelle, jolloin alennusvaihde on kaasuturbiinien välissä.
Laivatyypin painokriittisyydestä ja reitin lyhyydestä johtuen kaikki ylimääräinen korjausvälineistö jätetään rannalle, jolloin näiden vaatima tila on pieni. Kaasuturbii- neissa tarvittavien apujärjestelmien määrä on pienempi kuin dieseleissä. Voiteluöl- jyjärjestelmän kaikki pumput ovat moduliin asennettuja. Jäähdytysjärjestelmä käsittää vain voiteluöljyn jäähdyttimen. Polttoaineen separaattorit voidaan jättää pois, jos polttoaineena käytettävä marine gas oil (MGO) separoidaan valmiiksi
ennen tankkausta. Tankkaus tapahtuu joka satamakäynnin yhteydessä, jolloin mukana kuljetettavan polttoaineen määrä on pieni ja tankkausaika lyhyt.
Ponttoonien tilavuus ei ole ongelma, vaan tilaa on jopa liian paljon - tyhjiä tiloja on runsaasti. Propulsio- ja apukoneiden sekä näiden apulaitteiden tilantarpeella ei tässä tapauksessa ole suurta merkitystä, vain moottorin leveys ja korkeus rajoitta
vat sijoittelua. Dieselgeneraattoreiden apulaitteet, jäähdytys ja voitelu tarvitsevat jonkin verran tilaa apukonehuoneiden läheisyydestä.
Erilaisia voiteluöljytankkeja dieseleille, jäteöljy-, juomavesi-, musta- ja harmaa- vesitankkeja sijoitetaan ponttooneihin tarpeen mukaan. Näiden tilavaatimukset eivät ole kovin suuret.
Laivapalkin lujuuteen voidaan vaikuttaa monella tavalla. Materiaalivalintojen, erilaisten rakenteellisten ratkaisujen ja runkomuodon muuttamisen lisäksi katama
raanissa voidaan vaikuttaa runkoväliä muuttamalla. Runkovälin muuttaminen vaikut
taa suoraan ponttoonien yhdysrakenteen kuormituksiin. Pienentämällä runkoväliä jänneväli pienenee ja samalla kuormat pienenevät. Mitoittavana dynaamisena kuormana on poikittainen taivutusmomentti, split-momentti, joka aiheutuu aaltojen ponttooneja erilleen vääntävistä voimasta. Momentin suuruuteen vaikuttavat myös muut tekijät kuin runkoväli. Tehtyjen vertailujen (Svensen 1993) mukaan aluksen pituuden kasvattaminen suurentaa split-momenttia sekä vasta- että sivuaallokossa.
Runkovälin kasvattaminen suurentaa split-momenttia vasta-aallokossa, mutta sivuaallokossa vaikutus ei ole yhtä selvä. Katamaraaneissa on otettava huomioon myös yhdysrakenteen mahdollinen slamming. Kasvattamalla tunnelin korkeutta voidaan slamming riskiä vähentää, mutta samalla muut kuormat, kuten split- momentti kasvavat.. Yhdysrakenteen slamming-kuormat ovat mitoittavia lähinnä pienissä 30-50 metrisissä katamaraani-aluksissa. Suurissa nopeissa katama
raaneissa globaaleista kuormista saadut rakenteiden mitoitukset täyttävät yleensä paikallisten kuormien asettamat vaatimukset. Suuri nopeus ei välttämättä aiheuta suuria globaaleja kuormia.
4.1 Materiaalit
Luonteeltaan painokriittisessä katamaraanissa on pyrittävä mahdollisimman pieneen kevytpainoon. Valitsemalla kussakin kohdassa mitoittavaan kuormitusta
paukseen sopiva materiaali ja rakenneratkaisu päästään lähelle optimiratkaisua.
Materiaalien määrä ja rajapintojen lukumäärää on kuitenkin syytä rajoittaa, koska eri materiaalien liittäminen toisiinsa aiheuttaa aina ylimääräisiä teknisiä ja taloudel
lisia ongelmia.
IMO:n HSCC (1993) sääntöehdotuksessa nopeille aluksille todetaan materiaaleista mm. seuraavaa: Runko, kansirakennus, kantavat laipiot, kannet ja pilarit tulee
rakentaa hyväksytyistä palamattomista materiaaleista, joilla on riittävät rakenteelli
set ominaisuudet tai paloa rajoittavasta materiaalista edellyttäen, että se täyttää säännössä olevat ehdot, mm. testi komposiittien rakenteellisesta lujuudesta kohonneessa lämpötilassa. Palolaipioissa on käytettävä palamatonta tai eristettyä rajoitetusti palavaa materiaalia, jolla saavutetaan riittävät ominaisuudet. Aluksen kantavien rakenteiden, jotka sijaitsevat erittäin tai kohtalaisen paloalttiilla alueilla, tulee jakaa kuorma siten, että rakenne ei romahda vaaditun ajan aikana. Jos nämä rakenteet on tehty alumiinista, niin konstruktio on tehtävä siten, että rakenteen sisä
osan lämpötila ei nouse enempää kuin 200 °C . Jos materiaalina on jokin palava materiaali, on se eristettävä siten, että sen kuormankantokyky ei heikkene tiettyyn kokeella määrättävään lämpötilaan mennessä. (IMO 1993)
HSCC säännöissä sovelletaan ns. ekvivalenttisuusperiaatetta, jolloin lippuvi- ranomainen voi sallia mikä tahansa säännössä alukseen vaaditun varusteen, materiaalin, laitteen tai sen tyypin korvaamista toisella joka kokein tai muuten on osoitettu olevan vähintään yhtä tehokas kuin säännössä vaadittu.
4.1.1 Erikoislujat teräkset
Erikoislujilla teräksillä tarkoitetaan yleensä teräksiä, joiden myötölujuus on yli 400 MPa. Lujuus- ja hitsausominaisuudet saadaan aikaan joko termomekaanisella valssauksella (TMCP) tai nuorruttamalla. Saatavana on teräksiä, joiden myötölujuus on jopa 1100 MPa. Luokituslaitoksilla korkein lujuusluokka laivoihin on 390 MPa.
Taulukko 6.
Hitsatuissa rakenteissa ilmenevistä ongelmista keskeisiä ovat korkea jäännösjän- nitystaso ja vaativa hitsaustekniikka. Nämä ilmenevät liitosten kylmähalkeiluna, alhaisena sitkeytenä, korroosioherkkyytenä ja loviherkkyytenä. Materiaalin väsymis
lujuus ei kasva lujuuden mukana.
Erikoislujan teräksen käyttökohteina laivoissa on yleensä raskaasti kuormitetut rakenteet, kuten pohjalaidoitus, jäävyöhyke, ajoneuvokansi ja kaksoispohja (Tuokko
käytetään myös muissa rakenteissa. Pyrittäessä rakenteiden keveyteen korostuu levyjen valmistustoleranssien tärkeys. Oikein valituilla valmistusmenetelmillä, esimerkiksi nauhavalssaus, päästää pieniin toleransseihin.
Taulukko 6. Terästen ominaisuuksia.
Aine Myötöl. om
NV-32 315 204 25 7850 0.04 26.0
NV-40 390 204 24 7850 0.05 26.0
TMCP 500 500 204 22 7850 0.06 26.0
4.1.2 Alumiini
Alumiinia on käytetty kauppalaivojen kansirakenteissa jo vuodesta 1939. Erilaisia seosaineita, kuten magnesium, pii ja mangaani käytetään parantamaan korroosion- kesto-, lujuus- ja hitsausominaisuuksia. Alumiinin kimmomoduli ja tiheys ovat 1/3 teräksen vastaavista, mutta ominaisjäykkyys (E/p) ja ominaislujuus (am/p) ovat samaa luokkaa kuin teräksillä, taulukko 7.
Alumiinirakenteiden ongelmina ovat väsymismurtumat. Alumiinilla ei ole jännitys- rajaa, jonka alapuolella aine kestää murtumatta rajattoman määrän kuormitusker- toja. Siten pienetkin vaihtokuormitukset aiheuttavat jossain vaiheessa murtuman.
On suunnittelijan tehtävä varmistaa, ettei se tapahdu rakenteen suunnitellun käyttöiän aikana. Hitsatuissa rakenteissa tämä ongelma korostuu, sillä väärässä paikassa tai huonolaatuinen hitsisauma alentaa lujuutta huomattavasti. HAZ (Heat Affected Zone) alueella lujuuden pienenemistä voidaan kompensoida kasvattamalla materiaalipaksuutta sauman ympärillä. Hitsisaumoja voidaan vähentää käyttämällä pursotettuja profiileja, joissa levykenttä ja jäykisteet ovat valmiina. Alumiinin hyvä lämmönjohtavuus ja korkea lämpölaajenemiskerroin, noin kaksi kertaa suurempi kuin teräksen, aiheuttavat sen, että hitsauksen yhteydessä aiheutuu suuria muo
donmuutoksia. Rakenteissa, joissa ei ole käyryyttä, käytetään yleensä korrugoitua levyä tai pursoteprofiilia.
Alumiini soveltuu parhaiten kohteisiin, joissa valintakriteerinä on jäykkyys tai lujuus pintapaineen alaisena tai lommahdusjännitys. Tällöin alumiini on painomielessä selvästi terästä parempi. (Allday 1991, Callahan 1991, Hamarila 1982, Olkinuora 1991)
Taulukko 7. Alumiinien ominaisuuksia.
Aine Myötöl. om
AI-5083-H 145 70.3 16 2660 0.05 26.4
AI-5086-0 117 70.3 22 2660 0.04 26.4
AI-5456-0 159 70.3 23 2660 0.06 26.4
4.1.3 Muovikomposiitit
Komposiiteilla tarkoitetaan "materiaaliseoksia", joissa eri osamateriaalit eivät ole liuenneet toisiinsa, yleensä kuitenkin tarkoitetaan kertamuovikomposiitteja. Lujittavi
na kuituina, jotka määräävät materiaalin jäykkyyden ja lujuuden, käytetään E- tai S- lasia, hiilikuitua, aramidikuitua, boorikuitua tai polyeteenikuitua erikseen tai erilaisina hybridirakenteina, taulukko 8. Kuituja toimitetaan lankoina, kuitukimppuina, mattoina ja neuloksina. Matriisina, joka välittää voimia kuitujen välillä, käytetään polyesteriä, vinyyliesteriä, epoksia, fenolia tai polyuretaania. Pyrittäessä keveisiin rakenteisiin käytetään kerroslevyrakenteita, joissa pintalevyjen väliin laitetaan ydinainetta kuten solumuoveja, balsapuuta ja hunajakennorakenteita.
Rakenteiden mitoituksen hyväksymiskriteereinä voidaan käyttää jännityksiä, venymiä siirtymiä tai rakenteen värähtelyominaisuuksia. Perinteisillä materiaaleilla jännitys on useimmiten määräävä mitoitusperuste. Kuitulujitettujen muovikomposiit
tien korkeista lujuusarvoista ja matalasta kimmomodulista johtuen siirtymät
kasva-siis tyypillisesti siirtymäkriittistä. (Lammassaari 1994 s. 63)
Komposiitit sopivat hyvin rakenteisiin, jotka ovat muodoltaan sellaisia, että niiden valmistaminen metallista on vaikeaa. Sopivia käyttökohteita ovat myös paine- kuormitetut ja globaalin lujuuden kannalta toisarvoiset kohteet.
Tällä hetkellä ei vielä ole rakennettuja sovellutuksia laivakokoluokassa. Suurimmat muovikomposiiteista valmistetut alukset ovat pituudeltaan noin 40 metriä. Pienempi
en kappaleiden valmistus on jo rutiinia, joten liittämällä näitä yhteen voidaan koota suuriakin osia. Luokituslaitosten asenteet komposiitteja kohtaan ovat avoimet;
työkalut lujuuslaskennan puolella on olemassa, mutta tarvitaan vielä referenssejä todellisista rakenteista. (Telakka 2000, 1994e).
Taulukko 8. Epoksimatriisikomposiittien ominaisuuksia.
UD-kuitu
E-lasi 780 38.1 2 1870 0.41 20.4
Kevlar 49 1410 85 1.7 1390 1.01 61.2
Hiilik. HT-S 1600 130 1.2 1500 1.07 86.7
Boorikuitu 1520 215 0.7 2080 0.73 103
4.2 Rakenneratkaisut
Alusta voidaan keventää erilaisilla rakenteellisilla ja yleisjärjestelyn muutoksilla, kuten valitsemalla rakenne ja materiaali kunkin kohdan ensisijaisen tehtävän mukaan. Katamaraanin poikittaisen taivutusmomentin aiheuttamiin jännityksiin voidaan vaikuttaa runkoväliä muuttamalla. Laivan koon ja rakenteiden muodonmuu
tosten kasvaessa rakenteiden jatkuvuuden merkitys korostuu. Muodonmuutoksien suuruutta ei rajoiteta luokitussäännöissä joten suunnittelijan tehtäväksi jää varmis
taa, että ne eivät aiheuta laitteiden tai rakenteiden rikkoutumista (Olbjörn 1991).
4.2.1 Hybridirakenne
Jaettaessa katamaraanin pääkaari rakenteellisiin osiin, erottuu selvästi kolme ko
konaisuutta. Ronttoonit, joihin kohdistuu kuormina vedenpaine ja poikittainen taivutus, yhdysrakenteesta yläkanteen muodostuva laatikko, kuormituksina pitkittäi
nen ja poikittainen taivutus sekä kansirakennuksen katto kuormituksena kannella olevan veden paine. Näistä ponttoonit ja kansirakennuksen katto soveltuvat sekä kuormituksien että muotojen takia erinomaisesti komposiitista valmistettaviksi. Kom- posiittiponttoonien ja teräslaatikon liitoskohta on poikittaisen taivutusmomentin aiheuttamien kuormien kannalta pahimmassa mahdollisessa paikassa, mutta pyöristämällä liitoskohdassa rungon muotoa, voidaan jännityksiä pienentää. Kuva 10.
KOMPOS TT I KATTO
TERÄS -L AAT I KKO
KOMPOS I I T T PÖNTTÖÖN I T
Kuva 10. Pääkaaren materiaalikartta hybridi rakenteessa.
Faulkner (1993 s. 1692) toteaa, että muovikomposiitit soveltuvat monirunkoaluksiin hyvin, mutta pienen kimmomodulin takia rungon jäykkyys ja värähtelyt voivat muo
dostua ongelmaksi. Näiden ongelmien takia eri materiaaleista koottu hybridirakenne
Pienemmille SWATH-aluksille tehdyn paino ja rakennuskustannusvertailun (Los- combe 1988) mukaan aluksen kantavasta yhdysrakenteesta tulee komposiitista rakennettuna 10 % painavampi kuin alumiinisesta. Komposiitteissa käytettiin lasikui
tuja. Hybridirakenne, jossa ponttoonit ovat komposiittia ja yhdysrakenteessa alumiinia osoittautui sekä painon että hinnan osalta kilpailukykyiseksi.
4.3 Case-katamaraanin lujuus ja painovertailu
4.3.1 Valittu rakenneratkaisu
Esimerkkilaivassa on varsin pieni uppouma verrattuna kokonaistilavuuteen. Jos koko runko olisi terästä, niin kantavuus jäisi kuljetustehtävän kannalta liian pieneksi.
Tutkittavassa aluksessa päädyttiin materiaalien osalta ratkaisuun, jossa ponttoonit ja ylin kansi ovat muovikomposiittirakennetta. Tässä työssä runkojen oletetaan olevan jäykkyydeltään niin pieniä, että ne eivät juurikaan osallistu laivapalkin lujuu
teen. Niiden tehtävä on vain kelluttaa laivaa. Samoin ylimmän kannen tehtävänä on olla sääsuojana alla olevalle tilalle. Laivapalkin lujuuteen osallistuu siis vain varsin matala ja leveä teräslaatikko. Todellisuudessa myös ponttoonit ja ylin kansi osallistuvat pitkittäislujuuteen, mutta näissä laskuissa niitä ei huomioitu. Koska käytetään muovikomposiittiponttooni-ratkaisua on autokansi pitkittäislujuuden kannalta järkevämpi sijoittaa perinteiselle paikalle alas, taulukko 9. Perinteisen yleisjärjestelyn, jossa autokannet ovat alhaalla, matkustajakansi on varsin painava.
Jos autokannet ovat ylhäällä saadaan nyt lähellä neutraaliakselia sijaisevaa matkustajakantta kevennettyä, mutta pinta-alaltaan suurten autokansien painon lisäys on suurempi kuin saatu kevennys matkustaja kannessa.
Taulukko 9. Autokannen sijainnin vaikutus kansien neliöpainoihin. Painossa mukana kansilevy, kehyskaaret ja pituusjäykkääjät.
autokannet matkustaja-
yhdysraken-kansi ne
kg/m2 kg/m2 kg/m2
perinteinen 123.2 124.8 136.0
yleisjärjestely
autokannet 153.3 75.6 136.8
ylhäällä
Perinteisen ratkaisun pääkaaren paino on noin 1-2 % kevyempi kuin tapauksen, jossa autokannet ovat ylhäällä.
4.3.2 Paikallinen lujuus
Aluksen kantavan rakenteen materiaalina on teräs. Laivassa on pitkittäin jäykistetyt kannet. Autokannen laidat on poikittain jäykistetyt, jotta ponttooneista siirtyvät kuormat saataisiin tehokkaasti johdettua ylempiin rakenteisiin. Autokansien mitoitta
vana kuormana on rekkojen pyöräkuormat. Autokansien neliöpainoa voidaan pienentää valitsemalla kehyskään- ja pituusjäykkääjäväli oikein. Tyypillisellä rekalla, akselipaino 12 tonnia, autokannen neliöpainon minimi löytyy kehyskaarivälillä 2.2 metriä ja pituusjäykkääjäjaolla 0.7 metriä, jos materiaalina on NV-36 teräs. Jotta rakenteesta saadaan symmetrinen valitaan kaariväliksi 600 mm ja kehyskaariväliksi 2400 mm, kuva 11. Samaa jakoa käytetään muuallakin, jollei muuta ole mainittu.
Yhdysrakenteen pohja on niin kaukana konstruktiovesiviivasta, ettei siihen säännön lausekkeen mukaan kohdistu lainkaan slamming-kuormia. Yhdysrakenteen mitoituk
sessa käytetään samaa painekuormaa, kuin laivan sivujen mitoituksessa.
Matkustajakansilla kuormana on matkustajien aiheuttama paine 0.35 t/m2, johon vielä otetaan huomioon suunnittelu kiihtyvyys.
AUTOKANNEN NELIOPAINO
^ i'1 n n
1—I—h Pituusjäykkääjäjako [m]
Kehyskaari- väli [m]
Kuva 11. Kaari- ja kehyskaarivälin vaikutus autokannen neliöpainoon. Rengaskuvio 0.3 * 0.75 m, akselipaino 12 tonnia.
4.3.3 Laivapalkin pitkittäislujuus
DNV:n (1993) sääntön mukaan laivapalkilta vaadittava pitkittäinen taivutusvastus lasketaan lausekkeella
— *103 0
[cm3]
jossa M pitkittäinen taivutusmomentti
g sallittu jännitys, 175 MPa
Laivapalkin suurin sallittu jännitys on vakio teräksen myötölujuudesta riippumatta.
Tässä työssä sallitussa jännityksessä on otettu huomioon materiaalin ominaisuudet materiaalikertoimen avulla. Perustapauksen materiaalina on myötölujuudeltaan 355 N/mm2 oleva teräs. Koska kantavan rakenteen muoto on matala, korkeus 8.5 metriä ja leveys 40 metriä, muodostuu pitkittäislujuudesta laivapalkin ylä- ja alapinnalla mitoittava. Tehokkainta on sijoittaa paljon materiaalia kauas palkin
neutraaliakselista, jolloin matkustamokannen kansilevystä tulee paksu. Samoin yhdysrakenteen pohjasta tulee paksu. Tällä alueella aaltokuormatkin antavat lähes yhtä suuren paksuusvaatimuksen. Matkustamokannen paikallinen kuormitus on niin pieni, että pitkittäisjäykisteiden jakoa voidaan kasvattaa kaksinkertaiseksi eli 1200 moriin. Teräsrakenteen neutraaliakseli sijoittuu noin metrin alemman autokannen yläpuolelle, joten autokansien merkitys pitkittäislujuudessa on olematon.
PITKITTÄINEN TAIVUTUSMOMENTTI
1150000
1100000
1050000
1000000
950000
24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 RUNKOVÄLI [m]
Aalto (hogging) Slamming (crest landing)
Kuva 12. Runkovälin vaikutus case-katamaraanin luokituslaitoksen määräämään pitkittäiseen taivutusmomenttiin.
Pitkittäiseksi taivutusmomentiksi on valittu suurin seuraavista momenteista:
slamming-momentit: crest landing hollow landing
tyynenveden- ja aaltomomentit: hogging sagging
mutta ei crest ja hollow landing momentteihin. Pienimmällä tutkitulla runkovälillä slamming-momentti on mitoittava, muilla runkoväleillä aaltomomentti. Koska aaltomomentti on kaikilla runkoväleillä sama, on taivutusvastusvaatimuksen muutos pienempi siirryttäessä versiosta 2 versioon 3, kuin siirryttäessä versiosta 1 versioon 2.
Case-katamaraanissa, jossa pitkittäislujuus on teräsrakenteen mataluuden vuoksi mitoittava, ei runkoväliä siis kannata pienentää kuin siihen pisteeseen asti, jolloin slamming-momentti tulee mitoittavaksi, kuva 12. Tämä tapahtuu runkovälillä 26.3 metriä.
4.3.4 Poikittainen taivutus (split-momentti)
Poikittainen taivutusmomentti aiheutuu runkojen alaosaan kohdistuvista aallokon aiheuttamista voimista. Momentin suuruus on laskettu DNV:n kaavalla
M - Aacsb [kNm] (4)
s s
jossa A uppouma
acg suunnittelukiihtyvyys
b runkojen keskilinjojen välinen etäisyys
s kerroin, joka riippuu aluksen toiminta-alueesta (=4)
Case-katamaraanin split-momentista aiheutuneita jännityksiä ja siirtymiä laskettiin yhteistyössä tekn. yo. Lausmaan (1994) kanssa Finnsap elementtimenetelmäohjel
man avulla. Aluksesta tehtiin puolilaivan levyinen ja kehyskaarivälin 2400 mm pituinen malli kahdella eri runkovälillä, 34 metriä ja 24 metriä. Mallinnuksen lähtökohtana oli paikallis- ja pitkittäislujuudesta saadut rakenteiden mitoitukset.
Kummastakin versiosta tehtiin lisäksi erilaisia rakenteellisia variaatioita. Kussakin mallissa on noin 1000 nelisolmuista kuorielementtiä, joilla on kaksikymmentä vapausastetta. Koska ponttonien ja yhdysrakenteen liitoskohtaan oli odotettavissa
jänmtyskeskittymä, mallitettiin myös ponttooneiden yläosa, jotta vaikuttavat voimat saataisiin siirtymään ponttoonista tarkasteltavaan rakenteeseen mahdollisimman oikein.
von Mises
vertailujännitys MPa
Kuva 13. Kehyskaaren von Mises vertailujännitys ponttoonin yläpuolella, run ko väli 34 m.
Leveimmässä versiossa, run ko väli 34 metriä, suurimmat jännitykset tulevat odote
tusti ponttoonin yläpuolella kehyskaareen. Jännitykset on ilmoitettu von Mises:in vertailujännityksinä. Suurin paikallinen jännitys on kehyskaaren nurkassa suuruu
deltaan 310 MPa, kuva 13. Tämä on yli luokituslaitoksen salliman jännitystason 250 MPa, jossa otetaan huomioon myös materiaalin lujuus toisin kuin pitkittäislujuudes- sa. Mallissa kehyskaaren nurkat ovat mallinnusteknisistä syistä terävät. Pyöreillä nurkilla ja paikallisilla vahvistuksilla tämä paikallinen jännityshuippu saadaan
jännitystaso on noin 40 MPa. Matkustajakannen kehyskaaressa suurin jännitys on 148 MPa, muutoin yleensä noin 30 MPa. Levykentissä jännitystaso on 20-60 MPa, suurimmillaan 135 MPa. Suurin pystysuuntainen siirtymä on noin 7 cm, liite 4.
Kapeimmassa mallissa, runkoväli 24 metriä, rakennetta kuormittava momentti on pienentynyt runkovälin suhteessa. Suurin jännitys yhdysrakenteen kehyskaaressa on 226 MPa eli alle suurimman sallitun. Muutoin jännitystaso on noin 30-58 MPa.
Matkustajakannen kehyskaaressa suurin jännitys on vain 59 MPa. Levykentissä jännitystaso on 17-60 MPa, suurimmillaan 119 MPa. Suurin pystysuuntainen siirtymä on tässä tapauksessa noin 5 cm, liite 5. Tämä versio kestää luokituslaitok- sen säännön mukaisen split-momentin ilman muutoksia.
Molemmilla tutkituilla runkoväleillä, paikallisia jännityshuippuja lukuunottamatta, pitkittäislujuus on mitoittava. Vaikka koko pääkaari olisi terästä niin materiaalipak- suudet muuttuisivat ratkaisevasti vain yhdysrakenteen ja matkustajakannen levyjen osalta, koska nykyisessä hybridi rakenteessa kehyskään on mitoitettu paikallisten kuormien mukaan.
Matkustajakannella levykentän pitkittäisten jäykisteiden väli on suuri johtuen kansilevyn paksuudesta. Split-momentti aiheuttaa levyyn puristusta ja tällä levyken
tän koolla lommahtaminen pituusjäykisteiden välissä on mahdollista. Sen sijaan koko jäykistetyn levykentän lommahtamisesta ei ole vaaraa.
4.3.5 Segmenttimallikokeet
Aallokosta aiheutuvien kuormien selvittämiseksi case-katamaraanin segmentoidulle mallille tehtiin merikelpoisuus mallikokeet (Telakka 2000 1994a). Mallin vasen runko jaettin kahdeksaan osaan joista kustakin mitattiin pysty- ja vaakavoima sekä vääntömomentti. Oikeanpuoleisesta rungosta mitattiin vastaavat suureet keulasta ja perästä. Runkovälinä oli vakio 34 metriä.
Tuloksista on laskettu laivan pitkittäinen taivutusmomentti ja sitä verrataan DNV:n säännön antamaan mitoitusmomenttiin, kuva 14.
PITKITTÄINEN TAIVUTUSMOMENTTI
SÄÄNNÖLLINEN AALLOKKO kohtauskulma 180 ast nopeus 37 kn 1600000
1400000
--1200000
--“ 1000000
E 800000
600000
400000
-200000
-I 11
Aallon periodi T [s]
•"O H=6 m -*5«- H=9 m H=12 m ---DNVHSLC
Kuva 14. Case-katamaraanin pitkittäinen taivutusmomentti eri aallonkorkeuksilla säännöllisessä aallokossa verrattuna DNV:n mitoitusmomenttiin.
Kuvasta nähdään, että säännöllisen aallonkorkeuden ollessa 9 metriä tai suurempi ja aallon periodin noin 12.5 sekuntia, luokituslaitoksen mitoitusmomentti ylittyy.
Rayleighin jakaumaa noudattavassa epäsäännöllisessä aallokossa todennäköisesti suurin aalto voidaan laskea likimäärin kaavalla
Hmax=2 Hs (5)
Kaavasta (5) saadaan merkitsevä aallonkorkeus, jota vertaamalla aaltotilastoihin (Global Wave Statistics 1985) eri alueilta saadaan todennäköisyys sille, että mitoitusmomentti ylittyy, taulukko 10.
köisyys eri merialueilla. Case-katamaraani, runkoväli 34 metriä.
Todennäköisyys
Biskajanlahti, koko vuosi 0.9%
Pohjanmeri, koko vuosi 0.1%
Irlanninmeri, koko vuosi 0.2 %
Pohjois Atlanti, koko vuosi 2.7 %
Runkovälin pienentyessä luokituslaitoksen mitoitusmomentti pienenee jonkin verran.
4.3.6 Komposiittiosat
Tutkittavan katamaraanin ponttoonien ja ylimmän kansirakennuksen materiaaliksi valitaan muovikomposiitti. Komposiittiosat on mitoitettu Finnyards Materiaaliteknii
kan toimesta ja ylärakenteen tuloksia on esitetty lähteessä Telakka 2000 (1994d).
Kansirakenne on itsekantava, mutta ei osallistu globaalilujuuteen. Tällöin rakenteel
le voidaan sallia luokitussääntöjen ohjeita suurempia taipumia ja materiaalin
N
Kuva 15. Case-katamaraanin ylärakenteen kerroslevyn mitat, (Telakka 2000 1994d).
lujuuspotentiaali tulee käytettyä paremmin hyväksi. Ylärakenteen materiaalina on E-lasi/epoksi pintamateriaalina ja balsa ydinaineena, mitat kuvassa 15.
Kehyskaariväli on 2000 mm ja pitkittäisjäykisteitä ei ole lainkaan. Paneelin taipuma on noin 2.5 % lyhyemmän sivun pituudesta. Tämä ylittää luokituslaitoksen salliman
1 % taipuman, mutta tällä rajalla ei ole mitään tekemistä lujuuden kanssa vaan se on lähinnä psykologinen raja. Ylärakenteen neliöpainoksi tulee noin 10 kg/m2.
Komposiittiponttoonit ovat kooltaan ja kuormituksiltaan niin suuria, että komposiitti
materiaalina on käytettävä muutakin kuin lasia. Komposiittiponttooneissa kuormina on vedenpaine, pohjan slammingpaine ja keulan sivun iskupaine. Ponttoonit ovat kerroslevyrakennetta, jossa ydinaineena on alumiinihunajakenno. Pintalevyt koostuvat isku-, lujuus- ja eristyskerroksista. Matriisina käytetään epoksia. Iskuker- ros on E-lasia 1x600 g/m2, lujuuskerros suunnattua hiilikuitua 150-250 g/m2 kerrosten lukumäärä vaihtelee paikan mukaan ja eristyskerros on E-lasia 2x600 g/m2 kansissa ja laipioissa ja 1x300 g/m2 muualla.
4.3.7 Painovertailu
Runkoväli vaikuttaa pitkittäiseen taivutusvastusvaatimukseen ja sitä kautta pääkaa- ren, kuva 16 mitoitukseen ja painoon. Väli vaikuttaa myös suoraan split-momentin suuruuteen. Kapeammilla runko väleillä poikittaisten rakenteiden jänneväli pienenee, joka myös keventää rakenteita. Esimerkkilaivassa saadaan perusmateriaalilla, teräs myötölujuus 355 N/mm2, runkoväliä pienentämällä teräspainoa pienennettyä suhteellisen paljon, taulukko 11. Jos koko painonsäästö lisätään kantavuuteen saadaan noin 190 henkilöautoa matkustajineen lisää, olettaen että kaasuturbiineita ei tarvitse vaihtaa suurempiin vastuksen lisääntyessä runkovälin muuttumisen johdosta. Vastuksen muutos on niin pieni, että sillä ei välttämättä ole vaikutusta pääkonevalintaan.
Runkoväli Teräspaino Muutos pe-rusversioon
tonnia %
b=34 m, autokansi alhaalla 3198
b=34 m, autokansi ylhäällä 3230 +1
b=29 m 2870 -10
b=24 m 2830 -12
Kuva 16. Case-katamaraanin pääkaari, levein versio
4.4 Keventämisen keinoja case-katamaraanissa
Tutkittavassa case-katamaraanissa otetaan erivapauksia rakenteissa, säännöissä ja ratkaisuissa, koska tällä tavoin saadaan esille niitä ratkaisuja, joita voisivat olla käytännössä mahdollisia muutaman vuoden kuluttua.
Luokituslaitokset hyvittävät teräsmateriaaleissa lujuuden nostamista vain tiettyyn myötölujuuteen saakka. DNV 390 N/mm2, LR 353 N/mm2 ja muut 355 N/mm2 saakka. Tätä lujemmille teräksille ei ole määritelty materiaalikerrointa. DNV:n nopei
den alusten säännössä lujia teräksiä ei oteta huomioon lainkaan laivapalkin pitkittäistä taivutusvastusta ja levynpaksuuksien minimejä määritettäessä. Myötölu- juudeltaan yli 390 N/mm2 materiaaleille on käytetty DnV:n Offshore säännön materiaalikertoimia. Tämä kerroin on lähempänä todellista myötölujuuden parantu
mista, kuin laivojen luokitussäännöissä käytetty kerroin. Taulukko 12 (Telakka 2000 1994d).
Taulukko 12. Materiaalikertoimet eri luokituslaitoksilla.
Luokituslaitos
Myötölujuus N/mm2
235 265 315 353 355 390 500 620 690
DNV Ships 1 1.08 1.28 1.39 1.43 - -
-LR 1 1.08 1.28 1.39 - - - -
-ABS 1 1.28 1.39 - - -
-BV 1 1.08 1.28 1.39 - - -
-DNV HSLC 1 1.08 1.28 1.39 1.43 - -
-DNV Offshore 1 1.1 1.31 1.48 1.63 2.08 2.58 2.88
Re(x)/Re(235) 1 1.13 1.34 1.5 1.51 1.66 2.13 2.63 2.94
Myöskään komposiittien kaikkea lujuuspotentiaalia ei voida luokituslaitosten sääntöjen mukaan mitoitettaessa käyttää hyödyksi. Rajoituksena oleva 1% taipuma tulee vastaan varsin helposti vaikka pintalaminaattien jännitykset ovat tällöin vielä pienet. Rohkeimmat ehdottavat tietyissä rakenteissa rajaksi jopa 7 %, jolloin
jännitystaso ei vieläkään ole kriittinen (Telakka 2000 1994d).
Perustapauksessa, jossa laivapalkin materiaalin myötölujuus on 355 N/mm2, laivan kantavuus jää pieneksi. Suurimmalla tutkitulla runkovälillä, 34 metriä, kantavuus on noin 23% uppoumasta. Muuttamalla teräslaatua lujemmaksi joko paikallisesti tai koko laivapalkissa saadaan teräspainoa pienennettyä.
4.4.1 Paikalliset materiaalimuutokset
Rakenteita voidaan keventää muuttamalla rakenteiden materiaaleja lujemmiksi paikallisesti, taulukko 13. Esimerkiksi muutettaessa autokannen levy myötölujuudel- ta 355 MPa lujempaan 690 MPa teräkseen saadaan 157 tonnin painonsäästö.
Muutettaessa materiaalia paikallisesti ei kaikissa tapauksissa saada hyötyä, sillä useasti mitoittavana tekijänä on pitkittäislujuus tai muutos voi olla niin pieni, alle 0.5 mm, että siitä ole hyötyä. Mitoittavan pitkittäislujuuden vuoksi ei matkustajakannen ja yhdysrakenteen kansilevyjä voida ohentaa. Autokannen sijainti lähellä neutraali- akselia antaa mahdollisuuden ohentamiseen.
Taulukko 13. Eri teräslaaduilla saatavia painonsäästöjä eri rakenteissa Materiaalimuutoksen
pituusjäykkääjät 0 34 51
kehyskaaret 4 43 71
Matkustajakansi
kehyskaaret 2,5 34 57
Yhdysrakenne
kehyskaaret 3 45 75
Yhteensä 9,50 244,00 411,00
4.4.2 Laivapalkin materiaalimuutoksien vaikutukset
Koska laivapalkin teräslaatikon pitkittäislujuus on mitoittava, päästään suurimpiin painonsäästöihin, kun koko teräslaatikon materiaali muutetaan lujemmaksi. Jos
Koska laivapalkin teräslaatikon pitkittäislujuus on mitoittava, päästään suurimpiin painonsäästöihin, kun koko teräslaatikon materiaali muutetaan lujemmaksi. Jos