Kari Pat rakka
TUTKIMUS RUNKOVÄLIN VAIKUTUKSESTA KATAMARAANIN YLEISJÄRJESTELYYN JA SUORITUSARVOIHIN
Diplomityö, joka on jätetty opinnäytteenä
tarkastettavaksi diplomi-insinöörin tutkintoa varten Espoossa 01.11.1994
Työn valvoja: prof. Petri Varsta Työn ohjaaja: ins. Esko Karlsson
TEKNILLINEN ' "
LaiVEi¿jv
Tämä diplomityö on tehty Finnyards Oy:n telakalla.
Työn valvojaa, professori Petri Varstaa haluan kiittää hänen työtäni kohtaan osoitta
mastaan mielenkiinnosta.
Työn ohjaajaa, insinööri Esko Karlssonia, kiitän kannustavasta suhtautumisesta työtä kohtaan sekä hyvistä neuvoista. Koko tuotekehitysosastoa kiitän lukuisista rakentavista parannusehdotuksista sekä miellyttävästä työilmapiiristä.
"Mikä on ollut keksijöistä suurin? Sattuma." (Mark Twain)
Raumalla 1. marraskuuta 1994
Kari Patrakka
Tekijä ja työn nimi: Kari Patrakka
Tutkimus runkovälin vaikutuksesta katamaraanin yleisjärjestelyyn ja suoritusarvoihin Päivämäärä: 01.11.1994 Sivumäärä: 67 + liitteet
Osasto: Professuuri: Kul-24
Konetekniikan osasto Laivanrakennusoppi
Työn valvoja:
professori Petri Varsta Työn ohjaaja:
ins. Esko Karlsson
Työssä tarkastellaan suuren ja nopean katamaraanin runkovälin vaikutuksia yleisjärjestelyyn, kevytpainoon ja vastukseen ja näihin tuloksiin pohjautuen on tehty alkusuunnitteluun soveltuva synteesimalli.
Laskelmissa käytettävän esimerkkilaivan teräsrakenteiden mitoitus on tehty luokituslaitoksen sääntölausekkeiden mukaan. Kuormituksia on verrattu mallikokeis
ta saatuihin tuloksiin ja FEM-malleista saatuihin tuloksiin. Katamaraanin vastus on saatu tehdyistä mallikokeista ja lisäksi on suoritettu vertailevia laskelmia vastuslas- kentaohjelmalla. Yleisjärjestelyratkaisuja esitetään eri runkoväleille.
Katamaraanin runkoväli määräytyy pääasiassa vastuksen ja painon välisestä kompromissista. Yleisjärjestelyn vaikutus valintaan on pieni. Pyrittäessä suurenta
maan kantavuutta on aluksen kevytpainoa pienennettävä. Rakenteissa käytettävien materiaalien valinnoilla ja rakenneratkaisuilla voidaan saavuttaa huomattavia painonsäästöjä.
Saaduista tuloksista on kehitetty käyttäjäystävällinen synteesimalli, joka soveltuu käytettäväksi katamaraanin alkusuunnittelussa eri lähtötietojen vaikutuksen tutkimi
seen. Ohjelmaa sovelletaan esimerkkialukseen, josta esitetään saatu tulos.
TIIVISTELMÄ ALKULAUSE
SISÄLLYSLUETTELO MERKINNÄT
1 JOHDANTO... 1
1.1 Ongelmakentän kuvaus ... 1
1.2 Tutkimuksen rajaus ... 2
1.3 Tutkimusmenetelmät ... 2
1.4 Sovellutus... 2
2 YLEISTÄ... 4
2.1 Case-katamaraani ... 4
3 YLEISJÄRJESTELY ... 7
3.1 Autokannen toimivuus ... 7
3.2 Matkustajakannet... 10
3.3 Koneiston tilavaatimukset... 11
3.4 Vaihtoehtoiset yleisjärjestelyt... 13
3.5 Case-katamaraanin versioiden vertailu... 15
3.5.1 Autokansi ... 15
3.5.2 Matkustajakannet... 17
3.5.3 Konehuone... 19
4 LUJUUS ... 21
4.1 Materiaalit... 21
4.1.1 Erikoislujat teräkset... 22
4.1.2 Alumiini 23
4.2.1 Hybridirakenne ... 26
4.3 Case-katamaraanin lujuus ja painovertailu... 27
4.3.1 Valittu rakenneratkaisu... 27
4.3.2 Paikallinen lujuus... 28
4.3.3 Laivapalkin pitkittäislujuus... 29
4.3.4 Poikittainen taivutus (split-momentti)... 31
4.3.5 Segmenttimallikokeet... 33
4.3.6 Komposiittiosat ... 35
4.3.7 Painovertailu... 36
4.4 Keventämisen keinoja case-katamaraanissa... 39
4.4.1 Paikalliset materiaalimuutokset... 40
4.4.2 Laivapalkin materiaalimuutoksien vaikutukset . 41 5 KATAMARAANIN VASTUS JA PROPULSIO ... 42
5.1 Yleistä... 42
5.2 Runkovälin vaikutus... 42
5.3 Runkojen pituussuuntainen sijoitus ... 47
5.4 Propulsorivaihtoehdot... 48
6 MERIKELPOISUUS... 52
6.1 Mallikokeet case-katamaraanille ... 52
6.2 Runkovälin vaikutus... 54
7 SYNTEESIMALLI... 55
7.1 Katamaraanien Taulukkolaskenta Programmi... 55
7.2 Ohjelman rakenne 55
7.4 Ohjelman rajoitukset... 60 8 YHTEENVETO... 62 LÄHDELUETTELO
LIITTEET
acg suunnittelu kiihtyvyys
b runkoväli
В laivan leveys
d runkoväli
E materiaalin kimmomoduli ft materiaalikerroin
Fn Frauden luku; Fr\=y/V~g L~
g g ravitaat ¡o ki i h tyvyys
HMAX aallonkorkeus, jolla on suurin todennäköisyys olla tilaston korkein aalto Hs merkitsevä aallonkorkeus
K aaltoluku; K=g/U2 L laivan pituus
M pitkittäinen taivutusmomentti Ms poikittainen taivutusmomentti
P rungon aaltojärjestelmän amplitudifunktio PE laivan hinausteho
Q rungon aaltojärjestelmän amplitudifunktio
R, katamaraanin vastuksen runkojen vuorovaikutuksen osuus rms neliöllisen keskiarvon neliöjuuri (root mean square)
Rg katamaraanin vastuksen itsenäisten runkojen osuus R, laivan kokonaisvastus
s aluksen toiminta-alueesta riippuva kerroin
U laivan nopeus
v laivan nopeus
V laivan nopeus
W runkoväli
Z taivutusvastus
tiheys jännitys
materiaalin myötölujuu materiaalin vetolujuus uppouman tilavuus uppouman paino
Tämän työn tarkoituksena on selvittää sivurunkojen poikittaissuuntaisen sijoituksen teknisiä vaikutuksia suuressa katamaraani-aluksessa. Esimerkkialuksena käytetään Telakka 2000-projektin case-katamaraania.
1.1 Ongelmakentän kuvaus
Katamaraani-alusten koon kasvaessa ei sivurunkojen välistä etäisyyttä ole vastuk
sen kannalta välttämätöntä kasvattaa. Pienemmissä aluksissa vastuksen inter
ferenssi-ilmiön takia on käytettävä suurta runkoväliä. Suurissa aluksissa voidaan sivurungot sijoittaa siten, että ne eivät jatku kyljen mukaisesti. Tämä sijoittelu aiheuttaa sekä etuja että haittoja.
Työssä selvitetään sivurunkojen poikittaissijoituksen vaikutukset:
-Yleisjärjestelyyn.
Jos sivurungot eivät ole laidoilla, tulee koneku¡lujen, kulkuteiden ym.
sijoittelussa ongelmia. Vaatimukset rakenteiden jatkuvuudesta ja tavara
ja matkustajavirtojen sisäisestä tehokkuudesta aiheuttavat ristiriitoja lasti- ja yleisten tilojen sijoittelussa.
-Runkorakenteen kuormituksiin, lujuuteen ja sitä kautta painoon.
Pienempi runkoväli alentaa kuormituksia yhdysrakenteessa. Selvitetään vaikutuksen suuruus. Luokituslaitosten säännöt ja niiden soveltaminen.
Katamaraanit ovat erittäin painokriittisiä jolloin pienetkin painon muu
tokset voivat olla tuhoisia lastinkuljetuskyvyn kannalta. Tutkitaan runko- välin muuttamisen ja materiaalivalintojen vaikutukset aluksen painoon.
-Vastukseen.
Selvitetään runkovälin vaikutukset vastukseen ja sitä kautta tehontar
peeseen.
Näiden lisäksi runkoväli vaikuttaa aluksen hintaan, laiturointiin ym. asioihin, jotka on jätetty työn ulkopuolelle.
1.2 Tutkimuksen rajaus
Tavoitteena on löytää teknisiä riippuvuuksia eri runkoväliratkaisujen ja tutkittavien kohteiden välillä ja käyttää tietoja kehitettävän synteesimallin perustana.
Työssä rajoitutaan suuren, pituus noin 150 metriä, katamaraani-aluksen sivurun- kojen poikittaissijoituksen teknisiin vaikutuksiin. Pääpaino on lujuuden, yleisjär
jestelyn, vastuksen ja painon välisten riippuvuuksien tutkimisessa. Tutkimuksen mahdollistamiseksi on tutkittavan katamaraanin alkusuunnittelu aluksi vietävä riittävän pitkälle, jotta aluksesta olisi riittävästi tietoa.
1.3 Tutkimusmenetelmät
Lujuuslaskelmia tehdään eri versioille luokituslaitoksen sääntöjen avulla ja suoralla FEM-laskennalla. Yleisjärjestelystä tehdään perusratkaisu ja sille eri runkoväleille muunnelmia, joita vertaillaan pinta-alojen ym. tunnuslukujen avulla. Vastusvertailua tehdään matemaattisin menetelmin sekä vertaamalla niitä Telakka 2000 - projektis
ta saataviin mallikoetuloksiin. Painolaskelmissa käytetään matemaattisia menetel
miä. Materiaalien ominaisuuksia ja käyttömahdollisuuksia selvitetään kirjallisuustut
kimuksella. Kehitettävää synteesimallia testataan käyttäen tunnettuja laivoja ja projekteja.
1.4 Sovellutus
Työn tavoitteena on selvittää mahdollisia ongelmakohtia ja luoda tietopohjaa telakan siirtyessä suurempiin katamaraanialuksiin. Lisäksi kehitetään teknisiin sään
synteesimalli, jota voidaan käyttää työkaluna suurien ja nopeiden katamaraanien alkusuunnittelussa ja parametrivertailussa.
2 YLEISTÄ
2.1 Case-katamaraani
Runkovälin vaikutusta tutkittaessa käytetään työssä esimerkkialuksena Telakka 2000 projektin case-katamaraania. Runkomuodoltaan alus on lähellä SWATH (Small Waterplane Area Twin Hull) konseptia, jolloin saadaan paremmat merikel- poisuusominaisuudet kuin perinteisellä katamaraanilla. Perän linjat on suunniteltu potkuripropulsiota varten, jotta saataisiin tietoa erilaisten potkureiden soveltu
vuudesta tälle teho- ja nopeusalueelle. Runkoväliä muutettaessa maksimileveys pidetään vakiona. Alus on tarkoitettu lyhyelle, noin 100 meripeninkulmaa yhteen- suuntaan, reitille kuljettamaan pääasiassa matkustajia, henkilöautoja ja rekkoja.
Päämitat: Pituus, suurin 150 m
Pituus, vesiviiva 140 m Leveys, suurin 40 m
Leveys, vesiviiva 3.5 m yhden si\
Syväys 5.5 m
Uppouma 5500 tonnia
Runkoväli 34 m versio 1
29 m versio 2 24 m versio 3
V I11 4
Kuva 1. Case katamaraanin kaariruutu, runkoväli 34 metriä.
2.2 Nopeiden alusten säännöt
Nopeiden alusten tekninen kehitys on pakottanut niiden suunnittelua ohjaavia kansainvälisiä sääntöjä uudistumaan. Kansainvälisen merenkulkuorganisaatio IMOn (1993) ehdotus Code of Safety for High Speed Craft (HSCC) uusiksi nopeiden alusten säännöiksi tulisi korvaamaan vuodelta 1977 olevat säännöt Code of Safety for Dynamically Supported Craft (DSC). Uusilla säännöillä pyritään yhtäläiseen turvallisuustasoon konventionaalisten laivojen kanssa, joiden turvallisuuskoodina on International Convention for Safety of Life at Sea (SOLAS). Uusissa säännöissä nopealla aluksella tarkoitetaan alusta, jonka suurin nopeus
V > 3.7*V° 1667 [m/s] (1)
jossa Vlaivan uppouma [m3]
Konventionaalisten alusten turvallisuusfilosofia lähtee siitä, että kaikki hätätilan
teessa tarvittava kalusto on aluksella mukana ja se on täten omavarainen. Nopei
den alusten sääntöehdotus perustuu riskien hallintaan ja vähentämiseen kuitenkaan unohtamatta perinteistä passiivista rakenteellista turvallisuutta onnettomuuden tapahduttua. Riskien hallinnassa otetaan huomioon matkustamon sijainti, aktiiviset turvallisuusjärjestelmät, rajoitettu operointialue ja inhimilliset tekijät.
HSCC säännöt jakaa alukset kahteen luokkaan.
Kategorian A matkustaja-alukset: pelastusapua on saatavissa ja matkustajalukumäärä on rajoitettu alle 450. Sallitaan helpotuksia aktiivi
sessa ja passiivisessa turvallisuudessa.
Kategorian В matkustaja-alukset, rahtialukset: pelastusapua ei ole saatavilla ja matkustajamäärä on rajoittamaton. Lisättyjä vaatimuksia turvallisuudessa, mm. tärkeiden laitteiden redundanssi, ankarammat vaatimukset tiiviydestä ja palonsammutus kapasiteettista.
Sääntöjä voidaan soveltaa:
-matkustaja-alukseen, joka ei reitillään ole enempää kuin neljän tunnin matkan päässä turvasatamasta
-lastialukseen, joka on 500 GT tai suurempi eikä reitillään ole enempää kuin kahdeksan tunnin matkan päässä turvasatamasta
Säännöissä määritellään törmäyshidastuvuus, joka vastaa törmäystä operoin- tinopeudella kaksi metriä vesiviivan yläpuolelle ulottuvaan kiveen. Kiihtyvyyden laskentakaavassa otetaan huomioon runkomateriaali, pituus, nopeus, uppouma, sivukorkeus, syväys ja ponttoonien välisen tunnelin korkeus. Tämän hidastuvuuden perusteella annetaan rajoituksia yleisjärjestelyn suhteen matkustamon, baarien, kioskien, matkatavaroiden säilytyspaikan ym. sijainnista ja teknisten ratkaisujen suhteen tuoleista, sohvista, turvavöistä ja pöydistä. (IMO 1993)
Perinteiset laivojen luokitussäännöt ovat perustuneet teräslaivojen käyttökokemuk
siin. Näistä saadut kuormat olivat liian konservatiivisia kevyille aluksille. Pienen uppouman johdosta slamming-kuormat ovat kestoltaan lyhyempiä ja aaltokuormat pienempiä kuin konventionaalisella aluksella. Luokituslaitokset ovat tämän takia voineet antaa helpotuksia mitoitusvaatimuksissa ja nopeille aluksille on laadittu omat luokitussäännöt. Esimerkkilaivan lujuuslaskelmat on tehty Det Norske Veri- tas:n (DNV) High Speed and Light Craft (DNV 1993) sääntöjen mukaan rajoittamat
tomalle purjehdusalueelle. DNV määrittää säännössään aluksen kevyeksi, jos suurin uppouma on pienempi kuin
Д=(0.13 L B)15 [tonnia] (2)
jossa L aluksen sääntöpituus [m]
В suurin mallattu leveys [m]
Nopealla aluksella säännössä tarkoittetaan alusta, jonka matkanopeus täysin lastattuna on yli 25 solmua.
Aluksen luokkamerkintä on: * 1A1 HSLC RO Passenger
Arvioitaessa yleisjärjestelyn toimivuutta on kiinnitettävä huomio seuraaviin seikkoi
hin: Aluksen kyky suorittaa sille asetettu tehtävä, turvallisuus, toiminnallisesti erilaisten alueiden erottaminen, satamakäyntien tehokkuus - lastin purku ja lastaus, tavara- ja matkustajavirtojen loogisuus sekä rakenteiden ja yleisjärjestelyn yhteen
sovittaminen. Arkkitehtuuriset ratkaisut ovat makuasioita, joten niitä ei arvioida.
3.1 Autokannen toimivuus
Nopean katamaraanin tyypillinen tehtävä on kuljettaa matkustajia ja lastia paikasta toiseen tietyn aikataulun mukaisesti. Varsinkin lyhyillä merimatkoilla satamakäyntien pituudella on ratkaiseva merkitys aluksen talouteen. Autokannen ja ajoramppien suunnittelulla voidaan lastaus/purkuaikoja lyhentää. Jos autokansi on läpiajettava, on korkeiden/suurien ajoneuvojen kaistojen paikka vapaammin valittavissa, sillä niiden ei tarvitse mahtua kääntymään ympäri keulassa. Ajoramppien on oltava riittävän leveät tai niitä on oltava useita, jolloin useampi kaista on käytössä yhtä aikaa. Ympäri ajettavalla autokannella kaistat on yleensä sijoitettu siten, että toista laitaa ajetaan sisään ja toista ulos. Tällöin olisi mahdollista purkaa ja lastata yhtäai
kaa. Nykyiset tullimääräykset kuitenkin vaativat, että kansi on todettava tyhjäksi ennenkuin lastaus voidaan aloittaa. Kääntymisalue keulassa on suunniteltava siten, että mahdolliset pylväät eivät tule tielle. Kääntymisalueeksi on varattava vähintään suurimman ajoneuvon kääntösäteen pituinen alue. Kääntösäteellä tarkoitetaan korin uloimman pisteen kiertämän ympyrän sädettä. Henkilöautolla tämä on ajo va ra mukaanluettuna 6.5 metriä, pakettiautolla 7 metriä, rekalla 12.5 metriä ja linja- autolla 16.2 metriä (RT-kortti 1992a ja b). Täysperävaunullisen kuorma-auton vaatima kääntösäde on ajovaroineen 20.5 metriä (Telakka 2000 1993c).
Taulukko 1. Ajoneuvojen mittoja.
Ajoneuvo Pituus Leveys Korkeus Kääntösäde
ajovaralla
m m m m
H-auto, pieni 4 1.65 1.35
H-auto, yleinen ko
ko
4.8 1.8 1.5 6.5
Pakettiauto, yleinen koko
5 2.2 1.5-2 7
Matkailuauto, ylei
nen koko
5-8 2.4 3
Rekka 22 2.6 4 12.5
Linja-auto, pituus
<14.5 m
<14.5 2.6 <4 16.2
Autokannen toimivuuteen vaikuttaa myös ylemmän autokannen ajoramppien sijoitus. Jos laivalla kuljetetaan henkilöautoa korkeampia ajoneuvoja, on näiden ajoneuvojen kaistojen sijoituksella vaikutus ylemmän autokannen ajojärjestelyyn.
Suuren kääntösäteen vuoksi olisi luonnollista sijoittaa rekat ja linja-autot uloimmille kaistoille, mutta kappien ja pylväiden takia reitti voi muodostua hankalaksi.
Sivurunkojen sijoitus vaikuttaa autokannen yleisjärjestelyssä konekuilujen ja kulku- teitten sijoituksessa. Jos läpiviennit tuodaan suoraan sivu rungoista ylös, voi reunoille jäädä autojen kannalta hyödytöntä tilaa. Jos kapit sijoitetaan lähemmäksi keskilinjaa, saadaan niiden ulkopuolelle sijoitettua autokantoja. Vaikka runkoväli pienenee, kannattaa kapit ja kulkutiet johtaa ulkolaitaa pitkin, kunnes niiden ulkopuolelle saadaan mahtumaan kaksi autokantaa, kuva 2. Rungon geometriasta ja mitoista riippuen voi olla rakenteiden jatkuvuuden kannalta vaikeaa pitää kapit reunalla sellaisessa tapauksessa, jossa kahta kaistaa ei saada mahtumaan kapin ja ulkolaidan väliin. Toinen vaihtoehto on kaventaa kapit mahdollisimman kapeiksi, jolloin niiden ulkopuolelle saadaan perustapauksesta lähtien kaistoja. Kapin leveyden määrittää kaasuturbiinikoneiston pako- ja imukanavien tilavaatimus tai dieselkoneistossa äänenvaimentimien ja mahdollisten pakokaasu kattiloiden koko.
Kuva 2. Kapit ulkolaitaa pitkin johdettuna.
Runkovälistä, kapin leveydestä ja kaistajärjestelystä riippuen kuilut tuodaan ylös ponttoonin uiko- tai sisäreunaa pitkin. Tällä tavoin saadaan parhaiten käytettyä kaikki tila hyväksi. Rakenteiden jatkuvuus ei kaikissa tapauksissa ole paras mahdollinen.
Täysleveällä kapilla autokaistojen määrän vaihtelu ru n ko välin muuttuessa on suurin. Mitä kapeampi kappi sitä pienempi on runkovälin vaikutus.
Autokannen suuresta poikittaisesta jännevälistä johtuen tarvitaan sen keskiosissa pitkittäisiä laipioita tai pylväsrivejä. Kun runkoväli pienenee ja kapit tulevat lähem
mäs laivan keskilinjaa, jänneväli kappien kohdalla pienenee ja tarvittavien pitkittäis- laipioiden määrä periaatteessa vähenee. Toisaalta kapin irrotessa laidalta tulee kapin ulkolaidasta noin neljän viiden osaston mittainen pitkittäislaipio lisää.
Kappien kohdalla vierekkäisten kaistojen teoreettinen lukumäärä vaihtelee portait
tain runkovälin funktiona. Vaihtelu tapahtuu portaittain keskimäärin kaistanleveyden jaksoissa, kuva 3.
Jos kapit ovat kapeampia kuin ponttoonit, niin niiden sijoittaminen ta
pauskohtaisesta joko ponttoonin uiko- tai sisäreunalle tasoittaa kaistamäärän
KAISTAMAARAN VAIHTELU
RUNKOVÄLIN FUNKTIONA
KAISTAN LEVEYS
26 RUNKOVÄLI [m]
Kuva3. Henkilöautokaistojen lukumäärä kapplen kohdalla eri runkoväleillä. Case- katamaraani.
vaihtelua huomattavasti.
3.2 Matkustajakannet
Nopeiden alusten säännöt rajoittavat matkustajatilojen suunnittelua. Suljetut tilat kuten elokuvateatterit, diskot ym tilat eivät ole sallittuja. Matkustajien istumaosastot ovat lentokonetyyppisiä. Kaikki mahdolliset toiminnot on siirretty maihin. Tämä lisää laivan tehokkuutta kuljetustehtävän kannalta. Suurin osa tiloista on lastin eli autojen ja matkustajien kuljetusta varten. Ateriapalvelut on pelkistetty ravintolaan ja kahvi
laan. Valmiit ruoka-annokset lämmitetään pienissä penkereissä ja ruokavalikoima on varsin pieni. Tämä vähentää palvelutilojen tilantarvetta verrattuna konventio
naalisiin laivoihin. Laivassa ei ole hyttejä vaan laivan nopeudesta ja reitin lyhyydes
tä johtuen miehistö yöpyy maissa. Säännöt sallivat erikoisehdoilla miehistölle makuupaikat, mutta ei matkustajille (IMO 1993). Matkustajien oleskelutilat on yleensä jaettu kahteen kategoriaan. Paremmassa luokassa tilaa on noin 1.3-1.5 m2/henkilö ja turistiluokassa 0.8-1.2 rrvVhenkilö. Matkustajille varattu paikkamäärä on 3-4 kertaa henkilöautojen määrä.
autot. Normaalissa tapauksessa koneiston pako/imukanavat sijaitsevat aluksen ulkoreunoilla, jolloin kolme sivua on yhteydessä sisätiloihin. Jos nämä kanavat sijoitetaan keskemmälle on kaikki neljä sivua eristettävä matkustajatiloista. Tällöin myös tilojen tehokas käyttö vaikeutuu. Tämä pakokanavien ja ulkolaidan välinen tila saadaan helpommin käyttöön matkustajakansilla kuin autokansilla, sillä tähän tilaan voidaan sijoittaa esimerkiksi käytävä, jos väli on sopiva. Vältettäviä runkovälejä ovat sellaiset tapaukset, jolloin kappien ulkopuolelle ei mahdu käytävää ja kun tila on liian leveä käytävälle, mutta muuhun käyttöön liian kapea. Autokannelle mahtu
vien autojen määrä heijastuu suoraan matkustajille tarvittavan tilan kokoon ja sitä kautta runkovälin muutokset vaikuttavat matkustajamäärään ja tarvittavaan tilaan.
Laivan nopeudesta johtuen ei laivan ulkotiloilla ole matkustamisen kannalta käyttöä ellei kansille rakenneta riittäviä tuulensuojia.
3.3 Koneiston tilavaatimukset
Suuresta tehontarpeesta, ahtaista ponttooneista ja painokriittisyydestä johtuen kaasuturbiini on ainoa varteenotettava vaihtoehto pääkoneistoksi nopeaan ja suurikokoiseen katamaraaniin. Koska tässä aluksen koko- ja nopeusluokassa vaadittava teho on noin 70 megawattia on selvää, miksi esimerkiksi nopeaa (MTU 20V 1163 TB93 306 kW/syl) tai keskinopeaa dieseliä (WV VASA 32 410 kW/syl) ei voida yksinään käyttää. Dieseleitä voidaan sensijaan asentaa isä-poika koneiston poika-koneiksi, joita käytetään pienillä nopeuksilla esimerkiksi satamaan tultaessa ja lähdettäessä. Isä-poika koneistolla saadaa kolme taloudellista operointinopeutta.
SWATH tyyppisessä katamaraanissa vesilinjasta kapea pönttööni aiheuttaa rajoituksia kaasuturbiinienkin sijoitukselle. Pääkonehuone sijoitetaan niin taakse kuin rungon muoto antaa myöten.
Kaasuturbiinikoneiston valinnassa ongelmia tuottaa merikäyttöön soveltuvien kaasuturbiinien vähyys, taulukko 2. Vaihtoehtojen sovittaminen tehovaatimukseen,
varsinkin näillä tehoaineilla, saattaa olla vaikeata. Runkovälin muutoksen aiheutta
man vastuksen muutosta ei välttämättä voida käyttää hyväksi installoitua tehoa pienentämällä. Taulukon tehoissa on huomioitava, että ne ovat ISO-standardin mukaisissa olosuhteissa saatavat tehot eli tehot ilman pako- ja imukanavien häviöitä. Käytännön tilanteessa saatavaan tehoon vaikuttaa imuilman lämpötila, pako- ja imuhäviöt, ilmankosteus ja korkeapaineturbiinin vaadittu vaihtoväli.
Kaasuturbiinien yhtenä epäkohtana ovat suuret imu- ja pakokanavat. Ne eivät kuitenkaan tuota yleensä vaikeita sijoitusongelmia. Sen sijaan imuilman suoda- tinyksiköt ovat vaikeampia sijoittaa. Lisäksi imu-ja pakokanavien kokoa kasvattavat mahdollisesti käytettävät äänenvaimentimet. Kanavien painehäviöillä on suuri merkitys kaasuturbiinin tehoon ja polttoaineenkulutukseen. Imukanavan häviöillä on näistä suurempi merkitys.
Imukanavat pitäisi rakentaa mahdollisimman suoriksi ja avariksi. Imuilman virtaus
nopeudeksi suositellaan 12-23 m/s, jotta painehäviöt pysyisivät pieninä. Jos kanavan virtausnopeus pysyy yllämainitussa arvossa, ei sen kitkavastus ole vielä merkittävä, kun verrataan sitä imuilmansuodattimien ja paikallisten kertavastuksien (esim. mutkat, kavennukset, ulosvirtaus) suuruuteen. Pakokanaviston vastapaine on pidettävä mahdollisimman pienenä kaasuturbiinin tehohäviöiden vuoksi. Pako
kaasujen virtausnopeudeksi suositellaan 45-61 m/s. Pakokanavat on eristettävä kuumuuden ja melun vuoksi muista laivan tiloista. (Sweatman 1991, Telakka 2000 1993d, Thames 1991).
Runkovälin vaikutukset rajoittuvat imu- ja pakokanaviston sijoitteluun. Kriittisin piste koneiston kannalta on se, kun ponttooneita on siirretty keskilinjalle päin, mutta konekuilut ovat autokannen yleisjärjestelyvaatimusten takia yhä kiinni ulkolaidoissa.
Tällöin imu- ja pakokanavat joutuvat tekemään varsin suuria mutkia, jolloin tehohä
viöt kasvavat.
Kaasu- turbiini
Teho ISO kW
Paino tonnia
Kulutus g/kWh
Modulin pituus m
Modulin leveys m
Imu ka
nava m2
Pako- kanava m2
LM500 4474 7.1 270 4.1 1.9 1.1 0.7
571K 5738 6.8 252 4.8 1.73 1.5 0.8
LM1600 14915 12.0 226 6.8 2.4 3.4 1.9
SM1C 17823 23.4 228 7.5 2.3 4.8 2.8
LM2500 24310 16.0 228 8.1 2.6 4.9 2.9
FT8 24902 18.0 218 9.0 2.6 6.1 3.6
LM6000 42950 24.3 203 9.8 3.3 8.9 5.3
3.4 Vaihtoehtoiset yleisjärjestelyt
Poikkeamalla normaalista kansijärjestyksestä siten, että sijoitetaan matkusta- jakannet alimmaksi, voidaan näille kansille autokansia helpommin sijoittaa poikittai
sia rakenteita ja saadaan laivan lujuuden kannalta parempi rakenne, kuva 4. Tällöin
( )C
Kuva 4. Yleisjärjestely, jossa autokannet matkustajatilojen päällä.
ponttoonien yhdyspalkin korkeutta voidaan pienentää ja koko laivan korkeus pienenee. Toisaalta yhdyspalkin rakenteet ovat kantaneet autokannen pyörä- kuormat ja nyt nämä rakenteet olisi sijoitettava matkustaja kansille. Lisäksi ratkaisun rajoituksena on autokansien sijoittuminen erittäin korkealle, mikä johtaa vielä pidempiin ajoramppeihin. Tämä on toisaalta laivan kannalta yhdentekevää, sillä rampit ovat joka tapauksessa maissa. Sijoittamalla autokannet ylimmäiseksi voi
daan jättää yhden kannen paloeristys pois, sillä normaalisti autokansi on paloeris- tetty konetiloihin ja matkustajatiloihin päin. Jos autokansi on ylimpänä, ei ulkoil
maan johtavaa yläkantta tarvitse paloeristää.
Matkustajatiloja voidaan myös laajentaa, varsinkin kapeammilla runkoväleillä, kappi
en ulkopuolella autokannen puolelle, jolloin näköalaltaan arvokas ulkosivu on paremmassa käytössä, kuva 5. Tämä ratkaisu soveltuu hyvin silloin, kun tila on niin kapea, että sen hyödyntäminen autokantoina on vaikeaa.
Alukseen jää paljon tyhjää tilaa yhdysrakenteeseen ja ponttooneihin, joita on vaikea hyödyntää niiden sijainnin ja rakenteiden vuoksi. Yhdysrakenteeseen voidaan sijoit
taa autoja, jos vapaa korkeus riittää ja rakenteet eivät ole esteenä.
IIN llll
Kuva 5. Yleisjärjestely, jossa autokansi on laidoilta matalampi.
3.5 Case-katamaraanin versioiden vertailu
Case-katamaraanin eri versioiden yleisjärjestelyt ovat liitteinä 1-3.
3.5.1 Autokansi
Esimerkkilaivassa on henkilöautojen ja rekkojen kuljetukseen soveltuvat autokan
net. Rekkojen korkeuden vuoksi ylempi autokansi ei voi olla täysleveä. Henkilöau
toilla rajoittavaksi tekijäksi muodostuu autokannen koko, jos halutaan pysyä kahdessa autokansitasossa. Tila loppuu ennenkuin kantavuus. Rekkoja voidaan ottaa henkilöautojen lisäksi kantavuuden rajoissa. Yhdysrakenteeseen ei mahdu autokantoja, jollei rakenteen korkeutta kasvateta.
Vertaillaan esimerkkilaivan kolmea eri runko väliä ja niiden autokannen yleisjärjeste
lyltä. Perustapauksessa runkoväli on 34 metriä, kuva 6. Kappi on mahdollisimman kapea, jolloin autokannelle saadaan kappien kohdalle teoriassa maksimissaan 15 henkilöautokaistaa. Kun kuitenkin reunimmaisille kaistoille täytyy mahtua myös rekkoja, niin käytännössä kaistoja on 14 yhdellä tasolla. Autokansien lukumäärä on 1.5. Kappi kannattaa sijoittaa sivu rungon ulkoreunalle eli laitaan kiinni. Henkilö
autoja mahtuu yhteensä 621 kappaletta.
Toisessa versiossa runkoväli on 29 metriä, kuva 7. Kappi on sijoitettu sivurungon sisäreunaan. Kapin kohdalla henkilöautokaistoja mahtuu 12 kappaletta ja autojen määräksi tulee 583. Tämä runkoväli on huono, sillä se osuu juuri sellaiseen kohtaan, jossa kapin sijoittelulla ei voida juuri vaikuttaa tilanteeseen.
Kolmas versio, kuva 8, runkoväli 24 metriä, on taas parempi. Kappi sivurungon ulkoreunalla ja kaistoja kapin kohdalla 14 ja autoja 601 kappaletta.
Kuva 8. Versio 3.
väli b=24 m
Runko-
Taulukko 3. Henkilöautojen määrä eri versioilla. 1.5 autokantta.
Runkoväli Kapin sijoi
tus
H-autokaistojen mää
rä kapin kohdalla
Henkilöautojen määrä
Versio 1 b=34 m Ulkoreuna 15 621
Versio 2 b=29 m Sisäreuna 13 583
Versio 3 b=24 m Ulkoreuna 14 601
Kapit sijoitetaan joko ponttoonin sisä- tai ulkoreunalle. Kuvassa 9 on eri runkovä- leillä ja kapin leveyksillä lasketut kapin sijoituspaikat, joilla saadaan autokannelle suurin henkilöautomäärä
Optimaalinen kapin sijainti
Ponttoonin ulkoreuna
sisäreuna
Kuva 9. Case-katamaraanin optimaalinen kapin sijoituspaikka, ponttoonin uiko- tai sisäreunalla, runkovälin ja kapin leveyden funktiona.
3.5.2 Matkustaja kannet
Matkustajat voidaan sijoittaa joko yhdelle tai useammalle kannelle. Yhden kannen kokonaispinta-ala esimerkkialuksessa on noin 6000 m2. Jos matkustajamäärä kas
vaa suureksi ei kaikkia tiloja saada mahtumaan yhdelle kannelle. Matkustamot ovat lentokonetyyppisiä ravintolaa lukuunottamatta. Aluksessa on taulukossa 4 esitetyt tilat matkustajille:
Taulukko 4. Esimerkkilaivan matkustamoilla! ja tilavaatimukset eri tiloissa.
Istumapaikkoja % matkustajista
Pinta-ala m2/henk
Ravintola 33 2
Baari 10 1.4
1 .lk istumaosasto 25 1.35
2.lk istumaosasto 60 0.9
Näköala osasto 5 2
Taxfree kauppa 0.125
Matkatavarasäilytys 0.02
Info piste 0.015
Yhteensä 133 7.81
Kaikissa versioissa on sama perusratkaisu, jossa ensimmäinen luokka on laivan perässä ja turistiluokka keskilaivassa. Näiden välissä on konekuilut ja taxfree myymälä sekä baari. Ylimmällä kannella komentosillan ja miehistötilojen takana on pieni näköalaistumaosasto. SWATH-runkomuodosta johtuen laivan merikel- poisuusominaisuudet ovat hyvät, katso sivu 52. Runkomuoto vaimentaa tehokkaasti jyskintää. Tästä johtuen pystykiihtyvyys on normaalista poiketen pienempi keulassa kuin perässä. Pienten liikkeiden ja hyvän näköalan takia keula on hyvä paikka ravintolalle, joka ulottuu kahdelle kannelle. Matkustaja- ja miehistötilojen pienin sallittu etäisyys keulasta on määritelty IMO:n (1993) nopeiden alusten sääntöehdo
tuksessa ja se riippuu törmäyskiihtyvyydestä. Esimerkkilaivassa tämä etäisyys on noin 3.5 metriä.
Matkustajamäärä ja matkustamotilojen koko riippuu suoraan autojen lukumäärästä.
Matkustajien lukumäärät on laskettu huippusesongin aikana, jolloin kuljetetaan pel
kästään henkilöautoja. Autokansien lukumäärä on 1.5. Pinta-aloissa ei ole vielä mukana portaikolta ym, joten yksi matkustajakansi ei riitä missään versiossa.
Ravintola on sen takia jaettu kahdelle kannelle. Eri versioiden matkustajamäärät ja pinta-alavaatimukset on esitetty taulukossa 5.
Matkustajamäärä kpl
Matkustamon pinta-ala m2
Versio 1 2484 5198
Versio 2 2332 4905
Versio 3 2404 5056
Jokaista henkilöautoa kohti on noin 8.4 m2 matkustamotiloja eli autokansien ja muiden tilojen pinta-alat ovat suunnilleen yhtäsuuret.
Runkoväli ei juurikaan vaikuta matkustajatilojen sijoitteluun. Versioiden kaksi ja kolme yleisjärjestelyt ovat lähes identtiset, sillä toisessa kapit kulkevat ponttoonin sisäreunaa ja toisessa ulkoreunaa.
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 MPa
Kimmomo
duli E GPa
Murto
venymä
%
Tiheys p kg/m3
<V
p E/pNV-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 MPa
Kimmomo- duli E GPa
Murto
venymä
%
Tiheys p kg/m3
<V
p E/pAI-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 (epoksi- matriisi)
Vetol. ov MPa
Kimmomo- duli E GPa
Murto
venymä
%
Tiheys p kg/m3
<Vp E/p
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
kohde
Materiaalin myötölujuuden muutos
355 -> 390 MPa 355 -> 500 MPa 355 -> 690 MPa Painonsäästö tonnia
Autokansi
levy 0 88 157
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 koko runkopalkin materiaali vaihdetaan 390 N/mm2 ja otetaan materiaalikerroin huomioon sallitussa jännityksessä, saadaan teräspainossa säästöä run ko välistä riippuen 37-195 tonnia. Mikäli runkopalkin materiaalina on myötölujuudeltaan 500 N/mm2 oleva teräs, niin painonsäästö on 573-816 tonnia. Muutettaessa materiaali 690 N/mm2 teräkseen saadaan painonsäästöksi 848-1161 tonnia. Suurimmat säästöt saadaan suurimmalla runkovälillä ja pienimmät pienimmällä runkovälillä, kuva 17. Siirryttäessä lujempiin materiaaleihin on yhdysrakenteen ja matkustajakan- nen pituusjäykkääjäjakoa tihennettävä, jolloin voidaan käyttää pitkittäislujuudesta tulevaa ohuempaa kansilevyä.
TERÄSPAINO ERI RUNKOPALKIN
MATERIAALEILLA
--2.8 3000 --
2800
--2.4
o 2600 -- 2400 -- 2200 -- 2000 --
"1.4
500 550 Myötölujuus [N/mm2]
-Ш B=40m —V- B=35m
B=30m — MATERIAALIKERROIN
Kuva 17. Materiaalin vaikutus case-katamaraanin teräspainoon. Komposiittiosat mukana painossa.
5 KATAMARAANIN VASTUS JA PROPULSIO
5.1 Yleistä
Katamaraanien runkovälin ja muodon vaikutuksesta on kirjallisuudessa julkaistu jonkin verran tutkimuksia, mutta lähinnä pienemmistä aluksista. Julkaistuja malliko
keita, joissa runkoväliä on tutkittu on esimerkiksi 700 jalan pituinen kuljetusalus ja 230 jalkaa pitkä sukellusveneiden pelastusalus, joka myös rakennettiin (Turner 1968), Wigley-runkoinen katamaraani (Doctors 1993), pyöreäpalteinen bulbikeulai- nen katamaraani (Matsui 1993), SSPA:n katamaraanien mallikoetuloksiin perustu
via kokemuksia (Jansson 1992) ja vastuslaskentaan perustuvia vertailuita esimer
kiksi nopea SWATH (McGregor 1991). Katamaraanin vastus on yleensä suurempi kuin kantavuudeltaan vastaavan yksirunkoaluksen, johtuen noin 40 % suuremmasta märkäpinta-alasta. Haluttaessa parantaa merikelpoisuusominaisuuksia pienentämäl
lä vesiviivapinta-alaa märkäpinta-ala kasvaa entisestään. Aluksen tehtävästä riippuen on tehtävä kompromissi vastuksen ja merikelpoisuusominaisuuksien välillä.
5.2 Runkovälin vaikutus
Katamaraanin runkojen aaltokuvioiden välinen vuorovaikutus riippuu aluksen nopeudesta ja runkojen välisestä etäisyydestä ja muodosta. Aaltovastus Rw voidaan jakaa komponentteihin Rs joka on kahden itsenäisen rungon osuus ja R, joka on runkojen vuorovaikutuksen osuus (Min 1991) (6)
R„= 8Pg- f du cosh2 u [P2 (coshu) +Q2 (coshu) ] * [1+cos ( -3-d sinhu*coshu) ] =i?4+.Rr
UV2 J V2
Rs riippuu laivan nopeudesta ja rungon muodosta ja on aina positiivinen. R,:n suuruus riippuu nopeudesta, rungon muodosta ja runkovälistä ja voi olla joko negatiivinen tai positiivinen. Nopeuden kasvaessa vuorovaikutus vähenee ja suurilla nopeuksilla vaikutus on nolla. Tämä osoittaa sen, että on mahdollista sopivalla runkovälillä ja nopeudella saada katamaraanin vastus pienemmäksi kuin kahden rungon yhteenlaskettu vastus. Yleisimmin tätä negatiivista interferenssiä on havaittu
nähdään, että Frouden luvuilla 0.15-0.35 ja yli 0.9 on mahdollista saada katama- taanin vastus pienemmäksi kuin yksittäisten runkojen yhteenlaskettu vastus ja kuvassa 19 on katamaraanin vastus eri runkoväleillä W koko esitetyn no- peusalueen ajan pienempi kuin äärettömällä runkovälillä.
24
Kuva 18. Katamaraanin vastus suhteessa yksittäisten runkojen
Kuva 19. Hinausteho eri runkovä
leillä nopeuden funktiona, 700 ft vastukseen (Jansson 1992) katamaraani (Turner 1968)
cwa»prs4çwsa
-X---
Kuva 20. Ponttoonien eri osien väliset vuorovaikutukset ja niiden vaikutukset aalto- vastukseen (Tachibana 1993)
Kuvassa 20 nähdään sivu runkojen ja näiden osien vuorovaikutukset ja niiden suuruudet eräässä pienessä katamaraanissa (Tachibana 1993 s. 1348). Tässäkin tapauksessa pienellä nopeudella päästään negatiiviseen interferenssiin.
Case-katamaraanilla tehtiin vastusmallikokeita kolmella eri runkovälillä ja pelkällä rungolla nopeuksilla 20-47 solmua, kuva 21. Mallikokeissa havaittiin, että pienillä nopeuksilla voidaan saada aaltovastukseen negatiivista interferenssiä ja runkovä- liltään kapeimmat versiot ovat vastuksen kannalta edullisimmat. Nopeuden kasva
essa 35 solmuun ei runkovälillä ole vaikutusta vastukseen. Suuremmilla nopeuksilla levein versio tulee vastukseltaan pienimmäksi. Tämä voi aaltokuvion muuttumisen lisäksi johtua virtausnopeuden kasvamisesta runkojen välissä, mikä korostuu runkojen ollessa lähellä toisiaan. Yleisesti aluksen vastus on SWATH-tyyppisestä rungon muodosta johtuen varsin suuri. Lisäksi laivan perässä aaltokuvio taipuu voimakkaasti alaspäin varsinkin yli 30 solmun nopeuksilla. Aaltokuvioon syntyy
KATAMARAANIN VASTUS ERI RUNKOVÄLEILLÄ
MALLIKOETULOKSET 3500
3000 --
2500 --
SS 2000 --
1500 -- 1000 -- -
Nopeus kn
— 2*Demihull - - 30 m
— 40 m
Kuva 21. Runkovälin vaikutus katamaraanin kokonaisvastukseen. Mallikoetulokset (Telakka 2000 1994). Runkovälinä ponttoonien ulkoreunojen välinen etäisyys.
suunnittelunopeudella noin 1.5 metrin syvyinen aaltokuoppa, jolloin potkurit eivät ole kokonaan vedessä. Keula-aalto tasaa peräaallon noin 30 solmun nopeudella ja tällöin myös katamaraanin vastus on pienempi kuin yksittäisten sivurunkojen yhteenlaskettu vastus. Alle 30 solmun nopeuksilla aaltokuoppa on pienempi eikä kovinkaan haitallinen. Perää olisi modifioitava aaltokuvion parantamiseksi. (Telakka 2000 1994c)
Lähteessä Rintala ja Karppinen (1994) annetaan Michellin hoikan aluksen aaltovas- tusteoriasta johdettu katamaraanin aaltovastus
(7)
jossa p veden tiheys
g maan vetovoiman kiihtyvyys U aluksen nopeus
P,Q yksirunkoisen tapauksen aaltojärjestelmän amplitudi- funktiot
K aaltoluku
W runkojen välinen etäisyys
KATAMARAANIN VASTUS ERI RUNKOVÄLEILLÄ
MICHDATA OHJELMALLA
3000 --
2000 --
1500 --
1000 --
Nopeus kn
— 40 m — 2*Demihull
Kuva 22. Runkovälin vaikutus case-katamaraanin vastukseen. Laskettu VTT:n laajentamalla Tuck:n ohjelmalla.
Tätä aaltovastuskaavaa (7) on käytetty australialaisen professori Tuokin (Clarke 1987) ohjelmoimassa vastuslaskentaohjelmassa M johdata, jota on VTT: n toimesta laajennettu. Rintalan (1994) mukaan katamaraanin runkojen etäisyydellä ei ole vastuksen kannalta mitään teoreettista optimiarvoa. Etäisyyden ollessa nolla aaltovastus on nelinkertainen yksirunkoiseen tapaukseen verrattuna ja etäisyyden
