Scheepsbouwkunde in een notedop:, Lezing t.b.v. het symposium Vaart in Beton, TU Delft, 1977

BETREFFENDE:

Scheepsbouwkunde in een notedop door

Prof.Ir. J.J.W. Nibbering

LABORATORIUM VOOR

SCH EEPSCONSTRUCTI ES

TECHNISCHE HOGESCHOOL

-

DELFT

RAPPORT Nr.

SSL 208

Lezing ten behoeve van het symposiwn

"Vaart in Beton"

t1SCHEEP SBOUWKUNDE IN EEN N0TEDOP"

Prof.Ir. J.J.W. Nibbering*)

Inleiding

Op het tijdstip dat deze tekst geschreven werd,, _{was er in het voorlopige} progranmia niet meer dan 25 minuten gereserveerd voor dit onderwerp.

De bedoeling de betonbouwers kennis te laten maken met de scheepsbouwkunde in al haar facetten zal daarom siechts vluchtig kunnen geschieden.

0m toch een maximum aan informatie te kunnen geven, wordt de voordracht

meer op de mogelij:kheden van het

_00g,

dan van het oor gericht. Het is

echter ondoenlijk orn al die f iguren, waarvan vele in kleur, in deze uit-eenzetting op te nemen.

Daar staat tegenover dat de tekst meer samenhang kan hebben en enkele facetten beter kan toelichten.

Het scheepsontwerp

Voor de niet-scheepsbouwer zijn de bouw van het schip op de werf en het

gebruik in de vaart het meest spectaculair. In de betonwereid is men

welis-waar ook wel wat gewend op het gebied van grootte, maar tot voor kort was het alleen aan de scheepsbouwers voorbehouden enorme constructies op de vaste wal te bouwen, dëze d.m.v. een slee in het water te laten glijden en

na enige tijd met behuip van eigen voortstuwings- en stuurrnechanismen de

wereldzeen te laten bevaren. Het aardige is, dat zij daarbij grote hoe-veelheden lading vervoeren, die bovendien dikwijis met behuip van eigen

gerei geladen en gelost kunnen worden.

De opvailende bouw- en gebruiksfasen van het scheepsbestaan kunnen doen

vergeten dat het al of niet voldoen van het schip in de praktijk in hoofd-zaak tijdens de ontwerpfase bepaald wordt.

Ilet ontwerpen begint niet bij de scheepsbouwer, maar bij de reder. llij: vil

bijv. weten of het verantwoord is orn een nieuwe lijn te openen, of een

bestaande uit te breiden, of schepen te vervangen. Dit vergt een grondige marktanalyse (o.a. cncurrentie), bestudering van infra-structuren en toekomstige ontwikkelingen ervan, beschouwing van politieke en sociale factoren, prognoses hetreffendebrandstofprjjzen,havengelden _{etc (fig 1)} Deze arbeid loopt in een bepaald stadium vast op gebrek aan exacte gegevens

omtrent de bouwkosten en levertijden van schepen. Vroeg of laat moet de

reder in contact treden met _{n of meer werven. Van de vele honderden die} er op de wereld bestaan kiest hi] er enkele uit. Dit gebeurt niet zomaar.

De gezichtspunten die wederzijds een roi spelen zijn verwant met die op-treden bi] de keúze van een huwelijkspartner (fig. 2). De scheepsbouwer die uiteindelijkhet schip moet leyeren is dan vrouwelijk.

Een probleem, dat zich in andere vormen ook later in het ontwerpproces

regelmatig voordoet, is dat de reder eerst nauwkeurige gegevens van de

werf nodig heef t, voordat hi] kan besluiten wàt te laten bouwen (grootte,

sneiheid, aantal) en waar. De verf moet zich dus in een beginstadium al "bloot"geven. Zi] zal dan graag willen veten of er meer gegadigden zijn

en wie (Japan!). Afhankelijk hiervan ontstaat een meer of minder

betrouw-baar offerte-ontwerp. Dit heipt de reder vooruit in zijn studie (fig. 3)

en uiteindeiijk komt hij met een duideli]k omschreen yens (zie fig. 4 links). Als de reder niet zelf het hele ontwerp maakt, zal de scheepsbouwer _{nu een} voorontwerp leyeren in nauwe samenspraak met de reder. Het contract kan dan worden opgemaakt (als dit al niet eerder gebeurd _{is) en de werf werkt het} voorontwerp verder uit _{Het ideaal zou zijn als nu door een systematische} variatie van de scheepsontwerpparameters hun invioed _{op bouw en}

-2-kosten enerzijds en op opbrengst van het ladingvervoer anderzijds _{tot uiting} gebracht werd. Dit vereist een integratie van specialistische kennis in een

proces van itereren en optimaliseren tot een synthetisch compromis. (Dit gebeurt niet zo vaak, o.a. doordat de invoergegevens onvoIdoende nauwkeurig

gekwantificeerd kunnen worden).

Ter illustratie wordt in fig. 5 en fig. 6 de invloed van het variaren van slechts én parameter, de sneiheid, bekeken. Eerst worden de scheepsafmetin-gen en de vorm gelijk gehouden en wordt alleen het machinevermoscheepsafmetin-gen vergroot.

In fig,. _{5 wordt vervolgens geschat wat bereikt kan worden door bet schip met} behuip van de bes taande kennis en sleeptankproeven optimaal te dimensioneren.

Wat zal opvallen is, dat sneiheid duur is. De brandstofkosten wegen zwaar in de analyse wat maakt dat een betrouwbare prognose met betrekking tot dic

kosten broodnodig is.

Dit kanniet altijd, omdat men nu eermiaäl moèilijk in het oliedik kan kijiken.

Men moet dan naast de meest wäarschijnlijke prijsontwikkeling ook _nog aan-geven hoe zeker men daarvan is, (betrouwbaarheidsgrenzen: confidence limits). De reder krijgt zo een idee van de risico's die hij loopt door bijv. een hoge sneiheid te kiezen.

Wat ook tevoorschijn komt is dat een 25% hogere sneiheid het in omloop zij1nde

kapitaal (schip, containers etc.) iangniet evenredig beter benut.

Wat in de figuren niet tot uiting is gebracht is, dat de lading zeif, die ook een groot kapitaal vertegenwoordigt, minder lang passief in de ruimen ugt, wanneer een schip sneller vaart. De reder zou dus een hogere vracht-prijs kunnen bedingen.

3. De hulpwetenschappen

In het beginstadium van het ontwerpproces zijn het vooral de reder (scheep-vaartkundige) en het werfbedrijf (werfingenieur) die de vereiste gegevens

verstrekken. Een beiangrijké positie wordt hierbij ingenomen door de scheeps-werktuigkundigen. De keuze van bet type machine heeft grote invloed op het

scheepsontwerp en de exploitatiekosten.

In een latere fase van bet ontwerpen komen de bekende hulpwetenschappen: hydromechanica, technische mechanica en materiaaikundê meer naar voren.

In de hydromechanica/dynamica zijn verschillende disciplines te onderschei-den: Weerstand, Voortstuwing, Scheepsbewegingen

(md.

Stabiliteit) en Sturen. ---'De-ontwerper-heef tvanoudsindezegehi-e'd'en-een--grotc-spee-irujmte gehad.

Hij heef t weinig last van belemmeringen in de vorm van wetsvoorschrif.ten e.d. Ze zij.n er wel, bijv. op het terrein van de stabiliteit, maar dan vooral in de vorm van randvoorwaarden., Dit contrasteert sterk met de situatie met

be-trekking tot het ontwerp van de (staal)constructie. Bij het materiaai beeft men vele jaren nauwelïjks van een keuzemogelijkheid kunnen spreken. Nu nog beperkt deze zich grotendeels tot twee sterktetypen. Ook wat de verbanddelen

van de constructie betreft, viel er tot ca. 1960 voor de scheepsbouwer weinig eer te behalen. Dit komt doordat materiaal en constructie vooral een zaak van de kiassebureaus is.

Het oudste bureau is Lloyd's Regis:ter of Shipping. Uit de naam moet men niet

af leiden dat het een verzekeringsmaatschappij is. Het is een onafhanke.lijk insti.tuut van deskundigen dat op verzoek van de reder of de werf toezicht houdt tijdens de bouw en aanwijzingen geeft met betr.ekking tot materiaal en

constructie. De reder vraagt die steun niet zozeer omdat hij de werf niet vertrouwt (soms wel) maar omdat hij bet schip verzekerd wil hebben. De

ver-zekeringsmaatschappijen doen dit bijna blindelings wanneer bet schip aan de

eisen van een erkend kiassebureau voldoet. Ook de scheepsvaartinspecties

kijken dan nauwelij'ks naar de constrUctie orn.

In Nederland hebben we vooral te maken met Lloyd's,, Bureau Ventas, Det norske Ventas en American Bureau of Shipping.

De scheepsbouwkunde beef t zich de afgelopen 15 jaar zó snel ontwikke]id, dat de kiassebureaus wat hun know-how betref t niet altijd meer "voor" maar

4. De bouw van het schip

Een moderne scheepswerf heef t enkele hoofdkenmerken:

Bouwdokken in plaats van hellingen met grote (portaal)kranen

(tot 1500 ton hefvermogen) (fig.. 17).

Panelenstraten voor bet samenstellen van verstïjfde piaatvelden

uit platen en profielen (fig. 16).

Nuineriek bestuurde autogene snijmachines van hoge nauwkeurigheid.

Dit alles is zo toegespitst op het feit dat een schip een gelaste,

verstijf-de, dunwandige staalplaatconstructie is, dat de betonbouwer er weinig

aan-knopingspunten in zal vinden. Mede daarom zullen in de dia's vooraI die warf-lay-outs worden getoond, die ook uit een oogpunt van betonbouw interessant kunnen zijn. in welke opzichten moet hier aan de fantasie van de

betonbou-wers worden overgelaten.

Enkele van de dia's worden in de f iguren 17 en 18 weergegeven.

-3-hoogstens "bij" kondéh blijven. Daarnaast is er de noodzaak van snel

produ-ceren, orn het in een in aanbouw zijnd schip genvesteerde kapitaal viug rentedragend te krijgen n de kosten van de werfoutiliage over zoveel

moge-lijk schepen te kunnen spreiden.

Dit heef t geleid tot geavanceerde snij- e la:sprocedures, die probiemen geven met betrekking tot de sterkte en kwaliteitsbehee.rsing. Er is daardoor

voorde constructeurs meer ruimte gekomen voor "eigen" sterkteanalyses met gebruik van de huidige kennis op het gebied: van de belastingen in zeegang, de responsie van de scheepsrornp (eindige elementen berekeningen) en de

draagkracht (piasticiteit, vermoeiing, breuk). Aparte vermeiding verdient

de triliings:problematiek, die zowel hydrodynamische (schroef) als machine-. technische en mechanica-aspecten heef t (fIg. 7).

Van deze hulpwetenschappen kan in het kader van deze voordracht maar een klein stukje worden belicbt.

De basis wordt gevormd door de hydrostatische berekeningen. Deze gaan uit

van de lijnentekening (fig. 8) en leyeren de inhoud van de carène (onder water gedeelte), de ligging van hat drukkingspunt (zwaartepunt van de

carène) en de noodzakeiijke gegevens voor stabiliteit- en trimberekeningên.

BiJ de stabiliteit ontmoeten we de merkwaardigheid dat het scheepszwaarte-punt ugt boyen dat van de carène en dat het schip toch niet kapseist

(fig. 9).

De kiassieke weerstandsberekening van een schip in viak water

wordtge-illustreerd in fig. 10. Het probleem hierbij is dat de wrijvingsweerstand

de schaalwet van Reynolds voigt en de golfweerstand die van Fraude. Het is een ge.iuk voor de sleeptanks dat de modellen in overeenstemming met Fraude gemaakt kunneri wordèn. Anders zouden zeer hoge modeisneiheden en zeer gróte

modellen nodig zijn.

Er zijn in bet verleden veel systematische proeven met scheepsmodellenen

scheepsschroeven gedaan. De resultaten zijn in ,publikaties te vinden.

De scheepsbouwer kan daarmee zelf scheepsvorm, schroef en machinevermogen

bepalen (fig. I IA). Voor grote, dure schepen worden toch ait ij:d p.roeven

gedaan, maar dan in golven en met modellen met eigen voorts:tuwing. De scheensbewegingen en de golfbelasti.ngen worden minder vaak bekeken

Hoe dat in principe toegaatwordt getoond in fig. 14A _{en 14B. De kiassieke,}

nog veel toegepaste werkwijze, tUant fig. 13.

Dat schepen niet alleen beiast worden door goiven is nog aangegeven in fig.. 12 en fig.. 15.

5. Slot

Voor bet bouwen in beton komen vooral schepen in aaninerking,, die van de specifieke voordelen van beton boyen staal kunnen prof iteren.

Dit zijn in de eerste plaats gastankers. In feite is het bij deze schepen meer een zaak van omzeilen van de problemen die met staal gepaard gaan

(lage temperatuur - b.roshéid).

Daarnaast heef t beton als duidelijke voordelen een lage

warmtegeleidings-coêfficint en een lage prijs in vergelijking met lichtmetaal of 9% nikkelstaal. Het hoge gewicht is van minder belang, omdatvloeibaar

aardgas een laag soortelijk gewicht heeft.

De belangrijkste typen LNG-tankers zijn:

schepen met zelfdragende binnentanks met vlakke wanden; schepen met niet-zelfdragende membraantanks (fig. 19); schepen met boitanks (fig. 20).

Naast de gastankers zullen in de toekómst wellicht olietankers en bulk-carriers in beton gebouwd kunnen worden. Deze schepen zijn zo groot, dat het extra gewicht, door het gebruik van beton, een betrekkelijk geringe

invloedheef t op het laadvermogen.

Containerschepen zijn ook groot, maar in tegenstelling tot tankers en bulkcarriers bovendien zeer snel. Er zullen daardoor weinig cöncessies

kunnen worden gedaan ten aanzien van de scheepsvorin en het scheepsgewicht

in verband met het machinevermogen en bet brandstofverbruik.

-4-GEW ENSI SCHIP

=

.RESULTAAT VAN VOÖ.RSTUDÍE VAN DE

REDER.

HOEVEELHEID T

_VERVOERENI

LADIÑG(PERJAAR]

IPROGNOSEI

AÁNBOD, OPSLAGR.Uft1TE,

SE IZOEN IN VLOE DE

HOUDBAAR HElD, AFZET

MOGEL'JKHEDEN, HAYEN-.

FACILITE (TE N, POL (11E KE

FACTOREN, CONCURRE NIlE.

J SCHAKEL. IN VERVOERSKETEN

IAANTAL SCHEPEN

x GROOTTE x AANIAL REIZEN

(PER JAAR)

GEWICH1,

SNELHE(D,

INHOUD.

_AFSTAND,

HAVE NT1JDEN,

BALLAST-VAARTEN.

FIOEI

VERKENNINGSPERIODE

ASPECTEN:

REDER

_{VAKBEKWAAMHEID}

_{SCHEEPSBOUWER}

ER VARIN G

MILIEU

(Landsaarcl)

ETROUWBAARHEID

(finncieeL,. moreet

)

MEER GEGADIGDEN?

F(G.2

LEVER lUDEN

GEWENS.1 SCHIP

FIG.3

INKOMSTEN:

OPBRENGST -KOSTEN

BOU WKOSTEN (RENTE)

MATERIAAL,

LOON,

PRODUCTIEMIDDELEN

VOOR: ROMP (STAAL,

BErON)

MACHINE IN SIAL

LATtE,

INRICHT(NG,

UITRU STING

EXPLOITATIE KOSTEN

PERSONEEL,

ONDERHOUD,

BRANDSTOF,

Ai BEL

HAVENGELDEN,

V RA

VERZEKERINGEN'LJA

_T

BEHEER

j

.s

AANTAL SCHEPEN

GROOTTE (DEADWEIGHT OF

RUIM INHOUD)

SNELÑEID

TYPE

TRAJECT

J

F(G. 4

OFFERTE ONTWERP

VOORONTWERP

DEFINITIEF ONTWERP

CONTRACT

CA. 9 MAANDEN

OPLEVERING

REDER;

_WERF:

I,

VOORBEELD m.b.. EEN PARAMETER: SNELHEID

APK

V3

-

'15

KNOQP: 1OÓOO PK

2OKNOOP :' 25000PK

PER REIS: 2MAAL'BRA.NDST.OF

(VÒtiR GEL'JKEAFMETINGEN)

MINDER DAN 25% MEER REIZEN

(HAVENTUDEN,GEVOELIGER VOOR

SLECHTWEER)

MINDE.R LADING PER REIS

(ZWÄARDERE MACHINE, MEER

BRANDSTOF)

101ML 1Oìo MEER LADING VERVOERD TEGEN

SCHEEPSVORM AANPASSEN

_{AAN SNELHEID GEEFT:}

k LANGER EN

_{SLANKER SCH(P}

GROTER BUIGEND MOMENT

:DUU.R.DERE CONSTRUCTIE

B.

20000 PK EN

_{1,5MAAL BRANDSTOF}

(i.p.v. 2500O:pK EN

_{2MAAL BRANDSIOF)}

FIG. 6

Y

'lS% MEER LADING lEGEN 50% MEER BRANDSIOF

EN 10% DUURDER

SCHIP

(VOOR VERSCHIL 15

_{KNOOP EN 20 KNOOP)}

BELANGRIJK:

-HAVENT'JDEN-:HOUDBAARHEID LADING(KOELING)

-

WAARDE LADING EN VE

RPA.KKIÑG

(CONTAINERS) Lv.m,

STOFKOSTEN-SYSTEEM SCHIP-MACHINE-ASLEIDING-SCHROEF-.ROER

MOET OPÎIMAAL ZUN I.V.M.:

MACHINE GEWICHT

BRANDSIOF VERBRU(K

ON DER HOUD

MANOUVREREN (STOPPEN!)

TRILLEN

CAVITATIE

D.S.

DIESEL-TURBINE

(OMKEEREA1tR).

VERSTELBARE SÇÑROEF

STRAALBUIS

FIG. 7

f

TOERENTAL

DIAMETER

SPOED

SCHEEPS VORM

:?

Fig. 8

Lijnentekening.

..r!

_//'

/

« d2z/

STABIL (TE IT

STATISCH (IN LUiCHT)

s.

WATPVNT

FIG.9

L AB i E L E VEN WIC HT.

WEERSTAND

_WRUVINGS-.

_{+ VORM(GOLF) WEERSIAND}

SCHAAL PROBLEEM:

_REYNOLDS

_FROUDE

1

V.L=c

V/\/t=c

LEWE

ERSTAND WRUV. WEERS13

_{WR'J.V.WEERSTO}

= WEERSTAND SCHIP

MODEL

MODEL

_J.

_SCHIP

¿

UIT

_BEREKEND

_{BE RE KEND}

SLEEPPROEF

FIG. 11

SCHEEPSVORM EN SCHROEF

A.

M.BN. GEGEVENS VERKREGEN UIT

SLEEPTAÑKPROEVEN, WAARB'J

VORM-PARAMETERS EN SNELHE(D

SYSTEMA-TISÒH GE/ARIEERD ZUN

(DIAGRAMMEN, FORMULES, COMPUTER

PROGRAMA'S).

VEROUDEIT SNEL(VLAK WATER)

TANKPROEVEN IN GOLVEN MET MODELLEN.

B E LASTIN GEN

t LANGSSCHEEPSE BUlGING

A. IN:VLAK WATER.

.

VOO'RBEELD: BAK MET RECHTHOEKI&E

DWARS- EN LANGSDOORSNEDE

FIG.12

LADINGDRUK

BE LASTINGKROMM E

[DWARSKRACHTEN-]

[MOMENTEN

J

IN IeBEVRORENSO GDLFO

FR113

KLASS(EK: SÎANDAARDGOLF h=

OF O,6'/C

HOGGING.

SAGGING.

SCHEEPSSNELHEID

=

GOLFSNELHEID

-

GEEN BEWEGINGEN EN

GEEN

TRAAGHEIDS-KRACHTEN.

C.

_{IN ZEEGANG ONREGEIJIMATIGE GOLVE.N)}

SINUS VORMIGE

COMPON ENTEN

DE PHASEHOEKEN ZYN WILLEKEURIG (RANDOM)

ENERGIE-'IÑHOUD

EENHEID VAN ZEEOPPERVLAK

1G.

ENERG1:ES.PEcTRUM VAN DE ZEE.

'c4)

333

3

MODEL

_{BEPROEVEN IN REGELMATIGE}

GQLVEN

1

2

EIC.

(R. A .0.

=

R E S PO NS E AM PL ITU DE

_{O PE RATO R )}

oli

_{GEE Fi: MOMENT RER.GOLFH003t.E R.AO}

¡

DE RESPONSIE VOOR

_{HEI BOVENSTAAND}

GOLFENERGIESPECTRUM IS DAN

_{TE BEREKENEN}

DOOR bE INDIVIDUELE

_RESPONSIES

(R.A.O. x GOLFH000TE) TE

_{S:UPERPONEREN,}

INCIDENTEEL: TEWATERLATEN, DOKKEN,

.AANVARINGEN,LEKKAGE.

REGE LMATIG:

FIG. 15

LADEN-LOSSEN

TEMPERATUUR WISSELINGEN

(DAG-NACHT; L.N.G.)

SLEPEN, DUWEN, YSVAART.

s

I

LANGSSCHEEPSE BUlGING

r'

WRINGING ("OPEN. SCHEPEN'°)

ra

_{DWARSSCHEEPSE BELASTINGEN}

LOKALE BELASTINGEN

TRILLINGEN

SCHROEF, MACHINES,

KORTE GOLVEN(SPRINGING),

Crane (Macchuck)

6OooO

a a,

Oc Roitef Sca4Q Lot?sflg S traI toning Roller o o

o a'o

Magnet Clamp Backijg Tab4e Sensitizer Applying r Shot Blast

Magnigraph (High Speed

Automatic Marking

Frame Planer

(Parallel Cutting

bi ogat ive

Conveyor system at assembly shop

Union Automatic Gas

Melting Marking Cutting Machine

0O000

000000

OOflOCD

Fig. 16 i.t.il

I1lr.iil

ltstlhl%lU- ''.t..iki.

iàd

Photo Gas Marking Cutting L Crane Magchuck

't.

Ii

Fig. 17. Droogdok van Boelwerf in Temse met eerste stadium van de bouw van een 130.000 ton L.N.G.-tanker.

" .. g

tI )

t I.?b.-I

flt

I I I

.

I tI i t j

iii

I i \1' ti : o

I1lg.J.r._

-:

i'''

ti

--..-s--.-.'-,-g -S-. - - - -. s

-

,.. s

'' -'.:'.

-ii

-' P3 ,-. . 'ti j , ' f t tP: - - uil

T'4

%_

SHIP DESIGN AND CONSTRUCTION

LAUNCH AREA

FABRICATION SHOPS INCLUDING PANEL SHOP

AND SHELL ASSEMBLY SHOP

¿I.

fig. 18

Principal elèments ¡n assembly Iine flow

_{at IngaII's new Pascagoulà Yard}

SHIP ASSEMBLY AREA OUTFITTING MACHINERY SUPPORT SHOPS

ìc

INNER HULL

Fig.

19 SECONDARY _INSULATION SECONDARY MEMBRANE PRIMARY INSULATION. PRIMARY MEMBRANE

rimory unir

! TRAPISVERSE