Literatuurstudie pant-web verbinding en voorstel voor nader onderzoek, STOS Dokument 99.065/A

LITERATUURSTUDIE SPANT-WEB

VERBINDING EN. VOORSTEL

_{VOOR NADER}

ONDERZOEK

SSL-Report 371

STOS Document 99.065/A

Datum: december 1998

B. Boon

LITERATUURSTIJ1IE SPANTWEB

_{YERBINDING EN}

VOORSTEL VOOR NADER

_ONDERZOEK

1.

_inleiding

In het STOS project wordt_{ondermeer onderzocht welke mogelijkheden bestaan orn gebruik}

te

maken van staal met_{een hoge rekgrens (HRS) bij de fabricage}

van koopvaardijschepen in Nederland. In een eerder _{rapport [1 J wordt een overzicht gegeven van de criteria die}

gehanteerd kunnen worden bij het_{nemen van de beslissing al dan niet HRS te gebruiken en} worden suggesties gedaan _{waar in verschillende scheepstypen HRS}

gebruikt zou kunnen worden. Bovendien wordt_{aangegeven welke typerende constructie}

details dan nader

onderzocht zouden moeten worden, met het oog op onvoldoende kennis_{vooral over het} vermoeiingsgedrag van deze details.

Een van de belangrijkste details die

problemen zouden kunnen opleveren bij het op ruime

schaal gebruiken_{van HRS in schepen als gebouwd in Nederland, betreft de verbinding tussen} langsspanten en webs vergelijkbaar_{met zulke als aangegeven in fig. 5. Dit detail komt zowel} voor in de dubbele bodem (kruising_{langsspantenvrangen) in de zij huid (kruising}

langsspantenraamspanten) en onder dekken (langsspantenwebs). Het detail komt, _{zij het met}

duidelijk andere afirietingen, ook zeer veci voor in grote schepen zoals tankers en bulkcarriers.

Toen de afmetingen_{van deze scheepstypes in dé jaren '70}

en '80 snel toenamen werd op grote schaal HRS toegepast, zeker _{ook bij dit detail. Juist voor deze schepen werd in de} tachtigerjaren het TMCP-staal (thermo_{mechanically controlled processed,}

thermomechanisch gewaiststaal) ontwikkeld_{dat dank zij zijn kleine CE-waarde eenvoudig} gelast kon worden. Meer hierover in_[1].

Nadat deze grote tankers_{en bulkcarriers enige j aren in de vaart waren, traden op grote schaal} vermoeiingsscheuren op, vooral ook in dit_{detail, de spant-web verbinding. De oorzaak werd} gezocht in de sterke teruggang

van het vermoeiingsleven voor details ontworpen op de

traditionele wijze, maar met duidelijke_{hogere spanningen als inherent aan het gebruik van}

FIRS.

Nu in het STOS-project

overwogen wordt ook in typische Nederlandse schepen FIRS (en

vooral TMCP) toe te passen is het _{beiangrijk te weten of ook in dit geval het 'bewuste detail}

grote kans op vermoeiingsschade heeft. Iminers, oók schepen zoals veci in Nederland worden gebouwd, kennen hetzei:fde constructie detàil. Maar natuurlijk _{wel met heel andere}

afmetingen, vormdetails

en belastingen. Uit de tankers en bulkcarriers is bekend dat het risico van verrnoeiing sterk verminderd kan worden_{dooreen zorgvuldig ontwerp}

van de details.

Een voorbeeld hiervan is het gebruik van z.g "soft toes" (zachte tenen)_{aan knieën, verstijvers} en bij uitsparingen. Bij de fabricage_{van grote tankers en bulkcarriers in}

nodig zouden zijn. Overwogen wordt_{daarom juist dit detail nader te onderzoeken binnen het} dee! van werkgroep A_{van STOS.}

Veel onderzoek is gedaan _{naar de sterkte en vermoeiingsaspecten voor dit detail in tankers en} bulkcarriers. De vraag is dan ook_{gerechtvaardigd of datgene wat in de open literatuur is} gepubliceerd niet dusdanig is dat het_{onderzoeken van het detail binnen het STOS-project} overbodig is. In het voorliggende_{rapport wordt gekeken wat gepubliceerd is en wordt aan de} hand van enkele voorbeelden_{nagegaan of het gepubliceerde nader onderzoek van het detail} binnen het STOS-project rechtvaardigt ofjuist niet. Nadat, zoals zal_{blijken, geconstateerd} wordt dat verder onderzoek _{gerechtvaardigd is, wordt een voorstel gedaan op welke wijze} binnen STOS het detail nader_{onderzocht kan worden.}

2.

Literatuur

Veel literatuur over spant-web verbindingen is _{beschrijvend van aard. "Scheuren zijn}

geconstateerd na zoveel jaar op die_{en die plekken". De oorzaak wordt gezocht in de invloed}

van het vaargebied. Daarnaast zijn diverse publicaties gewijd aan het mathematisch

beschrijven van de niet-lineaire goithelasting op dehuid nabij dewaterlijn (een golfverheffing

leidt tot een toenemende waterdruk, terwiji een goIfdal een constante druk nul uitoefent).

Beide types publicaties hebben geen betekenis ten aanzien van de vraag oftoepassing _van

HRS ook in Nederlandse scheepstypes tot problemen bij het vergelijkbare detail met zijn eigen afmetingen en belastingen zouden kunnen leiden.

Verschillende publicaties als [2] en [3], gaan in op constructiedetails en de rol van eindige

elementenberekeningen bij het bepalen_{van het vermoeiingsleven.en eventuele optimalisatie} van het detail (zie fig. i uit [2] en fig. 2 uit [3]). De spant-web _{verbinding wordt in [4] op deze}

wijze bestudeerd voor containerschepen, waarbij kritische punten worden aangegeven (fig. 3),

maaralleen gerapporteerd in termen_{van jaren vçrmoeiingsleven. Deze resultaten verdiepen} het inzicht, maar geven geen antwoord_{op de vraag over toepassing op Nederlandse schepen.} Voor productietankers (FPSO's) wordt devermoeiing van de scheepshuid bepaaid door middel van een heel eenvoudige modellering_{van de langsspanten als balk (fig. 4) en een}

bepaling van het vermoeiingsleven middels nominale spanningen.

In [6] wordt een filosofie beschreven_{met betrekking tot het ontwerpen van dit soort details en} worden voorbeelden getoond_{van opgetreden scheuren (fig. 5). Er worden geen getalsmatige}

resultaten gegeven. In [7] wordt vooral ingegaan op de situatie dat in een bestaand schip al scheuren zijn opgetreden en wordt met behulp van eindige elementen (fig. 6) een optimale

reparatie/modificatje aanpak vastgesteld. Somszoals in [8], wordt een "optimaal" ontwerp

gekozen, maar vaak uit een klein aantal meer of minder verschillende concepten (fig. 7). Eindige elementen berekeningen (fig. 8) maken een keus uit deze concepten mogelijk. Dergelijke publicaties geven meestal weinig informatie voor gevallen die anders zijn dan de

beschreven concepten. De filosofie_{van een scheepswerf wordt beschreven in [9] waarbij ook}

weer schadegevallen worden getoond (fig. 9). Oplossingen en nieuwe concepten worden daarna met eindige elementen geanalyseerd (fig. l'o). In dit artikel wordt ook het gebruik van TMCP-staal beschreven. Bovendien worden weer enkele typische schades en voorgestelde

reparaties getoond (fig. 11). Een artikel als _{[10] heeft weer een benadering gebruik makend} van een eenvoudige balkenmodellering en_{een vermoeiingsanalyse met nominaal spanningen}

(fig. 12).

De tot nog toe genoemde publicaties baseren zich alle op meer of minder ingewikkelde analyses. Merkwaardig weinig concrete testresultaten zijn gepubliceerd. Een uitzondering

wordt gevormd door [Il] waar door de Japanse_{werf Kawasaki gezocht is naar een optimale}

Naast een analyse met eindige elementen_{zijn ook daadwerkelijk verrnoeiingsproeven gedaan} (fig. 14). lets dergelijks is_{een paar jaar later gedaan door de Koreaanse}

werfllyundai [12] waarbij wederom gekozen is_{tussen verschillende concepten (fig. 15). Ook nu zijn de eindige} elementenberekeningen vergeleken_{met de resultaten van actuele testen (fig. 1.6). Opvallend is} dat deze twee publicaties _{een andere conclusie trekken ten aanzien van de beste oplossing.} Ook in Denemarken is dit detail _{onderzocht [13]. De vorm is geoptimaliseerd middels eindige}

elementen berekeningen (fig. 17). Daarna is met een lange termijn belastingsverdeling horend

bij reizen tassen het Midden-Oosten_{en Rotterdam (het detail werd verondersteld op een} tanker gebruikt te zijn) gekeken_{wat het verrnoeiingsleven van het oude en het nieuwe detail}

zou zijn. Het nieuwe detail is dan veel beter,_{voornamelijk omdat niet langer}

een stuk plat is

gelast op het langsspant _{orn belastingen van dat Spant naar de webbeplating over te brengen.} Door Lloyds's Register zijn bij het_{Krylov Instituut in St. Petersburg testen uitgevoerd met} spant-doorvoeringen [14] Hierbij is _{o.a. gekeken naar de invloed van zachte tenen (fig. 18).} De resultaten leiden tot _{een S-N-kromme voor dergelijke constructies die echter nogal wat}

spreiding kent (fig. 19).

Een belangrijke studie is _{gerapporteerd door Iwahashi et al [16]. In het kader van het ISSC is} de doorvoering van het langsspant_{van een tanker door een waterdicht schot bestudeerd (zie} fig. 20, is fig. uit [16]). Het betreft_{hier een waterdichte doorvoering, uitgevoerd in staal met} een vloeigrens van _{MPa, dus wat lager dan in het STOS-project beschouwd. Experimenteel} onderzoek is gebruikt ter validatie_{van een 10-tal verschillende eindige elementen}

berekeningen.

Hoewel het onderzoek gedaan is_{met het oog op vermoeiing van deze constructie, heefi het} zich hier beperkt tot _{een statische belasting. Een belangrijke conclusie is dat wil men de} gemeten spanning berekenen ter plaatse_{waar de vermoeiing verwacht wordt te initiëren,}

gebruik van volume elementen in plaats van plaatelementen noodzakelijk is.

Samenvattend kan gesteld worden dat_{uiteindelijk veel inzicht verworven kan worden over}

wat bij Nederlandse scheepstypes mogelijk zou zijn. Maar het is op grond van het

gepubliceerde rnateriaal absoluut_{onmogelijk een uitspraak te doen over het}

vermoeiingsgedrag van een spant-web doorvoering_{uitgevoerd in HRS met afmetingen}

en

belastingen als typerend_{voor in Nederland gebouwde schepen. Deze conclusie wordt in de}

volgende paragraaf nader onderbouwd.

3.

_{Overwegingen en conclusies}

De in de vorige paragraaf genoernde literatuur is bestudeerd orn te zien of de inhoud daarvan het niet overbodig rnaakt onderzoek te doen aan vergelijkbare details voor Nederlandse schepen. Daartoe moeten de bewuste artikelen op een paar punten beoordeeld worden:

verschaffen van inzicht "Nederlandse" details zijn

"Nederlandse" afinetingen hebben of_{daarnaar omgeschakeld kunnen worden} de juiste materialen betreffen (in_{het kader van de STOS-studie dus TMCP-staal)}

passen bij de Nederlandse fabricage methodes

belastingen ondergaan die_{qua verdeling passen bij de in Nederland gebouwde}

schepen.

Daarnaast moet in overweging worden_{genomen of de aanbevelingen als in die literatuur} genoemd ook voor Nederlandse schepen_{geldig zijn in het lichtvan:}

- ervaring met Nederlandse schepen

econornische aspecten van fabricage in Nederland.

Voor deze punten zijn de volgende_{opmerkingen belangrijk:}

Verschaffen van inzicht. Alle genoernde tijdschriftartikelen dragen bij tot vergroting van het inzicht.

Nederlandse details. In de in Nederland_{gebouwde schepen worden algemeen bulbprofielen}

toegepast voor de langsspanten. Bij gebruik van HRS (zeker TMCP) wordt dit problematisch in verband met de verkrijgbaarhejd. _{De in de vorige paragraafgenoemde}

literatuur beschrijft

de situatie in grote tankers en bulkcarriers. Veda! worden daar opgebouwde profielen gebruikt, die in afmetingen_{zeer veci groter zijn dan op Nederlandse werven gebruikelijk} (zelfs als daar opgebouwde profielen

worden gebruikt). In enkele beschreven gevallen worden

verfijningen gebruikt als "soft toes", die in grote schepen effectiefzijn. Het_{is de vraag of zij} in Nederlandse schepen ook belangrijkzijn.

Nederlandse afmetingen. Als hiervoor_{genoemd zijn in alle beschrevengevallen} profielafmetingen gebruikt die aanmerkelijk_{groter zijn dan in Nederland gebruikelijk.} Materialen. De meeste gebruikte materialen _{betreffen FIRS, hoewel in een enkel geval met} ongeveer 320 MPa vloeigrens in plaats_{van de in STOS gewenste 360 M'Pa. Hoewel gebruik}

van TMCP niet expliciet vermeld wordt, zullen de resultaten uit het oogpunt van materiaalkeuze goed !bruikbaar zijn voor de Nederlandse situatie.

Nederlandsefabricagernethodjen De

_{gerapporteerde opgebouwde profielen zijn in de} Nederlandse situatie nietgebruikelijk,_{maar misschien bij HRS (in het bijzonder TMCP)}

wel

waarschijnlijk veel meer door de lokale waterdruk dan door overall buiging van de romp bepaald zullen worden. Het gevolg hiervan is dat de Nederlandse details zich anders kunnen gedragen dan de in de literatuur gepubliceerde.

Nederlandse ervaringen. Bij grote tankers_{en bulkcarriers zijn veel problemen gerapporteerd} tenaanzien van vermoeiing van de_{spant-webdoorvoering. Vandaar het vele gepubliceerde}

rnateriaal. Bij in Nederland gebouwde schepen is dat veel minder het geval. Dit kan komen door het anders zijnde belastingspatroon, maar ook doordat veel minder HRS gebruikt wordt. Economische overwe gingen. Omdat de Nederlandse ervaringen weinig problemen met het detail tonen is het onverstandig bij overgang naar HRS (TMCP) als vanzelfsprekend de detailuitvoering over te nernen die voor grote tankers en bulkcarriers worden gebruikt, zoals

"soft toes". Beter is eerst_{na te gaan of de meer traditionelé en goedkopere uitvoering gebruikt}

kan worden, ook in geval van HRS.

Gebaseerd op deze overwegingen wordt in de volgende_{paragraaf een voorstel gedaanorn het} spant-web detail uitgevoerd in HRS voor de Nederlandse situatie nader te bestuderen.

4.

_{Beproevingsvoorstel}

Voorgesteld wordt in het STOS-A project in totaal 6 identieke spantdoorvoerthgen te testen met afinetingen en belastingen als typerend voor in Nederland gebouwde schepen. Drie proefstukken zullen getest worden op een wisselende longitudinale belasting als bijv. de Spant-vrang doorvoering op een scheepsbodem._{Deze testen worden aangeduid als de serie BI.}

De andere drie worden getest op buiging ten gevolge van waterdruk zoals bijvoorbeeld _een spant-web doorvoering in de huid van een schip. Deze serie wordt aangeduid als Bu. Ben en ander zoals hieronder schematisch _weergegeven.

II

I

/

Zowel in testserje BI als in testserie Bu worden drie proefstukken getest. In principe wordt uitgegaan van een vergelijkbaar spanningsniveau op de kritieke plaatsen in _{beide testseries.} Dit orn inzicht te krijgen in de spreiding van de resultaten. Het is echter mogelijk tijdens het uitvoeren van de proeven anders te beslissen. De beproevingen kunnen worden uitgevoerd volgens de hierna gesuggereerde planning.

s

Concept

PlanningsopzetSTOSA2een3eserie

:

:

: : »

Maand Januan Februari Maart ApnI ' ' Mei I 'Juni

i Juli

Week i 2

3 4 5

6 7 8 9 10 11 12 131415 16 17 18 1920 21 2223242526272829

Onderdelen: .

:

:

o Beslissing over testen

!'

I

i 'Beschikbaarheid materiaal I I I ' I I

2Ontwerp testopstellingen en proefstukken I

I I I J 3iOpstellen fabncage-toleranties _j I J I j ! I . 4Fabricageproefstukken ' : i : . 6Voorbereiding proefopstelling I . J : J 7Voorbereiding proefopstelling II . J J . 8TestBJll . : : 9TestB12 . . . . . ' : 1OTestBl3 . i i Test Bill J I 121estBll2 .

j:;;

II

13r'estBll3 J __, 14DeeIrapportage J I ; i J : 15Opleveringeindrapport . . J J ; ;

Opmerkingen bij actiepunten concept planning

_{BI en Bu}

*

De kroosverbindingen eerder getest zijn aangeduidmet de serie A.

*

De planning gaat uit van implementatie van de door de TUD voorgestelde

beproevingen van een spant-web verbinding. D.w.z. dat zes identieke proefstukken op twee manieren worden getest. De op trek belaste proefstukken worden aangeduid met serie BI, waarbij de afzonderlijke stukken_{resp. BI. 1, BI.2 en BI.3 zijn. De op buiging} belaste serie is Bli met de drie proefstukken BII.l, BII.2 en BII.3.

*

De formele beslissing over de uit te voeren beproevingen moet nog door de werkgroep worden genomen op basis van bet TUD voorstel. Aangenomen wordt dat deze

beslissing halfjanuari genomen is, hoewel eventueel uitloop tot eind januari mogelijk is. De activiteiten 1, 2 en 3 kunnen starten voordat de beslissing_{genomen is.}

2) _{B het ontwerp van de beproevingen moet worden uitgegaan van materiaal dat bij de}

partners in de handel in voorraad is. Dit i.v.m. de anders waarschijnlijke onacceptabele

levertijd.

Gezien de ervaringen met proefserie A zal de TUD expliciete kwaliteitseisen formuleren voor de fabricage van de proefstukken.

Er is aangenomen dat fabricage van de proefstukken zal geschieden door.

één van de partners in het STO S-A project.

7-12) De testseries BI en Bu vinden in verschillende opstellingen plaatsen kunnen daarom

grotendeels parallel geschieden.

De spanningsniveaus zullen zo gekozen worden dat bezwijkèn van bet proefstuk na 2 weken verwacht wordt. De andere 2 weken zijn reserve

Referenties

Haifschepel, R.A.:

"Haalbaarheidscriterja gewichtsbesparing_{en onderzoeksplan voor toepassing van HRS} in de scheepsbouw" STOS-document_{98/052/A, SSL-363 Technische Universiteit}

Delfi, Lab. voor Scheepsconstructjes, _{ma.art 1998]}

[2] Elkerlid, J. & Ulfvarsen, A

"Redistribution of Initial Reidual Stresses in Ship Structural Details and its Effect on

Fatigue", In: Marine Structures 8 (1995) 3:85406. Elsevier Science Ltd. Fricke, W & Paetzold, H.:

"Fatigue Strength Assessment of Scallops - and Example for the Application of

Nominal and Local Stress Approaches. In: Marine Structures 8 (1995) 423-447. Elsevier Science Ltd.

[4] _{Fricke, W. & Scharrer. M. & Selle, H. von:}

"Integrated Fatigue Analysis of Ship Structures". 5th IMDC 1994, Delfi

Kaminski, M.L. & Krekel, M:

"Reliability Analysis of Fatigue Sensitive Joints in FPSO". In: 1995 OM'AE-Volume II, Safety and Reliability ASME 1995

[6] _{Ishiguro, T. & Okada, T.& Kawainura, M.}

"Improved VLCC/VLB.0 Design" Cheung, M.C.

"Cost-Effective Analysis for Tanker Structural Repairs". In: Proceedings: Prevention of fracture in ship structure, March l'995

['8] _{Debbink, M.}

"Hull Structural Design for_{a 40,000 DWT Double-Hull Products Carrier". In:}

Proceedings: Prevention of fracture in ship structure, March 1995.

[9] Sueoka, H.

"Ship Fabrication - From Shipbuilder's Viewpoint"

[1:0] Liu, D. & Thayamballi, A

"Local Cracking in Ships - Causes, Consequences and Control.

[11] _{Kamoi, N. & Taniguchi, T. & Kiso, T. & Kada, K. & Kohsaka, A.}

"A new structural concept of a double hull VLCC" RINA Conference, December

1992, London, UK. [1] [3] [5] [7] lo

Kim, S.N. & Lee, D. & Kim, _{W.S., & Kim, D.H.& Kim, OH.}

&Hyun, M.H. & Kim,.N.

"Enhanced Structural Connection_{between Longitudinal Stiffener and Transverse Web} Frame", PRADS '98

Andersen, M.R. & Birk-Sørensen_{& Frils, Hansen, P.}

"Probabilistic Fatigue Damage_{Analysis of a Shape-Optimized Slot Design", Marine}

Technology, October 1998 Paliy, O.M.

"Experimental Results _{on the Fatigue Life of Sstructural Details".}

In: Lloyd's: Detail

Design Ishida, K.

"Substantial Repairs and Maintenance of Hull Structures". In: Proceedings: Prevention of fracture in ship structure, March 1995.

Iwahashj, W., Sumi, Y., Hu, T., Paetzold, H., Wu, C.C., Jang, C.D., Rigo, P., Nie, P.,

Kawano, H.: "Finite element_{comparative study of ship structural detail", Marine}

Fig. 1. Parts of the FR-models. The studies notch geometries.

(Source: Elkerlid, J. & Ulfvarsen, A

"Redistribution of Initial Reidual Stresses in Ship Structural Details and its Effect on Fatigue", In: Marine Structures 8(1995) 385-406. Elsevier Science Ltd.)

(a) Plate elements (b) 3D-clementi

Fig. 2. Finite element models for the stress

(Source: Fricke, W & Paetzold, H: "Fatigue Strength Assessment of Scallops Nominal and Local Stress Approaches. In: Elsevjer Science Ltd.)

analysis of scallops.

- and Example for the Application of Marine Structures 8(1995) 423-447.

Collar Plate

Fig. 3. Usage of web frame/longitudinal intersection

(Source: Fricke, W. & SchalTer. M. & Selle, H. von:

ioco

loo

IO

Fig. 5. Fatigue cmck patterns observedon side Jongitiiiism1s.

(Source: Ishiguro, T. & Okada, T.& Kawamura, M. "Improved VLCC/VLBC Design")

DOE.G UHfl1.U11Í1t

iuii i

uuiiiii DI'4V-I

IUIIIII

UiiIIilli i

'!!IIH 11111111111

NENK30

uuuniuq

. ssc.io

uuiiiuuiiii

I

IllIllIllIflhIllhl

I i0000

0000000 rn

Number oC cycles

Fig. 4. Mean SN-cwve for considered detail

(Source: (Soulue: Fricke, W. & Scharrer. M. & Selle, H. von: "Integrated Fatigue Analysis of Ship Structures". 5th IMDC 1994, l)ellt)

Fig. 8. Finite element model

(Source: (Source: Debbink, M.

"Hull Structural Design for a 40,000 DWT Double-Hull Products Carrier". ¡n: Proceedings: Prevention of fracture in ship structure, March 1995.)

DESIGN #1 DESIGN #2 DESIdN#3

Fig. 7. Web cut analysis.

(Source: Debbink, M.

"Hull Structural Design for a 40,000 DWT Double-Hull Products Carrier". In: Proceedings: Prevention of fracture in ship structure, March 1995.)

ìUIib

Tank Center Tank

Fig. 9. Example of fatigue crack of side longituclinals.Viewpoint")

(Source: Sueoka, H."Ship Fabrication - From Shipbuilder's Vieuwpoint"

lb

pM..

__.I fl

-BOuM. SOMU

TYPICAL DAMAGE

Fig. 11. Tanker damage and repair example (Tanker Structure Cooperative Forum)

(Source: Sueoka, H.

"Ship Fabrication - From Shipbuilder's Viewpoint")

PROPOSED REPAIR

000M Il ,MOSM. IO

-_

S'. OSSO .00

SM I091IMdby Idlng

Fig. 12. Class C bottom longitudinai frame intersection_{with transverse oihight bulkhead}

(Source: Liii, D. & Thayamballi,_A

A : CONVENTIONAL STRUCTURE _{B: NEW TYPE STRUCTURE}

f-

SKIN PLATE

%AILS

OF CONVENTIONAL SLOT /ETAILS OF NEW PE. SLOT

(APPLE SLOT) -j (D z o -j

Fig. 13. Comparison of conventional and new structures.

(Source: Kamoi, N. & Taniguchi, T. & Kiso, T. & Kada, K & Kohsaka, A "Anew structural concept of a double hull VLCC" RINA Conference, December

1992, London, UK.)

STIFF.

100.0

50.0

[

ct

D - 2 New Type Slot (Crack initiated at slot adge)

D - I Conventional Slot1

(Crack inililed al slit!, toe)

'

t I t I I

I,

los IO' 10' 10' 10' los

Nc (cycles)

Fig. 14. Fatigue strength of conventional and new type slots for out-of-plane deformation.

(Source: (Source: Kamoi, N. & Taniguchi, T. & Kiso, T. & Kada, K. & Kohsaka, A. "Anew structurai concept of a double hull VLCC" RINA Conference, December 1992, London, UK.)

Conventional Slruclttrc

Ncw S(ructiirc

Critical Arca

Fig. 15. Critical areas for fatiguestress check points.

(Source: Kim, SN. & Lee, D. & Kim, W.S., & Kirn, D.H.&_{Kirn, O.H. &Hm, MR & Kim,.N.} "Enhanced Structural Connection between Longitudinal Stiffener and Transverse Web

Frame", PRM)S '98) CRACK E E 10.0 Lo 5.0 1.0 0.5

Model size (LxBxD) Bottom plaie thickness

BoUoun longitudinal

Bottom longitudinal space

Floor plate thickness

Floor stiffener Radius of scallop

Wclding leg length

n_ .

V.111..I pieu. 5Ciisuui i.ngfl.dIfl u r,.., V.,'Ilr. ,L$If.u,. utInu I,nqüu,din& ... . . __- .L. Conventional Structure O.',,,. p1.1. AL Ncw Structure O.pp.urt I.'..,. 200x2000x920 mm IO mm 300x104-75x15 mm 400 mm 10 mm 150x12 mm 50 mm 6 mm

s

Web frame

Side shell

Longitudinal

Fig. 17. Potential crack locations for new slot.

(Source: Andersen, MR. & Birk-Serensen & Friis Hansen, P.

'Probabilistic Fatigue Damage Analysis of a Shape-Optimized Slot Design", Marine Technology, October 1998) S-CN 13 ® 1.3 0 1.4 2.2 2.3Ø. 2.40- 3.20-3.40 3.1

0-2.10 2.10- 2.1 2.2 5 2.3 0 2.4 3.2 3.4 N

- LITWJ7fl89Od det ® - Csesl laligue aflck 0 - IriSai fatigue aad - Datai laSse

Fig. 19. Model test results.

(Source: Paliy, O.M.

"Experimental Results on the Fatigue Life of Sstructural Details". In: Uoyd's: Detail Design)

Vertical

tifeier to

prevent buckling

330- Ø3.3

t1200mm

t

800 1 Ir 1300mm Model Type A Model Type C 300 rTTfl Model Type B Model Type D

Fig. 20 Experimental model

(Source: Iwabaslil, W., Suini, Y., Hu, T., Paetzold, H., Wu, C.C., Jang C.D., Rigo, P., Nie, P.,

STATUSRAPPORT STOS-PROJECT

I januari 1999

liileiding

Onderstaand wordt de stand van onderzoek weergegeven van dat dee! van het STOS-project

dat in het Laboratorium voor Scheepsconstructies van de Technische Universiteit Dclii wordt uitgevoerd. Beschreven wordt de situatie op i januari 1999. De opdracht is door TNO aan de TU gegeven op 23.03.'98.

Oanvang van het werk

De omvang van het werk is niet veranderd te opzichte van de bestelling. Samengevat betekent

dit dat bij de TU 3 series van elk identieke proefstukken gefabriceerd in hoge rekgrens stani (HRS) worden getest qua vermoeiingsgedrag. Bovendien wordt van de eerste serie het gedrag

doorgerekend middels de eindige elementen methode (EEM). Het doorrekenen van de twee

andere series hoort niét tot de TUD-!evering, maar zal gedaan worden door andere partners in

het STOS-A-project.

Levertijd

De oörspronkelijke leverdatum van 31 december 1998 kan door de TUD niet worden gehaald.

De oorzaak ugt in de diverse tegenvallers bij het uitvoeren van het testen van de eerste serie (zie hiernabij de technische rapportage). In de volgende series wordt gewenst zoveel mogelijk van de ervaringen met de eerste serie te verwerken. Door TNO is op 26 oktober1998 de uiterste leverdatum voor het door de TUD te verrichten werk gesteld op 30juni 1999.

De eerste serie

Door de TUD is middels het afstudeerwerk van Mw. R. Haifschepel eerst een inventarisatie gemáakt van de huidige en de verwachte/mogelijke toepassing van HRS in de Nederiandse

scheepsbouw. Dit is neergelegd in rapport SSL-363, STOS-document 98/052/A getiteld

"Haalbaarheidscriteria en onderzoeksplan voortoepassing van HRS in de scheepsbouw", gedateerd muait 1998.

In dit rapport is ook het voorstel gedaan als eerste serie te onderzoeken een z.g. "kroos-verbinding" zoals die veci in de dubbele bodéms van in Nederiand gebouwde schepen wordt

toegepast. Na acceptatie van dit voorstel door de STOS=A partners zijn de betreffende drie

proefstukken gefabriceerd door de Verolme Heusden werf

Dé berekeningen middéls de EEM zijn eveneens uitgevoerd door Mw. Haifschepel en

gerapporteerd in haar afstudeerwerk getiteid "Vermoeiingssterkte van een kroos-verbinding",

gedateerd juli 1998, STOS-document 98/059/A, SSL-365; Gebaseerd op deze berekeningen is

vastgesteld wat de spanningsniveaus zouden zijn bij het testen van deze verbindingen. De start van de daadwerkeiijke vermoeiingstesten van deze eerste serie is later geweest dan voorzien De hoofdreden luervoor was dat door de werfbij de fabricage toleranties zijn aangehouden als normaal in de scheepbouw. Als de zo geleverde proefstukken in die vorm zouden zijn getest, zoudenhoge secundaire buigwisselspanningen zijn opgewekt.

Waarschijnlijk zou het proefstuk daardoor bezwijken op een andereplaats dan bedoeld lang voordat scheurvorming op de beoogde plants zou beginnen De TUD heeft de proefstukken

daarom machinaal bewerkt voordat met het testen werd begonnen. Hierdoor zijn enkele

weken vertraging zijn hierdoor ontstaan. Het was niet meer mogehjk het daadwerkelijke testen nogtijdens de afstudeerfase van mw. Haifschepel te laten plaatsvinden. De TUD heeft op grond van deze ervaring besloten bij volgende proefstukken maatvoeringseisen en andere

kwaliteitscriteria op te stellen specifiek bedoeld voor de fabricage van proefstukken.

Bij het testen van het eerste proefstuk bleek de vermoeiingssterkte ruim hoger dan eerder was verwacht. Uiteindelijk begon scheurvorming opeen geheel andereplaatsdan was bedoeld, nl. bij de aanhechtingslas van de inklemplatenaan het eigenlijkeproefstuk. Besloten is deze overgangslas van alle proefstukken te modificeren teneinde de levensduur hier fors te

verhogen. Bovendien is besioten zowel het vervoig van het testen van de andere proefstukken te doen met een hogere spanningenwisseling. Heteen en ander leidde opnieuw tot vertraging. Ook bij het testen van de andere proefstukken zijn herhaaldeiijk scheuren ontstaan op andere plaatsen dan bedoeld Diverse malen zijn reparatles uitgevoerd totdat uiteindelijk alle dne de

proefstukken zijn bezweken op de kroos-verbinding.

Het testen is gestopt alvorens het proefstuk volledig bezweken is. Daarna zijn de proefstukken opengezaagd teneinde visuele inspectie van de breukvlakken mogelijk temaken. Dé

definitieve breuk inhet laatste proefstuk ontstond op 19 december 1998.

Eenvoiledig versiag van debeproevingen van deze eerste serie zal binnenkort verschijnen. Maar hier kan reeds geconstateerd worden dat de vermoeiingssterkte van de onderzochte kroosverbinding beter was dan verwacht Er is dan ook geen reden uit vermoeiingsoogpunt af te zien van kroosverbindingen in een uit HRS gefabriceerde dubbele bodem.

overbrengen van een lateraal belasting op het spant naar het web. Door deze twee belastingsvormen zal het gedrag van de proefstukken volledig anders zijn, zodat terecht

gçsproken kan worden van twee verschillende test series.

De achtergrond van dit voorstel wordt beschreven in rapport SSL-371,

STOS-document/9899.065/A, gedateerd december 1998. De planning voor deze serie testen voigt hierna. De start van dit werk is voorzien in januari 1999, terwiji het werk gereed za! zijn eind januari 1999.

Concept Planningsopzet STOSA 2e en 3e serie : .

Maand: Januari Februari Maart I ApriI i Mel Juni

222324252627

Tjuii

2829

Week 1 2 3 4 5 6 7 8 910111213.14,15 16 17,18 192021

Onderdelen: 0Besiissing over testen

J

V

-i Besch-ikbaarhe-id matenaal I I 2Ontwerptestopsteliingenenproefstukken _' : 3Opstelienfabricage-toieranties .

II

i 4Fabricageproefstukken

i'

:,i!

, 5 Fabricage hulpstukken .

LI

: . , . , ,__________ 6'Voorbereiding proefopsteiiing I .

:_

_

I 7Voorbereiding proefopstelling II , 8 Test Bu

9TestBl2

10TestBi3

-, __________

Opmerkingen bij actiepunten concept planning Bi

en Bill

*

De kroosverbiüdingen eerder getest zijn aangeduid met de serie A.

*

De planning gaat uit van implementatie van de door de TUD voorgestelde

beproevingen van een spant-web verbinding. D.w.z. datzes identieke proefstukken op

twee manieren worden getest. Deop trek belaste proefstukken worden aangeduid met serie BI, waarbij de afzonderlijke stukken resp BI. 1, BI.2 en BL3 zijn. De op buiging

belaste serie is BU met de drie proefstukkenBII.1,.BIL2en B1L3. *

De formele beslissing over de uit te voêren beproevingen moet nog door de werkgroep

worden genomen op basis van het TUD voorstel. Aangenomen wordt dat deze beslissinghalfjanuari. genomen is, hoewel eventueel uitloop tot eind januari mógelijk

is. De activiteiten 1, 2.en 3 kunnen starten voordat de beslissing genomen is.

Bij het ontwerp van de beproevingen moet worden uitgegaan van materiaal dat bij de partners in de handel in voon-aad is. Dit i.v.m. de anders waarschijnlijke onacceptabele levertijd.

3) Gezien de ervaringen met proefserie A zal de TtJD expliciete kwaliteitseisen

formulereri voor de fabricage van de proefstukken.

Er ¡s aangenomen dat fabricage van de proefstukken zal geschieden door.

één van de partners in hetSTOS-A project.

7-12) De testseries BI en Bu vinden in verschillende opstellingen plaats en kunnen daarom grotendeels parallel geschieden.

De spanningsniveaus zullen zo gekozen worden dat bezwijkèn van bet proefstukna 2