Cursus Jachtbouw Leeuwarden – Hoofdstuk 3, Konstruktieberekeningen

Cursus Jachtbouw Leeuwarden

H Q O F D s r U

1K

0 N S T F U

T

I

:3.1 1Kc]-t.]-

iir-ìrl

-ir. J. H. Vink. HTS Dordrecht.

Deift University of

_Technology

Ship Hvdromechanics Laboratory

Library

Mekelweg 2, 2628 CD Deift

The Netherlands

3.1 Kontruktieberekeningen.

Inhoud

3.1.1 Inleiding.

3.1.2 Uitgangspunten en algemene opmerkingen.

3.1.3 Schematiseren van de konstruktie en belastingsgevallen. 3.1.4 Materialen.

3.1.5 Berekening van de Sterkte en Stijfheid van een onderdeel met

gegeven afmetingen.

3.1.6 Berekening beplating van huid, dek en schotten.

3.1.7 Berekening van verstijvingen.

3.1 .8 Knikverschij nse len.

3.1.9 Optimaliseren. 3.1 .10 Roerberekening. 3.1.11 Kielbevestiging. 3.1.12 Mastberekening. 3.1.13 Overige. 3.1.14 Details. 3.1.15 Literatuur. 3.1.16 Adressen.

3.1.1 Inleiding.

Toegelicht wordt hoe de berekening van de sterkte gebeurt van enkele belangrijke onderdelen, zoals beplating (huid, dek en schotten) met verstijvers, roer, kielbevest,iging en mast (sterkte, ondersteuning en bevestiging)

Er zal nader worden ingegaan op verschillende faktoren die hierbij van belang zijn, zoals:

- schematisering van het konstruktiedeel, effektivite-it van de

konstrukt je

- belastingen (afh van type schip, plaats, grootte van het belaste

gebied etc)

- berekeningswijze van de sterkte van onderde len opgebouwd uit materialen met verschillende elasticiteitsmoduli

- verschillende materialen (staal, alumin., kunststof, hout) Voor-en nadelVoor-en, stijfheid Voor-en sterkte, prijs van materiaal Voor-en

verwerking.

De toelichting gebeurt aan de hand van voorschriften van klasseburo s.

In eerste instantie is gebruik gemaakt van de volgende

voorschrif ten:

Guide for Building and Classing Offshore Racing Yachts, 1986.

ABS (1) *) . Bouw in staal, aluminium, GVP en hout.

Rules for Construction of High Speed Light Craft, 1985.

DNV (2) . Bouw in aluminium en GyP.

Rules and Regulations for the Classification of Light High Speed Ships, 1987. By (3) . Bouw in staal en aluminium.

nb: (i) geeft nummer uit de literatuurlijst, zie par 3.1.15

nb: Indien bij een voorbeeld de rules van buro A worden gebruikt of besproken, dan betekent dit absoluut niet dat die rules op dat onderdeel beter of lichter zouden zijn dan de niet aange-haalde rules van de andere buro's.

nb: De rules van LR voor jachten, (9) zie verder, zijn niet gebruikt omdat zij bu het opzetten van de voorbeelden niet beschikbaar waren. In een latere uitgave zullen ook deze rules worden

gebruikt.

De voor de kleine scheepsbouw belanrijkste kiasseburos zijn in

alfabetische volgorde hieronder weergegeven, met de door hen gepubliceerde voorschriften (die voor de jachtbouw relevant zijn) - ABS American Bureau of Shipping

* _{zie a) hierboven,}

* Rules for Building and Classing Aluminum Vessels. (4)

* Rules for Building and Classing Reinforced Plastic

Ves-sels. (12) Niet speciaal jachten.

* Rules for Building and Classing Steel

Vessels,

₍₃₀₎

* Rules for Building and Classing Steel Vessels under 61 m

in Length. (47)

- BV

Bureau Ventas

* zie c) hierboven,

* Rules for the Classification of Steel Ships of less than 65 m in Length, (60)

* Rules and Regulations for the Classification of Steel

* Aeroglisseurs Marins (luchtkussen vaartuigen), 1966. (19)

- DNV Det Norske Ventas

* zie b) hierboven,

* Rules for Construction and Certification of Vessels less than 15 metres. (5)

* Rules for Wooden vessels, 1970 (6)

* Tentative Rules for Ferrocement Vessels, 1974 (7)

* Rules for the Construction and Classification of Steel

Ships. (31).

- GL Germanischer LLoyd

* Richtlinien fur die Bau und die sicherheitstechnische Aus-rustung von kleine Wassersportfahrzeugen aus Glasfaserver-starktem Kunststoff (GFK) , 1982. (57)

* Klassifikation Rumpf und Ausrustung von Yachten, 1972 (8) * Vorschriften fur Stahlerne Seeschiffe. (32)

- LR Lloyd's Register of Shipping

* Rules and Regulations for the Classification of Yachts and Small Craft. (9)

* Rules and Regulations for the Classification of Ships, LR

(28)

* Guidance notes and requirements for the Classification of Air Cushion Vehicles. (33)

De kiasseburo's zijn onafhankelijke instanties die eisen voor de sterkte van schepen (en jachten) publiceren. Gebruik maken van hun hoofdzakelijk op ervaring gebaseerde voorschriften, uitgangspunten en berekeningswijzen geeft goede garantie voor een deugdelijke opzet van schip (geen zekerheid) . Kornbinatie van deze zgn "Plan Approval" met een door het kiasseburo uitgevoerde kontrole van de bouw en de gebruikte materialen en onderdelen en regelmatige inspekties nadien verhogen de betrouwbaarheid. nag meer. Dit resulteert in een zgn

"Kiassering" met opnarne in het register.

Nb: niets is zeker op zee, want de hoogte van een golf die eens in de 30 jaar kan voorkomen is ±30 m maar eens in de 100 jaar is hij nog hoger, en waaron zouden we die niet "toevallig" net morgen tegenkomen?

In de handelsvaart is een-klassering vereist orn de zeewaardigheids-papieren van Scheepvaart Inspectie te krijgen. Bovendien is het

schip met lading niet te verzekeren zonder klassering bu een erkend kiasseburo.

In de jachtbouw zijn de eisen veel minder strikt:

Zolang het pleziervaart betreft zijn er nauwelijks eisen, behalve: - de eventuele typevoorschriften

- de door de organisator gestelde eisen voor deelname aan een wedstrijd, zie fig 3.1.1-1 (Nb: de figuren zijn opgenomen in de

bu lagen)

Voor commercieel gebruik van zeiljachten (charters) zijn naast de wettelijke eisen van Scheepvaart Inspectie (Schepenwet en

Uitvoeringsbesluiterj (10)) oak van toepassing: Voorschriften

Zeevaart (11), van het "Bureau Zeilwezen": scheepsbouwkundige eisen, tuigage, werktbouwkundige eisen, uitrusting, inrichting, brand,

Voorschrjften voor binnenvaartuigen (hoofdzakelijk vrachtschepen en werkboten) worden ook door de kiasseburo's uitgegeven:

- ABS: River Rules. (13)

- BV: Inland Navigation Rules. (14)

- GL: Vorschriften fur stahlerne Binnenschiffe. (15)

- LR: Rules and regulations for the Classification of Inland

Waterways Ships. (16) : Part 4, Hoofdstuk 6, gaat over tugs,

pushertugs en launches.

Hoewel dit soort eisen vaak niet precies van toepassing zijn kunnen

zu toch als referentiekader diest doen, vooral indien er voor het onderhanden zijnde type geen andere voorschriften beschikbaar zijn. Voor de (meestal) kleinere vaartuigen die vallen onder het beheer van de Nederlandese Staat (Rijksvaartuigen) zijn aparte

voorschriften gepubliceerd door het DGSM. De betreffende afdeling heet Rijksvaartuigen (staat los van Scheepvaartinspectie) . De

voorschrjf ten heten: VVR (Veiligheids-Voorschriften voor

Rijksvaartuigen) (17) . Het zijn geen sterkte voorschriften. Zu

kunnen wel dienen als richtlijnen voor projecten die vallen buiten het beheer van Rijksvaartuigen.

Andere onafhankelijke aanbevelingen:

- Icomia: In 1978 heeft de International Council of Marine

Industries Association een 2e druk doen verschijnen van de Safety and Quality Standards for the Building of Recreational Craft. (18) Hierin zijn "aanbevelingen" gegeven rnbt sterkte, veiligheid, bouw, inrichting, uitrusting, electrische installaties, brandveiligheid, reddingsmiddelen etc.

Met de h'erna te behandelen onderwerpen is niet gepoogd een alles-omvattende weergave te geven die toereikend is voor alle situaties. Er wordt een bloemlezing gegeven van een aantal belangrijke zaken en

algemene principes.

Indien men zich echt in de konstruktie van kleine schepen en jachten wil specialiseren dan zal men zeif verder in de literatuur moeten duiken en zijn eigen _{ervaringen' opdoen!}

Nb: Figuren, tabellen en bu lagen zijn per hoofdstuk in de bu lagen opgenomen.

Nb: De kiasseburos geven in hun voorschriften meestal ook eisern met betrek}çjng tot werktuigbouwkundjge onderdelen. Deze aspekten worden

in het hiernavolgende niet behandeld omdat ervan is uitgegaan dat de aanpak van deze, meestal niet specifiek scheepsbouwkundige zaken, min of meer standaard zijn voor werktuigbouwers. Een en ander betekent niet dat deze aspekten minder belangrijk zouden zijn.

3.1.2

Uítgangspunten en algernene opmerkingen.

De sterkte van schepen, ook jachten, wordt in het algemeen ontleend

aan rules van klasseburos.

Het bepalen van de verbanddelen van een schip zonder gebruik te

maken van de voorschrif ten van enig kiasseburo geeft meestal

onoverkomelijke problemen. Men moet dan beschikken over een eigen

goed gedocumenteerd archief met alle gegevens van een voldoende

aantal scheperi die, na een lange periode van gebruik, geen grote

gebreken aan de konstruktie vertonen.

-G.W. Mull geef t in (41) een leulce schets van de manier waarop de

afmetingen van de konstruktie vroeger, bu

ontbreken van

Rulevoorschriften, moesten worden bepaald:

In de periode van voor de kiasseburo's maakte elke bouwer

aanteke-ningen van zijn eerder gebouwde schepen. Bij een nieuw te bouwen

schip werden de afmetingen ontleend aan die van een eerder gebouwd

schip met ongeveer dezelfde hoofdafmetingen. Bij lets grotere lengte

werd de huid jets dikker gemaakt, en in geval van jets grotere

breedte of holte werden de spanten en balken overeenkomstig

-verzwaard. Geheel volgens 'ervaring" werden op deze manier schepen

gekonstrueerd, totdat ongeveer 1760 de kiasseburo's hun intrede

deden.

Zelfs de aanwijzingen van Nevin (48) en Herreshoff (49) voor de

konstruktje van jachten moeten worden opgevat als een sainenvatting

van de ervaring die de betreffende konstrukteur met zijn eigen

produkten heeft opgebouwd. Ook zu

hebben nog geen inzicht in de

werkelijk optredende belastingen en spanningen.

Wat is kiasseren:

Zoals BV (3), General Cond II, 2.1 het uitdrukt:

Classification is- the expression cf Confidence given bi,) the Society

to a vessel, sea or river unit or craft for a particular us-e or service during a certi-an period and with reference to its Rules, Guidance notes and other documents. This opinion expresses only the strict personal view of the Society. rt is represented bi,) a

class-published in the Register.

Kiasseren ontheft de bouwer riooitvan zijn eigen

verantwoordelijk-held orn een deugdelijk en vellig schip te leyeren.

EV (3), General Cond VI, 6.1 zegt hierover het volgende:

Bureau Ventas undertakes to exercise due care and skill, based on

the state of the art and technique prevailing at that time, in the

elaboration and application of its- Rules, Guidance Notes and other Documents- as well as- for the preparation and issue of its Reports

and Cert if ¿cates. Bureau Veri tas Reports-, Cent if ¿cates and like

Documents cannot be considered, under any circumstances, as implying

any guarantee wha tsoever from Bureau Ver i tas as to the

characteristics, performances or safety of the ocean going vessels or river boats, structures or other units which they pertain to.

Alle kiasseburos hanteren dit soort omschrijvingen. Zie b.v. ABS

(1)

1.5, 1.7 en 1.35

Naast het toepassen van de rules voor bet bepalen van de afrnetingen

van de onderdelen (scantlings) gaan de kiasseburos in principe uit

van de bouw onder klasse, hetgeen veel meer omvat: - kontrole op de uitvoering tijdens de bouw,

- keuren van alle belangrijke componenten en de rnaterialen,

- periodieke kontroles na het in gebruik nemen,zodat bet schip

steeds veilig en in goede staat blijft.

Bouwen onder klasse betekent dat alle onderdelen van de romp moeten voldoen aan de betreffende sterktevoorschriften.

Toepassen van de rulevoorschriften vereist enige vaardigheid en inzicht in de opbouw ervan, ond.er andere door:

- de veelheid aan verwijzingen naar andere paragrafen en soms naar andere voorschriften,

- een aantal belangrijke uitgangspuntenen algemene bepalingen zijn vooraan vermeld,

- van de hoofdafmetingen wordt gedefinieerd hoe ze moeten worden

gemeten,

- op alle mogelijke plaatsen staan voetnoten en "mits-bepalingen', welke niet mogen worden vergeten,

- def inities van variabelen in formules moeten some vooraan in de paragraaf of het hoofdstuk worden gezocht,

- de in de formules in te vullen grootheden hebben some niet

consistente eenheden: het is niet ongebruikelijk dat de lengte en drukhoogte in meters moet worden ingevuld terwiji voor de

spantafstand in dezelfde formule een maat in mm vereist is en het antwoord een weerstandsmoment is dat de eenheid cm3 heef t.

Belangrijk zijn de algemene bepalingen en uitgangspunten die voorin de voorschrjf ten staan opgenomen. Daaronder vallen o.a. de volgende, hierna kort te bespreken punten:

omschrijving van het type vaartuig, klasse notatie en vaargebied,

C: te overleggen tekeningen en documenten,

def inities van de hoofdafmetingen van het schip,

materjaalkonstantes en eisen te stellen aan het materiaal, verwijzingen naar andere voorschriften.

ad a: ornschrijving van bet type vaartuig:

Belangrijk als eerste beperking is de vaststelling voor welk type vaartuigen de betreffende rules geldig zijn.

ABS (1) beperkt zich uitsluitend. tot Offshore Racing Yachts met

lengte 24.40 m (80 ft) - Deze rules zijn, zoals bet voorwoord ook

zegt, ontwikkeld door de International Technical Committee of the Offshore Racing Council tesarnen met ABS.

DNV (2) en By (3) richten zich beide min of meer tot dezelfde typen vaartuigen: Dynamically Supported Craft" volgens de def initie van

1MO Resolutie A.373 (X) 1978, zie bijlage 3.1.2-A, en figuur

3. 1 . 2-1

De omschríjving van dit type die wordt gehanteerd door DNV is

slechts op sornmige puntjes iets af:

Lengte

15 - 25 m

12 - 25 m

Sneiheid

> 20 kn

> 18

kn voor L < 20 m

> 4/L kn voor L > 20 m

Dep lacement

(0.13LB)

t

niets

gebruik

- transport of

pass & cargo

- patrol

- motor yachts

- etc

ad b: klasse notatie en vaargebied

De klasse wordt door het kiasseburo vastgelegd in een kiassenotatie

met extra toevoegingen omtrent vaargebied etc, welke bu

de opname

in het register worden vermeld. Zie bijiage 3.1.2-C uit (1), bijiage

3.1.2-D uit (2)

en 3.1.2-E uit (3)

ad C: te overleggen tekeningen en documenten:

De voor kiassering te overleggen documenten, tekenirigen en

berekeningen zijn in de rules ook omschreven.

Zie als voorbeelderi bijiage 3.1.2-F uit (1) en bijiage 3.1.2-G uit

(2)

BV (3) verwijst op dit punt naar haar rules voor stalen schepen,

(29) en (60), en geeft hierbij enkele aanvullingen en opmerkingen.

ad d: definities van de hoofdafmetingen van het schip:

De hoofdafmetingen van een schip zijn een soort kapstokhaken

basis waar-van vele zaken worden gedimensioneerd.

Voorbeeld: de lengte en de sneiheid bepalen via de vertikale

versnellingen in (2)

(3) de drukhoogte en daarmee de afrnetingen

van zeer vee]. verbanddelen

(scantlings)

Omdat de belastingen niet exakt te bepalen zijn worden de

hoofdafmetingen vaak nog gebruikt als "vergelijkingsbasis"

orn de

sterkte-eisen voor verschil].ende schepen verhoudingsgewijs zo goed

mogelijk op hetzelfde nivo te houden.

Hieruit b].ijkt het belang van een goede omschrijving

op welke wijze

de hoofdametingen als lengte, breedte, diepgang, holte, etc moeten

worden vastgesteld.

De def inities van de hoofdafmetingen volgens ABS(1) zijn in bijiage

3.1.2-H weergegeven, met de verwijzing naar figuur 3.1.2-2.

In bijiage 3.1.2-I zijn de hoofdafmetingerì volgens BV (3)

opgenomen,

tesamen met een aantal belangrijke syntholen (let eens

op de eenheden

bu

die symbolen

De door DNV (2) gebruikte def inities van de hoofdafmetingen zijn te

vinden in bijlage 3.1.2-J.

- transport -of

pass

- coast guard

Opmerkelijk is dat de lengte in elk van de hier beschouwde voor-schriften net weer lets anders gedefinieerd is.

De lengte van een schip is een heel belangrijke maatstaf voor de grootte, maar zijn def initie wordt steeds een beetje afgesternd op het doel waarvoor hij door de de betreffende instantie wordt

gebruikt:

- de lengte over alles (iniclusief boegspriet etc) is van belang voor havens en sluizen,

- de lengte op de waterlijn (deplacements lengte) is een goede maat voor zaken die betrekking hebben op de weerstand etc,

- voor konstruktie-doeleinden wordt weer met een lets andere lengte gewerkt (Rule lengte).

Ook de def initie van de holte is ook niet uniform:

DNV meet vanaf de basislijn en ABS en By vanaf de top van de kiel, hetgeen in principe hetzelfde is. Aan de bovenkant wordt gemeten tot de gemalde deklijn in de zijde midscheeps door DNV en By, terwijl ABS meet tot de bovenkant van het dek in de zijde op het laagste punt van de zeeg.

ad e: materiaalkonsta.ntes en eisen te stellen aan het materiaal: ABS (1) geeft m.b.t. de materialen zeer uitgebreide inforrnatie en uitgangspunten, waaronder:

- naamgeving en begripsomschrijvingen, section 2,

- fysische eigenschappen in section 4, voor aluminium, staal, FRP, bout, multiplex,

- verwerking in section 5.

In section 3-15-1 van (3) wordt voor de fysische eigenschappen van staal en aluminium verwezen naar (29) en (60)

Met gehele 2e deel van DNV (2) is gewijd aan materialen, waaronder staal aluminium en GyP.

De sterkte van het gebruikte bouwmateriaal wordt in de formules voor de verbanddelen door de klasseburos op verschillende manieren in rekening gebracht:

- BV (3) werkt met een k faktor, zie section 3-15-22: vloeispanning van staal

k

max. toelaatbare spanning in bet gebruikte materiaal * weer-standsmomenten moeten worden vermenigvuldigd met k, * plaatdiktes worden gekorrigeerd met 1k,

* bjj knik moet ook de elasticiteitsmodulus worden meegenomen.

/ f

- DNV (2) werkt in part 3 (aluminium) met een korrektiefaktor f1: max. toelaatbare spanning in bet gebruikte rnateriaal

vloeispanning van staal

In de formules moet overal worden gewerkt met een spanning die via f1 is gerelateerd aan de toelaatbare spannig bu uitvoering in

staal.

Bijvoorbeeld het weerstandsmoment van een drager, Sect 3, B 401: S2 b

Z = cm3, waarbij a = 160 f1 N/mm2

a

-

* zie tabel 3.1.2-2 voor de verstijvers. ad f: verwijzingen naar andere voorschriften:

Vooral DV (3) verwijst veel naar haar voorschriften voor stalen schepen (29) en (60), zoals:

- in 1-13--11 wordt gesteld: "As a general rule, all matters which are not dealt with in these Rules are to comply with the applicable requirements of the Steel Rules". Deze algemene verwijzing van BV vereist dus dat voldoende kennis van de rules voor stalen schepen

(29) en (60) aanwezig is orn te weten wanneer daarop moet worden

t eruggegr-e p en

- in section 3-18-11 wordt t.a.v. knik ook weer geheel doorverwezen. ABS (1) geeft met betrekking tot materialen ock enkele verwijzingen

naar o.a. (4), (30) en (47)

DNV (2) verwijst op onderdelen ook naar (31) , o.a. voor

3.1.3 Schematiseren van de konstruktie en Belastinsgevallen.

Door onvoldoende inzicht in bet karaJcter en de grootte van de

belastingen op de scheepsrornp en zijn onderdelen zijn van oudsherde hoofdafmetingen gebruikt als vergelijkingsbasis voor de 'afmetingen van de verbanddelen (scantlings)

BU deze aanpak is het beiangrijk orn vast te stellen op welke manier de sterkte van een bepaald onderdeel afhankelijk is van de

gehanteerde hoofdafmetingen. Ook biijft het de vraag of er niet andere belangrjjke invloedsfaktoren over het hoofd zijn gezien (b.v. de sneiheid, het zeilopperviak, dekhoogtes. verstijverafstand etc.) Geleidelijk is men een meer fundamentele aanpak toe gaan passen voor het bepalen van de sterkte van de scheepskonstruktie. De noodzaak hiertoe wordt het duidelijkst gevoeld indien een nieuw schip moet worden ontworpen dat in een of meerdere opzichten sterk afwijkt van

al bet bestaande, zodat het referentiekader niet meer geschikt is. In dit soort gevallen "moet met veel inzicht en beleid op vele punten een keuze gemaakt worden".

Bu een voldoende diepgaand inzicht in de belastingen op het schip en de toelaatbare spanningsnivos van het materiaal zou zo'n aanpak voor een bijzonder ontwerp geen problemen hoeven te geven.

De grote mate van kompiexiteit van de belastingen op een schip maken echter tot op heden een 100% fundamentele aanpak van het konstruk-tieve ontwerp onmogelijk.

In de huidige opzet worden de belastingen per onderdeel afhankelijk van zijn funkties zo goed mogelijk ontleend aan de meest extreme situaties die zich kunnen voordoen. Uitgangspunt van deze werkwijze

is dat het karakter van de belasting per onderdeel redelijk kan worden afgesternd op het inzicht omtrent de werkelijkheid. De

groottes van de beiastingen worden dan zo goed mogelijk ontleend aan een extreme situatie, of waar dat niet mogelijk is op ervaring

gebaseerd.

Ook deze methode is nog sterk empirisch omdat voor elk onderdeel, bij de gebruikte belasting en modeliering, via ervaring moet worden vastgesteld welk spanningsnivo tot een betrouwbare konstruktie

ieidt

Naarrnate de belastingen of de spanningsberekening beter met de werke].jjkhejd overeensternmen kunnen de veiligheidsmarges worden verkleind. Daarbij moet wel worden bedacht dat andere faktoren, zoals vermoeling van het materiaai t.g.v de zeer grillige

belastingswisselingen etc, zijn weggewerkt in het op ervaring gebaseerde spanningsnivo.

In het licht van het voorgaande moet alles wat hierna voigt worden opgevat als de huidige praktijk, weike een momentopname is in de ontwik}çeljngen die op dit terrein nog steeds doorgaan.

De op].ossjng van elk konstruktieprobleem vereist keuze en/of informatie omtrent de volgende 5 aspekten:

konstruktieve opzet, materiaal,

C) belastingen,

e) toelaatbare spanningen.

Deze punten zullen hierna afzonderlijk worden besproken. ad a: konstruktieve opzet:

De opzet van de konstruktieve indeling is gebaseerd op grond van ervaring hoe het belastingspatroon geschikt kan worden opgenomen door de konstruktje. De konstruktie zelf mag geen onnodige

belemmering vormen voor het gebruik van het schip. Dit betekent dat meestal eeri kompromis moet worden gezocht tussen de opzet van de konstruktie en de indeling van het schip:

- een sterkteschot is tevens onderdeel van een interieurscheiding, - indien de vranghoogte beperkt is ivm stahoogte, dan moeten meer vrangen worden toegepast i.v.m. de vereiste sterkte en/of stijfheid. De samenhang tussen konstruktieve indeling en konstruktiemateriaal

is een heel belangrijk aspekt. Een konstrukteur moet leren zo optimaa]. mogelijk g-ebruik te maken van de eigenschappen van het materiaal orn een goede konstruktie te realiseren. Een konstruktie-deel mag geen konflikt geven met het interieur, maar moet er zo mogelijk positief in bijdragen.

De kiasseburos geven in hun voorschriften rneestal wel een globale indikatie voor de te hanteren konstruktieve opzet.

ABS (1) geeft hierover in section 8 de volgende uitgangspunten weer: Behalve bU sandwichkonstruktie wordt in het algerneen uitgegaan van

langsverstijvers op de huid en het dek, welke worden ondersteund door webspanten en dwarsschotten.

Een dwarsspantensysteem in kombinatie met langsdragers en schotten is ook toegestaan en wordt bu sandwichkonstrukties aanbevolen. Webspanten of dwarsschotten moeten worden geplaatst onder de mast,

tpv puttings en overal waar nodig.

Vrangen worden vereist over het lengtebereik van de kiel.

BV (3) geeft niet zulke strikte aanwijzingen voor de konstruktieve

inde i ing.

Door DNV (2) wordt uitgegaan van langsverstijvers op de bodem en het dek, welke worden opgevangen door webspanten of schotten. Op

verschiliende plaatsen wordt gewezen op de continuiteit van

verbandde len:

- niet plotseling stoppen van het hoofd-langsverband,

- liefst doorvoeren van langsverstijvers en langsdragers tpv webspanten en schotten.

Belangrijk is het aanbrengen van een duidelijke hierarchie in de konstruktie. Hiermee wordt de weg vastgelegd waariangs de krachten door de konstruktie worden geleid. Dit principe kan als volgt worden toegelicht. zie ook fig 3.1.3-1:

- De drukken op de beplating worden door de lokale verstijvers opgenomen.

- De lokale verstijvers worden geteund door hoofdverbandelen

(secundair verband) zoals webspanten of langsdragers en stringers. - Het secundaire verband geeft alle krachten uit de ondersteunde

verstijvers weer door aan het primaire verband: de plaatvlakken zoals schotten, huid en dek.

- Het totaal aan krachten in het hoofdverband geeft de zogenaamde primaire belastingen op de romp: langsscheepse buiging etc, zie oak onder punt C.

Nb: wat hier secundair verband genoemd is wordt in de rules van LR aangeduid als "Primary supporting members".

Wanneer wordt uitgegaan van deze opbouw in de opzet van de

konstruktie is het logisch dat de hoofdverstijvers ineerste

instantie worden aangebracht in de richting van de kortste

oversteek orn het panee i op te

delen in een aantal velden met breedtes die klein zijn toy de ongesteunde lengte van de hoofd-verstijvers.

Vervolgens worden loodrecht op de hoofdverstijvers de lichtere verstijvers aangebracht.

Eli kleine schepen wordt meestal uitgegaan van het dwarsspanten-systeem, d.w.z:

- dwarsspanten en dekbalken

- langsdragers onder dek, stringers op de huid

Voor grote schepen is het dwarsspantensysteem ongeschlkt. De

plaatpanelen zijn breed waardoor hun kniksterkte te laag is orn de langsscheepse buigspanningen (zie onder c hierna) van de romp ap te kunnen nemen.

Er wordt dan overgegaan op het langsspantensysteem. Nu lopen de verstijvers op bodern en dek langsscheeps. Hierdoor wordt de knikster}çte van de beplating aanzienlijk verbeterd terwiji de

langsverstijvers ook nag gaan meewerken in de langsscheepse sterkte. Bij dit systeem hebben de langsverstijvers dus een dubbele funictie: - lokale sterkte orn de beplating te dragen,

- onderdeel van het primaire langsverband.

De beplating heeft zeifs een 3-voudige funktie: - lokale plaatbuiging door de drukken,

- meewerkende plaatstrook van de verstijvers, - onderdeel van bet primaire langsverband.

Bij bet langsspantensysteem moeten de spanningen van de lokale bulging worden gekombineerd met die van de primaire bulging. Bij multiknik konstrukties is de manier waarop de belastingen

(waterdrukken) in de konstruktie worden verwerkt veel ondoor-zichtiger. Daardoor is de sterkteberekening van zo'n onverstijfde zelfdragende schaal veel moeilijker.

ad b: materiaal:

Een goede kennis van de eigenschappen van het konstruktlemateriaal gekombineerd met goede verwerkingsmethodes is een eerste vereiste orn de veiijgheidgmarges zo klein mogelijk te kunnen maken.

Bu een natuurlijk materiaal als hout blijven altijd grate onzeker-beden aanwezjg in de mechanische eigenschappen.

Metalen geven in dit opzicht minder problemen. Zu zijn isotroop en de mechanische eigenschappen voldoen aan goed omschreven minima. Bovendien leyeren de verbindingen in metalen konstrukties geen

problemen van betekenis: mits goed uitgevoerd is de sterkte van een las in een getemperd metaal 1OO van de sterkte van de plaat. Voor metalen die een warmtebehandeling hebben ond.ergaan moet er rekening mee worden gehouden dat de lás en bet materiaal in de buurt weer

ongeveer de sterkte-eigenschappen van het getemperde materiaal hebben (aluminium)

Composietmaterialen (VVK en versterkt cement) hebberi -ook een beetie het nadeel van variaties in de mechanische eigenschappen door de

handrnatige fabrikage, zU zijn anisotroop en gelaagd.

De gelaag-dheid van VVK is een punt dat extra aandacht vereist. Zo ook de geringe sterkte van de z.g.n. second bond verbindingen (een nieuwe laag op reeds uitgehard polyester)

Er zijn vele bijzondere versterkingsmaterialen naast bet meest gangbare en goedjope E-glas.

Het bepalen van de mechanische eigenschappen van een laminaat opgebouwd uit een aantal lamellen met verschillende soorten en/of orientering van het versterkingsmateriaal is een extra komplikatie. In paragraaf 3.1.4 worden de verschillende materialen voor de

konstruictie van de romp apart besproken en vergeleken. Verderop

wordt in paragrafen 3.2 t/m 3.4 nader ingegaan op de details voor de bouw in de meest gangbare materiaalsoorten.

ad c: belastingen:

Van de 5 aspekten die bu het konstruktieve ontwerp een rol spelen zijn de belastingen bet moeilijkst toegankelijk. Dit komt doordat de belastingen afhankelijk zijn van zeer vele (deels zeif weer moeilijk grijpbare of veranderlijke) faktoren, zoals: zeegang, bootsnelheid en vaarrichting toy de golven, bootvorm, massa- verdeling etc etc. Bovendien zijn de belastingen variabel in de tijd:

- laagfrequente variaties (variatie van zeetoestanden en beladings-toestanden)

- middenfrequent (golfperiode)

- hoogfrequente verschijnseln bu slamming.

Ondanks de bijna onoverkomelljke moeilijkheden orn de belastingen exakt te omschrijven wordt bij bet berekenen van elk onderdeel van de scheepskonstruktie altijd gebruik gernaakt van een of ander, soms zeer eenvoudig model, voor de belasting die erop werk.

De belangrijkste komponenten die bu de belasting van de konstruktie van jachten en kleine schepen moeten worden onderkend zijn:

i Statische belastingen:

Dit zijn alle belastingen op de romp wanneer bet schip rechtop stilligt. De volgende ond.erverdeling kan worden aangebracht:

la hydrostatische drukken t.g.v. het buitenwater of vloeistoffen

in tanks,

lb ladingdrukken op dekken huid, bodem en schotten, ic gewichten van scheepskonstruktie en apparatuur

id vla]cwaterbuigend moment (primaire bulging en afschuiving van de romp), zie f iguur 3.1.3-2. Dit is bet resultaat van alle

sterkte meestal geen probleem. 2 Dynamische (wisselende) belast]ingen:

Eigenlijk zijn alle belastingen op een schip wisselend, want het schip wordt niet gebouwd orn altijdin de haven te blijven liggen. De dynamische belastingen worden onderverdeeld naar frequenties:

2a middenfrequent: dit zijn alle belastingswisselingen die volgen uit de scheepsbewegingen door de zeegang.

De belastingsvariaties die ontstaan door het varen n golven ziin voor een deel afkomstig van de veranderde drukverdeling

van het water op het schip (door het golfprofe1en de drukken

in de verstoorde golf) en voor de rest van de traagheids-krachten t.g.v. de bewegingen van het schip in zeegang. Het is praktisch uitgesloten orn dit in de tijd veranderlijke krachten-spel in zijn totaliteit mee te nemen, temeer daar alle groot-beden nog weer afhangen van de zeetoestand, de koers toy de zeegang, de sneiheid, de beladingstoestand etc. Daarnaast is het nogal bewerkelijk cm voor een zo'n toestand het preciese krachtenspel te bepalen (berekenen) terwiji de nauwkeurighe±d ervan ook niet 100% is.

0m deze bijna onoplosbare problemen te omzeilen wordt voor elk soort konstruktiedeel met een bijpassende standaardbelasting gewerkt, welke za goed mogelijk is afgesternd op het werkelijke belastingspatroon, terwiji de grootte van de belasting en bet te hanteren spanningsnivo via ervaring op elkaar zijn afge-sternd (een mens leert het meeste van zijn foutenH

Bi.j deze aanpak worden de volgende laagfrequente belastingskom-ponenten gehanteerd:

2a.1 golfbuigend moment, zie f iguur 3.1.3-3

Dit is de "grootste te verwachten" f luktuatie van het langsscheepse buigend moment op de scheepsromp, welke het resultaat is van alle krachten op de romp voor deze meest extreme situatie. Via een standaardberekening is de waarde ervan te bepalen door bet schip sti.11iggend te beschouwen op de top van een golf met een lengte gelijk aan de

scheepsiengte, terwiji de te hanteren hoogte van deze golf en de toe te laten spanning in de romp weer via ervaring

op elkaar zijn afgesternd.

Veer gewone schepen geven de rules van de kiasseburos een

eenvoudige formule voor het golfbuigende. moment.

Voor kleine schepen is bet golfbuigende moment meestal niet belangrjjk omdat de lengte/holte verhouding laag is, zodat de langsscheepse sterkte niet gekontroleerd hoeft te worden.

2a.2 de invloed van de massakrachten ten gevolge van de bewe-gingen van het schip in zeegang wordt bij gewone schepen zelden expliciet meegenomen. Meestal zijn zu verwerkt in voogeschreven minimumwaardes veer de drukhoogtes op

dekken. In sommige gevallen wordt gewerkt met voorge-schreven versnellingsf&ktoren (containers). Omdat bu

snelle vaartuigen vaak hoge versnellingen optreden, worden door DNV (2) en EV (3) de drukken voor (lading)dekken

afhankelijk gemaaJct van de optredende versnellingen. In de rules worden ook formules gegeven veer bet benaderen

van de optredende versnellingen en hun verdeling over de scheepsiengte.

2a.3 Veer lokale verbanddelen van de huid wordt gewerkt met druicheogtes welke, afhankelijk van bet scheepstype, sterk

verschillend kunnen zijn.

Voor gewone schepen wordt wel gewerkt met een goiftop of golfdal ter plaatse, al naar gelang wat het zwaarste is voor het onderdeel (geen resp wel ladingdruk aan

binnen-zijde) . Voor snelle vaartuigen en zelijachten zijn de

drukken op de zijden lets meer afhankelijk van dynamische verschijnselen, hetgeen door ABS (1) DNV (2) en BV (3) weer op verschilleride manieren is vertaald naar de te

hanteren drukhoogtes.

2b hoogfrequent: belastingswisselingen tgv slamming.

Slamming of paaltjes pikken is een verschijnsel dat vooral voor snelle schepen belangrijk is. Slamming treedt op wanneer het voorschip, nadat het uit bet water vrijgekomen is, weer

terugklapt op de omhoogkomende golf. Door slamming kunnen zeer hoge lokale piekdrukken op de bodem optreden. De plaats waar de hoogste piek optreedt en de grootte van de druk is per keer verschillend. Gewoonlijk wordt gewerkt met een

verdelings-funktie voor de hoogte van de maximum drukpieken over de

scheepsiengte. De hoogte en het verloop van deze funktie zijn afhankelijk van het scheepstype, de sneiheid etc.

Voor gewone schepen wordt in de rules met slamming rekening gehouden door de z.g.n. 'strengthening of bottom forward'

Bij snelle schepen is slamming overheersend voor de drukken op

de bodern. 0m die reden werken DV (2) en DNV (2) voor de bodem geheel met druicken die op slammig gebaseerd zijn. Omdat bu

slamming de druJc zeer lokaal erg hoog is wordt bu plaatdiktes gewerkt met de hoogste drukpiek op het paneel. Voor een lokale verstjjver is de gemiddelde druk al lets lager dan de piekdruk op de plaat, terwiji voor bet regionale verband met een nog weer lagere gemiddelde druic wordt gewerkt, omdat een drager of webspant een veel groter gebied draagt.

De dru}cverdeling op de romp van een zeilschip volgens ADS (1) wordt gegeven in f iguur 3.1.3-4. In deze f iguur zijn lii nen van

gelijke druk voor de beplating bovenaan weergegeven, terwiji de

limen voor gelijke drukken voor de verstijvers in het onderste

deel staan.

3 Hydrodynamische druk van het water:

De druk op de bodem van het schip kan bu hoge sneiheden aan-zienlijk afwijken van de hydrostatische druk, doordat _er hydro-dynamische drukken aanwezig zijn. De hoogte van de hydrohydro-dynamische druJc is afhankelijk van de snelheid en de afbuiging van het water langs de romp. Dat deze drukken aanzienlijke waarden kunnen hebben voigt uit het gegeven dat bu _{planeren globaal 2/3 deel van het} gewicht gedragen wordt door hydrodynamische dru.kken over een klein gedeelte van de bodem, zie fig 3.1.3-5.

4 Tuigkrachten:

De romp van een zeilschip moet sterk en stijf genoeg zijn orn de

krachten van het tulgage op te nemen zonder ontoelaatbare span-fingen of vervormingen te vertonen.

Vooral de belasting op de romp door het aantrekken van de ba.kstag

is belangrijk. De doorbuiging van de romp die huerdoor optreedt mag niet te groot zijn omdat anders de voorstag te veel doorhangt. Voor een EEM-berekening orn dit verschijnsel vast te stellen zie

fig 3.1.3-6 en 7, beide uit (35).

De belastingen uit de zijstagen en de druic in de mast kunnen

aanzienlijlc zijn. Hoewel deze krachten ook sterk variabel zijn kan hun maximale grootte redelijk worden gekoppeld _{aan de winndruk en}

de zeilafmetingen enerzijds en anderzijds aan het

stabiliteits-moment.

Vanwege de eenvoud van de berekening wordt meestal uitgegaan van

het stabiliteitsmoment voor bet bepalen van de tuigkrachten en de

mastbelasting.

De in het voorgaande besproken belastingskomponenten vormen een

aantal ontwerpbelastingsgevalien waarmee de. soms sterk

gesimplifi-ceerde, deelmodellen van de konstruktie worden doorgerekend. Een

voorbeeld is gegeven in f iguur 3.1.3-8 uit (2) voor de belasting van

bet verbindingsdek van een catamaran.

ad d: modelieren van de konstruktie voor de spanningsberekening:

Tegenwoordig is het mogelijk orn met de Eindige Elementen Methode

(EEM) zeer nauwkeurige spanningsberekeningen voor de gehele

konstruktie uit te voeren. Het nadeel ervan is dat dit voor de

meeste

gevallen veel te omsiachtig is, terwiji eenvoudige formules

gewoonlijk voldoende infòrrnatie geven. Vooral wanneer bet extra werk

wordt afgezet tegen de schijnnauwkeurighejd van zo'n EEM berekening,

door de orinauwkeurigheden in de belastingen, is het toepassen

ervan

alleen in bijzondere gevallen op zu

plaats, zoals:

- als de konstrujctie te komplex is zodat een handberekening niet

meer geschikt is. Voorbeeld: doorbuiging van de gehele romp onder

invloed van de stagkrachten. Hierbij is de werking van de komplexe

dekkonstruktje en de sterk gevormde romp dermate ondoorzichtig dat

een handberekening zeker onnauwkeurig zou zijn.

- vergeljjken van spanningen in detailproblemen. Voorbeeld:

optimaliseren van een onderdeel door die geometrie te zoeken die bet

laagste spanningsnivo geeft, bij zo min mogelijk materiaal.

- etc.

0m de hierboven genoemde redenen wordt voor de onderdelen gewoonlijk

gebruik gemaakt van eenvoudige deelmodellen, zoals:

- plaatdiktes kunnen worden berekend met eenvoudige formules voor

gelijkmatig belaste platen die langs de randen zijn ingeklernd. De

aspektverhoudjng, s/i, van bet

paneel is hierbij van belan

Ook kan eventueel een globale

korrektie voor een beperkte

-kromming worden gegeven.

- verstjjvers worden gedirnensioneerd op basis van eenvoudige

formules voor rechte balken die meestal aan de emden ingeklernd

worden verondersteld, ervan uitgaande dat de eindbevestiging bestaat

uit normale knieen. De stijfheid

van bet deei waarop is afgesteund

wordt gewoonlijk niet in

beschouwing genomen.

In geval van enige kromming

wordt in sommige gevallen

gewerkt met een korrektiefaktor.

- weerstandsmomenten van verstijvers hebben betrekking op een

doorsnede met inachtname van een meewerkende plaatstrook. De grootte

van die meewerkende piaatstrook is in principe afhanlcelijk van bet

materiaal (dwarskontraiçtiemodulus)

bet belastingsgeval en de

eindbevestigingen. Elk kiasseburo heeft zijn eigen manier

voor bet

bepalen van de breedte van de meewerkende plaatstrook. Hoewel de

verschillen niet erg groot zijn toont dit aan dat de berekeningen in

zekere mate globaal zijn.

Ondanks dit soort benaderingen is vrij goed bekend wat de waarde van

deze vereenvoudjgde berekeningen is. omdat elk kiasseburo zijn eigen

ervaring heeft opgebouwd met deze werkwijze: standaard aanpak.

ad e: toelaatbare spanningen:

Uit het voorgaande is duidelijk dat de berekende spanningen geen

exakte spanningen zijn die in werkelijkheid zullen optreden. Toch

moeteri zU in kombinatie met op ervaring gebaseerde

veiligheids-faktoren worden gerelateerd aan de sterkte eigenschappen van het

toegepaste materiaal.

Belangrijk is dat de gehanteerde ontwerpbelastingsgevallen een zo

goed mogelijke schatting zijn van de werkelijke belasting, en in

principe moeten de schattingen altijd hoger zijn dan de werkelijke

belasting (conservatief)

Hoe beter de schatting van de belastirig is en hoe beter de

modellering het werkelijke gedrag van de konstruktie benadert, des

te lager de veiligheidsfaktoren kunnen worden.

Men moet er bU deze aanpak wel op bedacht zijn dat een hoger

toe-laatbaar spanningsnivo op zich niets zegt, want het moet altijd

worden gezien in kombinatie met de door het betreffende klasseburo

gehanteerde hoogte van de belasting voor dat onderdeel. De

veiligheid kan naar keuze worden gelegd in de hoogte van de

belastingen of in de gehanteerde toelaatbare spanningen.

De veiljheidsfajçtoren kunnen voor een deel ook gebruikt worden

het risiko te verkleinen dat belangrijke onderdelen bezwijken,

vooral als het relatief kleine onderdelen betreft, zoals roeren,

kielbouten, etc.

Een van de belangrijkste taken van klasseburos is het dat zu

de

informatie over schades die zijn opgetreden gebruiken orn waardes

vast te stellen voor de te-hantereti hoogte van de belasting voor het

betreffende onderdeel, steeds uitgaande van de gangbare modellering.

Op deze wijze wordt de gekiasseerde vloot a.h.w. gebruikt als

een

ware grootte laboratorium.

In dit verband moet oak het Fastnetrapport (61) warden gezien als

het lering trekken uit een voor sommigen helaas zeer noodlottige

3.1.4 Materialen.

Een overzicht van de voor de jachtbouw belangrijkste konstruktie-materialen is in tabel 3.1.4-1 weergegeven.

In de grate scheepsbouw wordt hoofdzakelijk staal toegepast: goedkoop, goed te verwerken, goede sterkte en stijfheid.

Staal is een erg geschikt materiaal: omdat bet elastische gebied wordt gevolgd door een plastisch gebied kan staal veel hebben

voordat bet echt kapot gaat. Toch heeft staal oak een- aantal minder prettige eigenschappen zoals: gewicht, roest etc.

In de kleine scheepsbouw is het belang van factoren als prijs en sterkte toy gewicht, verwerkbaarheid etc anders dan in de grate

scheepsbouw. Doordat de accenten wat anders liggen vinden materialen als aluminium, GVP en (van oudsher) haut in de jachtbouw vaak

toepassing, vooral wanneer hun bijzondere eigenschappen gewenst zijn, zoals: licht, onderhoudsarm, flexibiliteit etc.

Het grootste nadeel van deze materialen is hun kleinere stijfheid vergeleken met staal.

Kopernikkellegeringen vinden weinig toepassing als

constructiemate-riaal voor de romp hoewel zu niet duurder zijn dan aluminium, makkelijk te verwerken en onderhoudsvrij.

Titanium is een zeer duur materiaal dat hierdoor alleen voor toepassing in aanmerking kamt als de specifieke eigenschappen

doorslaggevend Zljfl: licht, sterk, flexibel.

In bet volgende zullen de belangrijkste materialen afzonderlijk worden besproken, en van elk de voor en nadelen opgesomd.

Staal:

Gewoon Mild Steel (Fe 400), Grade A, is de meest gebruikte staal-saort in de scheepsbouw en oak bu stalen jachten.

De geringe kerftaaiheid (scheurstop capaciteit) van mild steel is in de kleine scheepsbouw van ondergeschikt belang. Staal met grades B, D en E met oplopende scheurstop capaciteit kamt bijna uitsluitend in de grate scheepsbouw

voor.-High Yield staalsoarten, met vloeigrensop 320. 340 en 360 N/mm2

(H32, H34S en H36) worden oak bìjna uitsluitend. bu grote

schepen

toegepast.

Vaor uitgebreidere gegevens over samenstelling, mechanische

eigenschappen en beproevingsprocedures wordt meestal verwezen naar de rules vaor grote schepen. Chalmers (21) geeft cok een averzicht van de bel.angrjjkste gegevens van een aantal metalen, zie tabel

3.1.4-5.

Een overzicht van voor en nadelen van staal voor kleine schepen is in tabel 3.1.4-6 gegeven:

Roestvast staal (meestal austenitisch: 316 type) is niet geschikt als konstruktiemateriaal voor de romp omdat het duur is en moeilijk te bewerken (gebogen platen)

Corten Staa1

COR-TEN staal is een staalsoort met goede weerstand tegen corrosie en hoge sterkte. De naam geeft dit weer: CORrosion resistant TENsile Strength.

De roestbestendigheid wordt verkregen door toevoeging van koper en fosfor aan het staal. Cor-Ten staal is zo weinig corrosiegevoelig dat van een roestvast staal gesproken kan worden.

De mechanische eigenschappen van Cor-Ten staal A en B komen overeen

met die van St 520-3, Dm1 17100.

PATINAX 37 is een staalsoort met de mechanische eigenschappen van ST370 en met de weerstand tegen corrosie van Cor-Ten staal.

De weerstand tegen corrosie ontstaat door het in een bepaalde verhouding toevoegen van koper en chroom. Aan het opperviak vormt zich een moei].jjk af te breken laag die de _{verdere aantasting van} het materiaal verhindert.

Verf blijft goed hechten op het materiaal door het ontbreken van roestvorming.

De lasbaarheid is bu _{alle diktes goed, zonder veel bijzonderheden.} Ook bet snijbranden is goed mogelijk.

Een overzicht. van de mechanische eigenschappen van deze staalsoorten wordt in tabel 3.1.4-7 gegeven.

Toepassingen van Corten staal: - brug bu Deventer

- hoogspanningsmasten

- jachtbouw: Cormorant (grundel van 8.8 m) gebouwd in Cortenstaal. Omdat het (nog) niet veel toepassing vindt is _{er niet zoveel bekend} van dit materlaal. Hierdoor is dan oak slechts _{een beperkt overzicht} van de voor en riadelen van dit materiaal _{gegeven in tabel 3.1.4-8.}

Al um ini um:

Aluminium wordt tegenwoordig veel gebruikt _{als konstruktiematerlaal,}

vooral in de grate jachtbouw en bU snelle vaartuigen.

De fysische eigenschappen van aluminium naast die van staal en een aantal andere non ferrous materialen is _{gegeven intabel 3.1.4-5.} Uit de verhouding tussen dichtheid en sterkte voigt dat met

aluminium de konstruktie veel lichter kan worden dan met staal: zie bijlage 3.1.4-A voor vergelijkings getallen.

In een scheepsromp zitten delen die hoofdzakelijk op trek of buigjing zijn belast, en hierbij is een gewichtswinst van 50 a 60% mogelijk.

In konstruktjedeleri die _{op knik belast worden is de uitvoering in}

aluminium ook 40 tot 50% lichter dan in staal, zie bijlage 3.1.4-B. Gewichtsbesparing is van veel belang voor snelle

deplacementsvaar-tuigen en geavanceerde vaardeplacementsvaar-tuigen. omdat bet vermogen en dus oak de brandstofvoorraad hierdoor aanzienlijk kunnen worden beinvloed. Ook bu _{echte wedstrijd-zeiljachten speelt het gewicht een} belang-rijke rol.

Toepassen van aluminium ivm het verbeteren _{van de stabiliteit speelt}

in het algemeen een geringe rol bu de kleine vaartuigen.

Een overzicht van de voor en nadelen van aluminium als konstruk-tiemateriaal in de kleine scheepsbouw is in tabel 3.1.4-9 gegeven.

Vooral de kosten van aluminium zijn een belangrijk nadeel.

Bu

sterk wisselende belasting moeten de spanningen zo laag worden

gehouden dat de gunstige verhouding tussen gewicht en sterkte geheel

verloren gaat.

Aluminium is erg elastisch. De vervormingen onder belasting zijn

groter dan bu

staal: zie bijiage

voor een vergelijking.

Titanium:

De belangrijkste voordelen van titanium zijn de

corrosiebestendig-held, het is licht en heeft goede mechanische eigenschappen (zie

tabel

De hoge sterkte/dichtheidsverhouding maakt lichte konstrukties

mogelijk, maar door de sterkte/elasticiteitsverhouding treden wel

grote vervormingen ap:

(ci/E)

voor Ti en (a/E) = 1.2 voor

staal.

Doordat titanium erg duur is wordt het in de scheepsbouw niet als

konstruktiemateriaal voor de romp toegepast, hooguit voor speciale

onderde len.

Een overzicht van de belangrijkste voor en nadelen van titanium voor

de kleine scheepsbouw is opgenomen in tabel

Cuni (koper nikkel legeringen)

De belarìgrijkste voordelen van deze legeringen zijn de weerstand

tegen corrosie en aangroeiing. Ook kan het aan staal worden gelast.

Belangrijke nadelen zijn dat het duur is, en de

sterkte/dichtheids-verhouding is lager dan voor staal, dus zwaardere konstrukties.

Enkele globale gegevens van de mechanische eigenschappen staan

vermeld in tabel

Koper nikkel en aluminiun legeringen worden in de scheepsbouw

gewoonlijk voor de scheepsschroeven gebruikt, maar zelden als

konstruktiemateriaal.

Een overzicht van de belangrijkste voor en nadelen van de Cuni

legeringen als konstruJctiernateriaal voor kleine schepen is gegeven

in tabel

Hout:

Hout is alleen geschikt als koristruictiemateriaal voor kleinere

schepen (tot ong. 15m)

Haut is vrij duur in aanschaf, het is bewerkelijk orn een romp van

een schip in hout te konstrueren, en de verbindingen tussen de delen

zijn de zwakke schakels in de konstruktie.

Haut is vezelachtig en daardoor het sterkst in de richting van de

vezels en zwak in de richting dwars erop.

Doordat het een natuurlijk produkt is varieren de eigenschappen van

haut sterk, zadat hoge veiligheden moeten warden aangehouden.

Bovendien zijn de eigenschappen van haut nogal afhankelijk van de

vochtigheidsgraacj. Voor schepen moeten de waarden bij de hoogste

vochtigheidsgraad worden gebruikt.

In de tabel

(uit (21)) en tabel

(uit (1)) wordt

eert overzicht gegeven van de eigenschappen van een aantal

hout-soorten. Merk ap dat de gegevens van ABS (1) voor 12% vochtigheid

gelden. Chalmers (21) geeft ook bij veel hogere vochtigheden waarden

voor de mechanische eigenschappen die dan veel lager zijn dan die

van ABS!

Hout is een erg licht konstruktiemateriaal en door de goede

sterkte/dichtheidsverhouding geeft het vrij lichte rompen voor de

kleinere schepen (bu

grotere schepen gaat de geringe sterkte

overheersen)

Een bijzonder voordeel van hout is dat het een uiterst

energiezuinig materiaal is. zie bijlage

uit (22) voor

vergelijkende getallen.

Een overzicht van de voor en nadelen van hout als

konstruktie-materiaal voor kleine schepen is opgenomen in tabel

In lagen geplakte panelen en multiplex zijn voor belasting in hun

vlaJc vrij sterk en gedragen zich isotroop (sterkte is

richtingsonaf-harijçelijk) als er voldoende lagen zijn met de richting van de vezels

in de opvolgende lagen goed verdeeld (zelfde effekt als bij een VVK

laminaat)

Door hout in meerdere lagen op te nemen in een composietmaterlaal op

basis van eeri geschikte hars kunnen de meeste nadelen van hout

worden opgeheven, en zijn moderne bouwwijzen ontwikkeld voor de bouw

van zeer lichte houten rompen van kleine jachten, zie (22)

Deze

bouwwijze is zeer geschikt voor erikelfabrikage ("one-ofts")

VVK (Vezel Versterkte Kunststoffen)

Het bijzondere van VVK is:

The raaterial

is created sir'tultaneous to the corstruction of'

the hull

structure

Als gevolg hiervan kan worden uitgegaan van de specifieke

eigen-schappen en mogelijkheden van het materiaal, hetgeen

een nieuwe

denktrant vereist, vergelijkbaar met de overgang van hout naar staal

(lang geleden, 1860) en (iets recenter, 1940) de overgang van

klinken naar lassen.

Verschillen in eigenschappen van het larninaat zijn mogelijk door:

- type hars,

- toevoegingen,

- versterkingsmateriaal,

- weefseltypen,

- aantal lagen en hun orientatie,

- uitvoering: laminaat, laminaat met verstijvers, sandwich.

Hars-soorten (matrix materiaal)

* Thermohardende soorten.

Onornkeerbaar chemisch hardingsproces dat bu

kainertemperatuur

plaatsvindt. De hars is onsmeltbaar en onoplosbaar. Dit type

hars wordt meesta.l toegepast. De volgende harsen zijn

van dit

type:

- onverzadigd polyesterhars, met als belangrijkste kenmerken:

= goedkoopst

= bestendigheid tegen water en chemicalien

= goed verwerkbaar

= goede retentie (behoud van eigenschappen)

= zelfdovend

= duurder

= kritischer bu

verwerking

bijna alle mech. eigenschappen beter dan polyester, ook

door warmtebehandeling

= alleen op speciale plaatsen en bu

reparatie

- vinylester

- phenolic

>- toepassen bij speciale eisen

- furanes

Thermop lasten.

Deze worden hard bu

kamertemperatuur en weer zacht bu

verhitten.

Dit is een ornkeerbbaar fysisch proces. Dit type wordt wel

toege-past bu

kleine bootjes in kombinatie met de vakuum- of

injektie-methode. De volgende harsen zijn van dit type:

- PolyEtherSulfon (PES)

- PolyEtherEtherKeton (PEEK)

Deze harsen zjjn zeer ongevoelig voor temperatuur en erg

duur.

Toevoegingen.

Dit zijn niet noodzakelijke stoffen met als doel:

- Verlagen van de kostprjjs: vulmiddelen (fillers, zoals talk)

tot max 2596 vig LR

- verbeteren van het uiterlijk en de oppervlakte kwaliteit:

kleur-stoffen en gelcoat

- verlagen van de warmteontwikkeling en krimp bu

uitharden

- verhogen van de viscositeit bu

verwerken

- verhogen van de stijfheid van de hars

- verminderen van de brandbaarheid

- verbeteren van de houdbaarheid

Versterk±ngsmateri. alen (wapeningsmateri alen)

Deze bepalen de sterkte van het produJçt, terwiji de bars zorgt voor

bet verband en de waterdichtheid (verge luk gewapend beton)

De aan het versterkingsmateriaal te stellen eisen Zijfl:

- sterk

- hoge E-modulus

- goed hechtend aan de bars

- goed bestand tegen de hars met zijn toevoegingen en hulpstoffen.

Een overzicht van de versterkingsmateria.len wordt gegeven in tabel

3.1 .4-15.

Veruit het meest toegepaste versterkingsmateriaal is E-glas,

vanwege

de sterkte/prijs verhouding en de verwerkbaarheid.

Kevlar (aramide)

borium en koolstofvezels hebben een grotere

sterkte maar zij erg duur.

Koolstof, barium (en in jets mindere mate kevlar) hebben een hoge

E-modulus, dus geven stijvere konstukties.

S-glas is erg sterk maar heeft een lage E-rnodulus

Weefse ltypes:

Roving: 4 to 60 parallel gebundelde ends. Wordt versneden voor

glasmatten, of voor spulten.

Garen: getwijnde ends. Hoofdzakelijk voor weefsels.

Glasmat (CSM = Chopped Strand Mat) :

een mat met korte stukken

rovings (25 - 60 mm) die gelijkmatig in alle richtingen verspreid

liggen en met een in bars oplossend bindmiddel bu

elkaar worden

gehouden.

Diktes van de mat: 300, 450, 600 etc gr/ni2.

Matige mechanische eigenschappen maar goedkoop en eenvoudig te

verwerken.

Nb: spuiten van bars met gehakte rovings komt voor. Snelle produktie

van onderdelen waaraan geen hoge eisen worden gesteld m.b.t.

mechanische eigenschappen, dikte etc.

Weefsels: Opgebouwd uit garens of rovings. De verhouding van de

ketting en inslag (uitgedrukt in gr/ni2) geeft aan of het

uni-directionaal is (b.v. 100/1000 gr/ni2)

vierkant geweven (b.v.

200/200 gr/m2) of ertussenin.

Opbouw van bet laminaat:

Een paneel in VVK wordt opgebouwd uit een aantal lamellen: lagen

bars met versterkingsmateriaal. In elke laag kan in principe

een

ander versterkingrnaterjaal en/of een ander weefsel met zijn eigen

orientering van de hoofdsterkterichting worden toegepast. Ook is bet

rnogelijk een tussenlaag (kernmateriaal) toe te passen die dient

de laminaten die aan de buitenkanten zitten op de juiste onderlinge

afstand te houden: sandwich.

Met al deze variatiemogelijkheden zijn panelen te maken met

zeer

verschillende eigerischappen qua sterkte, stijfheid, isotropie,

gewicht, prijs etc. Er zal hier niet op al deze mogelijkheden in

detail worden ingegaan. Globaal zal een aantal belangrijke kentallen

worden besproken aan de hand van eenvoudige gevallen.

Omdat het een materlaal is dat op de bouwplaats wordt samengesteld

kan er een aanzienlijke spreiding in sterkte eigenschappen optreden.

Daarom moeten steeds de minimum eigenschappen voor ontwepdoeleinden

worden gehanteerd. Er kunnen dan

.n werkelijkheid forse uitschieters

naar boyen aanwezig zijn in de sterkte.

Gewoonl.ijk wordt bU sterkteonderdelen een verhouding tussen glas

en

bars toegepast als aangegeven in tabel 3.1.4-16. In deze tabel zijn

ook globale getallen gegeven voor de mechanische eigenschappen

van

enige basisuitvoeringen van een enkelvoudige laag (lamel)

Uiteraard kan de verhouding tussen % glas en

bars worden

gewij-zigd. Een hoger 9

glas geeft een sterker of dunner laminaat, maar

meestal weegt de winst in eigenschappen niet op tegen de

verrnindering in dikte (vooral in geval van knik, waarbij de

kritische belasting evenredig is met t3)

Voor de berekening van

de

dichtheid van bet laminaat en de dikte bu

een gegeven glas/hars

verhouding wordt verwezen naar een voorbeeldberekening in bijlage

3. 1

. 4-E.

Een VVK paneel opgebouwd uit een aantal vierkant (1/1)

_{geweven lagen}

die allemaal dezelfde orientatie bezitteri, heeft voorkeursrichtingen

voor sterkte en stijfheid: het is anisotroop. In fig 3.1.4-1 (uit

(21))

_{is weergegeven hoe de sterkte en de stijfheid afhangen}

_{van de}

voor zon paneel.

-Voor berekening van de elastische eigenschappen van een laminaat dat is opgebouwd uit een aantal lagen met verschillende weefverhoudingen en verschillende orientaties toy elkaar wordt verwezen naar de

lite-ratuur: (23m 24, 25, 26, 27, 58, 59)

Verstijving:

Verstijving van de vlakken kan op verschillende manieren worden

gereal iseerd:

- plaatselijk dikker laminaat met unidirectioneel weefsel. - profileren (knikken, overnaads etc)

- verstijvingsribben.

- sandwich konstruktie: twee laminaten met tussenlaag voor afstand. Zie tabel 3.1.4-17 voor gegevens van kernmaterialen. Zie

ook fig 3.1.4-2 voor de opbouw van een sandwich, uit (56). Voor en nadelen van VVK:

Een belangrijk nadeel van VVK-laminaat is de geringe sterkte in dikterichting. Dit is des te erger als de vorige laag al is

uitgehard voordat de volgende laag wordt aangebracht (secundaire verbindingen) . Wanneer er in de dikterichting belasting van enige

betekenis te verwachten is moet orn deze reden mechanische verankering tussen de lagen worden toegepast.

De vermoeiingssterkte van VVK panelen (vierkant geweven) is ongeveer 25% van de treksterkte.

Door de grote sterkte en de hoge elasticiteit kan een VV}( laminaat ongeveer 10 a 15* meer elastische energie opnemen (stoat) dan eeri equivalente stalen of aluminium plaat. Echter door de lage

interla-minaire sterkte, het ontbreken van een vloeigebied _{en de zwakke}

verbindingen wordt de totale vormveranderingsenergie van een VVK konstruictie lager dan van een equivalente stalen konstuktie. Zie

bijlage 3.1.4-F voor vergelijkende berekeningen van de

vormveran-der ingsenergie.

Een overzicht van de voor en nadelen van VVK voor kleine schepen is

opgenomen in tabel 3.1.4-18.

Uit dit vergelijk blijkt dat VVK alleen moet worden toegepast indien de voordelen overheerseri of bu speciale eisen zoals a-magnetisch.

In verband met de kosten van de mal is VVK bijna uitsluitend geschikt voor seriebouw.

GVC en ferrocement:

In beide gevallen vormt een zand-cementmengsel de matrix waarin het versterkingsmaterjaal (glas of metaal) is ingebed.

Toepassingen van deze materiaalsoort in de kleine scheepsbouw zijn zeer incidenteel. Bijgevolg is er niet veel informatie over het gedrag van deze materiaalsoort.

GVC wordt voora]. door amateurs gebruikt.

Toepassingen van dit materiaal, \Jolgens Weeda van Ferrocem (43) en Hodson (38)

* Ferciment, gebouwd _{door J.L.Lanthot in 1848, Fran.krijk.} * Roeiboot de Zeemeeuw, gebouwd in 1887.

* Vrachtschepen gebouwd rond de tweede wereldoorlog in Amerika. Totaal 104 schepen met deadweight tussen 1600 en 6400 tons.

* Vrij veel jachten in Australie en Nieuw Zeeland.

*

In Engeland Rusland en China ook bouw in f errocement

* Visserschepen voor ontwikkelingslanden, gebouwd door Ferrocern te

Schiedam.

* Betonkanos (2 pers kanos tot slechts 40 kg) voor een jaarlijks gehouden betonkanorace.

* Chalmers (21) vermeldt dat een kleine roeiboot met dit materiaal is gebouwd. Er is een speciale alkalibestendige glasscDort toegepast. De boot voldoet in het gebruik.

Weeda vermeldt dat het heel moeilijk is orn het uitharden van het materiaal precies goed te laten verlopen. Met grootste gevaar is het uitdrogen door te snel verdampen van water uit het cement.

In verband met het gewicht kan het cement worden gemengd met

vulmidde len.

Tabel 3.1.4-19 geeft een overzicht van de voor en nadelen van

gewapend cement voor de kleine scheepsbouw.

Konklusie: GVC en ferrocement zijn materialen met geringe

toepassingsmogelijkheden in de kleine scheepsbouw; het rnateriaal is zwaar, de bouwwijze is arbeidsintensief maar ongevaarlijk. Er is grote spreiding in de kwaliteit door de handmatige aanmaak. Het materiaal is goedkoop, onbrandbaar (vezels?) en goed te vormen.

3.1.5

Berekening van de Sterkte en Stijfheid van een onderdeel met

gegeven afmetingen.

De verei.ste sterkte van een verstijver wordt in de rulevoorschriften

gewoonlijk weergegeven via het minimaal benod.igde weerstandsmoment

en eventueel ook bet benodigde oppervlak van de lijfplaat. Sorns

wordt oak de buigstijfheid voorgeschreven door mid.del van een

minimaal vereiste waarde voor EI van de doorsnede.

Bu

bet vaststellen van de afmetingen van de doorsnedê die aan deze

eisen voldoet heeft de konstrukteur vele vrijheden.

In principe zal een doorsnede moeten worden gekozen die, naast de

vereiste sterkt en soms stijfheid, oak nag aan andere voorwaarden

vo idoet:

- zo licht mogelijk,

- niet te haag i.v.m. ruimte/stahoogte,

- vorrnvast, d.w.z. niet plooien, kippen etc.

- goed te maken,

- etc.

In eerste instantie wordt een doorsnede aangenornen, en daarvan

worden de eigenschappen uitgerekend. Vervolgens wordt de doorsnede

via trial and error net zolang aangepast totdat hij voldoet aan alle

eisen.

Bu

deze werkzaamheden is een overzichtelijke aanpajc van de

berekerjing zeer nuttig. Een voorbeelcvan de opzet van een berekening

van het weerstandsrnoment van een opgebouwde drager met een gegeven

(aangenomen) doorsnede is in bijlage

opgenomen.

Voor een globale eerste schatting van de dragerafmetingen kan

gebruik gemaakt worden van de volgende formule:

zie schets.

Deze formule verwaarloost de bujdrage van de lijfplaat, en er wordt

van uitgegaan dat bet opperviak van de face bar grater is dan bet

oppervlak van de meewerkende plaatstrook. Door bet verwaarlozen van

de lijfplaat zal de formule erg grote afwijkingen geven als de

facebar relatief klein is.

Het grappige van deze formule is dat de opperviakken van de

meewerkende plaatstrook en de lijfplaat er niet in voorkomen.

Met deze formule kan snel een globale hoogte met bijbehorende

oppervlak van de facebar worden geschat. Het werkelijke

weerstarìdsrnoment is altijd groter door bijdrage van de lijfplaat.

N.b: leid deze formule zelt eens at op de manier van bijiage

voor een doorsnede met A

= n Af

EV (29)

geeft in part 2, Ch 4, Sect

oak een aantal formules

orn snel de afmetingen van de doorsnede te schatten.

Voor het bepalen van de schuifspanningen in de doorsnede via de

W

Af h

waarbij:

opperviak van de flens (face bar),

hoogte van de lijfplaat (webp late)

opperviak meewerkende plaatstrook,

oppervlak van de lii fplaat,

bekende formule r D wordt verwezen naar een voorbeeld in

t'

bijiage 3.1.5-B.

Belangrijke konklusies van deze bijlage zijn:

- de dwarskracht wordt opgenomen door de lijfplaat.

- de schuifspanningen in de lijfplaat zijn niet gelijkmatig verdeeld, maar voor de meeste in de scheepsbouw voorkornende doorsneden geldt globaal: T = 1.1 a 1.2 D

max

A

w

Deze konklusies maken duidelijk waarom kiasseburo's in sommige gevallen het opperviak van de lijfplaat voorschrijven.

Voor het geval dat de doorsnede is opgebouwd uit materialen _met

verschillende elasticjtejtsmoduli is de berekening van de buigsterkte stijfheid en de afschuifsterkte jets meer gekompliceerd.

De theorie voor het bepalen van de buigsterkte voor _{een dergelijke} doorsnede met een voorbeeld zijn opgenomen in bijiage 3.1.5-C. Bij dit soort doorsneden is het belangrijk dat de hoogste

_spanning

in elke materiaalsoort wordt bepaald. Dit is nodig orn te beoordelen of nergens in de doorsnede de

spanning

spanning

In bijlage 3.1.5-D wordt de theorie gegeven voor het bepalen van de schuifspanningen in een doorsnede die is opgebouwd uit materialen met verschillende elastjciteitsrnoduli. Ook hier is een berekenings-voorbeeld opgenomen.

In bijiage 3.1.5-E wordt tenslotte _{een rekenvoorbeeld gegeven van} het bepalen van de sterkte en stijfheîd. van een sandwich plaat welke

is opgebouwd uit een buiten en een binnenlaminaat met verschillende diktes en elasticiteitsmoduli.

3.1.6 Berekening beplating van huid, dek en schotten. Platen worden in en schip op verschillende wijzen belast: - druk loodrecht op de plaat: bulging,

- belasting in het viak: trek of druk in een of twee richtingen en afschuiving,

- kombinatie van belasting in en loodrecht op het viak.

Belasting in het viak is meestal afkomstig van een van de volgende fukties van de onderdelen:

- langsscheepse bulging en afschuiving van de scheepsromp. - afschuiving van de lijfplaat

- meewerkende plaatstrook van een verstijver.

Belasting loodrecht op bet viak komt bijna overal in de scheeps-konstruktie voor waar plaatvlakken

_ZlJfl:

-

- dekken,

- schotten.

Uitzondering hierop vormen lijfplaten en gordingen van dragers, welke bijna uitsluitend in hun viak beist zijn.

OP vele punten in de konstruictie komen meerdere van de genoemde belastingstypen gelijktijdig voor. In een stuk vlakbelating kunnen b.v. de volgende funkties worden gekombineerd:

- langsverband,

- meewerkende plaatstrook van een langverstijver - meewerkende plaatstrook van een vrang.

Voor elk van deze funkties wordt een bepaald spanningsnivo

gereserveerd. Ervan uitgaande dat het wel zeer onwaarschijnlijk is dat al deze funkties precies op hetzelfde moment hun maximum

spanningsnivo zullen bereiken kan de som van al deze bijdragen groot zijn toy de sterkte van bet rnateriaal. Elk afzonderlijk heeft een beperkte spanningsrange, maar alles opgeteld is erg hoog.

Belastingen loodrecht op het vlak van de plaat wordt in eerste

instantie meestal. gebruikt orn de dikte van de beplating te bepalen, uitgaande van een toelaatbaar spanningsnivo dat hiervoor is

gereserveerd.

Voor belastingen in bet viak van de plaat is allereerst vereist dat de (ideele) spanning lager blijft dan bet gereserveerde

spannings-nivo

Daarnaast kan bu druk en/of afschuiving knik en/of ploolen van de plaat opttreden. Hierop za). in 3.1.8 nader worden ingegaan,

Gekombineerde belasting door bulging en belasting in bet viak van de plaat treedt zeer vaak op. vooral bu grote schepen.

In kleine schepen zijn de spanningen tengevolge van

langsscì-ieepse

de spanningen ten gevolge van de langsscheepse bulging een grootte van betekenis hebben is bet belangrijk orn het verstijversysteem in

de hoofdspannjngsrichtjng te kiezen, waardoor echte plaatknik zo

veel rnogelijk wordt voorkornen (grote schepen hebben daarom altijd langsverstijvers) . Bu deze schepen worden de plaatdiktes van bet

langsverband mede afgesternd op knikkriteria vanwege de belastingen in het vlak van de plaat.