S
UMMARY
Offshore cranes are equipped with an Automatic Overload Protection System to avoid crane damage in over-load situations. Such an overover-load situation may occur due to a combination of hook entanglement during off-board lifts and a vertical relative movement between the crane and the load supporting structure. The boom hoist cranes built at Kenz Figee are equipped with an Automatic Overload Protection System which, after activation, releases the hoist winch and pays out rope. As a result, the load on the crane is reduced, but only after a peak load is subjected on the crane. The European Standard compels that this peak load should remain below the crane’s significant damage load at all times. Currently, Kenz Figee proves this by perform-ing experiments with fully built cranes. Several disadvantages of this empirical method are identified. The main disadvantage is that the proof can only be obtained after the crane is built. Ideally, the magnitude of the peak load is known during the design phase, such that this load can be taken into consideration during the design. Another disadvantage is that the experiments are conducted with scaled load-based parameters and do not mimic a real overload situation. Therefore, the following research question is established for this master thesis:
How can the peak load during an overload situation, as prescribed by the European standard, subjected on boom hoist cranes with an Automatic Overload Protection System be predicted?
An answer to this question is sought by means of a simulations study. Literature on simulation studies is consulted from which a multi-step approach is derived. As a first step the simulation objective is formulated. The main objective is to determine the magnitude of the peak load in an overload situation. A secondary aim is to gain insights into the behaviour of boom hoist cranes in overload situations. In the second step the boom hoist crane is analysed and defined as a system with the following sub-system: structural, driveline, hydraulic and control.
The subsequent steps in the approach are performed iteratively. An initial model is created by conceptual-izing the sub-systems and modelling them in MATLAB/Simulink. Analysing the initial model points out that the crane stiffness, which is mainly dictated by the hoisting and luffing ropes, is important for the model’s performance. Validation is performed by comparing simulation predictions with recorded observations of previously conducted experiments. Quantitative validation is used to evaluate the performance of the simu-lation model. Qualitative validation is used to indicate differences between the predictions and observations. From these differences, model inaccuracies are identified and improved upon. It is concluded that the ini-tial, 1-D structural model has a higher eigenfrequency than observed. To improve on this, a 2-D model is constructed and the mechanical properties of steel wire ropes are investigated in-depth. An advanced rope model is constructed which accounts for the rope’s non-linear stress-elongation relation. It is attempted to validate the simulation model, but this time with the mentioned improvements. Subsequently, pressure re-sponses of the hydraulic sub-system are compared with the observations, through which several other inac-curacies are identified. Therefore, improvements are implemented on the area of system leakage, efficiency of the hydraulic motor, dynamical valve behaviour and back pressure setting. Once more it is attempted to validate the model. It is shown that qualitative improvements are achieved on the pressure response and the hook speed response. However, statistically the model can not be validated. Instead, the final model produces results with an absolute error of 5.15 tonnes and a relative error of 0.22.
Insights into important parameters for the peak load is obtained by a sensitivity analysis. The analysis is performed on a set of parameters which are selected by screening and categorizing all crane parameters. The predicted peak load is the most sensitive to changes in the stiffness parameters. During validation, the model is subjected to the same conditions as the crane during the experiments. Not all conditions, described by experiment parameters, were accurately documented. Therefore some experiment parameters needed to be estimated. The uncertainties in these estimated parameters lead to uncertainties in the predicted peak load, of which the extremes are found to be 9.1% and −5.6%.
As a proof of concept the simulation model is subjected to three load cases derived from the European Stan-dard. For an arbitrary crane the peak loads under these load cases are predicted and compared with the
vi SUMMARY
crane’s significant damage load. According the results, the example crane does not comply with the Euro-pean standard since the predicted peak load exceeds the significant damage load at some radii. Based on the results, it is recommended to disengage the brake systems during off-board lifts, since applied brakes induce much higher peak loads.
Through statistical tests it is concluded that the simulation model is invalid and could therefore not be used to replace the empirical method. This is partly due to the uncertainty of the predicted peak load which results from uncertainties in experimental parameters. However, when the model predictions and experimental observations are compared qualitatively, many similarities can be pointed out. The predicted pressure, hook speed and load responses approximate the observations. Therefore, it is expected that a simulation study has the potential to predict the peak load with sufficient accuracy. More validation data and better documented experiment parameters are required to achieve this. Thus, it is recommended to gather more empirical data from newly built cranes. Preferably, some additional data is logged during these experiments to facilitate the validation of the model. During the experiments the geometrical set-up and information on used slings should be documented with care. It is expected that the model itself can still be improved by a better model of the a specific hydraulic valve. It is therefore recommended to investigate the dynamical behaviour of this valve. Finally, it is recommended to extent the model by implementing off- and sidelead such that the results fully comply with the European standard.
S
UMMARY IN
D
UTCH
Offshore kranen zijn uitgevoerd met een automatisch veiligheidssysteem om te voorkomen, dat de kraan beschadigt tijdens overbelastingen. Zo’n overbelasting kan voorvallen als gevolg van een verstrikt geraakte haak in combinatie met een verticale beweging tussen de kraan en het dek, dat de last draagt. Draaibare topkranen, zoals ze gebouwd worden bij Kenz Figee, zijn met veiligheidssystemen uitgevoerd die, nadat ze geactiveerd zijn, de hijslier lossen en hijskabel laten vieren. Daardoor neemt de belasting op de kraan af, maar pas nadat de kraan overhevig is geweest aan een piekbelasting. De Europese norm eist dat deze piekbelasting te allen tijde lager blijft dan de belasting waarop de kraan beschadigt. Vandaag de dag toont Kenz Figee dit aan door experimenten uit te voeren met volledig geassembleerde kranen. Er zijn verschillende nadelen van deze empirische methode vastgesteld. Het voornaamste nadeel is, dat het bewijs pas geleverd kan worden als de kraan al gebouwd is. Idealiter zou de hoogte van de piekbelasting bekend zijn tijdens het ontwerpproces, zodat er rekening mee gehouden kan worden in het ontwerp. Een ander nadeel is, dat de experimenten uitgevoerd worden met geschaalde belastingen en geen echte overbelaste situatie nabootsen. Daarom is de volgende onderzoeksvraag geformuleerd voor deze master thesis:
Hoe kan de piekbelasting op draaibare topkranen met automatische veiligheidssystemen gedurende een overbelaste situatie, zoals beschreven door de Europese norm, worden voorspelt?
Een antwoord op deze vraag wordt gezocht met behulp van een simulatiestudie. Literatuur over simulatie-studies is geraadpleegd waaruit een stap-voor-stap aanpak is ontstaan. De eerste stap is het formuleren van het simulatie doel. Het voornaamste doel is het bepalen van de piekbelasting in een overbelaste situatie. Het secundaire doel is om inzicht te krijgen in het gedrag van kranen in een overbelaste situatie. In de tweede stap is de kraan geanalyseerd en het systeem gedefinieerd met de volgende deelsystemen: structureel, aandrijving, hydraulisch en besturing.
De daaropvolgende stappen van de aanpak zijn iteratief uitgevoerd. Aanvankelijk is er model gecreëerd door de deelsystemen te conceptualiseren en ze in MATLAB/Simulink te modelleren. Het analyseren van dit aan-vankelijke model toont dat de kraanstijfheid, welke voornamelijk bepaald wordt door de hijs- en topkabels, belangrijk is voor de prestaties van het model. Een validatie is uitgevoerd door gesimuleerde voorspellingen te vergelijken met opgeslagen data van eerder uitgevoerde experimenten. Kwantitatieve validatie is gebruikt om het resultaat van het simulatiemodel te beoordelen. Kwalitatieve validatie is gebruikt om verschillen aan te duiden tussen de voorspellingen en de experimentele bevindingen. Vanuit deze verschillen zijn on-nauwkeurigheden in het model vastgesteld en verbeterd. Er is geconcludeerd, dat het aanvankelijke 1-D model een hogere eigenfreqentie vertoont dan waargenomen in de experimenten. Om dit te verbeteren, is een 2-D model geconstrueerd en zijn de mechanische eigenschappen van staalkabels uitgebreid onder-zocht. Zodoende is een nieuw staalkabel model geconstrueerd, dat rekening houdt met de niet-lineaire elasticiteit van staalkabels. Er is opnieuw gepoogd het model te valideren, ditmaal met de toegepaste ver-beteringen. Vervolgens zijn druk-verlopen van het hydraulisch deelsystem vergeleken met gemeten drukken, waaruit andere onnauwkeurigheden zijn vastgesteld. Daarom zijn verbeteringen doorgevoerd op het gebied van systeem lekken, rendement van de hydromotor, dynamisch klep gedrag en ingestelde tegendruk. Het is nogmaals gepoogd om het model te valideren. Kwalitatieve verbeteringen zijn waargenomen in het ver-loop van systeem-drukken en het verver-loop van de haaksnelheid. Echter kan het model niet statistisch worden gevalideerd. Daarentegen hebben de resultaten van het uiteindelijke model een absolute afwijking van 5.15 ton en een relatieve afwijking van 0.22.
Inzicht in parameters, die belangrijk zijn voor de piekbelasting, is verkregen met een gevoeligheids-analyse. De analyse is uitgevoerd op een groep parameters die zijn geselecteerd door het screenen en categoriseren van de kraanparameters. De voorspelde piekbelasting is het gevoeligst voor veranderingen in de stijfheidsparameters. Gedurende de validatie is het simulatiemodel onderworpen aan dezelfde randvoor-waarden, als de kraan was gedurende de experimenten. Niet alle randvoorrandvoor-waarden, die worden omschreven met parameters, waren nauwkeurig gedocumenteerd. Daarom moesten enkele experiment-parameters afgeschat worden. Het schatten van deze experiment-parameters zorgt voor onzekerheid in de voorspelde
viii SUMMARY INDUTCH
piekbelasting. Het is bepaald dat de uiterste onzekerheid 9.1% en −5.6% van de voorspelling beslaat. Om de toepassing van de simulatie aan te tonen, is het model onderworpen aan belastinggevallen die afgeleid zijn van de Europese norm. Voor een willekeurige kraan zijn de piekbelastingen, ten gevolge van deze belastinggevallen, voorspeld en vergeleken met de belasting, waarbij de kraan beschadigt. Gezien de resultaten zou de voorbeeld kraan niet aan de Europese norm voldoen, omdat de piekbelasting op sommige radii hoger is dan de gestelde belasting, waarbij de kraan beschadigt. Aan de hand van de resultaten is het aanbevolen om de remmen te lossen, als er buitenboord gehesen wordt. De piekbelasting is namelijk veel hoger wanneer de hijslier geremd staat.
Met het gebruik van statistische toetsen is geconcludeerd, dat het simulatiemodel niet gevalideerd kan worden en daarom geen goede vervanger is voor de empirische methode. Dit is deels te wijten aan de onzekerheid in de voorspelde belastingen, welke voortvloeit uit onzekerheden in experiment-parameters. Echter als de voorspellingen en de experimentele waarnemingen kwalitatief vergeleken worden, kunnen er veel overeenkomsten worden opgemerkt. Het voorspelde verloop van de drukken, de hoeksnelheid en de belasting in de tijd benaderen de experimentele waarnemingen. Daarom is de verwachting dat een simulatiestudie potentieel heeft om de piekbelasting met voldoende nauwkeurigheid te voorspellen. Er zijn meer validatie data en beter gedocumenteerde experiment-parameters nodig om dit te kunnen bereiken. Daarom is het aanbevolen om meer empirische data van nieuwe kranen te verzamelen. Bij voorkeur wor-den er extra metingen verricht tijwor-dens deze nieuwe experimenten. Met deze extra metingen kan het model op meerdere vlakken gevalideerd worden. Tijdens de experimenten moet ook de geometrische opstelling en informatie over de gebruikte hijsbanden goed worden gedocumenteerd. Het is verwacht dat het simu-latiemodel zelf kan worden verbeterd met een beter model van een specifieke hydraulische klep. Daarom is het aanbevolen om het dynamisch gedrag van deze klep te onderzoeken. Tot slot is het aanbevolen om het model uit te breiden, zodat zijdelingse en wegtrekkende belastingen in acht genomen worden. Hierdoor zullen de resultaten volldig aan de Europese norm voldoen.
