Fartygsstrukturers robusthet

Examensarbete inom Marina System

ROGER JOHANSSON S to ckho lm 2007

Abstract Robustness is an expression that most of us have an intuitive feeling for and whether a ship or construction is robust or not varies. In this report a first step is taken to define the term robustness and what it includes. As the word robust has a different meaning to different persons the word “durable” was used to mark this property. A method was developed to make a estimation of a ships durability. This estimation is made for each durability related load case och results in a rating, durability rating, which is a measurment of the technical durability. This rating is then weighted with the frequency of the load case and thus the operative durability is decided, which is the most interesting for the user. Finally this report discusses various ways of evaluating materials by experiments, especially sandwich materials. Usually the experminets are performed to compare different concepts and to verify material properties. The method for estimation is intended to in the future assist designers to create durable designs at an early stage in the design process. Further will the knowledge of material experminets and what results that can be extracted from these experiments make the task to create a durable design easiser.

2

Sammanfattning Robusthet är ett begrepp som de flesta känner för på sitt eget sätt och huruvida man anser ett fartyg eller konstruktion vara robust eller ej varierar. I denna rapport tas ett första steg mot att definiera begreppet robusthet och vad det innefattar. Då just ordet robusthet har olika betydelser för olika personer så antogs istället ett nytt ord för att beteckna egenskapen, ”stryktålighet”. En metod för bedömning av ett fartygs stryktålighet utvecklades. Denna bedömning görs för varje stryktålighetsrelaterad påfrestning och ger ett tal, stryktålighetstal, som är ett mått på den tekniska stryktåligheten. Sedan ställs detta tal mot frekvens och då avgörs den operativa stryktåligheten som är den mest intressanta för en användare. Slutligen diskuteras i denna rapport olika testmetoder för att utvärdera sandwichkonstruktioner. Oftast rör det sig om jämförande prover för att jämföra olika koncept och lösningar samt att verifiera materialdata Bedömningsmetoden ska i framtiden kunna hjälpa projektörer och konstruktörer att ta hänsyn till stryktålighet redan på ett tidigt stadium i designprocessen. Även kunskap om hur material provas och vilka svar provning kan ge kommer att underlätta arbetet att skapa en stryktålig design.

3

Abstract ...................................................................................................................................... 2 Sammanfattning ......................................................................................................................... 3 1. Inledning................................................................................................................................. 5

1.1 Bakgrund .......................................................................................................................... 5 2 Egentligen inte robust, snarare stryktålig................................................................................ 8 3 Bedömning av stryktålighet .................................................................................................. 11

3.1 Standardisering............................................................................................................... 14 3.2 Räkneexempel ................................................................................................................ 15

4. Skador och provning ............................................................................................................ 20 5. Framtida arbete..................................................................................................................... 31 Bilaga 1 - Informationssökning................................................................................................ 32 Bilaga 2 – Minnesanteckningar workshop 2007-05-14 ........................................................... 34 Bilaga 3 - Referenser................................................................................................................ 39

4

1. Inledning

1.1 Bakgrund Vinnova (Verket för innovationssystem) driver flera forskningsprogram, bl. a. ”Lätta material och lättviktskonstruktioner” som är en funktionsinriktad teknikplattform för den materialanvändande industrin. Tanken är att plattformen ska ge företag tillgång till nödvändig teknologi och den utveckling av densamma som de själva inte har som kärnverksamhet. Inom programmet ”Lätta material och lättviktskonstruktioner” driver Vinnova projektet ”Lätta konstruktioner till sjöss”, LÄSS, med den övergripande målsättningen att bidra till effektivare fartygstransporter samt stärka konkurrenskraften för svensk fartygsindustri. Målet är att påvisa möjligheter för kostnadseffektiv och miljövänlig tillverkning av båtar och fartyg. Ett av målen är att kunna producera 30 % lättare fartyg med bibehållen prestanda till en 25 % lägre totalkostnad (d.v.s. kostnad beräknad för fartygets hela livscykel) än idag. Målen baseras på att traditionella material i fartygskonstruktionen helt ersätts med lättviktsmaterial som fiberarmerade polymera material eller aluminium. KTH har av LÄSS och FMV fått i uppdrag att via ett eller flera examensarbeten behandla definition och eventuell enkel utvärdering av robusthet hos marina farkoster. Denna rapport syftar till att just definiera begreppet robusthet genom litteraturstudier, analys och intervjuer med erfarna branschaktörer. Vidare skall en metod för att mäta och bedöma robusthet föreslås.

5

1.2 Dimensionering av fartyg En normal dimensioneringsprocess grundar sig i botten på beställarens krav. Fartygsegenskaper såsom huvuddimensioner, marschfart, passagerar- och/eller lastkapacitet samt vilken klassning fartyget ska ha i olika kategorier specificeras av beställaren. Dessa specifikationer tillsammans med krav från aktuell klass avgör hur fartyget ska dimensioneras, se figur 1.

Figur 1. Relation mellan beställares krav och klass mot dimensionering.

Klassregler föreskriver de krav som fartyget och dess konstruktion skall uppfylla för att godkännas i sin klass. När det gäller fartygets strukturella egenskaper handlar dimensioneringen om att uppnå optimal design uppfyllande de bivillkor som klassen ställer. För fartyg kortare än 50 m anses t.ex. enligt DNV kraven på global styvhet och styrka vara uppfyllda om de lokala kraven är uppfyllda [1]. För större fartyg ställs specifika krav även på globala egenskaper. Dessa krav utgår från belastningar som motsvarar de största som fartyget kommer att uppleva under sin livstid. Fördelen med lätta material och optimerade strukturer är naturligtvis att de blir både starka och lätta på samma gång. Ett eventuellt problem med optimerade strukturer är dock att dimensioneringen är ett resultat av att krav och bivillkor är ställda ur ett specifikt antal lastfall. Dessa lastfall kan komma från klassen eller från annat håll och vara både lokala eller globala, utbredda eller koncentrerade. Används stål som material får strukturen styrka, förutom mot de specifika lastfallen, i alla riktningar tack vare stålets isotropa karaktär, till skillnad mot fiberarmerade kompositer vars fördel är att armeringens storlek och riktning avgörs utifrån de dimensionerande lastfallen. Stålstrukturer får även bättre generell styrka än andra, lättare isotropa material, som t ex aluminium, tack vare dess högre densitet som gör att det bättre klarar transienta belastningar. Utöver de uppställda och genomräknade lastfallen kommer strukturen genom sin livstid utsättas för belastningar och påkänningar av en närmast oändlig mängd med stor variation i karaktär. De flesta av dessa påkänningar är dock små och oväsentliga i mening att de inte resulterar i mätbar åverkan. Jämförelse mellan en optimerad struktur och en icke-optimerad

6

struktur leder naturligtvis med stor sannolikhet till slutsatsen att båda strukturerna klarar ställda krav men den optimerade strukturen är skörare i den meningen att den emotstår dessa övriga belastningar sämre än den optimerade. De belastningar som fartyget dimensioneras efter är noga genomräknade och genom åren förfinade genom dels bättre metoder men även genom erfarenheter. Dock förefaller det mycket svårt att kunna dimensionera ett fartyg för alla tänkbara lastfall det kommer att utsättas för. Antalet lastfall är oändligt många och är inte alltid kopplade till rörelser i vattnet utan kan vara andra händelser ombord vid lugn gång eller vid tilläggning. Hur fartyget reagerar på dessa påfrestningar tas sällan eller aldrig hänsyn till vid dimensionering.

7

2 Egentligen inte robust, snarare stryktålig Begreppet robusthet, eller graden robusthet, verkar hos de flesta av oss vid en första anblick ha en omedelbar intuitiv betydelse. Vi känner för en struktur eller ett fartyg som att den är robust om den "står pall för det mesta", om den är stryktålig, eller kanske uthållig. Att däremot uttrycka ordets betydelse mer konkret än så verkar för de flesta vara svårt. För att mera grundligt finna betydelsen på ordet robusthet och skapa sig en bättre bild av dess innebörd gjordes en informationssökning, först och främst på internet. I de sammanhang där ordet robust eller robusthet användes undersöktes hur ordet användes och vad det anspelade på. De mest givande resultaten finns i Bilaga 1. Här nedan följer en diskussion om hur ordet används och dess innebörd i olika sammanhang. Begreppet robusthet används flitigt vid programmering och annan numerisk behandling. Ett programs robusthet mäts på hur väl det hanterar och återhämtar sig från olika felsituationer. Vid numeriska beräkningar betyder robusthet att lösningsmetoden fungerar bra även om det finns avvikelser från de antaganden man gör i sin metod. Ett robust samhälle, dvs ett samhälle som är mindre sårbart och mer uthålligt mot inre och yttre påfrestningar, uppnås genom större helhetsperspektiv samt att riskhänsyn tas med tidigt i planeringsprocessen. Detta robusta samhälle består då av olika sorters robusthet, ekologisk, social och teknisk robusthet. Den ekologiska robustheten bygger på att naturresurser används varsamt för att inte rubba ekologiska kretslopp, den sociala innefattar relationer mellan individer och regelsystem, och den tekniska robustheten som innebär att teknologin försörjer samhället med sådant som anses nödvändigt för ett modernt samhälle, t.ex. högkvalitativ infrastruktur. Såhär långt syns innebörden av ordet robust även vara applicerbart på fartyg i detta sammanhang. I Nationalencyklopedin står däremot att läsa om robust att

Robust robus´t adj., neutr. ~ �• som tå l påf restn ingar vä l p.g.a. sin grova och föga förf inade konstruktion {ekraftig 1 , stadig } : en ~ kökssoffa ; bi len har en ~ växel låda�BET.NYANSER: a) särsk. om person, äv. själsl igt : han har en ~ personl ighet och orät tv is kr i t ik b i ter in te på honom b) om handl ing e.d., med tonvikt på den låga graden av förf ining : en ~ jargong.

Denna definition som med emfas anger att strukturen skulle vara "föga förfinad" motsäger i stor utsträckning innebörden som söks i denna studie. Detta kan tyckas vara en detalj men att cementera ett ord för rangordning av ett fartygs positiva egenskap, dess robusthet, som implicit värderar dess strukturella egenskaper som föga förfinade tar emot. Andra kandidater, dvs. med robusthet besläktade ord, som kan beskriva det som söks är tålig, skadetålighet, tillgänglighet, stryktålighet, skadetolerans, hållbarhet, beständighet. Uppslagning av några av dessa ord i Nationalencyklopedin (NE) ger sammanfattat följande:

• Robust – tål påfrestningar väl pga. sin grova och föga förfinade konstruktion. • Tålig – kan uthärda påfrestningar utan att klaga eller att ta skada.

8

• Tillgänglighet – sammanfattande mått på ett systems tillförlitlighet. • Stryktålig – tål mycket stryk. • Beständighet – att väsentliga egenskaper bibehålls trots yttre påfrestningar.

Som tidigare sagts så stämmer inte robust in på det som söks. Tålig skulle kunna vara ett bättre ord då det mera handlar om hur strukturen klarar påfrestningar snarare än hur den ser ut eller är uppbyggd. Definitionen enligt NE är följande

Tålig tå`lig adj. ~t ,1 som kan uthärda påfrestningar utan att klaga {se tåla 1} {etålmodig}: hon var ~ och rörde inte en min trots smärtorna; ett ~t buret lidande (adv.) BET.NYANSER: a) ngn gång äv. som kan uthärda oönskade företeelser utan att bli irriterad: han var förbluffande ~ mot barnen b) om handling o.d.: en timmes ~ väntan 2 som motstår påfrestningar utan att ta skada: en ~ matta; ~a och lättskötta blommor

Här ses att en tålig konstruktion inte tar skada, vilket naturligtvis är önskvärt, men återigen så söks i denna studie något som även beskriver hur mycket skada en struktur tål och hur skadan påverkar fartyget i stort. Med utgångspunkt från tålig samt det faktum att i detta arbete behandlas olika slag av våld, åverkan, laster etc föreslås att termen stryktålig används som samlingsbegrepp. En fördel med ordet är att det i t.ex. NE inte står förklarat mer än att "tål mycket stryk". För fartyg föreslås här följande definition

Stryktål ig stryktål ig ' t adj., neutr. ~ �• som genom av s in konst rukt ion emotstår be lastn ingar och påf restn ingar den in te exp l ic i t är d imensionerat för .

Stryk är ett vitt begrepp, enligt NE står det för

Stryk stryk subst. ~et • (mest obest. f.) kroppslig bestraffning {e1aga, misshandel, smörj}: pappa fick ~ av farfar när han var barn; han fick ett ordentligt kok ~ BET.NYANSER: a) utvidgat smällar och stötar: bilen fick ta mycket ~ på de dåliga vägarna; han fick ta emot mycket ~ av kritiken för romanen b) om förlust i match e.d.: Tre Kronor fick ~ av Finland

Just betydelsen a) ”smällar och stötar”, passar in mycket bra i denna studie då smällar och stötar är ganska odefinierade och vaga definitioner på våld och som därmed kan innefatta vilka typer av belastningar som helst. Det nämner inget om storleken på belastningar, inget heller om hur och på vad de appliceras. Begreppet är så stort att ett fartygs stryktålighet är dess förmåga att stå emot alla typer av belastningar. Användningen av ordet stryk antyder dock om odefinierade eller okända belastningar, och de lastfall som tas med vid dimensionering är i högsta grad definierade, därför görs i definitionen av stryktålig tillägget att det är hur väl det emotstår belastningar som det ej är explicit dimensionerat för. Applicerat på ett fartyg innebär stryktålighet att fartyget har god förmåga att tåla påfrestningar som det inte dimensioneras för. De skador som uppstår är lätta att åtgärda, alt. ligger reparationstid och kostnad inom rimliga gränser som bestämts av dess ägare/rederi. Reparationstiden är heller inte så lång att den påverkar tillgängligheten för mycket, även detta har ägare/rederi bestämt. För att övervaka fartygets kondition inspekteras det med jämna

9

intervall för att på ett tidigt stadium detektera och åtgärda defekter. Figur 2 visar hur olika faktorer påverkar varandra och stryktåligheten.

Figur 2. Olika faktorer som påverkar stryktålighet

Strukturen avgör både direkt och indirekt om fartyget är stryktåligt. Att dimensionera för stryktålighet kommer i de flesta fall innebära att strukturen förstärks på utvalda ställen, dvs. extra vikt adderas. Samtidigt är det önskvärt att hålla nere vikten varför stryktåligheten kanske inte alltid behöver vara god, snarare tillräcklig. Skador kan tillåtas om de inte påverkar fartyget i alltför stor utsträckning och reparationerna inte blir för svåra, utdragna eller kostsamma. Desto bättre förutsättningar att kunna hålla fartyget operativt desto mindre strukturella förstärkningar behövs.

10

3 Bedömning av stryktålighet Som tidigare diskuterats är det svårt att dimensionera ett fartyg för alla tänkbara lastfall det kommer att utsättas för under dess livstid. Därför är det önskvärt att på ett enkelt och effektivt sätt kunna bedöma ett fartygs stryktålighet utan att göra dimensioneringsprocessen onödigt lång. Även stryktåligheten för fartyg i drift idag skall kunna bedömas. Stryktåligheten bryts ner i två delar, teknisk och operativ stryktålighet. Den tekniska stryktåligheten skapas av projektör/designer/byggare genom att dimensionera mot de laster som beställaren önskar stryktålighet mot. Den tekniska stryktåligheten ges ett tal, stryktålighetstalet T som är ett mått på hur tåligt ett fartyg är mot en viss påfrestning och definieras enligt följande i i iT x y zi= ⋅ ⋅ (1) där i indexerar en individuell påfrestning, Ti är stryktålighetstalet för påfrestning i, xi är magnituden av påfrestning i, yi är magnituden på eventuell skada och zi är omfattning på åtgärd som krävs för att åtgärda skadan. Stryktålighetstalet är för en viss kombination av fartyg och påfrestning alltid samma, dvs. det talar om hur väl fartyget är byggt för att klara en sådan påfrestning. Det talar även om hur stora åtgärder som krävs för att återställa fartyget till det skick som det var i innan skadan inträffade och hur länge fartyget behöver tas ur drift. Talet är alltid samma, oavsett var fartyget opererar och hur det används. Enda sättet att ändra T på är att förändra strukturen. Nästa steg är att bedöma helhetsbilden, dvs. bedöma huruvida påverkan på fartyget för det speciella fallet är acceptabel eller inte. Det enskilda fallet bedöms med avseende på kostnader för reparation, stillaliggande och tappade intäkter, men det är även intressant att bedöma hur ofta denna typ av fall får inträffa innan det blir ohållbart. Denna bedömning avgör den operativa stryktåligheten. Den operativa stryktåligheten bedöms genom att stryktålighetstalet för en viss påfrestning ställs mot dess frekvens (antal fall per år) p i en tabell, tabell 1 nedan, och i denna tabell läses den operativa stryktåligheten ur. I tabellen finns frekvensen p på x-axeln och stryktålighetstalet T på y-axeln. Tabell 1. Operativ stryktålighet

T 76-100 51-75 26-50 0-25

p 0-1 2-5 6-10 11-30 31<

11

Den operativa stryktåligheten fås genom att först välja den rad i matrisen där det aktuella stryktålighetstalet finns. Därefter väljs kolumn genom att finna i vilket intervall påfrestningens frekvens finns. Färgen i den rutan anger om tillräcklig operativ stryktålighet uppnås för just det fallet. Grön är godkänd, gul tveksam och röd icke godkänd. Detta upprepas sedan för varje stryktålighetsrelaterad påfrestning och sammanställt i en tabell kan det se ut som i tabell 2 nedan.

Tabell 2. Exempel på sammanställning av stryktålighetsbedömning.

Fall i x y z T x y z= ⋅ ⋅ p Operativ stryktålighet

1 1 4 3 4 48 4 2 2 1 4 5 20 7 3 3 4 2 1 8 13 4 4 5 3 2 30 3

Om den operativa stryktåligheten i ett fall är tveksam eller icke godkänd kan den bli godkänd på två sätt, antingen genom att i matrisen vandra uppåt en rad, som motsvarar en högre teknisk stryktålighet, vilket innebär en förstärkning av strukturen. Det andra alternativet är att vandra åt vänster en kolumn, vilket motsvarar en sänkning av frekvensen. För att uppnå det senare kan det innebära att ändra rutt eller arbetsrutiner för att minska frekvensen. Vad den operativa stryktåligheten innefattar är upp till redare/ägare, men den innefattar t ex hur tillgängligheten påverkas av att fartyget behöver repareras, tappade intäkter mm. Denna kan dock ändras om fartyget flyttas till en ny plats där förutsättningarna för reparation är annorlunda, t ex större eller mindre beläggning på verkstäder, större geografiskt avstånd till reparation samt tillgång till expertis. Noterbart i tabell 1 är att påfrestningar som har en mycket låg frekvens (p ≤ 1) alltid ger en bra operativ stryktålighet då de inträffar aldrig eller mycket sällan och det tyder på att de inte behöver dimensioneras mot. Vidare ses även att påfrestningar som fartyget står mycket väl emot, dvs. ett mycket högt T, alltid kommer resultera i en bra operativ stryktålighet. Detta tack vare att fartyget är väl konstruerat mot just dessa fall, och därmed så spelar det ingen roll hur ofta de fallen inträffar. Påfrestning x Variabeln xi är ett mått på magnituden av påfrestning i. Den graderas stigande från 1 till 5. Nivån kan påverkas av många faktorer. Om påfrestningen är ett tappat föremål påverkar föremålets massa, fallhöjd och material nivån, men även hur det träffar fartyget, spets eller rund sida mm påverkar. I nomogrammen i figur 3 kan xi urläsas om påfrestningen är ett tappat föremål eller ett objekt i vattnet som träffar fartyget. Graderingen görs från 1 till 5 där 5 är största rimliga fall. Graderingen kan t ex se ut som följande för några olika lastfall. För tappat föremål antas att två personer som mest kan bära 100 kg samt på en maximal höjd av 2 m, om detta föremål tappas graderas det som 5. För kollision motsvarar nivå 5 en kollision med ett 200 kg föremål i max hastighet.

12

Figur 3. Gradering för tappat föremål samt kollision med objekt i vattnet. Nomogrammen avläses genom att dra en rät linje från aktuell punkt på x-axeln (massa) till aktuell punkt på y-axeln (tapphöjd, fart). Där linjen skär funktionskurvan avläses graderingen.

Skada y Skadan som följer påfrestningen benämns yi och det är uteslutande strukturens respons som graderas. Graderingen sker fallande från 4 till 1 och är enligt följande:

4. Repa. 3. Delaminering, mindre buckla. 2. Buckla, penetrerat/förstört ytskikt. 1. Strukturell kollaps.

Vid inspektion av en skada bedöms i första hand skadans omfattning i nuläget t ex med avseende på resthållfasthet, men en minsta lika viktig bedömning att göra är hur skadan bedöms kunna växa till. En skada som t ex lätt ger upphov till spricktillväxt i ytskikten kan under ytterligare kontinuerlig belastning få strukturen att kollapsa totalt. Det bör även has i åtanke att om fartyget är ute till sjöss så måste det kunna ta sig i hamn på ett säkert sätt, oavsett om det vänder hem direkt eller fortsätter sitt uppdrag. Åtgärd z zi anger omfattningen på åtgärden som krävs för att åtgärda skadan yi och graderas fallande från 5 till 1. Här bedöms hur snart reparation måste utföras, samt var den kan eller måste utföras. Även reparationstid, tid stillaliggande, kostnader för att fartyget måste tas ur drift etc. bedöms. Det bör även tilläggas att om ingen åtgärd krävs så behöver ingen vidare bedömning göras då det inte resulterar i någon som helst påverkan på fartyget vad gäller tillgänglighet och kostnader. Vid beskrivning av de fem nivåerna nedan nämns bara storleken på åtgärd och om fartyget kan fortsätta sin uppgift eller ej. När en bedömning görs bör dock även en ekonomisk aspekt läggas till, det är svårt att i denna studie kunna lägga några exakta nivåer för kostnader för reparation, tappade intäkter etc.

5. Minimal åtgärd. Fartyget kan fortsätta pågående uppgift. 4. Kosmetisk reparation som kan utföras på plats. 3. Mindre funktionsbevarande reparation nödvändig, kan utföras i fält. Bör dock

undersökas vid nästa tillfälle i hamn.

13

2. Större reparation nödvändig. Fartyget måste avbryta pågående uppgift men kan ta sig i hamn på egen hand.

1. Fullständig reparation. Fartyget kan inte på ett säkert sätt ta sig i hamn på egen hand. Längre tids stillaliggande.

Gradering Gränserna mellan graderna för varje variabel är inte alltid helt tydliga. Används många grader kan det vara lättare att finna lämplig grad då stegen mellan varje grad blir mindre. För många steg ger dock som följd höga max-värden på xi, yi och zi som i sin tur ger mycket stora värden på Ti och en jämförelse mellan olika fall blir då svårare att göra. Produkten

i i ix y z⋅ ⋅ (2) varierar mellan 1 och 100, då de maximala värdena på xi, yi, zi och wi är 5, 4 och 5. Skulle alla dessa graderas upp till 5, skulle (2) variera från 1 till 125. Att använda 100 som ett max-värde på T gör att det blir en aning lättare att hantera, framförallt då snabba överslag göres i huvudet.

3.1 Standardisering Det vore önskvärt att kunna använda ett fartyg som anses ha god stryktålighet som referens och därefter göra en jämförelse. Dock så beräknas stryktålighetstalet T utgående från ett antal olika belastningsfall som kan väljas godtyckligt. Detta medför att T kan hållas högt genom att enbart använda belastningar som fartyget står väl emot. Detta gör att en jämförelse mellan fartyg är svår att göra. För att kunna jämföra olika fartygs stryktålighet bör ett standardtest liknande bilindustrins European New Car Assessment Programme, Euro NCAP [2], där olika bilmodeller genomgår samma typer av prov och ges ett totalbetyg som är en summa av flera delbetyg, skapas. Genomsnittlig stryktålighet Talet som används som jämförelsetal är den genomsnittliga stryktåligheten T , som ges av uttrycket

1

1

n

i i ii

n

ii

x y zT

x

=

=

⋅ ⋅=∑

∑ (3)

där det genomsnittliga stryktålighetstalet T är sammanvägd påfrestning, skada och åtgärd viktad med påfrestning. Belastningarna som används måste vara definierade i förväg och samma för alla fartyg.

14

3.2 Räkneexempel Fartyg A utsätts för 4 stycken stryktålighetsrelaterade belastningsfall. Fall 1, tappad verktygslåda. Verktygslådan är full, väger 10 kg, tappas från 1 m höjd och landar på ett hörn.

Figur 4. Tappat föremål.

Avläst i figur 4 ger detta att x1=2. Detta antas hända var sjätte vecka, dvs 9 ggr per år. Alltså blir p1=9. Skadan blir en mindre buckla, y1 = 3, som inte kräver någon större åtgärd, z1 = 4. Stryktålighetstalet blir således

244321 =⋅⋅=T Den operativa stryktåligheten läses av i tabell 3 och bedöms vara tveksam, skulle påfrestningen vara lite mer frekvent skulle den operativa stryktåligheten vara rent av dålig. Tabell 3. Operativ stryktålighet, tappat föremål.

T 76-100 51-75 26-50 0-25

p 0-1 2-5 6-10 11-30 31< Fall 2, kollision med stock. Stocken väger 50 kg och fartyget färdas i 20 knop. Stocken träffar på ett hörn. Avläst i figur 5 fås att x2=3. Detta antas hända 2 ggr per år då fartyget sällan rör

15

sig nära land där stockar finns, alltså p2=2. Skadan blir en större buckla, y2 =2, som kräver en större reparation. Fartyget kan dock ta sig i hamn på egen hand, z2 =2. Stryktålighetstalet blir således

122232 =⋅⋅=T Den operativa stryktåligheten läses av i tabell 4 och är precis som föregående fall tveksam, ligger dock tack vare sin låga frekvens på gränsen till godkänd. Tabell 4. Operativ stryktålighet, kollision med flytande föremål.

T 76-100 51-75 26-50 0-25

p 0-1 2-5 6-10 11-30 31<

Figur 5. Kollision med flytande objekt.

Fall 3, kajstuds. Fartyget håller lite för hög fart när det ska lägga till med fören vid kaj. Påfrestningen bedöms vara x3=4. Detta händer 5 ggr per år, p3=5. Skadan blir av mindre typ men som måste åtgärdas, y3=3, z3=3. Stryktålighetstalet blir således

363343 =⋅⋅=T Den operativa stryktåligheten läses av i tabell 5 och anses vara godkänd, dock på gränsen till tveksam.

16

Tabell 5. Operativ stryktålighet, kajstuds.

T 76-100 51-75 26-50 0-25

p 0-1 2-5 6-10 11-30 31< Fall 4, kollision med sjömärke. Fartyget kolliderar med ett större sjömärke (av metall) i 30 knop. Kraften anses vara mycket stor, x4=5. Detta är ovanligt och kan anses hända en gång vart tredje år, p4=0,33. Det blir ett stort hål, vatten tränger in, y4=1, som kräver en fullständig reparation, z4=1. Stryktålighetstalet blir således

51154 =⋅⋅=T Den operativa stryktåligheten läses av i tabell 6 och är godkänd. Tabell 6. Operativ stryktålighet, kollision med sjömärke.

T 76-100 51-75 26-50 0-25

p 0-1 2-5 6-10 11-30 31< Hela bedömningen sammanställs i tabell 7.

Tabell 7. Sammanställning olika fall.

Fall i x y z T x y z= ⋅ ⋅ p Operativ stryktålighet

Tappad verktygslåda

1 2 3 4 24 9

Kollision med stock

2 3 2 2 12 2

Kajstuds 4 4 3 3 36 5 Sjömärke 5 5 1 1 5 0,33

I figur 3 åskådliggörs Ti i ett stapeldiagram. I denna kan den tekniska stryktåligheten jämföras mellan olika fall.

17

Figur 3. Teknisk stryktålighet.

Det kan ses att fartyget överlag har dålig teknisk stryktålighet (högsta enskilda talet är bara 24), framförallt i fallen med kollision med stock och sjömärke. Dock ses att den operativa stryktåligheten inte bara beror på den tekniska stryktåligheten, utan även på frekvensen. Den operativa stryktåligheten för tappat föremål anses vara tveksam trots att den tekniska stryktåligheten är bland de största i testet. Även för kollision med stock i vattnet är den operativa stryktåligheten tveksam men där är även den tekniska stryktåligheten dålig. Kollision med sjömärke har sämst teknisk stryktålighet i testet men den får ändå anses tillräcklig då den ger en acceptabel operativ stryktålighet. Till sist så har fallet med kajstuds högst teknisk stryktålighet och även en godkänd operativ stryktålighet. Ett viktat medeltal enligt (3) för dessa fall blir

5,51477

54325361224

==++++++

=⋅⋅

=∑

∑i

iii

xzyx

T

vilket är svårt att tolka om det inte finns någon sorts referens, men produkten varierar från bästa värdet 20 ner till sämsta 1, så 5,5 kan anses vara ett lågt genomsnitt.

y z⋅

Detta exempel belyser att det inte alltid är den tekniska stryktåligheten, dvs. strukturen, som avgör om fartyget anses tåligt eller ej. Så länge följderna för fartyget pga. de stryktålighetsrelaterade påfrestningarna enligt rederi/ägare är acceptabla, dvs. den operativa stryktåligheten uppnås, så är fartyget tåligt. Detta kan dock ge som följd att om fartyget flyttas till en plats där t ex tillgången på underhåll och reparation minskar så innebär det att den operativa stryktåligheten sänks. En fortsatt acceptabel operativ stryktålighet uppnås i detta fall genom en höjd teknisk stryktålighet.

18

Skada-Åtgärd relativt Påfrestning Ett ytterligare sätt att utvärdera stryktåligheten i varje belastningsfall är att för varje fall se hur stor påverkan belastningen har på fartyget relativt storleken på belastningen, ungefär som

( i ii

d y zdx⋅ ) eller motsv. I figur 4 kan detta ses för de fyra belastningarna i exemplet ovan.

Figur 4. Skada-åtgärd relativt påfrestning

Intressant är att tre av fallen ligger nära antingen x-axeln (

ix ) eller y-axeln ( i iy z⋅ ). Detta indikerar att fartyget enbart är tekniskt stryktåligt mot mindre påfrestningar, dvs en hög produkt i iy z⋅ uppnås endast för små påfrestningar. När påfrestningen ökar, ix blir större, så minskar i iy z⋅ . Det fallet som här kan anses ha god teknisk stryktålighet är fallet med kajstuds som ligger på ett större avstånd från båda axlarna.

19

4. Skador och provning Sandwichkonstruktioner är strukturellt sett väldigt effektiva men samtidigt känsliga för skador samt fel i tillverkningen. Följden av dessa skador och brister kan kraftigt påverka strukturens styrka och resthållfasthet. Av denna anledning är det av stor betydelse att känna till och kunna dimensionera med dessa egenskaper i åtanke. I detta kapitel kommer enbart provning och utvärdering av provresultat att diskuteras då tillverkningsfel lätt upptäcks med en god kvalitetskontroll. De frågor som måste ställas om provning är:

1. Vad är syftet med provning och vad ska resultatet användas till? Jämförande provning, verifiering av beräkningar eller något sorts absolutvärde?

2. Vad ska provas? Material, design, konstruktion? 3. Hur ska detta provas? Slag, utmattning, nötning? 4. Hur ska proven utvärderas? Skadestorlek, resthållfasthet?

Vad är syftet med provning? Provning är ett sätt att säkerställa data och kvalitet på material. Det är nödvändigt att kunna styrka beräkningar med försök som visar att materialet och strukturen uppfyller de krav som ställs på den. Förutom krav från klassningssällskap och beställare så kan konstruktören ställa upp egna krav och mål. Ett sådant mål kan vara att strukturen av sandwich ska vara lika bra som om den var av annat konstruktionsmaterial t ex stål eller aluminium. Detta är då lätt att prova och jämföra olika lösningar och resultaten kan även verka som underlag för kunden som i slutändan bestämmer. Enligt gällande regelverk finns till dags datum inga regler som anger krav på stryktålighet eller skadestorlek. DNV’s regler har ett avsnitt ”Minimum reinforcement requirements” [3] som enbart anger minimiytvikt på ytskikten för att skapa extra säkerhet mot slitage och miljöeffekter. Det saknas tydliga målfunktioner för vad som ska uppnås. Vad ska provas? För bestämning av en sandwichs mekaniska egenskaper används statiskt provning enligt ISO- och ASTM-standard. Provbitarna är generellt små, från 100x100 mm upp till ca 300x300 mm beroende på kärnans tjocklek. De egenskaper som fastställs är t ex E-modul, G-modul, maxspänning σ̂ och maximal skjuvspänning τ̂ . Syftet med dessa prov är att erhålla data för beräkning och kontroll av materialets hållfasthet. Dessa prover säger dock inget om hur stryktåligt materialet är. Det är inte givet att goda mekaniska egenskaper hos en sandwich ger en god stryktålighet. Stryktåligheten måste därför provas och utvärderas separat. För provning av stryktålighet finns ingen standard. En och samma provuppställning, till exempel slag eller intryckning av ytan kan uppvisa olika brottmoder för olika materialkombinationer i sandwichen. Detta kommer sig av interaktionen mellan de olika materialen, se figur 5. Vilken brottmod som kommer att inträffa för ett specifikt lastfall/material kan vara svårt att prediktera.

20

Det kan därför vara lämpligt att utvärdera ett (eller flera) materialkoncept mot tidigare erfarenheter och genomförda experiment eller mot varandra. Fördelen med små jämförande prov är låg kostnad och begränsat med materialåtgång. Proverna är ofta av jämförande slag. För att verifiera stryktåligheten hos konstruktionen bör man utföra prov på en hel struktur eller ett strukturelement. Provbitarna antar då större dimensioner, mellan 500 och 1500 mm i sida. Här kommer även randvillkoren in, om panelen är fast inspänd eller fritt upplagd gör stor skillnad. Detta är även lämpligt om olika konstruktionskoncept skall jämföras, till exempel förstyvade aluminiumpaneler och en sandwichpanel. Eftersom dessa koncept skiljer sig i grunden är det inte lämpligt att genoföra mindre prov som nämnts ovan. Syftet med strukturprov är verifiering av gjorda dimensioneringsantaganden och som jämförelse mellan olika koncept.

Figur 5. Exempel på brottmoder [4]

Hur ska detta provas? När en struktur ska designas dimensioneras den för att dels uppfylla de krav som krävs för klassificering och dels för att stå emot de påfrestningar som beställaren har specificerat, t ex

21

ballistiskt skydd, is etc. Emellertid så kommer även fartyget, som det diskuteras om i avsnitt 1.2, att utsättas för påfrestningar som det inte är explicit dimensionerat för. Mångfalden på dessa ytterligare påfrestningar gör att de är svåra att dimensionera mot, däremot kan de grovt delas in i ett fåtal kategorier, se tabell 8 nedan. Tabell 8. Kategorisering av påfrestningar.

Kategori /typ av prov Påfrestningar som kan tänkas ingå Slag Kollision, tooldrop, kajstuds. Nötning Iskrapning mot botten eller kajkant,

utstickande föremål. Åldring Miljöeffekter, krypning Fördelen med denna kategorisering är att för varje kategori finns en metod för provning, dvs. flera olika lastfall kan simuleras med samma provmetod. T ex slagprov kan utföras med mycket stor variation och därmed likna många olika påfrestningar. Vanligast är att prover utförs som jämförande prover, dvs. man ställer olika möjliga materiallösningar mot varandra för att se vilken som bäst klarar de påfrestningar de utsätts för. De är även användbara för att verifiera analytiska metoder och på så sätt undersöka noggrannheten och inom vilka gränser de kan antas ge ett svar som överensstämmer med verkligheten. Slagprov Slagprov kan utföras antingen kvasistatiskt eller i form av islag. Det finns ett antal parametrar som kan varieras för att simulera olika situationer. Formen på impaktorn spelar stor roll, den kan vara rund, spetsig, plan, stor, liten, se figur 6. Det kan även förekomma variationer inom dessa parametrar, t ex finns det olika spetsar. I figur 7 visas två olika spetsar, en KTH-kub med lätt trubbigt hörn samt en VTT-pyramid.

Figur 6. Olika typer av impaktorer

22

Figur 7. Till vänster en VTT-pyramid, till höger en KTH-kub.

Ett kvasistatiskt prov utförs genom att impaktorn trycks ned i strukturen med en konstant nedtryckningshastighet och den nedtryckande kraften mäts. Ett islagsprov utförs genom att en impaktor släpps från en bestämd höjd. Höjden bestäms genom att islagsenergi W väljs och beräknas enligt

212

W mv= (3)

där m är impaktorns massa och v är islagshastigheten. För att variera islagsenergin varieras fallhöjden, som direkt påverkar hastigheten i islagsögonblicket. Provet kan även utföras genom att fästa impaktorn på en pendel bestående av en balk som svingas i panelen. I figur 8 kan en sådan uppställning ses. Med denna metod kan även olika islagsvinklar provas.

23

Figur 8. Slagprov med pendel.

Precis som vid kvasistatiska prov spelar impaktortyp stor roll. Samtidigt beror resultatet även mycket på var på strukturen slaget träffar. För en struktur bestående av platta med förstyvningar kan slaget träffa alltifrån mitt på en panel till att träffa rakt på en förstyvning. Nötning Skador pga. nötning uppkommer i situationer där materialet upprepande gånger repas eller skrapas mot ett objekt, t ex en sten. Provning för att undersöka ett materials stryktålighet mot nötning utförs genom att en provbit spänns fast i en maskin som upprepande gånger skrapar ett föremål, t ex en vass sten, mot provet, se figur 9.

Figur 9. Uppställning för nötningsprov.

24

Åldring Prov som har med åldring att göra är rena materialprov. Vid prov av miljöeffekter undersöks hur materialets mekaniska egenskaper beror på temperatur och kraftiga temperaturförändringar. De intressanta egenskaperna är som tidigare E-modul och brottlast och de provas enklast med dragprov. Hur ska proven utvärderas? Vid provning finns det en mängd av parametrar att variera för att likna verkliga situationer. Dock måste testerna utvärderas på ett bra sätt för att de ska kunna tillföra någon information. Varje genomfört prov har, oavsett typ av prov, sin egen unika uppsättning av material, randvillkor, energinivå etc. Vad som ska utvärderas beror på syftet med provet, dvs. det finns inget givet tillvägagångssätt för utvärdering av ett prov. Här nedan diskuteras om hur de tidigare nämnda metoderna kan utvärderas och vilka slutsatser man kan dra av genomförda tester. Slagprov Som tidigare nämnts spelar impaktortypen stor roll för resultatet. I figur 10 nedan kan ses resultat från experiment utförda vid avdelningen för lättkonstruktioner vid KTH Stockholm med en KTH-kub och VTT-pyramid på ett glasfiber/Divinycellprov.

Figur 10. Kvasistatiskt prov med VTT-pyramid och KTH-kub. Experiment utförda vid avdelningen för

lättkonstruktioner KTH Stockholm.

Det kan ses att penetration av ytskikten sker vid ungefär samma inträngningsdjup, dock krävs det ca 3 gånger så stor kraft för KTH-kuben att tränga igenom, detta pga. sin något trubbiga spets. Typiskt för statiska prover är att plana impaktorer, t ex cylinder, ger en brant kurva med en tydlig topp då ytskiktet penetreras och en rund impaktor ger en mjuk och långsträckt kurva [5].

25

Hur mycket energi en struktur kan absorbera vid ett slag utan att fallera anses vara ett bra kriterium att bedöma. Detta bedöms genom att beräkna den energimängd som kan appliceras innan brott inträffar. I figur 10 kan tydligt ses när brott inträffar, när lasten dramatiskt minskar medan intryckningen i materialet fortsätter. Samma energinivåer ger emellertid inte alltid samma resultat. Skada och brottmod varierar inte bara med energi utan även hur energin är ”uppbyggd”, dvs. låg massa och hög hastighet ger inte samma resultat som hög massa och låg hastighet, även om energin är densamma. Jolma [4] skriver att för låga hastigheter ger en låg energinivå delamineringar i ytskiktet samt sprickor i matrisen. Vid högre energinivåer börjar även fiberbrott inträffa. Impaktorn gräver sig långsamt igenom ytskiktet om hastigheten är låg och gör enbart mindre skada på kärnmaterialet såvida den inte pressas helt igenom ytskiktet. Vid högre hastigheter ser händelseförloppet annorlunda ut. En lätt impaktor som träffar med hög hastighet studsar på ytskiktet, som oftast får små skador eller förblir helt oskadat. Vad som har hänt i sandwichen är att det lätta ytskiktet blivit hastigt nertryckt ner i kärnan och sedan studsat upp igen och tagit med sig en bit av kärnmaterialet. Resultatet blir att ingen åverkan kan ses utifrån, men inuti är kärnan krossad och söndersliten. Den krossade kärnan kan fortfarande stödja strukturen, men med reducerad förmåga. Slagets träffpunkt är också intressant att kommentera. En träff mitt på panelen ger oftast mindre skada då panelen där är mer flexibel, medan ett slag på en stum förstyvning utgör en mycket större påfrestning på både panel och strukturen bakom. Detta ger vidare att frågan om randvillkor måste ställas, oavsett om förstyvningar används eller ej, vilket/vilka randvillkor ska användas och vad blir resultatet om man använder sig av en fritt upplagd panel istället för en fast inspänd? På en fartygsstruktur finns samtliga dessa fall representerade, så när en provserie utförs måste därmed de dimensionerande fallen identifieras då det är alltför resurskrävande att prova alla möjliga fall. Typiska parametrar att notera vid slagprovning är maxlast, dvs. kraften då ytskiktet penetreras, och storlek på intrycket som impaktorn gör, se figur 11.

Figur 11. Hörnavtryck från kub-impaktor.

Skada på kärnmaterialet är mycket beroende på materialets egenskaper. Studier utförda av Jolma [4] visar att låg-densitets PVC-skum vanligen krossas och deformeras plastiskt pga. att den kritiska kompressiva spänningen överskrids. Kärnmaterial med högre densitet fallerar

26

genom skjuvsprickor. Dessa sprickor propagerar sedan genom kärnan och om de fortsätter till det andra ytskiktet kan de ändra riktning och börja propagera mellan ytskikt och kärna och på så sätt försvaga strukturen. Honeycombkärnor krossas under mindre slag och cellväggarna bucklas. Vid kraftigare slag slits även cellväggarna sönder. Resthållfasthet Det är naturligtvis önskvärt att undersöka hur en struktur reagerar på olika påfrestningar. Det mest intressanta är dock att undersöka reparationsbehovet. Om strukturen trots skadan kan bära de laster den utsätts för på ett tillfredsställande sätt så är reparation inte akut nödvändig. Om den lastbärande förmågan dock har blivit alltför dålig måste skadan åtgärdas omgående. Dock måste resthållfastheten ändå vara så god att fartyget kan ta sig i hamn på ett säkert sätt. Därför är det intressant att prova en strukturs resthållfasthet, dvs. hur mycket last den kan bära efter att en skada inträffat. Ett resthållfasthetsprov utförs genom att först orsaka en skada, t ex genom ett slag på en panel. Skadans omfattning uppskattas. I figur 12 kan ses exempel på hur en skada kan uppskattas med olika parametrar.

Figur 12. Uppskattning av en skadas omfattning.

Därefter utsätts provet för en ny belastning, antingen ett kompressionsprov (se figur 13) eller ett tryck utbrett över panelen. Trycket fås genom att lägga en gummiblåsa fylld med vatten eller luft mellan provet och tryckmaskinen. Gummiblåsan skapar då ett jämt fördelat tryck över testpanelen.

27

Figur 13. Kompressionprov på skadad provbit.

Resthållfastheten benämns vanligast som ett ratio mellan hållfastheten för den skadade strukturen och den intakta. I och med att en skada påförs strukturen ändras även i vissa fall brottmoden. Vilken typ av upplägg i ytskikten som används är av mindre betydelse för en oskadad struktur då den vanligaste brottmoden för en sandwich utsatt för tryck är att kärnan fallerar pga. skjuvning. Tester utförda av Jolma [6] med glasfiber/isopolyester visar att en struktur kan ta en hel del skada utan att tappa hållfasthet om den naturliga brottmoden, dvs. brottmoden för en intakt struktur, övervinner den pga. skadan inducerade brottmoden. Dock så kan upplägget i ytskikten påverka resthållfastheten för den skadade strukturen. I figur 14 och 15 ses två strukturer med samma kärnmaterial men olika uppläggningssekvenser i ytskikten, den ena har upplägget [0°/45°/-45°]2 medan den andra har upplägget [30°/-30°]4. Båda har samma ytvikt och tjocklek.

28

Figur 14. Resthållfasthetsprov med [0°/45°/-45°]2 ytskikt. Figur 15. [30°/-30°]4 ytskikt.

Den senare ändrar inte brottmod pga. skadan, det är fortfarande kärnan som fallerar pga. skjuvning medan i den första är det ytskiktet som fallerar med skadan som utgångspunkt. Detta kommer enligt Jolma troligen av att spänningen i de enskilda 0°-lamellerna blir mycket större än i ±30°-lamellerna. Valet av uppläggningssekvens har med andra ord försämrat resthållfastheten i det första fallet. Dessa tester är dock för få till antalet för att man ska kunna dra några direkta slutsatser, men de ger ändå en fingervisning om att resthållfastheten är beroende på uppläggningssekvensen i ytskikten och att diskreta fiberriktningar såsom 0° och 90° är särskilt utsatta om kärnan erhållit skada tidigare. Nötning Nötningsprov kan utvärderas på olika sätt, bl a.

• antal cykler till genombrott och • åverkan för en given last.

Figur 16 nedan visar hur provmaterialet kan se ut efter ett antal cykler.

Figur 16. Skada vid nötningsprov.

Detta prov kan även genomföras med endast en cykel och en given last. Detta är intressant då lasten börjar bli så stor att genombrott kan ske vid endast en eller ett fåtal cykler.

29

Ett sätt att skydda materialet mot nötning är att applicera ett ”offerskikt” ytterst på ytskiktet, dvs. ett skikt som inte är tänkt att bidra till strukturens lastbärande förmåga och därmed kan skadas utan fara för fartyget.

30

5. Framtida arbete Denna studie är avsedd som ett första steg mot en framtida arbetsgång vid dimensionering för och klassning av stryktålighet. Det test av bedömningsmetoden som har gjorts är bara en kort presentation för branschaktörer där synpunkter togs in och modellen modifierades därefter. Modellen och bedömningsmetodiken måste prövas på befintliga strukturer och fartyg för att ytterligare närma sig branschens önskemål och krav. Det som ligger närmast tillhands är kvantifiering av stryktålighetsrelaterade lastfall. Eftersom storleken på både lastfall, fartyg och därmed också strukturen varierar väldigt mycket kan det även vara lämpligt att kunna göra en dimensionslös kvantifiering för att förenkla och skapa bättre förutsättningar för jämförelser.

31

Bilaga 1 - Informationssökning

• “Damage tolerance means arranging design, maintenance, and inspection practices to assure that growing fatigue cracks or cracks caused by foreign-object damage can be detected and repaired before they cause structural failures.” [7]

• Robust Design generally means that the design is capable of functioning correctly, (or

at the very minimum, not failing catastrophically) under a great many conditions. Also, it means that tolerances can be looser because "it can only be built one way." Additionally, a robust design usually has a high signal-to-noise ratio. [8]

• "The quality of equipment, structures, or goods of continuing to be useful after an

extended period of time and usage." (durability) [9]

• "The ability of a structure to maintain its load-carrying capability after exposure to a sudden increase in load." (Damage tolerance) [10]

• För att samhället ska bli robust, d.v.s. mindre sårbart och mer uthålligt mot inre

och yttre störningar, bör samhällsplaneringen utgå från ett helhetsperspektiv och riskhänsyn tas tidigt i planeringsprocessen. Detta projekt utgår från tre robusthetsringar; ekologisk robusthet, social robusthet och teknisk robusthet. Ekonomisk robusthet ingår med olika innebörd i alla tre och allt ses som en helhet. [11]

• Ekologisk robusthet innebär varsam användning av naturresurser och förutsätter att

ekologiska kretslopp inte rubbas. [11]

• Social robusthet innefattar relationer mellan individer, kollektiva regelsystem och ansvarsfördelning inom olika områden. [11]

• Teknisk robusthet är beroende av teknologin som utvecklas för ett långsiktigt

hållbart samspel med samhälle och natur, samt kvaliteten på den infrastruktur som är nödvändig för ett modernt samhälle. Lokalt fungerande system för teknisk försörjning kombinerat med storskaliga ger ökad robusthet för såväl lokal- som storsamhället. [11]

• Vad är robusthet? Svar: Klarar det mesta av användarmisshandel. [12]

• Ett programs robusthet mäts bra på hur väl det hanterar och återhämtar sig från olika felsituationer. [13]

• ”Välarbetade lättviktsmaterial och effektiv värmedesign ger en perfekt balans mellan

robusthet och prestanda i alla bärbara datorer från Dell.” [14]

32

http://www5.o.lst.se/projekt/robusthet/kap00_vad ar robusthet.htm#Ekologisk robusthet#Ekologisk robusthethttp://www5.o.lst.se/projekt/robusthet/kap00_vad ar robusthet.htm#Social robusthet#Social robusthethttp://www5.o.lst.se/projekt/robusthet/kap00_vad ar robusthet.htm#Teknisk robusthet#Teknisk robusthet

• ”Robusthet betyder, för den som inte redan vet det, att en lösningsmetod som utarbetats under vissa modellantaganden fungerar bra även om det finns avvikelser från antagandena. Begreppet robusthet är relevant om de parametrar eller väntevärden man vill skatta har mening även i den modell som gäller under avvikelsen.” [15]

• Tänk på att lägga in robusthet i programmet, till exempel genom en felutskrift om något ej tillåtet värde av en viss variabel erhålles. [16]

• Study of load shedding can provide insights into the basic mechanisms and provide

avenues for the analysis long-term experience in ship structural design. Such insights and analyses can lead to the design of more durable and robust ship structures in the future. [17]

33

Bilaga 2 – Minnesanteckningar workshop 2007-05-14 Jakob Kuttenkeuler (JK) hälsar välkomna och börjar direkt med att visa bilder på tre båtar och ställer sen frågan ”Vilken är tåligast?”. Den direkta motfrågan blir ”Vad menar du med stryktålighet?”. Övriga synpunkter:

• Tålighet beror på vilket behov du har. • En halvtäckt båt är mer tålig än en öppen. • Den till vänster, den är/verkar robust mot sjölaster. • Aftonbladet rapporterar från båtmässan, enda båten som de kallade robust var av

aluminium. JK pratar lite om sin nyinköpta båt som hade en mindre skada, förmodligen uppkommen genom att båten slagit i något då den blivit lyft. Materialet var ”kexigt”, men med lite ansträngning gick det att återställa till nyskick, något som varit mycket svårare om det handlat om en buckla i aluminium istället. Efter denna inledning gjordes en kort presentation av deltagarna samt en presentation av utbildningen på KTH Marina System. Dagens mål var att

1. höra, diskutera, processera och sammanställa aktörers erfarenheter, 2a. skapa en gemensam definition 2b. skapa en metodik för kravställning, dimensionering och utveckling av tålighet.

JK börjar diskutera ordval, robust eller tålighet? Deltagarna kom med följande synpunkter:

• Ordet tålighet kräver ett prefix (skade-, stryk, etc.). • Alla känner för robusthet, det är bränt, så ett nytt ord är bra. • Robusthet handlar om vad material tål. • Tåligt mot vad? Måste förfinas. • Om något är tåligt mot allt så är det robust. • Robust är lätt att beställa, men svårt att göra. • Måste specificeras. • Är det en materialegenskap eller en fartygsegenskap?

Sedan tog Tommy Hertzberg (TH), projektledare för LÄSS, vid och presenterade LÄSS. I projektet tas fyra demonstratorer fram för att visa på möjligheter att bygga lättare fartyg. Det handlar om fyra ombyggnationer där aluminium byts ut mot kompositer och stål mot aluminium. I de flesta fall handlade det om överbyggnaden på fartygen. Tidigare examensarbete har visat att det finns ett stort intresse i branschen för lättviktskonstruktioner men väldigt lite information och kunskap. TH nämner tre hinder för utvecklingen av lätta konstruktioner till sjöss:

1. Tekniska problem, kunskaper saknas för beräkning, tillverkning och säkerställning. 2. Traditionsfylld bransch, svårt att införa nya begrepp.

34

3. Initialkostnaden är högre, vilket endast kan motiveras med lägre kostnad under livstiden. LCC/LCA krävs.

Anders Lönnö (AL) presenterar arbetet med robusthet. Nämner Bröderna AA som bygger båtar i kolfiber, anses ha god robusthet tack vare att de är konstruerade som flygplan. Anders Rosén (AR) pratar lite om dimensionering. FMV hoppar på sina provplåtar för att bestämma vilken som är bäst. Nu tar JK över igen och presenterar definitionen på tålighet: ”som genom av sin konstruktion emotstår belastningar och påfrestningar den inte explicit är dimensionerat för". Reaktionerna blir följande:

• Tas ett tålighetsrelaterat lastfall med vid dimensionering så är det inte tålighet längre. • Det finns en intressant gråzon med fall som kan studeras. • Är det ett ekonomiskt mått? Eller ett operativt mått? • Kompositers svaghet är att de fallerar i hörn och övergångar, inte mitt på paneler. • Kan vara bättre att vända på definitionen. • Tålighet kan skapas med hjälp av en operativ profil. • Krävs dokumentering för att definiera grader. • Mått på kvalité, uppfylls kundens förväntningar.

JK visar en bild på ett fartyg med ett antal belastningar som skulle kunna relateras till tålighet. Dessa diskuteras.

• Eld – bort. • Sjölaster – bort. • Is - ? • Kollision/grundstötning - ? • Blast – bort. • Kollision med små objekt – med. • Tooldrop – med. • Sol, regn – med. • Kajstuds, andra fartyg – med. • General handling – med.

Roger Johansson (RJ) presenterar nu metoden som föreslås i hans examensarbete, detta följs av diskussion.

• Det är farligt att blanda in operativ konsekvens. • Bedömning blir mycket olika beroende på området som fartyget finns i och person

som bedömer. • Operativa delen är den mest intressanta för en redare.

Deltagarna delas in i grupper och börjar diskutera metoden. Efter ett tag bryts för lunch. Workshopen återupptas och grupperna redovisar vad de kom fram till i sina diskussioner.

35

Första gruppen börjar med att diskutera behovet av en metod.

- Metoden ska vara en subjektiv bedömning av behov och krav. - Den skall vara ett hjälpmedel för projektörer/designer. - Redaren skall kunna ange ett enkelt krav. - Metoden skall göra det tydligt och enkelt för redaren att bedöma sitt fartyg. - Tåligheten måste bedömas för olika områden/belastningar.

Denna bedömning bör ej göras av klassningssällskap utan av redare, projektörer och designer. Gruppen anser att ett högt tålighetstal borde visa på en god tålighet och därför bör skalan för skada y och reparation z vändas på. Dessutom borde frekvensen tas bort ur tålighetstalet. De föreslår att definitionen ändras till …genom sin konstruktion är dimensionerad för belastningar och påfrestningar utöver aktuellt regelverk… Vidare diskuteras vad som bör ingå i tålighet.

- Material bör ej ingå. - Struktur bör ingå i en teknisk tålighet som bedöms av designer/byggare. - Tillgänglighet och ekonomi bör ingå i en operativ tålighet som bedöms av redare. - Redaren ställer krav på den operativa tåligheten, och byggare löser detta genom att

uppnå tillräcklig teknisk tålighet. - Tålighet är överlag en systemegenskap.

För att bedöma fartyget ställs dess tålighetstal mot frekvens i följande matris, s.k. p-matris (probability). 5 är bäst tålighet. Tabell 9. Tålighetstal ställt mot frekvens

5 4 3 2 1 p 0-1 2-5 6-10 11-30 31<

Nästa grupp har en annan syn på hur tålighet bör definieras: ”Hur väl fartyget uppfyller förväntningar avseende dess förmåga att tåla laster.” Metoden ska då användas som en mätmetod för fartygs kvalité. Metodiken blir då att

- identifiera tålighetsområden (minska gråzonen) och - kvantifiera belastningar (grundstötning etc.).

36

Tålighet är en kvalitétsparameter, och konsekvens bör lämnas till redaren. Ny grupp.

- Varje fartyg har en specifik tålighetsprofil. - Tålighetsbegreppet bör separeras från tålighetens ekonomiska konsekvens. - Separera strukturell och operativ konsekvens. - Hög tålighet bör ge ett högt tålighetstal, låg tålighet ett lågt tal. - Tålighet beställs genom att redare ställer tilläggskrav via specar.

Ny grupp.

- Metoden skall ta bort fördomar och istället ge en saklig distans till tålighet. - Tålighet bör minimeras, behövs enbart tillräcklig tålighet. Maximera viktsbesparing,

payload, fart mm. - Tålighet bör specas mot en checklista med vikts- och kostnadskonsekvenser i åtanke. - Standardisera ”robusthetsprofil”.

Efter denna redovisning pratar Magnus Burman (MB) från KTH Lättviktskonstruktioner sitt arbete utvärdering av robusthet genom materialprovning. Tidiga frågor som undersökts är hur randvillkor, angreppspunkt och impaktortyp påverkar resultatet. Även hur olika energinivåer inverkar undersöktes. Kompositstrukturens uppbyggnad gör att antalet brottmoder är många och vilken mod som är aktuell beror mycket på impaktortyp och angreppsvinkel. Test med ”olika hörn” visar att en struktur tål ett ”trubbigt hörn” (KTH-impaktor) mycket bättre än ett helt spetsigt hörn (VTT-impaktor). Här inleddes nu en andra gruppdiskussion med frågeställningarna

• Vad bör/måste göras härnäst? • Ge förslag på en alternativ metod.

Första gruppen kom med följande förslag:

- Sammanställa empiriska data och därigenom identifiera lastfall. - Ett förslag på provningsmetodik bör tas fram. - Fler steg i skalan behövs för bedömning. - En typ av absolut-relativ skala behövs för att genom skalning kunna jämföra stora och

små fartyg. Nästa grupp:

- En checklista bör fixas där man kan följa vilka steg som bör tas för att öka tåligheten, t ex var det är lämpligast att fendra av för att minska effekten av en kajstuds.

- Man kan se två typer av tålighet, ospecad tålighet som innebär att en säkerhetsfaktor läggs till, och en specad tålighet som är mer nedbruten och specifik.

37

Sista gruppen hade fokus på en förändring av bedömningsmetoden. De föreslog att graderingen skulle ske fallande för skada och reparationsbehov där en etta anses vara det minst tåliga. Tålighetstalet för teknisk tålighet definieras enligt

T x y z= ⋅ ⋅ (1) där variablerna har samma innebörd som tidigare, men graderingen sker för x stigande 1 till 5, för y fallande från 4 till 1 och för z fallande från 3 till 1. Den mest tåliga strukturen skulle i så fall erhålla ett tålighetstal på 60 (största påfrestning x=5, ingen skada y=4 och inget reparationsbehov z=3). Återigen så ställs tålighetstalet mot frekvens, en högre teknisk tålighet tillåter en högre frekvens och ger därigenom en högre operativ tålighet, se bild nedan. 46-60 31-45 16-30 0-15

T/p 0-1 2-5 6-10 11-30 31< Till slut summeras dagen där det nämns att ”robust, det är en gammal jänkare med massor av stål”. Även en allmän fråga huruvida ett dubbelskrov är robustare än ett enkelskrov dyker upp. Som sist pratas det om att sammanställa en checklista för utvärdering av tålighet och skicka till deltagarna för feedback.

38

Bilaga 3 - Referenser [1] – Det Norske Veritas, High Speed, Light Craft and Naval Surface Craft, Pt.3 Ch. 1 Pt 1 C300 [2] - European New Car Assessment Programme, http://www.euroncap.com, 2007-03-20 [3] - Det Norske Veritas, High Speed, Light Craft and Naval Surface Craft, Pt.3 Ch. 4 Pt 5 [4] – Jolma, P, Damage Tolerance of laterally loaded sandwich panels, Part I : Literature survey, VTT, Espoo, 2001 [5] – Schultz, S, Olsson K-A, Impact-provning på paneler, Institutionen för lättkonstruktioner, KTH Stockholm, 1996 [6] – Jolma, P, Stength of damaged sandwich panels failing by foam core shear fracture propagation, VTT, Espoo 2003 [7] - Fracture Problems in the Transportation Industry, Abstract, P. Tong, O. Orringer, Cambridge Massachusetts USA, 1985 [8] – Wikipedia, the free encyklopedia, http://en.wikipedia.org/wiki/Robust, 2007-01-18 [9] – Answers.com – Online Dictionary, Encyclopedia and much more, http://www.answers.com/topic/durability, 2007-01-18 [10] - Answers.com – Online Dictionary, Encyclopedia and much more, http://www.answers.com/topic/damage-tolerance, 2007-01-18 [11] - Projektet "Robusthet i den fysiska miljön", Länsstyrelsen i Västra Götaland, 2001, http://www5.o.lst.se/projekt/robusthet/kap00_vad%20ar%20robusthet.htm, 2007-01-18 [12] - Utvärdering av Netscape Navigator 2.0, Nada KTH, 1996, http://www.student.nada.kth.se/~d94-mha/reports/GRIP5/kap4.html, 2007-01-18 [13] - C++-manual, Jan Ekholm, Åbo, 2000, http://www.infa.abo.fi/~chakie/kurser/c++/html/book1.html, 2007-01-18 [14] – www.dell.com, http://www1.euro.dell.com/content/topics/topic.aspx/emea/topics/solutions/roadready_test?c=se&l=sv&s=pub, 2007-01-18 [15] – Replik till "Några kommentarer till 'Evaluation of GLM in non-life insurance' av Stig Rosenlund, LF 2002-01-02/07" av Esbjörn Ohlsson, http://home.swipnet.se/stig-rosenlund/matstat/GLM-debatt-02.DOC, 2007-01-18 [16] - Lärobok i Fortran 90/95, Bo Einarsson, Linköping, 1994, 1997, 2004, http://www.nsc.liu.se/~boein/f90/k17.html, 2007-01-18

39

http://www.euroncap.com/http://en.wikipedia.org/wiki/Robusthttp://www.answers.com/topic/durabilityhttp://www.answers.com/topic/damage-tolerancehttp://www5.o.lst.se/projekt/robusthet/kap00_vad%20ar%20robusthet.htmhttp://www.student.nada.kth.se/%7Ed94-mha/reports/GRIP5/kap4.htmlhttp://www.infa.abo.fi/%7Echakie/kurser/c++/html/book1.htmlhttp://www.dell.com/http://www1.euro.dell.com/content/topics/topic.aspx/emea/topics/solutions/roadready_test?c=se&l=sv&s=pubhttp://www1.euro.dell.com/content/topics/topic.aspx/emea/topics/solutions/roadready_test?c=se&l=sv&s=pubhttp://home.swipnet.se/stig-rosenlund/matstat/GLM-debatt-02.DOChttp://home.swipnet.se/stig-rosenlund/matstat/GLM-debatt-02.DOChttp://www.nsc.liu.se/%7Eboein/f90/k17.html

[17] - Load shedding of fatigue fracture in ship structures, T. Xu, R. Bea, Dept. of Civil Engineering, University of California at Berkeley, Berkeley, USA, Dept. of Naval Architecture & Offshore Engineering och Dept. of Civil Engineering, University of California at Berkeley, Berkeley, USA, 1998

40

Abstract Sammanfattning 1. Inledning1.1 Bakgrund

2 Egentligen inte robust, snarare stryktålig 3 Bedömning av stryktålighet3.1 Standardisering3.2 Räkneexempel

4. Skador och provning 5. Framtida arbete Bilaga 1 - Informationssökning Bilaga 2 – Minnesanteckningar workshop 2007-05-14 Bilaga 3 - Referenser