Grundläggande forskning av den maximala kompressiva styrkan av förstyvade plåtstrukturer i fartyg vid Arktiska och kryogena temperaturer

Forskningsprojekt, 2019 – 2020

Stora konstruktioner så som broar, fartyg och offshoreinstallationer är konstruerade av metalliska material som har en unik strukturbärande förmåga om de används på rätt sätt i konstruktionselementen som formar dessa strukturer.
Konstruktionselementen består oftast av balkar och förstyvade plåtfält som svetsats samman för att forma dessa konstruktioner med så låg vikt som möjligt, med en samtidig optimerad, maximal bärande förmåga av alla laster som de antas utsättas för i den miljö där de är installerade eller verkar. Projektet studerar svetsade konstruktionselement som kallas för panelstrukturer. De utgör en viktig del av fartygens skrovbalk (botten, däck och sidobordläggning) och skall skydda lasten samt ta upp alla laster från vågor, vind och även den last de fraktar. Designen av panelstrukturerna följer en grundläggande och vedertagen metodik för säker design så att sannolikheten för totalkollaps skall vara minimal, i stor sett otänkbar. I denna metod – global styrkemetod ULS (Ultimate Limit State) – ingår t ex analys av osäkerheter i laster, osäkerheter i toleranser från tillverkningen, lastanalys vid laster i olika riktningar, osäkerheter i materialdata och materials egenskaper, geometriska avvikelser som kan bidra till bucklingskollaps, etc.Forskning inom materialvetenskap, konstitutiv modellering av metalliska material, produktions- och tillverkningsteknik har tillsammans skapat riktlinjer för hur panelstrukturer för olika tillämpningar skall utformas med hänsyn till de faktorer som kan vara ”osäkra” och variera från fall till fall. Det yttersta kriteriet i ULS-design är att säkerställa att en panelstruktur inte överskrider sin bucklingsgräns då den utsätts för tryckkrafter (kompression) i sitt plan. När buckling av panelen inträffar kan den förlora all sin lastbärande förmåga vilket kan leda till en katastrof. Det finns exempel där fartyg har förlist då buckling av botten inträffat på grund av att motståndet mot buckling har överskridits.Riskanalys är en viktig metod som kan användas för att säkerställa säker design med hänsyn till alla osäkerheter som finns. För att kunna genomföra en sådan analys måste statistik eller empiri finnas tillgänglig för att modellera osäkerheter eller karakterisera egenskaper som påverkar panelstrukturernas lastbärande förmåga i den miljö och för de laster där de finns installerade. Det råder stor brist på data och kunskap hur panelstrukturers bärförmåga och deras materials egenskaper påverkas vid låga temperatur (t ex i Arktiska temperaturer eller vid ett läckage av LNG som är ett bränsle som används allt mer i sjöfarten). Bristen på erfarenhet påverkar möjligheten att med stor trovärdighet använda sig av teoretiska modeller eller simuleringsmodeller för att försöka analysera och förstå hur panelstrukturers bucklingsegenskaper påverkas vid dessa låga temperaturer. Provning i fullskala måste därför göras för att förstå komplexiteten i problematiken samt för att kalibrera simuleringsmodellerna för att fånga alla mekanismer och faktorer som påverkar bucklingsförmågan.I det här projektet utreder vi genom fysisk provning på paneler i fullskala hur deras bucklingsegenskaper vid tryckkrafter i deras plan påverkas vid rumstemperatur, Arktisk temperatur och kryogen temperatur vid en LNG läcka. Försöken är mycket komplicerade och kräver unik precision och förberedelser där provobjektens topologi måste laserskannas, restspänningarna från tillverkningen måste mätas. Panelerna måste instrumenteras med en stor mängd givare och sensorer som kan klara av de låga temperaturerna som de utsätts för. Materialprovning för karakterisering av materialens egenskaper vid de olika temperaturerna sker parallellt för att beskriva materialens egenskaper korrekt i simuleringsmodellerna av försöken. Få försöksanläggningar i världen kan klara av att göra den här typen av provning. KOSORI i Sydkorea har lång erfarenhet av liknande försök (dock inte än vid kryogena förhållanden) och deras kompetens, erfarenhet och infra