Klassifikations- und Bauvorschriften V Berechnungstechnikrules.dnvgl.com/docs/pdf/gl/maritimerules/gl_v-1-2_d.pdf · 2012-05-11 · wand unterscheiden, wird detailliert im Abschnitt

Klassifikations- und Bauvorschriften V Berechnungstechnik

1 Schiffskörper-Entwurfsanalysen

2 Richtlinien für Betriebsfestigkeitsanalysen der Schiffskonstruktion

Ausgabe 2004

Diese Richtlinien treten am 1. August 2004 in Kraft.

Änderungen gegenüber der vorherigen Ausgabe sind durch Balken am Rande des Textes angezeigt.

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Es gelten die "Allgemeinen Geschäftsbedingungen" in der jeweils gültigen Fassung (siehe Klassifikations- und Bauvorschriften, I - Schiffstechnik, Teil 0 - Klassifikation und Besichtigungen).

Nachdruck oder Vervielfältigung, auch auszugsweise, ist nur mit Genehmigung der Germanischer Lloyd Aktiengesellschaft gestattet.

Verlag: Germanischer Lloyd Aktiengesellschaft, Hamburg Druck: Gebrüder Braasch GmbH, Hamburg

Inhaltsverzeichnis

Abschnitt 1 Allgemeines

A. Ziel der Richtlinien ..................................................................................................................... 1- 1 B. Ziel einer Betriebsfestigkeitsanalyse .......................................................................................... 1- 1 C. Berechnungsmethoden ............................................................................................................... 1- 1 D. Spannungsarten .......................................................................................................................... 1- 2

Abschnitt 2 Modellierung der Struktur

A. Allgemeines ................................................................................................................................ 2- 1 B. Berechnungsmodelle für globale und lokale Nennspannungen .................................................. 2- 1 C. Berechnungsmodelle für Strukturspannungen an Schweißverbindungen ................................... 2- 2 D. Berechnungsmodelle für Kerbspannungen an Plattenrändern .................................................... 2- 4

Abschnitt 3 Definition der Lastfälle und Ermittlung des Beanspruchungskollektivs

A. Allgemeines ................................................................................................................................ 3- 1 B. Vereinfachte deterministische Analyse ...................................................................................... 3- 1 C. Spektralmethode ......................................................................................................................... 3- 3 D. Simulation des Beanspruchungsablaufes .................................................................................... 3- 3

Abschnitt 4 Bewertung der Ergebnisse

A. Allgemeines ................................................................................................................................ 4- 1 B. Bewertung der Betriebsfestigkeit ............................................................................................... 4- 1

V - Teil 1 GL 2004

Inhaltsverzeichnis Kapitel 2Seite 3

Abschnitt 1

Allgemeines

Vorbemerkung

Der Nachweis einer ausreichenden Betriebsfestigkeit, d. h. der Festigkeit gegenüber Anrissbildung unter dynamischen Betriebsbelastungen, dient der Beurtei-lung und Verringerung der Anrisswahrscheinlichkeit von Bauteilen im Rahmen der konstruktiven Gestal-tung.

Aufgrund von Unwägbarkeiten im Lastprozess, von werkstoff- und fertigungsbedingten Streuungen sowie von Alterungseinflüssen lassen sich jedoch Anrisse im späteren Betrieb nicht vollständig ausschließen, wes-halb u. a. periodische Besichtigungen notwendig sind.

A. Ziel der Richtlinien

1. Die vorliegende Richtlinien geben ergänzen-de Hinweise zu den Bauvorschriften für Seeschiffe (Hinweise dieser Art beziehen sich im Folgenden auf den Abschnitt 20 des Kapitels 1 – Schiffskörper der Bauvorschriften, I – Schiffstechnik, Teil 1 – Seeschif-fe) hinsichtlich der Durchführung von Betriebsfestig-keitsanalysen der Schiffskonstruktion. Im Hinblick auf die Vielfalt schiffbaulicher Strukturdetails, unter-schiedlicher Lasteinflüsse und möglicher Berech-nungsmethoden müssen diese Richtlinien notwendi-germaßen relativ allgemein gehalten werden.

2. Entsprechend den Bauvorschriften für See-schiffe wird vorausgesetzt, dass die Bewertung der Betriebsfestigkeit auf der Basis von Entwurfswöhler-linien und der Palmgren-Miner-Regel zur Berücksich-tigung von Beanspruchungsabläufen mit variabler Amplitude erfolgt. In Fällen wie z. B. Anrissen oder teilweise durchgeschweißten Schweißnähten können andere Konzepte, z. B. auf bruchmechanischer Basis, zur Bewertung geeignet sein. Sie erfordern gegebe-nenfalls andere Berechnungsmodelle und -verfahren.

3. Zusätzlich zu den Hinweisen zur Durchfüh-rung von Betriebsfestigkeitsanalysen, die mit einigen Beispielen illustriert werden, sei auf die konstruktive Gestaltung beim Entwurf einer betriebsfesten Schiffs-struktur hingewiesen, die nach wie vor eine große Bedeutung besitzt, weil eine umfassende Bewertung aller Details unter Berücksichtigung aller möglichen Lasteinflüsse bislang nicht praktikabel ist.

B. Ziel einer Betriebsfestigkeitsanalyse

1. Das Ziel einer Betriebsfestigkeitsanalyse besteht i. A. in der:

– Identifikation zyklisch hochbeanspruchter Struk-turbereiche

– Analyse und Bewertung der Betriebsfestigkeit kritischer Strukturdetails

– Ermittlung von konstruktiven Alternativen

2. Die Identifikation zyklisch hochbeanspruch-ter Strukturbereiche erfordert die Berechnung der Spannungsschwingbreiten und Mittelspannungen in den betrachteten Bereichen für eine der unter D. ge-nannten Spannungsarten sowie eine geeignete Darstel-lung, aus der sich die kritischen Details ermitteln las-sen.

3. Die Analyse und Bewertung der Betriebsfes-tigkeit kritischer Strukturdetails sowie die Ermittlung von Alternativen erfolgt i. A. unter Berücksichtigung des erwarteten Beanspruchungsablaufes sowie der örtlichen Spannungserhöhung bzw. einer entsprechen-den Detailkategorie.

C. Berechnungsmethoden

1. Zur Berücksichtigung der in Schiffsverbän-den hinsichtlich Betriebsfestigkeit zumeist dominie-renden Seegangslasten bieten sich drei Methoden an:

– Vereinfachte deterministische Methode, siehe 2.

– Spektralmethode, siehe 3.

– Simulation des Beanspruchungsablaufes, siehe 4.

Auf die drei Methoden, die sich im Berechnungsauf-wand unterscheiden, wird detailliert im Abschnitt 3 eingegangen.

2. Bei der vereinfachten deterministischen Ana-lyse werden ausgewählte Lastsituationen betrachtet und daraus Beanspruchungskollektive für die gesamte Betriebsdauer unter Verwendung der Annahmen aus den Bauvorschriften für Seeschiffe für die nachfol-gende Bewertung abgeleitet.

V - Teil 1 GL 2004

Abschnitt 1 Allgemeines Kapitel 2Seite 1–1

C

3. Bei Anwendung der Spektralmethode wird die Strukturantwort auf stochastische Lastprozesse im Frequenzbereich ermittelt und mit statistischen Me-thoden das Beanspruchungskollektiv für die gesamte Betriebsdauer zur nachfolgenden Bewertung be-stimmt.

4. Im Unterschied zur Spektralmethode erfolgt die Simulation des Beanspruchungsablaufes im Zeit-bereich, wodurch die direkte Berücksichtigung nicht-linearer Einflüsse im Last- sowie Schädigungsprozess ermöglicht wird.

5. Die Wahl der Methode hängt in erster Linie davon ab, ob die jeweiligen Vereinfachungen und Annahmen akzeptable Ergebnisse erwarten lassen. Bei der vereinfachten deterministischen Methode, die aus praktischen Gesichtspunkten derzeit am häufigsten angewendet wird, steht insbesondere die Frage im Vordergrund, ob die ausgewählten Lastsituationen die maßgeblichen Beanspruchungen zutreffend beschrei-ben und ob aufgrund der Erfahrung und/oder ähnlicher Berechnungen die Form und der Umfang des Bean-spruchungskollektivs hinreichend genau abgeschätzt werden können. Bei Anwendung der Spektralmethode ist zu prüfen, inwieweit Vereinfachungen wie die Vernachlässigung oder näherungsweise Berücksichti-gung nichtlinearer Einflüsse gerechtfertigt ist. Bei der Simulation des Beanspruchungsablaufes steht die Frage einer ausreichenden Simulationsdauer im Vor-dergrund, die genügend genaue Schlussfolgerungen auf die gesamte Betriebszeit ermöglicht.

D. Spannungsarten

1. Abhängig vom jeweils betrachteten Detail beruht die Betriebsfestigkeitsanalyse i. A. auf einer der folgenden drei Spannungsarten:

– Nennspannung σn, siehe 2.

– Struktur- oder Hot-Spot-Spannung σs an Schweißnahtübergängen, siehe 3.

– Kerbspannung σk an gerundeten Plattenkanten, siehe 4.

2. Bei Schweißkonstruktionen beruht die Be-triebsfestigkeitsanalyse i. a. auf der Nennspannung σn im jeweiligen Bauteil am Ort des betrachteten Details und einer geeigneten Kerbfallzuordnung entsprechend dem Kerbfallkatalog in den Bauvorschriften für See-schiffe, der auch die Richtung der relevanten Span-nungskomponente beschreibt. Die Nennspannung wird normalerweise aus integralen Last- und Querschnitts-

werten (Kräfte oder Momente bzgl. Fläche oder Wi-derstandsmoment) oder aus relativ grob eingeteilten Finite-Elemente-Modellen ermittelt. Die mittragenden Breiten sind zu berücksichtigen. Weitere Hinweise zur Ermittlung von Nennspannungen aus Finite-Elemente-Analysen enthält Kapitel 1 – Richtlinien für Festig-keitsanalysen der Schiffskonstruktion mit der Methode der finiten Elemente.

3. Schweißkonstruktionen, für die eine Kerb-fallzuordnung nicht möglich ist oder bei der zusätzli-che Beanspruchungen auftreten, die nicht oder nicht ausreichend im katalogisierten Kerbfall berücksichtigt werden, können hinsichtlich der Anrissgefährdung an Nahtübergängen auf der Basis der Struktur- oder Hot-Spot-Spannung σs am Nahtübergang bewertet werden, welche die Spannungserhöhung infolge der Struktur-geometrie, nicht aber diejenige des Nahtübergangs enthält. Fallweise können Strukturformzahlen Ks zur Ermittlung der Strukturspannung σs verwendet wer-den,

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die aus parametrischen Untersuchungen stammen. Hierbei sind die Definition der Nennspannung sowie die Gültigkeitsbereiche der parametrischen Formeln bzw. Diagramme zu beachten. Die Bewertung der Betriebsfestigkeit erfolgt mit Hilfe spezieller Wöhler-linien bzw. Detailkategorien für Strukturspannungen, vgl. Bauvorschriften für Seeschiffe.

4. Freie Plattenkanten werden i. a. auf der Basis der Kerbspannung σk bewertet, die für ideal-elastisches Werkstoffverhalten ermittelt wird. Fallwei-se kann die Kerbspannung mit Hilfe der theoretischen Kerbformzahl Kt aus parametrischen Untersuchungen ermittelt werden:

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Hierbei sind die Definition der Nennspannung sowie die Gültigkeitsbereiche der parametrischen Formeln bzw. Diagramme zu beachten. Die Bewertung der Betriebsfestigkeit erfolgt mit Hilfe spezieller Wöhler-linien bzw. Detailkategorien für freie Plattenkanten.

5. Bezüglich weiterer Spannungsarten, z. B. der Kerbspannung an Schweißnahtübergängen, der elas-tisch-plastischen Spannung und Dehnung im Kerb-grund oder der Spannungsintensität an Riss- oder Kerbspitzen, sei auf die weiterführende Fachliteratur verwiesen.

Kapitel 2 Seite 1–2

Abschnitt 1 Allgemeines V - Teil 1GL 2004

D

Abschnitt 2

Modellierung der Struktur

A. Allgemeines

1. Bei der Modellierung der Struktur ist in erster Linie darauf zu achten, dass die der Bewertung zugrunde liegende Spannungsart am betrachteten Detail mit genügender Genauigkeit ermittelt werden kann.

2. Zur Ermittlung bieten sich i. A. zwei Metho-den an:

– analytische Methoden, z. B. auf der Grundlage der Balkenstatik, die normalerweise Nennspan-nungen ergeben

– numerische Methoden, z. B. auf der Grundlage der Methode der finiten Elemente, die sich vor allem zur Spannungsanalyse geometrisch kom-plexer Strukturen einschließlich der örtlichen Spannungserhöhungen eignen

3. Nachfolgend werden spezielle Hinweise zur Modellierung der Struktur im Hinblick auf die Ermitt-lung der jeweiligen Spannungsart gegeben, siehe Abschnitt 1, D. Weitere Hinweise enthält Kapitel 1 –Richtlinien für Festigkeitsanalysen der Schiffskon-struktion mit der Methode der finiten Elemente.

B. Berechnungsmodelle für globale und loka-le Nennspannungen

1. Die Berechnung von Nennspannungen erfolgt i. A. mit Hilfe von Balkenmodellen des Schiffskör-pers, der Hauptverbände sowie der untergeordneten Bauteile (Spanten, Balken, Steifen) oder mit Hilfe von relativ groben Finite-Elemente-Modellen dieser Bau-teile. Letztere werden vor allem bei komplexeren Strukturen und Lastverhältnissen empfohlen.

2. Normalerweise wird zwischen globalen Spannungen in Hauptverbänden und zusätzlichen lokalen Spannungen in untergeordneten Bauteilen unterschieden, vgl. Abb. 2.1. Letztere beinhalten die Biegespannung in Steifen und Platten. Bei Betriebs-festigkeitsanalysen ist generell die überlagerte Wir-kung aus beiden Anteilen zu berücksichtigen.

3. Die Ausdehnung des Modells wird vor allem von der Frage bestimmt, ob und wie bei Teilmodellen der Struktur sinnvolle Randbedingungen formuliert werden können. Abb. 2.2 zeigt ein typisches Gesamt-modell der Schiffsstruktur mit relativ grober Element-teilung. Als Ergebnis erhält man globale Nennspan-nungen in den Hauptverbänden, denen die lokalen Nennspannungen sowie ggf. Effekte der mittragenden Breite zu überlagern sind.

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Abb. 2.1 Globale und lokale Spannungen

V - Teil 1 GL 2004

Abschnitt 2 Modellierung der Struktur Kapitel 2Seite 2–1

B

Abb. 2.2 Gesamtmodell der Schiffsstruktur

4. Die resultierenden Nennspannungen können:

– direkt in Verbindung mit einer entsprechenden Detailkategorie bewertet werden

– mit Formzahlen Kt bzw. Ks in örtlich erhöhte Kerbspannungen σk bzw. Strukturspannungen σs umgerechnet und bewertet werden, vgl. Abschnitt 1, D.3. bzw. Abschnitt 1, D.4.

– als Randbedingung für lokale Modelle des be-trachteten Strukturdetails dienen (alternativ wer-den vielfach auch Verformungen an den Modell-rändern vorgegeben), siehe auch C. und D.

5. Es sei darauf hingewiesen, dass zur Bewer-tung eines von der Wurzel einer Schweißnaht ausge-henden Anrisses die Nennspannung auf den Nahtquer-schnitt umgerechnet werden muss, vgl. entsprechende Kerbfälle in den Bauvorschriften für Seeschiffe.

C. Berechnungsmodelle für Strukturspan-nungen an Schweißverbindungen

1. Struktur- bzw. Hot-Spot-Spannungen werden i. A. mit Hilfe von lokalen Modellen der Schiffsstruk-tur bestimmt. Die Ausdehnung des Modells ist so zu wählen, dass Randeinflüsse auf den betrachteten Strukturbereich hinreichend klein sind und sinnvolle Randbedingungen formuliert werden können.

2. Grundsätzlich ist zu unterscheiden zwischen zwei Typen von Nahtübergängen an Kehl- und K-Nähten:

Typ a): auf Plattenoberflächen, z. B. an Quersteifen oder an der umschweißten Zehe eines Knie-bleches

Typ b): an Plattenkanten, z. B. am Ende einer Schnittkante.

Abb. 2.3 zeigt beide Nahtübergänge am Beispiel einer Schweißkonstruktion. Es ist zu beachten, dass die örtliche Plattenbiegung vor allem beim Typ a) die Strukturspannung erheblich beeinflussen kann.

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Abb. 2.3 Typen von Nahtübergängen

3. Bei Anwendung der Methode der finiten Elemente werden wegen des Einflusses der Platten-biegung entweder Modelle mit Platten- bzw. Schalen-elementen oder Modelle mit Volumenelementen emp-fohlen. Dabei ist zu beachten, dass einerseits die An-ordnung und Art der verwendeten Elemente die Aus-bildung der Plattenbiegung ermöglichen müssen, an-dererseits nur der lineare Anteil der Spannungsvertei-lung über der Plattendicke entsprechend der Definition der Strukturspannung (d. h. Ausschluss lokaler Span-nungserhöhungen infolge des Nahtübergangs) auszu-werten ist. Abb. 2.4 zeigt den Zusammenhang zwi-schen den verschiedenen Spannungsarten am Naht-übergang Typ a) bzw. Typ b).

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Abb. 2.4 Spannungsarten am Nahtübergang

4. Empfohlene Netzteilungen mit Platten- und Volumenelementen sind in Abb. 2.5 an einem Beispiel dargestellt.

Bei Verwendung von Platten- bzw. Schalenelementen, die jeweils in der Plattenmitte anzuordnen sind, wird i. A. auf die Modellierung der Schweißnaht verzichtet. Ausnahmen hiervon sind Plattenversätze (z. B. Dopp-lungen) oder dicht nebeneinander liegende Nähte, bei denen die Steifigkeit der Naht z. B. durch schräg ge-stellte Elemente, verstärkte Elementstreifen (Abb. 2.6) oder Kopplungsbedingungen (oder starre Verbindun-


Abschnitt 2 Modellierung der Struktur V - Teil 1GL 2004

C

gen) zum Koppeln der Knotenverschiebungen und -verdrehungen berücksichtigt werden kann. Generell sollten Platten- bzw. Schalenelemente gewählt wer-den, die in ihrer Ebene verbesserte Verformungsansät-ze aufweisen.

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Abb. 2.5 Typische Netzteilungen und Auswerte-pfade

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Abb. 2.6 Vereinfachte Modellierung von Kehl-nähten

Bei Verwendung von Volumenelementen kann die Schweißnaht sehr einfach mit prismatischen Elemen-ten modelliert werden, vgl. Abb. 2.5. Bei isopara-metrischen 20-Knoten-Elementen genügt wegen des quadratischen Verschiebungsansatzes und der linearen Spannungsverteilung jeweils ein Element in Platten-dickenrichtung. Bei reduzierter Integrationsordnung können dann die Spannungen direkt linear zur Ele-mentoberfläche und anschließend zum Nahtübergang extrapoliert werden.

5. Bei beiden Modellierungsarten sollten die Abmessungen der ersten beiden Elemente vor dem Nahtübergang wie folgt gewählt werden:

– Nahtübergänge vom Typ a):

Die Elementlänge sollte der Plattendicke t ent-sprechen. In Querrichtung kann bei Plattenele-menten ebenfalls die Plattendicke t gewählt wer-den. Allerdings sollte die Gesamtbreite der bei-den Plattenelemente bzw. des Volumenelements vor dem Nahtübergang die Anschlussbreite w nicht überschreiben, wobei w die Dicke der oberhalb bzw. unterhalb angeschlossenen Platte zzgl. der zweifachen Schenkellänge der Naht ist, siehe Abb. 2.5.

– Nahtübergänge vom Typ b):

Die Elementlänge und -tiefe sollte an Platten-kanten 10 mm betragen. Aufgrund des hohen Spannungsanstiegs an diesen Stellen sind gene-rell höherwertige Elemente mit Kantenmittel-knoten oder Plattenelemente mit verbesserten Verformungsansätzen in ihrer Ebene zu ver-wenden.

6. Die Spannungen an der Plattenoberfläche oder an der Plattenkante sind über zwei Elemente linear zum Nahtübergang zu extrapolieren, vgl. Abb. 2.4. Abb. 2.5 zeigt die empfohlenen Auswerte- und Extrapolationspfade entlang der Elementkanten bzw. Mittelpunkte der Elementoberflächen. Die Spannun-gen an den dargestellten Stützpunkten können i. A. durch Mittelung der Elementspannungen an den be-nachbarten 2 bzw. 4 Eckknoten ermittelt werden. An Plattenkanten (Typ b) braucht die ggf. vorhandene Biegespannung nur zur Hälfte berücksichtigt zu wer-den.

Bei nicht modellierter Naht sind die Spannungen zur Schnittlinie der modellierten Platten zu extrapolieren. Ist bei mehrachsigem Spannungszustand die Span-nungskomponente senkrecht zum Nahtübergang klei-ner als die größte Hauptspannung in einem Sektor von ± 60° zu dieser Richtung, wird die letztere zur maß-geblichen Strukturspannung.

V - Teil 1 GL 2004

Abschnitt 2 Modellierung der Struktur Kapitel 2Seite 2–3

C

Es ist zu beachten, dass die lineare Spannungsextrapo-lation mit der unter 5. empfohlenen Netzfeinheit ge-koppelt ist, bei der die Spannungen im 1. Stützpunkt leicht überschätzt werden. Bei feinerer Elementteilung oder Messung werden die vom internationalen Schweißverband angegebenen Stützpunkte zur Span-nungsextrapolation empfohlen.

7. Mögliche Anrisse von der Nahtwurzel ausge-hend erfordern die zusätzliche Berechnung und Be-wertung der Nennspannung in den Nahtquerschnitten, siehe B.5.

D. Berechnungsmodelle für Kerbspannungen an Plattenrändern

1. Kerbspannungen werden i. A. mit Hilfe von lokalen Modellen der Schiffsstruktur bestimmt. Die Ausdehnung des Modells ist so zu wählen, dass Rand-einflüsse auf den betrachteten Strukturbereich hinrei-chend klein sind und sinnvolle Randbedingungen formuliert werden können.

2. Bei der Ermittlung der Kerbspannung σk an Plattenkanten (z. B. an Ausschnitträndern) unter An-nahme ideal-elastischen Werkstoffverhaltens sind vor allem die Spannungen in der Plattenmittelebene von Bedeutung. Daher ist in den meisten Fällen eine Mo-dellierung der Plattenfläche mit Membranelementen ausreichend, solange die Biegesteifigkeit der Platte für die Lastverteilung in den Bauteilen unbedeutend ist.

3. In Kerbbereichen ist die Netzteilung so vor-zunehmen, dass die Spannungen am Plattenrand genü-gend genau ermittelt werden. Bei Elementen mit linea-rem Verschiebungsansatz sind i. A. mindestens acht, sonst mindestens fünf Elemente entlang eines Viertel-kreises anzuordnen. In radialer Richtung muss das

Netz zur Erfassung des Spannungsgradienten ebenfalls genügend fein eingeteilt werden. Es wird empfohlen, die Kantenlänge in radialer Richtung höchstens so groß wie in tangentialer Richtung zu wählen. Die Elementteilung für die Spannungsanalyse eines Aus-schnittes in einem Trägersteg ist beispielhaft in Abb. 2.7 gezeigt.

Abb. 2.7 Typische Netzteilung zur Ermittlung der Kerbspannungen an Ausschnitträndern

4. Steifen und Hauptverbände in Nähe der be-trachteten Kerbbereiche sind i. A. in die Modellierung einzubeziehen. Es wird eine räumliche Modellierung empfohlen, wobei auch auf eine realistische Darstel-lung der Bauteilenden zu achten ist, z. B. bei freige-schnittenen Steifenenden.

5. Die Auswertung der Ergebnisse lässt sich vereinfachen, wenn an den Plattenkanten Stabelemen-te mit vernachlässigbar kleinem Querschnitt angeord-net werden, welche die Steifigkeit der Struktur nicht beeinflussen, jedoch unmittelbar die Randspannungen liefern.


Abschnitt 2 Modellierung der Struktur V - Teil 1GL 2004

D

Abschnitt 3

Definition der Lastfälle und Ermittlung des Beanspruchungskollektivs

A. Allgemeines

1. Im Folgenden werden weitere Hinweise zu den drei in Abschnitt 1, C. erwähnten Berechnungs-methoden gegeben. Dabei werden lediglich Lasten aus unterschiedlichen Beladungsfällen sowie aus Seegän-gen betrachtet. Weitere Lasteinflüsse, die bei be-stimmten Schiffstypen relevant sein können, lassen sich in entsprechender Weise behandeln.

2. Hinsichtlich der Berücksichtigung der Bela-dungsfälle ergeben sich entsprechend den Bauvor-schriften für Seeschiffe zwei Möglichkeiten:

– Annahme des für das betrachtete Detail ungüns-tigsten Ladefalls hinsichtlich Betriebsfestigkeit, d. h. hinsichtlich der Mittelspannung und Span-nungsschwingbreiten

– Annahme von mehreren repräsentativen Bela-dungsfällen, die einerseits typisch für das be-trachtete Schiff sind, andererseits unterschiedli-che Ladungs- und Ballastverteilungen sowie mehrere Tiefgänge beinhalten. Zumeist genügen 4 – 12 Ladefälle, die

– hohe Hogging- und Sagging-Biegemomente im Schiffskörper verursachen,

– den Ballast- und voll beladenen Zustand sowie ggf. einen Zwischenzustand enthal-ten, sowie

– Beladungsverteilungen mit hohen Bean-spruchungen im Boden und in den Schotten beinhalten.

Hinsichtlich der Vorräte ist die Betrachtung des Zu-stands "halbe Vorräte" i. A. ausreichend.

Bei umfassenden Betriebsfestigkeitsanalysen ver-schiedener Strukturbereiche müssen in der Regel meh-rere Beladungszustände analysiert werden, da für verschiedene Details sich ungünstige Verhältnisse aus unterschiedlichen Beladungen ergeben können.

B. Vereinfachte deterministische Analyse

1. Bei vereinfachten deterministischen Analysen werden für den oder die betrachteten Ladefälle un-günstige Situationen im Seegang im Hinblick auf die maximal zu erwartende Spannungsschwingbreite Δσmax und zugehörige Mittelspannung σm ausge-wählt.

2. Die anzusetzenden Lasten im Seegang sowie die Lastkombinationsfaktoren ergeben sich aus den Annahmen der Bauvorschriften für Seeschiffe. Dabei ist zu beachten, dass bestimmte Lastkomponenten (z. B. horizontale Biegemomente oder Torsionsmo-mente) vorzeichengerecht zu überlagern sind.

3. Generell sollten Lastkombinationen (vgl. Abb. 3.1) mit

– See von vorn/achtern (max. vertikale Biegemo-mente im Schiffskörper; entsprechend erhöhter bzw. reduzierter Seiten- und Bodendruck im Vorschiffs-, Mittschiffs- und Hinterschiffsbe-reich)

– See schräg von achtern/vorn (reduzierte vertika-le Biegemomente im Schiffskörper; max. hori-zontale Biege- und Torsionsmomente; max. Querbeschleunigung bzw. Tankdrücke mit ent-sprechendem Gegendruck von außen)

betrachtet werden. Im zweitgenannten Fall kann - abhängig vom untersuchten Bauteil - die Betrachtung der aufrechten wie gekrängten Lage des Schiffskör-pers erforderlich sein. Dabei können sich ungünstige Lastkombinationen an der Steuerbord- oder Backbord-seite ergeben.

4. Nach Ermittlung der maximalen Spannungs-schwingbreite Δσmax und der zugehörigen Mittelspan-nung σm für jeden Ladefall werden die weiteren Daten zum Kollektiv der Spannungsschwingbreiten auf der Basis der Bauvorschriften für Seeschiffe abgeschätzt. Für seegangsbedingte Spannungen wird i. A. eine Geradlinienverteilung in halblogarithmischer Darstel-lung sowie eine gesamte Lastspielzahl von nmax = 5 ⋅ 107 während der Betriebszeit von ca. 20 Jahren angenommen, vgl. auch I – Schiffstechnik, Teil 1 – Seeschiffe, Kapitel 1 – Schiffskörper, Abschnitt 20, A.2.4.

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C. Spektralmethode

1. Bei Anwendung der Spektralmethode werden für jeden betrachteten Ladefall folgende Berechnungs-schritte durchgeführt:

1.1 Berechnung der Strukturantwort (Spannung) in Form von Übertragungsfunktionen (response ampli-tude operator RAO) für Wellen unterschiedlicher Länge. Für diese werden verschiedene Begegnungs-winkel angesetzt.

1.2 Berechnung des Spannungsspektrums für alle betrachteten Seegänge und Ermittlung einer Vertei-lung der Spannungsschwingbreiten.

1.3 Aufstellung des Langzeitkollektivs der Span-nungsschwingbreiten unter Berücksichtigung der Auftretenshäufigkeit der einzelnen Seegänge.

In den folgenden Absätzen werden Hinweise zu den notwendigen Annahmen gegeben. Weitere Einzelhei-ten sind der Fachliteratur zu entnehmen.

2. Die Wellenlastfälle im ersten Schritt (vgl. 1.1) sollten mit einer Wellenamplitude berechnet werden, die im Bereich der maximalen Schädigung aufgrund der Lastwechselzahl liegt (Größenordnung: 1 m). Sofern kein Fahrtprofil spezifiziert wird, werden als Schiffsgeschwindigkeit i. A. 2/3 der Dienstge-schwindigkeit angenommen. Die Wellenlängen sollten so gewählt werden, dass die Druckschwankungen aus den kürzeren Wellen sowie die Roll-, Tauch- und Stampfresonanzen des Schiffskörpers abgedeckt sind und dass ausreichend viele Werte vorhanden sind, die eine genügend genaue Beschreibung der Übertra-gungsfunktion zwischen Wellenamplitude und Struk-turantwort ermöglichen (i. A. 15 – 25 Wellenlängen). Für jede Wellensituation werden zwei phasenverscho-bene Zustände betrachtet, um den Realteil und Imagi-närteil des harmonischen Lastprozesses zu erhalten. Der Begegnungswinkel sollte in Schritten von 30° variiert werden, wobei die Laufrichtung quer zum Schiff i. A. einer besonderen Betrachtung bedarf. Werden Wellenlaufrichtungen nur von einer Schiffs-seite betrachtet, müssen die Ergebnisse für das ent-sprechende Detail auf der anderen Schiffsseite in die Auswertung einbezogen werden.

3. Für alle durch die Langzeitstatistik erfassten Seegänge werden im zweiten Schritt (vgl. 1.2) die Spannungsspektren für die verschiedenen Ladefälle und Begegnungswinkel durch Multiplikation der quadrierten Übertragungsfunktion mit den einzelnen Seegangsspektren ermittelt. Für die Seegangsspektren kann i. A. eine zweiparametrige Standardverteilung (z. B. nach Pierson-Moskowitz) angenommen werden. Die Häufigkeitsverteilung der Spannungsschwingbrei-ten ergibt sich näherungsweise aus den spektralen Momenten und der Annahme eines schmalbandigen Gauß'schen Zufallprozesses (Rayleigh-Verteilung der Maxima). Eine Korrektur für die Breitbandigkeit des

Lastprozesses kann nach veröffentlichten Verfahren erfolgen, ihre Vernachlässigung führt i. A. zu leicht konservativen Ergebnissen.

Wesentliche nichtlineare Einflüsse hinsichtlich der Schädigung sollten berücksichtigt werden. Hierzu gehören die nichtlinear von der Wellenhöhe abhän-genden Druckschwankungen an der Schiffsseite in der Nähe der Glattwasserlinie, bedingt durch das zeitweise Ein- und Austauchen des betrachteten Strukturberei-ches. Hinsichtlich möglicher Verfahren zur Berück-sichtigung dieses Einflusses wird auf die Fachliteratur verwiesen.

4. Als Langzeitstatistik der Seegänge werden i. A. die Daten für den Nordatlantik verwendet, siehe Tabelle 3.1. Für die Begegnungswinkel wird norma-lerweise eine Gleichverteilung vorausgesetzt, sofern keine genauen Daten vorliegen. Als gesamte Betriebs-dauer werden i. A. 20 Jahre angesetzt. Damit ergibt sich für die einzelnen Laufrichtungen und ggf. Lade-fälle die Gesamtdauer der einzelnen Seegänge. Hier-aus und aus der mittleren Periode der Strukturantwort ergibt sich die Lastspielzahl zum zugehörigen Kollek-tiv der Spannungsschwingbreiten. Durch Aufsummie-ren der Teilkollektive kann dann das Langzeitkollektiv der Spannungsschwingbreiten ermittelt werden.

5. Es wird empfohlen, das Langzeitkollektiv der Spannungsschwingbreiten am betrachteten Konstruk-tionsdetail getrennt für die verschiedenen Ladungsver-teilungen zu ermitteln, da sie mit unterschiedlichen Mittelspannungen in die Bewertung eingehen können. Dabei sollte für jeden einzelnen Ladefall zuerst einmal die Gesamtdauer von 20 Jahren angenommen werden. Hierdurch lassen sich die Ergebnisse direkt verglei-chen und es bleibt die Möglichkeit erhalten, die Be-wertung sowohl für beliebige Kombinationen der Ladefälle als auch alleine nach dem kritischen Lade-fall vorzunehmen.

D. Simulation des Beanspruchungsablaufes

1. Es existieren verschiedene Möglichkeiten zur Simulation des Beanspruchungsablaufes, u. a.:

a) Simulation des Spannungsablaufes auf der Basis berechneter Kollektive der Spannungsschwing-breiten für einzelne Seegänge

b) Simulation des vollständigen Bewegungs- und Lastprozesses für die gesamte Schiffsstruktur.

In jedem Fall werden für die untersuchten Ladefälle verschiedene Seegänge und Begegnungswinkel be-trachtet, aus denen in ähnlicher Weise wie unter C.4. beschrieben auf das Langzeitkollektiv der Spannungs-schwingbreiten geschlossen wird.

2. Die Methode a) baut auf Berechnungen zur Strukturantwort auf, wie sie unter C.2. – C.3. im Zu-

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sammenhang mit der Spektralmethode beschrieben sind, so dass gleiche Voraussetzungen gelten. Der Vorteil der Simulation liegt in der Ermittlung des zeitlichen Beanspruchungsablaufes, der eine verfeiner-te Bewertung des Schädigungsprozesses, z. B. durch Berücksichtigung von Reihenfolgeeinflüssen oder werkstoffbedingten Nichtlinearitäten in entsprechen-den Konzepten ermöglicht.

3. Dagegen erlaubt die Methode b) zusätzlich eine realitätsnahe Berücksichtigung von Nichtlineari-täten im Lastprozess, die bei bestimmten Schiffstypen von Bedeutung sein können.

4. Die betrachteten Ladefälle und Seegänge sowie die Dauer der Simulation sind so zu wählen, dass abgesicherte statistische Aussagen hinsichtlich der gesamten Betriebsdauer getroffen werden können.

5. Aus dem ermittelten Beanspruchungsablauf sind die maßgeblichen Parameter für die Bewertung (z. B. größte Spannungsschwingbreite Δσmax, Kollek-tivform und zugehörige Mittelspannung σm) unter Anwendung der Rainflow-Zählmethode zu ermitteln.

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Tabelle 3.1 Wellenklimadiagramm für den Nordatlantik

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V - Teil 1 GL 2004



D

Abschnitt 4

Bewertung der Ergebnisse

A. Allgemeines

1. Die Berechnung der Beanspruchungen und die Bewertung der Betriebsfestigkeit sollten für eine möglichst große Zahl von Strukturdetails erfolgen, damit kritische Bereiche sicher erkannt und Gegen-maßnahmen getroffen werden können.

2. Einen Überblick über eine mögliche Anriss-gefährdung geben:

– die Darstellung maximaler Spannungsschwing-breiten in der analysierten Struktur, wobei im Fall von Nennspannungen zusätzlich die örtli-chen Spannungserhöhungen bzw. die Detailka-tegorien der Strukturdetails zu beachten sind.

– vorliegende Erfahrungen mit in Fahrt befindli-chen Schiffen, die darauf hindeuten, dass vor al-lem

– die Längsverbände in der oberen und unte-ren Gurtung (außer an den Schiffsenden) aufgrund der Schiffskörperbiegung,

– die Längs- und Querverbände an den Schiffsseiten aufgrund örtlicher Druck-schwankungen,

– die Bauteile im Bereich der Hauptantriebs- und Manövrieranlagen

sowie generell Diskontinuitäten in durchlaufenden Verbänden gefährdet sind.

Die Ermüdungswahrscheinlichkeit steigt bei Verwen-dung von höherfestem Stahl infolge der erhöhten Nennspannung an, wenn nicht durch verbesserte kon-struktive Gestaltung und/oder höhere Fertigungsquali-tät ein Ausgleich geschaffen wird.

B. Bewertung der Betriebsfestigkeit

1. Die Bewertung der Betriebsfestigkeit erfolgt entweder

– auf der Basis einer Schadensrechnung mit Hilfe der Palmgren-Miner-Regel oder

– bei standardisierten Beanspruchungskollektiven mit Hilfe der zulässigen maximalen Spannungs-schwingbreite Δσp.

2. Die mit der Palmgren-Miner-Regel ermittelte Schadenssumme darf i. A. den Grenzwert D* nicht überschreiten:

*i

i

nD D

N⎛ ⎞

= ∑ ≤⎜ ⎟⎝ ⎠

ni = Anzahl der Spannungszyklen für den Block i des Langzeitkollektivs, das in mindestens 20 Blöcke zu unterteilen ist

Ni = Anzahl der ertragbaren Spannungszyklen, die sich auf der Basis der Entwurfswöhlerlinie für das betrachtete Detail ergibt. Dabei ist die Entwurfswöhlerlinie hinsichtlich mehrerer Einflussfaktoren entsprechend den Angaben in den Bauvorschriften für Seeschiffe zu kor-rigieren, u. a. hinsichtlich der Mittelspan-nung.

D* = in den Bauvorschriften für Seeschiffe defi-nierter Grenzwert, vgl. Abschnitt 1, A.1.

Die Entwurfslebensdauer L ergibt sich aus:

L 20 Jahre D=

3. Werden mehrere Beladungsverteilungen analysiert, kann die Bewertung auf zwei Arten erfol-gen, sofern für jede Ladungsverteilung j die Schadens-summe Dj für eine Betriebsdauer von 20 Jahren ermit-telt wurde (vgl. Abschnitt 3, C.5.):

– Es wird nur der kritische Ladefall betrachtet:

( ) *jMax D D≤

– Es wird die Schädigung infolge aller Ladungs-verteilungen unter Berücksichtigung der jewei-ligen Auftretenshäufigkeit Pj (Σ Pj = 1) betrach-tet:

( ) *j jP D 0,7 D∑ ⋅ ≤

Hierbei wird ein reduzierter Grenzwert der Schadenssumme angesetzt, weil in der Realität gegenüber den Annahmen ungünstigere Häufig-keiten einzelner Ladefälle auftreten können und weil die zusätzliche Schädigung infolge des Wechsels zwischen den einzelnen Ladungsver-teilungen nicht berücksichtigt ist. Alternativ können die zusätzlichen Lastwechsel aus den Ladungsänderungen in die Schadensrechnung unter Beachtung der Rainflow-Zählmethode

V - Teil 1 GL 2004

Abschnitt 4 Bewertung der Ergebnisse Kapitel 2Seite 4–1

B

einbezogen werden und konservative Annahmen zur Auftretenshäufigkeit der einzelnen La-dungsverteilungen getroffen werden.

4. Bei standardisierten Beanspruchungskollekti-ven ist das Bewertungskriterium:

max pΔσ ≤ Δσ

Δσmax = maximale Spannungsschwingbreite im Kollektiv

Δσp = zulässige Spannungsschwingbreite

Die zulässige Spannungsschwingbreite ergibt sich unmittelbar aus den Bauvorschriften für Seeschiffe unter Berücksichtigung der jeweiligen Detailkategorie bzw. Entwurfswöhlerlinie sowie mehrerer Einflussfak-toren, z. B. der Mittelspannung.

5. Es wird empfohlen, die Bewertung der Er-gebnisse auf der Basis des Auslastungsgrades U bzgl. Spannungsschwingbreiten vorzunehmen:

max

pU

Δσ=

Δσ

Bei Verwendung der Palmgren-Miner-Regel ergibt sich Δσp aus der Bedingung, dass mit einem äquiva-lenten Kollektiv der Spannungsschwingbreiten, d. h. mit gleicher Form und Lastspielzahl, gerade der Grenzschaden D* nach B.2 erreicht wird. Die Ver-wendung des Auslastungsfaktors hat den Vorteil, dass durch den Bezug auf Spannungen direkte Schlussfol-gerungen hinsichtlich einer notwendigen Verringerung der Spannungen oder möglichen Erhöhung der Detail-kategorie gezogen werden können. Zum Beispiel muss bei U = 1,2 entweder die Spannung um 20 % reduziert oder die Detailkategorie um 20 % erhöht werden.


Abschnitt 4 Bewertung der Ergebnisse V - Teil 1GL 2004

B

Documents

Klassifikations- und Bauvorschriften V Berechnungstechnikrules.dnvgl.com/docs/pdf/gl/maritimerules/gl_v-1-2_d.pdf · 2012-05-11 · wand unterscheiden, wird detailliert im Abschnitt