Engineering strategies for designing lightweight ship windows

Thumbnail Image

Files

isbn9789526420691.pdf (29.15 MB)

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

School of Engineering | Doctoral thesis (article-based) | Defence date: 2024-12-05
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.

Authors

Date

2024

Department

Energia- ja konetekniikan laitos
Department of Energy and Mechanical Engineering

Major/Subject

Mcode

Degree programme

Language

en

Pages

91 + app. 87

Series

Aalto University publication series DOCTORAL THESES, 215/2024

Abstract

Modern cruise ships employ many insulating glass unit (IGU) type windows around the superstructure for increased passenger experience. The IGUs have become weight-critical structures that require weight optimization for better overall vessel efficiency. The optimization is challenged by the lack of details and accurate design methods in the early design phase, where the window's major parameters are decided. Therefore, this dissertation aims to improve the IGU design framework during the ship's early design phase to determine the glass pane thickness for reduced weight. The analysis methods are called engineering strategies, and they consist of (1) numerical optimization and (2) finite element method (FEM), which includes (3) geometric nonlinearity of the glass panes, (4) shear transfer of laminated glass, and (5) load sharing due to the hermetically sealed cavity. Hence, the thickness determination is more accurate than the typical classification rule-based method and has more design flexibility, such as window shape and boundary conditions. The results show that using such strategies is beneficial, as potential weight savings of up to 50% were found with respect to the classification rules. The findings are more evident for large, thin IGUs of monolithic glass panes. The most important factors affecting the weight and bending behavior were the allowable deflection limit, glass pane thickness configuration, IGU shape, and interlayer stiffness in laminated glass. Based on the results and observations in this dissertation, we can conclude that the proposed engineering strategies offer the ship designers better design principles for thickness determination than those currently in use. This helps to reduce glass weight and accomplish the novel ideas dreamed by the ship owners. However, we must further discuss this matter with the corresponding classification societies as they ensure the ship's safe design. This dissertation can work as a foundation for that discussion.

Nykyaikaisissa risteilyaluksissa on useita eristyslasityyppisiä ikkunoita parantamassa matkustajakokemusta. Näistä ikkunoista on tullut painokriittisiä rakenteita, jotka vaativat painon optimointia aluksen kokonaistehokkuuden parantamiseksi. Optimointia haastaa yksityiskohtien ja tarkkojen suunnittelumenetelmien puute suunnittelun alkuvaiheessa, jossa päätetään ikkunan pääparametrit. Tämän väitöskirjan tavoitteena on parantaa eristyslasien suunnittelukehystä laivan varhaisessa suunnitteluvaiheessa lasilevyjen paksuuden määrittämiseksi, jotta niiden painoa voidaan vähentää. Analyysimenetelmiä kutsutaan suunnittelustrategioiksi, ja ne koostuvat (1) numeerisesta optimoinnista ja (2) elementtimenetelmästä, joka sisältää (3) lasilevyjen geometrisen epälineaarisuuden, (4) laminoidun lasin leikkaussiirtymä ja (5) ilmatiiviisti suljetun ilmatilan aiheuttaman kuormanjaon. Tästä syystä paksuuden määritys on tarkempaa kuin tyypillinen luokittelusääntöpohjainen menetelmä ja siinä on enemmän suunnittelun joustavuutta, kuten ikkunan muoto ja reunaehdot. Tulokset osoittavat, että tällaisten strategioiden käyttäminen on hyödyllistä, sillä löydettiin jopa 50 % painonsäästöjä luokitussääntöihin verrattuna. Löydökset ovat selvempiä suurille ja ohuille eristyslaseille, jotka koostuvat monoliittisista lasilevyistä. Tärkeimmät painoon ja taivutuskäyttäytymiseen vaikuttavat tekijät olivat sallittu taipumaraja, lasilevyjen paksuuskonfiguraatio, muoto, ja liimakerroksen jäykkyys. Tämän väitöskirjan tulosten ja havaintojen perusteella voidaan päätellä, että ehdotetut suunnittelustrategiat tarjoavat laivan suunnittelijoille parempia suunnitteluperiaatteita paksuuden määrittämiseen kuin tällä hetkellä on käytössä. Tämä auttaa vähentämään lasin painoa ja toteuttamaan laivanomistajien unelmoimia uusia ideoita. Asiasta on kuitenkin keskusteltava lisää vastaavien luokituslaitosten kanssa, koska ne varmistavat aluksen turvallisen suunnittelun. Tämä väitöskirja voi toimia pohjana tälle keskustelulle.

Description

Supervising professor

Romanoff, Jani, Prof., Aalto University, Department of Energy and Mechanical Engineering, Finland

Thesis advisor

Laakso, Aleksi, D.Sc., Meyer Turku Oy, Finland

Keywords

finite element method, insulating glass unit, laminated glass, lightweight structures, window design, elementtimenetelmä, eristysikkuna, ikkunasuunnittelu, kevytrakenteet, laminoitu lasi

Other note

Parts

  • [Publication 1]: Janne Heiskari, Jani Romanoff, Aleksi Laakso, Jonas W. Ringsberg. On the thickness determination of rectangular glass panes in insulating glass units considering the load sharing and geometrically nonlinear bending. Thin-Walled Structures, 171, 108774, December 2021.
    Full text in Acris/Aaltodoc: https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-2021123111094
    DOI: 10.1016/j.tws.2021.108774 View at publisher
  • [Publication 2]: Janne Heiskari, Jani Romanoff, Aleksi Laakso, Jonas W. Ringsberg. Thickness optimization of insulating glass unit in cruise ships. International Symposium on Practical Design of Ships and Other Floating Structures, 910-924, Dubrovnik, Croatia, October 2022. ISBN 978-953-7738-87-7. https://prads2022.fsb.hr/
  • [Publication 3]: Janne Heiskari, Jani Romanoff, Aleksi Laakso, Jonas W. Ringsberg. Influence of the design constraints on the thickness optimization of glass panes to achieve lightweight insulating glass units in cruise ships. Marine Structures, 89, 103409, February 2023. DOI:https://doi.org/10.1016/j.marstruc.2023.103409.
    Full text in Acris/Aaltodoc: https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202303152410
    DOI: 10.1016/j.marstruc.2023.103409 View at publisher
  • [Publication 4]: Janne Heiskari, Jani Romanoff, Aleksi Laakso, Jonas W. Ringsberg. On the lightweight design of laminated insulating glass units in cruise ships. Ships and Offshore Structures, July 2024.
    DOI: 10.1080/17445302.2024.2403163 View at publisher

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:ISBN:978-952-64-2069-1

Collections

[diss] Insinööritieteiden korkeakoulu / ENG