Structural design for high tensile strength steel container ship

Abstract

The aim of this thesis was to investigate the possibility to improve the competitiveness of a container ship by increasing the use of high tensile strength steel and thus reducing the weight of the structure. In addition to commonly used HT36 steel, HT47 steel was applied in the structure as well. For the abovementioned structure the possibility to reduce weight without causing critical fatigue complications was investigated. Estimation of weight reduction for the particular HT47 structure was done by applying various fatigue strength improvement methods. Every classification society has decided fatigue strength improvement they allow to use as well as the methods how those can be used. For that reason a structural design platform was developed to give an opportunity for an easier change of main parameters or classification society between four of the five most popular societies.

As a part of the thesis a case study was made for a 2000 TEU's container ship for which an early design stage fatigue strength analysis was conducted for critical details, in this case for longitudinal stiffeners. The weight reduction of a structure that applies HT47 steel was investigated with simple 2D-modelling and analysing software MARS2000. The analysing results were compared to the results from simplified calculations made for the HT47 structure in cases where fatigue improvement methods were used. Magnitude of weight reduction and reliability of the calculation method was determined by comparing the results of different methods. In addition, the possibility for weight reduction was studied with MARS2000 for a case when HT36 structure is modified to use HT47 steel in the torsion box area.

As a result of the study, possibility for weight reduction was perceived in a case, where the HT36 structure was modified by using HT47 steel applied in the torsion box area. Application of fatigue strength improvement methods can reduce the weight of ship structure in cases, where other factors, such as buckling do not act as limitation to weight reduction.

A studied weight reduction for HT47 model was calculated via the material reduction in sectional area. The results indicated the weight reduction to be 8%. With fatigue strength improvement methods it was possible to reduce the weight even more, with HFMI-method even more than 30%. Grinding and quality welds gave weight reduction of 14% and peening as well as unconventional steel materials gave 20% weight reduction. However, these weight reductions were possible only in cases where the classification societies' rules were modified and structure was originally designed to apply higher tensile strength steel instead of merely applying different material.

Tämän työn tarkoituksena on tutkia mahdollisuutta parantaa konttilaivatuotteen kilpailukykyä lisäämällä korkealujan teräksen käyttöä laivan rakenteessa ja näin ollen pienentää rakenteen painoa. Yleisesti käytössä olevan HT36-teräksen lisäksi rakenteessa otetaan käyttöön HT47-teräs ja selvitetään voidaanko tämän muutoksen avulla saada painosäästöä vai muodostaako väsyminen kriittisen ongelman. Arvio painohyödyn saamisesta kyseiselle HT47-rakenteelle voidaan selvittää käyttämällä väsymislujuuden kasvattamismenetelmiä. Jokainen luokituslaitos on määrittänyt hyväksymänsä väsymislujuuden kasvattamismenetelmät ja tavat joilla menetelmiä voidaan soveltaa. Tämän ansiosta työssä kehitetään rakennesuunnittelualusta, jonka tarkoituksena on helpottaa laivan päämittojen ja luokituslaitoksen vaihtamista neljän erittäin yleisesti konttilaivoja luokittavan luokituslaitoksen välillä.

Osana työtä toteutetaan tutkimustapaus 2000 TEUn konttilaivalle, jolle suoritetaan alkusuunnitteluvaiheen väsymisanalyysi kriittisille yksityiskohdille, tässä tapauksessa pitkittäisille jäykisteille. Yksinkertaisella 2D-mallinnus-ja analysointi-ohjelmalla, MARS2000, tutkittavasta HT47-terästä soveltavasta konttilaivasta saatavaa painohyötyä verrataan yksinkertaistetulla menetelmällä laskettavaan painohyötyyn eri väsymisen kasvattamismenetelmien avulla. Menetelmillä saatavien tulosten pohjalta muodostetaan käsitys painon vähennyksen mahdollisuuksista sekä laskentamenetelmän luotettavuudesta. MARS2000-ohjelmalla suoritetaan lisäksi vertailu painon pienennysmahdollisuuksista siirryttäessä HT36-teräksisestä laivasta laivaan jonka rakenteessa käytetään myös HT47-terästä.

Työn tuloksena voidaan havaita saatavan säästöä painossa kun HT36-teräksestä suunnitellusta laivasta muutetaan laivan ylärakenne HT47-teräksiseen rakenteeseen. Lisäksi väsymisen kasvattamismenetelmiä soveltamalla voitaisiin painosäästöä lisätä entisestään, jos laivan rakenteen lujuus ei muilta osin muodostu mitoittavaksi tekijäksi, kuten lommahduksen.

Tutkittu painon pienennys HT47 mallille laskettiin materiaalin vähennyksenä poikkileikkauksen pinta-alasta. Tulokset osoittivat painon vähennyksen olevan 8 %. Väsymislujuuden kasvattamismenetelmiä soveltamalla saatiin entisestään painoa pienennettyä, HFMI-menetelmän avulla jopa yli 30 %. Hiomisella ja laatuhitseillä painoa voitiin pienentää 14 % ja vasarointimenetelmällä sekä uusilla teräsmateriaaleilla 20 %. Nämä painon vähennykset voitiin saavuttaa ainoastaan luokituslaitosten sääntöjä muokkaamalla ja tilanteessa jossa rakenne oli alun perin suunniteltu korkealujalle teräkselle, sen sijaan että teräslaatu puhtaasti olisi vaihdettu toiseen.