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Die
Erfindung betrifft eine Hüllenstruktur
für Seeschiffe
nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
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Zur
Erhöhung
des Strukturwiderstands einer Doppelhülle ist aus
EP 1 137 571 B1 eine Trägerstruktur
bekannt, die Längsaussteifungen
mit Trapezhohlprofilen aufweist. Mit solchen Systemen sind die Grundanforderungen
der Klassifikationsgesellschaften bezüglich der Inspektions- und
Wartungsfähigkeit nicht
erfüllbar.
Zudem bedeuten derartige Konstruktionen einen erheblichen Eingriff
in die Grundstruktur der Doppelhülle,
was einen sehr hohen fertigungstechnischen Aufwand nach sich zieht.
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Hüllenstruktur mit erhöhtem Strukturwiderstand, verbesserten
Trageigenschaften und/oder erhöhtem Kollisionswiderstand
bereitzustellen, die insbesondere problemlos zu inspizieren bzw.
zu warten ist.
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Die
Erfindung löst
diese Aufgabe mit den Mitteln von Anspruch 1. Die erfindungsgemäße Plattenabdeckung
sorgt für
eine signifikante Steigerung des elasto-plastischen Energieaufnahmevermögens und
des Strukturwiderstands sowie einer Verbesserung der Trageigenschaften,
insbesondere der Grenztrageigenschaften der Hüllenstruktur, bei minimalem
zusätzlichen
Materialeinsatz bezogen auf die Gesamtmasse des Schiffskörpers. Bei
der bevorzugten Anwendung der Erfindung auf die Außenhülle von Seeschiffen
führt die
Erhöhung
des elasto-plastischen Energieaufnahmevermögens zu einer signifikanten
Steigerung des Kollisionswiderstandes insbesondere gegen Seitenkollision
und dynami scher Eispressung aufgrund der forcierten Dissipation
der kinematischen Energie des Kollisionsgegners. Die Anwendung der
Erfindung auf die Bodenwand von Seeschiffen führt dementsprechend zu einer
Erhöhung des
Widerstands gegen Grundberührung.
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Ein
wesentlicher Vorteil der Erfindung ergibt sich daraus, dass sie
auf einer konventionellen Hüllenstruktur
aufbauen kann. Die Plattenabdeckung wird an dem konventionellen
sekundären
Aussteifungssystem befestigt, eine wesentliche Modifikation der
primären
Trägerstruktur
ist nicht erforderlich. Die Erfindung erfordert daher nur einen
vergleichsweise geringen Eingriff in die konstruktive Grundstruktur konventioneller
Hüllenstrukturen.
Da das erfindungsgemäße Aussteifungssystem
mit Plattenabdeckung mittels bekannter thermischer Fügeverfahren
herstellbar ist, ist die erfindungsgemäße Hüllenstruktur mit den derzeitigen,
insbesondere in der Werftindustrie vorhandenen fertigungstechnischen
Einrichtungen herstellbar.
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Nach
einem besonders bevorzugten Aspekt der Erfindung weist die Plattenabdeckung
gezielt positionierte und ausreichend ausgelegte Öffnungen
zu Inspektions- bzw. Wartungszwecken und/oder zur Begehung durch
Montagepersonal auf, um Anforderungen von Klassifizierungsgesellschaften
nach Besichtigungs- und
Wartungsfähigkeit
erfüllen
zu können.
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Für ebene
Wandbereiche werden vorzugsweise konvex bzw. zylindrisch gewölbte Plattenabdeckungselemente
verwendet, was zu einer durchgängig
röhrenartige
Aussteifung der Wand führt.
Hierdurch werden zwei wesentliche Funktionen abgedeckt, nämlich Steigerung
der Energieabsorption der Aussteifung durch Forcierung der Interaktion
von Biege- und Membransteifigkeit der Struktur im Bereich sehr großer elasto-plastischer
Formänderungen
bis zum Versagenseintritt (Strukturkollaps); und Ge währleitung
der Begehbarkeit für
Inspektion und Wartung mittels einer gekrümmten Umbauung der ausgesteiften
Flächen.
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In
gekrümmten
Wandbereichen können
hingegen vorzugsweise ebene Plattenabdeckungselemente verwendet
werden. Die ebenen Plattenabdeckungselemente werden vorzugsweise
mit einer konstanten Materialstärke über den
gesamten Aussteifungsbereich auf dem Profil aufliegend gefügt. Hiermit
wird eine effiziente mittragende Wirkung bis in den Grenztragbereich
sowie eine fertigungstechnisch vereinfachte Ausführung erzielt. Der Versagensmechanismus
dieser ebenen Verstärkung
unterscheidet sich grundlegend von dem der konvex gewölbten Abdeckung.
Die Geometrie und Position der Inspektions- und Wartungsöffnungen
beeinflussen signifikant die Energieabsorption, so dass sie wesentlich
nach strukturmechanischen Gesichtspunkten festgelegt werden. Zur
Erhöhung
des mittragenden Effekts der Abdeckung kontinuierlich bis zum Strukturversagen
wird vorzugsweise hochduktiles Material in Form von austenitischem
Stahl verwendet.
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Die
Erfindung ist auf Seeschiffe sämtlichen Typs
anwendbar, insbesondere frachttragende Seeschiffe wie Tankschiffe,
Container- und Massengutschiffe; eisbrechende Schiffe und Schiffe
für eisführende Routen;
Schiffe für
Offshore-Anwendungen, beispielsweise Versorgungs- und Bohrschiffe;
Marineschiffe. Anwendbarkeit in der Meeres- bzw. Offshoretechnik
sowie im Stahlbrückenbau
ist ebenfalls denkbar.
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Als
Materialien für
die erfindungsgemäße Plattenabdeckung
kommen grundsätzlich
sämtliche zertifizierten
normalfesten oder austenitischen Stähle des Schiffbaus, der Meerestechnik
und des Stahlbrückenbaus
in Betracht.
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Bei
der Anwendung der Erfindung auf Seeschiffe darf die zusätzlich eingebrachte
Plattenabdeckung in den Festigkeitsverband der Außenschale auch
für Standardbedingungen
des Betriebseinsatzes integriert werden.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand vorteilhafter Ausführungsformen
unter Bezugnahme auf die beigefügten
Figuren erläutert.
Dabei zeigt:
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1:
eine perspektivische Ansicht eines Teils einer erfindungsgemäßen Hüllenstruktur;
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2:
einen Querschnitt durch die Hüllenstruktur
aus 1 in einem Ausschnitt gemäß dem Schnitt A-A in 1;
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3:
eine perspektivische Ansicht auf einen Ausschnitt der Hüllenstruktur
gemäß 2;
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4:
eine Querschnittsansicht der Hüllenstruktur
aus 3;
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5:
eine Querschnittsansicht der Hüllenstruktur
in einer anderen Ausführungsform;
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6:
eine perspektivische Ansicht eines Teils einer erfindungsgemäßen Hüllenstruktur
in einer anderen Ausführungsform;
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7:
einen Querschnitt durch die Hüllenstruktur
aus 6 in einem Ausschnitt;
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8:
eine perspektivische Ansicht eines Teils einer erfindungsgemäßen Hüllenstruktur
in einer weiteren Ausfüh rungsform;
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9:
einen Ausschnitt aus 8;
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10:
einen Querschnitt durch die Hüllenstruktur
aus 9;
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11:
eine perspektivische Ansicht des gestrichelten Ausschnitts aus 9;
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12:
eine perspektivische Ansicht eines Ausschnitts aus 11;
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13:
eine perspektivische Ansicht eines Teils einer erfindungsgemäßen Hüllenstruktur
in einer weiteren Ausführungsform;
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14:
eine Ansicht auf die Hüllenstruktur aus 13 in
Längsrichtung;
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15:
eine perspektivische Ansicht eines Teils einer konventionellen Hüllenstruktur;
und
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16:
eine perspektivische Ansicht eines Teils einer konventionellen Hüllenstruktur
in einer anderen Ausführungsform.
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Eine
konventionelle Hüllenstruktur 10 eines Schiffsrumpfes 11 wird
im Folgenden anhand der 15, 16 erläutert. Die
Hüllenstruktur 10 umfasst
eine Bodenwand 12 und Seitenwände 13, gezeigt ist
weiterhin noch eine Tragstruktur 21 für ein Deck. Zwischen der Bodenwand 12,
den Seitenwänden 13 und
der Decktragstruktur 21 ist ein Frachtraum 15 gebildet.
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Die
gezeigte Seitenwand 13 umfasst eine primäre Tragstruktur 14 aus
Rahmenspanten 17 insbesondere in Querbauweise, an denen
die Außenwand 16 befestigt
ist, und orthogonal an den Rahmenspanten 17 befestigten
Stringern 18. Die Hüllenstruktur 10 umfasst
weiterhin ein sekundäres
Aussteifungssystem 19, dessen Grundstruktur aus parallel
angeordneten, an der Außenwand 16 befestigten Profilsteifen 20 besteht.
Das Aussteifungssystem 19 kann in Querbauweise wie in 15 gezeigt
oder in Längsbauweise
wie in 16 gezeigt ausgeführt sein.
Das sekundäre
Aussteifungssystem 19 ist nicht tragend an der primären Tragstruktur 14 befestigt,
mit anderen Worten ist das sekundäre Aussteifungssystem 19 mechanisch
unabhängig
von der primären Tragstruktur 14.
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Die
erfindungsgemäße Hüllenstruktur 10 gemäß den 1 bis 14 baut
auf der in 15 bzw. 16 gezeigten
konventionellen Hüllenstruktur 10 auf.
Insbesondere ist die primäre
Tragstruktur 14 im Wesentlichen ohne Modifikationen. Das
sekundäre
Aussteifungssystem 19 wird durch Anbringung der erfindungsgemäßen Plattenabdeckung 22 an den
vorhandenen Profilsteifen 20 hergestellt. Die Anbringung
der Plattenabdeckung 22 kann vor Anbringung der primären Tragstruktur 14 an
der Wand 16 in offener Umgebung, das heißt unter
fertigungstechnisch günstigen
Bedingungen, erfolgen.
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In 1 ist
eine bevorzugte Ausführungsform
der Plattenabdeckung 22 in Form von länglichen, konvex gewölbten Plattenelementen 23 am Beispiel
einer Queraussteifung gezeigt. Jedes Plattenelement 23 ist
an dem freien bzw. von der Wand 16 entfernten Ende zweier
benachbarter Profilsteifen 20 der Länge nach befestigt. Dabei kann
jedes Plattenelement 23 mehrteilig aus jeweils zwischen
zwei Stringern 23 angeordneten Abschnitten gebildet sein. Die
konvex gewölbten
Plattenelemente 23 führen
zu einer durchgängig
röhrenartigen
Aussteifung, wodurch eine signifikante Steigerung der Energieabsorption
durch Forcierung der Interaktion von Biege- und Membransteifigkeit
der Struktur im Bereich sehr großer elasto-plastischer Formänderungen
bis zum Versagenseintritt (Strukturkollaps) erreicht wird.
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In
den 2 bis 5 sind Beispiele einer Abdeckungseinheit
aus zweier angrenzenden Plattenelementen 23a, 23b im
Detail gezeigt. Das Plattenelement 23a ist an den freien
Enden der benachbarten Profilsteifen 20a, 20b,
das Plattenelement 23b an den freien Enden der benachbarten
Profilsteifen 20b, 20c der Länge nach angebracht. Aufgrund der
konvex gewölbten
Form der Plattenelemente 23a, 23b ergibt sich
im Querschnitt gemäß 4 und 5 zwischen
den Profilsteifen 20 ein umwölbter Raum 24, der
für Inspektions-
und Wartungspersonal zugänglich
bzw. begehbar ist. Um die Zugänglichkeit der
röhrenförmigen Aussteifungen 16, 20a, 20b, 23a bzw. 16, 20b, 20c, 23b zu
ermöglichen,
sind ausreichend dimensionierte, vorzugsweise an den Stringern 18 angeordnete
Inspektions- bzw. Wartungsöffnungen
bzw. -ausschnitte 26 in den Plattenelementen 23 vorgesehen.
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Die
gezielte Positionierung und die Größe der Ausschnitte 26 sind
bei den konvex gewölbten Plattenelementen 23 ausschlaggebend
für die
Realisierung einer flexiblen Fixierung der Endquerschnitte mit einem
Einspannungsgrad der Aussteifung, unter dem sich eine Formänderungskinematik
bzw. Versagensformen ausbilden, mit denen eine signifikante Steigerung
der elasto-plastischen
Energieaufnahme erzielt wird.
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Im
Bereich der Ausschnitte 26 weisen die Plattenelemente 23 vorzugsweise
Materialverstärkungen 30 im
Verhältnis
zu mittigen Bereichen 31 zwischen den Stringern 18 auf.
Allgemeiner wird eine Stufung der Plattenstärke der Plattenelemente 23, abhängig von
der freien, nicht unterstützten
Länge der
Aussteifung (Stringerabstand), zur effizienten Materialauslastung
ausgenutzt. Bei vergleichsweise kurzen Aussteifungsabschnitten (Stringerabstand)
ist eine konstante Materialstärke
bevorzugt.
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Die
Profilsteifen 20 sind in dieser Ausführungsform vorzugsweise Flachwulstprofile,
gegebenenfalls auch gebaute T-Profile,
wobei je nach Zweckmäßigkeit
auch Profilstege unterschiedlicher Höhe verwendet werden können. Im
Beispiel der 3 und 4 sind die äußeren Profilsteifen 20a, 20c Flachwulstprofile,
während
die Mittelsteife 20b ein gebautes T-Profil ist, um eine ausreichende Auflagefläche für die Kanten
der Plattenelemente 23a, 23b bereitzustellen.
In der Ausführungsform
gemäß 5 ist
die Mittelsteife 20b aus dem gleichen Grund als Flachwulstprofil
mit einer größeren Steghöhe im Vergleich
zu den Außensteifen 20a, 20c ausgeführt.
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Zum
Durchsteigen der röhrenförmigen Aussteifungen 16, 20a, 20b, 23a bzw. 16, 20b, 20c, 23b können geeignete
Hilfsmittel, beispielsweise Steigeisen 25 vorgesehen sein.
Auch der Einbau eines Lifts ist denkbar.
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Die
Ausführungsform
gemäß den 6, 7 verdeutlicht,
dass sich die erfindungsgemäße Plattenabdeckung 22 in
Form von länglichen,
konvex gewölbten
Plattenelementen 23 mit geringen Anpassungen auch auf Aussteifungssysteme 19 in
Längsbauweise
anwenden lässt.
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Konvex
gewölbte
Plattenelementen 23 können
insbesondere in ebenen Wandbereichen vorteilhaft eingesetzt werden.
Des Weiteren können
konvex gewölbte
Plattenelemente 23 ohne Beeinträchtigung des Wirkprinzips der
Aussteifung im Hinblick auf ferti gungstechnische und wirtschaftliche
Vorteile vorzugsweise aus normalfestem Stahl, aber auch aus austenitischem
Stahl gefertigt sein.
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Die
Ausführungsform
gemäß den 8 bis 12 betrifft
eine alternative Gestaltung der Plattenabdeckung in Form ebener
Plattenelemente 32, die insbesondere in gekrümmten Wandbereichen verwendet
werden können,
siehe beispielsweise den unteren Abschnitt des Plattenelements 32 in 9. Mit
der ebenen Abdeckung 32 der Aussteifung 20 entsteht
eine Art Sandwichstruktur. Wie insbesondere aus 11 ersichtlich,
erstreckt sich das Plattenelement 32 vorzugsweise durchgehend über drei
oder mehr Profilsteifen 20a, 20b, 20c,
wodurch eine effiziente mittragende Wirkung bis in den Grenztragbereich
wird. Zur Erhöhung
des mittragenden Effekts kontinuierlich bis zum Strukturversagen
besteht die Abdeckung 32 vorzugsweise aus hochduktilem
Material, insbesondere austenitischem Stahl, wodurch die Energieaufnahmekapazität der Hüllenstruktur nochmals
signifikant gesteigert und darüber
hinaus zugleich das Problem der Korrosion für die zusätzlich eingebrachten Materialoberflächen gelöst werden kann.
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Die
ebenen Plattenelemente 32 weisen vorzugsweise eine konstante
Materialstärke über den gesamten
Aussteifungsbereich auf. Als Profile 20 kommen Flachwulstprofile,
siehe 10 bis 12, und
gleichrangig auch T-Profile und Flachstahlprofile in Betracht. Das
Plattenelement 32 wird vorzugsweise mittels Laserschweißen an den
Profilsteifen 20 befestigt, wobei vorzugsweise zwei Nähte 33a, 33b einzusetzen
sind, siehe 12.
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Die
auch in dieser Ausführungsform
bevorzugt vorgesehenen Ausschnitte 26 in den Plattenelementen 32 gestatten
eine visuelle Inspektion und auch Wartung mit geeignetem Gerät auch dann, wenn
der Zwischenraum zwischen der Außenwand 16 und den
Plattenelementen 32 wegen zu geringer Steghöhe der Profile 20 nicht
für Personal
zugänglich sein
sollte. Die Geometrie und Position der Ausschnitte 26 werden
wesentlich unter strukturmechanischen Gesichtspunkten festgelegt.
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Die
in den 13 und 14 gezeigte
Ausführungsform
entspricht bezüglich
der Seitenwände im
Wesentlichen der Ausführungsform
gemäß 6, 7,
verdeutlicht jedoch, dass die Erfindung auch auf die Bodenwand 12 des
Schiffsrumpfes anwendbar ist, um den Widerstand gegen Grundberührung zu
steigern. In das rostförmige
primäre
Tragsystem aus Bodenwrangen 34 und nur andeutungsweise
gezeigten Längsträgern 35 ist
demnach das erfindungsgemäße sekundäre Aussteifungssystem 19 an
der Außenwand 16 mit
an Längsprofilsteifen 20 angebrachten,
konvex gewölbten
Plattenelementen 23 eingebettet.
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Sämtliche
Ausführungsformen
betreffen insbesondere doppelwandige Hüllenstrukturen, wobei eine
an der Innenseite der Tragstruktur 14 befestigte Innenschale
bzw. Innenwand 27 (siehe 2, 7, 10, 13, 14)
in den 1, 6, 8, 15, 16 weggelassen
ist, um den inneren Aufbau der Hüllenstruktur
ersichtlich zu machen. An der Innenwand 27 kann ebenfalls
ein Aussteifungssystem insbesondere in Form parallel zueinander
angeordneter Profilsteifen 29 angebracht sein. Die Erfindung
ist nicht auf Doppelhüllenstrukturen
beschränkt,
sondern auch auf einwandige Hüllenstrukturen
anwendbar.
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Im
Allgemeinen richtet sich die Anzahl der aneinander angrenzenden
Plattenelemente 23 insbesondere nach dem Abstand zwischen
den Rahmenspanten 17 (1, 2, 8, 10)
bzw. den Stringern 18 (6, 7, 13, 14) bzw.
den Boden-Längsträgern 35 (13, 14). Die
Beispiele der 2 bis 7 und 9 bis 11 betreffen
zwei aneinander angrenzende Plattenelemente 23, wobei die
Erfindung auch einzelne Plattenelemente 23 (siehe 1 und 8)
und selbstverständlich
auch mehr als zwei aneinander angrenzende Plattenelemente 23 (siehe
beispielsweise Boden 12 in 13, 14)
umfasst.