NO317009B1

NO317009B1 - Endeterminering av strekkstag

Info

Publication number: NO317009B1
Application number: NO20006643A
Authority: NO
Inventors: Bjorn Paulshus; Morten Rengman Morck
Original assignee: Deep Water Composites As
Priority date: 2000-12-22
Filing date: 2000-12-22
Publication date: 2004-07-19
Also published as: GB2386383A; GB0312277D0; BR0116339A; WO2002057560A1; GB2386383B; NO20006643L; BR0116339B1; US6988340B2; NO20006643D0; US20040111987A1

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører en endeterminering for strekkstag av ikke-metalliske materialer så som komposittmateriale, der strekkstaget er oppbygd av et antall kordeler som utgjør de lastbærende elementer i strekkstaget, hvilke kordeler er snodd om strekkstagets lengdeakse med en forutbestemt slagningslengde og hver kordel er igjen oppbygd av et antall staver av komposittmateriale med innleirete styrkefibrer der stavene er snodd om hverandre som i en stålvaier, og kordelene terminerer i et opptakslegeme med koplingsorganer og et antall gjennomgående huller som opptar og danner fikseringspunkter for de respektive kordeler.

Strekkstag av den ovenfor nevnte type er kjent fra NO 20002812. En endeterminering er kjent fra NO 20002811.

Endetermineringen ifølge oppfinnelsen er spesielt utviklet med tanke på strekkstag som forankrer en strekkstagplattform. Imidlertid er andre anvendelser også aktuelle, for eksempel vertikale stag på hengebroer og lignende stag som må kunne overføre store aksielle krefter.

Fordelene med strekkstag av komposittmateriale er lav vekt, stor lastbærende evne i forhold til vekt/volum, vesentlig mindre utsatt for utmatting, hvilket innebærer at det ikke er behov for bøyestivere, samt svært konkurransedyktig med hensyn til pris/kostnad. Dessuten har de den gode egenskap at de kan kveiles opp på tromler med diameter ned mot 4 meter.

Strekkstag av stål finner sin begrensning hva angår lengdeutstrekning, dvs. havdyp, fordi strekkstag utformes som rør for å redusere vekten i vann, helst slik at stagene blir nærmest "vektløse" når de neddykkes i vann. På større havdyp er det nødvendig å øke veggtykkelsen for å unngå bukling p.g.a. utvendig overtrykk fra vannet.

Den nå foreslåtte løsning med strekkstag av komposittmateriale, er også tenkt benyttet når en eksisterende strekkstagplattform som er forankret med strekkstag av stål skal forflyttes til dypere farvann. Stålstagene kan da kappes av og erstattes med strekkstag av komposittmateriale.

Det man er spesielt opptatt av når komposittmateriale blir benyttet til overføring av krefter i lastbærende elementer, er at hovedspenningene går aksielt i de lastbærende elementer og at skjærspenninger knapt skal opptre.

I samsvar med den foreliggende oppfinnelse er dette oppnådd med en endeterminering av den innledningsvis nevnte type som kjennetegnes ved at endetermineringen omfatter et omsluttende element som er plassert i avstand fra opptakslegemet og sammenholder kordelene, at mellom det omsluttende element og opptakslegemet går kordelene uten radiell begrensning og i hovedsak i naturlig retning mot og inn i hullene i opptakslegemet og at hullene i opptakslegemet er noe skråstilt i forhold til strekkstagets lengdeakse og skråstillingen korresponderer med retningen til kordelene.

Med naturlig retning menes følgende. Frem til det omsluttende element går strekkstaget som en kompakt streng med snodde kordeler som holdes samlet ved hjelp av en utvendig kappe som sammenholder strengen. Fra det omsluttende element og videre mot opptakslegemet er den utvendige kappen fjernet. Dersom man foreløpig ser bort fra opptakslegemet, vil kordelene, når de passerer ut fra det omsluttende element, innta en naturlig retning. Denne naturlige retning innebærer at den snodde konfigurasjon opphører og går over i en rettlinjet konfigurasjon. Imidlertid vil retningen til hver kordel gå på skrå i forhold til strekkstagets lengdeakse. Sagt på en annen måte, kordelene fortsetter mot opptakslegemet med en retning som går tangentielt i forhold til kordelenes skruelinje i strekkstaget. Og, vel å merke, i tillegg til denne skrå retning, vil kordelene også samtidig divergere fra strekkstagets lengdeakse. Denne retning på kordelene inntas helt naturlig som følge av at sammenholdningen opphører på et bestemt sted.

Oppgaven ble dermed å utnytte denne erkjennelse for å unngå introduksjon av skjærspenninger i kordelene. For å komplettere endetermineringen, blir opptakslegemet plassert over enden til kordelene. Hullene i opptakslegemet er plassert i slik radiell avstand fra stagets lengdeakse at de korresponderer med divergensen til kordelen samtidig som de er tilpasset deres skrånende retning og rotasjonsmessige orientering.

I en utførelse av endetermineringen kan et samlende element være anordnet på et hensiktsmessig sted mellom det omsluttende element og opptakslegemet.

Eksempler på innleirete styrkefibrer som kan benyttes som staver i kordelene er karbonfibrer, kevlarfibrer eller aramidfibre.

I en fordelaktig utførelse kan hullene i opptakslegemet være noe skråstilt i forhold til strekkstagets lengdeakse og skråstillingen med fordel korrespondere med retningen til kordelene.

Med fordel kan hullene i opptakslegemet være tilspisset i retning mot det omsluttende element.

Endetermineringen kan med fordel omfatte en utvendig stiv hylse som er innfestet i sin ene ende til opptakslegemet og i sin andre ende til det omsluttende element.

For videre tilkopling, kan opptakslegemet på sin utvendige overflate ha minst ett ringformet spor for samvirke med minst en første ringformet rille på en koplingsdel som står i forbindelse med et forankringspunkt.

Videre kan forankringspunktet ha minst ett utvendig ringformet spor for samvirke med minst en andre ringformet rille anordnet på koplingsdelen i avstand fra den minst ene første rille, der koplingsdelen er fastholdt radialt av en omsluttende koplingsdel.

I samsvar med oppfinnelsen er det også tilveiebrakt en kopling for bruk mellom en endeterminering og et forankringspunkt som angitt ovenfor som kjennetegnes ved at den radialt ytre flate på koplingsdelen har en oppad rettet konisk form og den radialt indre overflate på den omsluttende koplingsdel har en komplementær konisk form.

Med fordel kan koplingsdelen omfatte pinneskruer for temporær fastholding av koplingsdelen til forankringspunktet.

Andre og ytterligere formål, særtrekk og fordeler vil fremgå av den følgende beskrivelse av en for tiden foretrukken utførelse av oppfinnelsen, som er gitt for beskrivelsesformål, uten derved å være begrensende, og gitt i forbindelse med de vedlagte tegninger, hvor: Fig.l viser et tverrsnittsriss av et typisk strekkstag for bruk med den foreliggende oppfinnelse,

Fig.2 viser et oppriss av en endeterminering ifølge oppfinnelsen,

Fig.3 viser et delvis snittriss i lengderetningen av en endeterminering ifølge fig.2, Fig.3a viser den innringede del av fig.3 som er et utsnitt av en kopling mellom endetermineringen og et koplingspunkt,

Fig.4 viser et oppriss i likhet med fig.2 der deler av en omslutning er utelatt,

Fig.5 viser et lengdesnitt langs linjen A-A i fig.4,

Fig.6 viser et tverrsnittsriss langs linjen B-B i fig.4,

Fig.7 viser et tverrsnittsriss langs linjen C-C i fig.4,

Det vises først til fig.l som illustrerer hvordan et strekkstag 10 av denne typen er oppbygd. Strekkstaget 10 har en omsluttende og sammenholdene kappe 1 av et sterkt og motstandsdyktig materiale, så som polyetylen. Innenfor kappen 1 er det anordnet avstandselementer i form av ulike profiler i flere lag, først et ytre profil 2, så et midtre profil 3 og et indre profil 4. Disse profiler har ingen lastbærende egenskaper og virker kun som avstandselementer. De kan for eksempel være tilvirket av PVC. Profilene 2,3,4 danner mellom seg hulrom som opptar respektive kordeler 5,6 som er de lastbærende elementer i strekkstaget 10. Hver kordel 5,6 er igjen oppbygd av et antall staver 7 som er tilvirket av ett komposittmateriale med innleirete styrkefibrer. Figuren viser kordeler 5,6 av ulike dimensjoner. Hver av de syv kordeler 5 er sammensatt av 85 staver og hver av de seks kordeler 6 er sammensatt av 31 staver.

Det er de enkelte stavene 7 i kordelene 5,6 som overfører kreftene i strekkstaget 10. De innleirete styrkefibrene kan være karbonfibre, kevlarfibrer, glassfibre eller aramidfibre.

Fig.2 viser strekkstagets 10 endeterminering 15. Endetermineringen 15 er beregnet på tilkopling til enten et forankringspunkt 20 på en strekkstagplattform eller tilsvarende på sjøbunnen. Endetermineringen 15 omfatter et avsluttende opptakslegeme 16 med utvendige koplingsorganer for kopling til forankringspunktet. Opptakslegemet 16 er i form av en kraftig plate med betraktelig tykkelse. Et antall huller tilsvarende antallet kordeler 5,6 er boret aksielt gjennom opptakslegemet 16. Kordelene 5,6 er ført inn i og opptatt i opptakslegemet 16 og terminerer her. Hvordan kordelene blir innfestet i opptakslegemet 16 vil bli nærmere beskrevet i forbindelse med fig.4 og 5.

I endetermineringens 15 motsatte ende og i avstand fra opptakslegemet 16 er et omsluttende element 17 anordnet. Det omsluttende element 17 er i form av en samlingshylse som omslutter og samler kordelene 5,6 i strekkstaget 10. Mellom det omsluttende element 17 og opptakslegemet 16 er en ytre hylse 18 anordnet. Den ytre hylsen 18 forbinder det omsluttende element 17 og opptakslegemet 16 til en bøyestiv og rotasjonstiv enhet.

Fig.3 illustrerer hvordan kordelene 5,6 forløper inne i det omsluttende element 17 og

den ytre hylsen 18.1 hele strekkstagets 10 lengdeutstrekning er kordelene 5,6 snodd om strekkstagets 10 lengdeakse med en forutbestemt slagningslengde. Med slagningslengde menes antall omdreininger om lengdeaksen per lengdeenhet. For det viste strekkstag 10 vil typiske verdier være så som én omdreining per 8 meter. De enkelte staver 7 i hver kordel 5,6 er igjen snodd om kordelens lengdeakse på samme måte som i en stålvaier. Slagningslengden for de respektive kordeler 5,6 vil typisk være 4 meter.

Det omsluttende element 17 har en innvendig overflate 17a utformet som en

trompetformet trakt som peker mot selve strekkstaget 10. Den innvendige overflate 17a kan ha en krurnningsradius på for eksempel 10 meter. Den kan være større eller mindre avhengig av detaljkonstruksjon. Denne kmrnningen skal sørge for at strekkstaget 10 får en kontrollert bøyning mot den innvendige overflaten 17a i det omsluttende element 17 dersom strekkstaget 10 blir utsatt for en sidekraft. En slik sidekraft vil alltid komme fordi et fleksibelt element i selve strekkstag-konnektoren prøver å hindre sidebevegelse når strekkstaget 10 skråstiller seg ved sideveis forskyvning av plattformen.

Når de enkelte kordeler 5,6 passerer ut av det omsluttende element 17 i retning mot opptakslegemet 16, vil kordelene 5,6 være uten radiell begrensning og innta en i hovedsak naturlig retning mot og inn i hullene i opptakslegemet. Denne naturlige retning innebærer at kordelenes 5,6 snodde konfigurasjon opphører og går over i en rettlinjet konfigurasjon. Imidlertid vil retningen til hver kordel 5,6 gå på skrå i forhold til strekkstagets 10 lengdeakse. Sagt på en annen måte, kordelene 5,6 fortsetter mot opptakslegemet 16 med en retning som går tangentielt i forhold til kordelenes 5,6 skruelinje i strekkstaget 10. Og, vel å merke, i tillegg til denne skrå retning, vil kordelene 5,6 samtidig divergere fra strekkstagets 10 lengdeakse. Denne retning på kordelene 5,6 inntas helt naturlig som følge av at sammenholdningen og snoingen opphører ved utgangen fra det omsluttende element 17.

Ettersom stavene 7 normalt blir støpt eller limt fast i opptakslegemet 16, er overgangen mellom limt og ikke limt område meget sårbar mot sidekrefter. For å avhjelpe denne situasjon, kan et samlende element i form av en brille 19 med et antall aksielt forløpende huller 9 gjennom seg, legges inn mellom det omsluttende element 17 og opptakslegemet 16. Brillen 19 er nøyaktig posisjonert i forhold til opptakslegemet 16 ved hjelp av fiksering til den ytre hylsen 18. Det skal dermed forstås at hylsen 18 låser opptakslegemet 16, det omsluttende element 17 og brillen 19 i innbyrdes fast posisjon. Dette bidrar til at kordelene 5,6 kommer rett inn mot hullene 9 i opptakslegemet 16 og man unngår sidekrefter i det sårbare området der limet avsluttes. Man antar at kordelene 5,6 kan ha et vinkelawik på for eksempel 1° når de entrer inn i brillen 19. Ledehullene 9 i brillen 19 vil derfor bli utformet som en trompetformet trakt som peker mot det omsluttende element 17 og har en krumningsradius typisk på ca. 10 meter. Dette innebærer at man får en kontrollert bøyebelastning på kordelene 5,6.

Fig.3a viser en kopling for bruk mellom endetermineringen 15 og et koplingspunkt 20. Opptakslegemet 16 har på sin utvendige overflate koplingsorganer, her som ett eksempel vist i form av tre ringformete spor 16a for samvirke med tre første ringformete riller 21a på en koplingsdel 21 som står i forbindelse med koplingspunktet 20. Koplingsdelen 21 kan være satt sammen av to, tre, fire eller flere segmenter som omkranser opptakslegemet 16 og koplingspunktet 20. Tilsvarende har koplingspunktet

20 tre utvendige ringformete spor 20a for samvirke med tre andre ringformete riller 21b anordnet på koplingsdelen 21 i avstand fra de tre første riller 20a, der koplingsdelen 21 blir radialt fastholdt av en omsluttende, kontinuerlig koplingsdel 22. Den radialt ytre flate 21c på koplingsdelen 21 har en oppad rettet konisk form og den radialt indre overflate 22c på den omsluttende koplingsdel 22 har en komplementær konisk form. Koplingsdelen 21 kan omfatte pinneskruer 23 for temporær fastholding av de enkelte segmenter i koplingsdelen 21 til koplingspunktet 20.

Ved montering av koplingen settes først opptakslegemet 16 mot koplingspunktet 20. Deretter anbringes de enkelte segmenter i koplingsdelen 21 mot opptakslegemet 16 og koplingspunktet 20 slik at rillene 21a og 21b på koplingsdelen 21 foretar inngrep med sporene 16a og 20a på opptakselementet 16 og koplingspunktet 20 respektivt. Koplingsdelen 21 blir festet med de respektive pinneskruer 23 til koplingspunktet 20. Deretter settes den omsluttende koplingsdel 22 over koplingsdelen 21 slik at deres respektive koniske flater berører hverandre. Til slutt tiltrekkes den omsluttende koplingsdel 22 aksielt ved hjelp av et antall bolter 24 som er plassert omkretsmessig rundt på toppflaten til koplingspunktet 20. Boltene 24 går ned i gjengete huller i koplingsdelen 21. Tiltrekking av boltene 24 bevirker kilevirkning mellom den koniske flate 22c på den omsluttende koplingsdel 22 og den koniske flate 21c på koplingsdelen 21. Dermed presses koplingsdelen 21 med rillene 21a og 21b til fast inngrep med sporene 16a i opptakselementet 16 og sporene 20a i koplingspunktet 20 respektivt og danner en fast forbindelse mellom dem.

Det vises nå til fig.4 og 5. Opptakslegemet 16 har som nevnt et antall huller 8, tilsvarende antallet kordeler 5,6, boret eller utformet i hovedsak aksielt gjennom seg. Den endelige innfesting av kordelene 5,6 til opptakslegemet 16 skjer typisk ved liming, dvs. at en flytende epoxy helles i hullene og rundt kordelene 5,6 og settes til herding. Hullene vil typisk være koniske. Ved belastning blir den herdete epoxy-konus med innleirete kordel-ender trukket inn i de koniske huller. Det dannes et stort hydrostatisk trykk som ytterligere låser kordelene 5,6 mot å gli ut.

De enkelte staver 7 i en kordel 5,6 kan, når de går inn i opptakslegemet 16, med fordel slippes fri slik at de spriker, dog moderat, fra hverandre i dette området. Dermed vil den flytende epoxy også fylle rommet mellom de sprikende staver 7 og kilevirkningen og fastlåsingen i de koniske huller 8 vil ytterligere bedres.

Med fordel kan hullene 8 i opptakslegemet 16 være noe skråstilt i forhold til strekkstagets 10 lengdeakse og denne skråstillingen må da korrespondere med den retningen som kordelene 5,6 har inn mot opptakslegemet 16.

Fig.6 viser et snitt gjennom endetermineringen 15 i området hvor kordelene 5,6 går inn i opptakslegemet 16. Fig.7 viser et snitt gjennom endetermineringen 15 i området hvor kordelene 5,6 går ut fra brillen 19. Til sammen illustrerer de hvordan kordelene 5,6 divergerer gjennom endetermineringen 15 fra selve strekkstaget 10 og mot opptakslegemet 16.

Claims

1. Endeterminering (15) for strekkstag (10) av ikke-metalliske materialer så som komposittmateriale, der strekkstaget (10) er oppbygd av et antall kordeler (5,6) som utgjør de lastbærende elementer i strekkstaget (10), hvilke kordeler (5,6) er snodd om strekkstagets lengdeakse med en forutbestemt slagningslengde og hver kordel (5,6) er igjen oppbygd av et antall staver (7) av komposittmateriale med innleirete styrkefibrer der stavene (7) er snodd om hverandre som i en stålvaier, og kordelene (5,6) terminerer i et opptakslegeme (16) med koplingsorganer og et antall gjennomgående huller som opptar og danner fikseringspunkter for de respektive kordeler, karakterisert ved at endetermineringen (15) omfatter et omsluttende element (17) som er plassert i avstand fra opptakslegemet (16) og sammenholder kordelene (5,6), at mellom det omsluttende element (17) og opptakslegemet (16) går kordelene (5,6) uten radiell begrensning og i hovedsak i naturlig retning mot og inn i hullene i opptakslegemet (16) og at hullene i opptakslegemet (16) er noe skråstilt i forhold til strekkstagets (10) lengdeakse og skråstillingen korresponderer med retningen til kordelene (5,6).

2. Endeterminering som angitt i krav 1, karakterisert ved at et samlende element (19) er anordnet mellom det omsluttende element (17) og opptakslegemet (16).

3. Endeterminering som angitt i krav 1 eller 2, karakterisert ved at de innleirete styrkefibrer er karbonfibre, kevlarfibrer eller aramidfibre.

4. Endeterminering som angitt i ett av kravene 1-3, karakterisert ved at hullene i opptakslegemet (16) er tilspisset i retning mot det omsluttende element (17).

5. Endeterminering som angitt i ett av kravene 1-4, karakterisert ved at endetermineringen (15) omfatter en utvendig stiv hylse (18) innfestet i sin ene ende til opptakslegemet (16), i sin andre ende til det omsluttende element (17) og et sted i mellom endene til det samlende element (19) og opprettholder dermed innbyrdes fast posisjon mellom delene.

6. Endeterminering som angitt i ett av kravene 1-5, karakterisert v e d at opptakslegemet (16) har på sin utvendige overflate minst ett ringformet spor (16a) for samvirke med minst en første ringformet rille (21a) på en koplingsdel (21) som står i forbindelse med et forankringspunkt (20).

7. Endeterminering som angitt i krav 6, karakterisert ved at koplingen består av et forankringspunkt, hvilket forankringspunkt (20) har minst ett utvendig ringformet spor (20a) for samvirke med minst en andre ringformet rille (21b) anordnet på koplingsdelen (21) i avstand fra den minst ene første rille (21a), der koplingsdelen (21) er fastholdt radialt av en omsluttende koplingsdel (22).

8. Endeterminering som angitt i krav 7, karakterisert ved at den radialt ytre flate (21c) på koplingsdelen (21) har en oppad rettet konisk form og den radialt indre overflate (22c) på den omsluttende koplingsdel (22) har en komplementær konisk form.

9. Endeterminering som angitt i ett av kravene 6-8, karakterisert v e d at koplingsdelen (22) omfatter pinneskruer (23) for temporær fastholding av koplingsdelen (22) til forankringspunktet (20).