Byggelab. Laboratorieøving 9 Byggelab GRUPPE NR. DATO STUD.ASS. DELTATT: Mål. Innledning. Konstruksjon i praksis fagverk

Transkript

1 GRUPPE NR. DATO STUD.ASS. DELTATT: Mål Gi praktisk erfaring i prosjektering og bygging av en konstruksjon. Innledning Hvordan en konstruksjon bygges er vel så viktig som materialet som benyttes. I denne labben skal dere sette sammen en konstruksjon av små bjelkeelementer. For å skaffe kunnskap om hvordan dette bør gjøres anbefales det å studere tegninger og bilder av for eksempel store kraner og plattformer (jackets). Prøv å forstå hvordan de ytre kreftene (lasten på dekket (vertikal), sidekrefter fra vind, sjø og kollisjoner med skip) tas opp og fordeles gjennom konstruksjonen. Figur 1 Fagverk Konstruksjon i praksis fagverk TMR4100 Marin teknikk intro 1

2 Bærende konstruksjoner Skip og oljeplattformer er eksempler på bærende konstruksjoner. Et grunnleggende krav til en bærende konstruksjon er at den skal tåle de belastninger som den forventes å bli utsatt for, uten å bryte sammen. En plattform må derfor konstrueres og bygges for å tåle: egen vekt (naturligvis) vekt av nyttelast, som boreutstyr, prosessanlegg, boligmodul, stigerør, osv. bølgebelastning (som regel den største delen av belastningen) strøm vind jordskjelv (som kan opptre selv på norsk sokkel) ulykkeslaster (fallende gjenstander, kollisjon, eksplosjon, brann, o.l.) Noen av belastningene er statiske, for eksempel egenvekten. Andre er dynamiske, for eksempel bølge-, vind- og jordskjelvbelastning. Belastning fra strøm er statisk over en kort tidsperiode (for eksempel en time), men skiftende over lengre tidsperioder (tidevannsstrøm varierer med en syklus på ca. 12 timer). De fleste av disse belastningene er varierende i tid. Bølgebelastningen vil for eksempel variere sterkt med været, fra stille vann til orkan-bølger. De enkelte lastkomponentene vil også samvirke, for eksempel vil sterk vind og store bølger gjerne opptre samtidig. Derimot er det ikke naturlig å anta at jordskjelv eller eksplosjon nødvendigvis vil inntreffe under en orkan. Det er i prinsippet umulig å forutsi hvor stor den største belastningen vil bli, gjennom en 20- eller 50-års periode som er typisk design-levetid for en marin konstruksjon. I praksis blir belastningen karakterisert gjennom statistiske modeller som sier noe om sannsynligheten for at en gitt kombinasjon av belastninger vil opptre i løpet av design-levetiden. De statistiske modellene er basert på måledata (som kan gå noen tiår tilbake), historiske data (beretninger om eller spor av store bølger som har ført til skade på konstruksjoner) og fysiske modeller. Dimensjonering På norsk sokkel er det vanlig å sette som krav til dimensjonerende last at den skal ha en sannsynlighet på mindre enn 10-4 pr. år, dvs. den skal opptre høyst én gang hvert ende år. Det betyr at uansett hvor solid vi bygger (innen rimelighetens grenser), vil det være en viss sannsynlighet for at den dimensjonerende lasten vi antar vil bli overskredet, jamfør sammenbruddet av World Trade Center. Et eksempel fra offshorevirksomheten er vist på figur 2. Dimensjonering vil si å lage en konstruktiv utforming som kan motstå belastningen. Samtidig må konstruksjonen selvsagt oppfylle funksjonskrav, som for en produksjonsplattform er å gi plass til prosessanlegg, boligmodul og annet. Dimensjoneringen vil alltid ta utgangspunkt i materialegenskaper. En betongplattform dimensjoneres på en helt annen måte enn en plattform av stål, et stålskip dimensjoneres forskjellig fra et skip av aluminium, og så videre. Et siste element er sammenføyninger, som sveiseforbindelser, nagler, gjenger, og så videre, som må dimensjoneres slik at de ikke utgjør svake ledd i konstruksjonen. TMR4100 Marin teknikk intro 2

3 Figur 2 Plattform etter orkanen Lili I Mexico-golfen er klimaet stort sett svært bra, med moderate bølgehøyder. Men i blant kommer det orkaner med svært store belastninger. Denne plattformen (BP Eugene Island 322) ble utsatt for orkanen Lili (oktober 2002) med vindstyrke på 65 m/s (230km/t) og bølgehøyde 17 m. Dette overskred åpenbart den dimensjonerende belastningen. Fagverk De styrkebærende elementene i en konstruksjon kan være plater, stag, søyler med mer. Styrkeberegning av slike elementer tar utgangspunkt i fagene mekanikk og fasthetslære. Her skal vi ta for oss en spesiell type konstruksjon som kalles fagverk. Et fagverk består av staver som har stor aksialstivhet, men liten bøyestivhet. Disse egenskapene kan du prøve selv, med en trefjøl av passe tykkelse. Hvis du forsøker å strekke i fjøla, vil den føles stiv og sterk. Men hvis du bøyer fjøla, vil den lett deformeres, og (hvis du tar i nok) knekke i to. Disse egenskapene kan benyttes til å lage konstruksjoner som er lette og bruker lite materiale, men som samtidig er sterke. TMR4100 Marin teknikk intro 3

4 Eiffeltårnet er en berømt fagverkskonstruksjon som ble konstruert av Gustave Eiffel og stod ferdig i Tårnet er 300 m høyt, og er satt sammen av deler, i hovedsak profiler av smijern som er klinket sammen med nagler. Vekten av tårnet er ca tonn, hvorav stålkonstruksjonen utgjør tonn. I forhold til størrelsen av tårnet er vekten svært liten. Tenker vi oss en sylinder som omslutter hele tårnet vil vekten av luften i sylinderen være like stor som vekten av hele tårnet. Flere detaljer om Eiffeltårnet finner dere på: For å illustrere noen av egenskapene og prinsippene med et fagverk kan vi starte med en enkel firkantramme, laget av trefjøler som vi spikrer sammen i hjørnene. Holder vi firkanten vertikalt og forsøker å Figur 3 Eiffeltårnet belaste den, vil vi erfare at den knekker lett sammen. Årsaken er i første rekke at sammenføyningene (spikerfestene) tåler lite bøyning. Men selv med stive sammenføyninger (limt) vil firkanten tåle liten belastning, stavene ville bøye seg. Figur 4 Enkel firkantramme (til venstre) som får deformasjon ved belastning (til høyre). Hvis vi i figur 5 setter på et skråstag diagonalt i firkantrammen, vil vi oppnå en stor økning i styrken, med relativt lite merarbeid (kostnader). De kreftene som får firkanten til å klappe sammen blir tatt opp i skråstaget som strekk. Det er nettopp poenget med fagverk, at kreftene blir tatt opp som strekk i stagene. I figur 5 ser vi at om belastningen skulle gi deformasjoner som går andre veien, vil skråstaget bli utsatt for trykk. Da er styrken mye mindre, fordi staget vil knekke ut (dette kan du prøve ut på den samme trefjøla, forutsatt at den er litt lang). En mer optimal konstruksjon har følgelig to stag, slik at uansett belastningsretning vil sidekreftene bli tatt opp i strekk. TMR4100 Marin teknikk intro 4

5 Figur 5 Avstiving med skråstag, mest effektivt om kreftene blir tatt opp i strekk. Her har vi antatt at alle kreftene virker i ett plan. Sideveis er fagverket ustabilt og må støttes opp. Skulle vi bygge en slik ramme for å ta en mer vilkårlig last måtte vi selvsagt konstruere tredimensjonalt og laget et romfagverk, for eksempel en kasseform. Eiffeltårnet er et eksempel på et svært komplisert romfagverk. Mange marine konstruksjoner er laget som romfagverk, av følgende årsaker: Stor styrke i forhold til vekten. Lite tverrsnitt bølger, strøm og vind gir relativt små belastninger. En utfordring med fagverk er å lage sammenføyninger som ikke svekker konstruksjonen. Offshorekonstruksjoner er i regelen sveist sammen. Men lettere konstruksjoner kan også bygges med nagleforbindelser. Da Eiffeltårnet ble bygd var sveising ennå ikke oppfunnet, og stavene er derfor forbundet med nagler. Stålskip ble også bygget med nagler. Først under siste verdenskrig, med krav om rask og billig produksjon av et stort antall skip til konvoitrafikken, ble sveising tatt i bruk i skipsbygging. På de neste sidene er gjengitt noen marine konstruksjoner, bygd som fagverk. TMR4100 Marin teknikk intro 5

6 Figur 6 Stålstagplattform av type jacket. Boretårn, kran og flammebom er også fagverkskonstruksjoner. Jacket er den klassiske offshoreplattformen, opprinnelig utviklet for relativt grunt vann i Mexico-golfen. Plattformen er festet til bunnen med peler, som går gjennom de vertikale beina. (Derav navnet jacket, plattformen er en jakke utenpå pelene.) På store plattformer kan hvert bein være forankret i flere peler, som er festet på utsiden av beina, se beina lengst til venstre i figuren. I Mexico-golfen er jacket installert på 500 m vanndyp (Bullwinkle). I Nordsjøen er jacket benyttet på vanndyp på vel 100 m. På større vanndyp vil en jacket kreve forholdsvis stort understell, og blir mindre økonomisk. I Nordsjøen benyttes flytende plattformer når vanndypet blir større. TMR4100 Marin teknikk intro 6

7 Figur 7 Bullwinkle plattform i Mexico-golfen Bullwinkle-plattformen i Mexico-golfen står på ca. 500 m vanndyp, og er verdens største faste plattform. Total høyde fra havbunnen til toppen av flammetårnet er nesten 600 m. Understellet er et fagverk av stålrør. På dekk står boretårn, flammetårn og flere kraner, alle er fagverkskonstruksjoner. TMR4100 Marin teknikk intro 7

8 Figur 8 Dypvannsplattform Dypvannsplattform av type guyed tower (bardunert tårn), der tårnet er et fagverk. Bølgebelastningene, som i hovedsak virker i overflaten, blir tatt opp av bardunene. Konstruksjonen kan derfor bygges mye slankere enn en jacket på tilsvarende vanndyp. Den åpne fagverkskonstruksjonen bidrar til å redusere bølgebelastningen. Figur 9 er en halvt nedsenkbar plattform (semi-submersible platform). Halvt nedsenkbare plattformer flyter på pongtonger, som holdes sammen av stag i et romfagverk. I forhold til et skip har en slik plattform et redusert tverrsnittsareal i vannoverflaten. Bølgekreftene og dermed bevegelsene reduseres betydelig. Slike plattformer kan lett flyttes omkring (mobile plattformer) og brukes mye til boring og marine operasjoner. TMR4100 Marin teknikk intro 8

9 Figur 9 Alexander L. Kielland-plattformen Alexander L. Kielland -plattformen fungerte som boligkvarter på Ekofisk-feltet, og havarerte i 1980 med tap av 123 menneskeliv. Årsaken til havariet var utmattingsbrudd i D-6- staget. Da staget røk, hadde konstruksjonen ikke reststyrke til å tåle belastningene, og brøt sammen i løpet av få sekunder. Denne ulykken førte til gjennomgripende endringer i norsk regelverk for dimensjonering av offshorekonstruksjoner, med nye krav om reststyrke for skadde konstruksjoner. TMR4100 Marin teknikk intro 9

10 Figur 10 Ekofisk Ekofisk ligger helt syd på norsk sokkel, mot dansk og britisk sokkel. Det første funnet av olje på norsk sokkel skjedde her i Gjennom årene er det bygget en hel by Ekofisk-byen av faste plattformer som bindes sammen av broer. Svært mange av konstruksjonene og elementene er fagverk. TMR4100 Marin teknikk intro 10

11 Lab Kontaktperson: Sted: Utstyr: Kaja Jonsvik Aarskog og Knut Aaberge Dahl Tunglabben 6000mm vinkelprofil 15x15x2mm 4000mm flatprofil 10x2mm 4000mm flatprofil 15x2mm 4000mm flatprofil 20x2mm 400x400x4mm plate 300x300x4mm plate 50 stk 4,8x20mm aluminiumspoppnagler 100stk 4,8x13mm aluminiumspoppnagler Litteratur: Forberedelser: Søk på Internett etter kraner og plattformer. Studer bildene. Sikkerhet: Orden: Labben ryddes etter bruk Oppgaver: Det skal bygges en aluminiumskonstruksjon som er en meter høy. Den skal tåle en last i vertikal retning på 500N. Deretter skal den knekkes i horisontal retning. Konstruksjonen skal settes fast i testbenk før den testes (se figur 11). Festepunktene i testbenken er fire bolter, kvadratisk plassert, med 300mm fra senter av bolt til senter av bolt. Boltene har muttere og skiver (Se figur 12). Les avsnitt Toleranser om hvor store hullene til boltene må være. 500N Mest mulig K O N S T R U K S J O N Figur 11 Horisontal og vertikal last på konstruksjon TMR4100 Marin teknikk intro 11

12 Bolt 300mm fra senter av bolt til senter av bolt. Figur 12 Innfestingsplate med bolter sett ovenfra Konkurranse Vi bruker to kriterier for å bedømme konstruksjonene, vekt og styrke. Det er om å gjøre å bygge en konstruksjon som er lett og sterk. Konstruksjonen med alle sine deler, vil bli veid. Deretter skal den styrketestes. Konstruksjonen må tåle lasten på 500N ovenfra før konkurransen begynner. Den vertikale lasten taes av før den horisontale lasten settes på. Antall Newton i horisontallast før konstruksjonen knekker deles vekten av konstruksjonen i kg. Den konstruksjonen som kommer ut med det høyeste tallet (konstruksjonspoeng) vinner (se eksempel 1). Ingen deler av konstruksjonen kan stikke utenfor bunnplaten sett ovenfra. Den horisontale lasten blir påført på den siden av konstruksjonen som gruppen ønsker. Det er ikke nødvendig med forsterkninger der lasten skal settes på. Eksempel 1 Inspektører kontrollerer at de gitte materialene er brukt i konstruksjonen. Konstruksjonen veies, eksempelkonstruksjonen veier 2,226 kg. Konstruksjonen passer i testbenken testen fortsetter. Konstruksjonen tåler en vertikal last på 500N testen fortsetter, labb OK! Konstruksjonen knekker ved en horisontal last på 1440N. Utregning: Kraft N Konstruksjonspoeng Vekt kg ,226 N kg 647 konstruksjonspoeng TMR4100 Marin teknikk intro 12

13 For å illustrere hvilken innflytelse evne til å ta horisontal last og konstruksjonens vekt vil ha på konstruksjonspoengene, har vi plottet formelen opp for hver av variablene. Vekt [kg] vs. konstr.poeng Poeng [kg] Figur 13 Her varierer vekten fra 1,6 til 4,4 kg mens horisontal last fastholdes til 980 N. Poeng Trykk [N] vs. konstr.poeng Kraft [N] v/3 kg Kraft [N] v/2,6 kg Kraft [N] v/2,2 kg [trykk] Figur 14 Her varierer horisontal last mens vekten plottes for 2,2 kg, 2,6 kg og 3 kg Gruppene må selv beslutte hvilket vekt-kraft-forhold som er det mest optimale for sin konstruksjon. Utførelse Den vertikale lasten som konstruksjonen må tåle, er et lodd, som vi legger på toppen av konstruksjonen. Konstruksjonen må ha en topplate til å legge loddet på. Vi kontrollerer at systemet er stabilt, deretter fjernes loddet og konkurransen kan begynne. Testbenken er utformet som en stor L. Konstruksjonen spennes fast nede på L-en og den horisontale lasten påføres 980mm over innspenningspunktene. Testbenken har en hydraulisk sylinder som knekker konstruksjonene. En jernplate vil bli lagt mellom jacketen og armen som påfører lasten, slik at dere ikke trenger å lage et forsterket angrepspunkt selv. TMR4100 Marin teknikk intro 13

14 På hydraulikksystemet sitter et manometer som måler trykk. Arealet på stempelet i hydraulikksylinderen er kjent. Når vi vet areal og trykk kan vi regne ut med hvilken kraft stempelet trykker mot konstruksjonen. Toleranser Konstruksjonen skal være 1000mm (+-15mm) høy. Innfestingen er som beskrevet i figur 12. Skruene i bunn av testbenken har en diameter på 10mm. Skivene som holdes fast av muttrene vil ha en maks diameter på 20mm. Bunnen av konstruksjonen skal bestå et helt platestykke hvor det kun er lov å borre hull for innfestingen. Motstandskraft mot sidelast i konstruksjonen vil antagelig øke til et visst punkt, så være stabil litt før den går drastisk nedover igjen. Knekklast måles her som høyeste oppnådde last. Materialer Konstruksjonen skal bestå av utdelte aluminiumsprofiler og poppnagler. Man kan bruke så lite eller mye av materialene som man selv ønsker. Hver gruppe har til rådighet: 6000mm vinkelprofil 15x15x2mm, vekt ca 0,92 kg 4000mm flatprofil 10x2mm, vekt ca 0,24 kg 4000mm flatprofil 15x2mm, vekt ca 0,32 kg 4000mm flatprofil 20x2mm, vekt ca 0,4 kg 400x400x4mm plate, vekt ca 1,68 kg 300x300x4mm plate, vekt ca 0,98 kg 50 stk 4,8x20mm aluminiumspoppnagler, vekt ca 0,22 kg 100stk 4,8x13mm aluminiumspoppnagler, vekt ca 0,36 kg Konstruksjonene skal ikke bestå av noe annet enn dette. Verktøy Dere bør bruke alt dere har lært fra statikkundervisningen. Ellers går det an å gjøre en styrkeanalyse i dataprogrammet Inventor. Vi har fem sett med verktøy som gruppene skal dele på. Settene består av: Plastkasse til oppbevaring av håndverktøy. Baugfil Poppnagletang Drill 12v Rissnål Kjørner Tusj Tommestokk Hammer Bor TMR4100 Marin teknikk intro 14

15 Måten en konstruksjon lages på er vel så viktig som materialet som benyttes. Materialet setter også begrensninger for hvordan konstruksjonen bør se ut. I denne labben skal dere selv prøve å sette sammen en konstruksjon av små bjelkeelementer. Her kan det lønne seg å studere tegninger og bilder av for eksempel store kraner og plattformer (jackets). Prøv å forstå hvordan de ytre kreftene (lasten på dekket (vertikal), sidekrefter fra vind, sjø og kollisjoner med skip) tas opp og fordeles gjennom konstruksjonen. Husk det dere har lært i statikkundervisningen. Tidsfrister 28.oktober Verktøy og materialer vil bli presentert i forelesning. 3. november Skisse av konstruksjonen med begrunnelse skal leveres inn i boks. 25. november Konstruksjonene skal testes/knekkes og vinner kåres. Kontaktpersoner Kaja Jonsvik Aarskog Knut Aaberge Dahl Byggingen av modellene vil foregå gruppevis på et laboratorium her på MTS. Les innledningen om konstruksjoner og fagverk nøye, så blir det enklere å bygge en lett og sterk konstruksjon. Prøv å finne ut hvilke krefter som går hvor, og hvor kreftene er størst. Se litt på konstruksjoner i bøker og lignende før dere designer modellen. Lykke til! TMR4100 Marin teknikk intro 15