Korte beschrijving

Geplateerde constructies worden op grote schaal gebruikt in veel bouwkundige constructies. De meeste ontwerpen zijn slecht bestand tegen drukkrachten. Gewoonlijk vinden de knikverschijnselen die in samengedrukte toestand worden waargenomen vrij plotseling plaats en kunnen zij tot catastrofaal bezwijken van de constructie leiden. Daarom is het belangrijk de knikcapaciteiten van de platen te kennen om voortijdig falen te voorkomen.

Probleemstelling

Bij Femto Engineering deed Bas Aberkrom voor zijn afstuderen onderzoek naar de ontwikkeling en validatie van een uitvoeringsmethode voor knikcontroles van beplatingconstructies.

Het toekomstige doel van eindige-elementen-modelleer-softwarepakketten zou zijn om de constructie automatisch te ontwerpen, of in ieder geval voor zover mogelijk. Je maakt de plaatconstructie, past belastinggroepen toe en het programma plaatst verstijvers en liggers op een optimale manier. In één keer zou je het model zo afwerken dat het stijf genoeg is, gemakkelijk te produceren en optimaal in materiaalgebruik. Dit is natuurlijk niet waar we nu zijn.

Het knikprobleem wordt steeds belangrijker omdat constructies meer en meer op hun kritische grenzen worden ontworpen om het materiaalgebruik te verminderen en/of het gewicht te verlagen. Nieuwe en betere materialen maken nieuwe ontwerpen mogelijk en leiden tot een verschuiving naar de knikgrenzen.

Het woord knikken betekent letterlijk verlies van stabiliteit. Dit kan zich voordoen in afzonderlijke plaatvelden of grotere beplatingconstructies. Grote modellen voor vliegtuigen, kranen, schepen of andere soorten offshore-constructies kunnen uit een groot aantal panelen bestaan. De lineaire knikanalyses in eindige-elementenpakketten van specifieke delen van een constructie kosten veel engineeringstijd, laat staan de niet-lineaire analyses. Zo’n analyse over het hele model is bijna altijd nutteloos omdat het alleen inzicht geeft in de ondergrens van de knikfactor en natuurlijk in het gebied waarin je niet geïnteresseerd bent. Daarom is een individuele controle van elk plaatveld vereist, wat niet alleen veel ingenieurswerk is, maar ook meer onzekerheden in de berekening brengt.

Wat zijn de spanningsresultaten die moeten worden toegepast? Hoe fijn moet de maaswijdte zijn? Wat zijn de randvoorwaarden? Wat voor soort imperfectie moet worden toegepast? Een ingenieur zal een aanzienlijke kennis van het onderwerp moeten hebben om de knikweerstand van het ontwerp te kunnen beoordelen.

Benadering

Men kan zowel lineaire als niet-lineaire knikanalyses uitvoeren in een eindig-elementen softwarepakket. Het ontbreken van een bevredigende analyse probeert men op te lossen met een combinatie van FEM-resultaten en normen (ABS en DNV).

Normen werken met vereenvoudigde doorsneden; plaatvelden en balk-kolommen, waardoor een aanzienlijke hoeveelheid invoer voor geometrie en spanningen noodzakelijk is. Het ontbreken van een werkelijke implementatiemethode voor deze normen is wat deze studie heeft gemotiveerd. De spanningsinvoer wordt onderzocht met de volgende onderzoeksvragen:

“Is linearisatie/vereenvoudiging van spanningsverdelingen op individuele plaatvelden toelaatbaar en zo ja, hoe moet de implementatiemethode er dan uitzien?”

“Is het toelaatbaar om de kolomknikcontroles te baseren op spanningsresultaten van alleen balkelementen en zo ja, hoe moet de uitvoeringsmethode er dan uitzien?”

Conclusie

Het doel is niet zozeer om de knikproblemen en -verschijnselen opnieuw te definiëren, maar om een goede implementatiemethode op te zetten om de normen toe te passen op een eindig-elementenmodel.

De werkelijke spanningsverdelingen van een plaatveld worden gevormd door de hoekspanningsresultaten van FEM plaatelementen langs elke rand. Het voorstel is om linearisaties van ontwerpspanningen te vormen nadat de onderverdeelde delen zijn geformuleerd. Deze spanningsverdelingen komen veel beter overeen met de theoretische cijfers zoals voorgesteld in de normen. Een volledig functionerende software-oplossing moet nog worden ontwikkeld.