Longitudinal strength design of an ice strengthened container ship using high strength steel and its effects on fatigue strength

Abstract

The aim of this thesis is to design the longitudinal strength of an ice strengthened container ship when using steel with yield strength of 690 MPa. Motivation for using high strength steel is the possibility to use less steel in hull construction. The use of less steel could bring weight savings compared to current designs. The thesis also studies on possible reduction of fatigue life when introducing steel with yield strength of 690 MPa into the design. Finally, possible weight savings are calculated by comparing the unit weight of two similar midship section, one made using steel with yield strength of 460 MPa and one using steel with yield strength of 690 MPa.

Designing process of the midship section using 690 MPa steel is based on UR-S11A document. A new material factor value for the steel with yield strength of 690 MPa is used in the design process as the current rules do not provide guidance on using 690 MPa steel. In order to study the change on fatigue life when using steel with 690 MPa, a 4R fatigue calculation method is used. With the method the effects of material strength and residual stresses on fatigue life can be considered.

It is found out that a container ship can be designed using steel with yield strength of 690 MPa by following UR-S11A limits for permissible stress and moment of inertia. It was found out that the moment of inertia limit drives the design process. A significant reduction on fatigue life was calculated when using steel with yield strength of 690 MPa compared to the use of 460 MPa steel. By applying HFMI post weld treatment, the fatigue life of midship section with 690 MPa steel could be increased to be even higher than the fatigue life of midship section made using 460 MPa steel. Finally, it was calculated that around 14% weight loss could be achieved by using 690 MPa steel. Most of the weight saving were obtained by reducing the scantlings of ice strengthening structure.

Tämän tutkimuksen tavoitteena on suunnitella jäävahvistetun konttisaluksen pitkittäislujuus käyttäen suunnittelussa myötölujuudeltaan 690 MPa olevaa terästä. Motivaatio työn tekemiseen on mahdollisuus keventää aluksen painoa käyttämällä vähemmän terästä aluksen valmistuksessa verrattuna nykyisiin aluksiin. Tämän lisäksi työssä tutkitaan suurlujuusteräksen käytön vaikutusta aluksen väsymiskestoikään. Lopuksi työssä verrataan kahden keskilaivapoikkileikkauksen painoja, joista toinen on suunniteltu käyttäen myötölujuudeltaan 460 MPa lujuusluokan ja toinen käyttäen 690 MPa lujuusluokan terästä.

Suunnittelu perustuu UR-S11A dokumentin mukaisiin raja-arvoihin. Suunnittelua varten 690 MPa teräkselle on käytetty uutta materiaalikertoimen arvoa, sillä nykyiset suunnittelumetodit eivät tunnista kyseistä suurlujuusterästä. Teräksen käytön vaikutusta väsymiskestoikään tarkastellaan käyttämällä 4R väsymislaskentamenetelmää. Menetelmä huomioi teräksen lujuuden ja jäännösjännitysten vaikutuksen väsymiskestoikää laskettaessa.

Työssä päädyttiin lopputulokseen, että konttialus voidaan suunnitella käyttäen UR-S11A mukaisia raja-arvoja. Näistä raja-arvoista keksilaivan poikkileikkauksen jäyhyys on suunnittelua eniten rajaava tekijä. Teräksen lujuusluokan kasvattamisen todettiin laskevan laivan väsymiskestoikää huomattavasti. Hitsin jälkikäsittelyn avulla väsymiskestoikä voitiin kuitenkin nostaa jopa korkeammaksi verrattuna 470 MPa lujuuksisesta teräksestä suunnitellun poikkileikkauksen väsymiskestoikään. Lopputuloksena myötölujuudeltaan 690 MPa terästä käyttämällä päästiin noin 14% painosäästöön verrattuna myötölujuudeltaan 460 MPa teräksen käyttöön konttialuksen poikkileikkauksessa. Lähes kaikki painosäästö saatiin aikaiseksi käyttämällä jäävahvistuksissa 690 MPa myötölujuuden terästä 460 MPa myötölujuuden teräksen sijaan.