CMT 36/2017

Einbeziehung geklebter Fensterbänder und Glasfronten in die Festigkeit von Schiffen

 

Technische Universität Hamburg, Institut für Konstruktion und Festigkeit von Schiffen
Prof. DSc. (Tech.) Sören Ehlers, Dr.-Ing. Bjarne Wiegard (geb. Gerlach)

 

Fraunhofer Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung, Bremen
Prof. Prof. Dr. Bernd Mayer, Dr.-Ing. Oliver Klapp, Dr.-Ing. Bernhard Schneider

 

Das IGF-Vorhaben 18465 N der Forschungsvereinigung Center of Maritime Technologies e.V. wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des deutschen Bundestages gefördert.

 

Der Bericht kann beim CMT bestellt werden. Bitte senden Sie eine E-Mail an igf(at)cmt-net.org

 

Zusammenfassung

Große Fenster, Fensterbänder und Glasfronten sind für das Design von Passagierschiffen und Megayachten bedeutend. Die Auslegung der Fensterscheiben erfolgt entsprechend dem lateralen Entwurfsdruck. In den Festigkeitsberechnungen zur Schiffsstruktur werden die zumeist eingeklebten Glasscheiben aber in der Regel außer Acht gelassen. Es wird angenommen, dass dieses Vorgehen zu konservativen Ergebnissen führt. Die Klebverbindung wird häufig in Abhängigkeit der Fensterabmessungen festgelegt. In diesem Vorhaben wurde auf Basis von umfassenden experimentellen und numerischen Untersuchungen eine Prozedur für die Einbeziehung der geklebten Fensterscheiben in die Berechnung der Strukturfestigkeit erarbeitet. Dazu wurden auslegungsrelevante Kennwerte für Klebstoffe und Klebverbindungen, die das Verhalten unter quasi-statischer und schwingender Belastung bei betriebsrelevanten Temperaturen und medialen Umgebungsbedingungen beschreiben, umfassend ermittelt. Diese Kennwerte wurden zusätzlich zur Veröffentlichung in diesem Bericht in einer Datenbank archiviert und stehen zukünftigen Anwendungen zur Verfügung. Außerdem wurden Methoden erarbeitet, wie die geklebten Fenster in FE-Globalmodelle von Schiffen integriert werden können und wie die Spannungen in der Schiffsstruktur und in der Klebverbindung analysiert werden können. Dieses ist eine komplexe Aufgabe, da die FE-Globalmodelle in der Regel grob vernetzt werden, das heißt die Elementkantenlängen betragen nicht selten einen Meter oder mehr. Andererseits haben die Klebeverbindungen an sich kleine Abmessungen und es ist zudem eine feine Vernetzung mit Volumenelementen erforderlich, um die Steifigkeit der Verbindung korrekt abzubilden. Dieses Problem kann entweder durch eine vereinfachte Modellierung der Fenster oder durch Anwendung der Substruktur-Technik gelöst werden. Beide Methoden haben gemeinsam, dass ein detailliertes FE-Modell der Fensterkonstruktion samt umgebener Schiffsstruktur erstellt werden muss. Damit wird dann entweder das verein-fachte Modell oder die Substruktur generiert. Nach der Berechnung der relevanten Entwurfslastfälle mit dem Globalmodell, erfolgt dann in beiden Fällen die Analyse der Belastungen wieder mit dem detaillierten FE-Modell. Die Bewertung der Analyseergebnisse erfolgt im Falle der Schiffsstruktur anhand der Regelwerke der Klassifikationsgesellschaften. Für die Bewertung der Klebstoffbeanspruchung wurden zulässige Werte aus den Versuchen mit den Klebstoffen abgeleitet. Zudem wurde das Zusammenwirken der Fensterscheiben mit der Schiffstruktur numerisch an Bei-spielschiffen und experimentell an Versuchsmodellen im Originalmaßstab und mit bauteilähnlichen Laborproben, die eine Scheibenklebung bestehend aus Klebschicht und Sichtfuge repräsentieren, untersucht. Es hat sich gezeigt, dass die eingeklebten Fensterscheiben insbesondere die Schubsteifigkeit lokal erhöhen und es dadurch zu einer Abnahme der Scherung der betreffenden Wände kommt. Die Zunahme der Schubsteifigkeit ist gleichermaßen auf die Wirkung der Klebschicht und auf die Stützwirkung der Sichtfuge zurückzuführen. Dadurch kann es zu einer Reduktion der Spannungen in der Metallstruktur beim Übergang von z.B. Fensterbändern zu schubsteiferen Strukturbereichen, das heißt zu einer Schiffsstruktur ohne Öffnungen, kommen. An den schlanken Stützen innerhalb eines Fensterbandes werden die Spannungen jedoch häufig und zum Teil erheblich erhöht. Dieses ist eine wichtige Erkenntnis, da bisher von einer generell positiven Wirkung der eingeklebten Fensterscheiben ausgegangen wurde. Die Mechanismen, die die Spannungszunahme hervorrufen, werden in diesem Bericht erläutert. Des Weiteren werden Empfehlungen gegeben, durch welche Maßnahmen diese Spannungen reduziert werden können. In diesem Zusammen-hang ist das dritte Versuchsmodell hervorzuheben, dessen innovative Konstruktion zu einer Steigerung der Betriebsfestigkeit der Metallstruktur führen kann. Neben den elastischen Schubversuchen, die zur Ermittlung des Zusammenwirkens von Schiffstruktur und Fensterscheiben und gleichzeitig zur Validierung der FE-Modelle durchgeführt wurden, wurden in Traglastversuchen die Tragfähigkeit bei Schubbelastung und die jeweiligen Versagensmechanismen der Konstruktionen ermittelt.

 


Abstract

Large windows, strips of windows and glass fronts are important for the design of passenger ships and megayachts. The dimensioning of the window panes is done based on the lateral design pres-sure. In strength calculations for the ship structure, however, the bonded window panes are gen-erally ignored. It is assumed, that this approach leads to conservative results. The size of the adhesive bonding is often determined depending on the window dimensions. In this project, a procedure for the integration of bonded window panes in the calculation of structural strength was developed on the basis of extensive experimental and numerical investigations. For this purpose, design-relevant characteristic parameters for adhesives and bonded joints, which describe the behavior under quasi-static and fatigue loads at operating-relevant temperatures and ambient conditions, were comprehensively determined. These parameters have been archived in a database in addition to being published in this report and are thus available for future use. In addi-tion, methods have been developed to integrate the bonded windows into global FE models of ships and to analyze the stresses in the ship structure and in the bonded joints. This is a complex task, since, on the one hand, the global FE models are usually coarsely meshed – i.e. the element edge lengths are often one meter or more. On the other hand, the bonded joints per se have small dimensions and, in addition, a fine mesh with solid elements is required in order to correctly represent the stiffness of the joint. This conflict can be solved by either a simplified modeling of the win-dows or by using the substructure technique. Both methods have in common that a detailed FE model of the window structure including the surrounding ship structure has to be created. From this detailed FE model, either the simplified model or the substructure is generated for the use in the global FE model. After the simulation of the relevant design load cases with the global model, the analysis of the stresses is in both cases again done with the detailed FE model. The evaluation of the analysis results is in the case of the ship structure carried out on the basis of the rules of classification societies. For the evaluation of the stresses in the bonded joints, admissible values were derived from the experiments with the adhesives. In addition, the interaction of the window panes with the ship structure was numerically investigat-ed with example ships and experimentally with full-scale test models. Additionally, laboratory specimens -similarly designed according to the geometry of bonded joints between the glass pane and the frame of the surrounding metallic ship structure- were investigated. It has been shown that the bonded windows increase in particular the shear stiffness locally leading to a decrease in shear de-formation of the walls concerned. The increase in shear stiffness is caused by the bonding and by the support of the sealing gap likewise. As a result, stresses in the metal structure at window strip ends, i.e. at the transition to a ship structure without openings, can be reduced. In the slender mullions within a window strip, however, the stresses are frequently and in some cases considerably increased. This is an important finding, since it was previously assumed that the bonded windows have a generally positive effect on the stresses. The mechanisms that cause the stress increase are explained in this report. Furthermore, recommendations are given how these stresses can be reduced. In this context, the third test model should be emphasized, whose innovative design can lead to an increase in the fatigue strength of the metal structure. In addition to the elastic shear tests, which were performed to determine the interaction of ship structure and window panes and at the same time to validate the FE models, the load carrying capacity in shear load and the respective failure mechanisms of the structures were determined.

 

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