Analysis of fire loading and buckling response of an aluminium structural member in a ferry hull

Abstract

I denne masteroppgaven har en metode for å analysere skrog konstruksjoner under forhøyet temperaturer blitt oppfunnet. Metoden baserer seg på ideen om at når en konstruksjon er oppvarmet, vil den ikke ha uniform temperaturfordeling gjennom tverrnittet. Med kunnskapen om at material egenskapene endrer seg ved temperatur, blir konstruksjonen delt inn i mindre deler og tildelt de materialegenskapene tilsvarende temperaturen i konstruksjonen. Dette gav muligheten til å inkludere temperaturfordeling i avanserte konstruksjoner istedenfor å analysere modellen ved en konstant temperatur, og muligheten til å utføre knekk-analyser med temperatur effekter.

Analysen vil bli gjort i Abaqus på en aluminium stiver som er en del av et skott rundt batterirommet på en aluminium passasjerferje. Den vil begynne med en varmeoverføringsanalyse som gir temperaturfordelingen i konstruksjonen. Etter dette vil en linær knekk analyse bli gjort med modelled delt inn i små deler med tilsvarende material egenskaper til temperaturen funnet i varmeoverføringsanalysen, og egenverdiene og egenmodene vil bli funnet. Disse er så brukt til å analysere den ikke-linære knekkformen og den kritiske knekklasten til strukturen.

En parameterstudie ble gjort for de følgende tilfellene: 1. Aluminium stiver i romtemperatur 2. Aluminium stiver med brann på platesiden uten isolasjon ved rundt 500°C 3. Aluminium stiver med brann på stiversiden uten isolasjon ved rundt 500°C 4. Aluminium stiver med brann på platesiden med isolasjon etter 60 minutter 5. Aluminium stiver med brann pa stiversiden med isolasjon etter 60 minutter 6. Stål stiver i rom temperatur ˚ 7. Stål stiver med brann på platesiden uten isolasjon etter 60 minutter 8. Plate bestående av flere stivere i romtemperatur

Fra anlysene ble det konkludert med at en isolert stiver med brann på stiversiden ville tåle brann bedre enn den med brann på platesiden. Isolering hadde også god effekt på både varmeoverføringen og opprettholdingen av den strukturelle integriteten til aluminium stiverene. Stål stiverene tålte bedre å bli utsatt for varme enn aluminium, og hadde også noe sterkere struktur. Uansett, aluminium viste seg a være et godt materiale for å erstatte stål, dersom det er isolert riktig.

In this thesis a method for performing buckling analyses on hull structures under elevated temperatures was invented. The method is based on the idea that when a structure is heated, it will not have uniform temperature distribution throughout its cross-section. With the knowledge that the material properties change with the temperature, the structure was divided into little pieces and assigned the material properties according to their temperature. This gave the possibility to include the temperature distribution on advanced structures instead of analysing the model with constant temperature, and to perform buckling analyses with temperature effects.

The analyses will be performed in Abaqus on an aluminium stiffener which is a part of a bulkhead around the battery room of an aluminium passenger ferry. It will start with a heat transfer analysis which will give the temperature distribution of the structure. After this a linear buckling analysis will be performed with the model divided in to smaller pieces with the corresponding material properties, as found in the heat transfer analysis, and the eigenvalues and eigenmodes will be obtained. These are then used to analyse the nonlinear buckling shape and the critical buckling load for the structure.

A parametric study is to be performed for the following cases: 1. Aluminium stiffener in room temperature 2. Aluminium stiffener with fire on plate side without insulation, at around 500°C 3. Aluminium stiffener with fire on stiffener side without insulation, at around 500°C 4. Aluminium stiffener with fire on plate side with insulation after 60 minutes 5. Aluminium stiffener with fire on stiffener side with insulation after 60 minutes 6. Steel stiffener in room temperature 7. Steel stiffener with fire on plate side without insulation after 60 minutes 8. Plate consisting of multiple stiffeners in room temperature

It was found from the analyses that the insulated stiffeners with fire on the stiffener side were more fire resistant than the ones with the fire on the plate side. Also, the insulation had great effects on both the heat transfer and maintaining the structural integrity of the aluminium stiffeners. The steel showed greater resistance to fire than aluminium, and also stronger structural integrity. However, aluminium turned out to be a great replacement for hull design, if insulated correctly.