Examensarbete
STÖTTA REGALSKEPPET VASA -
KONSTRUKTION AV EN INRE STÖTTNINGSSTRUKTUR
SUPPORTING THE REGALSHIP VASA -
CONSTRUCTION OF AN INNER SUPPORT STRUCTURE
Examensarbete inom huvudområdet Maskinteknik.
Grundnivå G2E, 30 Högskolepoäng Vårtermin 2021
Staffan Haukland Martin Holm
Handledare: Lennart Ljungberg
Examinator: Tobias Andersson
ii
Sammanfattning
Det råder ovisshet om hur väl Vasaskeppet kan klara att bära upp sin egentyngd i framtiden, men vad som är klart är att den befintliga stöttningen inte anses tillräcklig för att avlasta och motverka deformationer och försvagningar i skeppets trä. Vasamuseet, där skeppet står, är ett välbesökt turistmål, vilket innebär att en kollaps skulle medföra stora risker för personskador och i värsta fall förlust av liv. Ett konstruktionsförslag på en ny inre stöttning av Vasaskeppets aktre hytter har därför utvecklats och analyserats. Detta examensarbete genomförs tillsammans med Camatec AB som har fått i uppdrag av Vasamuseet att konstruera en ny hållbar helhetslösning gällande stöttningen av Vasaskeppet.
Arbetet började med att studera och klargöra problemet. De behov och krav som framkom under denna studie och under samtal med Camatec AB redogjordes i form av ett målträd. Målträdet användes sedan som utgångspunkt för idégenereringen, men även som mål för det slutliga konceptet att uppfylla.
Idégenereringen delades upp i två delar, en för hela strukturen och sedan en för knutpunkterna i strukturen, detta för att i största mån undvika mer- och dubbelarbete när det kommer till knutpunkterna. Det slutliga konstruktionsförslaget valdes genom en konceptvalsmatris och modellerades sedan i CAD.
CAD-modellen användes som grund i de följande analyserna av strukturen och dess ingående delar, där först en global analys av hela strukturen genomfördes för att dimensionera strukturen enligt gällande Eurokoder. Initialt valdes en liten rördimension för att successivt öka denna tills ett acceptabelt värde på spänningarna uppnåddes och en rördimension på 80 mm kunde bestämmas. Kompletterande analyser, såsom spänningsanalyser av kritiska delar och knäckningsanalyser, genomfördes med denna dimensionering för att ytterligare säkerställa att strukturen uppfyller kraven.
Den framtagna stöttningsstrukturen vidareutvecklades under hela processen, vilket resulterade i ett konstruktionsförslag på en inre stöttning av de aktre hytterna som håller för den extrema last som en kollaps skulle innebära.
iii
Abstract
There is uncertainty about how well the Vasa ship will be able to carry its own weight in the future, but what is clear is that the existing support is not considered sufficient to relieve and counter deformations and weakening of the ships wood. The Vasa Museum, where the ship stands today, is a well-visited tourist destination, which means that a collapse would entail great risk of personal injury and, in the worst case, loss of life. A design proposal for a new internal support structure for the ships aft cabins has therefore been developed and analysed. This degree project is carried out together with Camatec AB, whom has been commissioned by the Vasa Museum to construct a new sustainable overall solution regarding the support of the Vasa ship.
The work began with studying and clarifying the problem. Where the needs and requirements that emerged during this study and during conversations with Camatec AB were stated in the form of a target tree. The target tree was then used as a starting point for the idea generation, but also doubled as goals for the final concept to fulfil.
The idea generation was divided into two parts, one for the whole structure and then one for the connecting joints in the structure. This division was mostly done to avoid more and double work when it came to the connecting joints. The final design proposal was selected through a concept selection matrix and then modelled in CAD.
The CAD model was used as a basis in the following analyses of the structure and its constituent parts, where first a global analysis of the entire structure was carried out to dimension the structure according to current Eurocodes. Initially, a small pipe dimension was selected to gradually increase it until an acceptable value of the stresses was reached and a pipe dimension of 80 mm could be determined. Supplementary analyses, such as stress analyses of critical areas and buckling analyses, were performed with this dimensioning to further ensure that the structure met the requirements.
The developed support structure was continuously developed throughout the process, which resulted in a design proposal for an internal support of the aft cabins that could withstand the extreme loads that a collapse would cause.
iv
Intyg
Denna uppsats har lämnats in av Staffan Haukland och Martin Holm till Högskolan i Skövde som uppsats för erhållande av betyg på grundnivå G2E inom huvudområdet Maskinteknik.
Undertecknande intygar härmed att allt material i denna uppsats som inte är resultatet av eget arbete har redovisats med källangivelse. Uppsatsen innehåller inte heller material som undertecknande redan tidigare fått tillgodoräknat sig inom sina akademiska studier.
Staffan Haukland Martin Holm
Skövde 2021-06-04
Institutionen för Ingenjörsvetenskap
v
Förord
Författarna av denna rapport, Staffan Haukland och Martin Holm, vill rikta ett stort tack till Lennart Ljungberg, handledare på Högskolan i Skövde, Henrik Svedberg, Handledare på Camatec AB och Tobias Andersson, examinator på Högskolan i Skövde, för all hjälp de bidragit med under arbetets gång. Vi vill passa på att tacka Camatec AB för möjligheten att få arbeta med detta historiska och givande projekt.
Ett speciellt tack riktas även till Michael Larsson och Michael Olofsson, på Camatec AB, för visat tålamod och förmedlad kunskap.
vi
Innehållsförteckning
1 Inledning ... 1
Skeppsbygget ... 1
Katastrofen ... 1
Bärgningen ... 2
Konserveringen och återställningen... 3
Bakgrund ... 4
1.5.1 Vasaträet och krypning ... 5
Problembeskrivning ... 6
Syfte och mål ... 6
1.7.1 Målträd ... 6
Forskningsmetodik ... 7
Litteraturstudier ... 8
Avgränsningar och begränsningar ... 8
Material ... 8
Hållbar utveckling ... 9
2 Metod och implementering ... 10
Konceptgenerering... 10
2.1.1 Brainstorming ... 10
2.1.1.1 Implementering... 10
2.1.2 Braindrawing ... 10
2.1.2.1 Implementering... 11
2.1.3 Morfologisk matris... 11
2.1.3.1 Implementering... 11
2.1.4 Utvärdering av konceptgenerering ... 12
Konceptval ... 13
2.2.1 Konceptvalsmatris ... 14
2.2.1.1 Implementering... 14
2.2.2 Konceptvalsutvärdering och diskussion ... 14
Eurokoder ... 16
2.3.1 Dimensionering enligt Eurokod med stöd av EKS 11 ... 16
CAD och Creo ... 19
2.4.1 Modellering av koncept ... 19
2.4.1.1 Rör ... 20
2.4.1.2 Vantskruv ... 20
2.4.1.3 Knutpunkt ... 21
2.4.1.4 Lastbrygga ... 21
2.4.1.5 Tryckplatta ... 21
vii
FEM och Abaqus ... 22
2.5.1 Lastfall ... 22
2.5.2 FE-modellering av inre stöttningsstruktur... 24
2.5.2.1 Laster och randvillkor ... 26
2.5.2.2 Mesh och konvergens ... 27
2.5.2.3 Knäckningsanalys ... 27
2.5.2.4 Dimensionering med FEM ... 27
2.5.3 FE-modellering av knutpunkt ... 28
2.5.3.1 Laster och randvillkor ... 28
2.5.3.2 Mesh och konvergens ... 29
2.5.4 FE-modellering av rörsektion med vantskruv ... 29
2.5.4.1 Laster och randvillkor ... 29
2.5.4.2 Mesh och konvergens ... 30
2.5.5 FE-modellering av lastbrygga ... 30
2.5.5.1 Laster och randvillkor ... 31
2.5.5.2 Mesh och konvergens ... 31
2.5.6 Dimensionering med FEM ... 32
3 Resultat ... 33
Analys – Stöttningsstruktur (Global) ... 34
Analys - Knutpunkter ... 35
Analys - rörsektion med vantskruv ... 36
Analys - lastbrygga ... 37
4 Slutsats och diskussion ... 38
5 Förslag till framtida arbete ... 39
Referenser ... 40
Bilagor... 42
viii
Figurförteckning
Figur 1. Regalskeppet Vasa. Målning av Francis Smitheman. [2] ... 1
Figur 2. Franzén och Fälting när skeppet syns över vattenytan första gången på 333 år. [2] ... 3
Figur 3. Skeppet på Vasamuseet med aktern i fokus. [2] ... 4
Figur 4. Illustration över hur Vasaskeppets lutning ökat under en femårsperiod på grund av krypdeformationer i skrovet mot de befintliga vaggorna. [3]... 5
Figur 5. CAD-modell av Vasaskeppet, där de aktre hytterna är inringade. ... 6
Figur 6. Examensarbetets målträd där huvudmålen är nedbrutna i mindre och mer mätbara delmål. ... 7
Figur 7. Hållbar utveckling enligt triple bottom line. [10] ... 9
Figur 8. Morfologisk matris avseende den inre stöttningsstrukturen. ... 12
Figur 9. De åtta framtagna koncepten på den inre stöttningsstrukturen illustrerade i Vasaskeppets aktre hytter (För beskrivningar och tydligare bilder se bilaga 2). ... 12
Figur 10. De framtagna koncepten av knutpunkter för den inre stöttningsstrukturen (För beskrivningar och tydligare bilder se bilaga 3). ... 13
Figur 11. Konceptvalsmatris avseende den inre stöttningen av Vasaskeppet... 14
Figur 12. Illustration av det preliminära slutgiltiga konstruktionskonceptet för den inre stöttningen av Vasaskeppets aktre hytter. Här symboliserar de ortogonala korta strecken vantskruvsjusteringar och de röda prickarna knutpunkter. ... 15
Figur 13. Illustration av det slutliga knutpunktskonceptet, där de olika delarna kan kombineras ihop efter behov. ... 15
Figur 14. Initial modell av stöttningsstrukturen med lastbryggor. ... 20
Figur 15. CAD-modell av två rör med en vantskruv emellan. ... 20
Figur 16. Två exempel på använda knutpunkter i stöttningsstrukturen. Den vänstra sammankopplar strukturen i sidled samt mellan två däcksplan och den högra används som diagonal extra stöttning mellan ett däcksplan och ett vertikalt rör. ... 21
Figur 17. Ena halvan av den modellerade lastbryggan med tillhörande infästning som är baserat på knutpunktskonceptet. Den inringade bilden visar lastbryggans tvärsnitt. ... 21
Figur 18. CAD-modell av företagets tryckplatta (vars mått återfinns i bilaga 4). ... 22
Figur 19. Illustration av skeppsbalkars position och benämningar. ... 23
Figur 20. Tredimensionell vy av stöttningsstrukturen i wire-element. ... 25
Figur 21. Stöttningsstrukturen modellerad i Abaqus med ansatt rörgeometri. ... 25
Figur 22. Till vänster visas en tvådimensionell vy av stöttningsstrukturens ena sida i för-akter oreintering och hur punktlaster (små kraftpilar) samt gravitationslast (stor kraftpil) har applicerats i Abaqus. Till höger visas en tredimensionell vy. ... 26
ix
Figur 23. Positionering av stöttningsstrukturens randvillkor. ... 26
Figur 24. Randvillkor för stödjande vajrar. ... 27
Figur 25. Knutpunktsassemblyn i Abaqus... 28
Figur 26. Knutpunktsassembly med randvillkor och laster. ... 28
Figur 27. Illustration som visar tryck (röda pilar) och tryckarean (röda ytan). ... 29
Figur 28. Den modellerade rörsektionen i sitt mest utdragna läge. ... 29
Figur 29. Den FE-modellerade rörsektionens laster och randvillkor. Där de små gula pilarna är punktlaster, den stora gula pilen är gravitationslast och de orangea markeringarna är randvillkoren. ... 30
Figur 30. Meshen på de tre ingående delarna av rörsektionen. Där den finaste meshen lagts på de delar som väntas utsättas för störst spänningar. ... 30
Figur 31. FE-modell av den halva lastbryggan modellerad i Abaqus (blå modell) samt dess två beståndsdelar (grå modeller). ... 31
Figur 32. Illustration av lastbryggans lastfall och randvillkor. Där de små gula pilarna är punktlaster, den stora gula pilen är gravitationslasten samt de orangea och mörkblåa markeringarna är randvillkor (infästningsvillkor till vänster och symmetrivillkor till höger)... 31
Figur 33. Illustration av hur meshen förfinas utmed lastbryggans längd och en förstorad vy av den del som förväntas utsättas för högst spänningar, där även meshen är som tätast. ... 32
Figur 34. Illustration av en I-balksprofil. ... 32
Figur 35. CAD-modell av det slutgiltiga konstruktionsförslaget med de justerbara tryckplattorna från företaget. ... 33
Figur 36. Slutgiltigt konstruktionsförslag införd i en CAD-modell av Vasaskeppet. ... 33
Figur 37. Global spänningsanalys av stöttningsstrukturen med rördiameter d=80 mm och godstjocklek t=10 mm. ... 34
Figur 38. Två olika vyer på den första knäckningsmoden av den nya inre stöttningsstrukturen. .... 35
Figur 39. Spänningsanalys av den mest kritiskt lastade knutpunkten. ... 36
Figur 40. Spänningsanalys av rörsektion med vantskruv som är 100mm urskruvad på var sida. .... 36
Figur 41. Spänningsanalys av den modellerade halvan av den symmetriska lastbryggan. ... 37
x
Använda storheter, symboler och terminologi
1 sjömil 1 852 meter
För främre delen av ett skepp
Akter bakre delen av ett skepp
Styrbord Högersida på skeppet sett mot skeppets för Babord Vänstersida på skeppet sett mot skeppets för
Skrov Skeppets sidor och botten
Vaterbord horisontella förstärkningsplankor i skeppets längdriktning som följer skrovets ytterkant
E är ett materials elasticitetsmodul G är ett materials skjuvmodul
ν är ett materials tvärkontraktionstal inom elastiskt område, även kallat Poissons tal.
𝑓𝑦 är ett materials sträckgräns ρ är ett materials densitet
𝐺𝑘𝑗,𝑠𝑢𝑝 är det karakteristiskt värdet på strukturens permanenta laster 𝐺𝑘𝑗,𝑠𝑢𝑝 är det övre värdet på strukturens permanenta laster
𝛾𝑑 är en partialkoefficient som används vid dimensionering av byggnadsverksdelar i brottgränstillstånd
𝜎𝑥,𝐸𝑑 är dimensioneringsvärdet för den lokala längsgående spänningen i undersökt kritisk punkt
𝜎𝑧,𝐸𝑑 är dimensioneringsvärdet för den lokala tvärgående spänningen i undersökt kritisk punkt
𝜏𝐸𝑑 är dimensioneringsvärdet för den lokala skjuvspänningen i undersökt kritisk punkt
𝛾𝑀0 är en partialkoefficient som används vid dimensionering av byggnader
𝛼𝑐𝑟 är den kritiska faktorn för global elastisk instabilitet för den dimensionerande lasten
𝐹𝑐𝑟 är den kritiska knäckningslasten för global instabilitet 𝐹𝐸𝑑 är den dimensionerande lasten på bärverket
1
1 Inledning
Vasaskeppet är ett gammalt svenskt krigsskepp som byggdes på kung Gustav II Adolfs order mellan 1624 och 1628. Skeppet skulle med dubbla batteridäck och 72 kanoner vara något nytt för Sveriges flotta och hjälpa till att avgöra viktiga slag kring östersjöns kuststäder. Med hjälp av den nya sortens krigsskepp skulle Sverige ta kontroll över Östersjön och där skulle Vasaskeppet ha ett högt symboliskt värde som det första av den nya generationens krigsskepp. Med en avsedd besättning bestående av 150 skeppsmän och 300 soldater var den första seglingen planerad till våren 1628 [1], men den storslagna historien blev dock inte skriven som planerat.
Figur 1. Regalskeppet Vasa. Målning av Francis Smitheman. [2]
Skeppsbygget
Holländaren Henrik Hybertsson startade som ansvarig för skeppsbygget tillsammans med Arendt de Groot som höll ansvaret för inköp av byggnadsmaterial. Tillsammans hade de ett bra samarbete, Hybertsson hade tidigare byggt skepp för Sverige och de Groot var en duktig köpman med många kontakter runt om Östersjön. Under sommaren 1626 lämnades byggnadsansvaret över till assistenten Hein Jakobsson då Hybertsson blev sjuk och dog kort därefter [1].
Vetskapen om att skepp med dubbla batteridäck blir instabilare fanns redan innan bygget startades, men andra länder som till exempel Frankrike hade lyckats. Vasaskeppet sjösattes första gången våren 1627 då själva grunden var färdig och resterande kunde byggas medan det låg i vattnet, vilket var ett arbetssätt som ofta användes förr. Premiärseglingen sköts upp några gånger utan någon dokumenterad anledning, men innan första seglingen demonstrerade kaptenen skeppets instabilitet inför viceamiralen vilket ofta nämns som en anledning. Då kungen var enveten om att det nya krigsskeppet skulle komma ut i krig begav sig Vasaskeppet ut på sin första segling under sensommaren 1628, trots vetskapen om att skeppet var rankt [1].
Katastrofen
Den 10 augusti 1628 seglade Vasaskeppet ut ur hamnen för att lastas om innan det gick vidare ut i krig. Kaptenen var medveten om hur ostadigt skeppet var och vidtog nödvändiga försiktighetsåtgärder, allt för att undvika onödiga risker. När de passerade Beckholmen, bara en
2 dryg sjömil utanför hamnen, kom en lätt bris som fick skeppet att kantra. Krängningen från vinden gjorde att vatten började strömma in genom de nedersta kanonluckorna och skeppet rätade aldrig upp sig igen. Vasaskeppet sjönk och katastrofen var ett faktum. Efter olyckan förhördes kaptenen och de byggnadsansvariga, där de sistnämnda försökte skylla ifrån sig med hänvisning till att de bara följt Hybertsson och kungens plan. Vem som bar ansvaret för katastrofen kunde därför aldrig fastslås och ingen straffades [1].
Bärgningen
Eftersom Vasaskeppet sjönk nära hamnen kom tidigt tankar på att försöka bärga skeppet. Redan tre dagar efter skeppet sjönk beviljades ett bärgningsprivilegium till engelsmannen Ian Bulmer med avsikt att bärga skeppet innan kungen återvände från kriget i Polen. Försöken misslyckades flertalet gånger och framåt 1640-talet bedömdes skrovet i för dåligt skick för att återanvändas, vilket ledde till att bärgningsarbetet gavs upp [1].
Ett genombrott i bärgningsarbetet skedde först 1664 när Hans Albrecht von Treileben lyckades bärga den första kanonen från Vasaskeppet. Han arbetade med en dykarklocka och en griptång, som var två revolutionerande uppfinningar för den tidens dykararbete, och 1665 hade alla kanoner som verkade möjliga att bärga bärgats. Efter det var det inte mycket aktivitet kring skeppet då det ansågs att allt av värde redan var bärgat [1].
Det vanligaste var att ett vrak försvann nästan helt på några år och det enda som återstod var barlasten, men tack vare Östersjöns vattenförhållanden klarade sig Vasaskeppet bra. Anledningen till att träet klarade alla dessa år under vattnet var Östersjöns kalla och bräckta vatten, vilket gjorde det omöjligt för skeppsmasken att leva där. Vanligen är även erosionsbakterier ett hot mot gamla vrak, men på grund av att vattnet vid botten var nästintill anaerobt blev inte heller bakterierna något större hot [1].
Efter detta glömdes Vasaskeppet tillfälligt bort och nästa gång som bärgning av Vasaskeppet kom på tal var under 1950-talet då Anders Franzén började forska kring gamla vrak i Östersjön. Anders blev sedan personen som tillsammans med Per Edwin Fälting återupptäckte Vasas vrak och de startade det slutgiltiga bärgningsarbetet som tog verklig fart 1957. För att lyckas med bärgningen av skeppet förstärktes skrovet och sex tunnlar grävdes från vardera sida av vraket, vilket skulle hjälpa till att frigöra skeppet från bottenleran. Under tiden som tunnlarna färdigställdes städades det ombord på vraket för att göra det lättare att bärga [1].
Sensommaren 1959 var allt redo för att börja bärgas. Lyftpontonerna Oden och Frigg skulle tillsammans med flera bärgningsbåtar få upp skeppsvraket från botten. Det rådde dock viss osäkerhet om skeppet skulle klara av sin egentyngd när det väl kommit över ytan på grund av hur länge det legat i vattnet och därför beslutades det att lyfta upp skeppet knappt fem meter från botten för att sedan bogseras in mot grundare vatten där ett noggrannare städningsarbete ombord kunde påbörjas inför det sista lyftet. Den 24 april 1961 samlades människor tidigt på morgonen för att få chansen att bevittna när Vasaskeppet steg upp ur vattnet och återigen beträdas av människor första gången på 333 år. Dagarna som följde pumpades mängder av vatten ut ur skeppet och den 4 maj 1961 flöt Vasaskeppet än en gång av egen kraft [1].
3 Figur 2. Franzén och Fälting när skeppet syns över vattenytan första gången på 333 år. [2]
Konserveringen och återställningen
Väl ovan vattenytan kunde arbetet med att städa skeppet från slam och gyttja fortsätta. Ombord på Vasaskeppet fanns en skatt av föremål som plockades bort från skeppsvraket, dokumenterades var de suttit och lades sedan i vatten innan de konserverades och återställdes för framtiden. Under hela arbetet fanns osäkerheten om skeppet kunde klara av sin egentyngd utan att kollapsa och därför forskades det i möjligheterna till en förstärkning av skrovet. Samtidigt planerades ett permanent museum för Vasaskeppet och under tiden placerades skeppet i det nya Wasavarvet vid Djurgårdens strand där arbetet med konservering och återupprustning fortsatte [1].
Ett av de stora problemen med bevaringen av skeppet var att när fukthalten i träet sjönk behövde det ersättas med något annat för att inte påverka skeppets form och träets egenskaper. De var tvungna att komma på ett sätt att ersätta vattnet i träet, vilket visade sig vara en svårare uppgift än de tänkt då träets kärna fortfarande var relativt frisk. Alltså blev uppgiften att hitta någon form av konserveringsmedel som kunde påverka både den friska kärnan och det nedbrutna yttre på ett likvärdigt sätt för att minska risken med en varierande krymphastighet i träets olika lager. Det fanns beprövade metoder, men det var för mindre föremål och skulle inte vara lika effektivt på ett stort krigsskepp. Beslutet togs därför att använda polyetylenglykol, som dittills var relativt obeprövat, till att behandla skeppet. I början gjordes allt arbete manuellt, men 1962 började ett sprinklersystem användas för att underlätta konserveringen som pågick i ytterligare 17 år [1].
Det var mycket arbete, skeppet behövde förstärkas, lösa föremål skulle monteras fast och allt skulle återuppbyggas. Skeppets ursprungliga stålbultar hade rostat bort och ersattes med nya bultar av ett mjukt stål. Det konstruerades även stålvaggor till skrovet för skeppet att vila på och aktern stärktes upp av en ram rostfria stålbalkar då dess bärande delar förstörts av ett ankare under 1800-talet. Målet ända fram till 1970-talet var att alla besökare på det framtida museet skulle erbjudas möjligheten att gå ombord, men under återbyggnadens gång förstod de att det inte skulle vara möjligt. Totalt tillbringade Vasaskeppet 27 år på Wasavarvet där det arbetades med och visades upp. Det var först 1987 som arbetet med dagens museum påbörjades och 1988 kunde skeppet bogseras in med ett skyddande skal runtom sig. I juni 1990 invigdes museet officiellt och blev en succé världen över [1].
4 Figur 3. Skeppet på Vasamuseet med aktern i fokus. [2]
Bakgrund
Efter många år på botten av havet påverkas de flesta material negativt och virket i Vasaskeppet är inget undantag. Efter att beräkningar och forskning genomförts har det framkommit att skeppet inte kommer att klara av sin egentyngd på lång sikt. Flera arbeten har därför genomförts för att långsiktigt stärka upp skeppsstrukturen, men även dagens stödstruktur kommer inte vara tillräcklig för alltid. Bland annat är de befintliga vaggorna felplacerade i förhållande till skeppets strukturella uppbyggnad [1] vilket leder till ytterligare problem i form av ökade krypdeformationer (se kap. 1.5.1). För att minska risken att Vasaskeppet kollapsar av sin egentyngd kommer en inre stödstruktur att behöva konstrueras och vaggorna som avlastar skeppet kommer att behöva bytas ut. Vasaskeppet är en av de första träkonstruktionerna som behandlats med polyetylenglykol, vilket även det väcker en del frågetecken om framtiden [1].
Idag pågår planering av arbetet med en inre stödstruktur och nya stödvaggor. I aktern, som var illa skadad när skeppet bärgades, har det redan byggts en liten variant av inre stöttning som hängts upp i taket [1], men även den behöver kompletteras med en ny inre stöttning som avlastar de aktre hytterna.
Sedan hösten 2000 har Vasaskeppet observerats med hjälp av optiska geodetiska mätmetoder vilket bidragit med värdefull information om hur skrovet påverkas. Mätutrustningen är ansluten till cirka 400 punkter utmed skeppet vilka alla kan visas i ett tänkt koordinatsystem för att ge information om hur skeppet rör sig i de stöttande vaggorna. Jämförs mätningar mellan oktober 2000 och april 2005 visar det att skeppet har deformerats på grund av krypning vid vaggorna och börjat luta åt babord sida. Där en skillnad på 8,5 mm uppmättes vid övre delen av skrovet mellan de två tillfällena [3] (se fig. 4). Sedan 2005 har denna deformation fortsatt, och skeppet lutar mer för varje år, vilket är ytterligare en anledning till att ett stort arbete med en ny stöttningsstruktur har påbörjats.
5 Figur 4. Illustration över hur Vasaskeppets lutning ökat under en femårsperiod på grund av krypdeformationer i skrovet mot de befintliga vaggorna. [3]
1.5.1 Vasaträet och krypning
Vasaskeppets virke bestod mestadels av ek och efter mer än 300 år på Östersjöns botten var virkets hållfasthetsegenskaper betydligt försämrade. När en analys genomfördes 2011 på virket visade eken spår av svavel, järn och polyetylenglykol som minskade längre in mot kärnan. Spåren av svavel och järn berodde på att skeppsvraket legat i Östersjöns vatten under en längre tid, medan polyetylenglykol tillsattes som konserveringsmedel för att bevara eken efter bärgningen [4].
Polyetylenglykol antogs påverka ekens hållfasthetsegenskaper negativt och därför genomfördes tester på ny ek med olika mängder av polyetylenglykol som jämfördes med Vasaeken.
Mätningarna visade att Vasaeken hade ungefär 60 procent sämre egenskaper i draghållfasthet än prövobitarna. På prövobitarna hade polyetylenglykol en negativ påverkan på hållfasthetsegenskaperna, dock var den inte väsentlig vid den longitudinella draghållfastheten vilket var det mest relevanta vid mätningarna. Anledningen till att vasaeken hade betydligt sämre draghållfasthetsegenskaper beror alltså inte på behandlingen av polyetylenglykol, utan mer på Östersjöns påverkan [4].
Trä ses ofta som ett linjärt viskoelastiskt material och ett fenomen som är vanligt vid statisk last under en längre tid är krypning. Det innebär att även om spänningarna som orsakas av den statiska lasten inte övergår materialets sträckgräns kan den medföra att deformationer av materialet ökar med tiden utan att ytterligare last appliceras. Ju längre den statiska lasten kvarstår desto större blir krypdeformationen, dock minskar deformationshastigheten med tiden. När materialet avlastas igen återgår det ungefär lika mycket som den ursprungliga elastiska deformationen, medan själva krypdeformationen blir kvarstående. Fuktighet i trävirket bidrar till en högre krypningsgrad, speciellt om uttorkning sker under tiden som lasten verkar [5], vilket är vad vasaskeppet utsatts för. I vasaeken är krypning ett fenomen som ställt till stora bekymmer och en av många anledningar till att skeppet måste stöttas upp.
6
Problembeskrivning
För att undvika att Vasaskeppet kollapsar under sin egentyngd, på grund av krypning, deformationer och försvagningar i Vasaträet, behöver skeppet stödjas upp för att bevaras för framtiden. Då Vasamuseet är ett välbesökt turistmål skulle dessutom en kollaps innebära att det, utöver materialskador och förlust av ett historiskt landmärke, även föreligger stora risker för personskador och i värsta fall förlust av liv.
Camatec AB (fortsättningsvis företaget) har fått i uppdrag att konstruera en ny hållbar lösning, där examensarbetet är menat att bidra till projektet. För att inte färgas av företagets tidigare arbete med stöttningen inleds examensarbetet fristående från företaget för att senare sammanvävas till ett gemensamt arbete där båda parter tar nytta av varandra.
Syfte och mål
Examensarbetet kommer alltså vara en del av det projekt som ämnar att komplettera den undermåliga befintliga stöttningen av Vasaskeppet. Syftet med detta examensarbete är att minska spänningarna i de översta hytterna i aktern på skeppet (se fig. 5) genom att tillföra en ny inre stöttningsstruktur som avlastar och sänker de globala spänningarna.
Figur 5. CAD-modell av Vasaskeppet, där de aktre hytterna är inringade.
Målet med det här examensarbetet är att ta fram en konceptlösning på invändig stöttning till de övre akterhytterna. Konstruktionen ska anslutas till den övriga inre stöttningen som företaget konstruerar samt kommer att kompletteras med en justerbar vajeranordning för upphängning i museets tak. I framtiden finns planer att räta upp skeppet då det lutar någon grad åt babord, vilket medför att stöttningsstrukturen behöver vara justerbar. Konceptlösningen ska innehålla CAD- modeller samt beräkningar på stålet enligt gällande dimensioneringskrav.
1.7.1 Målträd
Då det alltid är viktigt att målen som sätts upp är tydliga och väldefinierade för att kontrollera och hantera designprocessen, erbjuder målträdsmetoden ett användbart format för att presentera dessa mål. Målen ställs då upp i en hierarkisk trädstruktur där huvudmålen bryts ned i mindre delmål [6] för att förtydliga dessa. Från examensarbetets syfte och mål-avsnitt ovan och samtal med företaget har följande punkter identifierats som huvudmål för den nya stöttningsstrukturen,
• Justerbart;
• Hålla för uträknat lastfall;
• Minimal åverkan på skeppet;
• Låg egentyngd på konstruktionen.
5 m
7 Där dessa sedan brutits ned till mindre, mer begripliga, delmål (se fig. 6).
Figur 6. Examensarbetets målträd där huvudmålen är nedbrutna i mindre och mer mätbara delmål.
De nedbrutna målen i målträdet påbörjar ofta tankearbetet med att föreslå medel för att uppnå målen [6]. Därför kommer målträdet dessutom att användas som en utgångspunkt för konceptgenereringen (se kap. 2.1).
Forskningsmetodik
Forskningsmetodiken design research methodology (DRM) har använts som grund i arbetet med denna rapport. Design research ämnar omfatta de aktiviteter där en produkt genereras och utvecklas tills dess att den tillfredsställer de upplevda krav från intressenter och användare som baseras på deras behov. Detta motsvarar närmast definitionen av konstruktion eller produktutveckling, vilket är denna rapports ändamål. I metodiken skapas en artefakt, såsom en produkt eller ett dataprogram, riktad till en tänkt målgrupp. Artefaktens duglighet och brukbarhet utvärderas därefter på ett ingenjörsmässigt sätt. DRM omfattas av en iterativ process bestående av följande fyra steg [7],
• Klargörande av forskningsuppgift – som ska resultera i att rapportens syfte och mål formuleras av de antaganden som gjorts baserat på den initiala nulägesbeskrivningen, som även kompletteras med relevant litteratur.
• Beskrivande studie I – omfattar en fördjupad litteraturstudie relaterat till formulerat syfte och mål för att få en bättre bild av nuläget och framgångskriterier.
• Förskrivande studie – syftar till att, med fördjupad förståelse för nuläget, utveckla den initiala bilden av det önskade framtida läget. Resultatet från detta steg är ett utvecklat stöd som är redo för utvärdering.
8
• Beskrivande studie II – här används empiriska undersökningar för att för att kontrollera hur väl de formulerade målen uppfylls, vilket resulterar i ett utvärderat stöd.
Litteraturstudier
För att ge examensarbetet bättre möjligheter har en genomgående litteraturstudie genomförts i form av vetenskapliga källor såsom forskningsartiklar, saklitteratur och rapporter.
Litteraturstudien byggde på att samla bakgrundskunskap om skeppet, varför skeppet behöver stödjas upp och hur andra arbeten genomförts för att lösa liknande problem. På det sättet har det bidragit med en bredare förståelse om projektarbeten, konstruktioner och bevaring av gamla föremål.
Avgränsningar och begränsningar
Examensarbetet avgränsas till att enbart gälla den inre stöttningen av de övre hytterna i aktern.
Stöttningsstrukturen kommer att konstrueras i samma material som övrig stöttning, vilket av företaget valts till S355 stål. Då Vasaskeppet är gammalt och av kulturhistoriskt värde kommer enbart minimal åverkan få ske på skeppet av stöttningsstrukturens kontakttryck och fastsättning samt genomföringar mellan däcken, allt under Vasamuseets överinseende. Dessutom får inga heta arbeten ske ombord på skeppet, vilket utesluter kapning, svetsning och slipning av stålet på plats.
På grund av rådande omständigheter med Covid 19 sker all kontakt med företaget via videokonferenser och det var länge oklart om och när ett platsbesök skulle kunna genomföras för att undersöka Vasaskeppet och mäta noggrannare på de berörda hytterna. Detta ledde till oro, oklarheter och öppnade för missförstånd som medförde vissa problem och hinder som behövde lösas på bästa möjliga sätt under projektets gång. En begränsning som uppkom under det, sent omsider, genomförda besöket på museet var att stöttningen skulle behöva delas upp i mindre delar då enbart längder om drygt 2 meter var möjligt att få ombord och in i de aktre hytterna.
Material
I examensarbetet kommer, som nämnts ovan, S355 stål att användas i den inre stöttningen eftersom övrig inre stöttning redan konstruerats med detta material i åtanke. Stålet i den inre stöttningen kommer att målas med kulören ncs 8000-n, vilket är en mörkgrå nyans. Detta för att stöttningen ska smälta in i skeppets dunkla interiör bättre och för att skydda stålet från korrosion.
S355 stål har följande materialegenskaper [8],
• Elasticitetsmodul, E = 210 GPa
• Skjuvmodul, G = 81 GPa
• Tvärkontraktionstal inom elastiskt område, ν = 0,3
• Sträckgräns, fy = 355 MPa
• Densitet, ρ = 7850 kg/m3
När det kommer till vajermaterial diskuterades ett par alternativ såsom rep, stålvajer och Dyneema, där föreslås det sistnämnda då det är ett mycket lätt och starkt material med låg töjning.
Dyneema är ett syntetiskt material som ofta kommer i form av olika tvinnade rep när det säljs kommersiellt. Med sin låga densitet kan Dyneema till och med flyta på vatten samtidigt som det är upp till 15 gånger starkare än stål av samma vikt [9]. Det har även överlägsen skär- och nötningsmotståndskraft samt hög motståndskraft mot UV-strålning och kemikalier [9].
Ytterligare en aspekt i valet är att Dyneema ser ut som ett rep vilket gör att det passar in på Vasamuseet bättre än en stålvajer skulle göra.
9
Hållbar utveckling
Hållbar utveckling innebär att dagens samhälleliga utveckling ska möta dagens behov utan att äventyra framtida generationers förmåga att möta sina. För att uppfylla detta kan modellen triple bottom line, eller TBL, (se fig. 7) användas som menar att det måste råda balans mellan utvecklingens tre dimensioner, social, ekologisk och ekonomisk hållbarhet [10].
Figur 7. Hållbar utveckling enligt triple bottom line. [10]
Fokus i denna rapport kommer att läggas på stål och dess produktion, då detta är materialet som kommer att användas till stöttningsstrukturen.
Efterfrågan på stål ökar dagligen och denna ökade efterfrågan accelererar den globala stålproduktionen. Stålindustrin bidrar på många sätt till att påfresta miljön negativt, där koldioxidutsläpp och energikonsumtion är de största bidragande faktorerna. För att producera stål behövs nämligen mycket energi och stålindustrin står för ungefär 15 procent av industriernas totala energikonsumtion. Stålindustrin står dessutom för 4–5 procent av världens koldioxidutsläpp. Därför är hållbarhetsaspekten inom stålindustrin också en global utmaning [11]
som måste tas på allvar.
Ekovänlig produktionsindustri är en av de viktigaste nycklarna till att rädda vår miljö, vilket gör att ingenjörer runt om i världen alltid behöver ha hållbarhetsaspekten i åtanke när nya produkter skapas. För att minska miljöpåverkan inom stålindustrin har mycket forskning och arbete genomförts på hållbarhet såsom metoder för att reducera koldioxidutsläpp och energikonsumtion samt återvinning och återanvändning av restprodukter [11].
Det är fortfarande en lång väg kvar, men stålindustrin har inte bara negativa egenskaper. Stål har nämligen en väldigt lång produktlivscykel jämfört med andra material och är det mest återvinningsbara materialet i världen. Vilket båda sänker nettoproduktionen av koldioxid och där återvinningen och återanvändningen av stålskrot även sänker råmaterialskonsumtionen och energiförbrukningen [11].
I examensarbetet kommer detta att beaktas när stöttningsstrukturen dimensioneras. Där en rimlig säkerhetsfaktor väljs för att ta höjd för att strukturen inte fallerar och orsakar person- eller materialskador, men samtidigt inte använder mer material än nödvändigt för att minimera projektets miljöpåverkan. Att inte använda mer material än nödvändigt hjälper även till med att hålla tillverkningskostnaderna nere, vilket är ytterligare en viktig hållbarhetsaspekt.
10
2 Metod och implementering
Konceptgenerering
Ett koncept är en ungefärlig beskrivning av en produkts teknologi, funktion och form [12] och därför är konceptgenereringen en väsentlig och central del i designprocessen [6]. Många ser designprocessen som ett medel för att skapa något nytt som inte tidigare funnits, men faktum är att de flesta designerna är vidareutvecklingar eller modifikationer av redan existerande produkter [6]. I projektet kommer båda tankesätten att utforskas och den inledande idégenereringen delas därför upp i två faser, båda med utgångspunkt i projektets målträd (se fig.
6). Under första fasen kommer ingen förstudie av tidigare konstruktioner ske, där är tanken att försöka hitta unika och nyskapande idéer som inte präglas av tidigare konstruktionslösningar.
Medan den andra fasen kommer föregås av studier utav tidigare lösningar på liknande konstruktioner för att fånga upp bra idéer och delar från dessa. Fas 1 kommer genomföras med en brainstorming följt av en braindrawingsession, medan under fas 2 kommer enbart en braindrawingsession genomföras. Konceptgenereringen avslutas sedan genom att, med hjälp av en morfologisk matris, kombinera och bygga vidare på de dellösningar som framkommit för att säkerställa att inga tänkbara koncept missas.
När slutligen ett preliminärt stöttningskoncept valts kommer en idégenerering gällande knutpunktslösningar för strukturen att genomföras. Idégenereringen kommer då enbart bestå av en braindrawing. Denna uppdelning beror på att det ansågs vara enklast och mest tidseffektivt att dela upp strukturen och dess knutpunkter i två olika moment för att minimera mängden dubbel- och merarbete.
2.1.1 Brainstorming
Brainstorming är den mest välkända kreativa metoden för att generera en stor mängd idéer [6]
på relativt kort tid. Denna metod kan ses som en intern sökning då idéerna som genereras uppstår från de kunskaper och den kreativitet som designteamet redan besitter [12]. Metoden innebär att potentiell användbar information inhämtas från deltagarnas minne och sedan anpassas informationen till problemet som ska lösas [12]. Där även den kreativa potentialen hos deltagarna höjs av att höra andras idéer [13] då deltagarna kan bygga vidare på och inspireras av dessa.
Processen kan utföras både individuellt eller i grupp [12] och kan genomföras på många olika sätt, men några viktiga grundregler för att förbättra genereringsarbetet är: kritisera inte, sikta på galna och vilda idéer, kombinera och förbättra idéerna samt kvantitet över kvalitet [13].
2.1.1.1 Implementering
Metoden, grundreglerna och förutsättningarna förklarades för deltagarna, som även uppmuntrades att tänka utanför boxen. Med examensarbetets målträd och en skiss på akterhytterna som utgångspunkt fick deltagarna i brainstormingen skriva ned sina tankar och idéer på papperslappar och sedan lägga dem på bordet där alla kunde se. Detta gav deltagarna möjlighet att vidareutveckla och inspireras av varandras idéer. Idéerna kunde delvis eller helt lösa problemet. Metoden genererade mycket inspiration och många idéer till hur slutkonceptet och dess komponenter kunde tänkas se ut och fungera. För att ytterligare förtydliga idéerna och stimulera genereringsprocessen användes braindrawing som komplement till metoden.
2.1.2 Braindrawing
För att stimulera nya perspektiv och öka kreativiteten i idégenereringen kan skissning användas som alternativ till att diskutera eller skriva idéer, vilket gör braindrawing till ett bra komplement till brainstorming. Metoden kan på flera olika sätt varieras, men grundidén är att varje deltagare
11 har något att rita på och en frågeställning att utgå ifrån. I tre minuter skissar deltagarna på pappret framför sig innan de skickar det vidare för att få en annan deltagares papper framför sig och processen fortgår tills papperna gått varvet runt. Tanken med detta är att inspireras av varandra och vidareutveckla varandras idéer för att skapa ytterligare outforskade varianter i lösningsrymden. Detta gemensamma skissande genererar också gemensamma idéer, vilket bidrar till att alla känner sig mer delaktiga i projektet. De resulterande skisserna analyseras och diskuteras sedan av deltagarna. Även här gäller samma grundregler som för brainstorming, alltså är det viktigt att inte vara kritisk eller logisk under skissningens gång [13].
2.1.2.1 Implementering
Braindrawingen för den inre stöttningsstrukturen delades upp i två faser, där första fasen skedde utan förstudie av tidigare konstruktionslösningar och andra fasen med förstudie. Båda faserna genomfördes på samma sätt genom att varje deltagare fick skissa fritt på en konceptlösning eller en dellösning under tre minuter för att sedan skicka den vidare. Nästa person tog över och vidareutvecklade idén eller inspirerades att göra något nytt. Detta pågick tills deltagarna fick tillbaka sitt eget papper.
Under fas 1 fick deltagarna, utöver målträdet och en skiss på akterhytterna, en sammanställning av tidigare genomförd brainstorming att utgå ifrån. Medan inför fas 2 sammanställdes dessutom ett antal kollage av tidigare konstruktionslösningar och andra inspirationsbilder i samma tema.
Dessa var menade att ytterligare inspirera och stimulera idégenereringen hos deltagarna under fas 2. Efter att braindrawingen slutförts diskuterades svagheter och styrkor hos de olika idéerna som arbetats fram, vilket gav många bra idéer om förbättringar, vidareutvecklingar, kombinationer och nya infallsvinklar för det fortsatta konceptarbetet.
När det kommer till idégenereringen av knutpunkterna var arbetsgruppen mindre, men braindrawingen utfördes på liknande sätt som fas 2 ovan med tillägg att det preliminära konceptförslaget för stöttningsstrukturen också togs i åtanke.
2.1.3 Morfologisk matris
Ofta kan det vara överväldigande att bara se till ett svårlöst huvudproblem och då kan det vara stimulerande att se problemet som en kombination av olika del- och stödfunktioner [13]. Syftet med en morfologisk matris är att försöka identifiera de nödvändiga del- och stödfunktioner som produkten måste innehålla för att kunna lösa problemet den är skapad för [6]. Där målet är att bredda sökningen efter potentiella lösningar som inte tidigare utforskats [6] genom att kombinera, diskutera och skissa potentiella koncept utifrån dessa del- och stödfunktioner [13].
En morfologisk matris konstrueras med del- och stödfunktionerna i en kolumn på vänster sida i en matris och sedan listas dellösningar eller medel för att lösa funktionerna på motsvarande rad [6]. Slutligen skapas nya helhetslösningar med olika kombinationer av dellösning från vardera av de identifierade del- och stödfunktionerna [13]. De nya koncepten utvärderas sedan med hänseende till om de är möjliga att genomföra och löser problemet.
2.1.3.1 Implementering
Det konstruerades en morfologisk matris (se fig. 8) bestående av dellösningar som upptäckts under den tidigare idégenereringsprocessen.
12 Figur 8. Morfologisk matris avseende den inre stöttningsstrukturen.
Under diskussioner kombinerades de dellösningar som ansågs ha störst potential och två helt nya konceptförslag kunde skapas. De nya konceptförslagen utvärderades sedan där båda ansågs genomförbara och ha möjlighet att lösa problemet. Därefter kunde de således läggas till de tidigare funna koncepten inför stundande konceptval.
2.1.4 Utvärdering av konceptgenerering
Konceptgenereringen i stort frambringade många dellösningar och helhetslösningar. Dessa behövde sållas för att få ned antalet till en rimlig mängd som sedan skulle kunna utvärderas vidare i en konceptvalsprocess. Efter en första utvärdering av idégenereringen med företaget ansågs, på grund av kraven på justerbarhet i samtliga ledder, rör vara det optimala valet av profil på stöttningsstrukturens stag. Vilket föranledde att flertalet av de genererade konstruktionskoncepten kunde slopas. Kvar inför konceptvalet stod åtta tänkbara stöttningsstrukturer (se fig. 9).
Figur 9. De åtta framtagna koncepten på den inre stöttningsstrukturen illustrerade i Vasaskeppets aktre hytter (För beskrivningar och tydligare bilder se bilaga 2) .
13 Även under idégenereringen av knutpunkterna framkom många bra idéer och lösningar. Där idéer uppstod, vidareutvecklades och gav upphov till nya lösningsförslag. De genererade del- och helhetslösningarna för knutpunkterna sammanställdes till ett antal slutkoncept (se fig. 10) som sedan utvärderades tillsammans med företaget.
Figur 10. De framtagna koncepten av knutpunkter för den inre stöttningsstrukturen (För beskrivningar och tydligare bilder se bilaga 3).
Konceptval
När en stor mängd olika alternativa koncept har skapats uppstår ofta problemet hur det bästa konceptet ska väljas [6]. Konceptval är en process som innebär att koncepten utvärderas gentemot kundkrav och andra kriterier samt jämföra de olika konceptens styrkor och svagheter mot varandra. Det finns många konceptvalsmetoder, med varierande effektivitet, för att välja vilket eller vilka koncept som ska undersökas ytterligare, testas eller vidareutvecklas. Några av dessa metoder är [12],
• Externt beslut: beslutet läggs på kunden, klienten eller annan extern enhet.
• Produktägare: en inflytelserik medlem i designteamet väljer utifrån personliga preferenser.
• Intuition: konceptet väljs utifrån känsla och att det känns bättre än de övriga.
• Votering: varje medlem i teamet röstar på ett eller flera koncept, där konceptet med flest röster väljs.
• Webbaserade undersökningar: varje koncept rangordnas av många personer online.
• För- och nackdelar: styrkor och svagheter listas och koncept väljs utifrån gruppens åsikter.
• Prototyptestning: konceptprototyper byggs och testas, varvid valet görs utifrån testdata.
• Konceptvalsmatriser: teamet betygsätter koncepten mot fördefinierade kriterier.
Här är de första metoderna baserat mer på känsla medan de senare är mer rationella. De rationella metoderna är att föredra då fler deltagare kan bidra till valet och därigenom ytterligare validera
14 slutresultatet [6]. I projektet används därför metoden konceptvalsmatris som utvärderingsverktyg av stöttningsstrukturen.
2.2.1 Konceptvalsmatris
Konceptvalsmatris är en relativt snabb och enkel metod för att utvärdera en mängd olika idéer.
För att få en demokratisk och rättvis utvärdering av idéerna presenteras alla på ett liknande sätt istället för att den idé som presenteras bäst blir den som vidareutvecklas. Under utvärderingen får deltagarna ett antal prickar att distribuera mellan idéerna, lika många positiva, neutrala och negativa prickar. Samtidigt som deltagarna ger en prick till ett koncept ska de också skriva en kort kommentar om idéernas för- och nackdelar. Slutligen räknas prickarna och koncepten med flest positiva prickar arbetas vidare med [13].
2.2.1.1 Implementering
Konceptvalsmatrisen genomfördes tillsammans med deltagare från företaget. Samtliga deltagare fick metoden och tillvägagångssättet förklarat för sig och blev tilldelade två gröna prickar, två gula prickar och två röda prickar. De gröna prickarna gavs till de koncept som de trodde mest på, de gula till koncept med utvecklingspotential och röda prickar till de som inte ansågs vara värda att arbeta vidare med. Därefter presenterades alla koncept på ett likvärdigt sätt för att sedan kunna påbörja omröstningen (se fig. 11). Efter röstningen utvärderades och diskuterades de olika förslagen. De koncepten med röda prickar ratades medan de koncepten med gula och gröna prickar diskuterades vidare angående dess utvecklingsmöjligheter och potential.
Figur 11. Konceptvalsmatris avseende den inre stöttningen av Vasaskeppet.
2.2.2 Konceptvalsutvärdering och diskussion
Konceptvalets klara vinnare var koncept 8 (se fig. 9) som fick totalt fyra gröna prickar, en från samtliga deltagare. Därefter var det relativt jämnt mellan koncept 1, 2, 4 och 7, vilket ledde till diskussioner angående vilka delar av dessa koncept som var bra och hade utvecklingspotential.
Utvärderingarna och diskussionerna kring detta resulterade i att koncept 8 förstärktes med de bra delarna som identifierades hos de andra koncepten, såsom vantskruvsjustering (se kap.
2.4.1.2), justering i samtliga ledder och mer sammanhållande vertikal stöttning. Vilket utmynnade i ett preliminärt slutkoncept för den inre stöttningsstrukturen av Vasaskeppets aktre hytter som kan ses i figur 12 nedan. Under utvärderingen bestämdes även att företagets justerbara tryckplatta (se kap. 2.4.1.5) skulle användas istället för att utveckla en helt ny, vilket hade varit ett examensarbete i sig. Detta medför att enbart en lastbrygga för att hålla dessa tryckplattor under varje skeppsbalk behöver konstrueras utöver själva stöttningsstrukturen.
15 Figur 12. Illustration av det preliminära slutgiltiga konstruktionskonceptet för den inre stöttningen av Vasaskeppets aktre hytter. Här symboliserar de ortogonala korta strecken vantskruvsjusteringar och de röda prickarna knutpunkter.
För knutpunkterna (se röda prickar i fig. 12) genomfördes inte någon konceptvalsmatris utan tillsammans med företaget diskuterades och utvärderades de framtagna knutpunktskoncepten i aspekter som tillverkningssvårighet, monteringssvårighet, justerbarhet och lösningens allmänna funktionalitet. Vilket resulterade i att ett slutligt knutpunktskoncept (se fig. 13) kunde väljas från de, i kapitel 2.1.4, genererade konceptförslagen. Valet föll på denna knutpunktslösning då den med sin modulära design, till skillnad från övriga alternativ, lätt kan anpassas till samtliga tänkbara knutpunktskombinationer inom den inre stöttningsstrukturen. Dessutom medför dess moduläritet även att hållbarhetsförluster i form av överflödigt material, som annars skulle leda till både ökad miljöpåverkan och ekonomisk förlust (se kap. 1.12), minskas drastiskt.
Figur 13. Illustration av det slutliga knutpunktskonceptet, där de olika delarna kan kombineras ihop efter behov.
16
Eurokoder
Eurokoder är gemensamma standarder inom EU för strukturell design av byggnader och andra ingenjörsarbeten som skapats på uppdrag av Europeiska kommissionen där alla ingående länder är tvingade att följa dessa. Standarderna ska bidra till att eliminera de handelshinder mellan medlemsländerna som annars skulle hindra den fria handeln av konstruktionsprodukter och ingenjörstjänster inom EU. Dessutom leder de till en mer enhetlig säkerhetsnivå inom konstruktion och ger en gemensam grund för forskning och utveckling inom ingenjörsområdet.
Standarderna täcker alla konstruktionsaspekter från design till kvalitetskontroll och är uppdelad i tio Eurokoder, EN 1990 – EN 1999 [14]. Där EN 1990 (Eurokod 0) behandlar de grundläggande dimensioneringsreglerna för bärverk som ligger till grund för resterande reglemente och EN 1993 (Eurokod 3) tillämpas på designen av byggnader och andra ingenjörsarbeten i stål [15]. Dessa kommer därför vara av störst intresse för examensarbetet.
För att Eurokoderna ska vara applicerbara i hela EU tillåts också vissa nationella val där det enskilda landet får välja värden på ett antal parametrar beroende på faktorer såsom miljö och klimat. I Sverige styrs detta av Boverket och Transportstyrelsen som anger villkor och eurokodens användning inom respektive ansvarsområde. Där Boverkets föreskrifter gäller byggnaders väsentliga tekniska egenskaper och återfinns i dokumentet EKS 11 [16], som anger de nationella parametrarna och hur de ska tillämpas på de europeiska konstruktionsreglerna (Eurokoderna) [17].
2.3.1 Dimensionering enligt Eurokod med stöd av EKS 11
Stöttningsstrukturen i Vasaskeppet ska dimensioneras i enlighet med gällande Eurokoder, Eurokod 0 och Eurokod 3, med stöd av Boverkets konstruktionsregler, EKS 11. De grundläggande kraven på ett bärverk, som berör examensarbetet, enligt Eurokod 0 är [16],
• Bärverket ska dimensioneras för att med tillräcklig hög grad av tillförlitlighet och på ett ekonomiskt sätt motstå alla krafter och annan påverkan som bärverket sannolikt kommer att utsättas för under sin avsedda livslängd.
• Dimensioneringen av bärverk ska ske på ett sådant sätt att den erhåller lämplig bärförmåga, brukbarhet och beständighet.
• Tänkbar skada på bärverk ska undvikas eller begränsas genom lämpligt val av åtgärd såsom val av mindre känslig bärverkstyp, erforderlig utformning och förbindelser mellan bärverksdelar.
Dessa relevanta krav bör uppfyllas genom lämpligt val av material, lämplig dimensionering och strukturell utformning samt kontroller av dimensionering, produktion, utförande och användning [16]. På den sistnämnda punkten kommer dock enbart kontroller på dimensioneringen att kunna utföras i rapporten då det är den enda av dessa processer som behandlas. När det kommer till materialvalet för den inre stöttningsstrukturen har materialet redan valts av företaget till S355 stål (se kap. 1.11) som är ett vanligt förekommande konstruktionsstål för liknande stöttande strukturer. Då materialet för bärverket är stål ska utöver de grundläggande kraven från Eurokod 0 även tilläggsregler från Eurokod 3 tillämpas [8]. Den strukturella utformningen på stöttningen har bestämts genom ovan beskrivna konstruktionsdesignprocess (se kap. 2.1 samt 2.2), vilket enbart lämnar dimensionering och kontroller av sagda struktur för att se till att den till fullo tillgodoser de krav som Eurokoderna ställer. För att påbörja dimensioneringsarbetet behöver följande parametrar definieras,
• Typ av last och lastfall [16]
• Brottgränstillstånd [16]
• Dimensioneringsvärden [16]
• Säkerhetsklassning [17]
17
• Säkerhetsfaktor [8]
• Verifiering av bärförmåga [8]
• Instabilitet [8]
Först behöver typen av laster bestämmas, vilket i detta fall enbart består av permanenta laster (𝐺) då inga yttre omständigheter såsom vindlast, snölast eller risk för påkörning av fordon påverkar den inre stöttningen. Permanenta laster klassificeras som bärverkets egentyngd och tyngd av fast utrustning samt i vissa fall även de påtvingade deformationer som orsakas av indirekta laster [16]. Skeppets egentyngd, som agerar indirekt last på stöttningen, kommer därför också att bedömas som permanent. Om variationerna hos en permanent last kan anses små kan ett karakteristiskt värde, 𝐺𝑘, tillämpas [16]. Då skeppets och stöttningens egentyngd kan anses vara konstant över tid antas dessa permanenta laster till karakteristiska värden som enbart verkar i positiv gravitationsriktning (Lastfallet beskrivs vidare i kap. 2.5.1).
De beräkningar som utförs under bärverksanalysen ska med acceptabel noggrannhet samt lämpliga bärverksmodeller och variabler förutse bärverkets beteende. De statiska laster som modellen utsätts för ska baseras på lämpliga val av kraft-deformationssamband för bärverkets samtliga delar samt att de randvillkor som tillämpas ska vara representativa för bärverket. Vid linjärelastiska analyser beaktas indirekta laster som direkta eller ekvivalenta laster [16]. Därför kommer skeppets egentyngd att ansättas som en direkt last i FE-modellerna och särskild noggrannhet kommer att tas vid val av bärverksmodell och randvillkor i analyserna (se kap. 2.5).
Brottgränstillstånd klassificeras som ett gränstillstånd där människors och/eller bärverkets säkerhet berörs. Förlorad jämvikt (EQU), brott orsakat av utmattning (FAT), brott genom stor deformation i undergrunden (GEO) samt inre brott eller för stora deformationer av bärverk eller bärverksdelar (STR) är brottgränstillstånd som ska verifieras i de fall de är relevanta. Då den mest kritiska och avgörande faktorn när det kommer till brottgränstillståndet STR är hållfastheten hos bärverkets material [16] kommer denna att vara mest relevant vid dimensioneringen av Vasaskeppets inre stöttning. Dimensioneringsvärden för permanenta ogynnsamma laster i brottgränssituationer för brottgränstillstånd STR ges av följande ekvation [17],
𝛾𝑑 1,35 𝐺𝑘𝑗,𝑠𝑢𝑝 (1)
där
𝐺𝑘𝑗,𝑠𝑢𝑝 är det övre värdet på strukturens permanenta laster;
𝛾𝑑 är en partialkoefficient som används vid dimensionering av byggnadsverksdelar i brottgränstillstånd [17].
Gällande den inre stöttningen av Vasaskeppet kan dock 𝐺𝑘𝑗,𝑠𝑢𝑝 ersättas med det karaktäristiska värdet 𝐺𝑘 på grund av små variationer över tid enligt tidigare definition. Medan partialkoefficienten 𝛾𝑑 bestäms av byggnadsverksdelens säkerhetsklass enligt [17],
• Säkerhetsklass 1: 𝛾𝑑 = 0,83
• Säkerhetsklass 2: 𝛾𝑑 = 0,91
• Säkerhetsklass 3: 𝛾𝑑 = 1
En byggnadsverksdels säkerhetsklass avgörs med hänsyn till omfattningen av de personskador som kan uppstå vid brott och anges i en skala från låg (säkerhetsklass 1) till hög (säkerhetsklass 3) [17]. För Vasaskeppet anses det vara stor risk för allvarliga personskador om stöttningen och/eller skeppet skulle kollapsa vilket betyder att säkerhetsklassen på strukturen sätts till 3.
18 Detta medför att ekvation (1) ovan kan förenklas till,
1,35 𝐺𝑘 (2)
Vilket är att tolkas som säkerhetsfaktorn för en strukturs permanenta laster enligt Eurokod.
När en byggnads, byggnadsverks eller strukturs bärförmåga ska verifieras får den
dimensionerande lasteffekten inte överstiga motsvarande dimensionerande bärförmåga. Och vid beräkning av bärförmågan för en kritisk punkt hos ett bärverks tvärsnitt får följande flytvillkor användas [8],
(𝜎𝑥,𝐸𝑑𝑓𝑦
𝛾𝑀0
)
2
+ (𝜎𝑧,𝐸𝑑𝑓𝑦
𝛾𝑀0
)
2
− (𝜎𝑥,𝐸𝑑𝑓𝑦
𝛾𝑀0
) (𝜎𝑧,𝐸𝑑𝑓𝑦
𝛾𝑀0
) + 3 (𝜏𝑓𝑦𝐸𝑑
𝛾𝑀0
)
2
≤ 1 (3)
där
𝜎𝑥,𝐸𝑑 är dimensioneringsvärdet för den lokala längsgående spänningen i undersökt kritisk punkt;
𝜎𝑧,𝐸𝑑 är dimensioneringsvärdet för den lokala tvärgående spänningen i undersökt kritisk punkt;
𝜏𝐸𝑑 är dimensioneringsvärdet för den lokala skjuvspänningen i undersökt kritisk punkt;
𝑓𝑦 är materialets sträckgräns (se kap. 1.11);
𝛾𝑀0 är en partialkoefficient som används vid dimensionering av byggnader [8].
Partialkoefficienten, 𝛾𝑀0, tillämpas för den karakteristiska bärförmågan för ett tvärsnitt oavsett tvärsnittsklass och anges till 1 [8, 17] i både Eurokod 3 och den nationella bilagan, EKS 11. Vilket innebär att med detta värde och efter lite omkastning av ekvation (3) kan flytvillkoret skrivas som följer,
√(𝜎𝑥,𝐸𝑑)2+ (𝜎𝑧,𝐸𝑑)2− (𝜎𝑥,𝐸𝑑)(𝜎𝑧,𝐸𝑑) + 3(𝜏𝐸𝑑)2
2 ≤ 𝑓𝑦 (4) Det vänstra ledet i ekvationen är en förenklad version av von Mises flytvillkor, vilket betyder att spänningen enligt von Mises kommer att vara det intressanta värdet när FE-analyser genomförs på stöttningen. Här kan faktorn från ekvation (2), istället för att multipliceras på de permanenta lasterna, likställas med att konstruktionen har en säkerhetsfaktor på 1,35. Vilket innebär att ingen del av stöttningen får ha spänningar, enligt von Mises, som överskrider,
𝑓𝑦
1,35= 355
1,35= 263 MPa (5)
När ovan beskrivna dimensioneringsvillkor är uppfyllda återstår att analysera strukturens instabilitet, eller dess förmåga att motstå knäckning. För knutpunktsmodellering kan normalt inverkan av knutpunkternas beteende på bärverkets inre kraft- och momentfördelning samt totala deformationer försummas om effekterna inte är betydande [8]. Detta bestäms genom att fastställa vilken av följande tre förenklade knutpunktmodeller som de analyserade knutpunkterna ordnas under [18],
• Ledad: där knutpunkten inte överför böjmoment
• Kontinuerlig: där knutpunktens verkningssätt inte inverkar på analysen
• Delvis kontinuerlig: där knutpunktens verkningssätt inverkar på analysen och behöver tas hänsyn till
19 Val av lämplig förenklad knutpunktsmodell bestäms beroende på knutpunktens klassificering och vald analysmetod. Där knutpunkter som klassificeras som styva under en elastisk analys ska beaktas med den förenklade knutpunktsmodellen kontinuerlig, vilket innebär att knutpunkternas beteende inte antas ha någon inverkan på analysen [18]. Då detta är fallet för knutpunkterna i examensarbetets stöttningsstruktur kommer knutpunkternas inverkan att bortses från under kommande knäckningsanalyser.
De inre krafter och moment som nämndes ovan kan bestämmas genom en första eller andra ordningens analys, där bärverkets initiala geometri används i en första ordningens analys medan för en andra ordningens analys beaktas även bärverkets deformationer. Om effekterna av en deformerad geometri ökar lasteffekten betydande eller väsentligt förändrar bärverkets beteende bör de tas hänsyn till och en andra ordningens analys bör tillämpas. För att undersöka om ökade lasteffekter eller annan förändring av bärverkets beteende, orsakad av en deformerad geometri, kan försummas ska följande villkor uppfyllas för en elastisk analys [8],
𝛼𝑐𝑟 = 𝐹𝑐𝑟
𝐹𝐸𝑑≥ 10 (6) där
𝛼𝑐𝑟 är den kritiska faktorn för global elastisk instabilitet för den dimensionerande lasten;
𝐹𝑐𝑟 är den kritiska knäckningslasten för global instabilitet;
𝐹𝐸𝑑 är den dimensionerande lasten på bärverket [8].
Om detta villkor uppfylls kan knäckningsanalysen av strukturen genomföras enbart med en första ordningens analys där initialkrokighet och imperfektioner kan bortses från [8]. Vilket också medför att villkoret kan ses som en form av säkerhetsfaktor vad gäller analyser av bärverks motstånd mot knäckning.
CAD och Creo
CAD står för computer-aided design och är ett verktyg för att kunna rita 2D-ritningar och 3D- modeller av produkter innan de tillverkas på riktigt. Med hjälp av CAD-program blir det enkelt att skapa, testa, ändra och dela med sig av nya idéer och produktförslag vilket underlättar i arbetsprocessen och gör utvecklingsarbetet lättare att genomföra [19].
1985 grundade Dr. Samuel Geisenberg företaget parametric technology corporation (PTC) som utvecklade en av de första kompletta CAD-programvarorna på marknaden vilken senare utvecklades till dagens Creo. Programvaran Creo kan som de flesta CAD-program användas till 2D-ritningar och 3D-modeller, men har även en funktion kallad Creo Simulate där simulationer och beräkningar kan genomföras [19].
2.4.1 Modellering av koncept
För att ge en grov överblick på hur konceptet skulle passa in i skeppet valdes det först att modellera hela konceptet i ett stycke som sedan importerades till en, av företaget tillhandahållen, CAD-modell av Vasaskeppet. Detta gav en bild av hur stöttningsstrukturen skulle samarbeta med de balkar som behövde avlastas. Det visade även tydligt var problem skulle uppstå på grund av trångt utrymme i skeppet eller var det gick göra lättare lösningar utan att försämra funktionaliteten hos stöttningen. Den första modellen gjordes som en skelettmodell som gavs en rörgeometri, där sedan bryggor monterades på strukturen under varje enskild däcksbalk i en assembly (se fig. 14).
