Gebogen, aber nicht gebrochen: Leichtere Eisbrecher

Rendering des kanadischen Polar-Eisbrechers, einer der jüngsten Referenzen von Aker Arctic. Die nichtlinearen FEM-Tools des Unternehmens ermöglichten die Verwendung handelsüblichen hochfesten Stahls. Bild mit freundlicher Genehmigung von Aker Arctic

Nach der Entwicklung der Technik vor etwa fünf Jahren hat Aker Arctic nun die erforderlichen Forschungsarbeiten abgeschlossen, um seine neue Konstruktionsmethode für Eisbrecherrümpfe in die finnisch-schwedischen Eisklassenregeln aufzunehmen. Die Methode wurde auch in die Polarklassenregeln mehrerer Klassifikationsgesellschaften (LR, ABS, DNV) übernommen.

Obwohl sich die Forschung auf Schiffe konzentrierte, die typischerweise in der Ostsee unterwegs sind, hat Aker Arctic die Methodik auch in vielen seiner jüngsten Neubauten eingesetzt, darunter beispielsweise beim neuen kanadischen Eisbrecher, der sich derzeit im Bau befindet. Die Innovation ist nicht auf eine bestimmte Region oder Eislast beschränkt, sondern erweitert die Modellierung von Stahlplatten und Verstärkungen wie Stegrahmen über die elastischen Eigenschaften zur Vermeidung von Beulen hinaus um die Plastizität, die sicherstellt, dass sie nach einer Verformung nicht brechen.

Typischerweise berücksichtigen mathematische Formeln oder direkte lineare Berechnungen mit der Finite-Elemente-Analyse (FEM) nur das elastische Verhalten, während für die Plastizität des Stahls oberhalb der Streckgrenze eine lineare Beziehung angenommen wird. Das elastische Verhalten ist naturgemäß linear – je höher der Druck, desto tiefer die Delle –, die Plastizität hingegen nicht. Daher erfordert die Vorhersage eines Strukturversagens auf Grundlage linearer Analysen Annahmen. Die genauen Sicherheitsmargen sind unbekannt.

Ein Bild, das die Ergebnisse einer nichtlinearen FEM-Analyse darstellt.
Bild mit freundlicher Genehmigung von Aker Arctic. „Um es nicht technisch auszudrücken: Wir berechnen die Größe der Delle nach einem Aufprall auf Eis und ermitteln, ob wir sie akzeptieren können“, sagt Juuso Lindroos, Teamleiter für Strukturdesign bei Aker Arctic. „So können wir gezielt bestimmen, was verstärkt werden muss und was nicht. Wir können die schwächsten Teile der Struktur lokalisieren und die Belastbarkeit des Stahls an dieser Stelle optimieren, um sicherzustellen, dass eine dauerhafte Verformung innerhalb der Plastizitätsgrenze noch sicher ist.“

Dies ermöglicht den Konstrukteuren eine einfachere Rumpfstruktur mit weniger Halterungen und einer deutlichen Reduzierung der Dimensionierung der Primärstrukturen, wodurch das Stahlgewicht des Schiffes gesenkt wird. Die Eisbrecher sind daher einfacher im Design und einfacher zu bauen.
Aker Arctic hat herausgefunden, dass sich bei einem typischen Eisbrecher Stahlgewichtseinsparungen von 100 bis 300 Tonnen erzielen lassen. Das Schiff kann mehr Treibstoff oder Fracht transportieren, oder es kann ein kleineres Schiff mit geringerem Tiefgang für flachere Gewässer konstruiert werden. Da bei der Stahlproduktion große Mengen CO2 freigesetzt werden, ergeben sich auch Vorteile für die Umwelt.

Lindroos zufolge kam der Anstoß zur Entwicklung der neuen Methodik durch die Erfahrungen beim Bau von Eisbrechern, die den Anforderungen der Polar-Klasse entsprechen. Als die Regeln der Polar-Klasse 2006 eingeführt wurden, führten sie zu übermäßig schweren primären Tragelementen im Vergleich zu den Schalen- und Rahmenstrukturen, obwohl die älteren Schiffe, die vor Inkrafttreten des Kodex gebaut wurden, eine nachgewiesene Sicherheitsbilanz aufwiesen.

Der Bauingenieur Ville Valtonen von Aker Arctic leitete eine Gruppe, die das Problem untersuchte, darunter Rob Hindley von Aker Arctic und James Bond von ABS. Sie veröffentlichten ihre Forschungsergebnisse 2020 in der Fachzeitschrift Marine Structures. Darin dokumentierten sie ihre neue, robuste Bewertungsmethode und Akzeptanzkriterien mittels FEM und zeigten, dass eine nichtlineare Analyse bessere Einblicke in das Verhalten von Rumpfstrukturen bietet. Zielgerichtete Lösungen könnten entwickelt werden, um die Struktur zu verstärken, anstatt unnötig Stahl hinzuzufügen, um einfache, präskriptive Formeln zu erfüllen.

Lineare FEM-Methoden sind zwar unkompliziert und weit verbreitet, können aber nicht vorhersagen, was nach der Streckgrenze passiert, einschließlich des Nachknickverhaltens und ob der Versagensmodus allmählich oder plötzlich auftritt. Die nichtlineare Methode kann dieses Verhalten genau vorhersagen, erfordert jedoch mehr Parameter und Formeln für die Materialmodellierung.

Dauerhafte Verformung einer Struktur nach dem Aufbringen und Entfernen der Auslegungslast.
Bild mit freundlicher Genehmigung von Aker Arctic

Es handelt sich um einen aufwändigeren Prozess als die lineare elastische Analyse, doch die Kosteneinsparungen und andere Vorteile, wie etwa eine einfachere Reparatur, gleichen den Mehraufwand aus, sagt Lindroos, insbesondere bei Schiffen mit hoher Eisklasse.

Aker Arctic hat die Ergebnisse der nichtlinearen Berechnungen mit realen Eisschäden verglichen. Die berechneten Bruchlasten und die Art und Weise, wie eine Struktur versagt, stimmen sehr gut mit den beobachteten Schäden überein, was Vertrauen in die Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Methode schafft. „Aus Sicherheitssicht verlieren wir nichts. Mehr Vertrauen in die Bruchmodellierung bedeutet, dass wir die Risiken minimieren können.“

Es ist allgemein anerkannt, dass kleine lokale Dellen in der Außenhaut akzeptabel sind, solange ein ausreichender Spielraum gegen andere schwerwiegendere Versagensarten wie Bruch oder Beulen der Plattenstrukturen besteht. Eine genaue Bewertung der Struktur vor und nach dem Nachgeben ermöglicht eine direkte Verbindung zwischen den Analysekriterien und dem gewünschten Ergebnis, nämlich dass die bleibenden Verformungen durch die Eisfahrt im Normalbetrieb gering bleiben und die Struktur über ausreichende Reservekapazität verfügt, um ein sicheres Verhalten bei versehentlicher Überlastung zu gewährleisten.

Das erste Schiffsprojekt, das mit der neuen Methodik entwickelt wurde, war der Ostsee-Begleiteisbrecher Aker ARC 130 S für die schwedische Schifffahrtsbehörde. Lloyd's Register hat die Methodik in diesem Fall bewertet und genehmigt. Der Beschaffungsprozess läuft noch.

Der kanadische Eisbrecher Polar ist eine der jüngsten Referenzen von Aker Arctic. Dank der nichtlinearen FEM-Tools von Aker Arctic konnte handelsüblicher hochfester Stahl verwendet werden. Ohne diese Einsparungen hätte man auf extra hochfesten Stahl zurückgreifen müssen, der schwieriger zu beschaffen und zu schweißen ist. Das 158 Meter lange und 28 Meter breite Schiff der Polar-Klasse 2 ist für den ganzjährigen autarken Betrieb in der Hocharktis ausgelegt. Es kann weiter nördlich, unter schwierigeren Eisbedingungen und über längere Zeiträume operieren als jeder andere Eisbrecher in Kanada bisher.

Inzwischen wurde auf Grundlage der Forschungsergebnisse von Aker Arctic ein neuer finnisch-schwedischer Regelentwurf verfasst und an die Klassifikationsgesellschaften und das Hull Panel der International Association of Classification Societies verteilt. Nach Eingang der Kommentare wurde die Regel finalisiert und soll als Alternative zur aktuellen Vorschrift in die nächste Version der finnisch-schwedischen Eisklassenregeln übernommen werden.

Nach Abschluss dieser Arbeit setzt Aker Arctic seine Forschung fort. In diesem Jahr veröffentlichte Valtonen eine weitere Studie, in der er mit der nichtlinearen Methodik untersuchte, wie die Rumpfform die Eislast beeinflusst. Die Rumpfform ist ein wichtiger Aspekt bei Eisbrechern, da die letztendliche Eisbrechkraft von der Rumpfform an der Kontaktstelle abhängt. Die Studie verfeinerte die Eislasten, um die Rumpfstruktur zu optimieren, die Ladekapazität zu erhöhen und die Kosten zu senken. Es wird erwartet, dass sie die Konstruktionsstandards für Eisbrecherschiffe, einschließlich der Regeln der Polarklasse und der finnisch-schwedischen Eisklassenregeln, verbessern wird.

Rendering des neuen schwedischen Eisbrecherdesigns, für das Aker Arctic eine nichtlineare FEM-Analyse erstellt hat.
Bild mit freundlicher Genehmigung von Aker Arctic