design of structural details - eric greene...

31
Marine Composites Webb Ins1tute Senior Elec1ve Spring, 2013 Design of Structural Details Eric Greene, Naval Architect [email protected] 410.263.1348 410.703.3025 (cell) hLp://ericgreeneassociates.com/webbins4tute.html

Upload: duongcong

Post on 07-Apr-2018

221 views

Category:

Documents


1 download

TRANSCRIPT

Marine  Composites  Design  of  Structural  Details  

Webb  Ins4tute  Senior  Elec4ve  –  Spring  2013   page  0  

Marine  Composites  Webb  Ins1tute  Senior  Elec1ve  Spring,  2013  

Design  of  Structural  Details  

Eric  Greene,  Naval  Architect  [email protected]  410.263.1348  410.703.3025  (cell)  hLp://ericgreeneassociates.com/webbins4tute.html  

Marine  Composites  Design  of  Structural  Details  

Webb  Ins4tute  Senior  Elec4ve  –  Spring  2013   page  1  

Typical  Parameters    for  Sandwich  Panels  

Marine  Composites  Design  of  Structural  Details  

Webb  Ins4tute  Senior  Elec4ve  –  Spring  2013   page  2  

Single  Skin/Sandwich  Skin  Intersec1on  Detail  

LLOYD’S  REGISTER  RULES  AND  REGULATIONS  FOR  THE  CLASSIFICATION  OF  SPECIAL  SERVICE  CRAFT,  July  2010  Scantling  Determina4on  for  Mono-­‐Hull  CraV  

Arrangement  of  hull  reinforcement  

Marine  Composites  Design  of  Structural  Details  

Webb  Ins4tute  Senior  Elec4ve  –  Spring  2013   page  3  

Sandwich-­‐to-­‐Solid  Transi1on  Stress  

Flexural  Loading  

Tension and  Compression  

Stress  Concentrations  

Shear Stresses  

Marine  Composites  Design  of  Structural  Details  

Webb  Ins4tute  Senior  Elec4ve  –  Spring  2013   page  4  

Chine  Details  

Illustra4ons  courtesy  of    ATC  Chemical  Corpora4on  (now  Gurit).    Drawing  is  for  guidance  only  –  actual  laminates  should  be  engineered  to  specific  requirements  in  accordance  with  classifica4on  society  rules.  

Stepped  Chine  with  PuLy  Radius  in  Way  of  LiVing  Strap  or  Blocking  

Chine  in  Area  of  LiVing  Straps  or  Blocking  

Stepped  Chine  with  Foam  Wedge  

Marine  Composites  Design  of  Structural  Details  

Webb  Ins4tute  Senior  Elec4ve  –  Spring  2013   page  5  

Chine  &  Spray  Strake  Stress  

c  

Marine  Composites  Design  of  Structural  Details  

Webb  Ins4tute  Senior  Elec4ve  –  Spring  2013   page  6  

Hull-­‐to-­‐Deck  Joints  

There  are  about  as  many  specific  ways  to  create  an  effec4ve  hull-­‐to-­‐deck  joint  as  there  are  builders.    Whether  adhesive  or  fiberglass  is  used  to  create  the  water4ght  joint,  some  basic  principles  should  be  kept  in  mind:  

•       The  effec4veness  of  the  joint  will  be  propor4onal  to  the  width  of  the    ma4ng  surface  area  so  care  should  be  exercised  when  trimming      hull  and  deck  flanges    

•       Adhere  to  prescribed  flange  and  tabbing  laminate  schedule  

•       Building  good  joints  in  4ght  corners  is  difficult  -­‐  use  structural  pufes  

•       Flat  ma4ng  surfaces  will  create  a  consistent  bondline  

•       Some  adhesives  do  not  require  sanding  of  ma4ng  surfaces.        However,  ma4ng  surface  should  always  be  clean  regardless  of      bonding  method  

Marine  Composites  Design  of  Structural  Details  

Webb  Ins4tute  Senior  Elec4ve  –  Spring  2013   page  7  

Typical  Hull-­‐to-­‐Deck  Joint  Construc1on  

Typical  Hull-­‐to-­‐Deck  Joint  Showing  Structural  PuLy  used  to  Reduce  Stress  Concentra4ons.    Tight  Corner  for  Lamina4ng  is  One  Reason  Many  Builders  Now  Use  Adhesives  to  Obtain  More  Consistent  Results  

 Typical  Hull  and  Deck  Core  

 High  Density  Core  or  Structural    PuLy/Core  Combo  

 High  Density  Core  or  Structural    PuLy/Core  Combo  

 Structural  PuLy  to  Form  Radius  

 (2)  Layers  DBM  1708  

Marine  Composites  Design  of  Structural  Details  

Webb  Ins4tute  Senior  Elec4ve  –  Spring  2013   page  8  

Sandwich  Hull-­‐to-­‐Deck  Joint  Detail  

Illustra4ons  courtesy  of    ATC  Chemical  Corpora4on  (now  Gurit).    Drawing  is  for  guidance  only  –  actual  laminates  should  be  engineered  to  specific  requirements  in  accordance  with  classifica4on  society  rules.  

Marine  Composites  Design  of  Structural  Details  

Webb  Ins4tute  Senior  Elec4ve  –  Spring  2013   page  9  

Hull-­‐to-­‐Deck  Joint  Stresses  

Deck  Loading  

Hull  Torsion  

Hull  Torsion  

Peel  Stress  

Peel  Stress  

Side  Shell  

Loading  

Hull  Bending  Moment  

Marine  Composites  Design  of  Structural  Details  

Webb  Ins4tute  Senior  Elec4ve  –  Spring  2013   page  10  

Secondary  Bonded  Joint  Stress  

Tension and  Compression  

Stress  Concentrations  

Marine  Composites  Design  of  Structural  Details  

Webb  Ins4tute  Senior  Elec4ve  –  Spring  2013   page  11  

Adhesively  Bonded  Joint  Stress  

Bulkhead  

Deck  

Tape  

Adhesive  

Marine  Composites  Design  of  Structural  Details  

Webb  Ins4tute  Senior  Elec4ve  –  Spring  2013   page  12  

Deck  Hardware  Stresses  

Marine  Composites  Design  of  Structural  Details  

Webb  Ins4tute  Senior  Elec4ve  –  Spring  2013   page  13  

Sailboat  Hardware  

Illustra4ons  courtesy  of    ATC  Chemical  Corpora4on  (now  Gurit).    Drawing  is  for  guidance  only  –  actual  laminates  should  be  engineered  to  specific  requirements  in  accordance  with  classifica4on  society  rules.  

Marine  Composites  Design  of  Structural  Details  

Webb  Ins4tute  Senior  Elec4ve  –  Spring  2013   page  14  

Carbon  Fiber  Chainplates  

David  Pedrick  &  Gram  Schweikert,  “Design  of  the  Navy  44  STC  MKII,”  Annapolis,  MD,  April,  2005  

Marine  Composites  Design  of  Structural  Details  

Webb  Ins4tute  Senior  Elec4ve  –  Spring  2013   page  15  

Examples  of  Composite  Chainplates  

Composite  chainplates  featured  on  15  meter  IMS  racer  built  by  New  

England  Boatworks  

Composite  chainplates  developed  by  Van  

Gorkom  Yacht  Design  

Marine  Composites  Design  of  Structural  Details  

Webb  Ins4tute  Senior  Elec4ve  –  Spring  2013   page  16  

Solid  Centerline  Detail  

Illustra4ons  courtesy  of    ATC  Chemical  Corpora4on  (now  Gurit).    Drawing  is  for  guidance  only  –  actual  laminates  should  be  engineered  to  specific  requirements  in  accordance  with  classifica4on  society  rules.  

Marine  Composites  Design  of  Structural  Details  

Webb  Ins4tute  Senior  Elec4ve  –  Spring  2013   page  17  

Keel  AWachment  Detail  

Illustra4ons  courtesy  of    ATC  Chemical  Corpora4on  (now  Gurit).    Drawing  is  for  guidance  only  –  actual  laminates  should  be  engineered  to  specific  requirements  in  accordance  with  classifica4on  society  rules.  

Marine  Composites  Design  of  Structural  Details  

Webb  Ins4tute  Senior  Elec4ve  –  Spring  2013   page  18  

Bow  Laminate  Details  

LLOYD’S  REGISTER  RULES  AND  REGULATIONS  FOR  THE  CLASSIFICATION  OF  SPECIAL  SERVICE  CRAFT,  July  2010  Scantling  Determina4on  for  Mono-­‐Hull  CraV  

Arrangement  of  laminate  in  way  of  forefoot  and  stem   ‘Sacrificial  nose’  

Marine  Composites  Design  of  Structural  Details  

Webb  Ins4tute  Senior  Elec4ve  –  Spring  2013   page  19  

Sailboat  Keel  Loads  

Blocking Load

Stress Concentrations Laminate

Crushing

Laminate Crushing

Marine  Composites  Design  of  Structural  Details  

Webb  Ins4tute  Senior  Elec4ve  –  Spring  2013   page  20  

Through-­‐Hull  FiZng  Details  

Illustra4ons  courtesy  of    ATC  Chemical  Corpora4on  (now  Gurit).    Drawing  is  for  guidance  only  –  actual  laminates  should  be  engineered  to  specific  requirements  in  accordance  with  classifica4on  society  rules.  

Example  of  through-­‐hull  close-­‐out  showing  puWy  used  to  create  fillet  

Marine  Composites  Design  of  Structural  Details  

Webb  Ins4tute  Senior  Elec4ve  –  Spring  2013   page  21  

Through-­‐Hull  Penetra1on  Stress  

Water  Intrusion  

Overturning  Moment  

Hydrostatic  Force  

Shear  Stress  

Stress  Concentrations  

Marine  Composites  Design  of  Structural  Details  

Webb  Ins4tute  Senior  Elec4ve  –  Spring  2013   page  22  

Deck  FiZngs  

Marine  Composites  Design  of  Structural  Details  

Webb  Ins4tute  Senior  Elec4ve  –  Spring  2013   page  23  

Fasteners  with  Sandwich  Laminates  

Par1ally  fill  with  epoxy  if  core  is  too  damaged  to  hold  fastener.  

Remove  about  ½"  (12mm)  of  core  material  around  the  hole  with  a  bent  nail  or  an  

Allen  wrench  

Re-­‐drill  slightly  oversized  fastener  holes  through  the  

cured  epoxy.  

Tighten  the  nuts  un1l  epoxy  begins  to  squeeze  from  the  sides  of  hardware  

item  and  backing  plate.  

Gougeon  Brothers  Inc.,  “WEST  System  Fiberglass  Boat  Repair  &  Maintenance,”  15th  Edi4on,  April  2011  

Marine  Composites  Design  of  Structural  Details  

Webb  Ins4tute  Senior  Elec4ve  –  Spring  2013   page  24  

Fastener  Holding  Power  Holding  forces  in  mat/polyester  laminates  

Gibbs  and  Cox,  Marine  Design  Guide  for  FRP,  1960  

DDG  100  deckhouse  joint  

Northrop  Grumman  Shipbuilding  

Typical  bolted  joint  stress  field  

Marine  Composites  Design  of  Structural  Details  

Webb  Ins4tute  Senior  Elec4ve  –  Spring  2013   page  25  

Compare  Bolted  and  Bonded  Joints  

•  Bonded  joints  avoid  stress  concentra4ons  at  bolt  holes  

•  More  surface  area  is  involved  with  bonded  connec4ons  

•  Bonded  joints  not  subject  to  corrosion  degrada4on  

•  Bolted  connec4ons  are  easier  to  inspect  

•  Requirement  to  disassemble  structure  for  maintenance  may  dictate  use  of  mechanical  fasteners  

•  Mechanical  fasteners  need  less  accurate  part  fit-­‐up  

•  Careful  design  of  bonded  joints  is  cri4cal  to  avoid  peeling  

Marine  Composites  Design  of  Structural  Details  

Webb  Ins4tute  Senior  Elec4ve  –  Spring  2013   page  26  

Guidelines  for  Bonded  Joints  

From  Redux  Bonding  Technology,  publica4on  RGU  034c,  July,  2003,  Hexcel  Corpora4on  

Marine  Composites  Design  of  Structural  Details  

Webb  Ins4tute  Senior  Elec4ve  –  Spring  2013   page  27  

Joining  Technology  Summary  

•  In-­‐plane  strength  of  secondary  bonds  can  never  match  the  primary  laminate  

•  Automa4on  techniques  not  as  mature  as  metal  construc4on  

•  Surface  prepara4on,  lamina4ng  environmental  condi4ons  and  worker  skill  significantly  influence  the  strength  of  composite  material  structural  joints  

Marine  Composites  Design  of  Structural  Details  

Webb  Ins4tute  Senior  Elec4ve  –  Spring  2013   page  28  

Spade  Rudders  

David  Pedrick  &  Gram  Schweikert,  “Design  of  the  Navy  44  STC  MKII,”  Annapolis,  MD,  April,  2005  

Marine  Composites  Design  of  Structural  Details  

Webb  Ins4tute  Senior  Elec4ve  –  Spring  2013   page  29  

Rudder  Bearing  Support  J42  rudder  bearing  aWachment  

hLp://dan.pfeiffer.net/p26/r-­‐asem.gif  

Pearson  26  bearing  aWachment  

www.jefa.com  

Recommended  Jefa  bearing  installa1on  detail  for  1ller  steering  

Marine  Composites  Design  of  Structural  Details  

Webb  Ins4tute  Senior  Elec4ve  –  Spring  2013   page  30  

Shae  Logs  

Suggest  method  for  aligning  new  shae  log  installa1on  

hWp://www.bertram31.com/proj/1ps/shae_logs.htm  

Metal  Shae  Log  

Installa1on  Examples