Study on buckling behavior and strength of typical bulkhead structures under compressive pillar loads using nonlinear finite element techniques

Abstract

The main aim of the present Master´s thesis is to study the behavior and failure mechanisms of typical bulkhead structures under compressive pillar loads and to check if the actual behavior of the structures is adequately taken into account in current prevalent simplified analytical loading capacity verification procedures. To take different sources of nonlinearities, essential for the buckling problems, into account Materially and Geometrically Non-Linear Finite Element Method with Imperfections (GMNIA) was selected as the main research tool. The research was conducted in several phases, where each phase was related to the different relevant structural behavior aspects. Such aspects as the impact of the boundary conditions existing in real ship structures, eccentricity in load application, the impact of various initial imperfections, global buckling- and localized failure modes were addressed. Multiple models with different structural member sizes and arrangements were analyzed, providing extensive coverage on the behavior of typical bulkheads that exist in ship hulls in the way of pillar lines. The validation study found a good correlation between the analytical solutions and numerical simulations for the idealized columns. However, small systematic deviations were observed for certain types of the columns. The deviation was minimized by replacing the Johnson-Ostenfield plasticity correction in the analytical method with that by European buckling curves in accordance with Eurocode 3. The study discusses the simplifications and limitations of the analytical method when applied to the realistic bulkhead structures. During the imperfection sensitivity study, realistic continuous bulkhead structures showed relatively low imperfection sensitivity when distortion magnitudes being within the manufacturing tolerances. The low imperfection sensitivity was explained by the constraint provided by the continuous bulkhead plate and by the inherent eccentricity, which guide the deformation in a certain direction, and, also, by the fact that some of the studied structures experience failure governed by the material yielding. Localized failure modes, which are not accounted in the common systematic capacity checking procedure, were detected during the analyses on the realistic bulkhead structures. Recommendations on the current checking procedure supplementation are given and structural solutions are proposed to decrease the risks of the occurrence of localized failures.

Opinnäytetyön päätavoitteena oli tutkia tyypillisten laipiorakenteiden käyttäytymistä ja murtumismekanismeja puristavien pilarikuormien alaisina sekä tarkistaa onko rakenteiden käyttäytyminen riittävästi huomioitu nykyisissä vallitsevissa analyyttisissä kuormituskapasiteetin tarkistusmenetelmissä. Erilaisten epälineaarisuuksien huomioon ottaminen on tärkeää stabiliteettiongelmia ratkaistaessa. Siksi tutkimuksen päätyökaluksi valittiin geometrisesti ja materiaalisesti epälineaarinen alkuhäiriöitä sisältävä elementtimenetelmä (GMNIA). Riittävän kattavuuden saavuttamiseksi tutkimus jaettiin useaan vaiheeseen, joissa tutkittiin erilaisten tekijöiden vaikutusta rakenteen käyttäytymiseen. Tutkittavia osakokonaisuuksia olivat reunaehtojen vaikutus, kuormituksen epäkeskeisyys, alkumuodonmuutosten vaikutus, globaali nurjahdus ja paikalliset vauriomuodot. Tutkimuksessa tarkasteltavista laipiorakenteista tehtiin useita variaatioita. Tavoitteena oli saavuttaa kattava kuva laivojen rungoissa pilareiden alla olevien laipiorakenteiden käyttäytymisestä. Validointitutkimuksessa havaittiin hyvä korrelaatio analyyttisten ratkaisujen ja idealisoituen pystypalkkien käyttäytymisen numeeristen simulaatioiden välillä. Tuloksissa havaittiin kuitenkin pieniä systemaattisia poikkeamia tietyntyyppisten pystypalkkien kohdalla. Poikkeamat minimoitiin korvaamalla Johnson Ostenfieldin plastisuuskorjauksen analyyttisessä menetelmässä Eurocode 3:n vastaavalla. Työssä on pohdittu tarkasteltavan analyyttisen menetelmän yksinkertaistuksia ja rajoituksia realistisiin laipiorakenteisiin sovellettuna. Alkuhäiriöherkkyystutkimuksessa realistiset jatkuvat laipiorakenteet osoittivat suhteellisen alhaista herkkyyttä alkumuodonmuutoksille niiden ollessa valmistustoleranssien sisällä. Alhainen alkuhäiriöherkkyys selittyi jatkuvan laipiolevyn tuella sekä epäkeskeisyydellä, jotka ohjaavat deformaation määrättyyn suuntaan sekä sillä, että osa tutkituista rakenteista vaurioitui materiaalin plastisoitumisen seurauksena. Analysoitaessa realistisia jatkuvia laipiorakenteita havaittiin paikallisia vauriomuotoja, joita esiintyy standardisoitujen pilari-laipio-liitosten rakenteesta johtuen ja joita ei ole huomioitu yleisessä systemaattisessa laipiorakenteiden kapasiteetin tarkistusmenettelyssä. Sen perusteella annettiin suosituksia tarkastusmenettelyn täydentämiseksi ja ehdotettiin rakenteellisia ratkaisuja, jotka vähentävät paikallisten vaurioiden esiintymisriskiä.