Dimensionering för grundstötning Z31(12)

Storlek, profil och bulb till Z31kölen är ett ganska enkelt val efter alla kölanalyser jag gjorde för ett drygt år sen. Den blir nästan som Bosses köl - 750 kg blybulb, djup ca 2 meter, sannolikt 63010 profil med lite modifiering mot skrov och bulb. Men kölen ska ju hålla för grundstötning också. Iochförsig har jag ju tidigare beslutat att aldrig gå på grund nåt mer, men andra kan ju låna båten. Och man vet ju aldrig vad skärgårdsseglare hittar på.

Hur dimensionerar man för grundstötning? Ganska lätt att få kölen att hålla. Men skrovbotten? Helst vill jag slippa bottenstockar och istället göra kölplattan så stark att den bär hela belastningen.

I princip finns det minst fem olika sätt att montera kölen.

Flush-montering utan fläns typ Express. Det är det vanligaste sättet. Kölen bärs av kölbultar, gärna två rader så blir det starkare. Kölbultarna går igenom bottenstockar och dras fast med muttrar med ordentlig bricka emellan. Kan jag inte använda till Z31 eftersom kölprofilen är för tunn.

Flänsmontering, kölen är flänsad - utkragad - upptill och skruvas fast genom fläns och skrov. Den lösningen har jag på Piano. För säkerhets skull har jag både långa bultar ner till bulben och skruvar genom flänsen. Tyvärr har jag dessutom limmat fast hela flänsen med Sikaflex vilket gör att demontering inte är möjlig utan att ta till avsevärt våld. Är ett möjligt alternativ till Z31.

Den tredje metoden är montering i trumma. Då kan kölen också lyftas tex mha linspel eller hydraulik. Väljer bort den här lösningen eftersom den stjäl utrymme invändigt.

Metod fyra är "wedge" montering. Kölens överkant är förlängd och kilformad när man ser tvärsnittet framifrån. Figaro 2 har denna lösning. Ett möjligt alternativ till Z31.

Den sista metoden är fällköl, typ Seascape 27 och POGO båtarna. Den lösningen ska finnas som tillval. En snäll lösning för alla som går på grund.

Det kilformade uttaget i skrovet där kölen ska monteras, Figaro 2.

Figaro 2, kölen är delvis inskjuten.

Jag tänkte att wedgemontering måste undersökas. Man får ju automatiskt en låmgskeppsförstärkning som tar upp krafterna vid grundstötning, kölens framkant dras ju ner och bakkanten trycks upp. Men efter att ha FEM beräknat kölinfästningen kors och tvärs kommer jag fram till att wedge är bra - under förutsättning att man har ordentliga bottenstockar eller skott i wedgens fram och bakkant.

Men jag vill ha en lösning utan bottenstockar och då är den flänsade lösningen bäst - precis som Brandspot 38 kölen för er som var på mässan i Göteborg, titta annars på inlägget härnedanför, där finns en bild.

Piano har en glasfiberköl med 10 mm tjocka flänsar. Men den här gången har jag gjort beräkningarna för en plåtköl med 25 mm tjock flänsplåt.

Hur stor blir belastningen när man går på grund. Det finns en ISO norm - ISO 12215-:2012(E) - för dimensioneringen. För Z31 blir kontaktkraften nere vid bulbnosen 30 kN enligt normen. Är det en rimlig kraft? När jag diskuterar detta med Thomas Wiberg så berättar han att ISO normen är "minsta gemensamma nämnaren". Dvs beräkningsmodellerna är vad parterna i den internationella kommisionen kunde enas om och vad dom accepterade skulle krävas för CE-certifieringen.

Lite räkneexempel: antag Z31 fullastad väger 3 ton, bromsas med kraften 30 kN, det ger retardationen 10 m/s^2, dvs ungefär samma som tyngdaccelerationen. Med farten 3 m/s blir bromssträckan 0,45 m. Tvärnitar kölen skulle det motsvara att förstäven trycks ner till däcksnivå. Nu motverkas nigningen förtås av vattnets lyftkraft och förstäven når inte ner så långt.

En förfinad beräkningsmodell och antagandet om tvärnit nere vid kölen indikerar att belastningen är ungefär dubbelt så stor. 60 kN alltså. 6 ton med ett gammeldags tänkesätt. Ger acceleration 2g, man flyger och kan slå sig rejält. Det är väl så det är. Min egen värsta grundstötning är med Aphrodite 22 i sjön Viken på väg genom Göta Kanal när vi seglade utanför farleden och tvärnitade mot en undervattensklippa. Då flög allt.

Krafterna är en del av en beräkning. Tillåtna belastningar är nästa steg. Av Thomas Wiberg har jag fått hållfastheten på kvasiisotrop Q1200 matta och vakuuminjicering med vinylester till 280 MPa i kompression. Det är bra med höga säkerhetsfaktorer, väljer säkerhetsfaktor 3, dvs tillåten belastning blir ca 100 MPa. Sista steget är belastningsmodellen.

Jag väljer en platta utan bottenstockar eller skott. En 300 mm bred remsa utefter centerlinjen med tjocklek 30 mm som tunnas ut till massivt 10 mm vid kojsidorna som ligger på avståndet 450 mm från centerlinjen. Kölens 25 mm tjocka fläns är försänkt i skrovet och skrovtjockleken ovanpå flänsen är också 30 mm.

Den första bilden visar beräkningsmodellen där ljusgrått är glasfiberskrovet och mörkgrått är plåtkölen. Kölflänsen är noggrannt avbildad, däremot är kölbladet kraftigt förenklat. Det är helt OK att göra så eftersom det är påkänningarna i fläns och skrov sm jag är ute efter. E-modulen för stål är 206 GPa och för det massiva vinylesterkölstråket är 20 GPa. Beräkningarna är gjorda för halva den symmetriska kölmodellen.

Nästa bild visar påkänningarna vid nosbelastningen totalt 60 kN. Påkänningarna är störst i plåtflänsen, allra störst precis vid kälen i kölens framkant. Verklighetens köl utformas så att just den spänningskoncentrationen mildras ordentligt. Det viktiga är att spänningarna i skrovet ingenstans överstiger 100 MPa. Dom blir större i plåtflänsen, men stål tål ju mer.

Pilar utefter ränderna anger olika typer av randvillkor. Momentfri lagring utefter kojsidorna, symmetrivillkor eftersom modellen är halv, glidlagring framåt och bakåt, låsning vertikalt vid skottet 0,5 m framför kölen. Vid FEM beräkningar på avgränsade modeller får man ägna sig åt såna antaganden.

Påkänningarna i skrovet överstiger ingenstans 100 Mpa utom precis på undersidan av skottet framför masten. Där får man plasta lite extra.

Det finns förtås utrymme för att begränsa fulltjocklek 30 mm på bottenlaminatet till just de delar där påkänningarna är störst. Men nyttan av det ska vägas mot att det ska bli en produktionssäker båt som är rationell att bygga.

Det blev ett intressant utfall av den här beräkningen. Jag mer eller mindre utgick från att wedgelösningen var bäst. Men det slutar med fördel för flänslösningen. Flushmontering typ Express kan jag som sagt inte använda eftersom kölprofilen är för tunn, - maxtjocklek 90 mm - det blir helt enkelt för litet avstånd mellan kölbultarna för att dom ska klara momentet när båten ligger på sidan med kölen över vattnet. Böjpåkänningen i bottenplattan är liten när båten ligger på sidan, då hade det räckt med 15 mm istället för 30 mm.

Slutsatser:
1. Jag uppskattar påkänningarna vid en grundkänning som ger tvärnit till dubbla CE kravet.
2. Det går mycket väl att klara dubbla CE kravet mht grundstötning med bottenplatta utan bottenstockar.