Design assessment of rehabilitated corroded plates with composite patches through FEA

Καλλίτσης, Νίκος; Kallitsis, Nikos

dc.contributor.author	Καλλίτσης, Νίκος	el
dc.contributor.author	Kallitsis, Nikos	en
dc.date.accessioned	2022-06-21T09:56:09Z
dc.date.available	2022-06-21T09:56:09Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/55306
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.23004
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/gr/	*
dc.subject	Finite element analysis	en
dc.subject	Composite	en
dc.subject	Patch repair	en
dc.subject	Buckling	en
dc.subject	Corrosion	en
dc.subject	Design of experiments	en
dc.subject	Structural analysis	en
dc.subject	Response surface methodology	en
dc.subject	Μέθοδος πεπερασμένων στοιχείων	el
dc.subject	Σύνθετα υλικά	el
dc.subject	Λυγισμός	el
dc.subject	Fea	en
dc.title	Design assessment of rehabilitated corroded plates with composite patches through FEA	en
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Δομική μηχανική	el
heal.language	en
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2022-02-18
heal.abstract	Οι ναυπηγικές κατασκευές, όπως τα πλοία και οι πλωτές πλατφόρμες, λειτουργούν σε ένα διαβρωτικό περιβάλλον που επιταχύνει την απώλεια υλικού στις εξωτερικές επιφάνειες. Αντίστοιχα αποτελέσματα προκύπτουν εσωτερικά στα void spaces και τους χώρους εμπορεύματος λόγω της συνδυαστικής δράσης παραγόντων όπως η υγρασία και οι υψηλές θερμοκρασίες κατά τις συνθήκες λειτουργίας. Αυτό οδηγεί σε συσσωρευμένη απώλεια πάχους στα ελάσματα της κατασκευής, ελαττώνοντας τη δυνατότητά τους να αντέξουν τα φορτία σχεδίασης και οδηγόντας στην έναρξη ρωγμών σε περιοχές υψηλής τάσης ή σε αστάθεια λυγισμού. Στην τελευταία περίπτωση, συνήθης τρόπος επιδιόρθωσης είναι η αφαίρεση και αντικατάσταση του ελάσματος (ολική ή μερική) ή κατάλληλη ενίσχυση με χρήση ενισχυτικών και διπλών ελασμάτων. Σε αυτήν την εργασία εξετάζεται μια εναλλακτική μέθοδος επισκευής για την αποκατάσταση της αντίστασης λυγισμού ενός διαβρωμένου χαλύβδινου ελάσματος με τη χρήση ενός Carbon Fiber Reinforced Polymer (CFRP) patch. Παρ’ όλο που μια επίπτωση μπορεί να είναι η αβεβαιότητα για τη κόλληση δύο διαφορετικών υλικών, ένα μεγάλο πλεονέκτημα είναι η ασφάλεια της εγκατάστασης αποφεύγοντας εργασίες φλόγας που μπορεί να είναι επικίνδυνη σε εύφλεκτα περιβάλλοντα (FPSOs / LNGs / δεξαμενές που δεν έχουν εξαεριστεί σωστά). Επομένως, πραγματοποιήθηκε μια εκτίμηση της μεθοδολογίας για τη χρήση CFRP patch για την αποκατάσταση της ελαστικής λυγισμικής ικανότητας ενός διαβρωμένου χαλύβδινου ελάσματος υπό θλιπτικές / διατμητικές τάσεις. Αυτή η μεθοδολογία είναι καινοτόμα, αφού χρησιμοποιεί ένα συνδυασμό τεχνικών από τα Design of Experiments (DoE), που έχουν αποδειχτεί αποτελεσματικά στον σχεδιαστικό χώρο υπολογισμών και μοντέλων. Η μέθοδος των πεπερασμένων στοιχείων χρησιμοποιήθηκε για την εκτίμηση του μοντέλου της ελαστικής λυγισμικής ικανότητας, διορθωμένη κατά Johnson. Ένα ακριβές πρόγραμμα αριθμητικών πειραμάτων δημιουργήθηκε λόγω της παραμετρικής φύσης του μοντέλου: μήκος, πλάτος και πάχος της χαλύβδινης πλάκας, καθώς και το μήκος, πλάτος, αριθμός στρώσεων και σχήμα του CFRP patch. Όσον αφορά το σχήμα, καψουλοειδές, οκταγωνοειδές και τετράγωνο patch χρησιμοποιήθηκε για σύγκριση. Επιπλέον, CFRP στρώσεις ύφανσης (plain-weave) σε προδιευθετημένη ακολουθία στρώσεων χρησιμοποιήθηκαν για να περιοριστεί ο αριθμός παραμέτρων του προβλήματος και να δοθεί προσοχή στις μεταβλητές σχεδίασης της μεθόδου επισκευής. Τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων χρησιμοποιήθηκαν σε Central Composite Design (CCD) δύο παραγόντων καθώς και σε Response Surface Methodology (RSM), έχοντας τη λυγισμική αντίσταση της επισκευασμένης πλάκας ως τη βασική απόκριση. Τέλος, τα σχέδια επισκευής αξιολογήθηκαν και με βάση την θραύση του CFRP και την αποτυχία σύνδεσης υλικών με βάση υπάρχουσα έρευνα στον τομέα. Έπειτα από εκτίμηση της ορθότητας της μεθόδου μέσω στατιστικών μεθόδων, γίνεται εφαρμογή της για κάποιες περιπτώσεις διαβρωμένων πλακών απλής έδρασης που συναντάται σε ναυπηγικές κατασκευές για λόγους επίδειξης της μεθόδου.	el
heal.abstract	Marine structures, i.e., ships and offshore, operate in a corrosive environment which accelerates material wastage to external surfaces. Analogous results occur internally in void spaces and cargo compartments due to the combinative action of factors such as humidity and high temperatures in service conditions. This leads to accumulated thickness reductions of the structure’s platings, decreasing their ability to bear their design loads and resulting in crack initiation at highly stressed areas or local buckling instabilities. In the latter case, common repair practice is cropping and renewal of the plate (full or partial) or appropriate reinforcement through steel stiffeners or plate doublers. This paper undertakes an alternative repair technique for restoring a corroded steel plate’s buckling strength with the application of a Carbon Fiber Reinforced Polymer (CFRP) patch. Although a downside may be the uncertainty behind the adhesively bonded bi-material joint, a major upside is the installation process’s safety by avoiding hotwork which can be life-threatening in flammable environments (FPSOs / LNGs / improperly degassed tanks). Therefore, an assessment for the design methodology of a CFRP patch for the rehabilitation of a corroded steel plate’s elastic buckling capacity under compressive / shear stress has been developed. This method is innovative in essence, since it employs a cooperative framework of techniques sourcing from Design of Experiments (DoE), which have proven to be highly efficient in computational design space exploration and surrogate modeling. Finite Element Methodology (FEM) was used for the evaluation of the model’s elastic buckling capacity, corrected according to Johnson’s parabola. A precise numerical experimentation program was then developed for tackling the parametric nature of the model; the steel plate’s length, width and thickness, as well as the CFRP patch’s length, width, number of plies and shape. Regarding the shape, capsular, octagonal and rectangular patches were tested and compared. Additionally, plain weave CFRP plies in a predefined stacking sequence were used in order to lessen the problem’s unknown parameters and focus on the rehabilitation method’s main design variables. The results of these simulations were utilized through a two factor Central Composite Design (CCD) in conjunction with the Response Surface Methodology (RSM), having the rehabilitated plate’s buckling strength as the main response. Finally, the obtained repair designs were assessed with respect to CFRP fracture and bondline failure according to existing research in the field. After assessing the robustness of this method through statistical techniques, it is ultimately applied over a range of simply supported corroded plates found in marine structures for demonstration purposes.	en
heal.advisorName	Ανυφαντής, Κωνσταντίνος	el
heal.committeeMemberName	Τσούβαλης, Νικόλαος	el
heal.committeeMemberName	Σαμουηλίδης, Μανόλης	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Ναυπηγών Μηχανολόγων Μηχανικών. Τομέας Θαλάσσιων Κατασκευών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	80 σ.	el
heal.fullTextAvailability	false