The Impact of Fiber-Reinforced Polymer Constructions on Risk Level onboard Large Passenger Ships

Abstract

The main objective of this project was to determine how a FRP composite structure performs compared to a steel structure in regard to fire safety and risk level during an evacuation. More specifically the objective was to study how the differences in the thermal properties influence the smoke layer height, visibility and the temperature of the gases in the early stages of a fire. This was done by performing several FDS simulations and analyzing the results from these. In order to evaluate the difference in risk level, the time until critical conditions occurred was compared between the FRP and steel cases. The results showed small differences in time until critical conditions for the smoke layer height and visibility while the temperatures also showed only slight differences near the fire but larger differences further away and as time went by. This led to the conclusions that there is a difference in risk level based on the reasoning that time until critical conditions further away also matter. However, additional research is needed in order to determine if the difference is significant or not.

Popular Abstract (Swedish)

Fiberförstärkta plastkonstruktioners inverkan på risknivå ombord på stora passagerarfartyg
Användning av fiberförstärkta plastkonstruktioner (FRP) inom den marina sektorn har blivit alltmer intressant ur ett hållbarhetsperspektiv. Problemet med FRP som byggnadsmaterial är att det är brännbart, vilket på grund av tradition och reglering gör det svårt att övergå från, det mer traditionella materialet stål, till FRP. Därför måste det bevisas att materialet är säkert ur flera olika aspekter. En av dessa är säkerheten vid utrymning av passagerare.
Genom användning av lättare konstruktionsmaterial såsom kompositmaterial av fiberförstärkt plast (FRP) kan den totala vikten av ett skepp minskas. En minskad vikt medför också en minskad bränsleförbrukning eller att tyngre last kan transporteras med samma bränsleförbrukning som tidigare. Därmed är denna fråga aktuell eftersom den kan medföra ekonomiska fördelar för skeppsägare och hela den marina transportsektorn. Inte att förglömma är även en minskad miljöpåverkan eftersom den minskade bränsleförbrukningen leder till mindre utsläpp. Detta låter så klart jättebra, så varför har skeppstillverkare inte börjat använda lättviktsmaterial i större utsträckning än? Jo, det är förstås också viktigt att bevisa att användningen av materialen inte medför negativa effekter. Det kan vara effekter såsom att skeppskonstruktionen inte klarar av att bära upp större belastning än vanligt, eller att personer som utrymmer vid brand påverkas negativt mer på grund av att materialvalet påverkar hur brandens förlopp ser ut.
Byggnadsmaterialet FRP har helt andra egenskaper jämfört med stål. Det väger endast en femtedel så mycket och mjuknar vid mycket lägre temperaturer. Materialet är dessutom brännbart till skillnad från stål. Dessa faktorer är exempel på sådant som måste tas hänsyn till vilket betyder att det måste vidtas åtgärder för att se till att materialet är lika säkert som stål. Tidigare projekt har visat att en ökad värmeisolering av materialet bidrar till att materialet klarar av högre temperaturer samt att materialet inte börjar brinna. Det beror på att temperaturökningen som sker i samband med branden inte direkt påverkar materialet utan istället måste ta sig igenom själva isoleringen innan materialet kan börja värmas upp eller antändas. Dock är det så att en ökad mängd isolering gör att brändernas förlopp blir snabbare och större, vilket medför att det eventuellt kan vara så att personers säkerhet vid brand påverkas negativt.
Målet med det utförda examensarbetet var att undersöka om den ökade mängden isolering som används i FRP-konstruktioner har några negativa effekter på risken under utrymningsförloppet. Detta gjordes genom att jämföra hur en kompositkonstruktion av FRP påverkar förhållandena för utrymning jämfört med en stålkonstruktion. De parametrar som studerades var tider till kritiska förhållanden för brandgaslagerhöjd, siktbarhet och brandgasernas temperatur. Tid till kritiska förhållanden innebär tiden från dess att branden startar tills tiden då det uppstår förhållanden som inte är godtagbara enligt boverkets föreskrifter. Jämförelsen gjordes genom att utföra CFD-simuleringar i programmet FDS där en likadan geometri användes men där varje fall simulerades för både en FRP-konstruktion och en stålkonstruktion. Allt detta gjordes genom FDS-simuleringar av en enkel korridorsgeometri med passagerarkabiner på vardera sidor och fokus låg på att observera eventuella skillnader i utrymningsparametrarna i det tidiga brandförloppet, alltså vid den tid när utrymning kan antas ske.
Resultaten visade att det var små skillnader i tider till kritiska förhållanden för brandgaslagerhöjden och siktbarheten. Temperaturerna visade små skillnader i tider till kritiska förhållanden nära branden, men ökande skillnader i tiderna längre bort från branden och längre in i brandförloppet. Slutsatsen som kundes dras i examensarbetet är att det finns en viss skillnad i risknivå när man använder FRP jämfört med stål, vilket motiverades med att även förhållanden längre bort från brandkällan påverkar utrymningssäkerheten. Dock ansågs det viktigt att påpeka att denna slutsats grundar sig på ett antal simuleringar och en enda geometri, vilket leder till att det krävs ytterligare forskning för att ta reda på om dessa skillnader också uppnås vid andra sorters bränder, testmetoder och geometrier.
Författare: Anders Lynnér och Josip Novacic.
Titel examensarbete: The Impact of Fiber-Reinforced Polymer Constructions on Risk Level onboard Large Passenger Ships

• author: Lynner, Anders and Novacic, Josip
• supervisor: Bjarne Husted
• organization: Division of Fire Safety Engineering
• alternative title: Fiberförstärkta plastkonstruktioners inverkan på risknivå ombord på stora passagerarfartyg
• course: VBRM10 20142
• year: 2015
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Technology and Engineering
• keywords: Lightweight materials, fiber-reinforced polymer, FRP, fire safety, evacuation, ship, fire dynamics simulator, FDS, critical conditions, corridor, cabin, risk, Lättviktsmaterial, brandsäkerhet, utrymning, fartyg, kritiska förhållanden, korridor, kabin, risk.
• publication/series: LUTVDG/TVBB
• report number: 5480
• ISSN: 1402-3504
• language: English
• id: 5157394
• date added to LUP: 2015-03-19 13:23:46
• date last changed: 2015-03-19 13:23:46