Konstrukcija broda 2 2 Uvod 1

Transcript

1 Konstrukcija broda 2 2 Uvod 1 OPĆI PREGLED PROJEKTIRANJA BRODSKIH KONSTRUKCIJA Brodovi i sami predstavljaju velike i složene sustave i često su dijelovi nekih još većih i složenijih prijevoznih sustava pod neizvjesnim utjecajima okoline i zahtjeva službe. Brodovi se sastoje iz više podsustava, od kojih je svaki bitan za djelovanje cjeline. Brodske konstrukcije se mogu smatrati podsustavima koji omogućuju uključivanje ostalih podsustava i njihovo zajedničko djelovanje u službi broda. Općenito se pod projektiranjem sustava i/ili podsustava podrazumijeva određivanje što točnijih modela sustava (podsustava) za analizu njihovih međusobnih veza kao i njihovih unutarnjih i vanjskih odziva na utjecaje okoline. Pri tome je cilj odrediti najpovoljnija svojstva, uz zadovoljenje svih ograničenja i zahtjeva i to za cijeli vijek korištenja i službe tehničkog objekta. U ukupnom procesu projektiranja broda prema projektnoj spirali, projektiranje brodske konstrukcije može nastupiti tek nakon određivanja tipa i funkcije broda, službe broda, područja plovidbe i glavnih izmjera (duljine, širina, visina, gaz). Na samom početku rada na projektu broda započinje i zamisaono projektiranje brodske konstrukcije s osnovnim naznakama raspodjele glavnih podstruktura i važnih elemenata buduće konstrukcije. Nakon što je glavni projekt određen u najvažnijim svojim sastavnicama može započeti preliminarno projektiranje brodske konstrukcije koje se može odvijati opetovano i usklađeno s promjenama glavnog projekta u tijeku. Tek u uznapredovalim fazama glavnog projekta započinje detaljno projektiranje brodske konstrukcije. Normalno se u praksi trgovačke brodogradnje detaljno projektiranje brodske konstrukcije započinje na osnovi pravila klasifikacijskih društava za gradnju trupa broda, a tek se tako razvijena detaljno razrađena konstrukcija podvrgava složenijim provjerama, danas uobičajeno primjenom direktnih proračuna metodom konačnih elemenata. Zbog velike važnosti koje zajednica pridaje sigurnosti ljudi i brodova i zaštiti okoliša, nadzor od strane klasifikacijskih društava, neovisnih inspektora brodovlasnika i nadzornih jedinica brodogradilišna se neprestano provodi tijekom svih faza projektiranja brodske konstrukcije u projektnim i konstrukcionim uredima i tijekom izgradnje trupa broda u brodogradilište i nastavlja se za vrijeme cijelog životnog vijeka broda u službi.

2 Konstrukcija broda 2 2 Uvod 2 1. Razni pogledi na projektiranje brodskih konstrukcija Osnovni čimbenici u konstrukciji brodskog trupa koje projektanti konstrukcija moraju uzimati u razmatranje su materijali, spojevi, funkcije (služba broda, namjena), opterećenja (uvjeti službe) i konstrukcija (načini oštećenja, uvjeti podobnosti, razmještaj, međusobno povezivanje i dimenzije strukturnih dijelova) oslanjajući se općenito na višestoljetno iskustvo gradnje brodova te na nauku o čvrstoći dopunjenu s teorijama čvrstoće broda Građevni elementi Brodski se trup najvećim dijelom sastoji od valjanih limova te valjanih i sastavljenih profila koji po određenim specifikacijama brodogradilištima isporučuju čeličane pod nadzorom klasifikacijskih društava. Profili (valjani i složeni) Brodski limovi Valjani profili na brodu Složeni brodski profili

3 Konstrukcija broda 2 2 Uvod Entiteti čvrstoće brodskih konstrukcija Nauka o čvrstoći i teorija brodskih konstrukcija raspolažu s teoretskim postupcima i entitetima različitih stupnjeva složenosti koji se primjenjuju u proračunima čvrstoće pri projektiranju konstrukcija brodskog trupa. Od presudne je važnosti prepoznati u brodskoj konstrukciji entitete koji podliježu nauci o čvrstoći i pridijeliti ti im ona svojstva koja najbolje opisuju stvarni dio broda, te ocijeniti u kojoj je mjeri idealizacija stvarnosti prihvatljiva sa razine točnosti proračuna i sigurnosti rezultata i same konstrukcije u konačnici. Koljena krilnih Struktura boka Roštilj Uzdužni i poprečni nosači Ukrepljeni paneli boka Uzvojna koljena Ukrepe palube Ukrepe boka Ukrepe uzvoja Roštilj dna Uzdužni i poprečni nosači Ukrepljeni paneli Struktura dna dvodna Struktura palube Roštilj palube Uzdužni i poprečni nosači Ukrepljeni paneli palube Poprečne,uzdužne, vodoravne i uspravne strukture trupa broda u teretnom prostoru Ukrepe pokrova dvodna i dna Entiteti teorije čvrstoće u brodskim konstrukcijama Okvir Kavez Roštilj Opločenje (ravno i zakrivljeno), ukrepljeni paneli (uzdužno i poprečno), nosači (uzdužni i poprečni), vezne strukture

4 Konstrukcija broda 2 2 Uvod Jednostavni entiteti čvrstoće u brodskim konstrukcijama Najjednostavnije entitete iz nauke o čvrstoći koji se susreću na brodu predstavljaju štapovi opterećeni na vlak ili tlak i gredni nosači opterećeni na savijanje. I jedni i drugi su oslonjeni na svojim krajevima upeto ili zglobno na razne načine, jednolikog i nejednolikog presjeka, jednolikog i nejednolikog opterećenja. Nešto složeniji, ali ipak još jednostavni entitet su kombibnacije štapova i gfeda, kad djeluju i vlačna i savojna opterćenja, te nosači na više oslonaca ili nosači na elastičnoj podlozi. Gredni nosači na brodu Štapovi na brodu brodske upore Oslonci krajeva ukrepa Osim nosača i štapova, najčešći entiteti čvrstoće na brodu su zglobno oslonjene ili upete ploče i ljuske kojima se opisuju svojstva vanjskih stjenki broda i pregrada u brodu koje mogu biti ravne i zakrivljene a preuzimaju opterećenja u vlastitoj ravnini i okomito na nju. Ploče i ljuske - opločenje na brodu (ravno i zakrivljeno)

5 Konstrukcija broda 2 2 Uvod Složeni entiteti čvrstoće u brodskim konstrukcijama Složeniji entiteti iz nauke o čvrstoći koje je preuzela teorija brodskih konstrukcija su sustavi nosača koji tvore brodske okvire različitih usmjerenja (poprečni, uzdužni, vodoravni, uspravni) koji preuzimaju opterećenja u svojim ravninama. Više okvira u različitim ravninama mogu predstavljati sustave nosača koji se mogu označiti kao kavezi. Poprečni i vodoravni okviri na brodu Poprečni i vodoravni okviri broda zajedno dio kaveza Za razliku od okvira, roštilji su entiteti iz nauke o čvrstoći koje je preuzela teorija brodskih konstrukcija koji su opet sustavi međusobno ukrižanih nosača koji međutim preuzimaju opterećenja ne samo u vlastitoj ravnini već i okomito na nju. Roštilj, nosači uzdužni, nosači poprečni ukrepljenipaneli, upore na brodu

6 Konstrukcija broda 2 2 Uvod 6 Okviri brodova za tekuće terete I za sipke terete WL sekundarne deformacije tercijarne deformacije Lokalna opterecenja i deformacije brodskih okvira Lokalna opterecenja i deformacije brodskih roštilja

7 Konstrukcija broda 2 2 Uvod Iskustveni entiteti u brodskim konstrukcijama Neki se dijelovi brodskih konstrukcije zbog složenih oblika ili zbog složenih uvjeta djelovanja ne mogu jednostavno ili potpuno uklopiti u teoretske modele nauke o čvrstoći. Dijelovi brodskih konstrukcija ne samo da moraju odgovarati redovitim uvjetima korištenja brodova nego moraju u nekoj mjeri odgovarati i izvanrednim prilikama kao što su na primjer sudari, nasukanja, prevrtanja, požari, iznimna nevremena i valovi, općenito nesreće na moru, preopterećenja ili loše korištenje broda. Iskustva plovidbe i neprestano dopunjavanje znanja o korištenju brodova predstavljaju oslonce i u onim slučajevima kada teorija ne nudi potpuna rješenja. Izvanredne prilike: nasukanja, požari, prevrtanja Sustavnim prikupljanjem iskustava i njihovom primjenom u korist cijele zajednice se bave međunarodne organizacije i klasifikacijska društva. Podatke prikupljaju za sebe i pojedini brodovlasnici i brodograditelji. Takvi su podaci podloga za određivanje svojstava iskustvenih entiteta brodskih konstrukcija, bilo da se u potpunosti oslanjaju na iskustvo ili da se rezultati primjenjivih teorija čvrstoće prilagode iskustvenim podacima. Primjeri iskustvenih entiteta: pramčani i krmeni dio broda U cjelini se i čitavi brodski trup može shvatiti kao iskustveni entitet, u najmanju ruku zbog toga što se iskustvenim faktorima prilagođavaju proračunski rezultati i neizvjesnosti službe a u cilju povećanja sigurnosti koriste se i brojni dodaci kojima se pokušavaju spriječiti teže posljedice izvanrednih prilika Entiteti podobnosti brodskih konstrukcija Provjera podobnosti brodskih konstrukcija se može provesti i na jednostavnim i složenim entitetima čvrstoće kao što su nosači, štapovi, ploče, ljuske, okviri, kavezi i roštilji. Međutim prikladnijim se našlo kriterije podobnosti primijeniti na osnovne sklopove brodskih konstrukcija. Na osnovi rezultata primjene nauke o čvrstoći i teorije brodskih konstrukcija moguće je uspostaviti kriterije podobnosti i njihovu provjeru na osnovnim sklopovima brodskih konstrukcija. Ukrepljeni paneli u nosači uzdužni i poprečni su najčešće primjenjivani entiteti podobnosti u brodskim konstrukcijama. Kriteriji podobnosti za ove osnovne sklopove razmatraju moguće načine oštećenja uslijed popuštanja i izvijanja dok se problemi krtog loma rješavaju izborom odgovarajućeg materijala na podložnim mjestima trupa a problemi zamora konstrukcije i umora materijala odgovarajućim rješenjima izloženih detalja konstrukcije. Osnovni sklop brodskih konstrukcija na kojima se provodi provjera podobnosti predstavljaju ravni ili zakrivljeni, jednostruki ili dvostruki ukrepljeni paneli koji se sastoje od opločenja i bilo uzdužnog ili poprečnog ukrepljenja, te preuzima na sebe opterećenja kako u vlastitoj ravnini tako i okomito na nju, oslanjajući se ne ostatak konstrukcije broda. Više osnovnih sklopova se može zajedno podvrgnuti provjeri podobnosti kada se označavaju modulom brodske konstrukcije. Takav složeni sklop modul, dopušta izdvojeno razmatranje podobnosti uvažavanjem uvjeta kojima ostatak konstrukcije djeluje na razmatrani dio.

8 Konstrukcija broda 2 2 Uvod 8 Ukrepljeni paneli ravni, zakrivljeni, dvostruki (poprečno ukrepljeni, uzdužno ukrepljeni) Osim ukrepljenih panela, osnovnim sklopom se smatraju i nosači. Nosači Detalji brodskih konstrukcija kao što su krajevi koljena, razni otvori i zavareni spojevi su entiteti podobnosti u odnosu na moguće pojave zamora. Detalji brodskih konstrukcija kod kojih se može pojaviti zamor

9 Konstrukcija broda 2 2 Uvod Podstrukture brodskih konstrukcija U sustavnom pristupu problemu brodskih konstrukcija osnovno je odrediti podstrukture i njihova međusobne veze. Podjele na podstrukture može biti više i nisu jednoznačna budući da ovise o potrebama, problemima i ciljevima podjele kojima se prilagođavaju. Neke od važnijih podjela na podstrukture broda koje se iskustveno nametnule zasebno su: Prema prostiranju: Srednji dio broda, i krajevi krmeni i pramčani Krajevi i sredina broda, teretni prostori, strojarnica, pikovi, tankovi, nastambe ili Prema funkciji: Korisni teretni prostori, tankovi, strojarnica, pregrade, grotla, nastambe, pikovi Prema položaju: Dno, bok, palube, pregrade, nadgrađa i pikovi Prema tradiciji: oplata, palube, dno, orebrenje, potpalubne strukture, pregrade, tankovi, statve, nadgrađa. Podstrukture palube Podstrukture dna i pregrada s djelom palube Podstrukture krmenog peaka 1.5. Sekcije brodske konstrukcije Sekcije su dijelovi brodske konstrukcije koji se sastavljaju na osnovi tehnoloških razmatranja i ne podliježu uobičajenim postupcima proračuna čvrstoće i podobnosti osim za slučajeve njihovog podizanja, prenošenja i ugradnje kada je potrebno provjeriti sigurnost spomenutih tehnoloških operacija. Brodske sekcije za vrijeme dizanja, premještanja i ugradnje

10 Konstrukcija broda 2 2 Uvod Razine pristupa projektiranju brodskih konstrukcija 2.1. Iskustveni pristup Dugo su se vremena nakon što su brodovi počeli ploviti rijekama, jezerima, morima i oceanima njihovi graditelji oslanjali na iskustvo. Iskustvo se prenosilo generacijama graditelja, poboljšanja u svojstvima i sigurnosti plovidbe su bila očita ali u vrlo dugom vremenu, što je na kraju i rezultiralo mnogim dobrim i vrijednim tehničkim rješenjima utemeljenim na iskustvu i praksi. Već su se u najranijim iskustvenim spoznajama konstrukcije brodskih trupova razmatrale kao ljuske, stjenke, opne koje su se potom učvršćivale raznim podupirućim strukturama. Brzo se prešlo i na posebna razmatranja ponašanja broda na mirnoj vodi i na valovima kao pojednostavljenje u razmatranju opterećenja. Takav se pogled na brodove kao ukrepljenje stjenke poduprte nosačima koji podnose opterećenja uslijed vlastite težine i ukrcanih tereta na mirnoj vodi i na valovima zadržao i danas u tradicionalno, poluiskustvenom pristupu konstruiranju brodova koja su našla svoje mjesto u pravilima za gradnju broda čiji su nosioci klasifikacijska društva Poluiskustveni pristup Poluiskustvene postupke u konstruiranju broda su omogućila ranije prikupljena iskustva proširena teorijskim rezultatima iz poznavanja materijala, određivanja opterećenja, opće mehanike, nauke o čvrstoći, teorije elastičnosti, teorija plastičnosti a potom i zasebne teorije brodskih konstrukcija. Sve je to našlo mjesta u dugotrajno i sustavno razvijanim pravilima za gradnju broda koja donose, održavaju i neprestano poboljšavaju u skladu s novim spoznajama te prilagođavaju novim uvjetima službovanja brodova klasifikacijskih društava. U poluiskustvenom pristupu je veliki nedostatak primjene jednostavnih entiteta greda, štapova, ploča, i složenijih okvira, roštilja, kaveza, panela i nosača iz nauke o čvrstoći u tome što se pri provjeri konstrukcije pojedinih entiteta zanemaruju međudjelovanja promatranog dijela sa ostatkom objekta, tako da je u ovom pristupu cjelinu nemoguće obuhvatiti u svoj složenosti a točne raspodjele naprezanja i deformacija cijelog trupa ostaju nepoznate Primjena nauke o čvrstoći U prvi mah su u provjeru sigurnosti brodskih konstrukcija ušli teorijski modeli greda i štapova. Ti su modeli omogućili globalnu procjenu sigurnosti brodskog trupa promatranog kao greda nejednolikog presjeka, nejednolike raspodjele težina koja pluta, na početku uzimajući u obzir samo mirnu vodu a potom i utjecaj valova. Već u slijedećem se koraku teorija greda primijenila i lokalno na nosače i ukrepe brodskog trupa, promatrane gdje treba sa sunosivim pojasom pripadnog opločenja. Razvoj teorija ploča i ljuski doveo je do mogućnosti provjere sigurnosti opločenja i njihovog jednostavnijeg dimenzioniranja. Prva su se razmatranja osnivala na spoznajama o elastičnim svojstvima materijala trupa a provjera se sigurnosti odnosila na provjere popuštanja kod premašivanja granice popuštanja materijala. Međutim, i unatoč nesporne korisnosti nauke o čvrstoći primijenjene na brodske konstrukcije, mnogi složeni dijelovi broda čije je djelovanje teško predvidivo u odnosu na utjecaje okoline i službe broda se i dalje određuju prema akumuliranom iskustvu Primjena teorija brodskih konstrukcija Daljnji je razvoj nauke o čvrstoći doveo i do posebne teorije brodskih konstrukcija u kojoj su se kao složeni elementi proračuna koristili sustavi nosača kao brodski okviri i roštilji. Okviri su se križali u poprečnom, uspravnom i vodoravnom smjeru i tvorili složenije strukture poput kaveza, a u zajednici sa roštiljima još složenije strukture za koje nema posebnih naziva. Još je napredniji pristup konstruiranju brodskog trupa omogućen sa novim složenim elementima, koji se danas smatraju osnovnim sklopovima za suvremeno razborito projektiranje trupa a to su uzdužno i poprečno ukrepljeni paneli i poprečni i uzdužni nosači. Osnovni su sklopovi sastavljeni od osnovnih građevnih elementa ravnih ili zakrivljenih limova i valjanih ili izvedenih profila. Sami se osnovni sklopovi pojavljuju kao entiteti provjere podobnosti kod direktnih proračuna brodskih konstrukcija u provjeri podobnosti konstrukcije trupa. Kasnije, kako su rasla dopuštena radna naprezanja, nove su spoznaje dovele do prepoznavanja opasnosti od izvijanja elemenata brodske konstrukcije pri visokim tlačnim naprezanjima. U zadnje se vrijeme zamjećuje sve više problema u službi brodova uslijed umora materijala i zamora detalja brodskih konstrukcija kao posljedica većih dopuštenih radnih naprezanja pri vremenski promjenljivim opterećenjima niske srednje i visoke učestalosti. Mnogi su pokusi bili provedeni da bi se došlo do iskustvenih pokazatelja zamora brodskih konstrukcija koji su doveli do mogućnosti predviđanja zamornog vijeka detalja konstrukcije trupa.

11 Konstrukcija broda 2 2 Uvod Razboriti pristup Postupci razboritog projektiranja brodskih konstrukcija (e:rational ship structure design) su složena međudjelovanja projektanata, brodovlasnika, pomorskih institucija, klasifikacijskih ustanova i programabilnih inženjerskih radnih stanica sa odgovarajućom programskom podrškom za opis modela, numeričke proračune te analizu i prezentaciju rezultata. Postupci projektiranja brodskih konstrukcija obično započinju iskustvenim i polu-iskustvenim pravilima klasifikacijskih društava a kasnije se nastavljaju postupcima koji su u potpunosti zasnovani na teoriji brodskih konstrukcija i numeričkim postupcima strukturne analize i optimizacije, a koriste se suvremena pomagala i metode. Za primjenu razboritih postupaka projektiranja brodskih konstrukcija potrebni su znanstveni, stručni i tehnički uvjeti. Razborito projektiranje se odnosi na preliminarno projektiranje brodskih konstrukcija (e:preliminary ship design) i uključuje ove korake: određivanje topologije konstrukcije određivanje geometrije konstrukcije određivanje izmjera osnovnih sklopova provjera podobnosti konstrukcije ustanovljavanje kriterija povoljnosti optimalne brodske strukture. U okviru razboritog projektiranja brodskih konstrukcija slijedeći su važni zadaci: određivanje opterećenja konstrukcija analiza odziva konstrukcija analiza podobnosti konstrukcija određivanje ograničenja na osnovi sigurnosti rješenje problema optimizacije konstrukcije. Tradicionalno se problemi projektiranja konstrukcija razmatraju iz dva dijela. Prvi dio problema predstavljaju opterećenja (e:loads), koja predstavljaju zahtjeve (e:demands) na konstrukciju, česta kratica je D. Drugi dio problema predstavlja čvrstoća konstrukcije (e:strength), koja predstavlja izdržljivost (e:capability) na djelovanja opterećenja, česta kratica je C. Provjera nekog strukturnog dijela se osniva na prepoznavanju opasnih mjesta, načina oštećenja te određivanju značajnih opterećenja i odgovarajućih razina izdržljivosti OPIS BRODSKIH KONSTRUKCIJA ZA RAZBORITO PROJEKTIRANJE Za primjenu znanstveno utemeljenih i razboritih postupaka projektiranja brodskih konstrukcija potrebno je na pogodan način opisati brodske konstrukcije i njihova međudjelovanja s okolinom. Brodske konstrukcije se razmatraju na više razina: brodski trup u cjelini podstrukture (dno, bok, palube, pregrade, nadgrađa, pikovi itd.) osnovni sklopovi (ukrepljeni paneli, nosači: uzdužni i poprečni, vezne strukture) građevni dijelovi (limovi, profili: lijevani i sastavljeni, odkivci, odljevci i td.) strukturni detalji (spojevi, križanja, otvori, prolazi, pojačanja i td.). Dio brodskog trupa na kojeg se primjenjuje analiza čvrstoće može se označiti kao kontrolna konstrukcija ili modul brodske konstrukcije Projektne varijable (e:design variables) Za opis svojstava i stanja sigurnosti osnovnih sklopova, podstruktura i cijelih struktura koriste se projektne varijable. Određivanje skupa projektnih varijabli treba biti prvi korak u postupku projektiranja. Prostor projektnih varijabli za određenu strukturu je višedimenzionalni prostor koji predstavlja sva moguća ostvarenja projektnih varijabli. Projektne varijable po opisu mogu biti: determinističke, slobodne varijable (e:deterministic variables) slučajne varijable (e:random variables)

12 Konstrukcija broda 2 2 Uvod 12 Prema promjenljivosti mogu biti: vremenski promjenljive (e:time variant variables) vremenski nepromjenljive (e:time invariant variables) Projektne varijable se mogu razmatrati i kao: strukturne varijable (glavne izmjere broda, dimenzije osnovnih sklopova, položaj osnovnih sklopova itd.) varijable svojstava materijala (modul elastičnosti, Poissonov omjer, granica popuštanja itd.) varijable za opis djelovanja okoline-opterećenja (pritisci, težine, momenti savijanja, poprečne sile itd.). Po složenosti projektne varijable mogu biti: jednostavne (na pr. dimenzije osnovnih sklopova i sl.) složene (na pr. geometrijske karakteristike presjeka). Po značaju projektne podatke osim kao projektne varijable dodatno možemo promatrati još i kao: parametre (veličine koje su posljedica općih projektnih zahtjeva i nisu u nadležnosti projektanata konstrukcije) konstante (veličine koje po svojim svojstvima ne podliježu promjenama u razmatranju konstrukcije Determinističke (slobodne varijable), nemaju slučajna svojstva, a koriste se u opisu brodskih konstrukcija u nekom području vrijednosti. Mogu biti cjelobrojne i kontinuirane. Slučajne varijable poprimaju vrijednosti uz određene vjerojatnosti. Pojavljuju se kao diskretne i kontinuirane. Opisuju se parametrima statističkih distribucija, empirijskim distribucijama ili statističkim podacima kao što su aritmetička sredina standardna devijacija. Strukturne varijable predstavljaju veličine kojima se opisuju geometrijska svojstva struktura i njihov položaj u cjelini. Varijable svojstava materijala predstavljaju podatke o mehaničkim svojstvima građevnih dijelova Opterećenja brodskih konstrukcija (e:loads) Opterećenja su posljedica službe broda i djelovanja okoline. Prema promjenljivosti, opterećenja se razmatraju kao: vremenski nepromjenljiva, statička opterećenja vremenski promjenljiva, dinamička opterećenja malo promjenljiva, se nekada tretiraju kao kvazi-statička. Po načinu djelovanja, opterećenja se dijele na: opterećenja brodskog trupa kao cjeline lokalna opterećenja dijelova brodske strukture Osim toga, opterećenja mogu biti: unutarnja (sile i tlakovi tereta opreme) vanjska (sile i tlakovi mora, vjetra te dodiri s obalom ili drugim plovnim objektima). Tradicionalno se opterećenja brodskog trupa razmatraju kao: opterećenja na mirnoj vodi (e:still water loads) opterećenja na valovima (e:wave loads) lokalna opterećenja (e:local loads). Na opterećenja brodova djeluju: tržišne zakonitosti ponude i potražnje, kroz vozarine te količine i vrste tereta, pristupačnost i opremljenost luka, izobrazba i iskustvo posade u izbjegavanju opasnih stanja, sposobnost i vještina brodara u korištenju brodova, Ovi utjecaji se uzimaju u obzir preko: vremena u plovidbi, vremena u luci i broju putovanja ukrcanih tereta.

13 Konstrukcija broda 2 2 Uvod 13 Prirodna djelovanja se najviše očituju preko: stanja mora vjetrova a u nekim slučajevima treba uzeti u obzir: led obrastanje morske struje promjene temperature. Opterećenja kod dokovanja se moraju provjeriti kod svih brodova. Udarna opterećenja mora i tekućih tereta su važna kod pramčanih dijelova dna, na pramcu i u djelomično punjenim tankovima. Većina ostalih utjecaja je manja i primjenjuje se u posebnim slučajevima ili kod projektiranja posebnih vrsta brodova. Opterećenja brodova se opisuju stanjima krcanja u službi broda. Osnovna stanja krcanja se međusobno razlikuju po razmještaju tereta ili balasta, a ne nužno i po količini. Većina brodova ne provodi cijeli vijek korištenja u jednom osnovnom stanju. Složeni načini korištenja brodova se očituju u izmjenjivanju osnovnih stanja krcanja Odzivi brodskih konstrukcija (e:response) Pod odzivom brodskih konstrukcija smatraju se unutarnje sile i deformacije koje nastaju djelovanjem vanjskih opterećenja. Uobičajene su tri vrste analize odziva: statička analiza kvazistatička analiza dinamička analiza Dva su načina analize odziva: linearna analiza nelinearna analiza. Strukturna analiza (e:structural analysis) se odnosi na određivanje naprezanja i deformacija. Obično se primjenjuje na brodski trup i lokalne roštilje i okvire. Analiza odziva se može provoditi raznim postupcima: analitički (razni postupci proračuna iz teorije brodskih konstrukcija) numerički (uglavnom na programabilnim inženjerskim radnim stanicama; osobito su rašireni postupci sa konačnim elementima uz dodatne olakšice za modeliranje i prikaz rezultata) Čvrstoća broda (e: strength of ship) Svojstvo brodskog trupa da u cijelosti i mjestimično preuzme i izdrži globalna i lokalna statička opterećenja na mirnoj vodi od vlastite težine, tereta, zaliha i posade, te dinamička opterećenja uslijed okolišnih uvjeta neizvjesnih u naravi u cijelom predviđenom vijeku korištenja, na valovima, po vjetru, ledu i strujanjima u lukama i na moru, kao i moguća dodatna opterećenja pri dokovanju, sudarima ili nasukavanju. Čvrstoću broda u najvećoj mjeri određuju materijal trupa, dimenzije, geometrija, razmještaj i spojevi građevnih elemenata, kao rezultat tehničkih proračuna u teoriji čvrstoće broda, pokusa u laboratorijima i naravi, te pravila i propisa međunarodnih organizacija i klasifikacijskih društava. Čvrstoća broda se procjenjuje usporedbom odziva trupa u obliku radnih naprezanja i deformacija u službi, sa izdržljivosti trupa koju određuju dopuštena naprezanja i deformacije kao svojstva materijala i same konstrukcije za pojedine načine oštećenja. Čvrstoća trupa se provjerava na osnovi kriterija čvrstoće koji se ustanovljavaju teoretski, potvrđuju praktično i uvrštavaju u pravila za gradnju brodova, gdje se podobnost trupa i građevnih dijelova izražavaju glavnim determinističkim mjerama sigurnosti. Teoretski se pristup može proširiti na primjenu teorije vjerojatnosti za određivanje vjerojatnosti oštećenja u neizvjesnim okolišnim uvjetima. Najčešći načini oštećenja trupa su popuštanje uslijed premašivanja granice razvlačenja materijala, izvijanje pri visokim tlačnim naprezanjima, zamor konstrukcije pri vremenski promjenljivim naprezanjima velikog raspona promjena i krti lom pri niskim temperaturama. Oštećenja raznog stupnja ozbiljnosti prema posljedicama, mogu zahvatiti trup u cijelosti ili neke veće podstrukture, ali češće će se pojaviti u dijelovima opločenja, ukrepljenih panela, pojedinih ukrepa, nosača ili spojeva. Tradicionalno se čvrstoća broda promatra kao globalna i lokalna. U globalnom se pristupu brodski trup promatra statički i dinamički kao greda izložena savijanju i uvijanju. Lokalna čvrstoća se dodatno promatra

14 Konstrukcija broda 2 2 Uvod 14 kao čvrstoća opločenja, ukrepljenih panela, uzdužnih i poprečnih nosača, poprečnih i drugih okvira i roštilja, te kao dinamička čvrstoća na zamor konstrukcije Načini oštećenja brodskih konstrukcija (e:failure modes) Potrebno je odrediti sva opasna mjesta brodskih konstrukcija i moguće načine oštećenja u njima. Nastajanje pojedinih načina oštećenja se ustanovljava na osnovi kriterija oštećenja. Kriteriji oštećenja se najčešće opisuju funkcijama graničnih stanja (e:limit state functions). Obično se primjenjuju na opločenja, ukrepljenja, nosače i strukturne detalje. Stupnjevi ozbiljnosti oštećenja brodskih konstrukcija se ocjenjuju prema posljedicama u: -gubicima ljudskih života -nemogućnosti izvršavanja zadataka i materijalnim gubicima. Funkcije graničnih stanja dijele stanja u kojima konstrukcija obavlja odnosno ne obavlja predviđeni zadatak. Funkcije graničnih stanja omogućuju da se svakom načinu oštećenja pridijeli mjera sigurnosti. Funkcije graničnih stanja se definiraju na osnovi projektnih varijabli kao: g( x, x,..., ) = 1 2 x n 0 Granična ploha u prostoru projektnih varijabli razgraničava pod-prostore u kojima konstrukcija obavlja sigurno svoje funkcije od pod-prostora gdje gubi svoja nosiva svojstva. Dogovorno se obično uzima da konstrukcija obavlja zadatak kada je funkcija g(.) 0, a ne obavlja zadataka kada je g(.)>0. U mnogim slučajevima je pogodno ponašanje konstrukcije izraziti funkcijama koje predstavljaju posebno zahtjeve na konstrukciju D i izdržljivost konstrukcije C, također ovisno o projektnim varijablama. Tada se funkcija graničnih stanja mogu izraziti kao složene funkcije projektnih varijabli a preko funkcija zahtjeva D i izdržljivosti C: gcx ( ( 1, x2,..., xn), Dx ( 1, x2,..., xn)) = 0 N primjer, štap površine poprečnog presjeka A od materijala sa granicom razvlačenja σ opterećen aksijalnom silom F može se opisati kao Zahtjev, opterećenje D= F Izdržljivost C = A Funkcija graničnog stanja g( A, F) = σ A F = 0 D = F Nepodobna rješenja g( A, F) = σ A F = 0 g( A, F) = σ A F 0 Podobna rješenja C = A Funkcije graničnih stanja se obično određuju na osnovi opće teorije čvrstoće ili teorije brodskih konstrukcija. Kod brodskih konstrukcija nisu tipična oštećenja kao jedan posebno izraženi način oštećenja. Mnogo su češći višestruki načini oštećenja, za koje se obično koriste empirijske funkcije graničnih stanja, pod imenom interakcijske formule. Najčešći uzroci oštećenja brodskih konstrukcija su: pretjerane plastične deformacije (opločenja, ukrepljenja i nosači),

15 Konstrukcija broda 2 2 Uvod 15 gubitak nosivosti zbog izvijanja (opločenja, ukrepljenja i nosači), lomovi uslijed zamora (strukturni detalji), krti lomovi zbog niskih temperatura (strukturni detalji) Sigurnost konstrukcija (e:structural safety) Sigurnost brodskih konstrukcija se može razmatrati na više načina odnosno razina Vjerojatnosni pristup (e:probabilistic design procedure) Elementarnim događajima kod razmatranja sigurnosti brodskih konstrukcija smatraju se pojave oštećenja. Svakom elementarnom događaju pripada neka vjerojatnost nastupanja. Svakom oštećenju potrebno je pridijeliti vjerojatnost oštećenja. (e:failure probability). Točno određivanje vjerojatnosti oštećenja moguće je na osnovi funkcija razdiobe projektnih varijabli. Takovi potpuni vjerojatnosni pristupi primjenjuju slučajne varijable za opis problema i označavaju se kao postupci treće razine. Kada se u opisu brodskih konstrukcija nalaze slučajne veličine, postoji mogućnost greške ili pogibelji. Pogibelj se definira kao vjerojatnost da zahtjev D dosegne ili premaši izdržljivost C. Pouzdanost strukturnog dijela se određuje kao vjerojatnost da zahtjev D ne premaši izdržljivost. Sigurnost cijele strukture je posljedica djelovanja strukturnih dijelova od kojih je sastavljena. Potpunim skupom ili prostorom elementarnih događaja smatraju se sva moguća oštećenja, na svim opasnim mjestima i po svim načinima opterećenja. Svakom elementarnom događaju Ei pripada vjerojatnost nastupanja P(Ei). Ponašanje konstrukcije kao strukturnog sustava je posljedica interakcije njegovih strukturnih komponenti a može se razmatrati osnovnom teorijom skupova. Kod serijskih sustava sve komponente moraju funkcionirati da bi sustav kao cjelina funkcionirao. Ukratko, sustav se smatra oštećenim kada bilo koji dio na bilo koji način pretrpi oštećenja. Kod paralelnih sustava, sve komponente moraju prestati funkcionirati da bi sustav kao cjelina prestao funkcionirati. Barem jedna ispravna komponenta omogućuje funkciju sistema kao cjeline. U naravi se pojavljuju kombinacije serijskih i paralelnih sustava, na koje se također može primijeniti teorija skupova. Svakom načinu oštećenja se može pridijeliti vjerojatnost oštećenja na slijedeći način: p = f ( x, x,..., x ) dx dx dx f 1 2 n 1 2 n gdje je f funkcija gustoće vjerojatnosti združene razdiobe slučajnih varijabli X. a Df je domena integracije koju obično definiraju funkcije graničnih stanja. Pogibelj (e:risc) se defiinira kao vjerojatnost da dođe do oštećenja, odnosno da zahtjevi na konstrukciju premaše njezinu izdržljivost: p = P( D C) = P[ g( X) 0] Pouzdanost (e:reliability) se tada definira kao vjerojatnost da ne dođe do oštećenja: r = 1 p Poluvjerojatnosni pristup (e:semiprobabilistic design procedure) U nedostatku potpunih podataka o statističkim distribucijama projektnih varijabli, pribjegava se rješenjima zasnovanim samo na prvim i drugim statističkim momentima, koji se tada nazivaju poluvjerojatnosnim postupcima, odnosno postupcima druge razine. Poluvjerojatnosni pristup se primjenjuje u nedostatku potpunih statističkih podataka o razmatranoj pojavi. Zasniva se na primjeni samo prvih i drugih statističkih momenata (aritmetičke sredine i standardne devijacije), a ne i potpunih statističkih razdioba. Karakteristične mjere sigurnosti u postupcima druge razine su: indeksi sigurnosti (e:safery index) parcijalni faktori sigurnosti (e:partial safety factors) koji u procjeni sigurnosti uzimaju u obzir djelomično znana statistička svojstva brodske konstrukcije i okoline Deterministički pristup Projektni zahtjevi u determinističkom pristupu su skalarne veličine koje se smatraju najnepovoljnijom vrijednošću zahtjeva D koja se može dogoditi u vijeku korištenja brodske konstrukcije. Izdržljivost C je također skalarna veličina kojom se određuje granična izdržljivost. Deterministički postupci se označavaju postupcima prve razine.

16 Konstrukcija broda 2 2 Uvod 16 Postoji više načina izražavanja mjere sigurnosti u determinističkoj projektnoj proceduri. Faktor sigurnosti je skalarna veličina koja predstavlja odnos izjedu izdržljivosti C i projektnog zahtjeva D: C f = D Faktor sigurnosti u pravilu treba biti veći od jedan. Osim toga, postoje i drugi načini za definiranje faktora sigurnosti. Normalizirani faktori sigurnosti se definiraju kao: C D C fn = = 1 D D Razlika sigurnosti, odnosno margina sigurnosti: m= C D Razlika sigurnosti treba biti veća od nule. Normalizirane razlike sigurnosti: C D f 1 m n = = C + D f + 1 Iskoristivost izdržljivosti: D i = C Iskoristivost izdržljivosti u pravilu treba biti manja od jedan Deterministička projektna procedura (e:deterministic design procedure) Deterministička projektna procedura se zasniva sustavnim proračunima jednotrupnih istisninskih plovila primjenom vrpčaste teorije (e:strip theory) i provjerama rezultata na modelima na pravilnim valovima. Izrazi za gibanja broda, lokalne pritiske, ubrzanja, momente i poprečne sile brodskog trupa, procijenjeni su na razini vjerojatnosti Q=10-8, a dobiveni su simulacijama sa dugoročnim statističkim razdiobama za spektre mora koji se odnose na oceanske valove na Sjevernom Atlantiku, te provjereni na raspoloživim podacima mjerenja u naravi. Faktori korištenja se podešavaju prema iskustvima iz prakse (e:calibration). Za brodove čiji su osnovni podaci poznati, prvi korak je određivanje najvećih lokalnih opterećenja u tankovima, skladištima, na palubama i raspodjele opterećenja koja daju velike momente savijanja i poprečne sile brodskog trupa. Ova opterećenja kao i uzdužna opterećenja su podloga za određivanje projektnih opterećenja (e:design loads) koja se daju u uputama za upravljanje brodom (e:loading manual). Drugi korak je u određivanju lokalnih statičkih i dinamičkih sila i pritisaka na svaki pojedini panel brodske strukture, te opterećenja brodskog trupa na mirnoj vodi i na valovima. Metode proračuna i načini modeliranja u strukturnoj analizi se razmatraju u svezi sa kriterijima čvrstoće i dopuštenim naprezanjima ili geometrijskim veličinama Optimizacija brodskih konstrukcija Opis problema optimizacije u projektiranju brodskih konstrukcija općenito dovodi do problema višekriterijalnog općeg nelinearnog programiranja. Problemi optimizacije brodskih konstrukcija se opisuju uglavnom vrlo složenim funkcijama cilja i ograničenja, koje se ne mogu analitički obrađivati, pa je i provjera optimalnosti otežana, često i neizvediva. Zbog toga se u mnogim slučajevima zadovoljavamo poboljšanjima rješenja umjesto postizanja optimalnog rješenja u strogom smislu. Važan preduvjet za primjenu postupaka optimizacije je poznavanje cilja optimizacije, koji se može matematički definirati. Ne manje važna je i mogućnost matematičkog definiranja raznih zahtjeva i ograničenja na konstrukciju. Kod trgovačkih brodova je osnovni zahtjev povezan s njihovom sposobnošću zarade. U tom svjetlu se razmatra i projekt brodske konstrukcije na način da doprinese ukupnoj sposobnosti zarađivanja. Težina konstrukcije trupa je veličina od velikog značaja za ukupnu učinkovitost trgovačkog broda, ali treba imati na umu i početne troškove izgradnje, trajnost kao i

17 Konstrukcija broda 2 2 Uvod 17 troškove održavanja. Na koji način će se vrjednovati brodska konstrukcija ovisi i o tipu broda kao i od sudionika u donošenju odluka. Drugačija su očekivanja brodovlasnika, korisnika broda ili uprave i projektanata u brodogradilištima. Sigurnost brodske konstrukcije je neupitno svojstvo koje se u svakom slučaju mora zadovoljiti. Zbog toga brodske konstrukcije moraju zadovoljiti veliki broj raznih ograničenja koja jamče prihvatljivu razinu sigurnosti PRIMJENA RAČUNALA U PROJEKTIRANJU BRODSKIH STRUKTURA Tehnička osnovica (e:hardware) Razvoj računala pruža projektantima konstrukcija više platformi za rješavanje zadataka projektiranja konstrukcija. Nultu razinu, koju bi činila mala kućna računala ili hobby računala zanemarujemo, zbog relativno visokih zahtjeva koje nose sobom tehnički zadaci konstruiranja. Prvu razinu čine osobna računala (e:personal computers, PC), koja se međutim zbog svojih svestranih mogućnosti gotovo više i ne mogu nazivati računalima, nego programabilnim radnim stanicama (e:programable work station, PWC). Na ovoj razini karakteristična je raznolikost postojeće programske podrške, među kojom ima više matematičkih biblioteka, programa opće namjene za projektiranje konstrukcija kao i specijaliziranih programskih proizvoda za projektiranje brodskih konstrukcija. Mnogi manji i srednji zadaci projektiranja konstrukcija se mogu riješiti na ovoj razini. Na ovoj razini se u zadnje vrijeme koristi mogućnost povezivanja (e:client server), u kojoj se iskorištava prednost razvijene programske podrške na osobnim računalima (e:client) za pripremu i interpretaciju s velikim mogućnostima spremanja i obrade podataka na središnjem računalu (e:server). Drugu razinu čine inženjerske radne stanice (e:engineering work stations). Radne stanice svojim kapacitetom spremanja podataka i brzinama obrade u veliko nadilaze mogućnosti prethodne razine, i važan su alat u projektnim ustanovama. Treću razinu čine uobičajene instalacije računala s glavnim strojem (e:mainframe) i pripadajućim terminalima (e:terminals), koji u slučaju distribuirane obrade (e:distributed proccessing) mogu imati i značajnu lokalnu mogućnost obrade podataka. Na ovoj je razini karakteristična mogućnost spremanja velike količine podataka i relativno brza obrada. Na drugoj i trećoj razini u inženjerskim primjenama danas prevladava RISC arhitektura računala (e:reduced Instruction Set Computers). Na ovim se razinama mogu rješavati vrlo ozbiljni problemi projektiranja struktura uz raspoloživost intenzivne računarske grafike i druge opće inženjerske programske podrške. Suvremena kretanja u povezivanju računala idu prema otvorenim sustavima (e:open sistems) kod kojih bi se ostvarila komunikacija različitih računala. Četvrtu razinu čine super-računala (e:supercomputers), kojima se procesna moć usmjerava na ogromne mogućnosti numeričkih proračuna. Petu razinu predstavljaju paralelni-procesori (e:parallel proccessing), ka na pr. transpjuteri, sa mogućnošću istovremene obrade više dijelova istog problema primjenom paralelne programske podrške. Na četvrtoj i petoj razini se mogu već rješavati optimizacijski problemi prije gotovo nezamislivih složenosti i veličina. Konačno, sve se gore spomenute razine mogu promatrati integralno, imajući na umu razvijene mreže računala (e:network), koja omogućuju raznovrsne komunikacije, obrade podataka i rješavanje složenih zadataka diljem svijeta gdje postoje potrebni kapaciteti računanja Programska podrška (e:software) Razvoj računala kao tehničke osnovice prati i razvoj programske podrške. Tehničke primjene računala si nezamislive bez razvijenih numeričkih metoda. Numeričke metode opće namjene su u velikoj mjeri uključene u matematičke i statističke programske biblioteke i pakete. Na području projektiranja brodskih konstrukcija veliki je napredak omogućen razvojem efikasnih rješavača velikih sustava jednadžbi. Rješavači jednadžbi su omogućili brzi razvoj u današnje vrijeme dominantnog postupka konačnih elemenata (e:finite element method, FEM). Tome valja dodati i brzi razvoj grafike potrebne za opis konstrukcije i interpretaciju rezultata, kao posljedica razvoja sve snažnije tehničke osnovice. Na području projektiranja postoje mnogi programski sustavi opće namjene pogodni i za projektiranje brodskih konstrukcija. Osim toga, postoje i specijalizirani programski sustavi posebno prilagođeni projektiranju brodskih konstrukcija.