Η ΑΝΤΟΧΗ ΤΟΥ ΠΛΟΙΟΥ. Αντικείμενο της αντοχής του πλοίου. Έλεγχος της κατασκευής του πλοίου

Transcript

1 Η ΑΝΤΟΧΗ ΤΟΥ ΠΛΟΙΟΥ Αντικείμενο της αντοχής του πλοίου Αντικείμενο της αντοχής του πλοίου είναι η μελέτη της κατασκευής του πλοίου σε σχέση με την ικανότητα της να φέρει ασφαλώς τις κάθε είδους δράσεις (δυνάμεις, επιταχύνσεις, θερμοκρασιακές μεταβολές), στις οποίες υπόκειται και οι οποίες προκαλούν ανάπτυξη τάσεων και παμορφώσεων. Οι δράσεις μπορεί να προκαλούνται σε διάφορες καταστάσεις, ως σε κατάσταση κανονικής λειτουργίας ή σε ακραίες καταστάσεις. Στοιχεία της μελέτης είναι: ο υπολογισμός των φορτίσεων που ασκούνται στο πλοίο, ο υπολογισμός των προκαλούμενων τάσεων και παραμορφώσεων, ο προσδιορισμός της μέγιστης αντοχής του πλοίου και ο προσδιορισμός των κριτηρίων ασφαλείας και ο έλεγχος της κατασκευής. Συναφής με τη μελέτη της αντοχής του πλοίου είναι η σχεδίαση της κατασκευής του πλοίου που αντικείμενό της είναι ο προσδιορισμός της κατασκευής ούτως ώστε να είναι ασφαλής και ταυτόχρονα να είναι οικονομικά συμφέρουσα. Η διαδικασία που ακολουθείται για τη σχεδίαση είναι μια αλληλουχία φάσεων που σκοπό έχουν είτε τον υπολογισμό της απόκρισης κατασκευαστικών στοιχείων του πλοίου ή ολόκληρου του πλοίου, ή τον προσδιορισμό της γεωμετρίας και του υλικού της κατασκευής του πλοίου. Καθώς η διαδικασία της σχεδίασης εξελίσσεται η κατασκευή τείνει στη βέλτιστη κατασκευή, δηλαδή στην συμφερότερη κατασκευή που ικανοποιεί τις απαιτήσεις τις σχετικές με τη λειτουργική ικανότητα και την ασφάλεια του πλοίου. Έλεγχος της κατασκευής του πλοίου Η σχεδίαση, ανέγερση και συντήρηση της κατασκευής του πλοίου πρέπει να διασφαλίζει με ασφάλεια και αποτελεσματικότητα την εκπλήρωση του σκοπού του. Για την εκτίμηση της συμπεριφοράς, που παρέχει η κατασκευή έναντι των δράσεων στις οποίες υπόκειται στη διάρκεια της ζωής της, το πλοίο ελέγχεται σε οριακές συνθήκες, που αναμένεται να αντιμετωπίσει, θεωρώντας τις δράσεις που ασκούνται Παρασκευή, 19 Σεπτεμβρίου

2 σε αυτό α) κατά την υπηρεσιακή λειτουργία του (Serviceability Limit State), β) όταν υπόκειται σε ακραίες καταστάσεις (Ultimate Limit State), γ) λόγω των εναλλασσομένων φορτίσεων στη διάρκεια της ζωής του (Fatigue Limit State) και δ) κατά την εμποκή του σε ατυχήματα (Accidental Limit State): ΓΕΩΜΕΤΡΙΑ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗΣ ΥΛΙΚΑ ΟΡΙΑΚΕΣ ΣΥΝΘΗΚΕΣ ΦΟΡΤΙΣΗ ΜΕΘΟΔΟΙ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΥ ΑΠΟΚΡΙΣΗΣ σύζευξη απόκρισης-φόρτισης ΕΠΙΤΡΕΠΤΑ ΟΡΙΑ ΤΑΣΕΙΣ ΠΑΡΑΜΟΡΦΩΣΕΙΣ ΕΠΙΤΑΧΥΝΣΕΙΣ ΑΣΤΟΧΙΑ... ΑΠΟΔΕΚΤΗ ΑΠΟΚΡΙΣΗ? Σχήμα 1-1: Σχηματική απεικόνιση ανάλυσης κατακευών Serviceability Limit State SLS: Για να εκτελεί ικανοποιητικά τις κανονικές λειτουργίες του, ελέγχεται αν το πλοίο, μπορεί να ανθίσταται χωρίς προβλήματα στη λειτουργία του, στις δράσεις, που αναμένεται να αντιμετωπίσει στη διάρκεια της ζωή του. Τα κριτήρια που χρησιμοποιούνται για τον έλεγχο είναι: οι τάσεις, με άνω επιτρεπόμενα όρια το όριο διαρροής και η τάση λυγισμού, οι παραμορφώσεις, με επιτροπόμενο όριο ένα κλάσμα του ανυποστήρικτου μήκους του δοκαριού ή της πλάκας, π.χ. 1/100, η διάβρωση, η οποία λαμβάνεται υπόψη κατά τη σχεδίαση, επιλέγοντας ελάσματα μεγαλύτερου πάχους από αυτό που προκύτπει από τη μελέτη της αντοχής, η ολκιμότητα της κατασκευής, που διασφαλίζεται με την επιλογή υλικών με κατάλληλες ιδιότητες. Ultimate Limit State ULS: Κατα τον έλεγχο την μέγιστης αντοχής, εξετάζεται αν η κατασκευή μπορεί να φέρει χωρίς να καταρρεύσει, ακραία φορτία, που είναι δυνατόν το πλοίο να αντιμετωπίσει στη διάρκεια της ζωής του. Η διαφορά μετξύ της SLS και της ULS αναδεικνύεται απο το πιό κάτω παράδειγμα: Έστω ότι δοκάρι ορθογωνικής Παρασκευή, 19 Σεπτεμβρίου

3 διατομής 6 cm 3 cm, από μαλακό χάλυβα με όριο διαρροής 235 MPa, κάμπτεται στο επίπεδο της μεγάλης διάστασης, και η καμπτική ροπή λειτουργίας είναι 4 kn m. Στην περίπτωση αυτή το κριτήριο για τον έλεγχο της oριακής κατάστασης της υπηρεσιακής λειτουργίας μπορεί να εκφραστεί από τη σχέση 4kN m cm 235MPa SF όπου SF είναι ο συντελεστής ασφαλείας, που στη περίπτωση που εξετάζεται προκύπτει ίσος με 1,0575. Το επίπεδο ασφάλειας μπορεί επίσης να εκφραστεί και από τον συντελεστή χρήσης (usage factor), που ισούται με 1/SF. Στο παράδειγμα, ο συντελεστής χρήσης ισούται με 0,946 και δηλώνει, ότι υπό την επίδραση του φορτίου λειτουργίας, χρησιμοποιείται το 94,6% της δυνατότητας του κατασκευαστικού στοιχείου να φέρει φορτία στην ελαστική περιοχή. Για τον έλεγχο της μέγιστης αντοχής στην ίδια περίπτωση, υπολογίζεται η μέγιστη ροπή, που μπορεί να φέρει η διατομή και που ισούται με 2 6 3kN m 3 235MPa cm 6, 345kN m 4 (θεωρείται ότι το υλικό είται τελείως πλαστικό), και υπολογίζεται ο λόγος της μέγιστης ροπής ως προς τη ροπή που εφαρμόζεται. Η τιμή του λόγου, στην παραπάνω περίπτωση είναι 6345/4000= 1,586, δηλώνει πόσο μεγαλύτερη ροπή μπορεί να φέρει η διατομή έως την πλήρη κατάρρευση της. Fatigue Limit State FLS: Γίνεται εκτίμηση των περιοδοκών φορτίσεων που θα αντιμετωπίσει το πλοίο σε όλη τη διάρκεια της ζωής του, και ελέγχεται αν η κατασκευή μπορεί να φέρει ασφαλώς τις εκτιμώμενες εναλλαγές της φόρτισης. Η διάρκει της ζωής του πλοίου λαμβάνεται για τους σχετικούς υπολογισμούς, 25 χρόνια. Accidental Limit State ALS: Στις περισσότερες συνήθεις περιπτώσεις σχεδίασης, η κατασκευή των πλοίων δεν εξετάζεται σε περιπτώσεις δράσεων που ασκούνται κατά την εμπλοκή του σε ατυχήματα, ως συγκρούσεις, προσαράξεις και εκρήξεις. Μία περίπτωση που οι κανονισμοί απαιτούν μελέτη σε περίπτωση ατυχήματος, περιγράφεται στον κανονισμό URS18 του IACS, σύμφωνα με τον οποίο αν ένα κύτος bulk carrier κατακλιστεί, οι φρακτές του θα πρέπει να αντέχουν την πίεση που ασκείται λόγω της κατάκλυσης. Γενικότερα η εξέταση της συμπεριφοράς της κατασκευής σε περίπτωση ατυχήματος (ALS) έχει σαν σκοπό να διερευνηθεί αν η κατασκευή μπορεί να ανταπεξέλθει χωρίς να υπάρχουν εκτεταμένες ζημιές σε αυτή, Παρασκευή, 19 Σεπτεμβρίου

4 ώστε το πλοίο να μπορεί να συνεχίσει τον πλού του σε ασφαλές μέρος, και να μη προκληθούν μόλυνση του περιβάλλοντος ή/και απώλειες ζωής. Το πλοίο δοκάρι Για πολύπλοκες κατασκευές ως αυτή του πλοίου, είναι εξαιρετικά επίπονη, αν όχι πρακτικά αδύνατη, η λεπτομερής μελέτη της απόκρισης της υπό την επίδραση των φορτίων στις οποίες υπόκειται σε μία φάση, δηλαδή να αναπτυχθεί ένα μοναδικό μοντέλο της κατασκευής και να ακολουθηθεί μία διαδικασία προσομοίωσης, που να καλύπτει όλες τις μορφές καταπόνησης της. Ο όρος «απόκριση» δηλώνει την τρισδιάστατη χωρική και χρονική κατανομή των τάσεων, παραμορφώσεων και επιταχύνσεων της κατασκευής. Στην περίπτωση ενός πλοίου οι δυσκολίες για τη πραγματοποίηση μιας τέτοιας ανάλυσης οφείλονται κυρίως: στην ανάγκη μιας πολύ λεπτομερούς περιγραφής της κατασκευής του πλοίου με τη βοήθεια πεπερασμένων στοιχείων, λόγω απότομων μεταβολών της γεωμετρίας της κατασκευής, στη χρονική και χωρική μεταβολή της φόρτισης που προέρχεται κυρίως από το ίδιο βάρος (βάρος πλοίου και φορτίου) και τις πιέσεις που ασκούνται από τη θάλασσα, τη στήριξη του πλοίου στη θάλασσα και την αλληλεπίδραση της φόρτισης με την απόκριση. Στις δυσκολίες αυτές αν προστεθεί και η μη γραμμικότητα της απόκρισης, που μπορεί να οφείλεται στην μη γραμμικότητα του υλικού ή στο εύρος των μετατοπίσεων, καθίσταται σαφής η δυσκολία της συνολικής μελέτης της συμπεριφοράς του πλοίου λαμβάνοντας υπόψη ταυτόχρονα όλες τις μορφές καταπόνησης των κατασκευαστικών στοιχείων. Για να ξεπεραστούν οι προαναφερθείσες δυσκολίες, η μελέτη της αντοχής του πλοίου γίνεται σε περισσότερα από ένα στάδια, εξετάζοντας κάθε φορά συγκεκριμένες μορφές καταπόνησης ολόκληρης ή τμημάτων της κατασκευής. Οι βασικότερες μελέτες που γίνονται στο πλαίσιο αυτό, είναι: Μελέτη του πλοίου θεωρουμένου ως λεπτότοιχου δοκαριού. Μελέτη τμήματος, περί τον μέσο νομέα, που περιλαμβάνει τουλάχιστον ένα κύτος. Παρασκευή, 19 Σεπτεμβρίου

5 Μελέτη κατασκευαστικών συνόλων, ως διπύθμενο, φρακτρές, ενισχυμένα ελάσματα. Μελέτη νομέων και διαδοκίδων. Μελέτη πλακών. Μελέτη ενισχυτικών. Μελέτη κατασκευαστικών λεπτομερειών σε περιοχές συγκέντρωσης τάσεων. Η μελέτη του πλοίου θεωρουμένου ως λεπτότοιχο δοκάρι, γίνεται αγνοώντας τη χωρική μεταβολή της φόρτισης στις εγκάρσιες διατομές του πλοίου και εξετάζει την κάμψη της γάστρας του πλοίου στο κατακόρυφο και οριζόντιο επίπεδο καθώς επίσης και τη στρέψη. Τα αποτελέσματα που προκύπτουν από την ανάλυση της κατακόρυφης κάμψης του πλοίου δοκαριού, δηλαδή οι τάσεις και οι παραμορφώσεις - μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε μεταγενέστερο στάδιο, ως οριακές συνθήκες για τη λεπτομερέστερη ανάλυση τμημάτων της κατασκευής του πλοίου. Σχήμα 1-2: Πλοίο φορτωμένο με εμπορευματοκιβώτια στο λιμάνι του Αμβούργου. Αντικείμενο του μαθήματος Το μάθημα της Αντοχής Πλοίου ασχολείται με την κάμψη και τη στρέψη του πλοίου, θεωρουμένου ως λεπτότοιχο δοκάρι, Παρασκευή, 19 Σεπτεμβρίου

6 την απόκριση του πλοίου θεωρουμένου ως λεπτότοιχο δοκάρι, όταν υπόκειται σε θερμοκρασιακές ανομοιομορφίες, τις τάσεις, που αναπτύσσονται σε πλάκες και δοκάρια, φορτιζόμενα με εγκάρσια φορτία, τα κριτήρια ελέγχου της αντοχής του πλοίου, μεθοδολογίες για την ανάλυση πλαισίων. Σκοπός του μαθήματος Στο τέλος του εξαμήνου θα είστε σε θέση να εξετάζετε αν ένα πλοίο πληροί τις απαιτήσεις των νηογνωμόνων, που είναι σχετικές με την απόκριση του θεωρουμένου ως δοκάρι, και θα γνωρίζετε τις πιο συχνά εμφανιζόμενες μορφές καταπόνησης των πλακών και των ενισχυτικών σε ένα πλοίο. Θα είστε επίσης σε θέση να χρησιμοποιείτε τη μέθοδο της μητρωικής ανάλυσης και τη μέθοδο της πλαστικής ανάλυσης, και να τις χρησιμοποιείτε για τον υπολογισμό φορέων, αποτελούμενων από δοκάρια και που μπορούν να προσομοιάσουν την απόκριση ενισχυμένων πλακών και εγκάρσιων νομέων. Παρασκευή, 19 Σεπτεμβρίου