Πλωτάρχης (Μ) Γ. Γκουγκουλίδης ΠΝ

Transcript

1 Πλωτάρχης (Μ) Γ. Γκουγκουλίδης ΠΝ

2

3 Αντοχή (strength) μιας κατασκευής είναι η ικανότητά της να παραλαμβάνει φορτία Δεν πρέπει να συγχέουμε: Δυσκαμψία (stiffness) είναι η αντίσταση στο λυγισμό Σκληρότητα (hardness) είναι η δυσκολία με την οποία μπορεί να χαραχθεί η επιφάνεια ενός υλικού Συνεκτικότητα ή δυσθραυστότητα (toughness ή ductility) είναι η αντίσταση στη θραύση και μετριέται με το ποσό της ενέργειας που απορροφά το μέταλλο πριν από τη θραύση του

4 Αντοχή σε εφελκυσμό Όριο διαρροής Όριο θραύσης Όριο αναλογίας

5

6 Διαμήκης αντοχή Εγκάρσια αντοχή Τοπική αντοχή

7 Σύμφωνα με το επίπεδο της κατασκευής στο οποίο επενεργούν: Γάστρα ως δοκός Τμήμα γάστρας Κύριο δομικό στοιχείο Tοπικό

8

9 Είναι η απόκριση της γάστρας κατά την κάμψη και στρέψη της ως δοκού, υπό την επίδραση εξωτερικών κατά το διάμηκες κατανεμημένων, κάθετων, πλευρικών και στρεπτικών φορτίων (PNA)

10 Περιλαμβάνει την τάση και το λυγισμό ενός πάνελ αποτελούμενο από ενισχυμένα ελάσματα (π.χ. το πάνελ του πυθμένα μεταξύ δύο φρακτών) Η φόρτιση του πάνελ είναι κάθετη στο επίπεδό του, και τα όρια του δευτερεύοντος πάνελ συνήθως αποτελούνται από άλλα δευτερεύοντα πάνελ (πλευρά και μπουλμέδες) Υπάρχουν επίσης φορτία στα όρια των πάνελ λόγω κάμψης της γάστρας (PNA)

11 Περιλαμβάνει τον εκτός επιπέδου λυγισμό και την συνοδεύουσα τάση ενός πάνελ ελασμάτων Η φόρτιση είναι κάθετη στο επίπεδο του πάνελ και τα όρια του αποτελούνται από τα ενισχυτικά του δευτερεύοντος πάνελ, του οποίου αποτελεί τμήμα Υπάρχουν επίσης φορτία στα όρια των πάνελ λόγω κάμψης της γάστρας (PNA)

12 Ανάλογα με τη μεταβολή τους με το χρόνο: στατικά βραδέως μεταβαλλόμενα ταχέως μεταβαλλόμενα Όταν υπολογίζουμε την επίδραση των φορτίων, υπάρχουν 3 είδη δομικής ανάλυσης που αντιστοιχούν σε αυτά : Στατική (static) Ημιστατική ή ψευδοστατική (quasi static) Δυναμική (dynamic)

13 Φορτία σε γαλήνη θάλασσα: εξωτερικές και εσωτερικές πιέσεις (άνωση και χύδην φορτίο); όλα τα βάρη Φορτία δεξαμενισμού Θερμικά φορτία

14

15 Φορτία με συχνότητα αρκετά μικρότερη της ιδιοσυχνότητας της κατασκευής Μπορούν να αντιμετωπιστούν ως στατικά χωρίς σημαντικό σφάλμα

16 Διαμήκεις καμπτικές ροπές λόγω κυματισμών Πλευρικές καμπτικές και στρεπτικές ροπές λόγω κυματισμών Sloshing δεξαμενών Διαβροχή καταστρώματος (Green water on deck) Πρόσπτωση κυματισμών στις πλευρές και το πρόστεγο Αδρανειακά φορτία, λόγω επιταχύνσεων που αναπτύσσονται όταν το πλοίο κινείται Φορτία καθελκύσεως και δεξαμενισμού Φορτία θραύσεως πάγου

17 Φορτία συχνότητας μεγαλύτερης της ιδιοσυχνότητας της κατασκευής Σφυρόκρουση (Slamming) Εξαναγκασμένη ταλάντωση (κραδασμοί); Παλμοί πίεσης από την έλικα Άλλα δυναμικά φορτία Θραύση πάγου (σε τοπικό επίπεδο) Υποθαλάσσια έκρηξη Έκρηξη πυροβόλου και φορτία εκτόξευσης πυραύλων Σύγκρουση και προσάραξη

18 Η σφυρόκρουση συμβαίνει σε 3 κυρίως περιοχές: Στον πυθμένα της πλώρης ιδιαίτερα αν είναι επίπεδος Στην πλώρη αν έχει μεγάλο flare Στην πρύμη αν υπάρχει μεγάλη εξοχή (overhang)

19

20 Μέγιστο στον πυθμένα Μέγιστο κοντά στην ίσαλο

21

22

23 Εκτίμηση διαστάσεων & αποστάσεων των δομικών στοιχείων υπολογισμός της ολικής ροπής αδρανείας, Ι

24 Εκτίμηση πρωτευόντων και δευτερευόντων φορτίων Ανάπτυξη κατασκευαστικού σχεδίου (1 η επαναληπτική διαδικασία) Ανάλυση τάσεων πρωτεύουσας κατασκευής Τροποποίηση του αρχικού κατασκευαστικού σχεδίου Ανάλυση τάσεως που προκύπτει από τα δευτερεύοντα φορτία Εκτίμηση τριτευόντων φορτίων Τελικές τροποποιήσεις στο κατασκευαστικό σχέδιο

25 Εκτίμηση κατανομής βάρους Υπολογισμός καμπτικής ροπής M(x) Υπολογισμός τιμής και θέσης M max (κοντά στη μέση τομή) Καθορισμός υποψήφιας τομής πλοίου στο σημείο αυτό βασισμένης σε παρόμοια πλοία Υπολογισμός βάρους Υπολογισμός w(x) Επανάληψη με νέες διαστάσεις και διαστήματα τοποθετήσεως

26

27 Πλαστική παραμόρφωση (διαρροή σε εφελκυσμό ή θλίψη) Αστάθεια Λυγισμός με διακλάδωση Λυγισμός χωρίς διακλάδωση Θραύση Άμεση (εφελκυστική ρήξη) Κόπωση Ψαθυρή

28 Εφελκυστική ή Θλιπτική Διαρροή

29 Πρόκειται για αργή πλαστική παραμόρφωση εξαιτίας της εφαρμογής τάσεως μεγαλύτερης από την τάση διαρροής Για την αποφυγή διαρροής χρησιμοποιούνται συντελεστές ασφαλείας (συνήθως 2 ή 3) Μέγιστη επιτρεπόμενη τάση στη γάστρα 1/2 με 1/3 της τάσης διαρροής

30 Ship Construction 6 th ed

31

32 Είναι ο άξονας στην τομή μιας δοκού πάνω στον οποίο δεν υπάρχουν διαμήκεις τάσεις (εφελκυσμός, θλίψη), ή παραμορφώσεις σ = Εε Για δοκούς από ομογενές υλικό, ο ουδέτερος άξονας περνά από το κέντρο μάζας της τομής

33 Η απόσταση του ουδέτερου άξονα από την τρόπιδα είναι Από το θεώρημα παραλλήλων αξόνων, η ροπή αδρανείας στον ουδέτερο άξονα είναι όπου I = ροπή αδρανείας ως προς τον ουδέτερο άξονα = ροπή αδρανείας ως προς τη γραμμή αναφοράς A = συνολική επιφάνεια = απόσταση γραμμής αναφοράς ουδέτερου άξονα

34 Ροπή κάμψης σε απόσταση z από τον ουδέτερο άξονα Όταν το z αντιστοιχεί σε ένα από τα δύο άκρα της διατομής, τότε η ποσότητα I/z καλείται ροπή αντιστάσεως διατομής και συμβολίζεται με Z

35 Καθόσον ο ουδέτερος άξονας δεν βρίσκεται απραίτητα στη μέση της διατομής, θα υπάρχουν δύο ακραίες τιμές για το Z: μία για το κατάστρωμα και μία για την τρόπιδα Επειδή η κατασκευή του πυθμένα είναι πιο στιβαρή από το κατάστρωμα, ο ουδέτερος άξονας είναι συνήθως κάτω από τη μέση 0.4 D πάνω από την τρόπιδα

36 Ροπή αντιστάσεως διατομής Z = I/z είναι ένας συντελεστής που μετατρέπει την καμπτική ροπή σε μέγιστη καμπτική τάση Είναι μια βολική ομαδοποίσηση των 2 παραμέτρων στην εξίσωση τάσεως κάμψεως που καθορίζονται από τη γεωμετρία και τις διαστάσεις της μέσης τομής Με άλλα λόγια, η ροπή αντιστάσεως διατομής είναι η ποσότητα με την οποία ο σχεδιαστής μπορεί να ελέγξει την μέγιστη τάση κάμψης

37 Τάση κάμψεως: εξωτερικές ίνες, όπου το z είναι μέγιστο Τάση κάμψεως: 0@ ο.α. Ακόμα και όταν η διατομή δεν είναι συμμετρική, ο ουδέτερος άξονας περνάει από το κέντρο βάρους

38 y y Γραμμή αναφοράς (baseline) Ship Structural Analysis and Design Owen F. Hughes and Jeom Kee Paik

39 Οριζόντια ή κατακόρυφα επίπεδα ελάσματα πάχους t ή Κεκλιμένα επίπεδα ελάσματα Καμπύλα ελάσματα σε σχήμα τεταρτοκυκλίου

40 Το βασικό είναι να υπολογίσουμε την ροπή αδράνειας I Καταγράφουμε σε πίνακα τα στοιχεία που συμμετέχουν στη διαμήκη αντοχή με τις διαστάσεις τους (scantlings) Υπολογίζουμε το εμβαδό κάθε στοιχείου (a) Υπολογίζουμε την απόσταση κάθε στοιχείου από την βασική γραμμή (h) Υπολογίζουμε την πρώτη ροπή επιφανείας κάθε στοιχείου ως προς τη βασική γραμμή (ah) Υπολογίζουμε τη ροπή αδράνειας (δεύτερη ροπή επιφάνειας) κάθε στοιχείου ως προς τη βασική γραμμή (ah 2 ) Υπολογίζουμε τη ροπή αδράνειας κάθε στοιχείου ως προς τον ίδιο ουδέτερο άξονα (i) (

41 Υπολογίζουμε την απόσταση του ουδέτερου άξονα από τη βασική γραμμή Υπολογίζουμε τη ροπή αδράνειας της διατομής ως προς τη βασική γραμμή Ι Σ i Σ a Υπολογίζουμε τη ροπή αδράνειας της διατομής ως προς τον ουδέτερο άξονα. Ι Ι Υπολογίζουμε τη ροπή αντίστασης της διατομής ως προς το κατάστρωμα και ως προς τον πυθμένα. z και z

42 ή Can be neglected for horizontal members

43 Ship Structural Analysis and Design Owen F. Hughes and Jeom Kee Paik

44 Το πλοίο θεωρείται σαν κοίλη λεπτότοιχη κιβωτιοειδής δοκός (πρισματική δοκός) Η ανάλυση βασίζεται στην θεωρία της δοκού Το πλοίο μπορεί να θεωρηθεί ως δοκός αφού, L/B, L/D >>1

45

46

47 Για στατική ισορροπία: Η συνολική άνωση ισούται με το βάρος του πλοίου (W = B) Οι δύο αυτές δυνάμεις εφαρμόζονται πάνω στον ίδιο άξονα (LCB=LCG)

48 w(x) = βάρος ανά μονάδα μήκους b(x) = άνωση ανά μονάδα μήκους φορτίο: f(x) = w(x) b(x) τέμνουσα δύναμη: V(x) = καμπτική ροπή: M(x) =

49 Μια βασική συνιστώσα της κατανομής βάρους είναι το βάρος της γάστρας Είναι απαραίτητη πριν την ολοκλήρωση του κατασκευαστικού σχεδιασμού της γάστρας Μια πρώτη προσέγγιση στην κατανομή βάρους της γάστρας είναι η εξής: τα 2/3 του βάρους ακολουθούν την καμπύλη της άνωσης σε ήρεμο νερό το υπόλοιπο 1/3 κατανέμεται με την μορφή τραπεζίου, τα ύψη των άκρων του οποίου είναι τέτοια ώστε το κέντρο βάρους της γάστρας να είναι στην επιθυμητή θέση

50

51

52

53

54

55 Μήκος κύματος = μήκος πλοίου Ύψος κύματος Αρχικά Hw=L/20 Τώρα Hw= 1.1L

56

57 Η τέμνουσα δύναμη και η καμπτική ροπή πρέπει να είναι μηδέν στα άκρα Η τέμνουσα δύναμη είναι περίπου ασύμμετρη, περνάει από το μηδέν κοντά στο κέντρο του πλοίου και παίρνει μέγιστες τιμές, (+) & ( ), κοντά στα ¼ και ¾ του μήκους Η καμπτική ροπή παίρνει την μέγιστη τιμή, (+) ή ( ), κοντά στο κέντρο του πλοίου

58

59 Η ολική καμπτική ροπή και τέμνουσα δύναμη μπορούν να αναλυθούν σε δύο συνιστώσες, μία για ήρεμο νερό και μία για κυματιμούς

60 Λόγω της πολύπλοκης φύσης των κυματισμών και της δυναμικής αλληλεπίδρασης μεταξύ πλοίου και κυμάτων, ο απευθείας υπολογισμός μιας τιμής για το φορτίο λόγω κυματισμού είναι εξαιρετικά πολύπλοκος Οι νηογνώμονες έχουν αναπτύξει τύπους για τις χαρακτηριστικές ακραίες τιμές, εκφρασμένες βάσει των κύριων διαστάσεων του πλοίου Αυτοί οι τύποι είναι βασισμένοι σε υπολογιστικές προσομοιώσεις, σε μοντέλα και σε απευθείας μετρήσεις

61 Η ροπή στο hogging είναι συνήθως μεγαλύτερη από αυτή στο sagging όπου = καμπτική ροπή λόγω κυματιμού σε Nm = συντελεστής κατανομής L = μήκος πλοίου σε m B = μέγιστο πλάτος (molded) σε m = συντελεστής γάστρας, πάντα πάνω από 0.6 C = παράμετρος κυματισμού

62

63

64 Ο σύγχρονος κατασκευαστικός σχεδιασμός των πλοίων λαμβάνει υπόψη όλες τις μορφές αστοχίας πλαστική παραμόρφωση, λυγισμός, κόπωση Παλαιότερα μόνο η πλαστική παραμόρφωση ελαμβάνετο υπόψη

65 Πριν το 1960 οι χάλυβες υψηλής αντοχής δεν χρησιμοποιούνταν λόγω του μεγέθους των πλοίων Η μέγιστη τάση κάμψης ήταν αρκετά κάτω από την τάση διαρροής κοινού χάλυβα (235 MPa) Οπότε ο κατασκευαστικός σχεδιασμός βασιζόταν στην εξασφάλιση ότι η μέγιστη τάση κάμψης θα είναι κάτω από μια επιτρεπόμενη τάση που είχε οριστεί στα 190 MPa, ή στο 81% της τάσης διαρροής Στην πράξη αυτό αντιστοιχεί σε μια ελάχιστη ροπή αντιστάσεως διατομής

66 Τη δεκαετία του 60 το μέγεθος των δεξαμενόπλοιων αυξήθηκε, αυξάνοντας έτσι τη μέγιστη καμπτική ροπή. Για την αποφυγή μεγαλύτερων ενισχυτικών, άρχισε η χρήση χαλύβων υψηλής αντοχής Οι αυξημένες τάσεις προκαλέσαν προβλήματα λυγισμού και κόπωσης Οι νηογνώμονες εισήγαγαν νέα κριτήρια: Περιορισμός στην λεπτότητα των ελασμάτων και των ενισχυτικών προς αποφυγή του λυγισμού Όριο στην κυκλική καταπόνηση για την αποφυγή κόπωσης Ο κατασκευαστικός σχεδιασμός άλλαξε από την μέθοδο επιτρεπόμενης τάσης στην μέθοδο οριακής κατάστασης (limit state), στην οποία ο λυγισμός και η κόπωση καθορίζονται με σαφήνεια

67 Σύμφωνα με τον ABS

68 Διατήρηση της ελάχιστης απαιτούμενης τιμής της ροπής αντιστάσεως διατομής στο μεσαίο 40% του μήκους του πλοίου Έξω από αυτά τα όρια, οι διαστάσεις των ενισχύσεων μπορούν σταδιακά να μειωθούν, π.χ. στο 1/2 της ελάχιστης απαιτούμενης τιμής στο 0.15L από τα άκρα

69 Το βέλος κάμψης μιας δοκού μπορεί να υπολογιστεί από την κατανομή της ολικής καμπτικής ροπής ως: όπου u(x) = η εκτροπή από τον ουδέτερο άξονα M t = η ολική ροπή κάμψης E = το μέτρο ελαστικότητας I = η ροπή αδρανείας της διατομής Υποθέτουμε ότι το EI είναι σταθερό κατά μήκος

70 Η ελάχιστη ροπή αδρανείας της διατομής I min (σε cm 2 m 2 ) είναι όπου L = το μήκος του πλοίου SM = η ελάχιστη ροπή αντιστάσεως διατομής. Το SM υπολογίζεται (σε cm 2 m) από όπου fp η ονομαστική επιτρεπτή τάση κάμψεως (17.5 kn/ cm 2 )

71 Οπότε το βέλος κάμψης γίνεται Τα c1 & c2 υπολογίζονται από την κατάσταση ισορροπίας. Θεωρούμε ότι το βέλος κάμψης u(x) στα άκρα είναι μηδέν Το μέγιστο βέλος κάμψης πρέπει να είναι <0.5m. Εάν είναι μεγαλύτερο, είτε αυξάνουμε το I πάνω από I min, είτε επιδιώκουμε καλύτερη κατανομή του M t (x)

72 Σε μια λεπτότοιχη διατομή, όπως είναι αυτή ενός πλοίου, είναι σημαντικό να γνωρίζουμε την κατανομή της διατμητικής δύναμης Q, έτσι ώστε να υπολογιστούν τα πάχη των ελασμάτων Είναι απαραίτητο να υπολογίσουμε την κατανομή της διατμητικής τάσης τ σε ολόκληρη τη διατομή

73

74 Διατμητική τάση (Shear stress): m= πρώτη ροπή επιφάνειας ως προς τον ο. α. του τμήματος της διατομής από το ανοικτό άκρο έως το σημείο υπολογισμού της διατμητικής τάσης

75 Διατμητική ροή (Shear flow): Η διατμητική ροή είναι σημαντική στη μελέτη της στρέψης λεπτότοιχων διατομών Τα Q και I είναι σταθερά για όλη τη διατομή, οπότε η διατμητική ροή είναι ανάλογη του m Στην πράξη, ο λόγος Q/I μπορεί να θεωρηθεί ως λόγος κλίμακας. Όταν η κατανομή του m υπολογιστεί, τότε η κατανομή της διατμητικής ροής είναι όμοια, αλλά με διαφορετικές μονάδες. Επιπλέον, η διατμητική ροή q δεν μεταβάλλεται απότομα με αλλαγές στα πάχη των ελασμάτων, όπως η διατμητική τάση τ

76 Ship Structural Analysis and Design Owen F. Hughes and Jeom Kee Paik

77 Για τα οριζόντια τμήματα, ο μοχλοβραχίονας z είναι σταθερός, οπότε το m αυξάνει γραμμικά με το μήκος Αυτό συμβαίνει στο κατάστρωμα και στον πυθμένα, αν δεν υπάρχει camber ή deadrise Στην πλευρά η ροπή m είναι παραβολοειδής Σε τυπικά πλοία, η παραβολή είναι σχεδόν επίπεδη, οπότε η διατμητική ροή q μπορεί να θεωρηθεί σταθερή στο κατακόρυφο

78 Διατμητική τάση: ο.α. Διατμητική τάση: κατάστρωμα Οι διαμήκεις μπουλμέδες και οι πλευρές του πλοίου δέχονται τη μεγαλύτερη διατμητική τάση Οι τιμές των Q και I υπολογίζονται για ολόκληρη τη διατομή, ενώ το m υπολογίζεται για τη μισή διατομή. Θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν οι ολόκληρες τιμές για τα Q και I, αλλά η αναλογία τους παραμένει σταθερή

79 ΔΙΑΤΗΡΗΣΗ ΤΗΣ ΔΙΑΤΜΗΤΙΚΗΣ ΡΟΗΣ ΣΕ ΓΩΝΙΕΣ ΚΑΙ ΚΟΜΒΟΥΣ ΑΛΛΑΓΗ ΤΗΣ ΔΙΑΤΜΗΤΙΚΗΣ ΤΑΣΗΣ ΛΟΓΩ ΑΛΛΑΓΗΣ ΠΑΧΟΥΣ Ship Structural Analysis and Design Owen F. Hughes and Jeom Kee Paik

80

81 Στατικά απροσδιόριστο πρόβλημα, καθόσον δεν γνωρίζουμε στον κόμβο Β το ποσοστό της διατμητικής ροής που ακολουθεί τον κλάδο ΒC και τον κλάδο ΒΕ Για την επίλυση του προβλήματος θα πρέπει να γίνει χρήση του συμβιβαστού των παραμορφώσεων Για το σκοπό αυτό σε κάθε κλειστό κελί εισάγεται ένα τεχνητό άνοιγμα Ship Structural Analysis and Design Owen F. Hughes and Jeom Kee Paik

82

83 Μέχρι τώρα εξετάσαμε τις διατμητικές τάσεις λόγω τέμνουσας δύναμης και τις ορθές τάσεις λόγω ροπής κάμψεως ως δύο ανεξάρτητες περιπτώσεις καταπονήσεως Εφόσον όμως αναπτύσσονται ταυτόχρονα είναι αναγκαίο η περίπτωση να αντιμετωπιστεί ως σύνθετη καταπόνηση Για χαλύβδινες δοκούς όπου L>10D (ύψος διατομής) η επίδραση των διατμητικών τάσεων είναι αμελητέα Για τον έλεγχο επαρκούς αντοχής αρκεί ο έλεγχος της μέγιστης ορθής τάσεως

84 Λυγισμός

85 Η αστοχία λόγω αστάθειας εξαρτάται από το μέτρο ελαστικότητας του υλικού και τη γεωμετρία του στοιχείου Μια κατασκευή (κίονας ή έλασμα) υποβαλλόμενη σε αξονική θλίψη μπορεί να αντέξει μέχρι ένα κρίσιμο φορτίο Πάνω από αυτό το φορτίο έχουμε πλευρική παρεκτροπή (απώλεια ακαμψίας) της κατασκευής η οποία ακολουθείται από κατάρρευση

86 Λυγισμός ελασμάτων καταστρώματος: λόγω sagging ή hogging, φορτώσεως του καταστρώματος Λυγισμός ελασμάτων πλευράς: λόγω κυμάτων, πληγμάτων, προσαράξεων Λυγισμός κιόνων: λόγω υψηλής αξονικής φόρτισης

87

88 Θλιπτικό φορτίο Q Θεωρούμε έλασμα ή κίονα σε 2D με μέτρο ελαστικότητας (Young s Modulus) E και ροπή αδρανείας I = δυσκαμψία λυγισμού k = καμπυλότητα

89 Ισοδύναμο μήκος λυγισμού Δεν είναι το πραγματικό αλλά ένα ισοδύναμο που εξαρτάται από τον τρόπο στήριξης της ράβδου Τρόπος στήριξης ράβδου Συντελεστής ισοδύναμου μήκους λυγισμού α Ένα άκρο πακτωμένο και το άλλο ελεύθερο 2 Αμφίπακτη 0.5 Ένα άκρο πακτωμένο και το άλλο αρθρωτό 0.7 Αμφιαρθρωτή 1

90 Εξίσωση ελαστικής γραμμής Ορίζουμε

91 Οριακές συνθήκες Για Για Για Για

92 Για n = 1 : 1 η μορφή λυγισμού Για n = 2 : 2 n μορφή λυγισμού

93

94 PNA series

95 PNA series

96 PNA series

97 PNA series

98 Κρίσιμη τάση λυγισμού για n = 1 όπου k = ακτίνα αδρανείας = λυγηρότητα Για έλασμα μεταξύ στηρίξεων, το k είναι ανάλογο του πάχους του ελάσματος Η λυγηρότητα μπορεί να εκφραστεί ως ο λόγος του πλάτους του ελάσματος δια το πάχος

99 Ο όρος αναφέρεται σε κίονες Για ελάσματα αντικαθίσταται από όπου b= πλάτος t = πάχος ν = αναλογία Poisson

100 Θραύση κοπώσεως Ψαθυρή θραύση

101 Η αστοχία του υλικού λόγω φορτόκυκλων (κυκλικά επαναλαμβανόμενων τάσεων)

102 Μια μεταβαλλόμενη τάση μπορεί να είναι η αιτία δημιουργίας ρωγμών Η πιο σημαντική παράμετρος είναι το εύρος διακύμανσης της τάσης Υπάρχει ένα κατώφλι εύρους, S, κάτω από το οποίο δεν εμφανίζεται κόπωση, ανεξάρτητα από τον αριθμό των κύκλων φορτίσεως. Αυτό καλείται όριο αντοχής (endurance limit)

103 Αστοχία λόγω κοπώσεως μπορεί να συμβεί σε τιμές τάσεως μικρότερες από την τάση διαρροής Εάν η εφαρμοζόμενη τάση είναι σταθερού πλάτους, η θραύση αναμένεται μετά από συγκεκριμένο αριθμό κυκλικών φορτίσεων

104 σ = τάση θραύσεως σy= τάση διαρροής

105 Φορτία λόγω κυματισμών, ειδικά η κάμψη της δοκού της γάστρας Ο αριθμός των κυκλικών φορτίσεων κάμψης της γάστρας σε 20 έτη είναι της τάξεως 10^8 Η εναλλαγή καταστάσεως φορτώσεως, π.χ. πλήρους φόρτου και κατάστασης ballast Μηχανικές πηγές, όπως η μηχανή και η έλικα

106 Το υλικό Επίπεδα τάσεων Συγκέντρωση τάσεων Ποιότητα εργασίας συγκολλήσεις Γωμετρία κατασκευαστική συνέχεια Επεξεργασία επιφάνειας Ατέλειες Διάβρωση

107 Η κόπωση και η διάβρωση είναι οι κύριες αιτίες κατσκευαστικής βλάβης στα πλοία Παρόλο που η κόπωση δεν καταλήγει συνήθως σε καταστροφική αστοχία, η επίδραση της στο κόστος συντήρησης είναι πολύ υψηλή Οι ρωγμές κοπώσεως εμφανίζονται σε περιοχές όπου οι ονομαστικές τάσεις δεν είναι απαραίτητα υψηλές, όμως υπάρχει υψηλή συγκέντρωση τάσεων σε κατασκευαστικές ασυνέχειες

108 Οι ρωγμές κοπώσεως έχει αποδειχθεί ότι μερικές φορές είναι το έναυσμα για ψαθυρή θραύση Η χρήση χαλύβων υψηλής αντοχής δεν οδηγεί σε αύξηση του χρόνου εμφάνισης κοπώσεως Ο χρόνος εμφάνισης κοπώσεως είναι πρακτικά ανεξάρτητος από την αντοχή του χάλυβα σε εφελκυσμό Η αστοχία λόγω κοπώσεως μεταβάλλεται με τον κύβο του εύρους διακύμανσης τάσης

109 Πρώτα τροχίζουμε Μετά συγκολλούμε

110 Ξαφνική καταστροφική αστοχία με μικρή ή καθόλου πλαστική παραμόρφωση Εξαρτάται από: Το υλικό (χαμηλή συνεκτικότητα & υψηλή περιεκτικότητα σε άνθρακα) Τη θερμοκρασία (λειτουργία κάτω από την θερμοκρασία μετάβασης) Τη γωμετρία (αδύναμα σημεία: οξείες γωνείας, ακμές) Είδος/ρυθμός φόρτισης (εφελκυστική/τα κρουστικά φορτία είναι χειρότερα)

111 Δομικά στοιχεία συστήματα ενισχύσεως κατασκευαστικά σχέδια

112

113 Ship Construction 6 th ed

114

115

116 Τρόπιδα Keel Κεντρική σταθμίδα μεγάλου μεγέθους Διατρέχει κατά το διάμηκες όλο το μήκος του πυθμένα του πλοίου Πλευρικές σταθμίδες Longitudinals Διαμήκη ενισχυτικά στοιχεία παράλληλα με την τρόπιδα στον πυθμένα του πλοίου Λώροι Stringers Διαμήκη ενισχυτικά στοιχεία στις πλευρές του πλοίου Μικρότερα σε μέγεθος από τις σταθμίδες Διαδοκίδες Deck Girders Διαμήκη ενισχυτικά στοιχεία του καταστρώματος

117 Έδρα Floor Νομέας μεγάλου μεγέθους από την τρόπιδα έως και τα κύτη Νομέας Frame Εγκάρσιο ενισχυτικό στοιχείο από την τρόπιδα έως το κατάστρωμα Αντιστέκεται στην υδροστατική πίεση, στα κύματα, σε κρουστικά φορτία Οι νομείς μπορεί να είναι συνέχεια των εδρών Ζυγό Deck beam Εγκάρσιο ενισχυτικό στοιχείο του καταστρώματος Ελάσματα Plating Λεπτά επίπεδα δομικά μέρη που περικλείουν το δικτύωμα της κατασκευής (πυθμένας, πλευρές κατάστρωμα) Συνεισφέρουν επίσης σημαντικά στην διαμήκη αντοχή Συνεισφέρουν στην αντοχή από υδροστατικά και κρουστικά φορτία

118 Σειρά Ελασμάτων Υδροροής ιαμήκη ομικά Μέρη Εγκάρσια ομικά Μέρη Σειρά Ελασμάτων Ζωστήρα Ελάσματα καταστρώματος ιαδοκίδες Κουραδόρος Αγκώνας Λώροι Κίονας/Μπουντέλι Νομέας Πλευρικές Σταθμίδες Κεντρική Σταθμίδα Σειρά Κυρτού Γάστρας Επίπεδη Τρόπιδα Έδρες

119 Η αντοχή του σκάφους μπορεί να αυξηθεί: Προσθέτοντας περισσότερα ενισχυτικά στοιχεία Αυξάνοντας το μέγεθος των ενισχυτικών στοιχείων και το πάχος των ελασμάτων Το αποτέλεσμα είναι η αύξηση του κόστους και η μείωση του ωφέλιμου χώρου Η λύση είναι η βελτιστοποίηση Διάμηκες Σύστημα Ενίσχυσης Εγκάρσιο Σύστημα Ενίσχυσης Μικτό Σύστημα Ενίσχυσης

120 Εγκάρσια Διαμήκης Μικτή Η επιλογή εξαρτάται από ευστάθεια, αντιμετώπιση βλαβών, γενική διάταξη πλοίου, φορτίο κλπ

121 Όλα τα στοιχεία που έχουν διαμήκη προσανατολισμό συμμετέχουν στην αντιμετώπιση καταπονήσεων του πλοίου ως ράβδου Ο κύριος ρόλος των διαμήκων ενισχυτικών στοιχείων είναι να αντιστέκονται στην καμπτική τάση λόγω sagging και hogging Τυπικό μήκος κύματος ωκεανών ~ 300 ft. Πλοία με μήκος 300 ft είναι πιθανόν να αντιμετωπίσουν σημαντικές καμπτικές τάσεις Πλοία με μήκος 300 ft έχουν συνήθως περισσότερα διαμήκη παρά εγκάρσια ενισχυτικά στοιχεία

122 Διάταξη διαμήκους συστήματος : Πυκνά τοποθετημένα διαμήκη ενισχυτικά μικρότερων διαστάσεων Αραιά τοποθετημένα εγκάρσια ενισχυτικά μεγαλύτερων διαστάσεων

123 Βοηθούν στη διατήρηση του σχήματος του πλοίου Ο κύριος ρόλος των εγκάρσιων ενισχυτικών στοιχείων είναι να παραλαμβάνουν τα υδροστατικά φορτία Παραλαμβάνουν επίσης τοπικά φορτία Συναντάται σε πλοία μικρού μήκους (< 300ft) και σε υποβρύχια σκάφη

124 Διάταξη εγκάρσιου συστήματος: Αραιά τοποθετημένα διαμήκη ενισχυτικά μεγαλύτερων διαστάσεων Πυκνά τοποθετημένα εγκάρσια ενισχυτικά μικρότερων διαστάσεων

125 ABS Steel Vessel Rules

126

127 Ο πυθμένας και το κατάστρωμα έχουν ως βάση το διάμηκες σύστημα Οι πλευρές έχουν ως βάση το εγκάρσιο σύστημα

128

129

130 Δύο υδατοστεγανοί πυθμένες με κενό χώρο στο ενδιάμεσο Παρέχει αντοχή σε: Υδροστατική πίεση πυθμένα Τάσεις λόγω κάμψης Βλάβη λόγω προσάραξης Το διπύθμενο μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για αποθήκευση: πετρελαίου, ballast water ή πόσιμου Δημιουργία δαπέδου χωρίς ενισχύσεις, για καλύτερη τοποθέτηση μηχανημάτων και συσκευών

131 Μεγάλες φρακτές που χωρίζουν την γάστρα σε τμήματα Βασικός ρόλος ενίσχυση αντοχής της γάστρας μείωση της επίπτωσης βλάβης Η ορθή τοποθέτηση των υδατοστεγανών φρακτών κατά το διάμηκες επιτρέπει στο πλοίο να επιβιώνει σε βλάβη εκπληρώνοντας τα κριτήρια βεβλαμένης ευστάθειας Οι φρακτές ενισχύονται με οριζόντια και κάθετα ενισχυτικά

132

133

134 BLOCK 6 ΚΟΙΤΑΖΟΝΤΑΣ ΠΜ ΠΥΘΜΕΝΑΣ ΔΕ ΠΛΕΥΡΑ BLOCK 6 ΚΟΙΤΑΖΟΝΤΑΣ ΠΜ ΤΡΟΠΙΔΑ

135 BLOCK 6 ΚΟΙΤΑΖΟΝΤΑΣ ΠΜ ΑΝΩ ΑΡ ΠΛΕΥΡΑ BLOCK 6 ΚΟΙΤΑΖΟΝΤΑΣ ΠΜ ΑΝΩ ΔΕ ΠΛΕΥΡΑ

136 BLOCK 5 ΚΟΙΤΑΖΟΝΤΑΣ ΠΡ ΑΡ ΠΛΕΥΡΑ BLOCK 5 ΚΟΙΤΑΖΟΝΤΑΣ ΠΡ ΔΕ ΠΛΕΥΡΑ

137

138

139 Μας δίνει βασικά στοιχεία για την κατασκευαστική διαμόρφωση της μέσης τομής του πλοίου Πάχη πυθμένα, πλευρών, καταστρωμάτων Θέσεις και διαστάσεις διαμήκων ενισχύσεων Διαμόρφωση διπυθμένου Διαμόρφωση ανοιγμάτων, αμπαριών Διαμόρφωση κιόνων

140

141

142

143

144 Κατά την κατασκευή του πλοίου, αλλά και κατά τη διάρκεια επισκευών όπου απαιτείται αντικατάσταση ελασμάτων ακολουθείται συγκεκριμένη σειρά συγκολλήσεων Αυτό γίνεται για τον περιορισμό των παραμορφόσεων και τη συγκέντρωση τάσεων

145 Ship Construction 6 th ed

146

147 Μεταλλικά και σύνθετα υλικά χρησιμοποιούμενα στη ναυπηγική

148 Υλικό Πυκνότητα (kg/m 3 ) Yield strength (Mpa) Steel Aluminum Aluminum Aluminum 5059 (Alustar) Titanium 6Al 4V (Grade 5)

149

150 ELONGATION (%) KSI Thickness Range 2-20mm 44 KSI 32 KSI 44 KSI 39 KSI 53 KSI AA5083 AA5383 ALUSTAR STRENGTH (MPa) YS UTS Elongation YS UTS Elongation YS UTS Elongation

151

152 Δρυς (White oak) (σκληρό) Φτελιά (καραγάτσι) (σκληρό) Μουριά (σκληρό) Ευκάλυπτος (σκληρό) Πεύκο (Σάμου) (μαλακό) Κυπαρίσσι (μαλακό) Σουηδικό πεύκο Pitch pine Iroko Teak Azobe Afrormorsia Μαονοειδή Επικόλλητη Ξυλεία συγκόλληση δύο τουλάχιστον στρώσεων ξύλου ίνες παράλληλες μεταξύ τους Αντικολλητό (κόντραπλακέ θαλάσσης) MDF WR (water resistant)

153 Διάβρωση σήψη Υγρή υγρασία Ξηρή ελλιπής αερισμός Υγρασία διόγκωση και συρρίκνωση. Άνοιγμα αρμών, εισροή νερού Μύκητες Θαλάσσιοι μικροοργανισμοί

154 Φτηνά υλικά υψηλά εργατικά και έξοδα λειτουργίας Άνθιση μεταξύ WW I και WW II λόγω έλλειψης χάλυβα Σκάφη αναψυχής SS Selma (1919) oil tanker, L=130m

155 SEA GIANT L = M EMMA MÆRSK L = 398 M

156 Benchijigua Express L=124m Aluminum Visby Class L=73m CFRP sandwich Sierra I & II class Max Safe depth=700m Crush depth=915m L=111m Titanium

157 Τύπος πλοίου Υλικό γάστρας Υλικό υπερκατασκευής Φρεγάτες Χάλυβας Χάλυβας Αρματαγωγά Χάλυβας Χάλυβας Υποβρύχια Χάλυβας Χάλυβας ΤΠΚ Combattante Χάλυβας Αλουμίνιο ΤΠΚ Vosper Χάλυβας Αλουμίνιο Κ/Φ ASHEVILLE Αλουμίνιο GRP ΠΤΜ Zubr Αλουμίνιο Αλουμίνιο Ν/ΘΗ Hunt & Osprey GRP GRP N/A (παροπλισθέντα) Ξύλο Ξύλο

158 Το πρώτο συστατικό χαρακτηρίζεται ως συστατικό ενίσχυσης και προσδίδει βελτιωμένες μηχανικές ιδιότητες Το δεύτερο συστατικό καλείται μήτρα, είναι συνήθως χαμηλής πυκνότητας και εξασφαλίζει τη μέγιστη δυνατή εκμετάλλευση των ιδιοτήτων της ενίσχυσης

159 Metal Matrix Composites (MMC) Σύνθετα Μεταλλικής Μήτρας Metal Matrix Nano Composites (MMNC) Νανο Σύνθετα Μεταλλικής Μήτρας

160 Σύνθετα υλικά με ενισχύσεις σε μικροκλίμακα Παρέχουν την δυνατότητα βελτίωσης των ιδιοτήτων των υλικών όπως, αντοχή σε εφελκυσμό, σκληρότητα, δυσθραυστότητα, πυκνότητα, θερμική και ηλεκτρική αγωγιμότητα, αντίσταση στη διάβρωση

161 Παρουσιάζουν εξαιρετικά μεγάλη αντοχή, είναι ελαφρύτερα, πιο άκαμπτα, λιγότερο ψαθυρά Ενσωμάτωση 1% κ.ο. κεραμικών νανο κλίμακας σε μήτρα Al ή Mg, αυξάνουν την αντοχή δραματικά σε σχέση με πολύ μεγαλύτερες προσθήκες σε μικρο κλίμακα Al + αύξηση 2% κ.β. MWCNT βελτίωση ιδιοτήτων Al

162 Νανοσωλήνες Τριχίτες Κοκκώδη

163