Geniş ambar ağızlı gemilerin mukavemet yönünden incelenmesi
Structural analysis of ships with large deck openings
- Tez No: 46498
- Danışmanlar: PROF.DR. MESUT SAVCI
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Gemi Mühendisliği, Marine Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 1995
- Dil: Türkçe
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 101
Özet
ÖZET Sunulan çalışmada, statik olarak belirsiz olan kapalı kesitlerdeki burulma momenti gerilmeleri ve kesme kuvveti gerilmelerinin tayini amaçlanmıştır. Bu hesaplar hem uzun hemde hata yapma olasılığı yüksek olduğundan çözüm için bilgisayar programları hazırlanmıştır. Burulma momenti gerilmelerinin hesabı için zar (mambran) benzerliği kullanılmıştır. Hücre duvarları zar, boşluklar bir kapak gibi düşünülmüş her hücre için ayrı çözüm yapılmıştır. Bulunan kayma akımlarından kayma gerilmelerine geçilmiştir. Kesme kuvveti gerilmelerinin hesabı için kesitlerdeki hücreler bir noktadan kesilerek statik açıdan belirli hale getirilmiş daha sonra kesilen her noktadaki deplasmanı sıfır yapacak geometrik şart sağlanarak sonuca gidilmiştir. Programları çalıştırmak için inşaa edilmiş bir geminin iki kesiti incelenmiştir. Ayrıca kesit karşılaştırılması için seçilen 10 kesit üzerinde araştırma yapılmıştır. Programlar hazırlanırken kolay data hazırlanması, hızlı sonuç vermesi ve orta büyüklükteki bilgisayarda kullanılabilir olması amaç edinilmiştir. Sonuçta bu programların enkesit kontrollerinde ve özellikle ön dizayn aşamasında çok kolaylıkla kullanılabileceği görülmüştür. vıı
Özet (Çeviri)
STRUCTURAL ANALYSIS OF SHIPS WITH LARGE DECK OPENINGS SUMMARY The structural characteristics of ships built in recent years incorporate significant differences compared to the ships built in earlier years. This is a necessary development due to the changes in the types of cargo and respective variations in the loading and unloading systems. An example of this type of development may be observed in the cheaper and faster container transport systems and the related growth in the number of newly built container ships. This type of cargo is loaded and unloaded by vertically operated crane systems. This leads to container ships having relatively long and wide hold openings. These ships, therefore, have the characteristic U shaped cross- sections, made up of closed cells with complicated structural details. In these type of ship structures, the shear stresses due to torsion assume great significance. The shear stresses due to the shear force must also be examined, especially in those regions of the structure where the cargo holds and superstructures are closely spaced. In literature, there are a high number of studies on the global torsional moment and the shear force acting on the ship hull. The difficulty lies in the prediction of the wave induced torsional moment. In this study, the global wave loading on the hull is calculated by the methods suggested by the Turkish Lloyd. The still water components of the global torsional moment and shear force (due to the weight distribution along and across the hull) are obtained by the relatively simple longitudinal strength calculations. The computer technology of today advances fast, with machines featuring large storage capacities, high processing speeds and precision. However, neither the financial and administrational structures of the shipyards, nor the know-how of the personnel working in the industry develop fast enough to keep up with the technological advances. This state of affairs stem from high costs and the difficulties in acquiring the specialised skills required to make use of the. highly complicated expert system programs. The fundamental aim of this thesis is to develop the methods of calculation and the related computer applications, providing the shipyards with a solution that can be obtained without upgrading their present computerfacilities and hiring new expert staff. One of the methods employed to calculate the shear stresses due to torsion is the“Prandtl analogy”, where the solution of the torsion problem is obtained by analogy to the problem of a membrane deformed under pressure. The membrane is assumed to be stretched over the cross -section that carries torsional moment. The membrane is subjected to the uniform tension S caused by the pressure P which is perpendicular to the membrane at any given point. The effect of the pressure P on the membrane corresponds to the effect of the torsional moment acting on the cross-section. The volume between the membrane and the plane of the cross - section can be shown to correspond to the half of the torsional moment. If the displacement at any point on the membrane is given by *(x,y), the components of the shear stress in the directions of the x and y coordinates are given by Öy zy bx A tubular cross-section whose wall thickness is small compared to the main dimensions characterising the cross- sectional area, is generally known as“thin-walled”. The application of the Prandtl analogy to this type of sections requires special treatment of the empty region by using a rigid plate, thus rendering the slope of the membrane over the empty region zero. Here, the shear stress disappears leaving the thin wall to carry the shear stress due to torsion. The variation of the shear stress along the thickness of the wall is also assumed to be constant since the thickness is small. In this type of cross-sections, the shear stress due to torsion is given by x{s) = 2At(s) The assumptions described above are valid if the area of a cross-section carrying the shear stress is less than 1/5 the area defined by the closed curve which joins the mid points of the thickness along the thin wall. If a cross-section is-made up of several closed thin- walled cells together with several open cells, it can be shown that the contribution of the open cells to the torsional rigidity of the cross-section is negligible. If the cross-section is made up of thin-walled cells of different materials, the analysis is carried out by assuming the same material but with appropriate alterations to the wall thickness of those cells that are made up of IXdifferent materials. In some cases, one or more walls of the cell structure may consist of frames or frames with plating, e.g. the frames and the side plating of a ship. Such a structure may also be analyzed by using the equivalent thickness concept. In this case the equivalent thickness is obtained from the elastic deformation energy. The analysis of the behaviour of a mult i - celled box beam under torsion is an analytical problem whose solution is based on the superposition of the solutions obtained for each of the individual closed thin-walled cells. Consequently, the unknown variable for each cell is the hight of the rigid plate over the empty region and the shear flow characterised by the average membrane slope over the thin wall surrounding the cell. The following sign conventions are used for the shear flow due to torsion: 1) The positive shear flow taken as the reference is in the same direction as the torsional moment acting on the cross -sect ion. 2) The shear flow in the common wall between the i'th and the k'th cells is given by qik = qA - q^. 3) If the shear flow qik in the common wall between the i'th and the k'th cells is in the same direction as the shear flow qt in the i'th cell, q± is positive. The shear flow ^ is equivalent to the hight of the rigid plate over the cross-section and it is determined by the static equilibrium condition of the membrane and plate combination. The static equilibrium is achieved by the vertical components of the membrane tension and the pressure acting on the plate. The method of solution briefly introduced above is described in detail in Chapter 3. If the ship hull is idealised as a beam, there is always a shear force component Q acting on the cross - section, Q being the still water shear force when the ship is in harbour or on anchor and Q being the sum of the still water and wave induced shear force components when the ship is navigating in a seaway. In order to determine the scantlings of the cross-section, the distribution of the shear force Q over the whole of the cross -sect ion must be known. According to the fundamental Euler beam theory, the shear force Q acting along a differential beam element of length dx leads to the variation in the bending moment dM = Q dx. This variation in the bending moment is the cause of varying longitudinal shear stresses in the planes xon both sides of the differential beam element. The static equilibrium condition is restored by the longitudinal shear force components. Shear stress does not exist in the central longitudinal section due to symmetry. The longitudinal static equilibrium condition yields where m is given by t I s m = fyt ds In the open cross-sections, there is always a location where the shear flow is zero and the calculation of m is carried out by starting at that location. However, in closed multi-celled cross-sections, such a location does not exist for any of the cells with the exception of the locations on the symmetry axis. Here the problem is statically indeterminate. Such a problem can only be solved by the making use of appropriate geometrical compatibility conditions. The standard solution consists of two basic steps: 1) The conversion of the problem into one which is statically determinate by eliminating the required number of supports. 2) The determination of the geometrical conditions that give zero displacements at the locations of the previously removed supports. It has to be noted that, for the problem considered here, the supports discussed above are not external but they are fictitious locations integrated in the structure of the multi-celled cross-section under examination. The solution method employed in this study is based on the application of the two steps mentioned above at a suitable location on the wall of each of the closed cells. Firstly, the cell is assumed to be open at the chosen location and the shear flow is calculated. Secondly, the shear flow correction required for the cell to be closed at that location is determined. The results obtained from the first and the second steps are superimposed to obtain the actual shear flow along the walls of the cell. The procedure introduced above is explained in detail in Chapter 4. Two separate computer programs are designed to achieve the complete shear stress analysis of multi-celled ship XIcross-sections. Throughout the development of these programs, the necessity of relatively easy data preparation is taken into consideration as a prerequisite. The numerical approach and the input and output procedures for the programs are described in Chapter 5. The numerical demonstrations of the present approach are presented in two distinct studies: 1) Two different cross-sections of a ship are fully analyzed and the results obtained are discussed in detail revealing the behaviour of the particular transverse ship structure under shear force and torsion. 2) Ten different ship cross-sections are chosen for their prescribed characteristics and a preliminary structural design study is carried out, revealing the relationships between the particular structural characteristics and the behaviour of the cross -sections under shear force and torsion. Chapter 6 is devoted to the description and the discussion of the above mentioned applications. The numerical procedures and the engineering tools developed and presented in this thesis may principally be used in two areas in the shipbuilding field: 1) The examination of the shear stress performance of critical cross-sections of some existing ships which are known to have structural problems of transverse strength due to their complicated design characteristics, such as bulk and ore carriers and container ships. 2) To carry out the preliminary transverse structural design of a ship when the standard classification society design procedures are felt to be insufficient for the prescribed functional geometrical properties of the transverse structure. In particular, the present method yields significant criteria for the configuration of the decks. It is concluded that the contribution of the intermediate decks to the torsional rigidity of the cross - section is negligible since they, do not carry shear stress due to torsion of any significant magnitude. However, the location of the intermediate decks in the overall configuration of the cross-section assumes importance when the shear stress due to the shear force is taken into consideration. In Chapter 6, it is shown that up to 7% saving can be achieved in the scantlings by carefully selecting the locations of the intermediate decks. XI iBOLÜM 1. GİRİŞ Günümüzde inşa edilen gemi tipleri yakın geçmişde inşa edilen gemilere göre oldukça değişiklikler göstermektedir. Standart kuru yük gemilerinde ambar ağızları genellikle gemi genişliğinin yarısından küçüktür. Bu gemilerin en kesitleri açık cidarlı kesitler şeklindedir. Kesme kuvvetlerinin ve burulma momentlerinin meydana getirdiği kayma gerilmelerinin hesaplanması statik olarak belirlidir. Son zamanlarda gerek taşınan yüklerin nitelikleri sebebiyle gerekse geliştirilen yeni dizayn çalışmaları sebebiyle gemi tiplerinde belirli değişiklikler meydana gelmiştir. Gözle görülen ilk değişiklik ambar ağızlarının gemi genişliğine çok yakın bir genişliğe ulaşmış olmasıdır. Özellikle konteyner gemilerinde yükün dikine ambara giriş- çıkış yapma gereği bu sonucu doğurmuştur. Bu tür gemilerde bordalara oldukça yakın şekilde boyuna perdeler yerleştirilerek kutu sistem diye adlandırılan bir enkesit meydana getirilir. Bu tür sistemlerde kayma gerilmelerin hesabı oldukça zordur. Çünkü statik olarak belirsiz bir durum söz konusudur. Geniş ambar ağızlı gemiler üretilinceye kadar burulma momentinin meydana getirdiği kayma gerilmeleri önemsenmemiştir. Aynı şekilde gemi boyları ve kapasiteleri büyüyünceye kadar kesme kuvvetlerinin de meydana getirdiği kayma gerilmeleri göz ardı edilmiştir. Burulma momentinin meydana getirdiği kayma gerilmelerinin gemi üzerine ilk uygulayanlardan biri VEDELER'dir [1]. Vedeler bu çalışmasında statik ve dinamikburulma 'momentleri için hesap metodları vermiş ve akışkan benzerliğinden giderek çözüm üretmiştir. Daha sonra seneler ilerledikçe sayısal yöntemler geliştirilmiş ve bilgisayarlar orataya çıktıktan sonra bu yöntemlere geniş kullanım alanları yaratılmıştır. Mori, Hagiwara, Nakagova ve Uzemaki 1968 senesinde burulma gerilmeleri etkisindeki konteyner gemilerinin üzerinde bir dizayn çalışması yapmışlardır [2]. Bu çalışmada gemi üzerine gelen burulma momentinin hesabı için formüller verilmiş ve burdan elde edilen sonuçlar Vedeler'in teorisine uygulamışlardır. Bu işlemler için bilgisayar kullanmışlardır. Tanaka, Sanbongi, Iwaki, Enomoto, Yashıkı, Koshikawa, Kawai 1970 senesinde“Australia-Maru”isimli gemi üzerinde çalışmalar yapmıştır [3]. Bu çalışmada üç yöntem incelenmiştir: a) Sonlu elemanlar metodu b) Kiriş teorisi c) Lazer ışığı ile deformasyon ölçümünü içeren deneysel yöntem. Sonunda bu üç yöntem karşılaştırılmış çıkan sonuçların arasında büyük fark olmadığı görülmüştür. Son yıllarda çözüm çalışmaları genellikle sonlu elemanlar metodu üzerine yoğunlaşmıştır. Bull ince cidarlı yapılar üzerine sonlu elemanlar metodunun uygulanması ile ilgili bir kitap yayınlamıştır [4]. Bu kitapta ince cidarlı hertür yapı incelenmiştir. Sendanovıc ve Fan bir dubayı ele alarak sonlu elemanlar metodu ile problemi çözmeye çalışmışlardır [5]. Pedersen burulma momentini statik ve dinamik olarak sonlu elemanlar metodu ile incelemişdir [6]. Pasqumo ve Marottı sonlu elemanlar metodunu değişken kesitli açık ince cidarlı kirişlere uygulamışlardır [7].Son yxllarda klas kuruluşlarında bu konu üzerine eğilmiş ve araştırma çalışmalarına başlamıştır [8]. İnce cidarlı kesitlerin burulması ile ilgili bir başka yöntem başlangıç değerler metodudur. Bu metodla ilgili Mustafa İNAN' m 1964 senesinde yayınladığı kitapta sınır değerleri problemlerini başlangıç değerleri problemine nasıl dönüştürdüğü ve ara şartlardan dolayı yeni sabitlerin önüne geçilerek problemlerin denkemlerini hep aynı başlangıçtaki sabitlerle nasıl ifade edildiği anlatılmaktadır [9]. Bu tez çalışmasında gemi bir kiriş gibi düşünülerek yapılan boyuna mukavemet hesapları sonucu bulunan burulma momenti ve kesme kuvvetleri dağılımlarının gemi enkesitleri üzerinde oluşturduğu kayma akımı gerilmeleri hesaplanacaktır. Bu çalışmada burulma momenti ve kesme kuvvetlerinin hesabı için Türk Loydu kullanılmıştır [10]. İnce cidarlı ve hücreli yapıda ki kesitlerde burulma momentinin meydana getirdiği gerilmelerin hesabı için Prandtl benzerliği kullanılmıştır [11]. Burulma konusunda Kollbrunner 1969 senesinde oldukça detaylı bir anlatım içeren kitap yayınlamıştır [12]. Bu tez çalışmasında burulmayla ilgili kayma gerilmeleri bulunurken esas olarak Kallbrunner' m bu eserinden faydalanılmıştır. Burulma öncelikle basit bir şaftın üzerinde anlatılmış ve bu şaft üzerindeki kayma gerilmeleri dağılımları çıkartılmıştır. Daha sonra kapalı ince cidarlı kesitlerde Prandtl benzerliği anlatılmıştır. Kiriş kesitlerinde olabilecek özel durumlar ele alınıp incelenmiştir. Daha sonra çok hücreli kesitler incelenerek kayma akımlarının hesaplanması verilmiştir.burulma 'momentleri için hesap metodları vermiş ve akışkan benzerliğinden giderek çözüm üretmiştir. Daha sonra seneler ilerledikçe sayısal yöntemler geliştirilmiş ve bilgisayarlar orataya çıktıktan sonra bu yöntemlere geniş kullanım alanları yaratılmıştır. Mori, Hagiwara, Nakagova ve Uzemaki 1968 senesinde burulma gerilmeleri etkisindeki konteyner gemilerinin üzerinde bir dizayn çalışması yapmışlardır [2]. Bu çalışmada gemi üzerine gelen burulma momentinin hesabı için formüller verilmiş ve burdan elde edilen sonuçlar Vedeler'in teorisine uygulamışlardır. Bu işlemler için bilgisayar kullanmışlardır. Tanaka, Sanbongi, Iwaki, Enomoto, Yashıkı, Koshikawa, Kawai 1970 senesinde“Australia-Maru”isimli gemi üzerinde çalışmalar yapmıştır [3]. Bu çalışmada üç yöntem incelenmiştir: a) Sonlu elemanlar metodu b) Kiriş teorisi c) Lazer ışığı ile deformasyon ölçümünü içeren deneysel yöntem. Sonunda bu üç yöntem karşılaştırılmış çıkan sonuçların arasında büyük fark olmadığı görülmüştür. Son yıllarda çözüm çalışmaları genellikle sonlu elemanlar metodu üzerine yoğunlaşmıştır. Bull ince cidarlı yapılar üzerine sonlu elemanlar metodunun uygulanması ile ilgili bir kitap yayınlamıştır [4]. Bu kitapta ince cidarlı hertür yapı incelenmiştir. Sendanovıc ve Fan bir dubayı ele alarak sonlu elemanlar metodu ile problemi çözmeye çalışmışlardır [5]. Pedersen burulma momentini statik ve dinamik olarak sonlu elemanlar metodu ile incelemişdir [6]. Pasqumo ve Marottı sonlu elemanlar metodunu değişken kesitli açık ince cidarlı kirişlere uygulamışlardır [7].
Benzer Tezler
- Noise identification and reduction in split unit household air conditioner
Ev tipi split klimada gürültü tayini ve azaltılması
ABDUNASER M. AMMAR ABUNIRAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2017
Makine MühendisliğiKarabük ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. İSMAİL ESEN
- Geniş ambar ağzı açıklıklı konteyner gemilerindeki çarpılmanın incelenmesi
Investigation of warping of large container ships
TUĞÇE EROL
Yüksek Lisans
Türkçe
2015
Deniz Bilimleriİstanbul Teknik ÜniversitesiGemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. ERTEKİN BAYRAKTARKATAL
- Gemilerde bünyesel titreşimlerin incelenmesi
An investigation on the structural vibration behaviour of ships
REYHAN ÖZSOYSAL
Doktora
Türkçe
2004
Gemi Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiGemi İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF.DR. ALİ İHSAN ALDOĞAN
- Structural analysis of 9100 DWT multi purpose ship
9100 DWT lik çok amaclı geminin yapısal analizi
BARIŞ DEDETAŞ
Yüksek Lisans
İngilizce
2009
Gemi Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiGemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. AHMET ERGİN
- Gantry kreynli konteyner gemilerinin boyuna mukavemeti
Longitudinal strength of ships with gantry crane
BÜLENT ERDEM