Marine konstruksjoner : konstruktiv utforming og dimensjonering

214 Pages·1982·70.994 MB·Norwegian

by  Larsen, Carl M.

Carl M. Larsen
MARINE KONSTRUKSJONER
Konstruktiv utforming og dimensjonering
2. opplag
TAPIR
1982
ISBN 82-519-0407-2
FORORD
Denne boka er skrevet for bruk i faget ”Marine konstruksjoner, Grunnkurs” ved
Skipsteknisk avdeling, NTH. Emnene konstruktiv utforming og dimensjonering
er dekket her, mens boka "Belastninger på skip” av Carl A. Carlsen dekker
kursets belastningsdel.
Stoffet i denne boka ble først gitt ut i form av forelesningsnotater våren 1979.
Boka bygger i hovedsak på et tidligere kompendium i samme fag, skrevet av
Carl A. Carlsen. Nytt stoff er lagt til og annet er tatt ut.
Andre vesentlige kilder er:
d’Archangelo: Ship Design and Construction
SNAME, 1969
Stig Berge: Utmatting av sveiseforbindelser
Instituttkompendium
Dag Kavlie: Dimensjoneringsprosedyrer
NIF-kurs, NTH 1977
Stenroth m.fl.: Fartygsskrovets konstruktionselement
KTH, Stockholm 1972.
Kildene takkes, sammen med Svein Vold som har laget de figurene som er nye
for denne boka.
Institutt for Marine konstruksjoner, NTH
Carl M. Larsen

INNHOLDSFORTEGNELSE
1. INNLEDNING ............................................................................................... 1.1
1.1 Fagdisipliner innen skips- og havteknikk ................................... 1.1
1.2 Beskrivelse av konstruksjonsoppgaven ........................................ 1.8
1.3 Utdanningstilbud videre .............................................................. 1.12
2. KONSTRUKTIV OPPBYGGING AV SKIP............................................. 2.1
2.1 Tankskip for råolje ....................................................................... 2.1
2.1.1 Bunnkonstruksjon............................................................................ 2.3
2.1.2 Tverrskips rammer........................................................................... 2.4
2.1.3 Skipsside og langskipsskott............................................................. 2.5
2.1.4 Tverrskott......................................................................................... 2.5
2.2 Stykkgodsskip .............................................................................. 2.7
2.3 Bulkskip........................................................................................ 2.11
2.4 Containerskip................................................................................ 2.14
2.5 Gasstankskip ................................................................................. 2.16
3. KONSTRUKTIV OPPBYGGING AV MARINE KONSTRUKSJONER 3.1
3.1 Flyttbare boreplattformer..............,........................................... 3.1
3.1.1 Hevbar plattform ............................................................................. 3.1
3.1.2 Søylestabilisert plattform................................................................ 3.5
3.1.3 Boreskip ............................................................................................ 3.9
3.2 Produksjonsanlegg for olje/gass ................................................... 3.10
3.2.1 Stålplattformer ................................................................................ 3.11
3.2.2 Betongplattformer........................................................................... 3.13
3.3 Spesielle konstruksjonstyper ....................................................... 3.16
4. KONSTRUKSJONSELEMENTENES SAMVIRKE ............................... 4.1
4.1 Plate .................................................... .......................................... 4.2
4.2 Stivere ........................................................................................... 4.7
4.3 Bærere........................................................................................... 4.9
4.4 Paneler........................................................................................... 4.16
5. SPENNINGSFORDELINGEN I SKROGBJELKEN............................... 5.1
5.1 Bøyespenninger............................................................................ 5.1
5.2 Skjærspenninger ........................................................................... 5.5
5.3 Torsjon ......................................................................................... 5.9
6. KOMBINASJON AV SPENNINGER......................................................... 6.1
7. D1MENSJONERINGSKRITERIER .......................................................... 7.1
7.1 Nivå I. Deterministisk formulering.......................................... 7.3
7.2 Nivå II. Eksempel: Partielle sikkerhetsfaktorer ..................... 7.5
7.3 Nivå III. Beregning av sannsynlighet for sammenbrudd ........... 7.7
7.4 Dimensjonering mot ulykkeslaster.............................................. 7.9
8. UTMATTING................................................................................................. 8.1
8.1 Beskrivelse av utmatting .............................................................. 8.1
8.2 Utmattingskapasitet .................................................................... 8.4
8.3 Forhold som påvirker utmattingskapasiteten............................. 8.6
8.4 Utmatting av sveiseforbindelser.................................................. 8.10
8.5 Kumulativ skade........................................................................... 8.12
9. STABILITET ................................................................................................. 9.1
10. SAMMENBRUDD ......................................................................................... 10.1
11. MATERIALEGENSKAPER ........................................................................ 11.1
11.1 Materialbetegnelser....................................................................... 11.1
11.2 Materialklasser.............................................................................. 11.4
11.3 Bruk av styrkegrupper og materialkvaliteter ............................. 11.6
12. DIMENSJONERINGSPROSEDYRER ..................................................... 12.1
12.1 Iterativ dimensjonering................................................................ 12.1
12.2 Analysemetoder ........................................................................... 12.3
12.3 Kontroll av kapasitet ................................................................... 12.5
12.4 Søkemetoder................................................................................ 12.5
12.5 Eksempel på formulering av optimaliseringsproblem ................ 12.7
12.6 Anvendelse av optimalisering..................................................... 12.10
13. SPENNINGSANALYSE AV RAMMER ................................................... 13.1
13.1 Modellering .................................................................................. 13.1
13.1.1 Enkel modell av ramme i tørrlasteskip ........................................... 13.2
13.1.2 Forbedret modell av ramme i tørrlasteskip ................................... 13.4
13.2 Modell av rammer i tankskip ....................................................... 13.6
13.3 Eksempel på bestemmelse av fjærstivhet og innspenningsgrad
som randbetingelse ....................................................................... 13.10
13.4 Bruk av randfjær i Cross-metoden .............................................. 13.12
13.4.1 Randbetingelsens innvirkning ........................................................ 13.13
13.4.2 Beregning av momentfordeling ved hjelp av Cross-metoden ........ 13.17
13.5 Analyse av rammer med matrisemetoden .................................. 13.20
14. SPENNINGSANALYSE AV SKIVEKONSTRUKSJONER ................. 14.1
14.1 Analytisk løsning av skiveproblem.............................................. 14.1
14.2 Elementmetoden .......................................................................... 14.5
15. DETALJUTFORMING ................................................................................ 15.1
15.1 Sveiseforbindelser......................................................................... 15.1
15.2 Forbindelsen mellom stivere og bærere ...................................... 15.5
1.1
1. INNLEDNING
Faget "Marine konstruksjoner, grunnkurs" bygger på fagene
"Skipsteknikk grunnlag" og "Skrogstatikk" og er samtidig grunnlag
for flere særkurs som tilbys i studiets avsluttende del. Faget
er ment å gi en bred oversikt over belastninger, konstruktiv opp­
bygging og virkemåte, spenningsanalyse og dimensjoneringskriterier.
Det sier seg selv at med dette utgangspunktet vil behandlingen av
hvert tema lett bli overfladisk. En grundigere undervisning i
hvert fagfelt må derfor gis i saerkursene.
Dette kompendiet vil dekke pensum i den delen av kurset som om­
fatter konstruksjonslære og altså ikke belastningsdelen.
I den videre innledning vil konstruksjonsfaget bli diskutert i
sammenheng med de øvrige fagdisipliner innen skips- og havteknikk.
Innholdet i kurset vil videre bli belyst ut fra det behov for
kunnskap man har når man skal utføre konstruksjonsoppgaver. Til
slutt vil innholdet i de særkurs som tilbys bli diskutert i for­
hold til de samme oppgavene.
1.1 Fagdisipliner innen skips- og havteknikk.
En båt skal tjene en hensikt. Dette er formulert i såkalte
"rederkrav" og kan være i form av krav til bl.a.:
lastkapasitet
- fart
- lasthåndtering
Eksempel:
Et tankskip skal kunne laste 150.000 tonn råolje, gå med
16 knops fart i fullastet tilstand og kunne pumpe all last
iland på 20 timer.
1.2
I tillegg til slike krav ønsker rederne å få båten til en så lav
pris som mulig, holde lave driftsomkostninger og få høye inn­
tekter .
Rederne vil møte en rekke restriksjoner fra ulike hold. Slike
kan være
Sjøfartsorganisasjoner: krav til bemanning
Sjøfartsdirektoratet : krav til sjødyktighet,
livredningsutstyr, naviga­
sjonsutstyr, o.s.v.
Det norske Veritas : konstruksjonstyrke o.s.v.
IMCO, USCG : tankinndeling, separate
ballasttanker o.s.v.
o.s.v.
Rederne ønsker altså å få en båt som utfører jobben, tilfreds­
stiller alle krav og gir størst mulig økonomisk utbytte.
For å oppnå dette, må en rekke oppgaver løses.
1. Definisjon av rederkrav.
Bak en slik definisjon ligger en analyse av såvel
fraktmarked som kapitalmarked, dvs. muligheter til
inntjening og lån av investeringskapital.
2. Prosjektering av skipet.
Alle skipets delsystemer må spesifiseres, general-
arrangement o.s.v. fastlegges.
Herunder: - skrogform
maskineri
skottinndeling
lasthåndtering
innredning
o.s.v.
1.3
3. Detaljkonstruksjon.
Arbeidstegninger av alle skipets deler og
spesifikasjon av alle utstyrskomponenter.
Herunder: - konstruktive løsninger
dimensjonering
o.s.v.
4. Bygging av skipet.
skrog
maskineri
innredning/utrustning
5. Drift av skipet.
- maritim drift/vedlikehold
merkantil drift
For å sette skipsingeniører i stand til å løse disse oppgavene,
tilbyr de 4 instituttene på Skipsteknisk avdeling en undervis­
ning som totalt er ment å dekke dette spekteret. Oppgavene er
fordelt på instituttene etter følgende mønster:
1. Institutt for marin prosjektering
Prosjektering er syntesefaget, dvs. å sy sammen alle
deloppgaver.
Herunder: Definisjon av rederkrav
Prosjektering av skipet
Bygging (Verftsteknikk)
Drift
2. Institutt for marine konstruksjoner
Ut fra gitte betingelser skal konstruksjonens form
og dimensjoner fastlegges.
Oppgaver: Beskrivelse av konstruksjonen og belastninger
Spenningsanalyse
Konstruksjonskriterier
Konstruktiv utforming
Dimensjonering og optimalisering
1.4
3. Institutt for marin hydrodynamikk
Skipets form er bestemmende for dets motstand,
bevegelses- og manøvreringsegenskaper.
Hydrodynamiske forhold bestemmer også vesentlige
deler av de krefter skip og konstruksjoner utsettes for.
Oppgaver: Motstand
Propulsjon
Bevegelser og krefter fra bølger
4. Institutt for marint maskineri og forbrenningsmotorer
Maskineriets oppgave er foruten framdrift også en rekke
hjelpefunksjoner så som elektrisitetsforsyning, damp-
og hydrauliske systemer.
Oppgaver: Termodynamikk
Maskinanlegg, komponenter
Hydrauliske systemer
Reguleringsteknikk
For marine konstruksjoner vil man finne en tilsvarende arbeids­
fordeling. For en fast produksjonsplattform av stål (fagverks-
konstruksjon) vil hydrodynamikk ta seg av beskrivelsen av hav­
miljøet og beregning av krefter fra strøm og bølger, mens
konstruksjoner vil stå for utforming og analyse av selve fag-
verkskonstruksjonen og dekket. Mange av de komponenter man finner
i produksjonsanlegget vil være de samme som i et skipsmaskineri,
f.eks. generatorer, separatorer, varmevekslere og pumper, og ved
prosjektering/bygging vil man møte mange av de samme problemstil­
linger som i skipsprosjektering.
Oljeutvinning til havs har selvsagt ført med seg mange nye pro­
blemer, men grunntrekkene er stort sett de samme som i "gammel­
dags" skipsteknikk, og det teoretiske grunnlaget som trenges for
å løse problemene vil svært ofte være det samme.
Den skisserte inndelingen av oppgavene mellom instituttene for­
teller at det ikke er noen klar avgrensning instituttene imellom.
Det kan heller ikke være slike skarpe grenser, da det alltid vil
finnes en rekke områder der problemstillinger griper inn i
hverandre på tvers av instituttgrensene. I det følgende vil slike
områder bli kommentert og belyst med eksempler.