POMORSKI FAKULTET - SPLIT NAPREZANJE BRODSKE KONSTRUKCIJE U EKSPLOATACIJIPripremio: Capt.Goran Belamari, MEng. Split, 01 10 2010 S lit 01.10.2010.

NAPREZANJE BRODSKE KONSTRUKCIJE vrstoa broda predstavlja sposobnost brodske konstrukcije da izdri djelovanje vanjskog optereenja. S obzirom na izraene dimenzije j j j g p j j duljine, najvee sile i momenti pa tako i naprezanja, koja djeluju na trup broda, javljaju se zbog savijanja u uzdunoj vertikalnoj ravnini. Iz tog razloga bitno je osigurati dovoljnu uzdunu vrstou broda, a to se najlake postie uzdunim nainom gradnje. U proraun uzdune vrstoe ulaze samo oni konstrukcijski elementi koji se kontinuirano proteu preko 40% duljine broda. odnosno koji su broda dulji od 0.4Z. Prvi uvjet plovnosti kae da je cjelokupna teina broda D jednaka sili uzgona U koja djeluje na njega. Meutim, raspodjela tih j g j j j j g , p j sila po duljini broda nije jednaka (slika 1).Razlika tih vrijednosti, koja se javlja na odreenom poprenom presjeku broda, daje poprenu silu.

NAPREZANJE BRODSKE KONSTRUKCIJE

slika 1. Krivulje raspodjele teine i i izgon a po duljim broda

NAPREZANJE BRODSKE KONSTRUKCIJE Uzduna vrstoa prema klasifikacijskim drutvima Svi se Registri bave uzdunom vrstoom. esto se problemi vezani za uzdunu vrstou oznaavaju kao primarna vrstoa. Zbog ogromnog znaaja, presudnog za sigurnost broda, uzduna vrstoa je rijetko podruje u kojem su se inae konkurentski Registri suglasili, i donjeli zajednike propise uzdune vrstoe, kroz udrugu IACS (International Association of Clasification Societies). Dakle, Registri i D kl R i i su ivotno zainteresirani za dimenzioniranje i i i di i i j konstrukcije brodskog trupa tako da zadovolji uvjete uzdune vrstoe. vrstoe

NAPREZANJE BRODSKE KONSTRUKCIJE Izdrljivost materijala brodskog trupa Nije svejedno iz kakvog je materijala izraen brodski trup trup. Materijal bitno utjee na izdrljivost broda. Na izdrljivost broda utjeu znana i mjerljiva mehanika svojstva materijala To su u materijala. prvom redu vrstoa materijala, njegova elastina svojstva, udarna ilavost i otpornost na stvaranje pukotina. p j p Optereenja brodskog trupa na mirnoj vodi I pored toga to je mirna voda za brod rijetko ali poeljno stanje, takva se razmatranja na mirnoj vodi ipak moraju provoditi. Za provoditi svaki se brod provjeravaju sva predvidiva stanja krcanja, a najvea se optereenja dobivaju kao gornje ovojnice svih poprenih sila i momenata savijanja.

NAPREZANJE BRODSKE KONSTRUKCIJE Statistiki podaci o optereenjima na mirnoj vodi Na osnovi viegodinjih promatranja i mjerenja, dolo se do mjerenja statistikih podataka o veliinama momenata savijanja i poprenih sila na mirnoj vodi. Rezultati su izraeni u postocima najveih doputenih iznosa momenata i poprenih sila. Pretpostavljeno je da su statistika svojstva ista za iste tipove brodova, ali da se unutar tipova treba voditi rauna o veliinama. Kod tankera i OBO-brodova se najvei iznosi javljaju u stanjima progiba - SAGG (tlak u elementima palube, vlak u elementima dna), pal be lak dna) dok se kod brodova za sipke terete javljaju u stanjima pregiba HOGG (vlak na palubi, tlak u dnu).

NAPREZANJE BRODSKE KONSTRUKCIJE Optereenja brodskog trupa na valovima Uzduna vrstoa broda na valovima je kljuni problem brodogradnje. Poznat je kvazi statiki pristup, to jest, brod se postavlja na neki odabrani val, kao da se trenutno zaustavio na njemu. Tada se proraun d b i l k d t t t i j T d uzdune vrstoe provodi kao i za mirnu vodu, samo to se umjesto ravne povrine vode, primjeni valovita povrina, i to obino i za brod na valnom brijegu i za brod na valnom dolu. Naravno da ni takav sluaj u naravi nije mogu, ali kvazi statiki proraun daje neke smjernice o ponaanju brodskog trupa sa stajalita uzdune vrstoe.

NAPREZANJE BRODSKE KONSTRUKCIJE Dugorone prognoze momenata savijanja na valovima Momenti savijanja na valovima se mogu s prihvatljivom tonou odreivati na osnovi dugoronih prognoza koje su posljedica plovljenja broda u odreenim zonama plovidbe Dugoroni dinamiki odzivi za vee brodove u oceanskim uvjetima g j mogu se prikazati kao na slijedeoj slici.

RQ

100 101 102 103 104 105 106 107 108 10-8 10-7 10-6 10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 100

N Q

N broj susreta s valovima Q vjerojatnost premaivanja odziva/optereenja RQ dinamiki odziv za zadanu razinu vjerojatnosti premaivanja Q

NAPREZANJE BRODSKE KONSTRUKCIJE Ukupna optereenja brodskog trupa kod uzdunog savijanja Kao prihvatljivo se prikayivanje koristi postupak kada se izraunavaju optereenja broda na mirnoj vodi za sva predvidiva stanja krcanja, i na t j b d i j di d idi t j k j njh se dodaju optereenja uslijed gibanja broda na valovima, ali ne na jednom, nekom posebno odabranom valu, nego se statistikim postupcima utvruju iznosi momenata savijanja na odabranim rutama broda, za odreena podruja plovidbe, za razne kuteve susretanja broda i valova i za pretpostavljeno vrijeme koritenja broda, na primjer 20, 25 ili 30 godina mukotrpne slube.

NAPREZANJE BRODSKE KONSTRUKCIJE Knjige krcanja Svakom brodu se jo za vrijeme gradnje pripremaju knjige, koje knjige poslije plove skupa sa brodom, u kojima su opisana sva mogua zamisliva stanja krcanja broda, za koja su provedeni prorauni uzdune vrstoe i stabiliteta. Brodska raunala Danas se pored knjiga krcanja koriste brodska raunala koja imaju kompjuterski program za uzdunu vrstou, sa svim potrebnim podacima o brodu, tako da asnici na brodu mogu u svako doba provjeriti pro jeriti bilo koje stanje krcanja broda. broda

NAPREZANJE BRODSKE KONSTRUKCIJE Naprezanje brodske konstrukcije moe se podijeliti u dvije grupe: a) Statike sile koje su uzrokovane: - teinom same konstrukcije koja se razlikuje kroz duljinu broda - sile uzgona, koje su razliite na svim duljinama broda i stalno se uzgona mijenjaju u plovidbi - izravni hidrostatski pritisak - koncentracija lokalnih teina (stroj, jarboli, samarice, vitla, itd.) b) Dinamike sile koje uzrokuju: - posrtanje ljuljanje, valjanje posrtanje, ljuljanje - vjetar i valovi

NAPREZANJE BRODSKE KONSTRUKCIJE Uzduna vrstoa brodske konstrukcije Sile kojima je izloena brodska konstrukcija su sile teine koja djeluje vertikalno prema dolje, i sile uzgona koje djeluju vertikalno prema dolje gore. Kako ove sile nisu jednake ili priblino jednake brodska konstrukcija doivljava stresove koji se dijele na sile: Sile prekida (engl. Shearing Forces) Sile savijanja (engl. Bending Moments) Sile prekida (engl. Shearing Forces) neke toke ili mjesta (pozicije broda) je sila koja djeluje vertikalno u toj toci. Ona je takoer definirana kao ukupna teina na k j lij d fi i k k i kraju lijeve ili desne strane neke d k pozicije (duine), to jest teine odreene kao razlika izmeu sile koja djeluje vertikalno prema dole i vertikalno prema gore. Sile prekida (engl. Shearing Forces) sue naprezanje unutar materijala sa tendencijom loma ili uzdunog prekidanja. Vrijednost Shearing Forces mjeri se u tonama.

NAPREZANJE BRODSKE KONSTRUKCIJE Kako uslijed same teine broda, a tako i uslijed teina koje se krcaju, brodski trup u uzdunoj simetrali ima tendenciju savijanja. Moment savijanja (engl Bending Moment) mjeri ovu tendenciju , a to je u (engl. stvari umnoak sile sa udaljenou (M=WL), i izraava se u tonametrima.

NAPREZANJE BRODSKE KONSTRUKCIJE Raspored tereta s obzirom na poprenu stabilnost broda

HOGGING - Vi k masa na k j i Viak krajevima, i viak uzgona na sredini i k di i stvaraju moment koji tei savijanju broda sredinom prema gore dovodei do pojave pregiba HOGGING Kod deformacija tipa "hogging" paluba broda je izvrgnuta vlanim silama (Tension), a kobilica tlanim silama (Compression). SAGGING - Kod deformacije tipa "sagging" dogaa se suprotno, paluba je izvrgnuta tlanim, a kobilica vlanim silama. Zahvaljujui kobilici podvodni dio broda je i od palube koja je h lj j i k bili i d d i di b d j vri d l b k j j ionako oslabljena palubnim otvorima, grotlima. Iako su dijelovi palube oko grotala pojaani, smatraju se najslabijim dijelom broda. Inae palubna konstrukcija bolje odolijeva naprezanjima na vlak nego na tlak, to znai da je blagi hogging" uvijek poeljniji od "sagginga". sagginga .

NAPREZANJE BRODSKE KONSTRUKCIJE Pravilo je: Ako je srednji moment teine (MWM) vei od srednjeg momenta uzgona (MBM) brod ima HOGGING. Ako je srednji moment uzgona (MBM) vei od srednjeg momenta teine (MWM) brod ima SAGGING.

NAPREZANJE BRODSKE KONSTRUKCIJE Za brodove sa strojarnicom na krmi, momenti savijanja na mirnoj vodi mogu se ocijeniti (samo vrlo priblino) prema slijedeim izrazima: g j ( p )p j Za progib trupa (Sagg): Za pregib trupa (Hogg): gdje su: d -gaz broda u metrima L - duljina broda u metrima - istisnina u tonama g=9.81 m/s2 - konstanta gravitacije

M SV = 1760 g d / 12.5M SV = 1760 g L / 200

Nm Nm

NAPREZANJE BRODSKE KONSTRUKCIJE Udaranje pramca o valove i podrhtavanje trupa na uzburkanom moru (slamming) ( g) Plovidba broda na nemirnom moru esto uzrokuje visoke amplitude uzdizanja pramca koje ovise o dinamikim karakteristikama broda, njegovoj brzini i stanju mora. U odreenim okolnostima valovi udaraju u ravni pramani dio dna (engl. slamming) to dovodi do snanih vibracija (engl. whipping) i predstavlja najkompliciraniji dinamiki fenomen, a koji moe uzrokovati lokalna oteenja dna ili fenomen ope slabljenje vrstoe brodske konstrukcije. Udaranje pramca u valove dogaa se samo kad brod plovi u balastu, pa neprikladna g p ,p p izmjena balasta sekvenc metodom moe biti direktan uzrok toj pojavi.

NAPREZANJE BRODSKE KONSTRUKCIJE

NAPREZANJE BRODSKE KONSTRUKCIJE Glavni rizici tijekom rukovanja teretom su: komunikacija izmu broda i obale ignoriranje Plana ukrcaja tereta neodgovarajua priprema plana ukrcajnih operacija nepravilna raspodjela ukrcanog tereta izmeu skladita prekrcaj tereta po pojedinom teretnom prostoru fizika oteenja tijekom ukrcaja/iskrcaja Potencijalni problemi: Osoblje sa terminala treba usko suraivati sa posadom broda a kod sko s rai ati broda, operacija sa teretom (posebno kod Bulk-Carrier) potrebno je naglasiti devet glavnih rizika po mogue oteenje na brodskom trupu.

NAPREZANJE BRODSKE KONSTRUKCIJE1. 2. 2 3. 4. 4 Odstupanje od uputa o pravilnom krcanju iz Loading Manual-a Ukrcaj tereta velike spec.gustoe u uzastopnim skladitina spec gustoe Visoka norma ukrcaja Nesimetrina raspodjela tereta i balasta na brodu

5. 6. 6 7.

Nedostatak dobre komunikacije izmeu btoda i obale / terminala Prekrcaj b d i d d P k j broda iznad doputene oznake nadvoe t k d Djelomino napunjeni tankovi balasta, tereta i/ili skladita

NAPREZANJE BRODSKE KONSTRUKCIJE8. 8 Neodgovarajua raspodjela / optereenje tereta unutar skladita N d j dj l t j t t t kl dit

NAPREZANJE BRODSKE KONSTRUKCIJE9. Strukturna oteenja Kao posljedica neopreznog rada sa ukrcajnom/iskrcajnom opremom

NAPREZANJE BRODSKE KONSTRUKCIJEMomenti lona i momenti savijanja M ti l ti ij j (Shearing Forces &. Bending Moments)

NAPREZANJE BRODSKE KONSTRUKCIJE Raspored tereta ili stanje ukrcaja(LOADING CONDITIONS) Kod brodova za prijevoz rasutog tereta (Bulk-Carriers) odreeni su kriteriji k j k i iji ukrcaja maksimalne koliine tereta po svakom skladitu, ili k i l k lii k kl di paru graninih skladita (block hold loading) za razliita ukrcajna stanja tereta i gazova. gazova Homogeneous Hold Loading - teret je podjednako rasporeen u svim skladitima. Alternate Hold Loading u neparnim skladitima dozvoljava se p j g g g j dvostruko vea teina po skl. za krcanje homogenog tereta, gdje su za takva stanja krcanja tereta skladita tereta tako dizajnirana i ojaana da takva optereenja mogu izdrati. Ovakav nain krcanja, to jest uzdune raspodjele tereta zahtjeva suglasnost d d l h l Klasifikacijskog zavoda. Ukrcaj dva Uk j u d ili vie susjednih skladita (Cargo In two or more i j d ih kl dit (C I t adjolning holds) - Block Hold Loading / Part loaded Conditions.

1. 2.

3. 3

NAPREZANJE BRODSKE KONSTRUKCIJE

NAPREZANJE BRODSKE KONSTRUKCIJE Upute za siguran ukrcaj: 1. 1 Koritenje prirunika za krcanje 2. Instrimenti za kontrolu ukrcaja i PC sa programom za ukrcaj/iskrcaj, ukrcaj/iskrcaj kontrolu SWSF & SWBM &. 3. 4. 4 5. 6. 6 Planiranje i kontrola operacija rukovanja sa teretom Priprema za ukrcaj tereta (informacije o teretu i lukama) Pi k j t t (i f ij t t l k ) Komunikacija brod obala (terminal) Nadzor i k t l operacija sa teretom tijekom ukrcaja&iskrcaja N d kontrola ij t t tij k k j &i k j - kontrola stivadora -k kontrola ukrcajnog stanja broda l k j j b d - kontrola moguih oteenja broda tijekom trgovakih operacija sa teretom

NAPREZANJE BRODSKE KONSTRUKCIJE Raspored tereta s obzirom na poprenu stabilnost broda

Mjerilo poprene stabilnosti broda je poetna metacentarska visine (MG tj. veliina poluge stabilnosti (GH). Previe stabilni brodovi naglo i brzo ljuljaju, a to nije dobro ni za brod ni za posadu, a ni za teret. Stoga je najbolje kad trgovaki brod ima umjerenu poetnu metacentarsku visinu, tj. umjerenu poprenu stabilnost. stabilnost To se moe postii strunim slaganjem tereta po visini, visini imajui na umu da se neki tei tereti mogu sloiti i u meupalublju ako su odve teki tereti sloeni na dnu skladita. Obratno se dogaa kad se neki tereti krcaju na gornju palubu broda. Tada je radi poboljanja uvjeta poprene stabilnosti potrebno napuniti j p j j j p p p p vodom tankove dvodna. Kao pravilo vrijedi da se tankovi dvodna moraju napuniti morskom vodom prije poetka slaganja tereta na palubu broda.

NAPREZANJE BRODSKE KONSTRUKCIJE Raspored tereta s obzirom na uzdunu stabilnost brodaUzduna stabilnost javlja se kad se brod naginje u uzdunom smjeru, tj. pri posrtanju, odnosno naginjanju broda oko poprene osi. j p p j , g j j p p Pomorcima poloaj broda u uzdunom smjeru mnogo bolje predoava trim broda nego relativno velika vrijednost uzdune poetne metacentarske visine (MG), a trim je razlika gaza na pramcu i na k ii ( ) i j lik krmi. Kada brod pliva na ravnoj kobilici (Even Keel), nema trima, jer je gaz na pramcu jednak gazu na krmi broda. Trim broda uvijek je uzrokovan momentom trima. Taj moment se javlja i uzrokuje uzduna k t ti T j t j lj k j d nagibanja pri krcanju, iskrcavanju ili premjetanju tereta na brodu.

NAPREZANJE BRODSKE KONSTRUKCIJE Raspored tereta s obzirom na vrstou brodskog trupa Dio tereta koji ostaje pri kraju krcanja slui za dobivanje potrebnog trima prema krmi. Pomorci se pri tome slue tablicama promjene trima, koje daju tone podatke o tome na kome mjestu broda treba ukrcati dopunski teret. Kada brod plovi, redovno se mijenja trim broda zbog utroka goriva, vode i ostalih brodskih zaliha. Tada se trim moe regulirati balastnim tankovima. li ti b l t i t k i

NAPREZANJE BRODSKE KONSTRUKCIJEUnato svim nastojanjima kojima je cilj da se pojaa struktura broda i omogui bolji smjetaj brodskih zaliha i komercijalnog tereta, g j j j j g , nepoeljna uzduna optereenja brodske strukture ipak se javljaju na brodovima. Osobito jaka uzduna optereenja mogu nastati ako brod ima i strojeve na krmi. j k i Pri uzdunoj raspodjeli tereta koriste iskustvom i kompjutorskim programima za svaki pojedini brod, te se primjenjuju i praktika i ki j di i b d t i j j j ktik pravila: Masa tereta u svakom brodskom skladitu (Ps) mora biti razmjerna (Ps), kapacitetu skladita (Cs), ta se masa Ps rauna po formuli:

Nk [ MT ] Ps = Cs C

NAPREZANJE BRODSKE KONSTRUKCIJE Momenti masa koji se javljaju u mirnoj vodi kao posljedica neravnomjernog rasporeda tereta po duljini broda, mogu se eliminirati prikladnijom raspodjelom masa, to se moe raunski odrediti. Optereenja nastala zbog nestrune raspodjele tereta po duljini broda mogu uzrokovati deformacije brodske strukture ili ak pucanje broda i kad brod boravi u luci, a pogotovu kad plovi na valovima. To znai da o nainu krcanja broda, tj. o raspodjeli tereta po duljini, mnogo ovisi broda tj duljini hoe li brod u plovidbi biti izloen veim uzdunim naprezanjima. Da bi se postigla potrebna uzduna vrstoa brod mora imati vrstoa, odgovarajue jake graevne dijelove, poloene uzdu broda, po mogunosti pri dnu (kobilica, hrptenica, uzdune spojne uglovnice, oplata dna i dvodna) i kod najgornje neprekinute palube (zavrni voj oplate boka, palubne proveze, uglovnice proveza, podveze i oplata palube). l b )

NAPREZANJE BRODSKE KONSTRUKCIJE M Masa t t u krajnjem krmenom i krajnjem pramanom skladitu tereta k j j k k j j kl dit nipoto ne smije biti vea od koliine proraunate po spomenutoj formuli. ak se preporuuje da ta masa bude neto manja kako bi se smanjila osjetna razlika izmeu mase i uzgona na krajevima broda. jil j lik i k j i b d Pri krcanju i slaganju tereta treba teret u svakom skladitu sloiti to vie uz pregradu koja je blia sredini broda (glavnom rebru). Na taj se nain izbjegava da se masa gomila na krajevima broda i postie se pravilnija raspodjela masa i uzgona u srednjim dijelovima broda. broda Teke terete kao to su rude, eljezo itd. treba slagati u meupaljublju , j g p j j da bi se postigli povoljniji uvjeti poprene stabilnosti broda. Takav teret treba slagati to blie pregradama i bokovima broda da se paluba ne ulegne i ne p g prelomi od velikog optereenja. g p j Podloge pod teretom na palubi treba uzduno postavljati kako bi zahvatile to vie sponja. Time se postie da teret podjednako optereti h til t i j Ti ti d t t dj d k t ti palubu broda u uzdunom smjeru.

NAPREZANJE BRODSKE KONSTRUKCIJE Veliina i vrsta deformacije utvruje se usporedbom aritmetike sredine gazova pramca i krme sa srednjim gazom oitanim na sredini broda. Deformacija ili delleksija = MID MEAN = F+A D f ij d ll k ij gdje je: dj j2

MID MEAN srednja vrijednost gaza oitanog na srediniF+A HOGGING ako j MID MEAN manji od = je j 2 F+A SAGGING ako je MID MEAN vei od = 2

Dananji brodovi obino imaju nadgrae i stroj na krmi, prazan brod ima veliku zategu i izloen j naprezanjima koja se rezultiraju u g je p j j j deformaciju tipa "hogglng. Stoga se najprije krcaju sredinja skladita da bi se eliminirao hogging trim. "hogging", a potom pramana da bi se smanjio trim Zbog toga brodograditelj daje upute i tabele uz pomo kojih se provjerava da se naprezanja nalaze unutar doputenih granica.

NAPREZANJE BRODSKE KONSTRUKCIJE U dananje vrijeme brodovi su uglavnom opremeljeni instrumentima koji rade na princip ten iometra te mjerei istezanje strukture principu tenziometra, iste anje str kt re neizravno daju podatke o svim naprezanjima kojima je izloen taj dio broda, to znai da na asnik palube treba znati pravilno interpretirati p p p ponuene mu podatke. Kompletan proraun bi se sastojao u pronalaenju vrijednosti momenata savijanja sila (Bending Moments) i poprenih sila (Shearing Forces) na presjeku svakog rebra. Meutim, takav proraun bez pomoi raunala bio bi vrlo opsean. Iz tog razloga proraun se izvodi samo za karakteristine presjeke.

NAPREZANJE BRODSKE KONSTRUKCIJE Ispravak zbog deformacija esto se ispravak zbog deformacije broda radi proraunom prosjenog srednjeg gaza broda tj. suma pramanog i krmenog srednjeg gaza i srednji gaz na sredini broda podijeljen sa 2 2. Savremena prouavanja su pokazala da ovaj nain prosjeni srednji gaz nije dovoljno uzimao u obzir gaz na sredini broda. Veliko znaenje je dato gazu na sredini broda zato to : moment maksimalnog savijanja za teretne brodove je u blizini sredine broda, broda maksimalna irina broda je na sredini broda. broda Zato se ispravka zbog deformacija rauna sa jo jednim prosjekom, p j j gg , p j gaz je j g naime poslije srednjeg gaza, novi prosjeni g j suma srednjeg prosjenog gaza i srednjeg prosjenog gaza na sredini, podjeljena sa 2.

NAPREZANJE BRODSKE KONSTRUKCIJEFwdPort + FwdStbd FwdMean = 2 TerueFwd = FwdMean + ( StemCorr )

AftPort + AftStbd 2 TerueAft = AftMean + ( SternCorr ) AftMean =MidPort + MidStbd 2 TerueMid = MidMean + ( MidCorr ) MidMean =

TrueFwd + TrueAft TrueMeanFwd & Aft = 2

TrueMid + TrueMeanFwd & Aft MofM = 2

TrueMid + MofM Q.M .O.M . = 2

Ista vrijednost d bij se i po f I ij d dobije formuli: QUARTER MEAN OF MEANS li (Q.M.O.M.) DRAFT

6 TrueMid + (TrueFwd + TrueAft ) Q.M .O.M . = 8

NAPREZANJE BRODSKE KONSTRUKCIJE Praktini izraun MofM

NAPREZANJE BRODSKE KONSTRUKCIJE Praktini izraun SAGG. & HOGG.

Ovaj koji smo dobili je aritmetika razlika izmeu srednjeg gaza pramca i krme i srednjeg gaza sredine. U praksi se uzima da je Sagg./Hogg. odnosno i to kako slijedi:

NAPREZANJE BRODSKE KONSTRUKCIJE Ako je M>M imamo HOGGING i MofM rauna se na sljedei nain:

Ako je M