Loads for Rational Design

Embed Size (px)

Citation preview

  • 8/20/2019 Loads for Rational Design

    1/121

    A D - 7 6 7   3 8 9

     

    L O A D

      C R I T E R I A

     

    F O R  

    S H I P

      S T R U C T U R A L   D E S I G N

     

    WEBB

     

    INSTITUTE O F 

    NAVAL

      ARCHITECTURE 

    PREPARED

     

    F O R

     

    NAVAL

      SHIP ENGINEERING 

    CENTER

     

    MAY 

    1 9 7 3

     

    D I S T R I B U T E D

     B Y :

     

    K I

     

    a t i o n a l T e c h n i c a l 

    I n f o r m a t io n

     S e r v i c e

     

    U . . 

    E P A R T M E N T F

     O M M E R C E  

  • 8/20/2019 Loads for Rational Design

    2/121

    ·•·

    THIS

    DOCUMENT IS BEST

    QUALITY

    AVAILABLE

    THE

    COPY

    FURNISHED TO DTIC

    CONTAINED

    SIGNIFICANT

    NUMBER OF

    PAGES

    WHICH

    DO

    NOT

    REPRODUCE LEGI LYo

  • 8/20/2019 Loads for Rational Design

    3/121

    SSC-240

     

    0* 

    00 

    LOAD

     CRITERIA

     OR SHIP  

    STRUCTURAL DESIGN  

    This

     

    ocument as ee n

     

    pproved

     

    or 

    public

     elease 

    nd ale

    ts

     

    distribution s 

    nlimited. 

    SHIP STRUCTURE COMMITTEE  

    1973  

    «t-produced  b 

    NATIONAL ECHNICAL  

    INFORMATION 

    SERVICE

     

    US 

    Department

      of 

    Commerce

     

    Springfield,

     

    VA.

     

    2215? 

    Y

     

  • 8/20/2019 Loads for Rational Design

    4/121

    MEMBER AGENCIES:

     

    UNH

    TATES

     

    COAST

     

    GUARD 

    "AVAI

     

    HI P 

    YSTEMS 

    COMMAND 

    Mil

     

    ITARY

     

    SEALIFT

     

    COMMAND 

    M A R I T I M E

     DMINISTRATION

     

    AMERICAN 

    B U R E A U

     

    OF

     SHIPPING 

    SHIP STRUCTURE

     

    COMMITTEE

     

    AN 

    NTERAGENCY

     ADVISORY 

    COMMITTEE

     DEDICATED

     TO 

    IMPROVING

     

    TH E STRUCTURE 

    OF 

    SHIPS

     

    ADDRESS

     

    CORRESPONDENCE

     

    O:  

    S E C R E T A R Y

     

    SHIP S T R U C T U R E 

    C O M M I T T E E  

    U.S.

     

    C O A S T

     

    GUARD

     

    H E A D QU A R T E R S  

    W A S H I N G T O N , D.C.X96X&

     

    20590 

    S R  

    198

     

    1

    8

     J U L  

    1 9 7 3 

    T he development

     

    of

     

    a rational procedure for determining 

    th e loads which a ship's hull must withstand

     

    is 

    a

     primary 

    goal 

    of

     

    the

     Ship Structure Committee

     

    program.

     

    In

     th e

     

    last

     

    several 

    years,

     considerable research activity ha s

     

    been 

    devoted to theoretical

     

    studies on 

    the 

    prediction

     

    of hull 

    loads a nd 

    to

     measurement of response both

     

    on

     

    models and on

     

    ships a t *

     

    sea. 

    This

     report describes

     

    a first

     

    effort into 

    th e 

    synthesis 

    of

     

    the results of these 

    diverse

     

    projects 

    into a rational design 

    procedure. 

    Comments on

     

    this report would

     

    be 

    welcomed. 

    W.

      .

     

    RE A, I I I 

    Rear

     

    Admiral,

     U . S . 

    Coast Guard 

    Chairman,

     

    Ship

     

    Structure

     

    Committee

     

  • 8/20/2019 Loads for Rational Design

    5/121

    Unclassified 

    Sc

  • 8/20/2019 Loads for Rational Design

    6/121

    Unclassified 

    4S I 

    rity CUwtiflcaHon 

    KCV

     

    WORD» 

    ROLE

      I 

    WT 

    Bending moments 

    Wave

     

    loads 

    Still

     

    vater

     

    loads

     

    Thermal effects 

    Cvclic 

    loads

     

    Dynamic 

    leads

     

    Combining 

    loads

     

    Design of

     hull

     girder 

    Jinrl

     as.si fipri 

    Securit

     

    Classification 

  • 8/20/2019 Loads for Rational Design

    7/121

    SSC-240

     

    F i n a l

     Technical

     

    Report 

    o n 

    Project SR-198, "Load 

    Criteria"

     

    t o

     t h e

     

    Ship Structure

     

    Committee 

    LOAD

     

    CRITERIA

     FOR SHIP STRUCTURAL DESIGN 

    b y

     

    Edward 

    V .

     Lewis

     

    D a n Hoffman 

    Walter 

    M .

     

    Maclean

     

    Richard van Hooff, and 

    Robert 

    B .

     Zubaly 

    Webb

     

    Institute

     of 

    Naval

     

    Architecture

     

    under

     

    Department of 

    the

     

    Navy

     

    Naval

     Ship Engineering Center 

    Contract N o . 

    N00024-71-C-5372

     

    This ocument as 

    ee n

     

    pproved

     

    or

     ublic elease nd 

    sale; its 

    istribution

     s 

    nlimited.

     

    U .

     

    S . 

    Coast

     Guard 

    Headquarters

     

    Washington,

     

    D . C . 

    1973 

    I

     

  • 8/20/2019 Loads for Rational Design

    8/121

    ABSTRACT

     

    Consideration i s

     given

     

    t o

     

    the critical

     

    l o a c . «

     

    -

    n

     

    . h i p s ' hulls,

     

    a s

     

    indicated

     

    by 

    ossible

     

    modes 

    of structural 

    damage

     

    and/or

     

    ; a f •   . . r e -

     i s

     

    recognized 

    that of 

    particular importance 

    i s

     

    the

     possibility of damage i n the 

    form

     of

     compression buckling or

     

    plastic flow 

    i n

     tension

     of ne

     r oth 

    flanges

     

    which could 

    lead

     

    t o ultimate failure. nother mode of

     

    failure s 

    by

     

    fatigue, which i s 

    important

     because cracks

     

    may

     

    occur

     which

     

    ust

      b e e-

     

    paired before 

    they

     propagate

     

    t o a dangerous extent.

     

    third 

    mode

     of ail- 

    ure i s

     

    brittle fracture, which i s

     

    particularly

     

    difficult t o d e a l ith ut

     

    can 

    b e  

    minimized 

    b y  control 

    of

     material

     

    quality 

    and

     

    use nf 

    the

     ustomary

     

    "fail-safe"

     approach

     by using crack

     

    arresters. inally, the

     

    possibility 

    of

     

    shear

     

    and/or

     

    torsional

     

    buckling

     

    requires

     

    consideration.

     

    Hence,

     

    a n ultimate

     

    load 

    criterion

     i s set up involving he

     

    ol-

     

    lowing 

    bending

     moments:

     

    Quasi-static wave-induced,

     vertical

     

    and

     

    lateral combined.

     

    S t i l l

     

    water, 

    including

     

    effect

     of

     

    ship's

     

    own wave.

     

    Dynamic 

    loads,

     including slamming, whipping, and springing 

    Thermal

     effects. 

    The

     

    determination

     

    of

     

    each

     

    of

     

    these

     

    loads

     

    i s

     

    discussed

     

    i n

     

    detail,

     

    nd

     

    he

     

    need

     

    for 

    further

     

    clarification

     of

     

    dynamic l o a d s i s

     brought

     out.

     

    ethods 

    of 

    combining 

    these

     

    loads,

     i l l

     expressed

     i n probability

     terms, are 

    considered. 

    A  

    criterion 

    for

     

    cyclic

     loading 

    i s

     discussed,

     nvolving the

     

    re-

     

    diction 

    of

     t h e

     

    expected number 

    of

     combined 

    loads of

     

    different levels,

     a s 

    w e l l

     

    a s

     t h e 

    expected 

    shifts

     

    of

     

    mean value.

     

    A

     criterion f o r brittle fracture i s 

    also

     discussed. 

    Attention 

    i s

     given 

    t o estimating

     

    an 

    acceptable robability

     f

     

    failure for u s e

     

    i n

     design. 

    inally, calculations of 

    loads

     

    re 

    carried ut 

    for 

    a

     typical 

    cargo 

    ship,

     

    the

     

    S

    O L V E R I N E

     TATE

    he 

    oads

     

    re

     hen 

    combined

     

    i n

     

    accordance

     

    with

     

    the

     

    proposed

     

    ultimate

     

    load

     

    criterion

     

    and

     

    compared

     

    with t h e

     

    stanoards under which the 

    ship

     

    was 

    designed. 

    -n-

     

  • 8/20/2019 Loads for Rational Design

    9/121

    CONTENTS 

    Chapter

     age

     

    I . 

    INTRODUCTION  Edward V .

     Lewis

      ... 

    I I .  CRITICAL

     

    LOADS 

    Edward

     V . 

    Lewis

     and 

    ...

     

    Walter 

    M .

     Maclean 

    I I I .

     

    STILL

     

    WATER

     

    LOADS

     

    Robert

     B .

     

    Zubaly

     

    ...

     

    4

     

    I V .  WAVE

     

    LOADS  Dan

     

    Hoffman  ...

     

    V .  DYNAMIC 

    LOADS 

    Walter 

    M . Maclean 

    ... 2 

    V I .  PHASING OF 

    SLAM

     AND 

    WAVE

     

    LOADS

     

    Richard

     

    van

     Hooff  ... 3 

    VII.

     

    THERMAL

     

    EFFECTS  Robert

     

    B . Zubaly

     

    ... 7 

    VIII.  COMBINING 

    LOADS

     FOR

     DESIGN  Edward V .

     Lewis 

    ... 9 

    I X .  SAMPLE LOAD CALCULATIONS  Richard van Hooff and .. 3 

    Robert

     B .

     

    Zubaly 

    X .

     

    CONCLUSIONS 

    AND 

    RECOMMENDATIONS 

    Edward V . Lewis

     

    ...

     

    1

     

    ACKNOWLEDGEMENTS 

    3

     

    REFERENCES

    APPENDIX A

     

    - BIBLIOGRAPHY 2 

    -in-

     

  • 8/20/2019 Loads for Rational Design

    10/121

    L I S T

     O F  TABLES 

    TABLE

     

    A G E

     

    I  MEASURED

     

    FULL-SCALE

     

    -  S L A M

     

    L O A D S   A N D  MIDSHIP STRESSES

     

    7

     

    I I  DETERMINATION  O F  U L T I M A T E H U L L  GIRDER  B E N D I N G   L O A D S  4 

    I I I

      APPROXIMATE 

    PROBABILITY

     

    O F

     

    F A I L U R E :

     F O U N D E R I N G ( 1 2 6 )

     

    I V

     

    FRACTURES I N

     

    STRENGTH 

    D E C K  

    A N D   S H E L L P L A T I N G

     

    9

     

    V

     

    STILL-WATER B E N D I N G   M O M E N T S ,   5 . S

    WOLVERINE

      ST TE 

    V I  D A T A  O N  C L O U D  COVER

     

    A N D

     ESTIMATED TEMPERA

    T

    U

    RE DIFFERENTIALS, 

    ...

     

    7

     

    N O R T H

     ATLANTIC 

    V I I

      CALCULATED

     

    C H A N G E S

     

    I N

     

    S T R E S S  AND

     

    EQUIVALENT BENDING

     

    MOMENT, 

    ....

     1 

    3 S

    WOLVERINE

      ST TE I N  N O R T H ATLANTIC  S E R V I C E

     

    V I I I  WEATHER 

    D A T A

      F O R  N O R T H ATLANTIC  9 

    I X

      S U M M A R Y

     

    O F  LIFETIME 

    H U L L

     

    L O A D S

      5 S WOLVERINE ST TE 3

     

    X

     

    COMBINED L I F E T I M E   H U L L   L O A D S

     

    S S

    WOLVERINE

     ST TE

     

    4

     

    X I  CALCULATED T O T A L C O S T  O F  F A I L U R E

     

    X I I 

    CALCULATED

     T O T A L 

    C O S T

     

    O F

      F A I L U R E

     A N D   D A M A G E

     

    -IV- 

  • 8/20/2019 Loads for Rational Design

    11/121

    L I S T  O F F I G U R E S 

    F I G U R E

    A G E

     

    1

     Y P I C A L

     V O Y A G E 

    V A R I A T I O N

     O F M I D S H I P V E R T I C A L 

    B E N D I N G

     S T R E S S ,

     

    ..... 

    S.  S.

     

    E S S O MALAYS IA ,  L O A D E D C O N D I T I O N ( 3 ) . 

    2 Y P I C A L

     

    V O Y A G E 

    V A R I A T I O N 

    O F M I D S H I P V E R T I C A L   B E N D I N G   S T R E S S ,

     

    S.

     

    S.

     R. 

    G .

      FOLL IS 

    ( 3 )

     

    3

     Y P I C A L

      R E C O R D

     

    O F

     M I D S H I P V E R T I C A L

     

    B E N D I N G 

    S T R E S S ,

      W I T H  

    S L A M M I N G ,

      ... 

    M .

     

    V . 

    FOTINI

     . 

    4

     I S T O G R A M  O F

     

    S T I L L - W A T E R

     

    B E N D I N G

     

    M O M E N T S ,   C O N T A I N E R S H I P

      W

     O R L E A N S

      9

     

    5

     Y P I C A L   S T I L L - W A T E R B E N D I N G M O M E N T S , T A N K E R

    E S S O

     M A L A Y S I A

     

    .  9 

    6

     Y P I C A L

     

    S T I L L - W A T E R B E N D I N G  

    M O M E N T S ,  O R E

     

    C A R R I E R , 

    FOT IN I

     

    L 9 

    E A C H

     

    B O X

     

    R E P R E S E N T S

     

    O N E

     

    V O Y A G E

     

    R E N D S  O F

     

    S T I L L - W A T E R

     

    B E N D I N G

     

    M O M E N T ,  M A X I M U M  V A L U E  B Y 

    A B S

     

    R U L E S

     

    ....

     

    ( 1 9 7 2 )

     R E Q U I R I N G

     

    N O

     A D D I T I O N T O S E C T I O N M O D U L U S  

    3

     

    C O M P A R I S O N  O F

     

    W A V E

     S T A T I S T I C S :

     B S E R V E D 

    P E R I O D S

     A N D  H E I G H T S 

    1

     

    9

     

    P E A K - T O - P E A K S L A M

     

    S T R E S S  

    D I S T R I B U T I O N S  I N

     

    D I F F E R E N T

     W E A T H E R 

    COND ITIONS,

     S. S.  WOLVERINE TATE  

    1 0

     

    Y P I C A L

      R E C O R D

     

    O F M I D S H I P  S T R E S S  V A R I A T I O N ,

     

    M

    V

    FOT IN I >   S H O W I N G  9 

    F I L T E R E D

     W A V E - I N D U C E D

     

    A N D

     D Y N A M I C

     

    S T R E S S E S ( 3 )

     

    1 1 

    E F I N I T I O N S

     O F 

    S T R E S S E S

     A N D 

    P H A S E

     

    A N G L E S

     

    I N V O L V E D 

    I N

     

    S L A M M I N G 

    0

     

    1 2 I S T R I B U T I O N  

    O F

      S L A M P H A S E  A N G L E S ,

     

    5

    S W O L V E R I N E

     

    S T A T E

      2 

    1 3 I S T R I B U T I O N

     O F

     

    S L A M  S T R E S S ,

     

    5 . 

    5 .

     

    W O L V E R I N E STATE 

    1 4

     

    I S T R I B U T I O N  

    O F

     W H I P P I N G 

    S T R E S S ,

     

    5 .

     5 .

     

    W O L V E R I N E STATE 3 

    1 5 

    T Y P I C A L 

    D E C A Y 

    C U R V E 

    O F  W H I P P I N G

      S T R E S S  ....

      3 

    1 6 I S T O G R A M  O F  S L A M  S T R E S S  A D D I T I V E  

    T O

      W A V E  S T R E S S 5 

    1 7

     

    I S T O G R A M

     

    O F

     

    T H E

     

    R A T I O

     

    O F S L A M

     

    S T R E S S  T O W A V E

     

    B E N D I N G

     S T R E S S

     

    6

     

    1 8 I S T O G R A M 

    O F

     

    T H E

     

    R A T I O 

    O F W H I P P I N G 

    S T R E S S

     

    T O

     W A V E  B E N D I N G   S T R E S S

     

    ....

     

    6

     

    1 9 L O T

     

    O F S L A M

     

    S T R E S S   v s . W A V E  B E N D I N G  S T R E S S

     

    2 0 

    Y P I C A L

      L O N G - T E R M  

    D I S T R I B U T I O N S

     O F 

    W A V E

     B E N D I N G

     

    M O M E N T 

    F O R 

    S A G

     A N D  

    H O G

      5

     

    2 1 

    Y P I C A L 

    L O N G - T E R M

     

    D I S T R I B U T I O N 

    O F W A V E 

    B E N D I N G

     

    M O M E N T ,

      S A G A N D

     

    H O G , 

    6

     

    W I T H 

    T H E R M A L 

    S T R E S S

     

    S U P E R I M P O S E D 

    2 2

     

    O N G - T E R M  D I S T R I B U T I O N

     

    O F  B E N D I N G M O M E N T O R S T R E S S ,  W I T H  R E V E R S E D

     

    ..

     2 

    S C A L E

     

    S H O W I N G C Y C L I C L O A D I N G

     

    O R

     

    N U M B E R 

    O F

     

    C Y C L E S   O F

     

    E A C H   S T R E S S 

    L E V E L 

    I N 

    0 N £  

    S H I P

      L I F E T I M E 

    ( 1 0 8

     

    C Y C L E S ) 

    2 3 

    X A M P L E  O F A P P L I C A T I O N O F C Y C L I C

     

    L O A D I N G

     

    C U R V E S

     

    T O S T U D Y  O F

     

    F A T I G U E

     

    ( 1 2 8 ) 

    2 4 S T I M A T E D

     

    D I S T R I B U T I O N S  

    O F S T I L L - W A T E R B E N D I N G

     M O M E N T S ,

     

    4

     

    2 5

     

    A L C U L A T E D  T H E R H A L S T R E S S E S

    ,

     

    S S W O L V E R I N E S T A T E  

    8

     

    2 6 

    ONG-TEW 

    D I S T R I B U T I O N

     

    C F

      B E N D I N G

     

    M O M E N T ,

     L I G H T - L O A D

      C O N D I T I O N

      0

     

    2 7 

    O N G - T E R M

     

    D I S . 7 I B U T I 0 N

     

    O F

     

    B E N D I N G

     

    M O M E N T ,

     F U L L - L O A D  C O N D I T I O N

      0

     

    2 8 O N G - T E R M

     

    D I S T R I B U T I O N S

     

    O F

     

    C O M B I N E D  B E N D I N G  M O M E N T S :

     

    A V E  B E N D I N G ...

     

    ( V E R T I C A L  A N D  L A T E R A L )

     A N D

      S T I L L - W A T E R B E N D I N G 

    2 9

     Y C L I C 

    L O A D I N G

      S P E C T R A ,

     

    S. S.

     

    W O L V E R I N E 

    T A T E

      0 

    - v - 

  • 8/20/2019 Loads for Rational Design

    12/121

    SHIP STRUCTURE COMMITTEE 

    The

     

    SHIP

     

    STRUCTURE COMMITTEE i s constituted

     

    t o

     prosecute a

     

    research 

    program t o

     

    improve 

    the

     

    h u l l 

    structures of ships by an extention of nowledge 

    pertaining

     t o

     design,

     materials 

    and

     

    methods of

     

    fabrication.

     

    RÄDM 

    W .

     

    F .

     

    Rea,

     III,

     

    USCG, 

    Chairman

     

    Chief, Office of Merchant 

    Marine

     Safety 

    U.S.

     

    Coast

     

    Guard Headquarters 

    CAPT 

    J .

     

    E .

     Rasmussen,

     

    U^ N 

    Head,

     

    Ship Systems 

    Engineering

     

    and Design Department 

    Naval 

    Ship

     

    Engineering Center

     

    Naval Ship

     

    Systems

     

    Command 

    Mr. 

    K .

     Mori  and 

    Vice 

    President 

    American

     

    Bureau of

     

    Shipping 

    Mr. 

    E . 

    S . 

    Dillon

     

    Deputy Asst. Administrator 

    fo r 

    Operations 

    Maritime

     

    Administration

     

    CAPT

     L . L . 

    Jackson, USN

     

    Maintenance

     and Repair 

    Officer

     

    Military

     Sealift 

    Command

     

    SHIP

     

    STRUCTURE

     

    SUBCOMMITTEE

     

    The

     

    SHIP STRUCTURE SUBCOMMITTEE acts fo r the Ship Structure Committee 

    on

     

    technical

     matters 

    by providing

     

    technical coordination

     for

     he

     determination

     

    of goals

     

    and objectives of the

     

    program,

     

    and by

     

    evaluating and interpreting he 

    results 

    i n

     

    terms of

     

    ship

     structural 

    design, construction

     

    and

     

    operation.

     

    NAVAL 

    SHIP ENGINEERING 

    CENTER 

    AMERICAN BUREAU 

    OF SHIPPING 

    Mr. . .

     

    Palermo 

    -

     Chairman

     

    r .

     S . 

    Stiansen

     - Member 

    Mr.

     .

     . O'Brien -

     

    Contract 

    Administrator

     r. I . L . 

    Stern

     - 

    Member

     

    Mr. . orkin - 

    Member

     

    M r .

     .

     

    .

     P o h l

      er 

    -  

    Member

     

    U .

     

    S .

     

    COAST

     

    GUARD

     

    LCDR

      C .

     S .

     

    Loosmore

     -

     

    Secretary 

    CAPT  H . H . 

    BELL

     - 

    Member

     

    CDR J . L . 

    Coburn 

    - Member 

    CDR W . M . 

    Devlin

     - Member 

    MARITIME

     

    ADMINISTRATION

     

    Mr. . .

     

    Nachts

     

    h e

     

    i m -

     

    Member 

    M r .

     .

     

    ashnaw - Member 

    M r .

     .

     a i  liar -

     Member

     

    Mr.

     . . 

    Coombs - 

    Member 

    M r . . e i   bold

     

    Member

     

    MILITARY

     SEALIFT COMMAND 

    M r . R . .

     

    Askren - Member 

    M r .

     T .

     

    .

     Chapman - Member 

    CDR

     A .

     cPherson, USN 

    Member

     

    M r . A . . Stavovy - Member 

    NATIONAL

     ACADEMY

     OF

     

    SCIENCES

     

    Ship

     

    Research

     

    Committee

     

    M r . R . W . 

    Rumke

     - Liaison 

    Prof.

     R . A . Yagle

     -

     Liaison 

    SOCIETY OF

     

    NAVAL ARCHITECTS

     

    &  MARINE 

    ENGINEERS 

    Mr.

     

    T . M . 

    Buerman 

    -

     Liaison

     

    BRITISH

     

    NAVY

     STAFF 

    D r .

     

    V . F l

    in

    t -

     

    Liaison 

    WELDING 

    RESEARCH

     

    COUNCIL

     

    Mr. K . H .

     

    Koopman 

    -

     Liaison 

    INTERNATIONAL

     SHIP

     STRUCTURE

     CONFESS

     

    M r .

     J . Vasta 

    -

     Liaison 

    -vi- 

  • 8/20/2019 Loads for Rational Design

    13/121

    I .

     

    INTRODUCTION 

    RATIONAL

     

    DESIGN 

    For many

     

    years the goal of

     

    truly rational design of ship structures has been 

    discussed

    v

     

    and 

    a great 

    deal 

    of

     

    research

     bearing

     on

     

    this objective

     

    has

     been

     

    car-

     

    ried out.

     

    he 

    concept

     

    was

     

    describe.£, to r

     

    example, in

     an 

    early

     

    planning

     document 

    of the Ship Structure Committee (1) 

    and

     since the establishment 

    of

     the Inter- 

    national Ship Structures Congress

     

    (I.S.S.C.)

     in 1961

     

    it

     

    has

     been

     

    regularly dis- 

    cussed

     

    on

     

    a

     

    worldwide

     

    basis

     

    by

     

    Comm-'ttee

     

    No .

     

    10,

     

    Design

     

    Philosophy.

     

    lthough

     

    this

     

    report 

    is

     

    intended

     only 

    tc

     

    indicate

     

    progress

     

    to

     

    date, it is

     hoped that 

    it will

     

    assist

     

    in

     the advance 

    toward the

     ultimate

     

    achievement 

    of

     rational design

     

    of the 

    main

     

    hull girder. 

    The concept 

    of

     rational design

     involves

     the complete determination of all loads 

    o r ;

     

    the

     

    basis

     

    of 

    scientific

     rather 

    than empirical

     procedures,

     

    in

     

    order

     that

     uncertain-

     

    ties may be 

    reduced

     to 

    a

     minimum. 

    his approach

     

    carries

     with it

     the 

    idea that 

    the 

    response

     

    of the

     

    stru:ture can

     

    also

     be

     

    accurately

     determined and

     that

     

    arbitrary

     

    large factors of safety, 

    or

     "factors of ignorance," can be 

    avoided.

      The concept is 

    consistent with

     

    the

     modern 

    approach

     to

     structural

     

    design

     

    that

     considers

     the "de- 

    mand" 

    upon 

    and "capability" of the 

    structure.

      In short, 

    instead 

    of insuring 

    that

     

    a simple calculated design stress is below the ultimate strength of 

    the

     material by 

    an 

    arbitrary

     factor

     

    of safety,

     

    an

     attempt

     

    is

     

    made

     

    to 

    determine 

    the

     

    demand of all

     

    loads

     

    acting

     

    on

     

    the

     

    structure

     

    and

     

    then

     

    the

     

    capability

     

    in

     

    terms

     

    of

     

    load-carrying

     

    ability — the load the structure can

     withstand

     without failure.  Of course, this 

    approach 

    requires

     a definition of failure, which may be a serious

     

    buckle, a major 

    crack, 

    complete

     

    collapse,

     or

     a tensile

     

    failure

     (Chapter

     II).

      The

     concept

     of 

    ration-

     

    al design 

    of

     a ship

     

    hull

     

    is

     believed

     

    to

     

    be consistent with a probabilistic

     

    approach, 

    which has already been found t o be essential fo r

     

    dealing

     

    with random seaway load- 

    ings.  Both demand 

    and

     capability can be

     

    expressed 

    in

     terms 

    of 

    probabilities,

     and a

     

    satisfactory design is then

     

    one in which the

     

    probability of failure is reduced to 

    an acceptably lo w value.  The problem 

    of

     

    determining

     local loads or 

    stresses

     

    fo:

     

    detailed structural design is much more complex

     and 

    is 

    no t 

    discussed

     

    here. 

    This particular report deals only

     

    with the demand

     

    —or

     

    loading —

    on 

    the

     

    hull 

    girder, bu t 

    an 

    attempt

     

    has

     

    been made tc 

    formulate

     

    it

     

    in 

    a

     

    manner that 

    is

     consistent 

    with

     the above approach.

      In

     

    due

     course, 

    with

     

    the

     cooperation of the ship

     structural

     

    designer,

     

    it

     

    is

     

    anticipated

     

    that

     

    a

     

    rational

     

    design

     

    procedure

     

    will

     

    evolve

     

    (2).

     

    ^Numbers 

    in

     parentheses refer 

    to

     

    References 

    listed

     at the 

    end

     

    of

     

    this

     report. 

  • 8/20/2019 Loads for Rational Design

    14/121

    » 2 - 

    It is

     no t

     intended

     

    to minimize

     

    the importance

     

    of

     

    the

     

    conventional

     

    empirical

     

    approach to ship structural design 

    which

     has served the

     

    designer,

     builder

     

    and

     

    operator

     

    well 

    through

     

    the

     

    years. ut there is

     currently

     

    a

     

    substantial

     need fo r

     

    a fully rational 

    approach because 

    of such

     ne w

     

    maritime

     

    developments 

    as

     larger 

    ships,

     

    faster

     

    ships,

     

    unusual

     

    hull

     

    configurations

     

    (such

     

    as

     

    the

     

    catamaran),

     

    an d

     

    ne w

     

    materials.

     

    omplete and comprehensive

     load

     criteria

     can 

    facilitate the

     

    extrapola- 

    tion

     

    of ship design into

     

    new

     

    configurations, using

     

    new concepts 

    and

     materials. 

    LON

    G-RANGE PATTERN OF LOAD

     

    VARIATION 

    It 

    may 

    be 

    useful

     at this 

    point

     to

     

    describe 

    the

     

    typical

     long-range pattern 

    of

     

    load

     variations 

    on

     typi. 

    .

     merchant ships as background fo r

     the

     detailed discussion 

    of

     

    the various types of xoads in subsequent

     

    chapters.

     

    For

     

    completeness,

     

    we

     

    should

     

    perhaps

     

    begin with

     

    the

     

    construction

     

    of

     

    the

     

    ship

     

    on

     

    the 

    building 

    berth.

     trictly speaking the

     

    only 

    loads

     present ar e

     

    those

     

    induced by 

    the weight of the

     

    structure 

    itself.

     

    owever,

     

    there 

    are

     residual

     

    stresses 

    in

     the 

    plating and locked-in

     

    stresses due to welding, often of 

    considerable

     

    magnitude

     an d

     

    sometimes sufficient 

    to

     

    lift 

    the bo w and/or stern 

    off th e

     keel blocks. he locked- 

    in

     

    stresses are

     

    of

     particular concern where

     they 

    may

     

    exist in combination 

    with

     other 

    stresses 

    at

     a weld defect 

    or 

    notch and under certain conditions could help to pro- 

    duce a

     

    brittle 

    fracture.

     o r other 

    types

     

    of

     failure it seems

     

    reasonable

     to 

    consider 

    them

     

    to 

    be of 

    minor

     significance to longitudinal strength, since they tend

     

    to be 

    eliminated 

    by 

    "shakedown" or adjustment 

    in

     

    service.

     

    ha t

     is,

     an

     occasional high 

    longitudinal wave bending

     load 

    —in combination 

    with 

    other loads

     

    may

     be expected 

    to cause

     

    local

     

    yielding in

     

    an y

     

    of

     

    the high residual stress region. 

    po n

     

    determina- 

    tion of this high wave 

    load

     the structure will tend to return to

     

    a

     

    condition 

    of

     re - 

    duced

     residual stress. 

    During launching

     

    a high longitudinal bending moment may 

    occur,

     but this is 

    usually calculated

     and

     allowed fo r by 

    the

     

    shipyard. uring

     

    outfitting a con-

     

    tinual change

     

    of still 

    water 

    shear

     

    and

     bending moment 

    can 

    be expected 

    as

     vari- 

    o us items

     of 

    machinery

     and outfit are 

    added.

     he 

    longitudinal

     still water

     bend- 

    ing

     moment

     on

     the

     ship can

     

    always be calculated,

     

    but

     

    the 

    midship 

    stress

     will 

    probably no t correspond

     

    exactly 

    to

     

    this

     calculated value because

     of 

    possible

    built-

     

    in 

    ho g

     or

     

    sa g residual stresses, and

     

    departures 

    of

     the

     

    hull behavior from

     

    simple 

    homogeneous beam

     theory. 

    In short,

     

    the ship

     is

     

    never in a simple

     

    no-load condition

     

    no r even 

    in 

    condition where 

    the

     absolute value 

    of even the 

    longitudinal

     'bending

     

    moment is exactly 

    known.

     uc h

     

    built-in

     bending moment 

    will

     no t be considered in 

    this

     

    report

     

    since it

     

    is

     

    believed

     

    that

     

    changes in 

    load

     

    while

     

    th e

     

    ship is in

     service 

    are 

    of

     primary significance.

     

    In

     

    general the still 

    water

    hull loadings vary quite slowly.

     hen

     a ship is in

     

    port

     there are gradual changes in 

    the

     

    bending

     moments, shears, an d perhaps

     

    th e

     tor-

     

    sional

     

    moments

     as

     cargo

     is

     discharged

     

    and loaded, fuel oil

     

    and stores ar e tc?ken

     

    aboard, etc. 

    uring

     the voyage there

     

    are even more

     

    gradual changes in

     mean 

    loadings

     

    as

     

    fuel

     

    is

     consumed, and ballast is added or shifted. ypical

     

    changes

     

    of this kind

     

    are shown in Figs.

     

    1 and 2(3). inally, at the end of voyage changes resulting

     

    from

     

    cargo 

    discharging 

    and loading, plus 

    possible

     fuel

     

    oil and ballast rhanges, will

     

    again

     modify 

    the

     bending 

    moments,

     shearing 

    forces and

     torsional 

    moments. he 

    lead- 

    ing changes in

     

    port may

     

    be

     considerable and

     

    depend

     

    on

     

    the

     

    nature and

     

    quantities of 

    cargo carried on various

     

    legs

     

    of the

     

    voyage. hese changes do

     

    no t show up in Figs.

     

    1 and

     

    2 because

     

    the recording

     

    equipment zero 

    was

     

    customarily

     

    readjusted at

     

    every 

    mm t̂Knm Hm imim

    imA^^

     

  • 8/20/2019 Loads for Rational Design

    15/121

    -3- 

    -T—I—r

     

    e  

    in

     

    a ;  

    S_ 

    + ->  

    00 

    CD 

    T3 

    C

    OJ  

    03 

    CJ  

    -i-J

     

    C D  

    a

    o

     

    o  

    T (V) 

    i.

     •— -

     

    03  

    CD

     T- 

    03

     

    r-

     

    O

      C

    >

     

    O

    O

    fO

     

    O

     

    T3 

    CL

     

    >>

     

    O

    LÜ 

    ID

     

    CD  

  • 8/20/2019 Loads for Rational Design

    16/121

    -4- 

    (ISdX) SMrtlS  

    C O  

    i/1

     

    QJ  

    XT - 

    C

    QJ  

    u  

    QJ  

    in 

    QJ  

    en 

    ro

     

    > ^  

    ra

     

    u

    a.

     

    >i 

    a:

     

    CD  

    i— 

    U_

     

  • 8/20/2019 Loads for Rational Design

    17/121

    - 5 - 

    port visit. s explained in an SSC report, "This capability is necessary 

    to

     pre-

     

    vent the 

    dynamic

     stress

     

    range

     

    from exceeding

     

    the limits of the instrumentation 

    system" (4). 

    When

     

    the

     ship

     gets

     under

     w ay 

    to go to

     sea, the 

    first

     

    new

     

    hull

     

    loading to

     

    be 

    experienced 

    especially

     

    if the ship

     is

     

    a high-speed

     

    vessel

     

    is

     the sagging 

    bending moment induced by 

    the

     

    ship's

     own

     

    wave

     train.

     hi s longitudinal

     

    bending 

    moment is

     

    a functi- 

    a

     of ship

     

    speed, an d will be

     

    superimposed with little

     

    change 

    onto other bending moments (5). 

    Another load variation results

     

    from 

    diurnal

     changes in ai r temperature^and in

     

    raaiant 

    heating

     

    from

     the sun.

     he

     

    effect

     

    is 

    clearly shown in Figs. 1 an d 

    2

     

    Such thermal stresses can

     be

     

    explained

     on

     

    the 

    basis

     of

     

    irregular or uneven thermal

     

    gradients, which can

     

    perhaps be 

    considered

     as

     

    the

     

    "loads." n general, if a beam

     

    is

     

    subject to

     

    heating

     that 

    produces 

    a uniform thermal

     

    gradient from to p 

    to

     

    bottom 

    It

     will

     

    deflect an d there will

     

    be

     

    no resulting

     

    stresses. ut, if 

    the

     gradient

     

    is 

    no t 

    uniform, stresses will be induced.

     

    In 

    th e 

    case of a floating 

    ship,

     the temper- 

    ature 

    of 

    all the

     

    steel

     

    in contact 

    with

     

    the

     

    water

     will

     

    be

     at

     

    the nearly 

    uniform

     

    water

     temperature, 

    and

     

    there

     

    will

     

    be

     

    very

     

    little

     

    change

     

    from

     

    day

     

    to

     

    night.

     

    ut

     

    the portion of 

    the

     hull above water will usually be at a different temperature 

    that

     

    changes

     continually 

    and

     

    depends

     on

     

    both the air

     

    temperature

     and

     the

     

    amount of su n 

    radiation

     (extent

     of 

    cloudiness,

     duration

     

    of

     

    sunlight, 

    altitude

     

    of

     su n

     

    at

     

    noon).  

    In

     

    respect 

    to 

    the 

    latter

     

    factor, the color of the deck

     

    is 

    important

     also. here is 

    usually

     a

     

    marked

     

    change

     in stress in the 

    vicinity 

    of

     

    the 

    waterline.

     

    especially

     on

     

    the

     sunny side 

    of

     the ship, 

    but

     from the

     point

     of 

    view

     of 

    longitudinal

     

    strength

     the

     

    temperature

     

    change 

    of

     the

     

    weather

     

    deck

     —in 

    relation to 

    the

     underwater

     

    hull tempera- 

    ture —is

     significant.  

    Another 

    large 

    load at se a is 

    that

     

    induced

     by 

    the 

    encountered waves

     (Fig.

     

    3) .

     

    This load usually varies in 

    an 

    irregular

     

    fashion

     

    with an average period

     of 

    5-10 

    seconds, depending 

    on

     the ship. ot only 

    is

     there irregularity

     

    in 

    wave-induced

     

    loads

     

    from

     

    one 

    cycle 

    to

     

    the next, but there

     

    is

     a

     

    pronounced

     variation in 

    average 

    level

     

    with

     

    ship

     

    heading

     

    and

     

    with

     

    weather

     

    changes

     

    during

     

    a

     

    voyage

     

    an d

     

    from

     

    one

     

    season

     

    to 

    another.

     

    he

     irregularity

     

    of 

    these 

    loads is,

     

    of

     

    course, 

    due

     to

     

    the irregularity 

    of the waves at 

    sea.

     

    owever, the

     baffling irregularity 

    of 

    ocean

     

    waves

     ha s 

    yielded 

    to

     

    modern analytical 

    techniques.

     hi s

     

    was explained by Dr.

     

    Norbert Wiener, who  

    developed

     

    the

     

    necessary

     

    statistical techniques fo r

     another purpose.

     

    How 

    could one bring 

    to

     

    a

     mathematical

     

    regularity th e study of

     

    the mass of ever shifting ripples and 

    wsves

     

    ..,.?," he wrote ( 6 ) .

      " At

     one time ehe waves

     

    ran 

    high,

     flecked 

    with

     

    patches

     

    of 

    foam,

     

    whils at another, they were barely noticeable ripples  What descrip-

     

    tive 

    language

     could I us e that would portray 

    these

     clearly visible facts without in-

     

    volving

     me in the inextricable complexity of a 

    complete

     description of

     

    th e 

    water 

    surface,  i ' h i s

     

    problem of the

     

    waves

     was

     

    clearly

     one

     

    fo r 

    averaging

     and 

    statistics

      .

    In

     

    time Wieaer 

    evolved

     his mathematical tcol, 

    spectrum

     analysis

     

    --a

     means

     of 

    break- 

    ing 

    down 

    complex 

    patteins

     

    into

     

    a

     large 

    number 

    of measurable components.

     

    In

     

    recent

     

    years

     

    wave-induced

     

    bending

     

    moments

     

    have

     

    been

     

    extensively

     

    studied,

     

    so

     

    that 

    a

     

    good statistical picture 

    is

     

    beginning to emerge. esearch over 

    number 

    of

     

    years ( 4 ) ( 7 ) has

     

    provided

     

    a bank of

     

    statistical

     

    stress data on 

    four

     

    cargo

     ships 

    in 

    several

     services.

     sing

     

    so m

     f

     

    these, data 

    it

     has 

    been

     found (8) that

     

    two dif-

     

    ferent mathematical 

    models

     

    can

     b t used 

    to

     extrapolate such results to much 

    longer

     

    *

     

    Gages

     

    were temperature

     

    compensated. 

  • 8/20/2019 Loads for Rational Design

    18/121

    - 6 - 

    F i a u r e 

    l y p i c a l 

    R e c o r d

      o f

     

    Midship  V e r t i c a l 

    B e n d i n g  S t r e s s  w i t h S l a m m i n g , 

    M . - V . FOTW L.

     

    term

     

    probabilities. urthermore, it

     

    has been shown

     that 

    using 

    the

     same mathemati- 

    cal

     

    models 

    combined with model tests in regular waves and ocean

     

    w ve

     

    spectra —

    short-term

     

    ( 9 ) and

     

    long-term trends (10)

     

    can

     

    be predicted

     

    with 

    a

     precision

     

    that 

    depends

     

    only on the reliability- 

    of 

    the data. t the same

     

    time, computer programs 

    have 

    been developed

     

    fo r applying ship

     motion

     theory

     to

     the 

    calculation

     

    of

     loads 

    in

     

    regular

     waves 

    as

     a substitute fo r model tests. 

    Finally, o 

    of which result 

    that follows

     

    it 

    difficult

     

    to

     

    de

     

    mentioned 

    loads

     

    (13) 

    have been 

    bu t no t 

    solved

     

    other

     sources

     o 

    ceaugoing

     

    ships experience dynamic loads, th e 

    most 

    troublesome 

    from impact

     (slamming)

     

    and the

     

    vibratorv 

    response

     (whipping) 

    (Fig. 3) .  In

     

    general these loads

     are

     

    transient

     

    and

     therefore are 

    al

     

    with

     

    statistically.

     

    he y

     

    are

     

    superimposed

     

    on

     

    the

     

    previously

     

    Both full-scale 

    measurements 

    (11)

     and

     theoretical studies (12) 

    carried 

    out 

    o n slamming and whipping,

     and

     

    these 

    have clarified 

    the problem.

      Shipping of water

     

    on

     

    deck

     

    and 

    flare

     immersion are 

    transient

     

    dynamic

     

    loading.

     

    Recent

     attention has been focused on another 

    dynamic

     phenomenon, springing, 

    which under 

    certain

     

    conditions 

    seems

     

    to be excited more-or-less continuously 

    in

     

    flexible-hulled

     ships, 

    without the need fo r 

    wave

     

    impact. 

    Considerable

     progress

     

    has been 

    made

     toward solution by 

    means 

    of theoretical

     

    and experimental 

    studies

     

    (14). 

    All of the

     above 

    loads will 

    be

     discussed in

     detail

     

    in

     

    subsequent

     

    chapters. 

    HULL LOAD CRITERIA 

    In

     

    general

     

    treatises

     on structural design 

    (15)

     tw o types 

    of

     loading ar e usually 

    distinguished:

      controllable an d

     

    uncontrollable.  

    In

     

    the

     

    first

     case

     

    one 

    can

     

    speci-

     

    fy design

     

    loads 

    with

     instructions

     

    to 

    insure

     

    that

     these are never exceeded. n ex - 

    ample is a highway

     

    bridge designed 

    on

     the basis of a posted load limit. 

    In

     the 

    second

     case, usually involving natural forces, one must

     

    make a statistical analy- 

    sis and

     

    endeavor to

     

    design on the basis of the expected loads, with

     

    no limitation 

    on

     the 

    structure 

    or 

    its

     

    operation.

     

  • 8/20/2019 Loads for Rational Design

    19/121

    - 7 -

     

    In the design of ships,

     

    still 

    water

     loads are generally 

    controllable

     and

     wave 

    loads

     

    are not. 

    If

     

    calculations

     

    of

     

    typical

     

    conditions of loading

     

    indicate

     that ex -

     

    cessive

     still water

     

    bending

     moments might occur, specific 

    operating

     instructions

     

    may 

    be

     issued

     

    to make 

    sure

     

    that 

    certain

     limits ar e no t exceeded. he 

    possibility 

    has 

    been 

    discussed of 

    specifying limiting wave bending

     loads,

     as

     

    well 

    somewhat 

    in

     

    the

     

    same

     

    manner

     

    that

     

    wing

     

    loads

     

    on

     

    an

     

    aircraft

     

    are

     

    limited

     

    by

     

    requiring

     

    certain

     

    performance restrictions.  Such a limit on wave loads 

    fo r ships

     could only be ap -

     

    plied

     if

     

    special

     

    instrumentation

     

    were 

    available 

    to advise

     the

     officer

     

    on watch when 

    and

     if the 

    limiting

     bending 

    moment

     

    is

     

    reached, since

     

    there

     

    is

     no

     

    wa y fo r 

    him

     to

     

    judge this loading unaided.  Furthermore, he must have

     

    guidance information

     

    at

     hand

     

    that

     

    will enable 

    him

     

    to

     

    take

     steps 

    to

     reduce

     

    the 

    bending

     

    moment if

     it should ap -

     

    proach the

     

    safe

     

    limit. 

    Dynamic

     

    loads

     

    are partially controllable, 

    since 

    the 

    vibratory spon.*«

     of the

     

    hull girder ca n be

     

    felt by 

    the

     Master

     

    on 

    the

     

    bridge. y a

     

    change in ship speed

     

    and/or course 

    he ca n reduce

     

    the magnitude

     of the

     

    exciting forces and thus

     

    in-

     

    directly

     

    reduce the loads

     to

     

    levels 

    that he has found

     

    by 

    experience

     

    to

     be

     

    acceptable,

     

    In

     

    this

     

    report a compromise

     approach

     ha s 

    been 

    adopted

     

    regarding statistical 

    dynamic wave loads. n effort

     

    is 

    made to determine 

    all 

    the loads

     

    acting on the

     

    ship's hull to

     

    provide load 

    cri

     eria from wnich a satisfactory but economical

     

    structural 

    design 

    can

     

    be developed.

     

    owever, 

    to

     

    guard

     against

     the

     

    possibility

     of

     

    some unforeseen 

    extreme

     load condition, it is recommended that suitable

     

    stress

     

    in-

     

    strumentation be provided 

    as

     

    a warning device

     

    fo r added safety 

    (16)

      .

     

    A great

     

    deal of 

    research

     ha s

     been 

    done

     

    in

     

    recent

     

    years

     on the 

    ship

     hull

     load- 

    ings mentioned in 

    the previous section,

     

    much of

     it

     

    in

     

    the

     Ship 

    Structure Committee 

    (SSC)

     

    program. esearch under other

     

    sponsorship 

    has 

    also

     

    contributed

     

    to

     an 

    under- 

    standing of hull loads,

     

    including 

    particularly 

    that supported

     directly by the U.S. 

    Navy, the Society of Naval Architects and Marine 

    Engineers

     and

     

    th e American Bureau

     

    of

     

    Shipping

     

    in this country, 

    and

     by various organizations in

     

    Great

     

    Britain,

     

    Nor-

     

    way, the 

    Netherlands,

     and 

    Japan,

     

    as

     reported to the 

    International 

    Ship Structures

     

    Congress

     (I.S.S.C).

     

    A

     

    partial

     

    bibliography

     

    is

     

    given

     

    at

     the

     

    end

     

    of

     

    this

     

    report

     

    (Appendix 

    A) .

     

    Some typical loads have received

     more

     

    attention

     than others, however,

     

    leaving

     

    gaps 

    in

     

    the

     overall picture. 

    t is 

    the purpose 

    of

     this 

    report

     to 

    present

     a compre-

     

    hensive and reasonably complete picture 

    of

     the

     

    hull loads and 

    hence

     load criteria

     

    fo r

     

    ship

     design,

     

    with particular emphasis 

    on

     

    dr y

     cargo ships. ence, considera-

     

    tion 

    will

     be 

    given

     

    in 

    the 

    next

     chapter to identifying

     

    the

     

    critical

     

    loads

     

    of

     inte- 

    rest to the

     

    ship structural

     

    designer.

      In

     succeeding

     

    chapters 

    each

     of the

     

    various

     

    loads will be 

    discussed

     

    in turn, and consideration of typical magnitudes

     and

     of

     

    pro-

     

    cedures

     fo r detailed calculations

     will

     

    * - .

     included.  Finally the piobiems

     of

     

    combin- 

    ing these loads fo r 

    hull

     

    girder design

     purposes will be taken up .

     here

     important

     

    j ? ; a p s in

     o ur

     knowledge

     

    appear, they 

    will 

    be

     

    identified and recommendations 

    made fo r

     

    lurcher 

    research. numerical

     example fo r the S.S. 

    Wolverine State

     

    will

     be pre-

     

    sented

     

    .

     

    A number of attempts have 

    been

     made to consider ho w the 

    available material

     on

     

    loads

     ca n

     be combined and applied to the rational design of

     

    ships.

     

    Of these,

     

    particular mention

     might

     

    be made of the 

    work

     

    of

     

    Caldwell 

    (17), Aertssen (18),

     

    Abrahamsen,

     

    Nordenstr^m,

     and R^ren

     

    (19 ),

     and

     of 

    Committee

     

    10

     of the I.S.S.C. (20).

     

  • 8/20/2019 Loads for Rational Design

    20/121

    II. RITICAL LOADS 

    INTRODUCTION 

    Before discussing hull loads

     

    in detail

     it

     is

     

    necessary to consider the dif- 

    ferent

     ways that th e structure 

    ca n 

    suffer

     

    damage 

    or

     fail. he 

    object

     is to 

    in -

     

    vestigate structural aspects o f th e problem only to th e

     

    extent

     necessary to be 

    sure that

     

    all 

    of the

     necessary information

     on loading

     —or demand 

    will be made 

    available

     

    to the structural

     designer.

     

    n

     short,

     we must ask, what 

    ar e 

    th e criti- 

    cal

     

    loads

     

    and how do 

    they

     

    combine?

     eanwhile,

     

    it is hoped that work

     will 

    continue 

    toward developing

     a 

    completely 

    rational

     approach 

    to

     ship structura

    1

     analysis and 

    determination

     

    of

     th e

     

    capability of the structure.  

    Discussion

     

    of

     critical

     loads 

    can 

    be facilitated 

    by defining

     structural failure. 

    Caldwell (17) considers 

    ultimate

     failure 

    as

     the 

    complete

     collapse by 

    buckling

     

    of

     

    the

     

    compression

     

    flange

     

    and

     

    simultaneous

     

    tensile

     

    failure

     

    of

     

    the

     

    tension

     

    flange.

     

    o w-

     

    ever, 

    it

     is 

    clear

     that a considerably less severe

     

    damage 

    would

     be a serious matter, 

    as indicated

     

    by such

     

    factors 

    as

     necessity fo r major repairs, interference

     

    with rior- 

    mal ship

     

    operation and

     

    non-watertightedness.

     

    s pointed 

    out 

    by

     

    C. S . 

    Smith

     in

     

    dis- 

    cussion of (17), In designing

     

    a midship 

    section, 

    th e

     

    designer

     

    should consider the 

    various

     levels

     

    of

     

    damage which a hull girder may experience 

    between th e

     limits

     

    of 

    initial

     yield

     

    and final 

    collapse,

     and

     

    should attempt 

    to

     relate

     

    each level

     of damage 

    to

     

    an

     applied bending moment."  

    Hence, 

    fo r our purpose we may define 

    damage

     

    as

     

    a structural occurrence

     

    that 

    interferes with 

    th e 

    operation of th e ship to

     

    th e extent

     that

     withdrawal

     

    from service 

    fo r

     repair

     is 

    required. 

    ailure

     

    is 

    then

     a 

    severe

     damage 

    that

     endangers the safety 

    of 

    the

     ship.* 

    Further

     

    study

     

    of

     

    the

     

    subject

     

    of

     

    critical

     

    loads

     

    during

     

    this

     

    project

     

    has

     

    re-

     

    sulted 

    in

     

    no 

    basic improvement 

    in 

    Gerard's 

    analysis of

     

    specific 

    ways

     in 

    which 

    tu e

     

    hull girder

     

    could f il, as given

     

    in "A 

    Long-Range

     Research 

    Program

     

    in

     

    Ship

     Structural 

    Design" (1),  e considered overall damage by compressive buckling, overall ten- 

    sile

     yielding, 

    low-cycle fatigue cracking

     and 

    brittle fracture.

     

    o

     

    these should be 

    added 

    combined normal

     

    and

     shear 

    stress

     buckling, an d

     

    it is possible to

     

    elaborate 

    somewhat 

    on

     hi s scheme

     and 

    in certain respects

     to

     obtain more definite statements.  

    Th e

     types

     

    of

     damage

     that 

    should 

    be considered then in

     

    connection

    with

     critical 

    loads

     

    might consist of

     

    an y 

    of

     

    the

     following: 

    Damage

     

    •Excessive

     

    hull

     

    deflection associated with buckling

     and/or permanent

     

    set. 

    •Fatigue

     

    cracking.

     

    •Brittle

     fracture,

     

    minor

     

    or

     extensive.

     

    •Shear or

     

    torsional buckling.  

    Failure

     

    •Collapse and/or fracture 

    of

     

    the

     

    hull

     giraer. 

    This

     is

     sometimes referred

     

    to

     

    as

     "collapse" (20), but we

     

    feel 

    that

     this 

    term 

    connotes buckling

     

    failure to

     the

     exclusion

     of 

    tensile

     failure or 

    perma- 

    nent

     

    set

     and 

    therefore 

    prefer "failure." 

    t tum am

     

    i n i iM i  üir- 

  • 8/20/2019 Loads for Rational Design

    21/121

    -9- 

    Although

     only

     the last

     

    is considered to

     

    be structural failure,

     

    all of 

    these types

     of

     damage ar e

     

    important

     fo r a longitudinal strength criterion. lari- 

    fying

     

    the 

    nature 

    of these

     potential

     damages will 

    assist

     us

     in 

    providing the

     

    neces-

     

    sary information on loads. 

    Ine magnitude

     of 

    elastic hull

     

    deflection

     

    is

     

    usually considered in the design 

    criteria

     of classification societies,

     

    and it will also

     be 

    discussed in this chap- 

    ter.

     

    Finally,

     

    consideration should

     

    be given

     

    to other minor effects, such as the 

    forces generated

     by 

    rudders and

     

    anti-rolling

     fins.

     nd

     

    other

     

    types 

    of 

    service 

    loading, such as berthing, drydocking, 

    and

     grounding, which may have direct

     

    effects 

    or ,

     

    primary hull

     girder 

    structure,

     cannot 

    be

     

    overlooked. 

    ocal 

    damage

     to structure

     

    that

     is no t

     

    part

     

    of 

    the

     

    main

     hull

     

    girder

     

    is

     

    excluded 

    from

     consideiation. 

    An important consideration

     in

     structural design

     

    is corrosion. owever, since 

    this

     is 

    ne t

     

    a

     

    load 

    it

     

    will 

    no t

     be 

    considered

     in this

     report. 

    PERMANENT

     

    SET

     

    AN D 

    ULTIMATE 

    FAILURE

     

    We 

    may

     

    first

     consider 

    overall

     static 

    damage

     to one of the 

    "flanges"

     (deck or

     

    bottom)

     in either compression or

     tension,

     i.e., 

    buckling

     or elasto-plastic yield-

     

    ing.

     he

     effect 

    of lateral as well

     

    as

     

    vertical longitudinal 

    bending and 

    torsion 

    must

     be 

    included

     here.

     

    onsideration 

    must

     be 

    given

     to 

    the 

    combined effect of 

    still water

     

    bending, wave bending and

     

    thermal 

    loads.  In

     addition, a

     

    basic

     

    ques- 

    tion is whether or no t

     

    the superimposed dynamic

     

    effects of

     

    high

     frequency

     "whipping"  

    following

     

    a

     

    slam

     

    and/or

     

    flare

     

    entry

     

    should

     

    be

     

    considered,

     

    as

     

    well

     

    as

     

    the

     

    effect

     

    of wave impacts

     

    on the

     side

     of

     

    the

     

    ship 

    and 

    continuously

     

    excited

     

    springing. t

     

    is 

    quite

     

    possible that the short duration 

    of 

    dynamic bending moments 

    and

     

    stresses —

    1"mits the

     

    amount of

     

    permanent

     set or buckling

     

    that they

     

    ca n produce. s noted by 

    Spinelli,  "It

     

    should 

    be

     

    borne 

    in

     

    mind that the short time

     

    in which

     

    the

     

    wave

     mom- 

    ents

     

    due

     to slamming develop

     

    their

     

    maximum

     

    values, and the

     

    entity of the total

     

    de- 

    flection that

     

    would be consequent on them,

     make 

    the probability of its realization

     

    extremely 

    scarce"

     

    (21).

     

    And

     

    in referring to

     

    plastic deformation, 

    Nibbering states,  " In 

    practice

     

    these 

    deflections

     

    will no t

     

    develop 

    the

     very first 

    time

     an extreme load

     

    of 

    the

     required 

    magnitude occurs. 

    Th e

     time 

    during 

    which the

     

    load

     is

     maximum

     is 

    to o 

    short,

     

    especi- 

    ally

     when

     

    a

     

    part

     

    of

     

    the 

    load is 

    due

     

    to

     

    slamming" 

    (22). 

    hi s

     is

     a

     

    problem in

     

    struc- 

    tural

     

    mechanics no t within the scope

     

    of this project, and

     

    therefore 

    we

     shall 

    attempt

     

    merely

     

    to identify and 

    evaluate

     

    dynamic

     as 

    well 

    as static

     

    loads. 

    Finally,

     

    local loads (not due

     to

     

    longitudinal

     bending) on

     

    which all of

     

    the

     

    above

     

    are superimposed must no t be 

    overlooked.

     hese include deck loads,

     

    cargo 

    loads on 

    innerbottom,

     liquid pressures within tanks,

     

    and external water pressures.  

    Although there seems to

     

    be

     general

     agreement on 

    the

     importance 

    of 

    ultimate 

    strength,

     

    involving extensive

     

    plastic yielding

     

    and/or buckling,

     

    there seems to

     

    be 

    some

     

    doubt

     

    as 

    to

     how 

    to

     deal with it in design.

     

    From the 

    point

     of view

     

    of the 

    present study,

     

    however,

     definite conclusions ca n be

     

    drawn

     

    regarding 

    the

     load in- 

    formation 

    needed fo r 

    designing

     

    against

     

    potential damage of 

    this 

    type. 

  • 8/20/2019 Loads for Rational Design

    22/121

    -10-

     

    FATIGUE

     

    Second is

     

    the possibility of fatigue

     

    cracking, which

     

    seldom constitutes fail- 

    ur e

     

    but

     

    is

     important fo r

     

    two reasons: 

    atigue

     cracks ca n grow to the point that

     

    they

     must be repaired,

     and fatigue 

    cracks 

    ar e

     

    notches that under certain circum-

     

    stances 

    ca n

     trigger rapid propagation

     

    as brittle fracture. ibbering notes,  "It 

    is 

    a

     favorable 

    circumstance

     that fatigue cracks propagate very

     

    slowly 

    in

     

    ships'

     

    structures'*

     

    (22)   . 

    The possibility

     

    of 

    fatigue

     

    cracking

     is 

    increased 

    by

     

    the 

    presence

     of stress 

    concentrations —as 

    fo r

     example, 

    at

     

    hatch

     

    corners 

    (23)   (24),

     and it involves con- 

    sideration

     of 

    the 

    magnitude

     of

     still water

     bending 

    —i.e., th e

     shift of mean 

    value —as 

    well

     as the range of variation of wave bending 

    moments.

     or example, 

    a

     ship

     

    may operate with a large still water sagging moment (loaded) on 

    its

     

    outward 

    voyage 

    and with a

     

    large

     

    still

     

    water

     

    hogging 

    moment

     

    (ballast) on 

    its 

    return, 

    and 

    such a

     

    large

     

    variation in 

    mean

     value

     

    needs to

     

    be

     considered

     

    in

     relation to 

    fatigue.

     

    As before, 

    consideration of

     lateral 

    as 

    well 

    as

     vertical 

    bending

     must

     

    also be given,

     

    Dynamic loads

     and vibratory 

    stresses

     may 

    be

     expected to 

    contribute to 

    the 

    fatigue

     

    loading.

     

    It appears 

    that

     the

     

    fatigue loading histories 

    of

     actual 

    ships

     show 

    considera- 

    bl e variety. ence, 

    the

     objective fo r 

    this

     study is felt

     

    to

     be

     

    simply

     t : > obtain 

    clear

     

    statistical

     

    or

     

    probabiliscic

     

    pictures

     

    of

     

    each

     

    of

     

    the

     

    types

     

    of

     

    loading

     

    in-

     

    volved 

    :

     

    1 )

     robability

     density

     of 

    mean

     

    still water 

    bending 

    moments,

     which 

    tenta-

     

    tively

     and

     

    approximately

     

    appears 

    to

     be two

     

    normal curves, one

     

    representing 

    outbound

     and

     the other

     

    inbound

     

    conditions.

     

    2 ) ong-terra cumulative distribution 

    of

     wave-induced bending 

    moment,

     which 

    together

     

    with 1) can

     

    be

     

    interpreted 

    as

     a 

    low-frequency

     loading 

    "spectrum." 

    3 )

     

    robability

     

    density of high-frequency bending moments 

    associated

     with 

    dynamic

     

    loads

     

    (slamming,

     

    whipping

     

    a n < ^

     

    springing).

     

    he

     

    combination

     

    of

     

    these

     

    effects with low-frequency

     loads

     is a difficult problem, as

     

    discussed in 

    later chapters. 

    4)

     

    hermal

     

    stress conditions, 

    which

     cause a diurnal change

     in

     stress level.

     

    At

     first

     

    glance

     

    it appears to be 

    hopeless task to

     

    collect 

    all

     

    the

     

    necessary 

    statistical

     

    data on 

    the

     various loads fo r

     

    ships

     of

     

    different

     types

     and

     

    to develop 

    ways

     of 

    combining

     them that 

    are

     

    no t 

    only

     

    sound 

    by 

    probability theory standards, 

    but are

     

    meaningful

     

    from

     

    the 

    viewpoint of the mechanics of fatigue and

     

    of

     the 

    properties

     

    of

     

    the

     

    materials

     

    used.

     

    short-cut

     

    answer,

     

    as

     

    proposed

     

    by

     

    Gerard

     ( 1 )

     

    would 

    be 

    simply 

    to 

    design to avoid overall combined 

    loads as

     

    listed above

     that

     

    ex -

     

    ceed

     the 

    yield

     point of the material

     

    anywhere In

     

    the structure,

     including

     areas 

    of

     stress concentration.

     

    esign of the structure

     

    on this basis would virtually 

    in-

     

    sure

     

    the ship against low-cycle fatigue,

     

    but would possibly lead to heavier struc-

     

    ture

     

    than 

    in

     

    present designs.

     

    Since 

    fatigue 

    cracks

     can

     

    be detected

     and

     

    repaired, it 

    is

     no t felt 

    that

     It 

    is

     necessary

     

    to limit stresses to yield point level in

     

    this way,

     

    Attempts

     should be made to 

    understand

     

    and

     evaluate 

    al l

     

    components

     of cyclic loading. 

  • 8/20/2019 Loads for Rational Design

    23/121

    -11- 

    B R I T T L E F

    RACTURE

     

    Third, is the possibility of

     failure 

    by

     

    brittle

     

    fracture.

     

    his mode of

     

    failure 

    wa s common in early days of welded 

    ship

     construction, bu t has been

     

    greatly

     

    reduced 

    in recently 

    built

     ships. 

    t

     

    cannot

     be overlooked in a comprehensive scheme,

     

    how- 

    ever.

     

    ll

     of the

     

    above-mentioned

     

    loads

     

    apply,

     

    including

     

    residual

     

    and 

    thermal

     

    stresses

     

    and

     

    ehe

     

    notch

     effect

     of 

    weld defects.

      It

     

    has been pointed out 

    that

     a

     

    low- 

    cycle fatigue 

    crack 

    can be the initiation point fo r 

    brittle

     fracture 

    (24)

     

    .

     

    It

     is generally recognized that

     

    the following factors

     

    are involved in

     

    brittle 

    fracture: 

    ( 1 ) 

    mbient

     temperature.

     

    (2) 

    teal 

    characteristics (transition temperature)   , 

    (3) 

    otches or

     stress

     raisers,

     including

     

    weld

     

    defects.

     

    ( 4 )

     tress ( or load)

     

    level. 

    ( 5 )

     train 

    rate. 

    Secondary 

    factors 

    include strain as well 

    as

     

    stress 

    fields, 

    corrosion

     effects,

     

    metal- 

    lurgical

     effects 

    of

     

    welding, 

    structural

     details that

     

    introduce constraint,

     an d

     

    residual 

    stresses

     

    Because

     

    of

     

    improvements in design

     

    and materials,

     

    brittle fracture no w

     

    seldom 

    occurs in 

    actual

     service. owever, it is

     

    conceivable 

    that 

    if, as 

    a

     result 

    of

     

    more 

    rational approaches to design, working stress levels are increased we may again 

    have trouble 

    with

     brittle

     fracture.

     urthermore, 

    it

     is

     

    important

     

    to recognize 

    that brittle fracture

     

    has

     

    been brought under control by careful attention to

     

    mate- 

    rial qualities, selection and control of fabrication techniques,

     and 

    inspection 

    at

     

    all stages

     

    of construction.

     

    iligence cannot be relaxed, especially as new 

    materials, new fabrication techniques, and more rational design procedures are 

    introduced.

     

    Nibbering maintains

     

    "that

     90%

     of all

     ships

     

    in 

    the

     world

     

    move 

    regularly and

     

    un- 

    damaged in conditions where the temperature is 

    lower

     than

     the 

    crack-arrest

     

    tempera- 

    ture

     

    of 

    their

     

    steels

     .... he nominal stresses

     mostly 

    are

     

    so 

    lo w

     that

     

    with

     

    present 

    day quality of design 

    and

     workmanship brittle fractures cannot initiate" 

    (22)

      . 

    For

     

    design

     

    purposes the load information needed 

    is

     generally the same as fo r 

    u l t i r . c i

    -

    ; - - bending, as discussed 

    in

     

    a

     preceding section, including all dynamic

     

    loads, 

    except that only tensile loads need be considered. at e of application of dynamic 

    l o a d . *

     

    and 

    ambient

     

    temperature

     conditions 

    should

     also be 

    specified.

     

    Of the various dynamic loads, it is believed 

    that

     consideration

     

    should 

    be

     

    giver

     

    particularly to the midship

     

    stress 

    following

     a bottom

     

    impact 

    slam.

      Since higher 

    modes than the hull fundamental are involved, the strain rate may

     

    be quite high. 

    Se e

     

    Chapter

     

    VI

     

    fo r

     

    further

     

    discussion.

     

    SH

    E

    AR

     

    AND

     

    TORSION 

    Fourth

     

    is

     

    the

     

    possibility of

     

    shear failure in

     the 

    hull

     

    girder "web." lthough 

    this

     is

     a problem 

    in 

    the design of light

     

    naval

     

    vessels,

     

    it

     has no t been 

    of

     much

     

    concern 

    in

     

    more

     heavily

     

    built 

    merchant

     vessels.  This 

    is

     no t

     

    to 

    say

     that 

    shear load-

     

    ing 

    on

     the side shell 

    or 

    longitudinal bulkheads

     

    is unimportant, bu t rather that 

    other 

    types

     of side shell

     loadings

     probably

     constitute more 

    severe

     criteria 

    of 

    satisfactory

     design.

     

    Though

     there

     is

     

    a

     possibility that 

    the 

    side

     shell

     of

     

    merchant

     

    ships

     is

     excessively

     

    heavy, safe reductions

     in 

    these

     scantlings

     can only 

    be made

     by 

  • 8/20/2019 Loads for Rational Design

    24/121

    -12-

     

    developing more precise w a y , 5

     

    of determining the

     

    hull

     

    girder torsion and 

    shear

     

    load-

     

    ings, as

     

    well as

     

    lateral loadings

     

    due to such aspects 

    of

     

    operation as

     

    bumping

     into

     

    dock structures, being handled by

     

    powerful tugs, etc.

     

    Another aspect of conceri here arises from th e recent development of large 

    bulk

     

    carriers

     

    which

     

    are

     

    frequently

     

    loaded

     

    only

     

    in

     

    alternative

     

    holds

     

    with

     

    high

     

    den-

     

    sity ores.

      The result

     of

     such loading

     is

     that 

    large

     shear and

     

    moment

     

    variations

     

    ar 

    experienced along 

    the vessel's 

    length which must

     

    be allowed fo r 

    in th e

     

    design

     of

     

    hull girder

     

    structure. 

    Further

     definition of

     this

     

    problem

     

    area 

    is 

    needed, since it

     

    ca n

     be

     

    expected that

     large

     shear and moment, coupled with reduced structural effect- 

    iveness

     

    of

     the hull girder 

    material, 

    can

     lead

     to combined 

    loadings

     

    of

     critical 

    magnitude.  

    Torsion is important

     

    in

     relation 

    to

     

    both shear

     

    and

     

    deflection, especially 

    in 

    wide-hatch

     

    ships

     (25).

     

    xcessive hatch

     

    distortion

    ha s 

    become

     the

     

    major

     

    area

     

    of con-

     

    cern as progressively larger ha