Khóa Học Kỹ Thuật 5003: Cấu Trúc Tàu Biển

Khám phá kiến thức về cấu trúc tàu trong môn học Kỹ thuật 5003, từ nguyên lý thiết kế đến ứng dụng thực tiễn trong ngành hàng hải.

• Tác giả: Claude Daley
• Người hướng dẫn: Professor Claude Daley
• Trường học: Memorial University
• Chuyên ngành: Engineering
• Đề tài: Cấu Trúc Tàu Biển
• Loại tài liệu: lecture notes
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: St. John’s

Mục lục chi tiết

• 1. Topic 1: Introduction to Ship Structures
• 2. Topic 2: Ship Structural Features
• 3. Topic 3: Material Behavior
• 4. Topic 4: Longitudinal Strength: Buoyancy & Weight
• 5. Topic 5: Longitudinal Strength: Murray’s Method
• 6. Topic 6: Longitudinal Strength: Wave Bending Moments
• 7. Topic 7: Longitudinal Strength: Inclined Bending / Section Modulus
• 8. Topic 8: Beam Theory
• 9. Topic 9: Solving Beam Equations
• 10. Topic 10: Indeterminate Beams – Force Method
• 11. Topic 11: Indeterminate Beams – Displacement Method
• 12. Topic 12: Energy Methods in Structural Analysis
• 13. Topic 13: The Moment Distribution Method
• 14. Topic 14: The Moment Distribution Method with Sway
• 15. Topic 15: Matrix Structural Analysis
• 16. Topic 16 Overview of Finite Element Theory
• 17. Topic 17: Hull Girder Shear Stresses
• 18. Topic 18: Shear Stresses in multi-cell sections
• 19. Topic 19: Shear Flow in adjacent Closed Cells
• 20. Topic 20: Torsion in ships
• 21. Topic 21: Shear Center and Shear Lag in Ship Structures
• 22. Topic 22: Plate Bending

Tóm tắt

I. Giới thiệu về Cấu Trúc Tàu Biển Khóa Học Kỹ Thuật 5003

Khóa học Kỹ Thuật 5003 tập trung vào việc phát triển kiến thức về cấu trúc tàu biển. Nội dung khóa học bao gồm các khái niệm cơ bản về hành vi cấu trúc, từ đó giúp sinh viên hiểu rõ hơn về thiết kế và phân tích cấu trúc tàu. Khóa học không chỉ dừng lại ở lý thuyết mà còn bao gồm các dự án thực tiễn, nơi sinh viên sẽ thiết kế và đánh giá các thành phần của tàu.

1.1. Mục tiêu của Khóa Học Kỹ Thuật 5003

Khóa học nhằm trang bị cho sinh viên khả năng phân tích và thiết kế cấu trúc tàu biển thông qua các bài tập thực hành và lý thuyết.

1.2. Nội dung chính của Khóa Học

Khóa học bao gồm các chủ đề như hành vi cấu trúc, vật liệu tàu biển, và các phương pháp thiết kế hiện đại.

II. Thách Thức trong Thiết Kế Cấu Trúc Tàu Biển

Thiết kế cấu trúc tàu biển đối mặt với nhiều thách thức, bao gồm việc đảm bảo độ bền và an toàn trong môi trường khắc nghiệt. Các yếu tố như sóng, gió và tải trọng động có thể ảnh hưởng đến hiệu suất của tàu. Việc hiểu rõ các yếu tố này là rất quan trọng để đảm bảo rằng tàu có thể hoạt động hiệu quả và an toàn.

2.1. Các Yếu Tố Ảnh Hưởng đến Cấu Trúc Tàu

Các yếu tố như tải trọng, điều kiện thời tiết và vật liệu sử dụng đều có thể ảnh hưởng đến thiết kế và độ bền của cấu trúc tàu biển.

2.2. Vấn Đề An Toàn trong Thiết Kế

An toàn hàng hải là một trong những ưu tiên hàng đầu trong thiết kế tàu. Việc đảm bảo rằng tàu có thể chịu được các tải trọng và điều kiện khắc nghiệt là rất quan trọng.

III. Phương Pháp Thiết Kế Cấu Trúc Tàu Biển Hiện Đại

Các phương pháp thiết kế hiện đại cho cấu trúc tàu biển bao gồm việc sử dụng công nghệ mô phỏng và phân tích số. Những công nghệ này giúp các kỹ sư dự đoán hành vi của tàu dưới các điều kiện khác nhau, từ đó tối ưu hóa thiết kế và giảm thiểu rủi ro.

3.1. Công Nghệ Mô Phỏng trong Thiết Kế

Mô phỏng số cho phép các kỹ sư kiểm tra các thiết kế khác nhau mà không cần phải xây dựng mẫu vật lý, tiết kiệm thời gian và chi phí.

3.2. Phân Tích Ứng Suất và Biến Dạng

Phân tích ứng suất giúp xác định các điểm yếu trong thiết kế, từ đó cải thiện độ bền và an toàn của cấu trúc tàu biển.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn của Cấu Trúc Tàu Biển

Các ứng dụng thực tiễn của cấu trúc tàu biển rất đa dạng, từ tàu chở hàng đến tàu du lịch. Mỗi loại tàu có những yêu cầu thiết kế riêng biệt, đòi hỏi các kỹ sư phải có kiến thức sâu rộng về vật liệu và công nghệ. Việc áp dụng các phương pháp thiết kế hiện đại giúp nâng cao hiệu suất và an toàn cho tàu.

4.1. Tàu Chở Hàng và Cấu Trúc của Chúng

Tàu chở hàng thường có cấu trúc mạnh mẽ để chịu được tải trọng lớn và điều kiện biển khắc nghiệt.

4.2. Tàu Du Lịch và Yêu Cầu Thiết Kế

Tàu du lịch cần có cấu trúc không chỉ an toàn mà còn phải đảm bảo tính thẩm mỹ và tiện nghi cho hành khách.

V. Kết Luận và Tương Lai của Cấu Trúc Tàu Biển

Tương lai của cấu trúc tàu biển hứa hẹn sẽ có nhiều đổi mới với sự phát triển của công nghệ. Các kỹ sư sẽ tiếp tục tìm kiếm các giải pháp thiết kế bền vững và hiệu quả hơn. Việc áp dụng công nghệ mới sẽ giúp cải thiện độ bền và an toàn của tàu, đồng thời giảm thiểu tác động đến môi trường.

5.1. Xu Hướng Thiết Kế Bền Vững

Thiết kế bền vững sẽ trở thành một yếu tố quan trọng trong ngành công nghiệp hàng hải, với mục tiêu giảm thiểu tác động đến môi trường.

5.2. Tương Lai của Công Nghệ trong Thiết Kế Tàu

Công nghệ sẽ tiếp tục đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện thiết kế và hiệu suất của cấu trúc tàu biển trong tương lai.

Nội dung chính

Cấu Trúc Tàu Biển: Khóa Học Kỹ Thuật 5003 (Engineering 5003 – Ship Structures I)

Tổng quan về giáo trình

Tài liệu học thuật Lecture Notes for Engineering 5003 – Ship Structures I (Mã học phần: E5003) được biên soạn bởi Giáo sư Claude Daley thuộc Khoa Kỹ thuật và Khoa học Ứng dụng (Faculty of Engineering and Applied Science), Đại học Memorial (Memorial University), St. John’s, Canada. Trong chương trình đào tạo kỹ thuật tàu thủy và công trình biển, học phần này giữ vị trí nền tảng, tập trung vào ứng xử kết cấu của tàu ở trạng thái nguyên vẹn (intact structural behavior), phát triển trực tiếp từ các nguyên lý cơ học vật liệu (mechanics of materials / solid mechanics). Đây là học phần tiên quyết cho môn học tiếp nối Engineering 6003 – Ship Structures II, vốn mở rộng sang phân tích cơ học phá hủy kết cấu (mechanics of structural failure).

Mục tiêu học tập cốt lõi của giáo trình bao gồm:

• Trang bị hệ thống lý thuyết về phản ứng kết cấu thân tàu dưới tác dụng của tải trọng tĩnh, tự trọng và sóng biển.
• Rèn luyện năng lực ước lượng kỹ thuật có cơ sở (educated guess) dựa trên việc đơn giản hóa bài toán và áp dụng các định luật bảo toàn cơ bản (lực, mô-men, động lượng, năng lượng).
• Phát triển kỹ năng phác thảo kết cấu bằng tay (free-hand sketching) phục vụ giao tiếp kỹ thuật trực quan.
• Hoàn thành đồ án môn học (course project): thiết kế quy cách kích thước mặt cắt ngang giữa tàu (mid-ship scantlings design), đánh giá ứng suất, lập bản vẽ kết cấu và báo cáo kỹ thuật hoàn chỉnh cho một tàu cỡ lớn.

Giáo trình tiếp cận kết cấu thân tàu theo mô hình bán vỏ chịu lực (semi-monocoque), khảo sát tương tác đa cấp từ dầm thân tàu tổng thể đến các tấm vỏ và nẹp gia cường cục bộ. Toàn bộ nội dung được trình bày mạch lạc thông qua hệ thống 22 chủ đề chuyên sâu, kết hợp bài tập tính toán và ứng dụng công cụ mô phỏng số.

---

Nội dung kiến thức cốt lõi

Các chương/chủ đề chính

Giáo trình gồm 22 chủ đề (Topics), được phân chia theo logic tiến trình từ cơ bản đến nâng cao:

1. Topic 1 & 2: Nhập môn và Đặc trưng kết cấu tàu thủy (Introduction to Ship Structures & Ship Structural Features): Định nghĩa chức năng kết cấu (độ bền - strength, độ cứng - stiffness, độ kín nước - watertight integrity), phân cấp kết cấu, quy trình thiết kế theo quy phạm và phân loại tải trọng tác dụng lên thân tàu.
2. Topic 3: Ứng xử vật liệu (Material Behavior): Định luật Hooke tổng quát cho trạng thái ứng suất 1D, 2D và 3D; vòng tròn Mohr (Mohr’s Circle) xác định ứng suất chính ($\sigma_1, \sigma_2$); tiêu chuẩn dẻo von Mises và ứng suất tương đương ($\sigma_{eqv}$) ứng dụng trong phân tích phần tử hữu hạn.
3. Topic 4, 5, 6 & 7: Độ bền dọc thân tàu (Longitudinal Strength): Phân tích cân bằng trọng lượng và lực nổi; phương pháp đường cong Bonjean (Bonjean curves); phương pháp Prohaska và hàm parabol ước tính phân bố trọng lượng; phương pháp Murray (Murray’s Method) tính mô-men uốn trong nước tĩnh (SWBM); mô-men uốn do sóng (WBM) và tính toán mô-đun chống uốn tiết diện (section modulus) khi uốn nghiêng.
4. Topic 8, 9, 10, 11 & 12: Lý thuyết dầm và Phương pháp phân tích dầm siêu tĩnh (Beam Theory & Indeterminate Beam Methods): Thiết lập và giải phương trình vi phân dầm uốn; phương pháp lực (Force Method); phương pháp chuyển vị (Displacement Method); các phương pháp năng lượng trong phân tích kết cấu (Energy Methods).
5. Topic 13, 14, 15 & 16: Phương pháp phân phối mô-men và Phân tích kết cấu ma trận (Moment Distribution & Matrix Methods): Phương pháp Cross có xét và không xét chuyển vị ngang (Sway); phương pháp ma trận độ cứng (Matrix Structural Analysis); tổng quan lý thuyết phần tử hữu hạn (Finite Element Theory).
6. Topic 17, 18, 19, 20 & 21: Ứng suất cắt, Xoắn và Hiện tượng trượt cắt (Shear Stresses, Torsion & Shear Lag): Phân bố ứng suất cắt trên dầm tàu; dòng cắt (shear flow) trong tiết diện nhiều khoang kín (multi-cell sections); hiện tượng xoắn thân tàu (torsion); xác định tâm cắt (shear center) và hiệu ứng trượt cắt (shear lag).
7. Topic 22: Uốn tấm (Plate Bending): Lý thuyết uốn tấm mỏng chịu tải trọng thủy tĩnh và tải trọng phân bố ngang.

Kiến thức nền tảng được xây dựng

Giáo trình xây dựng hệ thống lý thuyết dựa trên các nguyên lý cơ học cốt lõi:

• Định luật Hooke mở rộng trong không gian 2D/3D: Thiết lập quan hệ ứng suất – biến dạng cho vật liệu đẳng hướng (thép đóng tàu có mô-đun đàn hồi $E \approx 200\text{ GPa}$, hệ số Poisson $\nu$): $$\begin{bmatrix} \sigma_x \ \sigma_y \ \tau_{xy} \end{bmatrix} = \frac{E}{1-\nu^2} \begin{bmatrix} 1 & \nu & 0 \ \nu & 1 & 0 \ 0 & 0 & \frac{1-\nu}{2} \end{bmatrix} \begin{bmatrix} \epsilon_x \ \epsilon_y \ \gamma_{xy} \end{bmatrix}$$
• Tiêu chuẩn dẻo von Mises: Xác định giới hạn chảy dưới trạng thái ứng suất 2D phẳng: $$\sigma_{eqv} = \sqrt{\sigma_1^2 - \sigma_1\sigma_2 + \sigma_2^2} = \sqrt{\sigma_x^2 - \sigma_x\sigma_y + \sigma_y^2 + 3\tau_{xy}^2}$$
• Mô hình hóa phân cấp kết cấu thân tàu:
  • Kết cấu cấp 1 (Primary structure): Toàn bộ thân tàu đóng vai trò như một dầm chịu uốn tổng thể (hull girder).
  • Kết cấu cấp 2 (Secondary structure): Cụm kết cấu lớn như đáy đôi (double bottom) hoạt động như tấm phức hợp (sandwich panel).
  • Kết cấu cấp 3 (Tertiary structure): Tấm vỏ và các nẹp gia cường đơn lẻ (frames, stiffeners, plates).
• Nguyên lý cân bằng thủy tĩnh và tính toán thủy lực: Cân bằng lực nâng - tự trọng dọc thân tàu sử dụng tích phân lát cắt qua đường cong Bonjean cho 21 sườn lý thuyết (từ sườn số 0 tại FP đến AP).
• Phương pháp Prohaska và Murray: Mô hình hóa toán học cho phân bố trọng lượng tàu hàng có đoạn giữa song song (parallel middle body) và công thức bán giải tích tính mô-men uốn tại mặt cắt giữa tàu: $$BM_{midships} = BM_W - BM_B = \frac{1}{2}(W_a f_a + W_f f_f) - \frac{1}{2}(\Delta_a g_a + \Delta_f g_f)$$ trong đó cánh tay đòn trọng tâm lực nổi trung bình $\bar{x} = L(a \cdot C_B + b)$.

Kỹ năng phát triển

• Kỹ năng tính toán giải tích: Xác định biểu đồ lực cắt và mô-men uốn dọc thân tàu trong nước tĩnh và trên sóng; giải dầm siêu tĩnh bằng phương pháp lực, phương pháp chuyển vị và phương pháp phân phối mô-men.
• Kỹ năng ứng dụng công cụ số: Ứng dụng lý thuyết phần tử hữu hạn (FEA) và phần mềm kỹ thuật ANSYS để phân tích ứng suất tương đương, mô phỏng tấm chịu uốn.
• Kỹ năng phác thảo và đọc bản vẽ: Thiết lập bản vẽ mặt cắt ngang giữa tàu, thể hiện chi tiết mã liên kết (brackets), đường hàn, lỗ khoét công nghệ và hệ thống khung sườn trên các phần mềm như Rhino, SketchUp hoặc vẽ tay.

---

Phương pháp giảng dạy và học tập

Giáo trình kết hợp chặt chẽ giữa diễn giải lý thuyết toán lý, quy trình thiết kế theo quy phạm phân cấp (Classification Society Rules) và thực hành tính toán thực tế.

Bài tập và Nghiên cứu trường hợp (Case Studies)

• Phân tích dữ liệu thực tế: Trích xuất hồ sơ điều tra tai nạn của tàu chở hàng rời FLARE (báo cáo từ TSB), kết cấu trạm xử lý nổi Terra Nova FPSO, tàu phá băng Terry Fox chịu tải trọng va chạm băng, tàu bảo vệ bờ biển và tàu chở hàng đa năng.
• Nghiên cứu trường hợp SSC (Ship Structure Committee): Khảo sát nguyên nhân phá hủy mỏi liên tục của nẹp dọc mạn tàu (Recurring Failure of Side Longitudinal) trong SSC Case Study V.
• Hệ thống câu hỏi tình huống: Phân loại tải trọng tĩnh, tựa tĩnh (quasi-static), động cao tần (vibrations) và tải trọng xung kích/va chạm (impact loads).

Đồ án môn học và Hướng dẫn tự học

• Mỗi chương đều đi kèm mục Problems yêu cầu sinh viên tính toán cụ thể (vẽ đường cong Bonjean từ đường hình dáng tàu, kiểm tra tính khả thi hình học của đường cong thủy tĩnh, tính chuyển vị cột chịu nén, vẽ vòng tròn Mohr, tính ứng suất von Mises).
• Đồ án môn học yêu cầu làm việc theo nhóm hoặc cá nhân để xác định quy cách kết cấu dầm thân tàu, lập bảng tính toán trọng lượng - lực nổi, kiểm tra bền cục bộ tấm và sườn, xuất báo cáo kỹ thuật theo đúng định dạng công nghiệp.

---

Điểm nổi bật và cập nhật

• Theo sát tiến trình phát triển của phương pháp thiết kế tàu thủy:
  • Giai đoạn trước thập niên 1950: Thiết kế theo kinh nghiệm và tra bảng quy chuẩn đơn giản trong quy phạm.
  • Giai đoạn thập niên 1970: Chuẩn hóa bằng đại số giải tích theo quy phạm định lượng (prescriptive algebra).
  • Xu hướng hiện đại: Chuyển dịch sang thiết kế theo hệ số tải trọng và sức bền (LRFD - Load and Resistance Factored Design), thiết kế dựa trên rủi ro (Risk-based design), thiết kế theo mục tiêu (Goal-based design) và nhận diện nguy cơ (HAZID - Hazard Identification and Mitigation).
  • Định hướng tương lai: Thiết kế bằng mô phỏng số (Design by Simulation), tái hiện kiểm chứng tải trọng số qua toàn bộ vòng đời tàu.
• Tích hợp mô hình hóa đa chiều: Phân tích chi tiết dòng cắt trên tiết diện hở và nhiều khoang kín, hiện tượng trượt cắt (shear lag) và tâm cắt (shear center) – những vấn đề then chốt trong tính toán tàu container có miệng hầm hàng lớn và tàu chở dầu vỏ kép.
• Minh họa trực quan phong phú: Toàn bộ sơ đồ, hình chiếu 3D và đồ thị giải thuật đều được tác giả xây dựng trực tiếp thông qua các mô hình CAD (Sketchup, Rhino) và ảnh chụp thực tế tại hiện trường nhà máy đóng tàu.

---

Đối tượng sử dụng giáo trình

Nhóm đối tượng	Yêu cầu tiên quyết / Cách thức khai thác
Sinh viên đại học (Năm 3 – Năm 4 ngành Kỹ thuật Tàu thủy, Công trình Biển, Cơ học Kỹ thuật)	Cần nắm vững kiến thức Sức bền vật liệu, Cơ học kết cấu, Thủy tĩnh học tàu thủy. Sử dụng tài liệu làm bài giảng chính khóa, giải bài tập chương và thực hiện đồ án thiết kế kết cấu dầm tàu.
Học viên cao học	Sử dụng làm tài liệu tham khảo hệ thống hóa cơ học biến dạng thân tàu, lý thuyết dầm siêu tĩnh, uốn tấm và dòng cắt trước khi học các chuyên đề cơ học phá hủy (E6003), phân tích mỏi hoặc FEM nâng cao.
Giảng viên đại học	Tham khảo khung chương trình, trích xuất hệ thống bài tập thực hành, case study thực tế từ Ủy ban Kết cấu Tàu thủy (SSC) và đồ án mẫu phục vụ công tác giảng dạy.
Kỹ sư thiết kế / Chuyên viên đăng kiểm	Tra cứu nhanh các công thức bán thực nghiệm (Prohaska, Murray), phương pháp kiểm tra ứng suất dầm tàu, phân tích dòng cắt đa khoang và cơ chế phân bổ tải trọng quy phạm.

---

Câu hỏi thường gặp (FAQ)

1. Giáo trình này phù hợp với ai?

Tài liệu được thiết kế chuyên biệt cho sinh viên bậc đại học ngành Kiến trúc Hải quân (Naval Architecture), Kỹ thuật Tàu thủy và Công trình biển (Marine/Ocean Engineering), cũng như các kỹ sư kết cấu cần tài liệu chuẩn hóa về cơ học thân tàu nguyên vẹn.

2. Cần kiến thức nền tảng nào trước khi học giáo trình này?

Người học cần hoàn thành các học phần cơ bản:

• Toán giải tích và đại số tuyến tính (phục vụ phương pháp ma trận).
• Cơ học cơ sở / Sức bền vật liệu (định luật Hooke, trạng thái ứng suất, mô-men quán tính tiết diện).
• Lý thuyết và Thủy tĩnh học tàu thủy cơ bản (kích thước chính $L, B, T$, hệ số béo $C_B, C_{WP}, C_M$, sườn lý thuyết).

3. Điểm khác biệt của giáo trình này so với các tài liệu kết cấu thông thường là gì?

Giáo trình phân loại rõ ràng 3 cấp độ kết cấu (primary, secondary, tertiary), gắn liền lý thuyết giải tích cổ điển với phương pháp quy phạm phân cấp (Class Rules) và mô phỏng số hiện đại (ANSYS, Rhino). Ngoài ra, tài liệu chú trọng rèn luyện trực giác kỹ thuật (engineering judgment) thông qua các phương pháp ước tính nhanh và kỹ năng phác thảo kết cấu bằng tay.

4. Làm sao để tự học và nắm vững kiến thức trong giáo trình hiệu quả?

Người học nên kết hợp giải tuần tự các bài tập tính toán ở cuối mỗi chủ đề (Problems), tự tay vẽ lại các đường cong Bonjean, biểu đồ lực cắt/mô-men uốn và thực hành độc lập đồ án tính toán mặt cắt ngang giữa tàu (midship section design).

5. Có tài liệu hoặc môn học bổ trợ nào đi kèm không?

Giáo trình là phần 1 trong chuỗi đào tạo kết cấu của Đại học Memorial. Sau khi hoàn thành, người học tiếp tục với học phần Engineering 6003 (chuyên sâu về cơ học phá hủy, mất ổn định võng gãy - buckling và độ bền mỏi). Đồng thời, tài liệu yêu cầu kết hợp sử dụng báo cáo kỹ thuật của Ship Structure Committee (SSC) và phần mềm phần tử hữu hạn ANSYS.

---

Kết luận

Giáo trình Lecture Notes for Engineering 5003 – Ship Structures I của Giáo sư Claude Daley là tài liệu học thuật hoàn chỉnh, chuẩn mực và có tính hệ thống cao trong lĩnh vực kết cấu tàu thủy. Bằng việc kết nối chặt chẽ giữa lý thuyết cơ học môi trường liên tục, phương pháp giải tích dầm/tấm, công thức bán thực nghiệm thủy lực và quy trình phân cấp hiện đại, tài liệu cung cấp lộ trình học tập vững chắc cho sinh viên và kỹ sư công trình biển. Đây là bước đệm lý thuyết và thực hành bắt buộc trước khi tiếp cận các bài toán nâng cao về phân tích phá hủy và thiết kế tối ưu hóa kết cấu tàu thủy.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Lecture Notes for Engineering 5003 – Ship Structures I Claude Daley, Professor, D. Faculty of Engineering and Applied Science Memorial University St. John’s, CANADA E5003 - Ship Structures I ii © C. Daley E5003 - Ship Structures I iii © C.

Daley Table of Contents Topic 1: Introduction to Ship Structures. 3 Topic 2: Ship Structural Features. 13 Topic 3: Material Behavior. 21 Topic 4: Longitudinal Strength: Buoyancy & Weight.

31 Topic 5: Longitudinal Strength: Murray’s Method. 43 Topic 6: Longitudinal Strength: Wave Bending Moments. 51 Topic 7: Longitudinal Strength: Inclined Bending / Section Modulus. 57 Topic 8: Beam Theory.

69 Topic 9: Solving Beam Equations. 83 Topic 10: Indeterminate Beams – Force Method. 97 Topic 11: Indeterminate Beams – Displacement Method. 109 Topic 12: Energy Methods in Structural Analysis.

119 Topic 13: The Moment Distribution Method. 127 Topic 14: The Moment Distribution Method with Sway. 141 Topic 15: Matrix Structural Analysis. 149 Topic 16 Overview of Finite Element Theory.

163 Topic 17: Hull Girder Shear Stresses. 175 Topic 18: Shear Stresses in multi-cell sections. 185 Topic 19: Shear Flow in adjacent Closed Cells. 197 Topic 20: Torsion in ships.

199 Topic 21: Shear Center and Shear Lag in Ship Structures. 207 Topic 22: Plate Bending. 231 Note: all images, sketches and photo's are © C. Daley unless otherwise noted Cover image by CD using Sketchup E5003 - Ship Structures I iv © C.

Daley E5003 - Ship Structures I 1 © C. Daley PART 1 : Introduction Church in Dubrovnik E5003 - Ship Structures I 2 © C. Daley E5003 - Ship Structures I 3 © C. Daley Topic 1: Introduction to Ship Structures The course is intended to develop the student’s knowledge of ship structures.

The focus is on various types of intact structural behavior, building upon concepts from mechanics of materials. The course project will involve the design, assessment, drawing and reporting on the mid-ship scantlings (hull girder design) of a large vessel. The follow-on course (6003) will move from the consideration of intact behavior to the mechanics of structural failure. One of the aims of the course is for the students to develop the ability to make an educated guess.

Such guesses are not wild or random. Educated guesses are based on sound reasoning, careful approximation and simplification of the problem. In most Cruise Ship Structure cases the 'guess' starts by forming an idea of the problem in its essential form, or in 'bounding' forms. Basic laws of mechanics are considered to determine what fundamental principle might govern the outcome.

Most problems are governed by simple conservation laws, such as of forces, moments, momentum and/or energy. A related aim of the project is for the students to develop the ability to sketch the problem at hand, by hand and clearly. Sketching is a form of hand drawn sketch symbolic communication, no less valuable than the alphabet or algebra. Background Humans have been constructing structures for a long time.

A structure is a tool for carrying (carrying what is in or on the structure). Ship structures have evolved like all other types of structures (buildings, aircraft, bridges. Design was once purely a craft. Design is evolving as we E5003 - Ship Structures I 4 © C.

Daley understand more about the structure itself and the environment that we subject it to. Traditional Design • built by tradition (prior example) • changes based primarily on experience (some analysis) • essentially a builders “Craft” • QA by proof test and use Gondolas in Venice Engineering Design • incorporates analysis based on math/physics • common designs are codified (building code, class rules.) • new designs should follow the “Engineering Method” • design, analysis, construction and regulation are separate specialties • design practice is evolving: In the 1950 tabulated requirements were found in Class Rules. By the 70s all codes had changed to include prescriptive algebra. New trend are towards "LRFD - load and resistance factored design", "risk based design" and "goal based design".