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Design of Ship Hull Structures A Practical Guide for Engineers

Design of Ship Hull Structures
A Practical Guide for Engineers


Contents
Part I Fundamentals
1 Philosophy of Hull Structure Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.1 Importance of Hull Structure Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2 Design Procedure of Structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.3 Hull Structure Design Policy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.4 Basic Idea of Hull Structure Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.5 Studies on Loads Applied . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.6 Reliable Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2 Structural Design Loads . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.2 Longitudinal Strength Load . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.3 Transverse Strength Load . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.4 Ship Response Calculation in Waves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.4.2 StripMethod . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.4.3 Short-Term Prediction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.4.4 Long-Term Prediction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3 Strength Evaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.1 General . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.1.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.1.2 Procedure of Structural Strength Evaluation . . . . . . . . . . . . . . 33
3.2 Stress and Strain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.2.1 Stress Pattern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.2.2 Biaxial Stress Condition [12] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.2.3 Combination of Normal Stress and Shearing Stress [12] . . . . 39
3.2.4 Principal Stress and Principal Shearing Stress [12] . . . . . . . . 40
3.2.5 Equivalent Stress . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.2.6 Evaluation of Stress Calculated by FEM . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.3 Evaluation of Stress . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.3.1 Criteria of Failure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.3.2 Allowable Stress . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.4 Fatigue Strength . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.4.2 S–N Curve. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.4.3 Fatigue Damage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
3.5 Buckling of Ship Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
3.5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
3.5.2 Column Buckling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
3.5.3 Plate Buckling. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
3.6 Plastic Strength . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
3.6.1 Philosophy of Plastic Strength . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
3.6.2 Plastic Bending . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
3.6.3 Plastic Section Modulus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
3.6.4 Collapse of a Beam . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
3.6.5 Collapse of a Plate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
3.7 Vibration in Ship . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
3.7.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
3.7.2 Basic Theory of Single Degree of Freedom Vibration System 70
3.7.3 Vibration Problems in Ships . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
3.7.4 Vibration Prevention Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
3.8 Selection of Strength Analysis Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
3.8.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
3.8.2 Type of AnalysisMethod. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
3.8.3 Analysis Procedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
3.8.4 Evaluation of Analysis Result . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
4 Hull Structure Design System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
4.1 Design Flow. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
4.2 Basic Design of Hull Structures. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
4.2.1 Role of Basic Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
4.2.2 Check of General Arrangement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
4.2.3 Check of Other Drawings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
4.2.4 Optimization Technique in Basic Design Process . . . . . . . . . . 88
4.3 Structural Drawings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
4.3.1 Approval Drawings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
4.3.2 Detail Drawings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
4.3.3 Production Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
4.4 Standardization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
4.5 Negotiation with Owner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
5 Progress in Ship Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
5.1 Increase in Ship Dimensions of Tankers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
5.2 Specialization of Ships . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
5.3 Change of Hull Form . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
5.4 Ship Vibration Caused by Socio-Economical Change. . . . . . . . . . . . . 105
5.5 Regulations for Environmental Conservation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
5.6 Technical Innovation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
6 Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
6.1 Hull Steel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
6.2 Grades of Steel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
6.3 Higher-Strength Steel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
6.4 Steel Sections. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
6.5 OtherMaterials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
6.6 Scattering of Material Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
6.7 Scattering of Physical Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
6.8 Residual Stress [42] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
7 Finite Element Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
7.1 Characteristics of FEM. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
7.2 Fundamentals of FEM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
7.2.1 StiffnessMatrix [44] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
7.2.2 Plane Stress [43] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
7.3 Procedure of FEM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
7.4 Application of FEM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
7.4.1 Mesh Division. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
7.4.2 Loading and Supporting Condition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
7.4.3 Degrees of Freedom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
Part II Theory
1 Design of Beams . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
1.1 Effective Breadth of Attached Plates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
1.1.1 Bending in Elastic Conditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
1.1.2 EffectiveWidth After Plate Buckling. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
1.2 Span Point of Beams . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
1.3 Design of Cross Section . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
1.3.1 Calculation of Section Modulus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
1.4 Bending Moment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
1.5 Easy Solution of Statically Indeterminate Beams . . . . . . . . . . . . . . . . 154
1.6 Boundary Condition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
1.7 Cross-Sectional Area of Beams . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
1.8 Optimum Design of Beam Section . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
1.8.1 Elastic Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
1.8.2 Plastic Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
1.8.3 Optimal Proportion for Beams . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
1.9 Simply Supported Beams and Continuous Beams . . . . . . . . . . . . . . . . 167
1.10 Effect of Struts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
1.11 Additional Bending Moment due to Forced Displacement . . . . . . . . . 172
1.12 LateralMovement of Beams . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
2 Design of Girders . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
2.1 Shearing Force . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
2.2 Rational Design of Girders . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
2.3 Bottom Transverses Supported by Centerline Girder [5] . . . . . . . . . . 184
2.4 Deflection of Girders . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
3 Damage of Girders . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
3.1 Buckling Caused by Compression. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
3.2 Buckling Caused by Bending . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194
3.3 Buckling Caused by Shearing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195
3.4 Buckling Caused by Concentrated Loads . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199
3.5 Cracks Around Slot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202
3.5.1 Cracks of First Generation [8] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202
3.5.2 Cracks Propagating into Longitudinals . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208
3.5.3 Cracks Around Slots due to Shear Stress on Transverses . . . . 210
4 Design of Pillars . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211
4.1 Slenderness Ratio of Pillars . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211
4.2 Sectional Shape of Pillars . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214
4.3 Pillar Supporting Tensile Force . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217
4.4 Connection of Pillar at Top and Bottom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219
4.5 Cross Ties. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221
4.6 Radius of Gyration of Square Section . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224
5 Design of Plates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227
5.1 Boundary Conditions of Plates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227
5.2 Strength of Plates Under Lateral Loads . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230
5.3 Strength of Plates by In-Plane Loads . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237
5.4 Plates Supporting Bending and Compression Simultaneously . . . . . . 242
5.5 Stress Concentration Around Openings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244
5.6 Material and Roll Direction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248
5.7 Damage of Plates. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251
6 Design of Stiffened Panel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253
6.1 Grillage Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254
6.2 Optimum Space of Girders . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257
6.3 Optimum Space of Beams . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 258
6.3.1 Design Condition Against Lateral Load like Water Pressure . 258
6.3.2 Design Conditions from Vibration Viewpoint . . . . . . . . . . . . . 259
6.3.3 Minimum Plate Thickness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260
6.3.4 Optimum Beam Space . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260
7 Torsion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267
7.1 Overview of the Theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267
7.2 Torsion Theory of Closed Section Bars . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268
7.3 Torsional Rigidity of Various Sections . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274
7.4 Torsion Theory of I-Section . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277
7.5 Torsion Theory of Open Section Bars . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279
8 Deflection of Hull Structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285
8.1 Deflection of Hull Girder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 286
8.2 Deflection of Beams with Optimum Section . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291
8.3 Deflection of Girders and Web Frames . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292
8.4 Additional Stress Caused by Deflection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293
8.5 Shearing Deflection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295
9 Welding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 297
9.1 ButtWelding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 298
9.2 Fillet Welding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302
9.3 Fillet Welding with Higher Strength Electrode . . . . . . . . . . . . . . . . . . 308
9.4 Water Stopping Welding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309
9.5 Scallop and Serration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309
9.6 Conversion of Butt Welding to Fillet Welding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311
9.7 Long IntermittentWelding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314
9.8 Shrinkage of Deposit Metal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 315
9.9 One SideWelding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317
10 Fracture Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 319
10.1 Jack-Knifed Failure of Liberty Ships . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 319
10.2 Fracture Mechanics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 321
10.2.1 Principles. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 321
10.2.2 Linear Fracture Mechanics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 322
10.2.3 Non-Linear Fracture Mechanics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 324
10.2.4 Fracture Toughness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 325
10.2.5 Grade of Steel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 325
10.3 Fatigue Strength Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 328
10.3.1 Crack Propagation Calculation by Paris’s Equation . . . . . . . . 328
10.3.2 Fatigue Strength Design Taking into Account Construction
Tolerances [39] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 330
11 Hull Structural Vibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335
11.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335
11.2 Basic Features of Hull Structure Vibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 336
11.3 Overview of Ship Vibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 338
11.4 Boundary Conditions of Hull Structure Vibration . . . . . . . . . . . . . . . . 341
11.5 Current Boundary Conditions of Hull Structure Vibration . . . . . . . . . 345
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 349
Part III Applications
1 Hull Structure Arrangement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 353
1.1 Hold Arrangement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 353
1.2 Criteria of Design of Hull Structure Arrangement . . . . . . . . . . . . . . . . 355
1.2.1 Wing Tanks of Tankers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 355
1.2.2 Bulkhead Arrangement of Bulk Carriers . . . . . . . . . . . . . . . . . 358
1.3 Bulkhead Arrangement Beyond Cargo Hold . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 359
1.3.1 Bow Construction Without Extended Longitudinal
Bulkheads . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 360
1.3.2 Engine Room Construction Without Extended
Longitudinal Bulkheads . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 360
2 Longitudinal Strength of Hull Girder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363
2.1 Allowable Stress for Longitudinal Strength . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363
2.2 Position of Maximum Longitudinal Bending Moment . . . . . . . . . . . . 367
2.3 Calculation of Section Modulus of Hull Girder . . . . . . . . . . . . . . . . . . 369
2.4 Longitudinal Strength and Hull Steel Weight . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 370
2.5 Application of High Tensile Steel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 372
2.6 Longitudinal Strength Analysis in Waves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 374
2.7 Arrangement of Longitudinal Strength Members . . . . . . . . . . . . . . . . 379
2.8 Stress Concentration on Longitudinal Strength Members . . . . . . . . . . 381
2.9 Additional Bending of Local Members Due to Hull Girder Bending 383
2.10 Longitudinal Bending Stress in Fore & Aft Parts of Ship . . . . . . . . . . 385
2.11 Hull Steel Weight Reduce to Ultimate Strength . . . . . . . . . . . . . . . . . . 386
3 Transverse Strength of Ship . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 387
3.1 Allowable Stress for Transverse Strength . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 388
3.2 Long Taper & Snake Head . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 391
3.3 Shape of Bottom Transverse in Center Tank . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 392
3.4 Shape of Bottom Transverse in Wing Tank . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 393
3.5 Transverse Strength of Tanker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 394
3.5.1 Cross Ties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 394
3.5.2 Load Applied on Transverse Strength Members . . . . . . . . . . . 397
3.5.3 Inside Pressure in Wide Tanks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 399
3.5.4 Connection Between Transverse Ring and Side Shell . . . . . . 400
3.5.5 Buckling onWeb of Transverse Rings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 401
3.5.6 Straight Type and Circular Type Construction . . . . . . . . . . . . 403
3.5.7 Transverse Rings at Fore & Aft Parts of Tank . . . . . . . . . . . . . 405
3.6 Transverse Strength of Ore Carrier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 405
3.7 Transverse Strength of Bulk Carrier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 410
3.8 Transverse Strength of Container Ships . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 415
4 Torsional Strength . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 417
4.1 Structural Damage Due to Torsion (Example No. 1) . . . . . . . . . . . . . . 418
4.2 Structural Damage Due to Torsion (Example No. 2) . . . . . . . . . . . . . . 420
5 Shell Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 423
5.1 Thickness of Shell Plates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 423
5.2 Shell at Bottom Forward . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 425
5.3 Shell at Bow Flare . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 426
5.4 Bilge Shell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 428
5.5 Shell near Stern Frame . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 428
5.6 Shell Damage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 429
6 Bulkheads . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 431
6.1 Strength of Bulkhead Plates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 431
6.2 Horizontal Girders on Transverse Bulkheads (in Center Tank) . . . . . 433
6.3 Horizontal Girder Arrangement on Bulkheads . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 436
6.4 Vertical Stiffeners on Transverse Bulkheads . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 439
6.5 Swash Bulkheads . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 440
6.6 Horizontal Stiffeners on Transverse Bulkheads . . . . . . . . . . . . . . . . . . 443
6.7 Minimum Thickness of Longitudinal Bulkhead Plates . . . . . . . . . . . . 447
6.8 Sharing Ratio of Shearing Force . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 449
6.9 Corrugated Bulkheads . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 451
6.10 Horizontal Girders on Corrugated Bulkheads . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 454
6.11 Stiffness of Corrugated Bulkheads Against In-Plane Loads . . . . . . . . 456
7 Deck Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 461
7.1 Stress Concentration at Hatch Corners . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 461
7.1.1 General . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 461
7.1.2 Contour Shape Optimization of Container
Ship Hatch Corners . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 464
7.2 Deck Strength for Locally Distributed Loads . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 467
7.3 Deck Sustaining Upward Loads . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 471
7.4 Damage to Deck Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 472
8 Double Hull Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 475
8.1 Structural System of Double Hull Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 475
8.2 Double Hull Structure and Single Hull Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . 477
8.3 Examples of Double Hull Structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 478
8.3.1 Cargo Ships . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 478
8.3.2 Tankers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 479
8.3.3 Container Ships . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 480
8.3.4 Nuclear Ships . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 480
8.3.5 Large Bulk Carriers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 481
9 Fore Construction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 483
9.1 Structural Arrangement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 483
9.2 Structure of Shell Construction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 485
9.3 Vertical Acceleration Depending on Pitching . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 486
9.4 Deck Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 487
9.5 Structural Continuity. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 488
9.6 Large Damage in Fore Construction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 488
10 Engine Room Construction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 491
10.1 Engine and Pump Rooms Arrangement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 492
10.2 Rigidity Criteria in Engine Room Structure Design . . . . . . . . . . . . . . 494
10.2.1 Double Bottom in Engine Room. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 495
10.2.2 Panel, Web, Stiffener Etc. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 496
10.3 Design of StructuralMembers in Engine Room . . . . . . . . . . . . . . . . . 497
10.4 Girders and Floors in Engine Room Double Bottom . . . . . . . . . . . . . . 499
10.5 Problems Caused by Deflection of Engine Room Double Bottom . . . 501
10.6 Deflection of Engine Room Double Bottom. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 503
10.6.1 Bending and Shearing Deflection of Hull Girder
in the Vicinity of Engine Room . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 503
10.6.2 Deformation ofWeb FrameWhich Supports Engine Room
Double Bottom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 505
10.6.3 Bending and Shearing Deflections of Engine Room
Double Bottom Itself . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 505
10.7 Allowable Limit of Deflection of Engine Room Double Bottom . . . . 506
10.8 Control of Deflection of Engine Room Double Bottom . . . . . . . . . . . 509
10.9 Sea Chest in Engine Room Double Bottom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 511
11 Stern Construction and Stern Frame . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 513
11.1 Aft Peak Tank Construction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 514
11.2 Vibration of Stern Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 515
11.2.1 Vibration of Stern Overhang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 515
11.2.2 Transverse Vibration of Stern Bossing
of a Single Screw Vessel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 518
11.2.3 Vertical Vibration of Twin Bossing in Twin Screw Vessel . . . 518
11.3 Stern Frame . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 521
12 Vibration Prevention . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 527
12.1 Exciting Forces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 528
12.1.1 Magnitude of Propeller Excitation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 529
12.1.2 Magnitude of Diesel Engine Excitation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 532
12.1.3 Magnification of Exciting Force by Resonator . . . . . . . . . . . . 534
12.1.4 Cancellation of Exciting Force . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 541
12.1.5 Reduction of Main Engine Exciting Force
by ElasticMounting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 543
12.2 Prevention of Ship Vibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 545
12.2.1 Flexural Vibration of Hull Girder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 546
12.2.2 Vibration of Superstructure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 548
12.2.3 Active Mass Damper for Superstructure Vibration . . . . . . . . . 550
12.2.4 Vibration of In-Tank Structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 552
12.2.5 Calculation Methods of Natural Frequency of In-
Tank Structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 552
13 Superstructure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 559
13.1 Example of Damage to Long Superstructures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 559
13.2 Interaction of Superstructures and Main Hull . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 559
13.3 Magnitude of Longitudinal Bending Stress . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 561
13.4 Prevention of Structural Failures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 564
13.4.1 Structural Discontinuity. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 564
13.4.2 Round Shape of Side Wall Opening Corner . . . . . . . . . . . . . . 565
13.4.3 Buckling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 568
13.4.4 Expansion Joints . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 570
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 571
Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 573

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