船の強さ

船の強度は、造船技師や造船業者にとって重要な関心事です。強度が強すぎる船は重く、速度が遅く、重量が増すため建造と運用に余分な費用がかかります。一方、強度が弱すぎる船は船体に軽微な損傷が生じ、極端な場合には壊滅的な破損や沈没に至ります。

船の船体はさまざまな荷重を受けます。

• 船が岸壁に停泊中や停泊中であっても、船が押しのけた周囲の水圧が船体に加わります。
• 船体の重量、船内の貨物や部品の重量が船体に加わります。
• 船体に風が吹きつけ、波が船体にぶつかります。
• 船が動くと、船体の抵抗、プロペラの力、船首に押し寄せる水などが追加されます。
• 船に貨物が積載されている場合、船自体の重量の何倍もの貨物が船体構造物を押し下げることがあります。
• 荒波では、暴露甲板を越えて流れ落ちたり、暴露甲板に衝突したりする水によって、甲板に（おそらく非常に大きな）荷重がかかり、上部構造やコーミングやハッチなどの甲板の他の部分に横方向の荷重がかかります。

船の構造、装備、積荷が不均一に分散されている場合、構造に大きな点荷重がかかる可能性があり、また、それらが変位した水による浮力の分布と異なる分布になっている場合は、船体に曲げ力が発生します。

船がドック入りしているときや建造されているときは、船底に等間隔で設置された支柱で支えられます。

船体の主な強度、荷重、曲げは、船体全体に作用する荷重であり、前後および上下に見られる。これは船体全体の横方向の荷重（船内の左右方向）を​​含むと考えられるが、一般的には縦方向の荷重（端から端まで）のみに適用される。船体は、単一の梁として見ると、曲がる可能性がある 。

1. 中央が下がっている、いわゆるたるみ
2. 中央に寄せて配置する、いわゆるホギング。

これには次の原因が考えられます:

• 船体、機械、貨物積載量
• 波荷重、最悪のケースは次のようになります。
  • 船の長さと同じ長さの波によるたるみ。船首と船尾でピークとなり、船体中央部で谷となる。
  • 船の長さと同じ長さの波と、船の中央部（長さのちょうど真ん中）にピークがある波によるホギング

船体の主な曲げ荷重は、通常、船の中央付近で最も高く、船首または船尾の半分を超えると非常に小さくなります。

一次強度計算では、通常、船の中央部の断面が考慮されます。これらの計算では、船体構造全体を 1 本の梁として扱い、簡略化されたオイラー・ベルヌーイの梁方程式を使用して、梁の縦曲げ強度を計算します。船体断面の慣性モーメント (技術的には、断面の 2 次モーメント) は、梁の中立軸または中心軸を見つけ、次に船体を構成するプレートまたは桁の各断面の量を合計することによって計算されます。 は材料のその断面の慣性モーメント、は断面の幅 (水平寸法)、は断面の高さ (垂直寸法)、は断面の面積、 は中立軸からのその断面の中心の垂直距離です。 ${\displaystyle I_{y}={\frac {bh^{3}}{12}}+Ad^{2}}$${\displaystyle I_{y}}$${\displaystyle b}$${\displaystyle h}$${\displaystyle A}$${\displaystyle d}$

一次強度荷重の計算では通常、船体を 1 つの区画、任意の 10 フィートのセグメント、または同様の扱いやすい細分化などの扱いやすい長さ方向のセクションに分割し、船体に沿った船の重量と浮力を合計します。各積載条件について、その船体セクション内の水の押しのけられた体積に基づいて、その船体セクションの押しのけられた水の重量または浮力が計算されます。船体の重量も同様にその長さで計算され、機器とシステムの重量も計算されます。次に、チェックされる積載条件に応じて、そのセクションに貨物の重量が追加されます。

静水中の総曲げモーメントは、浮力と船の長さに沿った総重量の差を積分することによって計算されます。

動いている船の場合、遭遇する可能性のある波を考慮して、この値に曲げモーメントが追加されます。波の高さと長さには、船の大きさを考慮した標準の式が使用されます。最悪の波は、前述のように、波の山または谷がちょうど船の中央に位置する場合です。

静水中の曲げモーメントと波荷重を含むこれらの合計曲げ荷重は、船体全体の主梁が耐えなければならない力です。

二次船体荷重、曲げ、強度は、船体の主要な長さ方向の区画または隔壁間の船体外板構造 (側面、底部、デッキ) にかかる荷重です。これらの荷重については、変位した水が船体、貨物、船体、機械の重量などを押し戻す局所的な力を受けて、この短いセクションが統合された梁としてどのように動作するかに関心があります。一次荷重とは異なり、二次荷重は単純な梁としてではなく、側面で支えられた複雑な複合パネルに適用されるものとして扱われます。

二次荷重、強度、曲げは一次荷重と同様に計算されます。変位と重量による点荷重と分散荷重を決定し、パネルの各単位面積にかかる局所的な合計力を決定します。これらの荷重により複合パネルが変形し、通常は隔壁間で内側に曲がります。これは、ほとんどの荷重が圧縮荷重で内側に向いているためです。構造の応力は、荷重と曲げから計算されます。

三次強度と荷重は、補強材間の船体プレートの個々のセクションの力、強度、曲げ応答、および個々の補強材セクションの動作です。通常、三次荷重は計算が簡単です。ほとんどのセクションでは、計算する単純な最大静水圧荷重または静水圧プラススラム荷重があります。プレートは、補強材と梁によってエッジでこれらの荷重に対して支えられています。プレート (または補強材) のたわみと追加の応力は、これらの荷重とプレートとシェルの理論から簡単に計算されます。

この図は、船の主船体（船首、船尾、デッキハウスを除く）の主要な構造要素を示しています。

1. デッキプレート（別名メインデッキ、ウェザーデッキ、ストレングスデッキ）
2. 横隔壁
3. 内底シェルプレート
4. 船底外板
5. 横フレーム（1/2）
6. キールフレーム
7. キールソン（縦桁）（4 枚中 1 枚）
8. 縦方向補強材（1/18）
9. 船体側梁

描かれている船体は、小型の二重底（ただし二重船体ではない）石油タンカー のサンプルです。

船体の特定部分にかかる総荷重は、あらゆる要因からその部分に加わるすべての一次、二次、三次荷重の合計です。簡単な計算のための典型的なテストケースは、船体の底板部分の中央、補強材の間、船体の中央付近、または中央部分、竜骨と船の側面の中間あたりです。

Det Norske Veritas、American Bureau of Shipping、Lloyd's Register of Shippingなどの船級協会は、船体荷重、強度要件、船体板の厚さ、補強用補強材、桁、その他の構造に関する標準計算フォームを確立しています。これらの方法を使用すると、特定の船舶の強度要件を迅速に見積もることができます。ほとんどの場合、これらの方法では控えめな強度値、つまり正確に要求される強度値よりも高い強度値が得られます。ただし、特定の船舶の構造を分析し、それが業界の共通基準を満たしているかどうかを確認するための詳細な出発点となります。

現代の船は、ほぼ例外なく鋼鉄で造られています。一般的に、これは降伏強度が約 32,000 ～ 36,000 psi (220 ～ 250 MPa)、引張強度または極限引張強度 (UTS) が 50,000 psi (340 MPa) を超える標準的な鋼鉄です。

今日の造船業者は、海水にさらされても耐腐食性に優れ、低温（氷点下）でも脆くならない鋼を使用しています。多くの船が冬の寒い嵐に耐えますが、低温で十分な強度を持たない古い船舶用鋼を​​使用したために、第二次世界大戦中に船が半分に割れて大西洋で沈没する事態が発生しました。

基準となる鋼種は、アメリカ船級協会が定める ABS A です。この鋼は、降伏強度が少なくとも 34,000 psi (230 MPa)、極限引張強度が 58,000 ～ 71,000 psi (400 ～ 490 MPa) で、破断するまでに 8 インチ (200 mm) の試験片では少なくとも 19%、2 インチ (50 mm) の試験片では 22% 伸びる必要があります。

鋼鉄を降伏強度まで定期的に押し込むと金属疲労が生じるため、降伏強度を超える安全係数を適用する必要があります。鋼鉄には通常疲労限度があり、これ以下では応力負荷サイクルを何回繰り返しても金属疲労や亀裂/破損は発生しません。船舶の設計基準では、一般的に、船舶にかかる通常の荷重すべてに適度な安全係数を乗じた値が、建造に使用されている鋼鉄の疲労限度を下回ると想定されています。船舶は定期的に満載で、荒天や強波の中で運航し、その耐用年数にわたって最大設計通常運航条件に何度も遭遇すると想定するのが賢明です。

疲労限界を下回る設計は、偶然にも、そして有益なことに、通常の最大動作荷重から構造の極限引張破壊までの合計安全係数を大きく（最大 6 倍以上）します。しかし、この大きな極限安全マージンが目的ではありません。目的は、想定される耐用年数を通じて、船舶の基本的な動作応力と歪みによって構造に深刻な疲労亀裂が生じないようにすることです。極限荷重条件が総破壊限界に近い船舶はほとんどありません。疲労の懸念がなければ、船舶の強度要件はいくらか低くなる可能性があります。

船の荷重と応答のかなり正確な分析を手作業で、またはスプレッドシートなどの最小限のコンピュータ支援を使用して作成することは可能ですが、構造のより詳細で強力なコンピュータ モデルを生成するために、今日では通常、 最新のCADコンピュータ プログラムが使用されます。有限要素解析ツールは、荷重が適用されたときの動作を詳細に測定するために使用されます。これらのプログラムは、人間のエンジニアが妥当な時間内に実行できるよりもはるかに複雑な曲げと点荷重の計算を処理できます。

しかし、船体の大まかな挙動を手動で計算できることは依然として重要です。エンジニアは、結果が予想の範囲内であるかどうかの一般的な現実チェックを行わない限り、コンピュータ プログラムの出力を信頼しません。さらに、構造に関する十分な情報がコンピューター分析を実行する前に、予備設計が開始されることがあります。^{[引用が必要]}

• 造船学
• 造船
• 隔壁（パーティション）
• ダブルボトム
• シェルメッキ
• ビーム
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