Bài giảng Kết cấu tàu - Phạm Thị Thanh Hương

276 trang ngocly 40

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng Kết cấu tàu - Phạm Thị Thanh Hương", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

bai_giang_ket_cau_tau_pham_thi_thanh_huong.pdf

Nội dung text: Bài giảng Kết cấu tàu - Phạm Thị Thanh Hương

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC o0o Ths. Phạm Thị Thanh Hương Bài giảng KẾT CẤU TÀU 1
LỜI NÓI ĐẦU Tàu thủy là phương tiện vận tải bằng đường thủy, là một công trình kiến trúc nổi hoạt động trên sông, hồ hay biển. Tàu luôn luôn chịu những tác động bất thường của sóng, gió, dòng chảy, các vật trôi nổi khác v.v. Do đó yêu cầu về độ bền, độ cứng vững, độ ổn định của các kết cấu trên tàu đặc biệt quan trọng trong quá trình tàu hành trình cũng như neo đậu tại bến. Kết cấu tàu là môn học nghiên cứu sự phân bố tải trọng, các hình thức kết cấu và tính toán các kết cấu cơ bản của thân tàu để đảm bảo độ bền vững của nó trong quá trình khai thác. Bài giảng “Kết cấu tàu” được biên soạn dành cho sinh viên chuyên ngành Kỹ thuật Tàu thủy, nhằm mục đích giới thiệu những kiến thức cơ bản nhất về hình thức kết cấu cơ bản của tàu nói riêng và công trình nổi nói chung. Bài giảng này không trình bày chi tiết các bản vẽ kết cấu mà chỉ trình bày những kiến thức cơ bản nhất. Bài giảng được biên soạn lần đầu nên không tránh khỏi sai sót. Rất mong bạn đọc góp ý để tác giả bổ sung, hoàn thiện nâng cao chất lượng, giúp cho sinh viên thuận lợi hơn trong quá trình học tập. Xin trân trọng cảm ơn. 2
MỤC LỤC TÊN TRANG NỘI DUNG CHƯƠNG,MỤC SỐ Chương 1 Khái quát chung về kết cấu tàu thủy 1 1.1 Khái quát về kết cấu tàu thủy 1.1.1 Các khái niệm và định nghĩa 1.1.2 Khái niệm về chi tiết kết cấu 2 1.1.3 Khảo sát chi tiết kết cấu 3 1.1.4 Khái niệm khung dàn tàu 9 1.1.5 Hệ thống khung dầm cơ cấu 12 1.1.6 Những yêu cầu cơ bản khi thiết kế kết cấu thân tàu 12 1.1.7 Các phương pháp thiết kế kết cấu thân tàu 13 1.1.8 Danh mục hồ sơ bản vẽ kết cấu thân tàu 14 1.2 Một số vấn đề trong thiết kế kết cấu tàu thủy 1.2.1 Phân loại kết cấu thân tàu 15 1.2.2 Phân tích , lựa chọn hình thức bố trí kết cấu 24 1.3 Khái quát về sức bền tàu 1.3.1 Khái niệm về sức bền tàu 27 1.3.2 Điều kiện làm việc của thân tàu 27 1.3.3 Ngoại lực gây uốn tàu 28 1.3.4 Lực cắt và mô men uốn 30 1.3.5 Ứng suất trên mặt cắt ngang thân tàu 34 1.4 Thanh tương đương 1.4.1 Khái niệm về thanh tương đương 42 1.4.2 Kiểm tra độ bền thân tàu 44 Chương 2 Nguyên tắc kết cấu 2.1 Nguyên tắc chung 47 2.2 Lỗ khoét 49 2.3 Liên kết cơ cấu 53 2.4 Khoảng sườn , mép kèm 56 2.5 Kết cấu sóng 57 3
MỤC LỤC TÊN TRANG NỘI DUNG CHƯƠNG,MỤC SỐ Chương 3 Kết cấu tàu hàng khô 3.1 Kết cấu khoang hàng 60 3.1.1 Kết cấu dàn đáy 61 3.1.2 Kết cấu dàn mạn 82 3.1.3 Kết cấu dàn boong 96 3.1.4 Kết cấu dàn vách 114 3.2 Kết cấu vùng mút 126 3.3 Kết cấu khoang máy 147 3.4 Thượng tầng – Lầu 158 3.5 Tôn bao – Tôn sàn 164 Chương 4 Đặc điểm kết cấu các loại tàu vận tải 4.1 Kết cấu tàu chở hàng lỏng 169 4.2 Đặc điểm kết cấu tàu chở hàng rời 190 4.3 Đặc điểm kết cấu tàu chở hàng Container 200 4.4 Đặc điểm kết cấu tàu chở khách 203 4.5 Đặc điểm kết cấu đội tàu công trình 204 4.6 Đặc điểm kết cấu đội tàu phụ trợ 206 Chương 5 Tính toán thiết kế các cơ cấu thân tàu 5.1 Chiều dày tối thiểu cơ cấu 208 5.2 Tôn bao 208 5.3 Tính toán các cơ cấu 5.3.1 Tính toán các cơ cấu đáy 220 5.3.2 Tính toán cơ cấu mạn 228 5.3.3 Tính toán cơ cấu boong 240 5.3.4 Tính toán cơ cấu vách 247 5.4 Một số kết cấu khác 253 Chương 6 Bản vẽ kết cấu tàu 6.1 Khái niệm về kết cấu và bản vẽ kết cấu tàu 258 6.2 Các quy ước đối với bản vẽ kết cấu 259 6.3 Các bản vẽ kết cấu 261 4
MỘT SỐ KHÁI NIỆM VÀ ĐỊNH NGHĨA CHUNG 1.Chiều dài tàu L(m) Là khoảng cách đo trên đường nước chở hàng thiết kế lớn nhất, từ mặt trước sống mũi đến mặt sau trụ bánh lái ( nếu tàu có trụ bánh lái ), hoặc đến đường tâm trục bánh lái ( nếu tàu không có trụ bánh lái ) .Tuy nhiên nếu tàu có đuôi theo kiểu tuần dương hạm thì L được đo như trên hoặc bằng 96% toàn bộ chiều dài đường nước chở hàng thiết kế lớn nhất, lấy giá trị nào lớn hơn . Đường nước chở hàng là đường nước ứng với mỗi mạn khô tính theo quy định của mạn khô. Đường nước chở hàng thiết kế lớn nhất là đường nước ứng với trạng thái toàn tải . 2. Chiều dài tàu để xác định mạn khô Lf(m) Là 96% chiều dài, đo từ mặt trước của sống mũi đến mặt sau của tấm tôn bao cuối cùng của đuôi tàu, trên đường nước tại 85% chiều cao mạn thiết kế nhỏ nhất tính từ mặt trên của dải tôn giữa đáy hoặc là chiều dài đo từ mặt trước của sống mũi đến đường tâm trục bánh lái trên đường nước đó , lấy giá trị nào lớn hơn . 3. Chiều rộng tàu B(m) Là khoảng cách nằm ngang đo từ mép ngoài của sườn mạn bên này đến mép ngoài của sườn mạn bên kia , tại vị trí rộng nhất của thân tàu . 4. Chiều rộng tàu để xác định mạn khô Bf(m) Là khoảng cách nằm ngang lớn nhất ,đo từ mép ngoài của sườn mạn bên này đến mép ngoài của sườn mạn bên kia, tại điểm giữa của chiều dài tàu để xác định mạn khô Lf . 5. Chiều cao mạn tàu D(m) Là khoảng cách thẳng đứng, đo từ mặt trên của dải tôn giữa đáy đến đỉnh xà boong mạn khô ở mạn, tại điểm giữa chiều dài tàu L. Trường hợp vách kín nước dâng lên đến boong cao hơn boong mạn khô, thì chiều cao mạn được đo đến boong vách đó . 5
6. Chiều cao mạn để tính sức bền Ds(m) Là khoảng cách thẳng đứng, đo từ mặt trên của dải tôn giữa đáy đến đỉnh xà boong thượng tầng ở mạn nếu boong thượng tầng là boong tính toán, hoặc đến đỉnh xà boong mạn khô, đo tại điểm giữa chiều dài tàu L đối với các trường hợp khác .Trường hợp không có boong ở phần giữa tàu thì chiều cao mạn được đo theo đường boong tưởng tượng được kéo dài dọc theo đường boong tính toán đi qua điểm giữa chiều dài tàu L . 7. Chiều chìm chở hàng T(m) Là khoảng cách thẳng đứng đo từ mặt trên của dải tôn giữa đáy đến đường nước chở hàng . Chiều chìm chở hàng thiết kế cao nhất d(m) Là khoảng cách thẳng đứng đo từ mặt trên của dải tôn giữa đáy đến đường nước chở hàng thiết kế lớn nhất, tại điểm giữa của L. 8. Lượng chiếm nước toàn tải W(t) Là lượng chiếm nước thiết kế ứng với trạng thái toàn tải. Trọng tải toàn phần DWT Là hiệu số giữa lượng chiếm nước toàn tải W và trọng lượng tàu không LWT. Trọng lượng tàu không LWT Là lượng chiếm nước không kể hàng hóa, dầu đốt, dầu bôi trơn, nước dằn và nước ngọt chứa trong két, lương thực, thực phẩm hành khách, thuyền viên và tư trang của họ . 9. Tốc độ của tàu V(hl/h) Là tốc độ thiết kế mà tàu có thể đạt được ở công suất liên tục lớn nhất của máy chính, chạy trên biển lặng, ở trạng thái ứng với đường nước chở hàng thiết kế lớn nhất 10. Hệ số béo thể tích Cb Là hệ số tính được khi chia thể tích chiếm nước tương ứng với W cho tích (L.B.d) 6
CHƯƠNG 1. KHÁI QUÁT CHUNG VỀ KẾT CẤU TÀU 1.1. KHÁI QUÁT CHUNG 1.1.1. Khái niệm Tàu thủy là một công trình nổi có hoặc không có động cơ, chuyên dùng để hoạt động trên biển và các vùng nước liên quan tới biển. Phần lớn con tàu có dạng thon gọn, thể tích ngâm nước lớn nhất tập trung ở giữa tàu và giảm dần về phía mũi tàu. Kết cấu tàu được chia ra hai thành phần, đó là phần thân tàu và phần thượng tầng – lầu. Thân tàu Thân tàu gồm các tấm tôn được ghép với nhau tạo thành một lớp vỏ mỏng kín nước và được gia cường ở bên trong nhờ các cơ cấu ghép vuông góc với nhau tạo thành hệ thống khung dầm của thân tàu. Để đảm bảo tính chống chìm, đảm bảo sức bền cũng như phòng nguy hiểm hỏa hoạn cho tàu, người ta phân chia tàu thành nhiều khoang, két nhờ các vách ngăn. Theo chiều dài, từ đuôi lên mũi theo hướng chuyển động, thân tàu được chia ra thành nhiều khoang, vùng nhờ các vách ngăn kín nước, kín dầu liên tục từ đáy đến boong trên cùng theo quy tắc đảm bảo tính chống chìm. Mỗi một loại tàu có yêu cầu phân khoang khác nhau. Vách khoang hàng Vách mũi Vách lái Vách khoang máy H 1.1 Phân khoang theo chiều dài tàu Vùng mút tàu là phần thuộc 0,1L tính từ mỗi mút tàu (L là chiều dài tàu). Phía trước tiên là mũi tàu, phía sau cùng là đuôi tàu (khu vực lái). Khu vực lái thường là nơi bố trí máy, thiết bị đẩy, thiết bị lái tàu .Trọng tâm buồng máy đặt cách mặt phẳng sườn giữa khoảng 0,3L về phía đuôi. Đoạn thân tàu thuộc 0,4L nằm phần giữa tàu, cách sườn giữa về mũi và đuôi một khoảng là 0,2L.Vùng còn lại là vùng trung gian chuyển tiếp. Phân khoang theo chiều rộng tàu được thực hiện bởi các vách dọc. Ngoài cùng là mạn ngoài, mạn kép và các vách dọc (nếu có). Mặt cắt ngang của thân tàu ở khu vực 7
giữa tàu có dạng gần với hình chữ nhật với hai góc phía dưới được lượn tròn. Mặt cắt ngang dần về phía mũi và lái bị thu hẹp ở phía dưới dạng gần với hình tam giác. Boong chính Boong phụ Đáy trên H 1.2 Phân khoang H 1.3 Phân khoang theo chiều cao tàu theo chiều rộng tàu Phân khoang theo chiều cao tàu được thực hiện bởi đáy và các tầng boong. Dưới cùng là đáy ngoài, đáy trên (nếu có), tiếp đến là các vách hai bên sườn mạn tàu, các tầng boong của thân chính, các tầng boong của thượng tầng . Thượng tầng – lầu Thượng tầng là kiến trúc tạo nên phòng Lầu b≤ 4 % B kín (phòng ở thuyền viên, các phòng sinh hoạt, phòng khách ) bố trí trên boong chính chạy Thượng tầng suốt từ mạn này sang mạn kia hoặc cách 1 trong 2 mạn không quá 4% chiều rộng tàu. (b≤ 4%B) H 1.4. Thượng tầng và lầu Thượng tầng có thể bố trí ở mũi, lái hay ở khu vực giữa tàu tùy thuộc yêu cầu cải thiện tính năng hành hải của tàu và để có thêm khu vực bổ sung cho trang thiết bị và sinh hoạt. Mạn và boong của thượng tầng mũi, lái hay giữa cũng có kết cấu tương tự như của thân tàu .Phía trên thượng tầng lái hay giữa thường bố trí lầu trong đó có các buồng điều khiển tàu. Lầu là kiến trúc che kín mặt boongở boong trên của boong thượng tầng biệt lập nằm cách 1 trong 2 mạn một khoảng cách lớn hơn 4% chiều rộng tàu. Hay nói khác đi, lầu là những thượng tầng chạy trên một phần chiều rộng tàu ( b > 4%B) 1.1.2. Khái niệm về chi tiết kết cấu Vỏ mỏng Phần vỏ mỏng bao gồm: Tôn vỏ bao đáy, tôn vỏ bao mạn (tạo lực nổi cho thân tàu); tôn boong, tôn mạn thượng tầng, tôn vỏ bao vách (tăng tính chống chìm, chống 8
hắt nước); dải tôn sàn boong và các dạng tôn bao sàn khác (tạo bề mặt diện tích để bố trí hàng hóa, phòng ở, phòng làm việc trên tàu). Vỏ bao đáy, mạn và sàn boong trên cùng gồm các tấm thép được hàn lại với nhau. Các tấm thép này thường được đặt sao cho chiều dài của chúng chạy dọc tàu và dãy các tấm hàn với nhau theo cạnh ngắn tạo thành dải tôn vỏ. Các dải tôn là cơ cấu trực tiếp nhận tải trọng và chúng được hàn liên kết với nhau. Dải tôn đáy nằm giữa chiều rộng tàu được gọi là ky ngang. Hai dải tôn kề với ky ngang ở hai phía là dải tôn ghép mộng. Dải tôn chuyển tiếp từ mạn sang đáy được gọi là dải tôn hông. Dải tôn trên cùng của vỏ mạn được gọi là dải tôn mép mạn. Dải tôn ngoài cùng của sàn boong được gọi là dải tôn mép boong. Giao của các tấm vỏ mạn ở mũi và lái tạo thành sống mũi và sống lái. Đây là các thanh cứng, chúng quyết định hình dáng phần mũi và đuôi tàu khi nhìn từ mạn tàu. Cơ cấu gia cường Cơ cấu gia cường là những cơ cấu được cấu tạo từ các thanh thép hình như L,U,I,T Bản thành Chúng được nối ghép vuông góc với nhau và hàn với tôn vỏ bao tàu với mục đích gia cường cho tôn vỏ bao và các dải tôn khác nhằm đảm bảo độ Bảncánh bền cục bộ cũng như độ bền chung của thân tàu. (mép) H 1.5 Cơ cấu thân tàu 1.1.3. Khảo sát chi tiết kết cấu H 1.6 Kết cấu chung thân tàu 1. Mũi tàu 7. Be chắn gió, mạn giả 13. Miệng quầy ngang 2. Boong mũi 8. Lan can, tay vịn 14. Sống mũi 3. Lầu giữa 9. Tôn mạn 15. Sống đuôi 9
4. Buồng lái 10. Đáy 16.Đường boong chính 5. Lầu lái 11. Miệng hầm hàng 17. Mối hàn dọc 6. Đuôi (vòm lái) 12. Miệng quầy dọc 18. Mối hàn ngang H 1.7 Các kết cấu tổ hợp trên tàu 1. Thượng tầng đuôi 16. Buồng máy 2. Boong trên 17. Khoang hàng 3. Boong dạo 18. Hầm xích neo 4. Boong xuồng cứu sinh 19. Két mũi 5. Boong dạo 20. Thành miệng buồng máy 6. Boong điều khiển 21. Sống đuôi 7. Boong la bàn 22. Đà ngang dâng cao 8. Thượng tầng mũi 23. Vách đuôi 9. Bong thứ hai 24. Vách kín nước 10. Buồng máy lái 25. Vách sóng 11. Hầm trục lái 26. Bệ máy 12. Két đuôi tàu 27. Đáy đôi 13. Két mạn tầu 28. Vách dọc tâm 14. Hầm trục chân vịt 29. Sống boong 15. Két sâu 30.Vách chống va 10
1. Ky, dải tôn giữa đáy 2. Sống chính đáy 3. Sống phụ đáy 4. Dầm dọc đáy dưới 5. Dầm dọc đáy trên 6. Sườn 7. Sống dọc mạn 8. Sườn khoẻ 9.Mã hông 10.Tôn đáy ngoài 11.Đà ngang 12.Tôn đáy trên 13. Vây giảm lắc 14.Tôn mạn 15.Dải tôn mép mạn 16.Nẹp mép boong 17.Dải tôn mép boong 18.Boong trên 19.Dầm dọc boong 20.Tôn mạn chắn sóng 21.Cột nẹp mạn chắn sóng 22.Lan can, tay vịn 23.Sống trên miệng hầmhàng 24.Thành dọc miệng hầmhàng 25.Cột chống 26.Xà ngang miệng hầm 27.Mã chống vặn 28.Mã 29.Mã xà 30.Tấm mặt, tấm mép 31.Lỗ người chui 32.Lỗ giảm trọng lượng 33.Lỗ đường ống chui qua 34.Sống chính đáy 35.Vách dọc 36.Tấm mặt 37.Nẹp gia cường 38.Xà phía trên 39.Xà ngang đáy trên 40.Sống phụ đáy H 1.8 Mặt cắt sườn giữa tàu 41.Sống phụ hệ thống kết cấu dọc 11
H 1.9 Mặt cắt sườn giữa tàu hệ thống kết cấu dọc 1. Sống chính 18.Xà ngang boong thứ hai 36.Vây giảm lắc 2. Sống phụ 19.Mã xà ngang 37.Mã gia cường sống chính 3. Dầm dọc đáy dưới 20.Bong thứ hai 38.Mã gia cường sống hông 4. Dầm dọc đáy trên 21.Bong trên 39.Đà ngang kín nước 5. Đà ngang đặc 22.Tấm mép boong 40.Mã gia cường đà ngang 6. Dải tôn giữa đáy 23.Mã chống vặn kín nước 7. Dải tôn liền kề với 24.Xà ngang boong 41.Nẹp đứng dải tôn giữa đáy 25.Dầm dọc boong 42.Thanh chống 8. Tôn đáy 26.Sống boong 43.Lỗ khoét cho đường hàn 9. Dải tôn hông 27.Thành miệng khoang hàng chui qua 10.Tôn mạn 28.Xà ngang boong khỏe 44.Lỗ khoét giảm trọng 11.Dải tôn đỉnh mạn 29.Sừờn khỏe lượng 12.Dải tôn mép mạn 30.Cột chống trong khoang 45.Sống hông nghiêng 13.Tôn đáy trên 31.Cột chống nội boong 46.Lỗ khoét người chui 14.Mã hông 32.Tôn mạn chắn sóng 47.Vách kín nước 15.Tấm ốp 33.Tay vịn 48.Nẹp vách 16.Sườn khoang 34.Cột nẹp mạn chắn sóng 49.Tấm đệm chân cột chống 17.Sườn nội boong 35.Nẹp nằm 12
H 1.10 Mặt cắt sườn giữa tàu hệ thống kết cấu ngang 1. Tấm tôn giữa đáy 16.Vây giảm lắc 2. Sống chính đáy 17.Tôn mạn chắn sóng 3. Dải tôn giữa đáy trên 18.Sườn 4. Sống phụ đáy 19.Mã hông 5. Sống hông 20.Mã xà ngang boong 6. Tôn đáy trên 21.Xà ngang boong 7. Tôn đáy ngoài 22.Boong trên 8. Lỗ người chui 23.Nẹp nằm 9. Đà ngang đáy 24. Cột nẹp be chắn sóng 10.Dầm ngang đáy trên 25. Thanh thép góc mép mạn 11.Dầm gang đáy dưới 26.Tay vịn mạn chắn song 12.Dải tôn hông 27.Tấm ốp lườn 13.Dải tôn mép mạn 28.Thành quây dọc miệng hầm hàng 14.Tôn mạn 29.Xà ngang miệng hầm hàng 15.Boong trên 30. Sườn khỏe 13
H 1.11 Mặt cắt sườn giữa tàu hệ thống kết cấu ngang 1. Tấm tôn giữa đáy 15.Boong trên 2. Sống chính đáy 16. Vây giảm lắc 3. Dảitôn giữađáytrên 17.Mạn giả 4. Sống phụ đáy 18.Sườn 5. Sống hông nằm ngang 19.Mã hông 6. Tôn đáy trên 20.Mã xà 7. Tôn đáy ngoài 21.Xà ngang boong 8. Đà ngang đáy 22.Boong che 9. Lỗ người chui 23.Nẹp nằm 10.Dầm ngang đáy trên 24. Thanh thép góc mép mạn 11.Dầm gang đáy dưới 25.Cột nẹp be chắn sóng 12.Dải tôn hông 26.Tay vịn 13.Dải tôn mép mạn 27.Thành quây miệng hầm hàng 14.Tôn mạn 14
1.1.4 . Khái niệm khung dàn tàu H 1.12 Khung dàn tàu 1. Khung dàn boong 4. Mã liên kết 2. Khung dàn mạn 5. Khoang két 3. Khung dàn đáy Bảng 1.1 Kết cấu khung dàn tàu Khungdàn Giới hạn theo chiều dọc Giới hạn theo chiều ngang Mạn với vách ngăn dọc gần nhất Dàn đáy Hai vách ngăn ngang kề nhau hoặc hai vách ngăn dọc kề nhau hoặc hai mạn tàu Đáy tàu và boong gần nhất Dàn mạn Hai vách ngăn ngang kề nhau hoặc hai boong kề nhau hoặc giữa đáy và boong trên cùng Mạn và vách ngăn dọc gần nhất Dàn boong Hai vách ngăn ngang kề nhau hoặc hai vách ngăn dọc kề nhau hoặc hai mạn tàu . Mạn và vách ngăn dọc gần nhất Dàn vách Các tầng boong với nhau hoặc hai vách ngăn dọc kề nhau hoặc tầng boong với đáy hoặc hai mạn tàu . Hệ khung gia cường cho lớp vỏ mỏng kín nước gồm các thanh cơ cấu chạy dọc và ngang thân tàu, liên kết với nhau và liên kết với vỏ đáy, vỏ mạn và sàn boong. Hệ khung phẳng cấu thành từ các thanh của hệ khung nằm trên cùng một mặt phẳng và liên kết cứng với nhau tại các nút. Do được liên kết cứng với nhau nên khi một thanh trong khung bị uốn sẽ gây uốn cho các thanh còn lại. 15
Khung chịu tác dụng của tải trọng nằm trong mặt phẳng khung. Các khung tham gia vào thân tàu được phân loại theo hình dạng các thanh hợp thành, đó là khung thẳng và khung cong. Khung thẳng được cấu thành từ các thanh thẳng hoặc gần thẳng. Khung cong là khung mà một phần các thanh hợp thành có dạng cong. Hệ khung dàn là hệ thống các thanh của hệ khung được hàn với nhau, hàn với lớp vỏ và với vành đế. Thanh đi theo một hướng có vai trò hỗ trợ để các thanh chạy theo hướng còn lại, và nó có độ cứng lớn hơn ta gọi là thanh giằng. Các thanh còn lại là thanh hướng chính (thanh cơ bản). Vành đế thường có dạng gần chữ nhật hoặc hình thàng. Vành đế của mỗi khung dàn do các khung dàn khác tạo thành. Các khung dàn đó nằm trong các mặt phẳng vuông góc với mặt phẳng của khung dàn đang xét. Tập hợp tất cả các dàn đáy, dàn mạn, dàn boong, dàn vách trên tàu tương ứng tạo thành đáy tàu, mạn tàu, boong tàu và vách tàu. Boong chạy suốt chiều dài và chiều rộng tàu, chỉ bị đứt đoạn ở khu vực buồng máy. Boong lửng chỉ chiếm một phần chiều dài và một phần chiều rộng tàu. Các boong và boong lửng gồm các sàn được gia cường bởi các thanh của khung và được gọi tên theo thứ tự từ trên xuống dưới: boong trên cùng là boong thứ nhất, tiếp đến là boong thứ hai v.v cho đến boong dưới cùng. Mạn giả là các kết cấu không kín nước ở trên boong trên cùng theo mép mạn có độ cao xấp xỉ 1m, được gia cường bởi các cột ở giữa thượng tầng mũi và thượng tầng giữa cũng như giữa thượng tầng giữa và thượng tầng lái. Kết cấu này nhằm nâng cao độ an toàn cho thuyền viên, chống hắt nước lên boong trong điều kiện sóng gió, đảm bảo an toàn hàng hóa trên boong. Phần mũi tàu thông thường có mạn giả dù thượng tầng mũi có hoặc không. Lan can tay vịn gồm các cột đỡ cho dãy các dây cáp hoặc ống để bảo vệ cho thuyền viên không rơi ra khỏi mạn. Các vách ngăn là kết cấu phẳng dạng tấm được gia cường, phân chia thân tàu thành các khoang. Vách ngăn kín nước, kín dầu phân chia thân tàu thành các khoang riêng biệt. Vách ngăn song song với mặt cắt dọc tâm của tàu gọi là vách dọc. Vách ngăn nằm trong các mặt cắt ngang của tàu gọi là vách ngang. Vách ngăn ngang đầu tiên tính từ mũi là vách chống va mũi. Phần không gian giới hạn bởi vách chống va mũi và hai mạn gọi là khoang chống va mũi. Vách ngăn ngang sau cùng tính từ mũi là vách chống va lái. Phần không gian giới hạn bởi vách chống va lái và hai mạn gọi là khoang chống va lái. 16
1.1.5. Hệ thống khung dầm cơ cấu Vỏ tàu được gia cường bởi các thanh cơ cấu giao nhau chạy dọc và ngang thân tàu tạo thành hệ khung dầm cơ cấu. Các cơ cấu ngang tạo thành hệ khung dầm ngang, các thanh dọc tạo thành hệ khung dầm dọc. Các cơ cấu ngang gia cường vỏ đáy là các đà ngang đáy, gia cường vỏ mạn là các sườn, gia cường sàn boong là các xà ngang. Sườn khỏe, xà khỏe có kích thước lớn hơn so với các cơ cấu cùng tên. Chúng được đặt xen kẽ với các sườn , xà cơ bản. Các đà ngang đáy, sườn và xà ngang thường được đặt trong cùng các mặt cắt ngang thân tàu và chúng liên kết với nhau nhờ các mã tạo thành khung sườn. Mã hông liên kết các sườn với đà ngang đáy. Mã xà liên kết các sườn với xà ngang. Các cơ cấu dọc thường cắt các cơ cấu ngang dưới các góc xấp xỉ 90°. Cơ cấu dọc cắt các đà ngang đáy là dầm dọc đáy. Cơ cấu dọc đặt tại mặt cắt dọc tâm tàu là sống chính đáy (ky đứng). Các dầm dọc nằm gần mạn nhất được đặt tại hông tàu là ky hông. Cơ cấu dọc đỡ các sườn là sống dọc mạn. Cơ cấu dọc đỡ các xà ngang là sống dọc boong. Nẹp dọc là cơ cấu dọc có kích thước nhỏ hơn sống và dầm nhằm tăng độ ổn định cho các tấm vỏ và sàn. Phần lớn đà ngang đáy và sống dọc đáy có cùng chiều cao và được phủ phía trên bởi sàn kín nước tạo thành đáy trong. Đáy trong cùng với đáy ngoài tạo thành đáy đôi . Các cơ cấu dọc thường được đỡ bởi các vách ngăn ngang . Các vách ngăn ngang bao gồm các cơ cấu thẳng đứng gọi là các nẹp đứng . Nếu độ cao các nẹp đứng lớn thì cần gia cường bởi các nẹp ngang gọi là nẹp nằm. Ngoài ra còn có các cơ cấu dọc có kích thước lớn hơn cơ cấu cùng loại nhằm tăng độ ổn định cho các tấm vỏ và sàn, đó là các nẹp dọc . Thông thường các cơ cấu của các dàn trong cùng hệ thống dầm cơ cấu phải được bố trí trong cùng một mặt phẳng và liên kết chắc chắn với nhau để tạo thành các khung cứng hoặc khung khỏe của tàu. 17
Bảng 1.2 Hệ thống cơ cấu Loại Dàn tàu Cơ cấu dọc Cơ cấu ngang Cơ cấu Dầm dọc đáy (tàu đáy đơn) Đà ngang thường Dầm dọc đáy trong Đà ngang khung Thường Dầm dọc đáy ngoài (đáy đôi) Đà ngang giảm nhẹ Sống phụ giảm nhẹ (thay dầm dọc) Đáy Sống chính đáy Đà ngang kín nước Khỏe Sống hộp thay cho sống chính Đà ngang khỏe Sống phụ đáy cơ bản (đà ngang đặc Sống phụ đáy bổ sung . đà ngang đầy) Thường Xà dọc mạn ( dầm dọc mạn) Sườn thường Mạn Khỏe Sống dọc mạn Sườn khỏe Boong Xà ngang boongthường Thường Xà dọc boong Xà ngang boong cụt Xà ngang boong khỏe Khỏe Sống dọc boong Bán xà ngang boong khỏe (dầm công xon) Vách Thường Nẹp nằm Nẹp đứng Khỏe Sống nằm vách dọc Sống đứng vách dọc . Bảng 1.3 Hệ thống khung dầm cơ cấu Loại khung dầm Cơ cấu Đà ngang thường Khung cứng Sườn thường , Nẹp đứng Xà ngang boong thường Khung ngang Đà ngang đầy Khung khỏe Sườn khỏe , Sống đứng Xà ngang boong khỏe Dầm dọc đáy , Khung cứng Nẹp đứng vách ngang Xà dọc boong Khung dọc Sống chính (sống phụ) Khung khỏe Sống đứng vách, Sống boong Nẹp khỏe vách ngang Xà dọc mạn Khung cứng Nẹp nằm vách ngang Nẹp nằm vách dọc . Khung nằm Sống mạn , Vách dọc . Khung khỏe Sống nằm của vách ngang 18
1.1.6 . Những yêu cầu cơ bản khi thiết kế kết cấu thân tàu Tính an toàn Dưới tác dụng của ngoại lực, tàu phải đảm bảo độ bền, độ cứng và độ ổn định cần thiết. Hay nói khác đi, các kết cấu với chức năng của mình hoạt động bình thường trong quá trình khai thác tàu. Ngoài ra các kết cấu cần phải có độ dự trữ bền cần thiết. Tính sử dụng Việc bố trí kết cấu và lựa chọn kích thước kết cấu phải phù hợp với yêu cầu kinh doanh, yêu cầu khai thác và sử dụng tàu. Nghĩa là các kết cấu không làm mất dung tích chứa hàng, không cản trở thao tác cho việc xếp dỡ hàng hóa, không cản trở thao tác của các thuỷ thủ, thuyền viên và hành khách trên tàu. Tính hoàn chỉnh Vì con tàu là một kiến trúc phức tạp nổi trên mặt nước nên việc bố trí thiết kế kết cấu phải đồng bộ với bố trí tổng thể và bố trí thiết bị, tạo nên một thể thống nhất hoàn chỉnh, đảm bảo hoạt động ăn khớp của tất cả các bộ phận trên tàu. Tính công nghệ Phải đảm bảo khả năng áp dụng quy trình công nghệ tiên tiến đồng thời phải phù hợp với các điều kiện thực tế trong và ngoài nước. Khi thiết kế phải đảm bảo thi công dễ dàng, giảm nhẹ cường độ lao động và nâng cao năng suất lao động, tiện lợi trong sửa chữa và bảo dưỡng. Áp dụng rộng rãi các phương pháp hàn, cắt kim loại bằng cơ giới hóa, giảm khối lượng công việc điều chỉnh trong lắp ráp và hàn. Tính thẩm mỹ hiện đại Kết cấu phải tạo cho con tàu có kiểu dáng đẹp, hấp dẫn, kết cấu hiện đại phù hợp trình độ phát triển của khoa học kĩ thuật và thị hiếu khách hàng . Tính kinh tế Phải tối ưu hóa trong thiết kế để tiết kiệm nguyên vật liệu, giảm khối lượng kết cấu nhằm giảm trọng lượng tàu không tới mức tối ưu, giảm giá thành đóng mới tới tối thiểu, cho giá trị kinh tế là cao nhất . Các yêu cầu trên có quan hệ mật thiết với nhau. Vì vậy nhiệm vụ của người thiết kế là phải dung hòa một cách hợp lý nhất các mâu thuẫn trong thiết kế và quyết định sự hoàn thiện của các kết cấu thân tàu cũng như hiệu quả kinh tế kỹ thuật và khai thác tàu . 19
1.1.7. Các phương pháp thiết kế kết cấu thân tàu Thiết kế theo tàu mẫu Phương pháp này chủ yếu dựa vào hình thức kết cấu, kích thước kết cấu, thực tế hàng hải của tàu mẫu, kết hợp với kinh nghiệm thiết kế và kiến thức lý thuyết thiết kế tính chuyển cho tàu mới.Tàu mẫu thường là tàu cùng kiểu với tàu thiết kế có các thông số cơ bản khá sát với điều kiện khai thác, hệ thống kết cấu tương tự. Cần tránh sự lặp lại, copy trực tiếp làm giảm hiệu quả phương pháp tính toán . Phương pháp này chủ yếu dựa vào tàu mẫu và kinh nghiệm nên việc lựa chọn và phân tích tàu mẫu thích hợp là cần thiết có tính chất quyết định. Thiết kế theo phương pháp này nhanh, độ tin cậy cao, áp dụng thiết kế các loại tàu thông thường. Thiết kế theo quy phạm kết cấu thân tàu Quy phạm kết cấu thân tàu tập hợp được những kinh nghiệm trong thiết kế kết cấu, trong chế tạo, sửa chữa và sử dụng tàu. Phương pháp này đơn giản, thực dụng, thường đảm bảo được sức bền thân tàu và được ứng dụng rộng rãi trong thiết kế tàu dân dụng. Tuy nhiên hạn chế của nó là kết cấu thường lạc hậu, đối với loại tàu mới có kích thước và tính năng đặc biệt, cần phải xét riêng biệt. Bên cạnh đó, nhược điểm cơ bản của mọi quy phạm là các kích thước đảm bảo điều kiện bền của các liên kết thân tàu được xác định chỉ theo kích thước chính. Điều này không tính đến các đặc thù riêng ảnh hưởng đến sự lựa chọn kích thước kết cấu và liên kết tàu. Ví dụ , mô men uốn chung thân tàu thay đổi phụ thuộc vào cách xếp hàng, vị trí buồng máy, nhiên liệu, dự trữ, tuyến hình . Thiết kế theo tính toán lý thuyết Do hình dáng của thân tàu, các loại máy và bố trí trên tàu không giống nhau. Đặc biệt đối với tàu cỡ lớn, các loại tàu đặc biệt, quy phạm không thể bao gồm tất cả những đặc trưng đó. Vì vậy cần phải vận dụng những kiến thức về cơ học kết cấu xây dựng mô hình, dùng phương pháp tính toán sức bền để thiết kế kết cấu thân tàu. Hiện nay, nhờ máy tính điện tử, việc ứng dụng phương pháp tính toán sức bền trong thiết kế kết cấu thân tàu đang ngày càng hoàn thiện. Phương pháp thết kế này áp dụng để thiết kế các loại tàu mới, tàu đặc biệt Và đặc biệt áp dụng nó kiểm tra lại kết cấu sau khi đã thiết kế theo quy phạm. Tuy nhiên khối lượng tính toán theo phương pháp này lớn, phức tạp. Tóm lại, căn cứ vào đặc điểm tàu mà đưa ra lựa chọn phương pháp thiết kế thích hợp nhất. Đối với tàu dân dụng thông thường, chủ yếu dựa vào quy phạm để thiết kế kết cấu thân tàu. Khi cần thiết, có thể dùng phương pháp tính toán sức bền để kiểm nghiệm nhằm bổ sung những điểm chưa hoàn hảo của quy phạm. 20
1.1.8 Danh mục hồ sơ, bản vẽ chủ yếu của kết cấu thân tàu 1. Mặt cắt ngang . 2. Kết cấu cơ bản . 3. Phân chia tổng đoạn . 4. Bản vẽ tổng đoạn . 5. Đường sườn . 6. Tôn vỏ . 7. Tôn boong . 8. Sống mũi . 9. Sống lái . 10. Kết cấu mũi . 11. Kết cấu lái . 12. Kết cấu đáy . 13. Kết cấu mạn . 14. Kết cấu boong . 15. Kết cấu vách . 16. Kết cấu vòm trục chân vịt 17. Thành chắn sóng . 18. Kết cấu kiến trúc thượng tầng . 19. Bố trí và kết cấu cột chống . 20. Bệ máy chính . 21. Bệ nồi hơi . 22. Bệ máy phụ . 23. Kết cấu gỗ trong khoang và trên boong. 24. Bảng tính vật liệu thân tàu . 25. Thuyết minh kết cấu thân tàu . 26. Thuyết minh nguyên tắc công nghệ lắp ráp thân tàu . 27. Bản tính kết cấu . 28. Bản tính sức bền . 29. Bản kê hồ sơ , bản vẽ . 21
1.2. MỘT SỐ VẤN ĐỀ TRONG THIẾT KẾ KẾT CẤU TÀU 1.2.1. Phân loại tàu Phân loại tàu theo khu vực hoạt động Khu vực biển Tàu được thiết kế theo quy phạm phân cấp và đóng tàu biển vỏ thép cấp không hạn chế hoặc cấp hạn chế tương ứng của tàu (cấp I,II, III). Tàu hoạt động biển cấp không hạn chế (tàu viễn dương) có thể hoạt động trong bất kỳ khu vực biển nào trên thế giới. Hành trình tàu lớn trong tình hình biển phức tạp nên yêu cầu kết cấu tàu tương đối cao. Tàu hoạt động biển cấp hạn chế I được phép hoạt động trong vùng biển hở như biển Đông, khoảng cách từ tàu tới nơi trú ẩn gần nhất không quá 200 hải lý và khoảng cách giữa các nơi trú ẩn không quá 400 hải lý, với chiều cao sóng h3% cho phép không quá 8,5m. Hoặc tàu chạy trong vùng biển kín mà phạm vi hoạt động theo quy định của quy phạm phân cấp và an toàn biển Việt nam. (Nơi trú ẩn của tàu là vùng nước tự nhiên hoặc nhân tạo được bảo vệ mà tàu có thể trú ở đó trong trường hợp sự an toàn của tàu bị đe dọa). Tàu hoạt động biển cấp hạn chế II được phép hoạt động trong vùng ven biển hở, khoảng cách từ tàu tới nơi trú ẩn gần nhất không quá 50 hải lý và khoảng cách giữa các nơi trú ẩn không quá 100 hải lý, với chiều cao sóng h3% cho phép không quá 6,00 m. Hoặc tàu chạy trong vùng biển kín theo phạm vi hoạt động do Đăng kiểm quy định. Cấp hạn chế III cho phép tàu hoạt động trong vùng ven biển, khoảng cách từ tàu tới nơi trú ẩn gần nhất không quá 20 hải lý, với chiều cao sóng h3% cho phép không quá 3,00 m. Hoặc tàu chạy trong vịnh mà phạm vi hoạt động do Đăng kiểm quy định . Khu vực nội địa Tàu hoạt động trong khu vực nội địa là các tàu hoạt động trong sông hồ, cảng thuộc nội thủy mà cấp tàu do từng quốc gia quy định và được thiết kế theo quy phạm tàu sông. Ở nước ta, căn cứ vào mức độ sóng gió của từng khu vực các sông hồ cụ thể mà phân cấp tàu. Hiện nay Đăng kiểm Việt nam phân tàu nội thủy làm hai cấp là tàu sông cấp I và tàu sông cấp II. Tàu sông cấp I (SI) được phép hoạt động ở những vùng nước có chiều cao sóng h1% cho phép không quá 2,0m.Tàu sông cấp II (SII) được phép hoạt động ở những vùng nước có chiều cao sóng h1% cho phép không quá 1,2m. Khu vực đặc biệt Tàu hoạt động ở những khu vực đặc biệt như trong vùng băng giá, vùng nước cạn, vùng nước chảy xiết Loại tàu này được thiết kế theo quy phạm tương ứng có tính đến các biện pháp gia cường. 22
Phân loại theo chiều cao mạn khô của tàu Theo chiều cao mạn khô, chia ra tàu boong hở và tàu boong kín. Tàu boong hở thường là tàu một boong, mạn khô thấp, boong liên tục trên cùng đồng thời là boong vách. Tỷ số kích thước chiều dài tàu (L),chiều cao mép boong (D) và mớn nước(d) tương đối lớn, nên đòi hỏi sức bền cao, kích thước kết cấu tương đối lớn. Tàu loại này thường dùng để chở hàng nặng . Tàu boong kín thường có kết cấu hai boong trở lên. Boong liên tục trên cùng là boong kín nước và được coi là boong chịu lực. Boong liên tục dưới cùng là boong vách. Tàu có chiều cao mép boong D và mạn khô T tương đối cao. Như vậy, nếu tàu có cùng chiều dài thì trị số T/H và L/H của tàu boong kín nhỏ hơn tỷ số tương ứng của tàu có mạn khô tối thiểu. Do đó kích thước yêu cầu của kết cấu cũng nhỏ hơn. Loại tàu này thường dùng chở hàng nhẹ. Phân loại theo hình thức kết cấu đáy Theo hình thức kết cấu đáy, chia ra hai loại tàu đáy đơn và tàu đáy đôi. Kết cấu đáy đơn được áp dụng cho các khoang mũi và lái, và cho các khoang của tàu có chiều dài L nhỏ (khoảng 30 ÷ 40 m) . Kết cấu đáy đôi được ứng dụng trên các tàu chở hàng khô, tàu khách thông thường, tàu dầu. Phân loại theo loại hàng chuyên chở và đối tượng phục vụ Đội tàu chở hàng khô (Cargo ship) Đội tàu chở hàng khô bao gồm tàu chở hàng rời, hàng thùng, tàu RoRo, tàu chở xà lan, chở gỗ, chở xe - thiết bị, chở hàng đông lạnh Tàu chở hàng rời (Bulk carrier) được chuyên nghiệp hóa để vận chuyển quặng, than đá, khoáng sản, các loại hạt rời không đóng gói, bao gồm tàu OO (Ore – Oil), tàu OBO (Ore – Bulk- Oil), tàu OSO (Ore – Slurry - Oil) Tàu OO chở quặng lúc đi, lúc về chở dầu. Tàu OBO chở quặng ,hàng rời lúc đi và về chở dầu hoặc ngược lại. Tàu chở hàng thùng (Container)với vận tốc khai thác khá lớn, từ 20 ÷25 hl/h . Tàu chở xà lan (Barge carrier) nhiều nhất là tàu LASH(Lichter Abrood ship), chở các sà lan không tự hành , sức chở mỗi sà lan từ 370 ÷ 850 tấn. Nhóm LASH dùng cần cẩu di động sức nâng 500T, 1000T dịch chuyển sà lan dọc tàu . Tàu chở gỗ (Timber carrier). Tàu chở hàng đông lạnh (Refrigerated cargo ship) chuyên chở từ rau quả đến thịt cá, thực phẩm. Nhiệt độ buồng lạnh có thể từ +5°C đến -25°C . Tàu chuyên chở xe, thiết bị (Car carrier). Đội tàu chở hàng lỏng 23
Đội tàu chở hàng lỏng bao gồm tàu dầu, tàu chở xô khí hóa lỏng và tàu chở xô hóa chất nguy hiểm. Tàu dầu (Tanker) chở sản phẩm dầu chạy sông, chạy biển.Tàu dầu được đóng mới hoặc được hoán cải để chở xô hàng lỏng dễ bốc cháy, trừ các tàu chở xô khí hóa lỏng hoặc hóa chất nguy hiểm Tàu chở xô khí hóa lỏng (Liquefied gas carriers) là tàu hàng được đóng mới hoặc hoán cải để chở xô khí hóa lỏng, gồm khí thiên nhiên LNG, khí thuộc ngành dầu khí LPG. Các khí được nén và làm lạnh đến – 161,5°C khi vận chuyển. Tàu chở xô hóa chất nguy hiểm (Chemical carrier)là tàu hàng được đóng mới hoặc hoán cải để chở xô hóa chất nguy hiểm. Đội tàu chở khách Là tàu chở nhiều hơn 12 khách. Hành khách là bất kỳ người nào có mặt trên tàu, trừ thuyền trưởng, thuyền viên hoặc những người làm việc trên tàu và trẻ em dưới 1 tuổi. Đội tàu khách bao gồm phà, tàu khách, tàu hàng – khách Phà (Ferry car) đưa người qua lại trên tuyến đường ngắn. Tàu khách tuyến cố định (Linear), tuyến đường dài. Tàu du lịch chở khách tuyến ngắn, số lượng khách trên tàu không lớn. Tàu khách du lịch cao tốc, tàu cánh ngầm. Tàu hàng – khách chở người cùng hàng hóa. Tàu chạy tuyến cố định thường có kích thước lớn, trang bị tiện nghi đầy đủ, trọng tải có thể đến 70.000T và lượng khách đến 1500 ÷ 2000 người. Đội tàu chuyên ngành (Tàu công tác trên biển, trong cảng ) Nhóm này đa dạng, chuyên sâu vào một số lĩnh vực kỹ thuật, gồm: Đội tàu kỹ thuật (Dredger): Tàu cuốc, tàu hút bùn làm công tác nạo vét luồng lạch, cảng. Đội tàu công trình (Buoy vessel): Các ụ nổi, các trạm hải đăng, tàu thả phao, đảm bảo an toàn hàng hải. Tàu đặt cáp ngầm (Cable layer) Đội tàu phục vụ, phụ trợ như tàu kéo đẩy- lai dắt (Tug); tàu cứu hộ- tàu chữa cháy (Salvage vessel); tàu hoa tiêu (Pilot craft). Đội tàu phục vụ khai thác dầu khí trên thềm lục địa (Off shore vessels) Đội tàu này bao gồm các tàu làm dịch vụ cung ứng (Supply ship); tàu đặt ống ngầm (Pipe layer); cần cẩu nổi (Crane barge); giàn khoan nổi, giàn nửa chìm (Semisubmersible drill rig); giàn tự nâng (Jack – up rig); tàu khoan (Drill ship) và các công trình nổi phục vụ sản xuất trên biển (Production plat forms). Đội tàu khai thác , đánh bắt hải sản và nghiên cứu biển 24
Đội tàu này gồm tàu công nghiệp hải sản, tàu đánh cá - đánh tôm, tàu chế biến cá, tàu thăm dò tài nguyên, tàu thu mua hải sản Tàu công nghiệp hải sản là tàu dùng để đánh và chế biến cá hoặc chỉ chế biến cá và các hải sản khác, có số nhân viên chuyên môn ở trên tàu lớn hơn 12 người (tàu chế biến cá thu, đánh cá voi, đánh cá mòi, tàu ướp lạnh, trạm nổi chế biến cá hộp, chế biến bột cá, chế biến cá voi, tàu chở công nhân chế biến cá, công nhân đánh cá voi, công nhân công nghiệp đồ hộp trên tàu) và những tàu tương tự. Tàu đánh cá là tàu được dùng trực tiếp để đánh bắt cá, gồm các loại cá kể cả cá voi, hải báo, hải mã, cũng như các hải sản khác ) . Đội tàu công tác hoạt động trên nguyên tắc khí động học Đội tàu này gồm có tàu cánh ngầm (Hydrofoil craft) và tàu trên đệm khí (Hovercraft ). Sà lan Sà lan là tàu biển, không tự chạy, được dự định để chở hàng trong các khoang hàng, trên boong, hoặc trong các két liền với kết cấu thân tàu. Các đội tàu khác Gồm có: tàu quân sự, tàu cao tốc, tàu có chức năng đặc biệt Tàu có chức năng đặc biệt là tàu có trang bị chuyên dụng liên quan tới công dụng của tàu, có số công nhân chuyên môn lớn hơn 12 người. Nhóm này gồm những tàu nghiên cứu khoa học, tàu thám hiểm, tàu thủy văn, tàu cứu hộ và các tàu tương tự. Phân loại theo vật liệu đóng thân tàu Dựa vào vật liệu đóng tàu, chia tàu ra hai loại: tàu đóng bằng vật liệu kim loại và tàu đóng bằng vật liệu phi kim loại. Đa số các loại tàu đóng bằng vật liệu kim loại như thép các bon thường, thép có độ bền cao, hợp kim nhôm. Tàu vận tải thông dụng, tàu dân dụng thông thường kết cấu thép các bon thường là loại thép các bon chứa từ 0,15% đến 0,23% các bon cùng lượng Mangan Mn cao, thành phần lưu huỳnh S và phốt pho P ở mức thấp nhất nhỏ hơn 0,05% . Tính chất cơ 2 2 học của thép: độ giãn dài ≥ 22% ; σ ch ≥ 235 N / mm , σ b = 400 ÷ 520 N / mm Theo TCVN 6259 - 7:1997có 4 cấp thép chất lượng khác nhau:KA, KB, KD, KE Thép các bon thông thường (thép xây dựng) ký hiệu bằng CT & các số đi sau chỉ độ bền kéo tính bằng daN/mm2 .Thép nhóm này có thể là: CT31, CT33, CT34, CT38, CT42, CT51, CT61. Thép các bon chất lượng tốt ký hiệu bằng C & các số đi sau chỉ hàm lượng C tính bằng phần vạn 1:10000. Ví dụ thép của nhóm: C5, C8, C10, C15, C20, C25, C30, 25
C40, C70, C85. Thép công cụ ký hiệu bằng CD (CD70, CD80, CD90, CD100, CD120). Thép hợp kim ghi: 10Mn2Si ; 9Mn2 , 10SiMnPb, 100Cr2 Thép đóng tàu theo quy định ΓOCT 5521-50 của Liên Xô gồm CT.3C, CT.4C 2 2 Mác thép CT.3C có : σ ch ≥ 220 MN / m ;σ b = 380 ÷ 470 MN / m 2 2 Mác thép CT.4C có : σ ch ≥ 240 MN / m ;σ b = 420 ÷ 520 MN / m Tàu kết cấu thép có độ bền cao: tàu cao tốc, tàu quân sự, tàu có tính năng đặc biệt. Hiện nay còn ứng dụng thép có độ bền cao để đóng các loại tàu vận tải thông thường, thượng tầng các loại tàu, cho phép giảm chiều dày tấm và khối lượng tàu, nâng cao tốc độ tàu. Theo tiêu chuẩn được các nước chấp nhận và TCVN, thép có độ bền cao dùng trong đóng tàu được phân cấp thành 3 mức 32, 36, 40. Mỗi mức bền được chia làm 4 cấp: KA, KD, KE, KF. Tính chất cơ học của Thép có độ bền cao như 2 2 sau : KA 32, KD 32, KE 32, KF 32 có σ ch ≥ 315 N / mm ;σ b = 440 ÷ 590 N / mm 2 2 KA 36, KD 36, KE 36, KF 36 có σ ch ≥ 355 N / mm ;σ b = 490 ÷ 620 N / mm 2 2 KA 40, KD 40, KE 40, KF 40 có σ ch ≥ 390 N / mm ;σ b = 510 ÷ 650 N / mm Chiều dày các tấm hoặc chiều dày thành thép hình của 3 cấp A,B,D không quá 50 mm. Chiều dày tối đa cấp E chỉ được tính 100 mm. Thép cán thuộc cấp A, B có chiều dày bất kỳ. Thép cấp D chiều dày đến 25 mm có thể là thép lắng và xử lý hạt mịn. Thép cấp D chiều dày lơn hơn 35 mm qua lắng và xử lý hạt mịn còn phải chịu thử va đập . Hợp kim nhôm dùng trong kết cấu thượng tầng các tàu vận tải, làm giảm trọng lượng tàu dùng cho xuồng cứu sinh, tàu du lịch nhỏ, xuồng công tác, tàu quân sự . Nhóm tàu đóng bằng vật liệu phi kim loại gồm: tàu vỏ gỗ, tàu xi măng, tàu đóng bằng chất dẻo, nhựa Composit. Tàu vỏ gỗ thường là tàu vận tải cỡ nhỏ (nhỏ hơn 500 tấn) có chiều dài không quá 60 m, dùng đánh bắt hải sản, đánh cá ven sông, vận chuyển đường sông ngắn . Kết cấu tàu có loại hoàn toàn dùng gỗ hoặc kết cấu khung sườn thép kết hợp vỏ gỗ. Tàu xi măng lưới thép dùng làm tàu kéo sông, tàu khách, sà lan sông và ven biển. Tàu bê tông cốt thép dùng làm cầu tầu nổi, các công trình nổi tĩnh tại để sửa chữa, hoán cải tàu (Loại này hầu như không còn dùng). Công nghiệp chất dẻo phát triển nhanh chóng. Ngoài việc dùng chất dẻo làm đồ trang trí và dụng cụ sinh hoạt trên tàu, chất dẻo đang từng bước được sử dụng làm kết cấu thân tàu. Hiện nay, loại kết cấu này chỉ giới hạn sử dụng trong các loại xuồng nhỏ như xuồng cứu sinh, du lịch, tàu cá, tàu quân sự. Loại này không bị mòn gỉ theo thời gian, tính công nghệ cao. 26
Phân loại theo hình thức kết cấu Tùy theo điều kiện làm việc của tàu, cần có các hình thức bố trí cơ cấu của tàu hợp lý, tức là lựa chọn hệ thống kết cấu tàu sao cho số lượng các cơ cấu là ít nhất, thi công và công nghệ thuận tiện nhất nhưng vẫn đảm bảo độ bền vững cho tàu. Hiện nay thường sử dụng bốn loại hệ thống kết cấu, đó là hệ thống kết cấu ngang, hệ thống kết cấu dọc, hệ thống kết cấu dạng liên hợp, hệ thống kết cấu hỗn hợp. Hệ thống kết cấu ngang Cơ cấu ngang H 1.13a Sơ đồ hệ thống H 1.13b Sơ đồ hệ thống kết cấu ngang kết cấu dọc Tàu được thiết kế theo hệ thống kết cấu ngang khi mà các cơ cấu ngang đóng vai trò chủ yếu, có số lượng nhiều hơn cơ cấu dọc. Hay nói cách khác, ô tấm được giới hạn bởi các cơ cấu gia cường có dạng hình chữ nhật mà chiều dài của nó hướng theo chiều ngang tàu. Các thanh cơ cấu ngang có kích thước nhỏ gọi là các thanh hướng chính. Các thanh cơ cấu dọc đỡ cơ cấu ngang có kích thước lớn, gọi là các thanh giằng Hệ thống kết cấu ngang thường được áp dụng kết cấu vùng mũi và đuôi tàu, cho tàu vận tải cỡ nhỏ và trung, tàu công trình, tàu phục vụ, tàu phụ trợ hoạt động ở sông. Những tàu này có chiều dài nhỏ, chủ yếu chịu tải trọng ngang (như áp lực của nước ,các lực va chạm theo phương ngang tàu) và chịu mô men uốn dọc thân tàu nhỏ. Hệ thống kết cấu dọc Hệ thống kết cấu dọc là hệ thống trong đó các cơ cấu dọc đóng vai trò chủ yếu, có số lượng nhiều hơn nhưng kích thước nhỏ hơn các cơ cấu ngang. Hệ thống kết cấu dọc áp dụng cho tàu vận tải biển, tàu dầu cỡ lớn , tàu cao tốc, những tàu có chiều dài lớn, có tỷ số L/B lớn. Những tàu này chịu mô men uốn dọc lớn, bố trí nhiều cơ cấu dọc để tăng độ bền dọc chung thân tàu. Hệ thống kết cấu dạng liên hợp (hệ thống kết cấu ô vuông) 27
Trong hệ thống này, ô tấm có dạng gần như vuông. Hệ thống kết cấu này không có lợi về trọng lượng, không phù hợp về độ cứng tấm song vẫn phải sử dụng để giải quyết độ bền cục bộ của tàu . Hệ thống kết cấu dạng liên hợp chỉ áp dụng gia cường cục bộ, dùng cho kết cấu đáy của tàu chở hàng nặng hoặc kết cấu boong đỡ thiết bị nặng. Hệ thống kết cấu hỗn hợp Hệ thống kết cấu hỗn hợp là hệ thống kết cấu áp dụng cả hai loại hệ thống kết cấu ngang và dọc tại các vùng khác nhau của tàu để phù hợp với điều kiện làm việc từng vùng.Thông thường vùng giữa tàu chịu mô men uốn dọc lớn nên áp dụng hệ thống kết cấu dọc cho boong và đáy còn mũi, đuôi và mạn tàu chịu tải trọng ngang là chủ yếu nên áp dụng hệ thống kết cấu ngang. Hệ thống kết cấu này áp dụng phổ biến cho tàu dầu, tàu hàng khô cỡ trung và cỡ lớn. 1. Sống dọc boong 2.Tôn boong trên 3. Xà dọc boong (Nẹp dọc boong ) 4,8.Xà ngang boong 5. Mã xà ngang 6. Sườn mạn 7. Tôn boong hai 9. Tôn mạn 10. Mã hông 11. Sống chính 12. Sống phụ 13. Dầm dọc đáy (Nẹp dọc đáy) 14. Đà ngang đặc 15. Đáy trong (Đáy trên ) 16. Tôn đáy 17. Vách ngang 18. Nẹp vách H 1.14a Hệ thống kết cấu hỗn hợp tàu hàng khô 19. Cột chống 28
1. Xà ngang boong 7. Tôn đáy trên 13. Dải tôn hông 2. Sườn thường 8. Tôn boong chính 14. Dải tôn mép boong 3. Đà ngang 9. Tôn boong hai 15. Dải tôn mép mạn 4. Sống phụ 10. Tôn boong ba 16. Mã xà liên kết 5. Sống chính 11. Thành quay miệng hầm hàng 6. Sống hông 12. Tôn đáy ngoài H 1.14b Hệ thống kết cấu ngang tàu vận tải 1. Các boong 6. Đà ngang đáy 2. Vách ngang 7. Sống dọc mạn 3. Sườn thường 8. Xà dọc boong 4. Sườn khỏe (Chỉ có trong buồng máy) 9. Sống mũi 5. Xà ngang boong 10. Sống lái 29
H 1.14c Hệ thống kết cấu dọc tàu dầu 1. Boong 5. Xà ngang boong khoẻ 8. Nẹp dọc boong 2. Vách ngang 6. Đà ngang đáy 9. Xà dọc mạn 3. Sườn thường 7. Vách dọc 10. Boong dâng mũi 4. Sườn khỏe 11. Boong lầu lái . 30
1.2.2. Phân tích , lựa chọn hình thức bố trí kết cấu So sánh hai hình thức kết cấu dọc và ngang Hệ thống kết cấu ngang đã ra đời từ rất lâu, từ thời đại của tàu gỗ xa xưa và tồn tại đến nay với những ưu điểm riêng của nó. Hệ thống kết cấu dọc mới xuất hiện ở những thập niên đầu của thế kỷ 20, song những ưu điểm nổi bật của nó vẫn được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trong đóng tàu. Việc lựa chọn hình thức bố trí kết cấu tàu phụ thuộc rất nhiều yếu tố như độ bền, độ ổn định, điều kiện thi công, mục đích sử dụng cũng như giá thành đóng mới. Phân tích các yếu tố ảnh hưởng để đưa ra một lựa chọn kết cấu thích hợp chính là nhiệm vụ của người thiết kế tàu. Về độ bền Hệ thống kết cấu dọc có khối lượng các kết cấu dọc liên tục nhiều, có lợi cho độ bền dọc chung thân tàu vì các nẹp dọc cứng đồng thời là các liên kết của thanh tương đương và làm tăng mô men chống uốn của thanh tương đương, nâng cao khả năng chống uốn dọc toàn tàu đồng thời làm giảm ứng suất dọc của uốn cục bộ trên tấm, do đó làm giảm ứng suất hợp thành hướng dọc. Hệ thống kết cấu ngang làm cho sức bền ngang tăng lên, thuận lợi cho khả năng chống sức ép ngang của tải trọng nước và hàng hóa lên mạn tàu . Do đó, tàu biển nên sử dụng hệ thống kết cấu dọc. Tàu hoạt động trong vịnh, trên sông, tàu có chiều rộng lớn nên sử dụng hệ thống kết cấu ngang . Về độ ổn định tấm Hệ thống kết cấu dọc đảm bảo tốt hơn sự ổn định của các tấm sàn boong và vỏ đáy. Hệ thống kết cấu ngang có nhược điểm cơ bản là trong trường hợp chiều dày các tấm sàn boong và vỏ ngoài rất nhỏ, khó đảm bảo sự ổn định của chúng dưới tác dụng của các lực nén. Một tấm gối lên vành đế có dạng chữ nhật khi bị nén theo chiều dài sẽ mất ổn định với ứng suất cao gấp 4 lần so với trường hợp bị nén theo cạnh ngắn. Điều này chứng tỏ rằng đặt các tấm của khung dàn boong và đáy chạy dọc tàu có thể làm cho các khung dàn đó chịu được ứng lực nén lớn hơn rất nhiều. Về khối lượng kết cấu Với tàu lớn, hệ thống kết cấu dọc có thể giảm đáng kể khối lượng thân tàu so với hệ thống kết cấu ngang. Với tàu cỡ trung, khối lượng thân tàu của hai hệ thống kết cấu là xấp xỉ nhau. Với tàu nhỏ, ứng suất do uốn dọc gây ra không lớn, khối lượng thân tàu ở hệ thống kết cấu dọc lớn hơn ở hệ thống kết cấu ngang. Về công nghệ Khi kết cấu hệ thống dọc, các cơ cấu dọc nhiều, tính liên tục của cơ cấu bị vi phạm. Với tàu có số vách ngăn ngang lớn thì hệ thống kết cấu dọc gây ra những khó khăn lớn trong việc đảm bảo tính liên tục của các nẹp dọc cứng và khó khăn cho việc 31
đảm bảo độ kín nước cho các vách ngăn tại nơi các thanh dọc đi qua. Hơn nữa số lỗ khoét trên cơ cấu ngang (để cơ cấu dọc đi qua) nhiều, làm tăng khối lượng khoét lỗ, tăng các chi tiết liên kết gia cường và tăng mối nối hướng dọc, dẫn đến làm tăng khối lượng hàn, đồng thời lắp ráp theo phương pháp phân chia phân tổng đoạn phức tạp hơn. Hệ thống kết cấu dọc khó cho công nghệ gia công, lắp ráp đặc biệt đối với những tàu cỡ trung và cỡ nhỏ có hình dáng cong thay đổi tương đối lớn, dầm dọc đáy tàu và sườn dọc mạn tàu phải gia công, hỏa công, việc lắp ráp khá phức tạp. Kết cấu hệ thống ngang thì ngược lại, sẽ có lợi cho thi công và lắp ráp. Về sử dụng Kết cấu hệ thống ngang lợi hơn nhiều hệ thống kết cấu dọc (nhất là với tàu hàng lỏng). Ở hệ thống kết cấu dọc, cơ cấu thành cao nhiều (xà khỏe, sườn khỏe) thường làm mất dung tích chở hàng (nhất là với tàu hàng khô) và làm tăng khối lượng công việc làm sạch khoang hàng (đặc biệt đối với tàu dầu). Nguyên tắc lựa chọn hình thức bố trí kết cấu Chọn hình thức kết cấu tàu phải đảm bảo yêu cầu về độ bền, độ ổn định, sử dụng thuận tiện, công nghệ dễ dàng, trọng lượng tối thiểu, giá thành thấp. Một số yêu cầu chủ yếu trong bố trí kết cấu Tính liên tục và giảm tập trung ứng suất Bố trí kết cấu phải đảm bảo tính liên tục. Cố gắng kéo dài liên tục các kết cấu dọc về phía mũi, lái. Tránh tất cả các kết cấu dọc gián đoạn trong cùng một mặt cắt ngang. Đối với các cơ cấu dọc không thể kéo dài về phía trước và phía sau, ở chỗ gián đoạn phải giới hạn so le tối thiểu 2 khoảng sườn, giảm nhỏ dần, tránh thay đổi tiết diện đột ngột. Chỗ kết thúc gián đoạn két cấu hoặc mặt cắt thay đổi đột ngột, dễ phát sinh ứng suất tập trung, cần phải gia cường thích đáng Truyền lực có hiệu quả Sau khi chịu tác dụng của ngoại lực, các bộ phận kết cấu có thể truyền lực một cách có hiệu quả đến các kết cấu liên kết với chúng , không để một bộ phận kết cấu đơn độc chịu tác dụng của ngoại lực. Gia cường cục bộ Phải gia cường kết cấu ở mũi tàu và khu vực chịu áp lực động của lái khi chân vịt làm việc, ở phía đuôi tàu. Những vị trí có bố trí các thiết bị nặng, chỗ có lỗ khoét, đều phải được gia cường. Đáy tàu chạy vùng nước cạn cũng phải được gia cường. Lựa chọn hình thức bố trí kết cấu cho một số loại tàu Tàu hàng khô Tàu cỡ nhỏ (L< 80 m) thì hầu hết bố trí kết cấu hệ thống ngang. 32
Tàu có chiều dài 80m 12, để giảm nhẹ khối lượng kết cấu, tiết kiệm sắt thép thì đáy và boong chịu lực được thiết kế hệ thống kết cấu dọc hoặc chỉ boong chịu lực kết cấu dọc ( hình thức sau áp dụng phần lớn cho tàu hàng khô cỡ vạn tấn ) Tàu khách Để tăng độ bền dọc chung thân tàu, áp dụng hệ thống kết cấu dọc cho boong thượng tầng thứ nhất, các boong trung gian hệ thống kết cấu ngang. Để tranh thủ chiều cao giữa các tầng boong, tiện cho việc bố trí các buồng ứng dụng hệ thống kết cấu ngang cho mạn. Hình dáng tàu tương đối gầy, để tiện cho thi công, phần đáy tàu nên ứng dụng hệ thống kết cấu ngang Tàu khách cỡ nhỏ chạy sông hầu hết bố trí kết cấu hệ thống ngang. Nếu tàu khách chạy biển, dàn boong thường kết cấu hệ thống dọc. Tàu cỡ vừa thì boong, đáy kết cấu hệ thống dọc, còn lại kết cấu ngang. Tàu cỡ lớn thì boong thượng tầng 1, đáy kết cấu dọc, các tầng boong khác kết cấu ngang , mạn , mũi, đuôi kết cấu hệ thống ngang. Tàu dầu Tỷ trọng của tàu dầu lớn so với các tàu loại khác nên thông thường boong, đáy thiết kế hệ thống kết cấu dọc, mạn tàu thường kết cấu hệ thống dọc nhiều ưu điểm hơn 33
hệ thống kết cấu ngang (nhất là với tàu dầu cỡ lớn trọng tải ≥ 20000 T) để nâng cao ổn định của các tấm mạn và có thể giảm độ dày của tôn, tiết kiệm một phần sắt thép, làm giảm khối lượng thân tàu; song công nghệ phức tạp, việc vệ sinh làm sạch khoang hàng khó khăn . Với tàu có trọng tải từ 15.000 T đến 20000 T trở xuống thì mạn kết cấu hệ thống ngang . Tàu có trọng tải > 15.000 T thì toàn bộ các dàn vùng giữa tàu kết cấu ở hệ thống dọc (nâng cao ổn định tấm, giảm tải trọng động) . Hiện nay yêu cầu tàu dầu chạy biển cần phải có đáy đôi, mạn kép . 34
1.3. KHÁI QUÁT VỀ SỨC BỀN TÀU 1.3.1. Khái niệm về sức bền tàu Sức bền của tàu là khả năng xuất hiện trong quá trình khai thác, chống lại ngoại lực tác dụng lên tàu mà không làm mất đi độ bền, độ cứng vững và độ ổn định của các yếu tố kết cấu của nó. Nghiên cứu sức bền các tàu nổi trên mặt nước, chúng ta coi thân tàu gồm vỏ mỏng và các cơ cấu gia cường đó là các khung dầm kết cấu có mặt cắt ngang biến đổi, dưới tác dụng của hệ ngoại lực phức tạp gồm: trọng lực, lực quán tính, áp lực thủy động của nước .v.v. làm cho thân tàu bị biến dạng. Thực tế tính toán ban đầu, có thể chia thành biến dạng do uốn chung dọc tàu, biến dạng do uốn ngang chung, biến dạng do xoắn tàu trên sóng và biến dạng uốn cục bộ do các kết cấu riêng của nó tiếp nhận các tải trọng khác nhau như dàn boong và tôn boong nhận tải trọng phân bố lên boong, dầm dọc mạn chịu tác dụng của áp lực nước. Sự kiểm tra bền các kết cấu này dưới tác dụng đồng thời của các tải trọng,đó là bài toán tính toán sức bền nói chung đối với vỏ tàu. 1.3.2. Điều kiện làm việc của thân tàu Thân tàu chịu uốn chung như một dầm có mặt cắt ngang biến thiên theo chiều dài tàu. Khi hoạt động trên sóng, thân tàu thực hiện một chuyển động phức tạp, đó là lắc dọc, lắc ngang, chòng chành và chuyển động tịnh tiến. Biên độ lắc của tàu phụ thuộc rất lớn vào tương quan giữa chiều dài tàu và chiều dài sóng, độ cao sóng, góc vào sóng và tốc độ của tàu. Trường hợp tàu trên nước tĩnh, thân tàu có thể bị uốn vồng lên (mũi và lái ngập nước sâu hơn phần giữa tàu), khi đó boong tàu ở trạng thái bị kéo giãn, đáy tàu ở trạng thái chịu nén hoặc thân tàu bị võng xuống, khi đó boong tàu ở trạng thái chịu nén, đáy tàu ở trạng thái bị kéo giãn. H 1.15 Tư thế tàu trên nước tĩnh 35
1.3.3. Ngoại lực gây uốn chung thân tàu Trong quá trình khai thác, thân tàu chịu tác dụng của các loại tải trọng tĩnh và tải trọng động gây uốn chung như: trọng lượng bản thân tàu; áp lực thủy tĩnh, áp lực thủy động, lực nâng của tàu trên nước tĩnh và trên sóng; tải trọng va đập của nước kèm ngoài mạn, lực cản chuyển động tàu và lực quán tính trong quá trình tàu chòng chành trên sóng. Từ khi vừa hạ thủy, thân tàu nổi trên mặt nước luôn chịu tác dụng của 2 lực tác dụng ngược chiều nhau, đó là trọng lực và lực nâng. Trọng lực luôn muốn kéo tàu xuống sâu hơn trong nước. Lực nâng tác dụng theo hướng ngược lại, muốn đẩy tàu lên cao gần về mặt thoáng. Lực nâng tỉ lệ thuận với thể tích phần ngâm nước thân tàu. Độ lớn của nó phụ thuộc diện tích mặt cắt ngang thân tàu tại từng vị trí dọc theo thân tàu. Phân bố tổng tải trọng tác dụng lên mặt cắt bất kỳ thân tàu: q(x) = p(x) – b(x) Trong đó: p(x) (T/m) là phân bố trọng lượng tàu và tất cả các trọng vật trên tàu b(x) (T/m) là phân bố lực nâng. Phân bố trọng lượng tàu và tất cả các trọng vật trên tàu p(x), gồm: trọng lượng thân tàu và máy móc, thiết bị của tàu như: vỏ tàu, trang thiết bị trên boong, các hệ thống tàu, máy chính, máy phụ, đường trục chân vịt, chân vịt, máy chuyên ngành hàng hóa chở trên tàu, nhiên liệu, lương thực, thực phẩm, nước sinh hoạt và các loại dự trữ khác cùng đoàn thủy thủ, hành khách. Mỗi nhóm trọng lượng có quy luật phân bố dọc tàu khác nhau, trọng lượng và trọng tâm các nhóm không giống nhau. Sử dụng phương pháp gần đúng trong tính toán,chia chiều dài tàu thành 20 phần bằng nhau (20 khoảng sườn lý thuyết) sao cho trong mỗi một khoảng sườn, trọng lực phân bố đều, vì thế đường phân bố trọng lực thân tàu là đường gấp khúc dạng bậc thang ( hình 1.13a) . H 1.16a Phân bố trọng lực tàu H 1.16b Phân bố lực nâng tàu Khi xây dựng đường cong trọng lực p(x) như trên thì hoành độ trọng tâm của đường cong trọng lực phải trùng với trọng tâm tàu . 36
Để xây dựng đường cong dạng bậc cho các tàu kéo với đoạn thân ống thì trọng lượng trong phạm vi 8 khoảng sườn (lý thuyết) ở giữa được coi là phân bố đều (hình 1.17a). Đối với các tàu có tuyến hình thon hơn, đoạn thân ống ngắn hơn trọng lượng được phân bố đều trong phạm vi 6 khoảng sườn giữa (hình 1.17b). H 1.17 1 Trọng lượng thân tàu phân bố trên một khoảng sườn giữa là: g = m G 20 Trọng lượng thân tàu phân bố trên khoảng sườn khu vực mũi và lái : 1 1 g = m G ; g = m G o o 20 1 1 20 Trong đó: G là trọng lượng thân tàu ; còn m,m0 ,m1 là các hệ số kinh nghiệm . Giá trị của m thay đổi cho các loại tàu khác nhau. Giáo sư A.A Kurdiumov người Nga đề xuất m = 1,18. Còn các hệ số m0,m1 có giá trị như sau: Với đường cong trên hình a: mo = 0.667 + 0.365×ξk m1 = 0.667 − 0.365×ξk Với đường cong trên hình b: mo = 0.730 + 0.333×ξk m1 = 0.730 − 0.333×ξk x Trong đó : ξ = k với ΔL - khoảng sườn lý thuyết. k ΔL xk - khoảng cách từ trọng tâm nhóm trọng lượng đến mặt cắt ngang giữa tàu Các giá trị Δ0 và Δ1 trường hợp đoạn thân ống trên 8 khoảng sườn: m − mo G m − m1 G Δ = và Δ = o 6 20 1 6 20 Các giá trị Δ0 và Δ1 trường hợp đoạn thân ống trên 6 khoảng sườn: m − mo G m − m1 G Δ = và Δ = o 7 20 1 7 20 37
Theo định luật Acsimet, lực nâng tàu: T = γ.V Với γ là trọng lượng riêng của nước và V là thể tích phần chìm thân tàu. L Trong mỗi phân đoạn chiều dài tàu ΔL = , tính gần đúng ta có: V = ΔL.ω(x) 20 ωi + ωi+1 Trong đóω()x = là diện tích mặt cắt ngang sườn chính giữa phân đoạn AK 2 nào đó (được đọc từ biểu đồ đường cong Bonjean), phụ thuộc chiều chìm tàu T do mớn nước mũi và lái quy định. ωi , ωi+1 là diện tích phần ngâm nước của các sườn lý thuyết thứ i và i +1. γ. ΔL.ω(x) Khi đó phân bố lực nâng tàu: b(x) = = γ.ω()x ΔL Đường cong lực nâng được xây dựng theo các sườn lý thuyết, tung độ của nó là tích số của diện tích sườn với tỷ trọng của nước ngoài mạn. Để đơn giản cho việc tính toán, đường cong phân bố lực nâng tàu có diện tích bằng diện tích đường gấp khúc dạng bậc thang (hình 1.13b). Do vậy hiệu số giữa đường cong lực nâng và đường cong trọng lực cũng cho ta đường cong tải trọng q(x) dạng bậc thang. 1.3.4. Lực cắt và mô men uốn tàu Để tàu cân bằng, thì cần thỏa mãn điều kiện cân bằng lực và mô men tác động lên thân tàu, khi lực nâng tác động lên thân tàu có giá trị tuyệt đốí bằng tổng trọng lượng tàu tại thời điểm tính; tâm nổi và trọng tâm tàu cùng nằm trên đường thẳng vuông góc với mặt thoáng. L L L ∫ q()x .dx = ∫ p ()x .dx − ∫b ()x .dx = 0 0 0 0 L L L ∫ x.q()x .dx = ∫ x.p ()x .dx − ∫ x.b ()x .dx = 0 0 0 0 Coi thân tàu như dầm liên tục, làm từ vật liệu đàn hồi có đặc tính hình học khác nhau tại các mặt cắt khác nhau. Bằng phương pháp tích phân từ đường cong tải trọng q(x) ta tìm được đường cong phân bố lực cắt và mô men uốn : x N(x) = ∫ q(x) . dx ; 0 x xx 2 M (x) = ∫ N(x) . dx = ∫∫q(x).dx 0 00 38
H 1.18 Đường phân bố tải trọng, lực cắt và mômen uốn tàu 1. Phân bố tải trọng 2. Phân bố lực cắt 3. Phân bố mômen uốn Khi xây dựng đường cong phân bố lực cắt và momen uốn cần chú ý: 1. Diện tích giới hạn bởi đường phân bố trọng lực và lực nâng là bằng nhau. 2. Trọng tâm của 2 diện tích trên nằm trên cùng 1 đường thẳng đứng. 3. Lực cắt có giá trị cực trị tại điểm đường phân bố tải trọng cắt trục x. 4. Mômen uốn có giá trị cực trị tại điểm đường phân bố lực cắt gặp trục x. 5. Đường cong mômen uốn có điểm uốn tại điểm đường cong lực cắt có giá trị cực tiểu Công thức thực nghiệm tính lực cắt và mô men uốn trong thiết kế sơ bộ . Mômen uốn lớn nhất và lực cắt lớn nhất tại vùng giữa tàu : D.L M = (T.m) 0max K M N = 3,5 0max (T) max L 2π.x N()x = N sin max L Trong đó : D là lượng chiếm nước tàu ; L là chiều dài tàu x là khoảng cách từ đầu bất kỳ của tàu đến vị trí cần xét . K : hệ số kinh nghiệm phụ thuộc loại tàu và vị trí tàu trên sóng, tra bảng. Phương pháp thiết kế theo tàu mẫu có thể sử dụng công thức gần đúng sau : ⎛ δ −δ ⎞ ⎜ 0 ⎟ Tàu hàng : M h ≈ M 0 ⎜1+ ⎟ ⎝ 2 ⎠ Tàu dầu : M ≈ M 1+ 3δ −δ h 0 [ ( 0 )] 39
Bảng 1.4 Hệ số K Hệ số K Kiểu tàu Trên đỉnh sóng Trên đáy sóng 1 . Tàu khách cỡ lớn 29 ÷ 31 2. Tàu hàng – khách cỡ lớn 33 ÷ 37 3. Tàu hàng cỡ lớn L > 140 m : Buồng máy ở giữa tàu 33 ÷ 37 Buồng máy đuôi ( chạy dằn ) 34 ÷ 36 Tàu hàng cỡ trung 100 160 m 37 ÷ 42 100 < L < 160 m 36 ÷ 40 L < 100 32 ÷ 38 5. Tàu quặng cỡ lớn và trung 28 ÷ 36 Ngoài ra khi tàu chuyển động trên sóng, thân tàu còn chịu tác dụng của tải trọng tạm thời, đó là lực va đập của sóng và lực quán tính khi tàu chòng chành. H 1.19 Tư thế của tàu trên sóng a - Tàu trên đỉnh sóng b - Tàu trên đáy sóng 40
Độ bền uốn dọc chung thân tàu trên sóng bất lợi nhất ở vị trí mà sườn giữa của nó đặt trên đỉnh sóng hoặc trên đáy sóng. Trường hợp ngọn sóng vuông góc với mặt phẳng đối xứng của tàu thì lực nâng ở giữa tàu tăng lên sau đó giảm xuống, thân tàu uốn võng xuống (tàu trên đỉnh sóng) và ngược lại, lực nâng ở giữa tàu giảm và tàu bị uốn vồng lên (tàu trên đáy sóng). Trường hợp ngọn sóng không vuông góc với mặt phẳng đối xứng của tàu, thân tàu vừa bị uốn dọc chung vừa bị xoắn. Ảnh hưởng của xoắn là nhỏ đối với các tàu vân tải biển, nhưng nó đặc biệt quan trọng khi tàu có kết cấu đặc biệt như tàu kiểu hở (với chiều rộng miệng hầm hàng lớn), tàu nhiều thân. Tiến hành xây dựng đường cong tải trọng bổ sung, lấy tích phân theo chiều dài tàu, ta nhận được đường cong lực cắt và mô men uốn bổ sung của tàu trên sóng. Tuy nhiên việc tính toán này phức tạp nên thường sử dụng các công thức gần đúng tương ứng. Tính toán này cũng áp dụng xác định các thành phần tải trọng động của sóng. Lực cắt và mô men uốn bổ sung của tàu chuyển động trên sóng được xác định khi đặt tàu tĩnh trên đỉnh hoặc đáy sóng hình sin hoặc sóng Trokhoide có chiều dài sóng bằng chiều dài tàu. Kết quả tính toán cho 2 loại sóng này lệch nhau không nhiều (sai lệch khoảng ± 3% ). Vì vậy dùng kết quả sóng hình sin cho thuận tiện . 2 Mô men sóng mặt cắt giữa tàu : MS = k.γ. r.B.L Mô men uốn tổng cộng là: M = MO + MS Với r , γ : Chiều cao sóng và tỉ trọng của nước . : B,L : Chiều rộng và chiều dài tàu . k : hệ số phụ thuộc hệ số béo đường nước α, δ và phân bố tải trọng Bảng 1.5 Hệ số α Hệ số α 0,6 0,65 0,7 0,75 0,8 0,85 0,9 0,95 k đỉnh sóng 0,017 0,019 0,022 0,026 0,030 0,034 0,039 0,044 k đáy sóng 0,025 0,027 0,030 0,033 0,036 0,039 0,043 0,046 Bảng 1.6 Hệ số δ Hệ số δ 0,60 0,70 0,80 k đỉnh sóng 0,0256 0,0308 0,0360 theo Mơre k đáy sóng 0,92 0,0347 0,0403 k đỉnh và đáy sóng theo Mandeli 0,0296 0,0349 0,0405 41
1.3.5. Ứng suất trên mặt cắt ngang thân tàu Mặt cắt ngang thân tàu có dạng kết cấu thành mỏng có gia cường và coi tàu như dầm có tiết diện ngang dạng chữ I, với diện tích bản mặt trên và dưới là ω1 và ω2, thành thẳng là cơ cấu và tôn của mạn. Ngoại lực tác dụng lên thân tàu phân bố không đều, không đối xứng gây ra các ứng suất pháp và ứng suất tiếp phát sinh trên mặt cắt ngang thân tàu như sau: 1. Ứng suất pháp σ1 do uốn chung thân tàu đặt trên nước tĩnh Thành phần này phụ thuộc rất nhiều vào trạng thái tải trọng, nó thay đổi tuyến tính theo chiều cao mạn và không đổi theo chiều rộng tàu tuân theo lý thuyết chung về uốn dầm. Ứng suất dọc thân tàu phân bố ở phía cao hơn trục trung hòa gây kéo, còn thấp M M hơn trục trung hòa, sẽ gây nén. σ = ± z ; σ = I max W Trong đó: M - Mô men uốn trên mặt cắt ngang đang xét z - Khoảng cách từ điểm khảo sát đến trục trung hòa. I - Mô men quán tính mặt cắt ngang của tàu đối với trục trung hòa. I W = là mô đun chống uốn của mặt cắt ngang xét. zmax H 1.20 Phân bố ứng suất uốn H 1.21 Phân bố ứng suất cắt trên mặt cắt ngang tàu trên mặt cắt ngang tàu 42
Mô men quán tính I và mô đun chống uốn W có thể tính ở dạng bảng, theo cách sau : Giả sử diện tích mặt cắt ngang từng chi tiết là ai ( i = 1,2,3 ) . Khoảng cách từ tâm chi tiết xét đến trục ngang của hệ tọa độ tham chiếu là zi ∑a zi i i Chiều cao trục trung hòa so với trục tham chiếu dùng khi tính : z0 = ∑ai i 2 Mô men quán tính so với trục tham chiếu : ∑ Ii + ∑ ai zi i i Giả thiết mặt cắt ngang tàu thủy đối xứng qua trục Oz , khi đó mô men quán tính mặt cắt ngang so với trục trung hòa : 2 2 2 I = 2(∑∑Ii + ai zi − z0 ∑ai )= 2(∑∑Ii + ai zi − z0 ∑ai zi ) Công thức trên thực hiện dạng bảng 1.7 sau : Bảng 1.7 Khoảng Mô men quán Diện tích cách Mô men quán Mômen tĩnh TT tính dịch chuyển ai zi tính riêng I ai zi =(2).(3) 2 ai zi =(2).(5) (1) (2) (3) (4) (5) (6) 1 2 Cộng ∑ = A ∑ = B ∑ = C B ⎛ B2 ⎞ z = ; I = 2⎜⎛C − A.z2 ⎟⎞ = 2⎜C − ⎟ 0 A ⎝ 0 ⎠ ⎜ A ⎟ ⎝ ⎠ Mô đun chống uốn tính cho lớp ngoài của tấm đáy và tấm boong : I I Wđáy = ; Wboong = ( H là chiều cao mạn tàu ) z0 H − z0 Q. S∗ 2. Ứng suất cắt τ do uốn chung thân tàu đặt trên nước tĩnh : τ = I.t Trong đó : Q và t là lực cắt thân tàu và chiều dày tôn vỏ S* là mô men tĩnh diện tích bị cắt . I - Mô men quán tính mặt cắt ngang của tàu đối với trục trung hòa. 3. Ứng suất tiếp τ do xoắn khi tàu chạy trên sóng. Nó đặc biệt quan trọng đối với tàu có chiều rộng B lớn, tàu có miệng lỗ khoét rộng ( tàu chở hàng rời, hàng thùng ), tàu nhiều thân. 4. Ứng suất phát sinh do lực quán tính khi tàu chòng chành gây ra. 5. Ứng suất uốn cục bộ σcb bao gồm uốn dàn σ2, uốn nẹp σ3, uốn tấm σ4. 43
1.3.6. Sức bền tàu Sức bền uốn dọc (1). Theo Qui phạm, mô men chống uốn của tiết diện ngang thân tàu ở đoạn giữa tàu không nhỏ hơn trị số tính bởi công thức sau: 3 Z = 5,72(M0 + Ms), cm Trong đó: M0(kNm) - mô men uốn dọc lớn nhất của tàu trên nước tĩnh Ms (kNm) - mô men uốn dọc tàu trên sóng tại tiết diện đang xét 2 ’ Ms= 0,11.C1C2L1 B.(Cb + 0,7) ,(kNm) - Khi M0 làm tàu võng xuống 2 ’ Ms = 0,19C1C2L1 B.Cb (kNm )- Trường hợp M0 làm tàu vồng lên C1 = 0,03.L1 + 5 L1(m) - chiều dài tính toán của tàu bằng 0,97 chiều dài đường nước ở chiều chìm chở hàng cao nhất ’ Cb - hệ số béo thể tích của tàu ở chiều chìm chở hàng cao nhất B(m) - chiều rộng của tàu C2 - hệ số xác định theo hình 1.17 H 1.22 Xác định hệ số C2 (2) Mô đun chống uốn tại tiết diện giữa chiều dài tàu L phải không nhỏ hơn trị số : 2 ’ 3 Zmin = C1L1 B.(Cb + 0,7) ( cm ) (3) Mô men quán tính tiết diện mặt cắt ngang ở giữa tàu L phải không nhỏ hơn trị số : 4 I = 3.ZminL1 ( cm ) Trị số mômen chống uốn Z xác định như trên là nhằm thỏa mãn ứng suất pháp lớn nhất phát sinh tại giữa chiều dài tàu không quá 175 N/mm2 (17,3 kG/mm2) Sức bền dọc chung tại mút mũi và mút đuôi của tàu thông thường không được tính, nhưng do việc cho rằng việc giảm từ từ của diện tích mặt cắt tham gia vào uốn chung thân tàu của boong là một thực tế được chấp nhận. 44
Sức bền cắt Vì sự thay đổi của cấu trúc tàu, nên cần phải kiểm tra độ bền cắt khi đã kiểm tra độ bền uốn. Đặc biệt là đối với những tàu chở hàng bách hóa, với sự thay đổi loại hàng cần phải đặc biệt chú ý đến độ bền cắt ở gần vách ngăn ngang, nơi mà sự phân bố hàng hóa thay đổi đột ngột. Vì thế nên Qui phạm định rõ chiều dày của các chi tiết chủ yếu chịu tác động lên lực cắt như các tấm mạn và các tấm vách dọc. Trong thực tế, lực cắt thân tàu trên nước tĩnh dưới tác động của các điều kiện xếp hàng, dầu, nước trong ballast, được tính toán đầu tiên. Sau đó tổng lực cắt được xác định bằng cách cộng thêm lực cắt do tàu hành trình trên sóng tại mặt cắt bất kỳ theo chiều dài tàu, nó sẽ đơn giản hơn cho việc tính sức bền dọc tàu đã được đề cập ở trên. Chiều dày của tấm tôn mạn được xác định sao cho τ ≤110 N/mm2 (11,2 kG/mm2). Sức bền uốn ngang Sức bền ngang thân tàu là sức bền của các khung sườn, kết cấu mạn và kết cấu đáy tàu dưới áp lực của nước ngoài mạn và của tải trọng hàng hóa phân bố không đều trên tàu. Với tàu có chiều rộng lớn, tàu nhiều thân ta kiểm tra sức bền ngang chung thân tàu, khi đó xét dầm có chiều dài = chiều rộng tàu B. Tàu nhiều thân, tiết diện nguy hiểm là tiết diện giữa và tiết diện liên kết giữa các thân tàu.Việc xác định kích thước khung sườn trong tính toán sức bền trực tiếp được tính theo Qui phạm. H 1.23 Áp lực nước ngoài mạn và áp lực hàng hóa Sức bền xoắn Độ bền xoắn thân tàu là độ bền thân tàu chống lại sự xoắn tàu khi tàu chạy chéo sóng, khi hai thân uốn ngược chiều nhau (tàu nhiều thân), khi tải trọng bố trí không hợp lý, tàu mắc cạn hoặc đưa tàu vào ụ không chuẩn. Phần lớn các trường hợp, biến dạng và ứng suất do uốn ngang chung không lớn so với uốn dọc chung. Tuy nhiên với các tàu có lỗ khoét lớn trên boong, ứng suất do xoắn có thể gây nguy hiểm . Ngoài ra trên các tàu hàng , sự xoắn thân tàu có thể làm tăng đáng kể tập trung ứng suất tại góc các lỗ khoét chữ nhật bên trong. Nguy hiểm nhất đối với tàu tiết diện hở và khi tàu đi chéo sóng dễ gây ra bóp méo tàu vì mô men chống xoắn nhỏ gây ra phá vỡ kết cấu. 45
Sức bền cục bộ Trong các kết cấu thân tàu, ngoài ứng suất do uốn dọc chung và xoắn chung còn có các ứng suất do tải trọng cục bộ. Việc phân tách riêng thành sức bền cục bộ và sức bền chung chỉ mang tính quy ước và nhằm mục đích đơn giản hóa việc tính toán . Trong thực tế, điều này có nghĩa là sức bền của các cấu trúc tàu riêng biệt được tính toán độc lập so với sức bền dọc chung và sức bền ngang thân tàu, ví dụ như tại các đầu mút của cơ cấu và các phần mà tại đó chịu ứng suất tập trung. Những yêu cầu về sức bền đối với các thành phần riêng biệt trong các cấu trúc tàu phù hợp với các yêu cầu của Qui phạm dưới tác động của các tải trọng tác động lên từng phần cấu trúc của các dàn như dàn mạn, dàn boong, vách ngang, đáy đôi, được coi như một công việc khó khăn khi xét các dàn trong điều kiện làm việc. Vì các khung và các thành phần khác có liên quan một cách mật thiết với nhau về kết cấu cũng như tình trạng chịu lực và rất khó tách riêng một cơ cấu nào đó để tính toán độ bền, vì vậy khi tính toán cơ cấu ta cũng coi như các tấm tham gia vào sự chịu lực của thanh. Trong trường hợp đó chiều rộng của tấm tham gia tham gia chịu lực được lấy bằng 1/10 chiều dài thanh dầm (lấy về cả hai phía của thanh đang xét) hay giá trị lớn nhất có thể lên đến 1/2 khoảng cách giữa các cơ cấu (hình 1.24) H 1.24 Tấm chịu lực cùng cơ cấu Tính toán sức bền cục bộ, về cơ bản là tính toán các phần tử riêng biệt của các kết cấu thân tàu dưới tác dụng của tải trọng cục bộ, bao gồm áp lực nước bên ngoài vỏ tàu và áp lực hàng hóa bên trong khoang . a. b. c. H 1.25 Phân bố áp lực nước lên thân tàu Trong đó : T là mớn nước tàu h là chiều cao cột nước hw là chiều cao sóng 46
Trường hợp tàu cân bằng trên nước tĩnh, áp lực nước phân bố như hình 1.25a Khi tính sức bền cục bộ chịu tác động lực thủy tĩnh có kể đến ảnh hưởng của sóng, khi 1 đó h = T + h , áp lực nước phân bố như hình 1.25b. Nếu sóng quá cao, khi đỉnh 2 w sóng cao hơn boong tàu, nước phủ tràn lên mặt boong, chiều cao cột nước h bằng chiều cao mạn tàu. Trường hợp nước tác động lên tàu có mạn không phẳng, đáy vát chữ V hoặc tương tự, quy luật phân bố áp lực nước như hình 1.25c Khác với trường hợp tính sức bền chung toàn tàu: trọng lượng bản thân các kết cấu thân tàu đóng vai trò quan trọng trong tính toán sức bền chung thì trong tính toán sức bền cục bộ, hàng hóa mang theo trong tàu đóng vai trò chính trong thành phần lực tác động lên kết cấu riêng rẽ. Hàng hóa có thể là hàng rời chứa trên mặt sàn, tựa vào mạn, hàng đóng kiện, hàng nặng tác động lên diện tích không lớn, hàng lỏng chứa trong khoang. Các phần tử của kết cấu thân tàu theo tính chất làm việc có thể phân loại như sau : 1. Nhóm 1- Các phần tử tiếp nhận trực tiếp các lực phân bố điển hình là áp lực của nước (vỏ ngoài, sàn đáy trong và boong, các tấm của vách ngăn dọc và ngang ) 2. Nhóm 2 – Các phần tử phân bố lại tải trọng đóng vai trò gối đỡ cho các phần tử nhóm 1 ( các nẹp dọc cứng của khung dàn, các sườn, xà, nẹp đứng các vách ) . 3. Nhóm 3 – Các phần tử tiếp nhận phản lực của các phần tử nhóm 2 ( sườn khỏe, các sống dọc đáy, mạn, sống dọc boong, đà ngang đáy ) 4. Nhóm 4 – Các phần tử là gối đỡ cho các thanh cơ bản của hệ khung ( mạn, vách ngăn, đáy và boong ) . Phần lớn các cơ cấu của 4 nhóm trên đều tham gia vào mặt cắt tính toán ( thanh tương đương ) trong tính sức bền dọc chung. Các cơ cấu thuộc nhóm nào đó cũng tham gia vào hoạt động của các cơ cấu thuộc nhóm khác. Ví dụ Các cơ cấu nhóm 1 đồng thời là bản của các thanh thuộc khung dầm và tạo thành các bản và thanh của thanh tương đương. Một vài cơ cấu thuộc nhóm 2 và 3 như sống dọc boong, nẹp dọc cứng và xà dọc đồng thời là các phần tử của thanh tương đương. Vỏ ngoài phần đáy đồng thời vừa đảm bảo sức bền dọc và ngang tiếp nhận áp lực của nước cũng là bản dưới cùng của các thanh khung dầm đáy . Đây chính là nét đặc biệt cơ bản của các kết cấu thân tàu so với các công trình kỹ thuật khác . Uốn cục bộ bao gồm uốn dàn, uốn nẹp, uốn tấm. Hàng hóa là tải trọng tác dụng gây ra uốn dàn làm phát sinh ứng suất uốn dàn σ2. Áp lực nước ngoài mạn là tải trọng tác dụng gây nên uốn nẹp làm phát sinh ứng suất uốn nẹp σ3. Tấm trực tiếp tiếp nhận tải trọng ngoài, sau đó truyền đến các cơ cấu khác gây ra ứng suất uốn tấm σ4. 47
Phân chia cơ cấu thân tàu thành 4 loại như sau: Cơ cấu loại 1: Là cơ cấu trên tiết diện ngang chỉ phát sinh một loại ứng suất σ1 do uốn chung thân tàu gây ra ( Cơ cấu loại này hiếm ). Cơ cấu loại 2: Là cơ cấu trên tiết diện ngang phát sinh hai loại ứng suất σ1 ,σ2 do uốn chung và uốn dàn thân tàu gây ra. (Loại này phổ biến:dàn đáy, sống đáy, sống boong) Cơ cấu loại 3: Là cơ cấu trên tiết diện ngang phát sinh ba loại ứng suất: σ1,σ2,σ3 hoặc σ4 do uốn chung, uốn dàn, uốn nẹp hoặc uốn tấm gây ra. ( dầm dọc đáy khi đáy kết cấu hệ thống dọc, tôn đáy khi đáy kết cấu hệ thống ngang ). Cơ cấu loại 4: Là cơ cấu trên tiết diện ngang phát sinh cả bốn loại ứng suất: σ1,σ2,σ3,σ4 do uốn chung, uốn dàn, uốn nẹp, uốn tấm thân tàu gây ra . (Tôn boong, tôn đáy , tôn mạn khi kết cấu hệ thống dọc ) Ngoài ra khi tàu đóng mới hoặc sửa chữa, bảo dưỡng, ta phải kiểm tra sức bền chung và sức bền cục bộ khi kê tàu trên triền , trên ụ . 48
1.4. THANH TƯƠNG ĐƯƠNG 1.4.1. Khái niệm về thanh tương đương Định nghĩa Nếu đem tiết diện ngang của tất cả các cơ cấu dọc đảm bảo độ bền dọc chung về mặt phẳng dọc tâm thân tàu mà không làm thay đổi vị trí của nó theo chiều cao thì ta nhận được một tiết diện tính toán của tàu, được gọi là thanh (dầm) tương đương. Boong trên cùng và đáy là bản trên và bản dưới cùng của thanh tương đương . Trục trung hòa H 1.26 Mặt cắt thanh tương đương Tính toán các yếu tố kết cấu của mặt cắt ngang thân tàu như tổng diện tích, mô men tĩnh và mô men quán tính mặt cắt ngang gọi là tính toán thanh tương đương. Trục so sánh thường lấy nằm giữa chiều cao mạn tàu. Việc tính toán thực hiện theo bảng Bảng 1.8 2 TT Qui cách cơ cấu l.b Diện tích Fi zi Fi.zi Fizi (cm) cm2 cm cm3 cm4 1 2 Σ A B C B Khoảng cách từ trục trung hòa đến trục so sánh theo phương thẳng đứng là: z 0 = A ⎛ B 2 ⎞ 2 ⎜ ⎟ Mô men quán tính: I = 2()C − A.z 0 = 2⎜C − ⎟ ⎝ A ⎠ Giả thuyết tính toán thanh tương đương Thanh không chịu tác dụng của tải trọng ngang. Các cơ cấu (tấm) không có độ võng ban đầu ( tàu không có độ võng ban đầu ). Các cơ cấu khi chịu nén không mất ổn định trong quá trình làm việc . Phân loại cơ cấu Trên cơ sở tính gần đúng, ta chia cơ cấu thân tàu làm 2 loại là cơ cấu cứng và cơ cấu mềm. Cơ cấu cứng là cơ cấu thỏa mãn cả 3 giả thuyết trên còn cơ cấu mềm là cơ cấu không thỏa mãn ít nhất 1 trong 3 giả thuyết trên. 49
Thành phần thanh tương đương Sức bền dọc thân tàu được đảm bảo trước hết bởi các liên kết dọc. Hệ khung ngang không tham gia trực tiếp vào sức bền dọc chung, nhưng làm tăng ổn định của khung dầm dọc và của các tấm, do đó nó cũng nâng cao sức bền dọc chung thân tàu. Hệ khung dọc không chỉ tham gia trực tiếp vào uốn dọc chung mà còn có vai trò tăng khả năng chống lại lực nén của các tấm vỏ ngoài, sàn boong và đáy. Thành phần thanh tương đương gồm các kết cấu sau: Các cơ cấu dọc liên tục tại vùng mặt cắt khảo sát trên chiều dài tối thiểu là 15%L (L là chiều dài tàu) và được liên kết chắc chắn với các kết cấu thân tàu khác như: tôn vỏ bao, cơ cấu dọc của boong, đáy, mạn, vách dọc. Các cơ cấu dọc có độ dài tối thiểu về mỗi phía của mặt cắt là 1 lần chiều cao mạn tàu tại vùng đang xét. Xà dọc boong dưới thượng tầng, tính từ mặt cắt có chiều dài không nhỏ hơn 7,5%L và tối thiểu là 3 lần chiều cao thượng tầng . Các cơ cấu nằm trên vách dọc, mạn kép,cơ cấu dọc của đáy tính đến cả lỗ khoét Thanh quây dọc miệng hầm hàng liên tục và phần boong giữa thanh quây với mạn, giữa các thanh quây dọc với nhau (khi boong có ít nhất hai hàng lỗ khoét). Còn thanh quây miệng hầm hàng của tàu chở hàng trên boong không tham gia vào thanh tương đương. Lỗ khoét trên boong có chiều rộng b0 không quá 20 lần chiều dày tôn tại vị trí cùng vùng hoặc nhỏ hơn 5%B thì coi như không có lỗ khoét. Khi chiều rộng lỗ khoét vượt quá 5%B thì những cơ cấu dọc ở phần boong từ phần mép dọc lỗ khoét đến mạn tàu được tham gia vào thành phần thanh tương đương, phần còn lại chỉ tham gia một phần (Phần gạch chéo hình 1.27a là phần không tham gia). H 1.27a Thành phần thanh tương đương 50
Thượng tầng tầng 1 hoặc lầu tầng 1 đặt trên boong chính được tham gia vào thanh tương đương nếu chúng tựa lên 3 vách ngang và nếu có đủ điều kiện thì chỉ tham gia một phần vào thành phần thanh tương đương.Thượng tầng có chiều dài nhỏ hơn 15%L hoặc 6 lần chiều cao chính nó, tại vùng kết thúc các cơ cấu dọc, phần giới hạn bởi đường nghiêng 30° với mút boong là phần không tham gia vào thành phần thanh tương đương (phần gạch chéo). H 1.27b Thành phần thanh tương đương 1.4.2. Kiểm tra độ bền thân tàu Tiêu chuẩn bền Kiểm tra độ bền kết cấu thân tàu phải dựa trên những tiêu chuẩn bền nhất định . Tiêu chuẩn bền đòi hỏi kết cấu đủ bền để khi tải trọng đạt đến mức nhất định, ứng suất trong kết cấu không vượt quá giá trị giới hạn . Bảng 1.9 Tiêu chuẩn bền áp dụng cho uốn Chiều dài tàu σ* chung bằng tỷ lệ giữa giới hạn L(m) Tàu hàng khô Tàu hàng lỏng làm việc của vỏ tàu và giới hạn L 200 0,6 0,55 σ ch 100≤ L≤200 Dùng phép nội suy tuyến tính 51
Tiêu chuẩn bền trích từ yêu cầu của Đăng kiểm USSR Bảng 1.10 Ứng suất Hàng khô Hànglỏng Ứng suất do uốn chung và uốn dàn σ1 + σ2 0,6 0,55 Ứng suất do uốn chung, uốn dàn, uốn nẹp σ1 + σ2+ σ3 0,9 0,85 Ứng suất do uốn chung, uốn dàn, uốn nẹp, uốn tấm 1,0 0,80 σ1 + σ2+ σ3+ σ4 Ứng suất cắt lớn nhất 0,3 0,3 Bảng 1.11 Ứng suất Ứng suất uốn chung Loại tàu Cơ cấu uốn cục bộ US pháp US tiếp Hàng chống lại tác động áp lực nước Đà ngang 0,60 0,35 ngoài mạn Không tính chống lại Tàu tác động áp lực nước Đà ngang 0,90 0,50 Hàng ngoài mạn khô Dàn mạn 0,8 Nẹp cứng 0,6 Tấm đáy trong 0,8 Tàu Boong 0,50 0,25 dầu Nẹp vách 0,8 Phương pháp chung kiểm tra bền Kiểm tra theo ứng suất cho phép Việc kiểm tra bền của các kết cấu tàu được thực hiện bằng việc so sánh các ứng σ suất thực tế được tính toán với ứng suất cho phép: σ ≤ []σ = 0 tt n Ứng suất cho phép []σ là một phần của ứng suất nguy hiểm σO( ứng suất mà tại đó kết cấu bị phá hủy hoặc gây ra biến dạng dư đáng kể). Với kim loại: σO = σch (giới hạn mà kim loại chuyển từ trạng thái đàn hồi sang chảy) 52
σO = σm (giới hạn mà kim loại không bị phá hủy dù số chu trình tải tăng, nếu ứng suất lớn hơn giới hạn mỏi thì xuất hiện các vết nứt mỏi) ole σO = σ th (phần tử kết cấu bị mất ổn định khi bị nén) n là hệ số dự trữ bền, được chọn phụ thuộc nhiều yếu tố như kinh nghiệm khai thác, thời hạn phục vụ của kết cấu,đặc tính cơ học của vật liệu, mức độ quan trọng của kết cấu, ảnh hưởng của công nghệ chế tạo, tính chất tác động và thay đổi của tải trọng Kiểm tra theo mô men uốn tới hạn Mô men uốn tới hạn Mth là mô men uốn gây ra trong các liên kết ngoài cùng của mặt cắt ngang thân tàu. Các ứng suất tới hạn σth = σch của vật liệu thân tàu .Vì thế Mth đồng thời còn là mô men phá hủy vì với σn = σch thì mọi liên kết ngoài cùng của thân tàu bị mất ổn định : Mth = W. σch Khi đó mô men uốn tính toán: [M ] = W. [σ] Trong đó :W là mô men chống uốn của mặt cắt khảo sát . Khi đó dự trữ bền theo mô men tới hạn là : M th = σ ch = k []M []σ Mô men chống uốn tới hạn trong tất cả các mặt cắt của thân tàu không nhỏ hơn 75% giá trị mô men chống uốn của mặt cắt đang khảo sát xác định trong tính toán thanh tương đương . Ngoài 2 phương pháp trên , hiện nay với sự phát triển của khoa học kỹ thuật , người ta còn tính tuổi thọ của tàu theo lý thuyết mỏi, lý thuyết phá hủy . 53
CHƯƠNG 2. NGUYÊN TẮC KẾT CẤU 2.1. NGUYÊN TẮC CHUNG 1. Các cơ cấu trong cùng hệ thống dầm cơ cấu phải được bố trí trong cùng mặt phẳng và liên kết chắc chắn với nhau để tạo nên khung cứng, khung khỏe . 2. Cần phải đảm bảo sự liên tục của phần lớn các cơ cấu dọc chủ yếu tại vùng giữa tàu nhất là đoạn 0,6L vùng giữa tàu ( vùng tập trung mô men uốn). Khi chuyển hệ thống kết cấu hoặc khi kết thúc hệ thống kết cấu dọc phải đảm bảo sự chuyển tiếp dần dần, không kết thúc đột ngột, không được kết thúc đồng thời một số lượng lớn hơn 1/3 số cơ cấu dọc của boong và đáy tính toán, và cũng không được kết thúc quá 2 cơ cấu khỏe. 3. Tại vùng tập trung ứng suất và vùng có lỗ khoét lớn, không được kết thúc cơ cấu dọc. Khoảng cách kết thúc các cơ cấu dọc không nhỏ hơn 2 khoảng sườn . 4. Tại vùng kết thúc của boong và đáy, sàn, tôn đáy đôi, vách dọc ta phải dùng mã để chuyển tiếp hoặc có hình thức kết cấu tương tự để giảm tập trung ứng suất . 5. Phải thực hiện biện pháp giảm tập trung ứng suất. Với các tấm tôn nằm kề nhau phải thoả mãn yêu cầu hiệu số độ dày của chúng không quá 30% chiều dày tấm lớn hoặc 5mm lấy theo trị số nhỏ hơn. Việc chuyển cơ cấu thành cao sang cơ cấu thành thấp phải được thực hiện trên một đoạn dài ≥ 5 lần hiệu số độ cao bản thành của cơ cấu liên tiếp, còn bản mép của chúng chuyển tiếp dần từ cơ cấu nọ sang cơ cấu kia . 6. Tại vùng boong chịu tải trọng nặng nề, đầu xà dọc phải được hàn với cơ cấu ngang . Vùng chịu chấn động mạnh ( như vùng đuôi, buồng máy, vùng đặt máy không cân bằng ) thì đầu của cơ cấu dọc, xà ngang của đáy mạn, vách dọc phải được hàn liên tục với tôn hoặc cơ cấu ngang của vùng đó . 7. Khi các cơ cấu dọc gián đoạn tại vách, đà ngang kín nước chúng phải liên kết theo quy cách cụ thể. Khi kết thúc cơ cấu dọc khỏe của boong và đáy thì chiều cao của nó phải được giảm dần trên chiều dài ≥ 1,5 lần chiều cao cơ cấu đó, rồi kéo tới cơ cấu ngang gần nhất và hàn với chúng . 54
H 2.1 55
2.2. LỖ KHOÉT 2.2.1. Phân loại Lỗ khoét được bố trí trên tôn boong, tôn đáy đôi, sống đáy, đà ngang đáy, sống vách .v.v. , bao gồm lỗ khoét thoát nước, lỗ khoét cho cơ cấu chui qua, lỗ khoét giảm trọng lượng, lỗ khoét miệng hầm hàng, lỗ khoét công nghệ cho người chui qua kiểm tra hoặc thi công .v.v. 2.2.2. Yêu cầu chung 1. Lỗ khoét cho người chui qua bố trí để có thể tiếp cận mọi nơi trong đáy đôi. Lỗ khoét trong vùng 0,25L kể từ đường vuông góc mũi chỉ cho phép khoét lỗ người chui ở mức độ tối thiểu, không được đặt lỗ khoét giảm trọng lượng và phải gia cường lỗ khoét đối với tàu có chiều dài L > 80m . 2. Các lỗ khoét nhỏ ở vách quây miệng buồng máy ở vị trí lộ của boong thượng tầng và boong mạn khô, các lỗ khoét ở thành ống khói và các lỗ khoét khác ở vách quây miệng buồng máy phải có nắp cứng bằng thép, chịu thời tiết và thường xuyên đặt ở vị trí thích hợp. Vành không gian quanh ống khói và tất cả các lỗ khoét ở vách quây miệng buồng máy phải có thiết bị đóng, có thể thao tác từ phía ngoài buồng máy trong trường hợp hỏa hoạn. 3. Lỗ khoét ở boong như lỗ chui và lỗ thông sáng trong vùng lộ của boong mạn khô và boong thượng tầng hoặc trong những thượng tầng không phải là thượng tầng kín, phải được đóng bằng nắp thép kín nước. Các nắp này phải được cố định bằng những bu lông đặt gần nhau hoặc phải được đặt thường xuyên vào lỗ khoét . Lối vào và các lỗ khoét khác vào không gian hàng hóa phải có các phương tiện thao tác được từ phía ngoài của không gian đó trong trường hợp có hỏa hoạn. Nếu các lối vào và lỗ khoét dẫn vào bất kỳ không gian nào khác ở trong tàu thì các phương tiện đóng nói trên phải bằng thép. 4. Không được đặt lỗ chui trên cơ cấu trong vùng trên sống chính thuộc vùng 0,75L kể từ đường vuông góc mũi hoặc sống phụ và đà ngang ở đoạn kề vách ngang (từ vách ngang đến đà ngang kề); trên đà ngang đặc và sống phụ sát chân cột chống và đoạn đầu vách dọc; trên đà ngang đầy đoạn kề sống hông, sống phụ, sống chính đáy; trên đà ngang đầy đoạn dưới đầu mã ngang gia cường cho dầm dọc bệ máy. 5. Khi khoét lỗ trên các cơ cấu dọc phải có góc lượn với bán kính không nhỏ hơn 10% chiều rộng lỗ khoét. Với những lỗ khoét ở tấm tôn mà chiều rộng lỗ lớn hơn 20 lần chiều dày tấm tôn nhưng nhỏ hơn 5% chiều rộng phần lien tọc của tấm tôn thì phải có biện pháp gia cường thích đáng như tăng chiều dày thành cơ cấu khoét, gia cường nẹp hoặc viền mép lỗ khoét. 56
H 2.2 1. 2. 3. 4. 5. 6. H 2.3 1. 2. 3. 4. H 2.4 57
2.2.3. Kích thước lỗ khoét 1. Tổng chiều cao lỗ khoét trên đà ngang, sống phụ cơ bản không quá 50% chiều cao của cơ cấu. 2. Tổng chiều cao lỗ khoét trên cơ cấu khỏe của boong, mạn, vách để cho cơ cấu thường chui qua không quá 40% chiều cao của cơ cấu đó. 3. Khoảng cách giữa các lỗ khoét trên đà ngang giảm nhẹ, sống phụ giảm nhẹ được quy định riêng. Trong phạm vi 10% chiều dài kể từ mỗi đầu khoang, đường kính lỗ khoét giảm trọng lượng trên sống phụ không quá 1/3 lần chiều cao tiết diện sống. 4. Lỗ khoét trên đà ngang đặc trong phạm vi 0,1B kể từ tôn mạn phải có đường kính không quá 1,5 lần chiều cao tiết diện của đà ngang. 5. Khoảng cách mép các lỗ khoét kề nhau không quá một nửa chiều dài lỗ khoét lớn. 2.2.4. Hình dạng lỗ khoét Lỗ khoét thường được bố trí sao cho chiều dài lỗ khoét hướng theo chiều dài tàu. Lỗ khoét có dạng hình tròn, hình ô van, elíp, góc vuông và hình chữ nhật lượn góc. 58
H 2.5 59
2.3. LIÊN KẾT CÁC CƠ CẤU THÂN TÀU Các cơ cấu trong cùng một hệ thống phải được liên kết với nhau để tạo thành hệ khung cứng hoặc khung khỏe. Có một số hình thức liên kết cơ bản như: vát mép hai đầu, hàn tựa, liên kết bằng mã . 1. Vát mép hai đầu Chỉ được thực hiện đối với vách của tàu có chiều cao mạn không vượt quá 3m ; chúng thường được vát bản thành ( dùng cho cơ cấu thường ) . 2. Hàn tựa Liên kết hàn tựa là liên kết mà cả bản thành và bản mép của nẹp được hàn chắc chắn vào tôn boong , tôn vách hoặc tôn đáy trên, các tấm tôn đó được gia cường bằng cơ cấu tựa đặt ở mặt đối diện. Thường được sử dụng trong khoang nội boong ; nó có thể thực hiện bằng cách đầu nẹp hàn trực tiếp với tôn boong hoặc được đỡ bởi sống khỏe . 3. Liên kết bằng mã Cơ cấu khoẻ liên kết với nhau bằng mã dưới hai hình thức, đó là mã rời (hàn đối đầu) gồm đối đầu đấu bản thành hoặc đối đầu trực tiếp và mã liền (mã mở rộng ). Trong vùng chấn động, cơ cấu khỏe liên kết với nhau bằng mã đối đầu có chiều cao và chiều dày mã bằng chiều cao và chiều dày cơ cấu khỏe, mã có mép bẻ hoặc mép gắn. Có hai hình thức liên kết mã giữa các cơ cấu thường, đó là mã hàn kiểu đè (mã ốp) và mã hàn kiểu đối đầu (mã đội). Cơ cấu thường bị gián đoạn tại các cơ cấu kín nước như đà ngang kín nước, vách kín nước. 1. 2. 3. 4. H 2.6 60
Ngoài ra, theo kiểu liên kết, mã có hai kiểu là A và B. Liên kết kiểu A ( hình a)- là hình thức liên kết bằng mã với cơ cấu dọc của boong hoặc dàn khác, hoặc là liên kết bằng mã kéo tới cơ cấu ngang gần nhất, mặt kia có cơ cấu tựa, các cơ cấu được nối với nó thường có tiết diện bằng hoặc lớn hơn . Liên kết kiểu B (hình b)- là liên kết bằng mã kéo tới cơ cấu ngang gần nhất như xà ngang boong hoặc một liên kết khác tương đương, mặt kia thường không có cơ cấu tựa H 2.7 Các kiểu liên kết mút Ngoài ra còn khái niệm liên kết cứng và liên kết mềm bằng mã . Liên kết cứng bằng mã nghĩa là cố định mối nối giữa tôn đáy đôi hoặc các nẹp tương ứng và các mã ( hình 2.7a) Liên kết mềm bằng mã, cố định mối nối giữa xà , sườn giao nhau và mã (hình 2.7b) H 2.8 1.Mã hông 5. Dải tôn hông 2.Đà ngang 6. Mã liền 3. Mã liên kết nằm 7.Sống hông 4.Tôn đáy trên 61
Kích thước của mã được xác định theo nhịp của cơ cấu và tra bảng 2B/1.1 Quy phạm phân cấp và đóng tàu biển vỏ thép. Mã có thể có mép bẻ hoặc không mép bẻ. Vật liệu chế tạo mã thường có cùng giới hạn chảy với vật liệu dầm cơ cấu được nối. Bảng 2-B/1.1 Mã Đơn vị(mm) Chiều dài của Chiều dày Chiều Chiều dài của Chiều dày Chiều cạnh liên kết Mã Mã có rộng cạnh liên kết Mã Mã có rộng dài hơn phẳng mép bẻ mép dài hơn phẳng mép bẻ mép 150 6,5 - - 700 14,0 9,5 70 200 7,0 6,5 30 750 14,5 10,0 70 250 7,5 6,5 30 800 - 10,5 80 300 8,0 7,0 40 850 - 11,0 85 350 8,5 7,0 40 900 - 11,0 90 400 9,0 8,0 50 950 - 11,5 90 450 9,5 8,0 50 1000 - 11,5 95 500 10,0 8,5 55 1050 - 12.0 100 550 10,5 8,5 55 1100 - 12,5 105 600 11,0 9,0 65 1150 - 12,5 110 650 11,5 9,0 65 W Kích thước mã (cm) của các mối nối cơ cấu (trừ mối nối ở hông ): c = n 0,1.s c Chiều rộng mép tự do của mã b = và ≥ 50 mm 8 Với n là hệ số phụ thuộc cơ cấu nối . W (cm3) là mô đun chống uốn tiết diện ngang của cơ cấu được nối . s (mm) là chiều dày mã, thường lấy bằng chiều dày thành cơ cấu liên kết . Trường hợp mã có mép bẻ hoặc mép hàn thì kích thước c giảm 15%. Nếu các dầm được hàn vào với nhau hoặc hàn vào tôn vỏ bao thì c giảm 10%. Nếu các dầm hàn vào với nhau mà mã có mép thì kích thước mã c có thể giảm 25%. Chiều dài mép tự do của mã khi không có mép hàn hoặc mép bẻ: 220.s 2 lM ≥ (cm) với σ ch (KG/cm ): là giới hạn chảy của vật liệu σ ch ⎡ 70.s ⎤ ⎢ ⎥ hoặc lM ≥ ( cm) Với σ ch [ MPa ] ⎣⎢ σ ch ⎦⎥ 62
Khi chiều dài mép tự do của mã lớn hơn 1700 mm phải gắn nẹp gia cường nằm song song với mép tự do của mã, cách mép đó một khoảng xấp xỉ 1/4 chiều cao mã. Chiều dày nẹp bằng chiều dày mã, còn chiều cao bằng 10 lần chiều dày của nó. Đầu mút tự do của mép hàn hoặc mép bẻ phải được cắt vát một đoạn bằng chiều rộng mép dầm, chiều cao chỗ vát cụt không quá 40 mm. Trong các trường hợp, khi mép mã đi quá vào mép dầm cơ cấu, đường hàn của các mép phải nằm cách chân mã một khoảng tối thiểu 150 mm, đồng thời góc giữa mép tự do của mã và hướng của mép dầm tối đa 45°. Tại những chố kết thúc của cơ cấu, các mép và thành của chúng phụ thuộc vào kết cấu mút mà cắt vát các mút cuối một đoạn dài bằng nửa chiều rộng mép hoặc nửa chiều cao thành. Khi đó ở mặt mút còn lại một phần không bị vát, với mép bằng 3 lần chiều dày của nó, với thành từ 10 ÷15mm . Các mép mã và các thành của tiết diện phải được hàn vòng và không có miệng hở. Mối nối các đầu dưới của sườn có mã hông phải phù hợp với sơ đồ kết cấu. Nên thực hiện các lỗ khoét quy định theo cung tròn đặc biệt là lỗ khoét trong các vùng chấn động mạnh. Các mã , thành các tiết diện và các kết cấu tấm không kín nước khác phải được cắt phù hợp. Nếu mã có lỗ khoét giảm trọng lượng thì khoảng cách từ mép lỗ khoét đến cạnh tự do của mã không nhỏ hơn đường kính lỗ khoét. Nếu chiều dài cạnh liên kết dài hơn của mã lớn hơn 800 mm, thì cạnh tự do của mã phải được gia cường bằng mép bẻ hoặc bằng một biện pháp khác, trừ khi mã đó là mã chống vặn hoặc cơ cấu tương tự. 63
2.4. KHOẢNG SƯỜN – MÉP KÈM 2.4.1. Khoảng sườn Khoảng sườn là khoảng cách giữa các dầm hướng chính hoặc khoảng cách giữa các sườn gia cường cho dàn mạn thân tàu . Thường dàn mạn được kết cấu ở hệ thống ngang nên các dầm hướng chính là các sườn mạn; khoảng sườn là khoảng cách giữa các sườn. Khoảng cách sườn tiêu chuẩn aO trong mọi trường hợp không quá 900 mm Khoảng sườn vùng giữa tàu khi mạn kết cấu hệ thống ngang: a = 2L + 450 mm Khoảng sườn vùng giữa tàu khi mạn kết cấu hệ thống dọc: a = 2L + 550 mm Có thể chọn khoảng sườn trung bình để tính toán : a = 2L + 480 mm Vùng mút (mũi, đuôi), khoảng cách giữa các sườn ngang không quá khoảng sườn giữa tàu và tối đa là 610 mm ).Vùng khoang máy, khoảng cách giữa các sườn ngang không quá khoảng sườn giữa tàu và cho phép lấy sai lệch khoảng 25%. Trong thực tế có thể chọn : (1 ± 0,25)a. Nếu chọn a nhỏ quá thì không tối ưu, khó thi công , thông thường lấy giá trị a bằng (650, 600 , 550) mm 2.4.2. Mép kèm Mép kèm là dải tôn cùng tham gia làm việc với cơ cấu tính toán . Quy cách dải mép kèm được tính như sau:Chiều dày của tôn mép kèm bằng chiều dày tấm tại tiết diện tính toán của cơ cấu. Chiều rộng của tôn mép kèm được tính cho từng dàn , từng cơ cấu. Chiều rộng mép kèm lấy bằng trị số nhỏ nhất trong hai trị số là 1/5 chiều dài nhịp và 1/4 tổng khoảng cách từ cơ cấu tính toán đến hai cơ cấu gần nhất (bằng 1/2 khoảng cách giữa các cơ cấu tính toán ). 1 1 1 1 bMK = min [ l; ()s1 + s 2 ] = min [ l; a ] 5 4 5 2 Trong đó: l là chiều dài nhịp (s1 + s 2)- tổng khoảng cách từ cơ cấu tính toán đến hai cơ cấu gần nhất a - khoảng cách giữa các cơ cấu tính toán 1 Thực tế, chiều rộng mép kèm với tàu biển lấy giá trị nhỏ hơn trong 2 trị số là l và a 6 vì tàu biển khi gia cường xong không có độ võng ban đầu và không bị mất ổn định a Với tàu sông, khi gia cường xong còn có độ võng ban đầu và chỉ có chỗ gần mép 2 ⎛ 1 1 ⎞ hàn là đủ độ cứng nên b = min ⎜ l ; a⎟ ⎝ 6 2 ⎠ 64
2.5. KẾT CẤU SÓNG 2.5.1. Phân loại Kết cấu sóng thường được sử dụng cho các cơ cấu loại 1 và cơ cấu loại 2. Với cơ cấu loại1, kết cấu sóng dùng cho cơ cấu kín nước, vách kín nước như vách ngang, vách dọc kín nước, các két. Với cơ cấu loại 2, kết cấu sóng dùng cho cơ cấu không kín nước hoặc kết cấu đàn hồi, vách ngăn như hàng rào, vách ngăn thượng tầng 2.5.2.Các dạng tiết diện và kết cấu của vách sóng Dạng tiết diện sóng H 2.9 Dạng kết cấu sóng Kết cấu sóng loại 1 Vách kín nước thường sử dụng 2 dạng tiết diện sóng hình thang và hình sin. Kết cấu sóng dạng hình thang có bước sóng : S = 2( a + b.cosϕ ) 1 Mô đuyn chống uốn của một bước sóng : W = t.dO (a + b) 3 b W = dO.tF.a + dO.tW. 3 Kết cấu sóng dạng hình sin (hình sóng) có bước sóng: S = 4.R.sinαO Mô đuyn chống uốn của một bước sóng : W = γ.t.R2 α + 2.cos 2 α −1,5.sin 2 α Với : γ = 0 0 o 1− cosα0 65
H 2.10 Kết cấu vách sóng loại I Kết cấu sóng loại 2 Vách ngăn thường sử dụng hai loại tiết diện, đó là sóng tam giác lượn đỉnh và sóng bán tròn . Loại sóng này không phải tính toán thiết kế mà chỉ cần tính chọn theo bảng có sẵn như sau: H 2.11 Kết cấu vách sóng loại II 66
Bảng 2.1 Kích thước sóng Loại Chiều cao sóng dO 2.s R t W I r sóng mm mm mm mm cm3 cm4 cm 2 0,62 0,85 Sóng 0,37 bán 2,5 0,77 1,07 15 300 15 tròn 3 0,92 1,29 2 2,11 5,1 390 3 3,18 7,67 0,77 4 4,22 10,17 2 2,13 5,25 30 15 435 3 3,21 7,9 0,75 4 4,26 10,5 Sóng 470 2 2,4 5,34 0,73 tam 3 3,22 8,02 giác 4 4,28 10,65 2 3,28 9,3 320 3 4,62 13,95 1,12 40 15 4 6,18 18,65 2 3,12 9,75 370 3 4,68 14,6 1,08 4 6,26 19,55 2.5.3. So sánh kết cấu vách sóng và vách phẳng So với vách phẳng trong cùng một điều kiện thì vách sóng có khối lượng giảm do các nếp uốn đồng thời vừa là tấm vách, vừa là nẹp cứng. Điểm này đặc biệt quan trọng với kết cấu tấm mỏng nhờ giảm được biến dạng hàn. Ngoài ra vách sóng trên tàu dầu bị ăn mòn ít hơn vách phẳng. Tuy nhiên vách lượn sóng không có mặt phẳng và chiếm nhiều không gian hơn vách phẳng. 2.5.2. Độ bền Độ bền vách sóng được tính trên nguyên tắc độ bền vách phẳng tương đương . 67
CHƯƠNG 3. KẾT CẤU TÀU HÀNG KHÔ 3.1. KẾT CẤU KHOANG HÀNG H 3.1 Mặt cắt ngang giữa tàu 1. Sống chính 17. Sườn nội boong 34. Cột nẹp mạn chắn sóng 2. Sống phụ 18. Xà ngang boong hai 35. Nẹp nằm 3. Dầm dọc đáy dưới 19. Mã xà ngang 36. Vây giảm lắc 4. Dầm dọc đáy trên 20. Bong thứ hai 37. Mã gia cường sống chính 5. Đà ngang đặc 21. Bong trên 38. Mã gia cường sống hông 6. Dải tôn giữa đáy 22. Tấm mép boong 39. Đà ngang kín nước 7. Dải tôn liền kề với 23. Mã chống vặn 40. Mã đà ngang kín nước dải tôn giữa đáy 24. Xà ngang boong 41. Nẹp đứng 8. Tôn đáy 25. Dầm dọc boong 42.Thanh chống 9. Dải tôn hông 26. Sống boong 43.Lỗ khoét cho đường hàn 10. Tôn mạn 27.Thành miệng khoanghàng chui qua 11. Dải tôn đỉnh mạn 28. Xà ngang boong khỏe 44. Lỗgiảm trọnglượng 12. Dải tôn mép mạn 29. Sườn khỏe 45. Sống hông nghiêng 13. Tôn đáy trên 30. Cột chống trong khoang 46. Lỗ khoét người chui 14. Mã hông 31. Cột chống nội boong 47. Vách kín nước 15. Tấm ốp 32. Tôn mạn chắn sóng 48. Nẹp vách 16. Sườn khoang 33. Tay vịn 49. Tấm đệm chân cột chống 68
3.1.1. KẾT CẤU DÀN ĐÁY Theo cơ học kết cấu, khung dàn đáy phần giữa tàu coi là một tấm phức tạp tạo thành từ vỏ đáy, sàn đáy trong và các khung dàn đáy. Đối với tàu vận tải, tấm này coi là tấm phẳng. Đáy đôi của tàu đóng vai trò lớn trong việc đảm bảo chống chìm, ngăn chặn sự ngập nước vào khoang khi vỏ ngoài bị thủng nên có chiều cao đáng kể, phủ một phần hông tàu. Càng về phía mũi tàu, độ che phủ càng lớn và đường tiếp xúc giữa sàn trong đáy đôi và mạn tàu chạy song song với độ nâng của hông tàu. Sàn đáy trong thường nằm ngang chạy từ vách chống va mũi đến vách chống va lái trên suốt chiều dài tàu. Phần không gian giữa hai đáy được phân chia thành từng khoang riêng chứa nước và nhiên liệu, được tạo bởi các đà ngang đáy và sống dọc đáy. Các khoang đáy đôi chứa dầu và nước phải được cách ly bởi khoang cách ly. 1. Chức năng Dàn đáy tạo nên không gian và diện tích trên tàu để bố trí ang hóa, bố trí két dầu, két nước, két nhiên liệu. Nó tham gia đảm bảo độ bền dọc chung thân tàu với tư cách là mép dưới của thanh tương đương, tham gia đảm bảo độ bền cục bộ của các dàn dưới tác dụng của áp lực nước ngoài mạn và ang hóa trong khoang và làm vành đế cho các dàn khác. Điều này đặc biệt quan trọng đối với tàu chở ang nặng trên boong. Dàn đáy đôi còn nâng cao tính chống chìm của tàu . 2. Điều kiện làm việc Tình hình chịu lực của kết cấu đáy tàu khá phức tạp. Dàn đáy thường xuyên chịu ứng suất pháp σ1 do uốn dọc chung thân tàu gây ra . Khi tàu võng xuống, đáy tàu chịu ứng suất kéo và ngược lại khi tàu vồng lên, đáy tàu chịu ứng suất nén. Dàn đáy còn chịu uốn cục bộ gây ra ứng suất σ2 ,σ3 ,σ4 do các tải trọng tĩnh và động. Tải trọng tĩnh đó là: áp lực thủy tĩnh của nước ngoài mạn khi đặt tàu trên nước tĩnh và trên sóng; áp lực thủy tĩnh của hàng trong khoang khi tàu chòng chành trên sóng; áp lực thử khoang két kín dầu, kín nước, kín hơi; áp lực khi kê tàu trên triền, trên ụ. Tải trọng động do khoang máy chịu tải trọng chấn động của máy Mãc; áp lực thủy động khi tàu chuyển động trên song, áp lực thủy động của hàng trong khoang khi tàu chòng chành trên sóng hoặc khi hàng đột ngột thả xuống hoặc áp lực xung kích khi ngoạm bốc xếp hàng hóa; áp lực thủy động của nước do hệ chong chóng, bánh lái sau thân tàu gây ra tại vùng đuôi. Ngoài ra dàn đáy còn chịu lực va chạm do đáy tàu cọ xát với lòng sông hoặc ngẫu nhiên mắc cạn khi tàu chạy ở vùng nước cạn và vùng cửa cảng . 69
3. Phân loại cơ cấu đáy theo ứng suất phát sinh trên tiết diện ngang • Cơ cấu loại 1 : Là cơ cấu trên tiết diện ngang chỉ phát sinh một loại ứng suất σ1 do uốn chung thân tàu gây ra (Cơ cấu loại này hiếm ). • Cơ cấu loại 2 : Là cơ cấu trên tiết diện ngang phát sinh hai loại ứng suất σ1 ,σ2 do uốn chung và uốn dàn thân tàu gây ra.(dàn đáy, sống đáy) • Cơ cấu loại 3: Là cơ cấu trên tiết diện ngang phát sinh ba loại ứng suất: σ1,σ2,σ3 hoặc σ4 do uốn chung, uốn dàn, uốn nẹp hoặc uốn tấm gây ra.( dầm dọc đáy khi đáy kết cấu hệ thống dọc, tôn đáy khi đáy kết cấu hệ thống ngang ). • Cơ cấu loại 4: Trên tiết diện ngang phát sinh cả bốn loại ứng suất: σ1,σ2,σ3 và σ4 do uốn chung, uốn dàn, uốn nẹp và uốn tấm thân tàu gây ra ( tôn đáy ). 4. Phân loại kết cấu đáy tàu Việc lựa chọn hình thức kết cấu phải đảm bảo tàu đủ sức bền, khối lượng tàu tối thiểu, tạo thuận lợi cho việc lắp ráp, hàn tàu trong đóng mới và sửa chữa tàu. Phân loại kết cấu đáy và phạm vi sử dụng được tra bảng 13.14 Sổ tay kỹ thuật đóng tàu tập II. Bảng 3.1 Phân loại kết cấu đáy và phạm vi sử dụng Kết cấu hợp thành chủ yếu Phânloại Phạm vi áp dụng chủ yếu Kết cấu dọc Kết cấu ngang 1.Tàu L<45 m. Tàu sông thường Đáy đơn Sống chính Đà ngang đặt ở mỗi không hạn chế về chiều dài . HTKC Sống phụ khoảng sườn 2. Trong khoang nhọn mũi , lái ngang 3. Phía trước gần khoang nhọn lái Đáy đơn Sống chính Cách một số khoảng 1. Khu vực khoang dầu của tàu HTKC Sống phụ sườn có một đà ngang dầu dọc Dầm dọc đáy 2. Tàu sông Đà ngang đặc Đáy đôi Đà ngang kín nước HTKC Sống chính Đà ngang tổ hợp 1. Tàu hàng khô cỡ trung, cỡ nhỏ ngang Sống phụ Khi không có đà 2. Khu vực khoang máy tàu dầu ngang tổ hợp, mỗi đà ngang là đà ngang đặc Đáy đôi Sống chính HTKC Sống phụ Đà ngang đặc. 1. Tàu hàng khô cỡ trung , cỡ lớn dọc Dầm dọc đáy Đà ngang kín nước 2. Tàu hàng, khoang máy ở đuôi trong và ngoài 3. Tàu hàng rời. 70
5. Một số vấn đề cần lưu ý Tính chống chìm và yêu cầu sử dụng Để nâng cao tính chống chìm của tàu và lợi dụng dung tích đáy tàu, thông thường trên những tàu có chiều dài L ≥ 50 m đều bố trí đáy đôi . Tuy nhiên với những tàu có tổng dung tích 100 m thì hệ thống kết cấu dọc ưu việt hơn hệ thống kết cấu ngang .Kết cấu đáy đôi của khoang dùng để chuyên chở hàng nặng phải được quan tâm đặc biệt. Phải đảm bảo tính liên tục của kết cấu dọc nhất là trong khu vực 0,7L, cố gắng kéo dài về hai đầu mũi và lái. Khi có sự chuyển tiếp từ hệ thống dọc sang hệ thống kết cấu ngang hoặc khi chiều cao đáy đôi thay đổi đột ngột, phải quan tâm đặc biệt sự lien tục của độ bền bằng cách đặt các sống phụ và đà ngang bổ sung. 71