KIỂM TRA ĐỘ BỀN DỌC CHUNG THÂN TÀU HÀNG 8700T

HiÖn nay, hÖ thèng quy ph¹m ph©n cÊp vµ ®ãng tµu biÓn ViÖt Nam ®­îc biªn so¹n chñ yÕu dùa vµo quy ph¹m cña NhËt Bn Class NK, hoÆc chÞu nh h­ëng cña mét sè quy ph¹m kh¸c nh­: DNV Rules for Ships mang tªn: Quy ph¹m ph©n cÊp vµ ®ãng tµu biÓn vá thep TCVN 62592:2003. X¸c ®Þnh ®é bÒn däc chung th©n tµu: §é bÒn däc chung th©n tµu ho¹t ®éng trong vïng khng h¹n chÕ: Néi lùc bæ sung cña tµu trªn sãng: + Mmen uèn bæ sung cña tµu trªn sãng theo ®iÒu 13.2.11: MW(+) = + 0,19C1C2L12.B.CB ; (4.1.1) MW() = 0,11C1C2L12.B.(CB + 0,7). (4.1.2) Trong ®ã: MW(+) mmen uèn däc tµu bæ sung trªn ®Ønh sãng, kN.m; MW() mmen uèn däc tµu bæ sung trªn ®¸y sãng, kN.m; C1 = 0,03L1 + 5 víi tµu cã chiÒu dµi L < 90 m. C1 = 10,75 nÕu tµu cã L1 300 m. C1 = 10,75 nÕu tµu cã 300 m < L1 350 m. C1 = 10,75 nÕu tµu cã L1 > 350 m. C2 = 1.0 trong vïng gi÷a 0.4 L ®Õn 0.65 L kÓ tõ ®ui; C2 = 0 t¹i mòi vµ ®ui. C¸c gi¸ trÞ trung gian x¸c ®Þnh bng ph­ng ph¸p néi suy tuyÕn tÝnh. Cb HÖ sè bÐo thÓ tÝch cña tµu ( 0,6); + Lùc c¾t bæ sung cña tµu trªn sãng theo ®iÒu 13.31: FW(+) = + 0,3.C1C3.L1.B(Cb+ 0.7); (4.1.3) FW() = 0,3.C1C4 L1B(Cb+ 0.7). (4.1.4) Trong ®ã: FW(+) lùc c¾t bæ sung trªn ®Ønh sãng, kN; FW() lùc c¾t bæ sung trªn ®¸y sãng, kN;

Chơng v Kiểm tra độ bền dọc chung thân tàu

Ngời thiết kế: S.v Vũ Văn Tuyển

Ngời hớng dẫn: Th.s Nguyễn Văn Hân

5.1.Các phơng pháp xác định nội lực thân tàu

5.1.1 Xác định độ bền dọc chung thân tàu theo Quy phạm.

Hiện nay, hệ thống quy phạm phân cấp và đóng tàu biển Việt Nam đợc biênsoạn chủ yếu dựa vào quy phạm của Nhật Bản "Class NK", hoặc chịu ảnh hởngcủa một số quy phạm khác nh: "DNV Rules for Ships" mang tên: “Quy phạmphân cấp và đóng tàu biển vỏ thep TCVN 6259-2:2003”

Xác định độ bền dọc chung thân tàu:

* Độ bền dọc chung thân tàu hoạt động trong vùng không hạn chế:

- Nội lực bổ sung của tàu trên sóng:

+ Mômen uốn bổ sung của tàu trên sóng theo điều 13.2.1-[1]:

MW(+) = + 0,19C1C2L1 B.CB’ ; (4.1.1)

MW(-) = - 0,11C1C2L1 B.(CB’ + 0,7) (4.1.2)Trong đó:

MW(+) - mômen uốn dọc tàu bổ sung trên đỉnh sóng, kN.m;

MW(-) - mômen uốn dọc tàu bổ sung trên đáy sóng, kN.m;

C1 = 0,03L1 + 5 - với tàu có chiều dài L < 90 m

C1 = 10,75 -

5 , 1 1

100

L 300

150

350 L

C2 = 1.0 – trong vùng giữa 0.4 L đến 0.65 L kể từ đuôi;

C2 = 0 – tại mũi và đuôi

Các giá trị trung gian xác định bằng phơng pháp nội suy tuyến tính

Cb’ - Hệ số béo thể tích của tàu ( 0,6);

+ Lực cắt bổ sung của tàu trên sóng theo điều 13.3-[1]:

FW(+) = + 0,3.C1C3.L1.B(Cb’+ 0.7); (4.1.3)

FW(-) = - 0,3.C1C4 L1B(Cb’+ 0.7) (4.1.4)Trong đó:

Trong đó:

W- môđun chống uốn của tiết diện ngang tại giữa tàu, cm3;

MS - mômen uốn dọc tàu trên nớc lặng, kN.m;

MW(+) và MW(-) - mô men uốn bổ sung trên sóng, kN.m;

+ Ngoài ra môđun chống uốn tại tiết diện giữa tàu không nhỏ hơn trị số:

Wmin= C1L1 B(C'b + 0,7); (4.1.7)+ Mômen quán tính tiết diện ngang thân tàu tại giữa chiều dài:

I = 3WminL1; (4.1.8)

* Môđun chống uốn tại giữa tàu hoạt động trong khu vực biển hạn chế, theo

điều 13.2.1-[1]

W 5,72 M S M w ().K; (4.1.9)Ngoài ra môđun chống uốn tại tiết diện giữa tàu theo điều 13.2.1-[1]:

Wmin = K.C1L1 B(C'b + 0,7); (4.1.10)Trong đó:

Wmim - môđun chống uốn tối thiểu tại tiết diện giữa tàu, m3;

I - mômen quán tính tiết diện ngang thân tàu, m4;

K - hệ số, phụ thuộc vào vùng hạn chế của tàu, xác định theo:

K = 1.00 - đối với tàu hoạt động trong vùng hạn chế cấp I;

K = 0.95 - đối với tàu hoạt động trong vùng hạn chế cấp II;

K = 0.90 - đối với tàu hoạt động trong vùng hạn chế cấp III

5.1.2 Phơng pháp sử dụng để xác định độ bền dọc chung thân tàu.

Các bớc xác định độ bền dọc chung thân tàu:

- Bớc 1: Phân bố trọng lợng thân tàu theo chiều dài.

- Bớc 2: Xác định nội lực thân tàu khi tàu nằm trên nớc tĩnh.

- Bớc 3: Xác định nội lực thân tàu khi tàu đặt tĩnh trên sóng điều

hòa

- Bớc 4: Kiểm tra độ bền dọc chung.

Xác định nội lực bổ sung thân tàu trên sóng theo các phơng pháp sau:

- Cách 1: Khi đặt tĩnh tàu trên sóng điều hoà.

- Cách 2: Khi tàu dao động trên sóng điều hoà.

- Cách 3: Khi tàu trên sóng ngẫu nhiên.

Khi đã xác định đợc nội lực của thân tàu, ngời ta tiến hành kiểm tra, đánhgiá độ bền dọc chung thân tàu

Việc khó khăn nhất và cũng là bớc quyết định là xác định đợc chính xácmômen uốn và lực cắt của tàu khi tàu hoạt động trên biển, việc kiểm tra độ bềndọc chung theo quy phạm hoặc theo mômen uốn giới hạn chỉ là phép tính đơngiản thông thờng Chính vì lẽ đó trong nội dung luận án ta chỉ chú trọng và quantâm nhất đến các phơng pháp xác định nội lực thân tàu

5.1.2.1 Phân bố trọng lợng thân tàu theo chiều dài.

Khi tàu nằm trên nớc tĩnh, tải trọng tác dụng lên thân tàu gây nên mômenuốn và lực cắt, bao gồm:

Tải trọng của các thành phần trọng lợng bố trí trên tàu

áp lực thuỷ tĩnh của nớc ngoài mạn

Để xác định đợc nội lực gây uốn dọc chung thân tàu khi đặt tàu trên nớctĩnh, ta phải xác định phân bố các thành phần trọng lợng thân tàu tác dụng theochiều dài tàu

Khi cha có đầy đủ số liệu thiết kế, ngời ta sử dụng các phơng pháp thựcnghiệm gần đúng để phân bố trọng lợng, nh phơng pháp R.Johnson, hoặc phơngpháp A.A Kurdiumov

Theo bố trí của tàu, dựa vào thiết kế kết cấu, bố trí chung toàn tàu, ngời ta

có thể xác định đợc sơ đồ phân bố trọng lợng theo chiều dài một cách khá chínhxác Để thuận tiện cho tính toán khi các thành phần trọng lợng trên tàu phân bốkhông đều trên các khoảng sờn lý thuyết, ngời ta tiến hành phân chia tải trọng Việc phân chia đảm bảo nguyên tắc: bảo toàn về lực và vị trí điểm đặt lực

Do tải trọng phân bố không đều, phân bố dới dạng tải trọng q(x) Nhng ta

có thể thay thế tải trọng đó thành một lực P có điểm đặt tại tâm của hình và giátrị tính theo công thức:

P = 

b

a

dx ) x (

Hình 4.1.1

Khi q(x) = const trên toàn bộ đoạn ab và điểm đặt lực ở giữa đoạn ab

P = q(b - a) (4.1.12)

* Các trờng hợp phân chia tải trọng:

- Khối lợng P nằm trọn trong một khoảng sờn lý thuyết:

- Khối lợng P nằm trên nhiều khoảng sờn lý thuyết:

Nếu P < /100 thì P đợc phân đều cho các khoảng sờn đó

( Trong đó  là trọng lợng toàn tàu)

Hình 4.1.3

Nếu P > /100 thì P đợc phân nh trờng hợp P nằm trọn trong một khoảngsờn lý thuyết:

Hình 4.1.4

- Khối lợng P nằm ngoài khoảng sờn lý thuyết:

Hình 4.1.5

Gọi C: là khoảng cách từ giá của P đến sờn biên ( Sờn 0, Sờn 20)

P1: Thành phần trọng lợng đợc bổ sung vào k/s biên (0-1)

P2: Thành phần trọng lợng lấy đi kề k/s biên (1-2)

xi – hoành độ trọng tâm của thành phần trọng lợng thứ i, m

Các thành phần trọng lợng phải cân bằng với lực nổi của nớc ngoài mạn:

P = Pi =  = V; (4.1.23)Trong đó:

 – lợng chiếm nớc của tàu, kN;

 - tỷ trọng của nớc ngoài mạn, kN/m3;

V – thể tích ngâm nớc của tàu, m3 Dựa vào giá trị thể tích (V) đã đợc xác định, trên đồ thị đờng cong thuỷ lực

ta tìm các thông số: chiều chìm trung bình dtb, hoành độ tâm nổi XC, hoành độtâm mặt đờng nớc Xf và bán kính nghiêng dọc R

Phân bố trọng lợng thân tàu theo nguyên tắc trên để tính toán độ bền dọcchung thân tàu là nguyên tắc cơ bản, đã và đang đợc sử dụng rộng rãi, đảm bảo

độ tin cậy

5.1.2.2 Xác định nội lực thân tàu khi tàu nằm trên nớc tĩnh.

Để có thể xác định đợc nội lực thân tàu, trớc hết ngời ta phải tìm đợc t thếcủa nó khi nằm trên nớc tĩnh, hay nói cách khác ta phải cân bằng dọc tàu

* Cân bằng dọc tàu trên nớc tĩnh

Sau khi đã phân bố trọng lợng và xác định đợc các thông số cơ bản của tàu,

ta tiến hành cân bằng dọc tàu (xác định t thế), cụ thể nh sau:

- Xác định độ chúi ban đầu (xác định mớn nớc mũi, và mớn nớc lái):

xC - hoành độ tâm nổi tàu, m;

R – bán kính tâm chúi của tàu, m

- Khi có các giá trị dm1, dl1, ta xác định sự phân bố lợng chiếm nớc dựa theo

đờng cong Bonjean đã đợc tính khi xác định các yếu tố tính nổi của tàu Tíchphân diện tích ngâm nớc của sờn, xác định thể tích chiếm nớc:

V1 = 





2 L

2 L

Trong đó:

V1 - thể tích chiếm nớc của tàu trong lần gần đúng thứ nhất, kN;

x- diện tích sờn ngâm nớc tại toạ độ x ở đờng nớc tính toán, m2;

L – chiều dài tính toán của tàu, m;

L – khoảng sờn lý thuyết, m

- Hoành độ tâm nổi (xC1) xác định theo:

2 L x

2 L

2 L x

dx

dx x

- Trong các lần tính tiếp theo sau đó, mớn nớc mũi và mớn nớc lái xác địnhtheo công thức:

(4.1.31)Trong đó:

xG - hoành độ trọng tâm của tàu ở trạng thái tính toán, m;

xC* - hoành độ tâm nổi của tàu ở lần tính cuối cùng, m;

V, V1 - thể tích ngâm nớc của tàu ở hai lần tính kề cận, m3;Sau khi phân bố trọng lợng tàu và tìm đợc đờng nớc thực của tàu, ngời tatiến hành xác định nội lực trong vỏ tàu Cân bằng tàu trên nớc tĩnh là bớc cơ bản

mà khi tính toán độ bền dọc chung bằng phơng pháp trực tiếp đều phải thực hiện

* Xác định nội lực của tàu trên nớc tĩnh.

- Giả thuyết bài toán: Thân tàu đợc coi nh dầm lăng trụ (tiết diện khôngthay đổi) mà nội lực không bị ảnh hởng bởi độ võng dầm (coi dầm có độ cứngtuyệt đối)

- Phơng pháp tính: Lực cắt và mômen uốn đợc xác định theo phơng pháptích phân thông thờng

- Lập hệ trục toạ độ: Ta lập hệ trục toạ độ oxy, với

trục ox nằm trong mặt đờng nớc tính toán hớng từ đuôi về mũi tàu,

trục oy là giao tuyến của mặt phẳng sờn giữa và mặt phẳng đối xứng củathân tàu hớng xuống dới

N(x) - lực cắt trên tiết diện ngang thân tàu tại toạ độ x, kN;

M(x) - mômen uốn trên tiết diện ngang thân tàu tại toạ độ x, kN.m;

q(x) = p(x) – q(x): hiệu số giữa trọng lợng phân bố trên tàu và lựcnâng thuỷ tĩnh của nớc, kN/m

Để thuận tiện, ngời ta thờng tích phân gần đúng và thực hiện ở dạng bảng.Tiêu chuẩn chấp nhận sai số khi tính lực cắt N(x) và mômen uốn M(x):

025 , 0 ) ( max



N

L N

05 , 0 ) ( max



M

L M

Trong đó:

N(L) - giá trị lực cắt trên nớc tĩnh tại sờn cuối cùng, kN;

M(L) - giá trị mômen uốn tại sờn cuối cùng, kN.m;

N.max, - giá trị lớn nhất của lực cắt, kN;

M.max - giá trị lớn nhất của mômen uốn, kN.m

Khi đã thoả mãn điều kiện trên, có thể thực hiện hiệu chỉnh lực cắt vàmômen uốn nh sau:

) 20 ( N 20

i ) i (

Ns   s

) 20 ( M 20

i ) i (

Ms   s

Trong đó:

i - số sờn lý thuyết nơi tính nội lực;

NS(i) - lợng hiệu chỉnh lực cắt tại vị trí sờn thứ i, kN;

MS(i) - lợng hiệu mômen uốn tại vị trí sờn thứ i, kN.m;

NS(20) - lực cắt tại sờn cuối cùng, kN;

MS(20) - mômen uốn tại sờn cuối cùng, kN.m

Mô hình xác định nội lực thân tàu trên nớc tĩnh đã coi thân tàu nh dầm lăngtrụ tĩnh định có nhiều hạn chế về mô hình do sử dụng các giả thiết nhằm lý tởngbài toán, làm cho mô hình bài toán khác với điều kiện làm việc thực của thântàu, vì thế độ chính xác không cao Nó chỉ có thể tính cho các tàu có độ cứng(EJ) lớn, kết cấu ít thay đổi

5.1.2.3 Xác định nội lực bổ sung khi đặt tĩnh tàu trên sóng điều hoà.

- Phơng trình biểu diễn sóng Trokhoide theo [2]:

Hình 4.1.7 Profin của sóng Trokhoide

+ Quan hệ giữa chiều cao và chiều dài sóng tính toán:

Đối với sóng trạng thái:

h =

20



(4.1.39)Theo Đăng kiểm Loyds:

h = 0,450.0.6 (4.1.42)Trong đó:

h – chiều cao sóng, m;

 - chiều dài sóng, m

ở nớc ta, quan hệ giữa chiều cao và

chiều dài sóng tính toán đợc lấy theo Đăng

kiểm Liên Xô (cũ)

* Cân bằng dọc tàu trên sóng

Cân bằng dọc tàu trên sóng nhằm xác định t thế và vị trí thực của tàu khitàu nằm tĩnh trên sóng "(xem hình 4.1.10)", qua đó ta tìm đợc diện tích sờnngâm nớc của tàu ở trạng thái tính toán Trên biểu đồ Bonjean ta đặt trục sóngtrùng với đờng nớc của tàu trên nớc tĩnh tơng ứng với trạng thái tàu tính toán.Sau đó vẽ Prôfin sóng theo toạ độ của sóng trokhoide

bi

ai

 A

B 3

i

bi



iA

Gọi giao điểm của đờng hình dáng sóng với sờn lý thuyết là A, ở phần đỉnhsóng ta hạ thấp xuống, còn ở phần đáy sóng ta kéo lên một khoảng  từ 1m đến2m, gọi điểm đó là B Giá trị diện tích sờn tơng ứng với điểm A là ai, tơng ứngvới B là bi "(xem hình 4.1.8 và hình 4.1.9)" Tại mỗi sờn tiến hành tính các giátrị: ai, bi, ci, i

Từ điều kiện cân bằng tàu khi có lực bổ sung ta có:

x

L

0

w S

0

)

( ) ( )

( )

a

L

x V dx x L

x x x

dx L

x x dx

0

)

( ) ( )

( )

xC – hoành độ tâm nổi của tàu, m;

c - diện tích sờn ngâm nớc tại vị trí cân bằng của tàu trên sóng, m2;

a - diện tích sờn tại vị trí sóng tơng ứng ở điểm A, m2;

b - diện tích sờn tại vị trí sóng tơng ứng ở điểm B, m2;

 - lợng dịch chuyển vị trí đờng nớc tính toán chọn ban đầu, m;

i- khoảng cách vị trí sóng A đến vị trí sóng khi tàu cân bằng (C), m;

- Ta xác lập đợc hệ phơng trình theo điều kiện "(4.1.47), (4.1.48) nh sau:

V '

L '

x V '

L '

L

x ) x (

L

x ) x ( ) x (

b

L

x ) x ( ) x (

b F C

E B

 - số gia mớn nớc ở đờng vuông góc lái, m;

b = L - số gia mớn nớc ở đờng vuông góc mũi, m;

L - chiều dài tàu, m;

Sau khi giải hệ hai phơng trình, ta tìm đợc giá trị của các thông số 0 và b,xác định đợc diện tích ngâm nớc của tàu trên sóng

* Xác định mômen uốn và lực cắt bổ sung của tàu trên sóng.

Khi đã xác định đợc diện tích ngâm nớc của tàu trên nớc tĩnh và trên sóng ởtrạng thái tính toán, ta xác định mômen uốn và lực cắt bổ sung của tàu trên sóng

Do bài toán sử dụng mô hình dầm lăng trụ tĩnh định, vì vậy việc xác định nội lực

bổ sung trên sóng cũng đơn giản nh khi tàu trên nớc tĩnh, ta chỉ cần tích phân tảitrọng bổ sung theo chiều dài tàu Quá trình tiến hành theo phơng pháp gần đúng

Lực cắt bổ sung và mômen uốn bổ sung trên sóng xác định theo:

x ( M

) x (

 q ( x )dx dx )

x ( M ) x ( M

MS(x), M(x) - mômen uốn của tàu trên nớc tĩnh và trên sóng, kN.m

Sau đó ta thực hiện hiệu chỉnh lực cắt và mômen uốn bổ sung, quá trình tiếnhành nh khi hiệu chỉnh nội lực tàu trên nớc tĩnh

5.1.2.4 Kiểm tra độ bền dọc chung thân tàu.

Các phơng pháp kiểm tra độ bền dọc chung thân tàu:

kiểm tra theo quy phạm, kiểm tra theo ứng suất cho phép kiểm tra theo mômen uốn giới hạn

Để kiểm tra đợc độ bền dọc chung thân tàu, trớc hết ta phải xác định đợctiết diện tính toán của thân tàu (tiết diện dầm tơng đơng)

* Tiết diện tính toán của thân tàu khi kiểm tra độ bền dọc chung.

- Theo giả thuyết ở trên ta coi tàu là một dầm tơng đơng, mà trong kháiniệm thanh tơng đơng là tập hợp của những cơ cấu dọc tham gia uốn dọc chungthân tàu Vì vậy trên mặt cắt ngang thân tàu chỉ có các cơ cấu dọc mới tham giavào uốn dọc chung thân tàu

- Điều kiện để cơ cấu dọc tham gia vào uốn dọc chung thân tàu:

Chúng phải đủ dàiThoả mãn các điều kiện về mặt liên kếtTính nguyên vẹn của cơ cấu

Đảm bảo đồng nhất về vật liệu

- Khi tính toán độ bền dọc chung thân tàu, diện tích mặt cắt ngang của cáckết cấu dọc tham gia vào uốn chung trong lần tính gần đúng đầu tiên đợc đa vàotính toàn bộ Đánh giá ảnh hởng sự tham gia có mức độ của các kết cấu vào uốnchung sẽ đợc tiến hành ở các lần tính gần đúng sau Các thông số hình học mặt

- Kết quả tính toán:

mômen quán tính của mặt cắt ngang (Jx), môđun chống uốn của mặt cắt ngang so với mặt boong (Wb),môđun chống uốn so với đáy (Wd),

ứng suất pháp đối với cơ cấu bất kỳ (i)

* Kiểm tra độ bền dọc chung theo mômen uốn giới hạn.

- Mômen uồn giới hạn:

gh ch

- Sự phân bố ứng suất trong các cơ cấu là tuyến tính, ta có:

ch

i i

Z

Z



 max

Trong đó:

i

 - ứng suất xuất hiện trong chi tiết thứ i, kN/cm2 ;

Zi – khoảng cách từ chi tiết thứ i đến trục trung hoà tiết diện, m;

Zmax – khoảng cách boong cao nhất đến trục trung hoà tiết diện, m

So sánh ứng suất tới hạn (ứng suất ơle) với ứng suất tính toán cho từng kếtcấu, ta sẽ tính đợc hệ số tham gia:

Kiểm tra độ bền thân tàu bằng mômen uốn giới hạn, ta so sánh giá trị các

Mgh với các mômen uốn tính toán trên đỉnh sóng và trên đáy sóng:

Trờng hợp tàu võng bụng:

gh

M M

gh

M M M

Trong đó:

Md, Mdh – mômen uốn tính toán trên đáy sóng và đỉnh sóng trongtrờng hợp đặt tĩnh tàu trên sóng, kN.m;

Mv – mômen uốn động do va đập vào sóng, kN.m

*Kiểm tra độ bền dọc chung theo quy phạm.

Các bớc tiến hành kiểm tra:

- Xác định nội lực của tàu trên nớc tĩnh và nội lực bổ sung trên sóng

- Xác định mômen chống uốn và mômen quán tính theo quy định của quyphạm

Nội dung này đợc trình bày trong phơng pháp xác định độ bền dọc chungtheo "Quy phạm phân cấp và đóng tàu biển vỏ thép" TCVN 6259 - 2: 2003 "xemmục 5.1.1.1.3"

* Kiểm tra độ bền dọc chung theo ứng suất cho phép.

Theo tiêu chuẩn về ứng suất cho phép khi tính toán độ bền dọc chung thântàu: giá trị ứng suất xuất hiện trên kết cấu không vợt quá giới hạn cho phép “xembảng 1.2”

B¶ng 4.1.2.4: Tiªu chuÈn øng suÊt cho phÐp víi tµu vËn t¶i biÓn

TT T¶i träng tÝnh to¸n vµ øng suÊt øng suÊt cho phÐp so víi

giíi h¹n ch¶y (*)øng suÊt do uèn däc chung 1:

§èi víi tµu cã chiÒu dµi L  100m

§èi víi tµu cã chiÒu dµi L  200m

0,50/ 0.450,60/ 0,55Tæng øng suÊt do uèn chung vµ uèn giµn 0,60/ 0,55

Tæng øng suÊt do uèn chung, uèn giµn vµ

Gi¸ trÞ trung gian lÊy theo ph¬ng ph¸p néi suy tuyÕn tÝnh

(*) Tö sè dïng cho tµu chë hµng kh«, mÉu sè dïng cho tµu chë dÇu