thiết kế kết cấu tàu chở hàng khô vỏ thép, trọng tải 2000 tấn

LỜI NÓI ĐẦU Tàu thủy nói chung và tàu hàng nói riêng là một công trình kỹ thuật nổi phức tạp, có thể nổi và di chuyển được trên nước, có kết cấu phức tạp và hoạt động trong môi trường kh

Trang 1

KHOA CƠ KHÍ BỘ MÔN TÀU THUYỀN

ađb

TRƯƠNG VĂN PHƯƠNG

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

CHUYÊN NGÀNH: CƠ KHÍ TÀU THUYỀN

GVHD: TS TRẦN GIA THÁI

THIẾT KẾ KẾT CẤU TÀU CHỞ HÀNG KHÔ VỎ THÉP, TRỌNG TẢI 2000 TẤN

NHA TRANG, 06-2006

Trang 2

Họ và tên sinh viên: TRƯƠNG VĂN PHƯƠNG Lớp: 43TT

Tên đề tài: Thiết kế kết cấu tàu chở hàng khô vỏ thép, trọng tải 2000 tấn

Số trang: 100 Số chương: 04 Số tài liệu tham khảo: 11 Hiện vật: Không

NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

Kết luận:

Nha Trang, ngày …… tháng …… năm 200…

(Ký và ghi rõ họ tên)

Trang 3

Họ và tên sinh viên: TRƯƠNG VĂN PHƯƠNG Lớp: 43TT

Số trang: 100 Số chương: 04 Số tài liệu tham khảo: 11 Hiện vật: Không

NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN

Điểm phản biện:

Nha Trang, ngày …… tháng …… năm 200 …

ĐIỂM CHUNG

Bằng số Bằng chữ

Nha Trang, ngày …… tháng …… năm 200 …

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

Trang 4

Đầu lời tôi xin kính chúc sức khỏe thầy TS Trần Gia Thái và các thầy cô

giáo trong khoa cơ khí trường Đại học Thủy sản

Nhân dịp hoàn thành đề tài tôi xin chân thành cảm ơn:

- Cảm ơn quý thầy cô trường Đại học Thủy sản

- Cảm ơn quý thầy cô và anh chị của trung tâm tàu cá trường Đại học Thuỷ sản

- Cảm ơn gia đình, Bố, Mẹ tôi và bạn bè đã giúp đỡ tôi trong suốt thời gian học tập và thực hiện đề tài

- Cảm ơn thầy giáo chủ nhiệm Bùi Văn Nghiệp và thầy Phạm Thanh Nhựt

- Đặc biệt cảm ơn thầy TS Trần Gia Thái đã giúp đỡ tôi hoàn thành đồ án

tốt nghiệp này

Sinh viên thực hiện

Trương Văn Phương

Trang 5

Họ và tên sinh viên: TRƯƠNG VĂN PHƯƠNG Lớp: 43TT Địa chỉ liên hệ: 02 Hải Nam, Thanh Hải, phường Vĩnh Hải, Nha Trang

Cán bộ hướng dẫn: TS TRẦN GIA THÁI

I ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI VÀ MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU

1 Đối tượng nghiên cứu: Tàu chở hàng khô vỏ thép 2000 tấn

2 Phạm vi nghiên cứu: Thiết kế kết cấu theo quy phạm, tính sức bền kết cấu tàu thiết kế

3 Mục tiêu nghiên cứu: Giải quyết vấn đề thiết kế kết cấu tàu (theo quy phạm), tính sức bền và nâng cao kiến thức bản thân

II NỘI DUNG NGHIÊN CỨU Chương 1 ĐẶT VẤN ĐỀ

1.1 Tổng quan về đề tài

1.2 Tìm hiểu công tác thiết kế kết cấu tàu vỏ thép

1.3 Những vấn đề cần lưu ý khi thiết kế kết cấu tàu hàng vỏ thép

1.4 Nội dung và giới hạn đề tài

Chương 2 THIẾT KẾ KẾT CẤU THEO QUY PHẠM

2.1 Cơ sở lý thuyết của Quy phạm đóng tàu vỏ thép 2.2 Giới thiệu sơ lược về tàu thiết kế

2.3 Thiết kế kết cấu tàu chở hàng khô 2000 tấn vỏ thép

Chương 3 TÍNH KIỂM TRA ĐỘ BỀN KẾT CẤU TÀU THIẾT KẾ

3.1 Bài toán sức bền chung toàn tàu

Trang 6

4 THẢO LUẬN KẾT QUẢ VÀ ĐỀ XUẤT Ý KIẾN

Hoàn thành bản thảo: Trước ngày 12/06/2006

Nha Trang, ngày 10 tháng 03 năm 2006

Trang 7

MỤC LỤC

Trang LỜI CẢM ƠN

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 1

Chương 1 ĐẶT VẤN ĐỀ 2

1.1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 2

1.2 TÌM HIỂU CÔNG TÁC THIẾT KẾ KẾT CẤU TÀU VỎ THÉP 2

1.3 NHỮNG VẤN ĐỀ CẦN LƯU Ý KHI THIẾT KẾ KẾT CẤU TÀU HÀNG VỎ THÉP .3

1.3.1 Hệ thống kết cấu thân tàu vỏ thép .3

1.3.2 Đặc điểm kết cấu tàu hàng .5

1.4 NỘI DUNG VÀ GIỚI HẠN ĐỀ TÀI 9

Chương 2 THIẾT KẾ KẾT CẤU THEO QUY PHẠM 10

2.1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA QUY PHẠM ĐÓNG TÀU VỎ THÉP 10

2.2 GIỚI THIỆU SƠ LƯỢC TÀU THIẾT KẾ 10

2.3 THIẾT KẾ KẾT CẤU TÀU CHỞ HÀNG KHÔ 2000 TẤN VỎ THÉP THEO QUY PHẠM TÀU BIỂN VỎ THÉP 2003 12

2.3.1 Kết cấu đáy 12

2.3.2 Kết cấu khung giàn mạn 17

2.3.3 Kết cấu boong 26

2.3.4 Kết cấu sống mũi và sống đuôi .29

2.3.5 Kết cấu khung giàn vách 30

2.3.6 Bệ máy .32

2.3.7 Kết cấu thượng tầng và lầu .33

Trang 8

Chương 3

TÍNH KIỂM TRA ĐỘ BỀN KẾT CẤU THÂN TÀU THIẾT KẾ 37

3.1 KHÁI QUÁT VỀ BÀI TOÁN SỨC BỀN CHUNG THÂN TÀU 37

3.1.1 Tính sức bền chung thân tàu .37

3.1.2 Nhận xét kết cấu tàu qua bài toán sức bền chung .75

3.2 KHÁI QUÁT BÀI TOÁN SỨC BỀN CỤC BỘ CÁC KẾT CẤU THÂN TÀU 75 3.2.1 Lựa chọn phương pháp tính .75

3.2.2 Trình tự giải bài toán độ bền kết cấu bằng phương pháp phần tử hữu hạn .76

3.2.3 Xây dựng mô hình và tính sức bền cục bộ một số kết cấu chính 77

3.2.4 Kiểm tra sức bền cục bộ 98

4 THẢO LUẬN KẾT QUẢ VÀ ĐỀ XUẤT Ý KIẾN 99

4.1 THẢO LUẬN KẾT QUẢ .99

4.2 ĐỀ XUẤT Ý KIẾN 99

TÀI LIỆU THAM KHẢO 100

Trang 9

LỜI NÓI ĐẦU

Tàu thủy nói chung và tàu hàng nói riêng là một công trình kỹ thuật nổi phức tạp, có thể nổi và di chuyển được trên nước, có kết cấu phức tạp và hoạt động trong môi trường khắc nghiệt, chịu sự tác động của nhiều yếu tố như sóng, gió, va đập, …

Do vậy, yêu cầu quan trọng của việc thiết kế kết cấu là nghiên cứu các phương pháp lựa chọn hình dáng kết cấu, xác định kích thước, tính toán tối ưu kích thước, bố trí hợp lý các kết cấu và liên kết của thân tàu để đảm bảo tàu hoạt động an toàn trong môi trường khắc nghiệt đó Có nhiều phương pháp thiết kế kết cấu thân tàu và một phương pháp thiết kết cấu (được thực hiện trong đồ án này) đảm bảo bền, an toàn, đạt hiệu quả và rút ngắn thời gian là thiết kế theo quy phạm phân cấp và đóng tàu

Đề tài: “Thiết kế kết cấu tàu chở hàng khô vỏ thép, trọng tải 2000 Tấn” sẽ

giải quyết vấn đề thực tế là thiết kế kết cấu theo quy phạm và tính sức bền cho tàu

vỏ thép Đề tài thực hiện theo bốn chương với nội dung như sau:

Chương 1: Đặt vấn đề

Chương 2: Thiết kế kết cấu theo Quy phạm

Chương 3: Tính kiểm tra độ bền kết cấu thân tàu thiết kế

4 Thảo luận kết quả và đề xuất ý kiến

Mục đích của đề tài là giải quyết vấn đề thực tế thiết kế kết cấu tàu vỏ thép theo quy phạm, đồng thời thực hiện tính toán sức bền và từ đó áp dụng cho các tàu khác theo quy định của quy phạm

Do thời gian có hạn, kiến thức và kinh nghiệm thực tế còn hạn chế, chắc chắn trong đề tài không tránh khỏi những thiếu sót Rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của các thầy giáo và các bạn

Nha Trang, ngày 12 tháng 06 năm 2006

Sinh viên thực hiện

Trương Văn Phương

Trang 10

Chương 1 ĐẶT VẤN ĐỀ

1.1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

Như đã biết thiết kế kết cấu là một giai đoạn quan trọng trong quá trình thiết

kế tàu Đây là quá trính tính toán kích thước, lựa chọn hình dáng và bố trí kết cấu, liên kết sao cho các kết cấu thiết kế đảm bảo được độ bền, tính công nghệ và tính kinh tế

Hiện nay, loại tàu 2000 tấn đã được đóng ở nước ta và cũng đã có hồ sơ thiết

kế kết cấu, qua tìm hiểu và phân tích một số hồ sơ thiết kế cho thấy các tàu này thường được thiết kế kết cấu theo Quy phạm phân cấp và đóng tàu Ưu điểm của thiết kế kết cấu theo Quy phạm là tương đối đơn giản, thực dụng, thường đảm bảo sức bền tàu và rút ngắn được thời gian thiết kế Tuy nhiên, nhược điểm của thiết kế kết cấu theo Quy phạm là kết cấu thường chưa phải ở dạng tối ưu, nguyên nhân do Quy phạm chưa phải phản ánh đầy đủ các điều kiện môi trường, thiên nhiên và con người hoạt động trong đó Do đó, thiết kế kết cấu theo Quy phạm thường chỉ mới đáp ứng được yêu cầu về độ bền còn về tính công nghệ và tính kinh tế là chưa thỏa đáng, thường là thừa bền và tốn kém vật liệu

Trên cơ sở đó, đề tài này sẽ phân tích, đánh giá và tính toán thiết kế kết cấu tàu chở hàng khô vỏ thép 2000 tấn theo Quy phạm sao cho các kết cấu thiết kế đảm bảo độ bền, ổn định, tính công nghệ và tính kinh tế Sau đó thực hiện tính toán sức bền cho các kết cấu theo phương pháp tính toán lý thuyết để kiểm tra, đánh giá và đưa ra những kết cấu cho tàu thiết kế phù hợp với điều kiện Việt Nam

1.2 TÌM HIỂU CÔNG TÁC THIẾT KẾ KẾT CẤU TÀU VỎ THÉP

Công tác thiết kế kết cấu tàu vỏ thép hiện nay ở nước ta thường được thực hiện tại các nhà máy đóng tàu vỏ thép, các Viện thiết kế Tại mỗi nhà máy đóng và sửa tàu biển vỏ thép thường có một phòng kỹ thuật đảm nhận nhiệm vụ thiết kế tàu trong đó có thiết kế kết cấu Thiết kế kết cấu được thực hiện khi đã có bản vẽ thiết

kế đường hình tàu, trên cơ sở đường hình và các yêu cầu của chủ tàu về mục đích sử

Trang 11

dụng tàu, sức chở, tính năng, … các phòng thiết kế (hay các Viện thiết kế) tiến hành lựa chọn phương pháp thiết kế cho phù hợp với các yêu cầu trên Sau khi thiết kế xong các phòng (Viện) thiết kế trình Đăng kiểm duyệt trước khi tiến hành triển khai bản vẽ thi công Thông thường phương pháp thiết kế kết cấu tàu theo quy phạm là phổ biến nhất và được sử dụng rộng rãi hiện nay

1.3 NHỮNG VẤN ĐỀ CẦN LƯU Ý KHI THIẾT KẾ KẾT CẤU TÀU HÀNG VỎ THÉP

Khi thiết kế kết cấu thân tàu vỏ thép cần lưu ý một số vấn đề sau:

1.3.1 Hệ thống kết cấu thân tàu vỏ thép

Kết cấu thân tàu có dạng vỏ mỏng gồm phần tôn bao bên ngoài và phần gia cường bên trong tạo thành khung xương đảm bảo độ bền, giữ tàu nổi và vận động trên nước

Việc lựa chọn hình thức kết cấu ảnh hưởng đến độ bền, tính công nghệ và tính kinh tế Tùy theo sự bố trí các dầm dọc và ngang trong khung giàn kết cấu thân tàu chia ra ba hình thức bố trí kết cấu sau:

1.3.1.1 Hệ thống kết cấu ngang

Trong hệ thống này các kết cấu bố trí theo chiều dài tàu dày hơn chiều rộng tàu được thể hiện trên hình vẽ

Ø Ưu điểm:

- Chịu tác dụng của lực theo phương ngang tàu tốt

- Công nghệ chế tạo tàu theo hệ thống ngang đơn giản hơn các hệ thống khác vì số lượng kết cấu dọc ít, thuận tiện cho việc phân đoạn và thi công

Trang 12

hưởng độ bền vỏ

1.3.1.2 Hệ thống kết cấu dọc

Các kết cấu bố trí theo chiều dài tàu thưa hơn chiều rộng tàu

Ø Ưu điểm:

- Giảm được chiều dày các tấm tôn và giảm trọng lượng tàu (đối với các tàu

cỡ lớn), thuận tiện trong công việc áp dụng công nghệ hàn tự động

- Đối với các tàu cỡ lớn hệ thống dọc cho phép giảm 15% nguyên liệu làm

vỏ tàu

Ø Nhược điểm:

- Việc lắp ráp các phân đoạn rất phức tạp, kéo dài các khoang là rất khó, do

đó tốn nhiều thời gian trong thi công

1.3.1.3 Hệ thống kết cấu hỗn hợp

Hệ thống kết cấu này là sự kết hợp của hai hệ thống ngang và dọc, cách bố trí như vậy cho phép hệ thống kết cấu này có thể tận dụng được ưu điểm của hai hệ thống trên đồng thời giảm đi các nhược điểm của chúng

F Hiện nay, các tàu hàng cỡ vừa và nhỏ thường bố trí kết cấu theo hệ thống ngang, cách bố trí này về khối lượng vật liệu không chênh lệch so với các hệ thống khác, thuận tiện trong thi công và phù hợp với điều kiện các nhà máy đóng tàu ở Việt Nam, vì đa số các nhà máy ở nước ta hệ thống cẩu chưa lớn Kết cấu theo hệ thống ngang thuận tiện trong việc phân đoạn tàu, rút ngắn thời gian lắp ráp các phân đoạn Đồng thời, tàu hàng kết cấu theo hệ thống ngang cho phép bố trí khoang hàng gọn, hợp lý, tạo nhiều thuận lợi cho người tiêu dùng, dung tích hầm hàng đủ lớn, đay là yêu cầu rất quan trọng đối với tàu chở hàng nói chung và tàu chở hàng khô

a

Hình 1.2 Hệ thống kết cấu dọc

Trang 13

nói riêng Tuy nhiên, kết cấu theo hệ thống ngang khả năng chịu sức bền dọc kém,

do đó người ta thường bố trí thêm các chi tiết kết cấu dọc như: sống chính, sống phụ, đà dọc đáy, dầm dọc mạn, … để tăng độ bền dọc cho tàu

1.3.2 Đặc điểm kết cấu tàu hàng

1.3.2.1 Khung giàn đáy:

- Đối với tàu thép, khung giàn đáy có thể bố trí đáy đôi hoặc đáy đơn như hình vẽ sau:

Với các loại tàu hàng chiều dài lớn hơn 60m bố trí đáy đôi từ vách chống va mũi đến khoang lái, chiều cao đáy đôi ³ 620mm để người có thể kiểm tra, thao tác

Hình 1.4 Đáy đôi hệ thống kết cấu ngang

Trang 14

công việc cần thiết trong đáy đôi Kết cấu đáy đôi có thể tăng khả năng chống chìm, tăng độ bền dọc, tạo các két chứa nhiên liệu, các két dằn balast, từ đó tăng dung tích hầm hàng Đồng thời bố trí đáy đôi sẽ tận dụng được mặt tôn đáy trong làm sàn để xếp hàng hóa, thuận tiện cho các công việc trong hầm hàng

Hiện nay, các tàu thép cỡ vừa và nhỏ khung giàn đáy thường kết cấu theo hệ thống ngang, đặc điểm kết cấu này sẽ tăng độ cứng vững cho khung giàn mạn, chống lại lực ép ngang tàu Tuy nhiên, kết cấu theo hệ thống ngang thì độ bền dọc

sẽ kém, do vậy cần bố trí các kết cấu dọc như sống phụ, nẹp dọc, đáy dọc đáy để tăng độ bền dọc Sống chính kín nước, chỉ được khoét lỗ ở khu vực đầu và cuối tàu, chiều cao không quá 0,4 lần chiều cao ky đáy

1.3.2.2 Khung giàn mạn

Khung giàn mạn chịu áp lực nước từ ngoài mạn và hàng hóa gây ra, do đó chịu tác dụng của lực ép ngang lớn và tạo nên các ứng suất phức tạp như ứng suất pháp do Muốn và ứng suất tiếp do lực cắt N gây ra khi tàu uốn dọc, áp klực hàng hóa, … Hiện nay, khung giàn mạn thường được kết cấu theo bốn dạng sau:

Trang 15

Với các tải trọng và lực tác dụng như trên, khung giàn mạn tàu hàng vỏ thép thường được kết cấu theo hệ thống ngang có xà dọc mạn và sườn khỏe đặt xen kẻ, kết cấu như vậy sẽ đảm bảo được độ bền ngang đồng thời tăng khả năng chống uốn dọc cho hầm hàng nhờ các dầm dọc mạn, thuận tiện trong phân khoang và miệng hầm, dễ dàng hơn trong thi công Các lỗ khoét cho các cơ cấu khác chiều đi qua không nhiều do

đó công bỏ ra cho việc này không lớn, nâng cao tính kinh tế và công nghệ

Dựa vạo kích thước khổ tôn trên thực tế thường sử dụng ví dụ: 6m, 12m và điều kiện liên kết các mối nối (không được nối tôn tại các sườn) ta tính toán và lựa chọn khoảng cách sườn để đảm bảo độ bền và khả năng thi công cho mạn tàu

1.3.2.3 Khung giàn boong

Đối với tàu hàng hiện nay có thể bố trí một boong, hai boong, … tuy nhiên tàu hàng cỡ 2000 tấn đa số bố trí một boong Khung giàn boong tàu có thể kết cấu theo hệ thống ngang hay dọc như hình vẽ:

Khung giàn boong kết cấu theo hệ thống ngang đối với các loại tàu cỡ vừa và nhỏ có nhiều ưu điểm hơn so với hệ thống dọc đó là đảm bảo độ bền ngang, giảm chiều dày tôn boong, thuận tiện cho việc bố trí hầm hàng, quầy miệng hầm hàng, Các xà ngang boong thường được bố trí cách nhau đúng bằng một khoảng sườn đã chọn, liên kết với sườn và đà ngang đáy để hình thành nên các khung sườn nằm dọc chiều dài tàu

Khung giàn boong kết cấu theo hệ thống ngang sẽ đảm bảo được độ bền ngang

a) Boong theo hệ thống dọc b) Boong theo hệ thống ngang

Hình 1.7 Các hệ thống kết cấu khung giàn boong

Xà dọc boong

Xà ngang boong

Trang 16

cho tàu hàng vì các boong có khoét các miệng hầm, tuy nhiên phải bố trí các xà dọc boong để đảm bảo độ bền dọc cho tàu thiết kế

1.3.2.4 Một số kết cấu khác

Ø Phần mũi: là nơi chịu va đập mạnh của nước, làm việc rẽ nước, chịu lực

ép ngang rất lớn Do đó hầu hết các tàu hàng đều có phần mũi kết cấu theo hệ thống ngang, đồng thời được tăng cường bằng các vách dọc và sàn lửng, làm nơi chứa hầm xích neo Trong phần mũi tàu hàng cỡ vừa và nhỏ thường sử dụng thanh thép cán cạnh trước có hình tròn làm sống mũi

Ø Phần lái: là nơi chịu các dao động do trục chân vịt, bánh lái và áp lực

nước tác động nên cúng thường được kết cấu theo hệ thống ngang Sống đuôi sử dụng thường là thép đúc để tăng độ cứng vững cho kết cấu vòm đuôi

Ø Vách: thường sử dùng trong tàu hàng hiện nay có hai loại vách đó là vách

phẳng và vách sóng Tuy nhiên đối với điều kiện Việt Nam hầu hết các tàu cỡ vừa

và nhỏ đều sử dụng vách phẳng và gia cường bằng các nẹp Số lượng vách được quy định theo Quy phạm và theo bảng sau:

186 £ L Do đăng kiểm quy định trong từng trường hợp

Ø Khoang máy, thượng tầng và lầu: với các tàu hàng: khoang máy,

thượng tầng và lầu thường được bố trí phía lái, việc bố trí này sẽ tạo không gian cho các khoang hàng, thực hiện dằn tàu dễ dàng hơn và ứng suất sinh ra trong kết cấu thân tàu ít phức tạp hơn

Ø Tôn bao: tính tôn bao dựa theo yêu cầu đảm bảo bền theo Quy phạm, tuy

nhiên để đảm bảo tính công nghệ và kinh tế, thường chọn tôn bao theo tiêu chuẩn và

có chiều dày lớn hơn các giá trị tính được

Trang 17

F Với các phân tích ở phần 1.3.2 ta áp dụng cho cỡ tàu 2000 tấn chở hàng, chọn hệ thống kết cấu tàu là hệ thống ngang, đồng thời bố trí thêm các sống phụ và sống chính cho đáy tàu, bố trí hai xà dọc mạn và xà dọc boong để tăng độ bền dọc cho tàu thiết kế

1.4 NỘI DUNG VÀ GIỚI HẠN ĐỀ TÀI

Như đã biết, tàu thủy là một công trình kỹ thuật nổi có kết cấu phức tạp và làm việc trong môi trường nặng nề, do đó yêu cầu thiết kế kết cấu tàu có ý nghĩa vô cùng quan trọng, đặc biệt là đối với tàu hàng có nhiều môi trường hoạt động khác nhau, nhiều hải phận khác nhau do đó nó có nhiều đặc thù khi thiết kế Việc thiết kế kết cấu trong điều kiện hiện nay không những yêu cầu đủ bền cho kết cấu mà cần phải cân nhắc kỹ đến độ dư vật liệu, khả năng thi công, phải cố hết sức để giảm nhẹ khối lượng kết cấu, tiết kiệm vật liệu, bố trí và lựa chọn vật liệu thỏa đáng đảm bảo tính kinh tế trong sử dụng kết cấu

Vấn đề thiết kế kết cấu và tính sức bền được đặt ra trong đề tài này với mục đích đảm bảo con tàu được đóng mới một cách khoa học với các tính năng tàu hợp

lý, đảm bảo bền và để cho tàu hoạt động vận tải (khai thác, …) được an toàn, mang lại hiệu quả kinh tế và sử dụng tàu Do đó nhà trường, khoa và bộ môn tàu thuyền

đã giao cho tôi đề tài “Thiết kế kết cấu tàu chở hàng khô vỏ thép, trọng tải 2000

tấn” Phần kết cấu sẽ được thiết kế theo quy phạm đóng tàu và thực hiện tính sức

bền các kết cấu đó để đưa ra kết luận

Nội dung đồ án gồm các vấn đề sau:

ĐẶT VẤN ĐỀ THIẾT KẾ KẾT CẤU THEO QUY PHẠM TÍNH KIỂM TRA ĐỘ BỀN KẾT CẤU TÀU THIẾT KẾ THẢO LUẬN KẾT QUẢ VÀ ĐỀ XUẤT Ý KIẾN

Bước đầu làm quen với công tác thiết kế và do trình độ chuyên môn còn hạn chế, kinh nghiệm thực tế không nhiều, nên trong quá trình thực hiện đồ án không thể nghiên cứu sâu, rộng các kiến thức về thiết kế kết cấu tàu chở hàng khô được

mà chỉ giới hạn ở tàu chở hàng khô vỏ thép tải trọng 2000 tấn để giải quyết một vấn

đề thực tế mà thôi

Trang 18

Chương 2 THIẾT KẾ KẾT CẤU THEO QUY PHẠM

2.1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA QUY PHẠM ĐÓNG TÀU VỎ THÉP

Quy phạm đóng tàu vỏ thép được tập hợp từ các loại tàu vỏ thép đã hoạt động đủ bền, đảm bảo an toàn khi hoạt động trên cơ sở đó tổng kết thành các quy định đối với các kích thước chi tiết kết cấu, trang thiết bị, cách kiểm tra, máy móc,

… và nhiều quy định khác để đảm bảo cho tàu được thiết kế đủ các điều kiện bền,

an toàn cần thiết khi tàu hoạt động

Quy trình thiết kế kết cấu theo quy phạm đóng tàu vỏ thép được trình bày theo sơ đồ sau:

2.2 GIỚI THIỆU SƠ LƯỢC TÀU THIẾT KẾ

Tàu thiết kế là tàu chở hàng khô trọng tải 2000 tấn, vỏ thép kết cấu hàn, một boong chính liên tục trên suốt chiều dài tàu Kết cấu thân tàu được tính kiểm nghiệm theo “Quy phạm phân cấp và đóng tàu biển vỏ thép” – TCVN 6259:2003 Cấp tàu: biển hạn chế cấp II

Tàu mẫu

Yêu cầu kỹ thuật tàu mới

Độ bền thân

Bố trí chung

Bố trí kết cấu

Mô hình tính toán kết cấu

Mặt cắt ngang giữa tàu Các kết cấu chính

Kích thước các kết cấu tàu

Hình 2.1 Quy trình thiết kế kết cấu theo quy phạm

Trang 19

Thông số chủ yếu:

S = 550 mm Mạn tàu bố trí 2 dầm dọc mạn, đáy bố trí các sống phụ đáy, không có

đà dọc đáy

Tàu thiết kế có kết cấu 2 khoang hàng, giữa hai khoang có vách ngăn kín nước, tại các mép miệng hầm hàng bố trí các cột chống để đảm bảo bền cho khung giàn boong và tàu, đồng thời ở các góc miệng hầm có gia cường bằng các tấm tôn dày tăng độ bền cho các liên kết góc miệng hầm

Đường hình tàu thiết kế được thể hiện ở hình vẽ (trang sau)

Trang 20

2.3 THIẾT KẾ KẾT CẤU TÀU CHỞ HÀNG KHÔ 2000 TẤN VỎ THÉP THEO QUY PHẠM TÀU BIỂN VỎ THÉP 2003

2.3.1 Kết cấu đáy

Tàu được thiết kế theo kết cấu đáy đôi kéo dài từ vách đuôi sườn 8 đến vách mũi sườn 107 (sườn thực) Do đó kết cấu phần đáy tàu được tính theo qui phạm kết cấu đáy đôi tàu có chiều dài L < 90m

2.3.1.1 Sống chính

v Quy cách bố trí và kết cấu

- Sống chính phải được kéo càng dài về phía mũi và đuôi tàu càng tốt

- Tấm sống chính phải liên tục trong đoạn 0,5L giữa tàu

v Kích thước sống chính

- Chiều cao tiết diện sống chính lớn hơn

16

B

và trong mọi trường hợp không

nhỏ hơn 700 mm, trừ một số trường hợp đặc biệt Đăng kiểm chấp nhận

- Chiều dày của tấm sống chính (dsc):

L: Chiều dài tàu (m)

Với tàu thiết kế ta có: L = 70m Þdsc³ 0,05.70 + 6 = 9,5 (mm)

Để tăng độ bền dọc cho tàu (vì đáy tàu theo hệ thống ngang) ta chọn:

dsc = 12 (mm)

Chiều cao tiết diện sống chính > 0 , 675 ( ) 675 ( )

16

8 10

v Bố trí và kết cấu

Ở đoạn 0,5L giữa tàu, các sống phụ đặt sao cho khoảng cách từ sống chính

hsc

dsc =12 mm

Trang 21

đến sống phụ trong cùng, khoảng cách giữa các sống phụ, khoảng cách từ sống phụ ngoài cùng đến tôn vỏ mạn không lớn hơn 4,6m

v Kích thước:

- Chiều dày sống phụ dsp tính theo công thức sau:

5 , 2 65 ,

Hình 2.3 Sống phụ 2.3.1.3 Đà ngang đặc

- Đà ngang đặc bố trí xen kẻ đà ngang hở cách nhau không quá 3,5m Trong buồng máy sử dụng đà ngang đặc ở mỗi mặt sườn, nếu đáy đôi được kết cấu theo hệ thống dọc thì ngoài vùng bệ máy, đà ngang đặc cách nhau 2 khoảng sườn

- Chiều dày của đà ngang đặc không được nhỏ hơn giá trị sau và tăng thêm 1,5mm đối với các đà ngang đặc trong buồng máy

5 , 2 6 ,

2.3.1.4 Đà ngang hở đáy dưới và đáy trên

- Tàu thiết kế đáy đôi kết cấu theo hệ thống ngang do đó đà ngang hở đặt giữa các đà ngang đặc ở mỗi sườn

- Mođun chống uốn của đà ngang đáy trên và dưới không nhỏ hơn giá trị sau:

Trong đó: S: khoảng cách giữa các đà ngang đáy (m)

hsp

dsp =10 mm

Trang 22

h = d + 0,026L (m) (2 - 6) d: Chiều chìm trung bình (m)

L: Chiều dài tàu (m) l: Khoảng cách giữa các mã liên kết với sống chính và các mã liên kết với sống hông (m) Nếu đáy có sống phụ thì l là khoảng cách lớn nhất trong các khoảng cách tính từ nẹp gia cường đứng của sống phụ theo hình sau

C: Hệ số đối với tàu thiết kế không có thanh chống thẳng đứng chọn C = 6,0 Vậy W ³ 6.S.(d+ 0,026l).l2 (cm3)

Với tàu thiết kế ta có: L = 70m, d = 4,4 (m); l = 1,6m; S = 0,55 (m)

Þ W ³ 6.0,55.(4,4 + 0,026.70).1,62 = 52,5 (cm3)

Chọn quy cách đà ngang đáy: L 100 x 100 x 10

Chiều rộng mép kèm: min{0,5S;1/6l} = 265 (mm); d = 10 mm S: Khoảng cách sườn (đà ngang đáy) S = 0,55 m

Momen quán tính của mặt cắt ngang đà ngang được tính theo bảng sau:

Trang 23

Bảng 2.1 Bảng tính mođun chống uốn mặt cắt đà ngang đáy

Momen quán tính

TT Kích thước

(cm)

Diện tích A (cm2)

Z (cm)

145

7 , 825 Z

I W

max max

= -

=

e Z

I i

(cm3)

Vậy kết cấu đã chọn thỏa quy phạm

2.3.1.5 Tôn đáy

1 Tôn đáy trên

Chiều dày tôn đáy trên không nhỏ hơn giá trị tính sau và tăng thêm 2 mm đối với tấm tôn giữa (tôn K)

5 , 2 8 ,

2 Tôn đáy dưới

Chiều dày tôn đáy dưới phải không nhỏ hơn trị số theo công thức sau:

5 , 2 35 , 0 7 ,

dd

Trang 24

Với S, d được xác định như trên (2.4.6) Tàu thiết kế tính được:

26 , 9 5 , 2 70 35 , 0 4 , 4 55 , 0 7 ,

3 Chiều rộng dải tôn giữa đáy

Chiều rộng dải tôn giữa đáy không được nhỏ hơn giá trị tính ở công thức sau:

2.3.1.7 Kết cấu và gia cường mũi tàu

Đoạn đáy gia cường phía mũi là phần đáy phẳng mũi tàu từ các vị trí quy định trong bảng sau Tuy nhiên, trong trường hợp tàu có hệ số chiếm nước Cb quá nhỏ, tàu có chiều chìm ở điều kiện dằn quá nhỏ, … thì cần kéo dài phạm vi đoạn đáy gia cường phía mũi theo yêu cầu của Đăng kiểm

Bảng 2.2 Mút cuối đoạn gia cường giữa tàu

Trang 25

Bảng 2.3 Kết cấu đoạn đáy gia cường phía mũi tàu

Kết cấu Sống phụ đáy Nữa sống phụ và nẹp

gia cường tôn bao

Đà ngang đặc

Hệ thống kết cấu ngang

Phải được đặt ở mỗi mặt sườn

Hệ thống kết cấu ngang Hệ thống kết

cấu dọc

Đặt cách nhau không quá 2,5m

Phải được đặt giữa các sống phụ Đặt cách nhau

không quá 2,5m

Hệ thống kết cấu ngang

Phải được đặt ở mỗi mặt sườn

Hệ thống kết cấu dọc Hệ thống kết

cấu dọc

Đặt cách nhau không quá

không quá 2,5m

- Đà ngang phải được gia cường bằng những nẹp đứng đặt trong mặt phẳng nữa sống phụ

2 Tôn bao đáy ở đoạn đáy gia cường mũi tàu

Chiều dày tôn bao ở đoạn đáy gia cường mũi tàu thỏa mãn các yêu cầu sau: + Chiều dày tôn bao đoạn đáy gia cường mũi tàu ở điều kiện dằn có chiều chìm mũi không lớn hơn 0,025L, không được nhỏ hơn giá trị sau:

5 , 2 34 ,

Tính cho tàu thiết kế ta được chiều dày tôn bao đoạn đáy gia cường mũi không được nhỏ hơn: 1 , 34 0 , 55 70 + 2 , 5 = 8 , 7 (mm) Chọn dgcd = 10 (mm)

2.3.1.8 Gia cường cho kết cấu đáy trong khoang máy và bố trí các lỗ khoét

- Sử dụng các đà ngang khỏe và đà dọc đáy khỏe có kích thước và độ cứng lớn hơn so với các đà ngang đáy thường và đà dọc đáy thường để gia cường cho kết cấu đáy trong khoang máy

- Bố trí khoảng cách giữa các đà ngang hoặc đà dọc trong các khu vực này dày hơn so với các khu vực khác

Trang 26

Chiều dày tối thiểu của tôn mạn dưới boong tính toán không được nhỏ hơn giá trị sau:

Tính cho tàu thiết kế ta có: dtm³ 0,044.70 + 5,6 = 8,68 mm

Chọn dtm = 10mm

2 Tôn bao mạn đoạn giữa tàu (trừ dải tôn mép mạn)

Có chiều dày không được nhỏ hơn giá trị tính ở công thức sau:

5 , 2 04 , 0 1 ,

Chọn với tàu thiết kế là 10 mm

- Chiều rộng dải tôn mép mạn không được nhỏ hơn giá trị sau:

Tính toán với tàu thiết kế ta được: bmm³ 0,67 (m)

Chọn bmm = 1 (m)

2.3.2.2 Sườn thường

Khoảng cách sườn toàn tàu S = 0,55 (m)

Mođun chống uốn của tiết diện sườn ngang không nhỏ giá trị tính theo công thức sau, nhưng trong mọi trường hợp phải không nhỏ hơn 30cm3

Trang 27

h: khoảng cách thẳng đứng từ mút dưới của l tại vị trí cần đo đến điểm

ở (d + 0,044L - 0,54) cao hơn mặt tôn giữa đáy (m)

C: hệ số được lấy như sau:

2,6: đối với các sườn nằm trong phạm vi từ 0,15L kể từ mũi tàu đến vách đuôi 3,4: đối với các sườn nằm trong phạm vi từ 0,15L kể từ mũi tàu đến vách chống va

Đối với tàu thiết kế ta có:

Trang 28

v Tính kiểm tra sườn trong phạm vi từ 0,15L kể từ mũi tàu đến vách đuôi

Momen quán tính của mặt cắt ngang sườn mạn được tính theo bảng sau:

Z (cm)

125 , 228

1526 Z

I W

max max

= -

=

e Z

I i

Trang 29

v Tính kiểm tra sườn trong phạm vi từ 0,15L kể từ mũi tàu đến vách

Z (cm)

330

24 , 2468 Z

I W

max max

= -

=

e Z

I i

Trang 30

S: Khoảng cách giữa các sườn khỏe (m)

l: Khoảng cách thẳng đứng từ mặt tôn đáy trên hay mặt trên đà ngang đáy đơn đo ở mạn đến đỉnh sườn khỏe, nếu có sống ngang boong hữu hiệu thì l được đo đến mặt dưới của sống ngang boong (m)

d1: Chiều cao tiết diện sườn khỏe nhưng nếu trên sườn khỏe có lỗ khoét để xà dọc mạn xuyên qua thì phải trừ chiều cao lỗ khoét khỏi chiều cao tiết diện bản thành (m) h: Khoảng cách thẳng đứng tính từ trung điểm của l đến điểm d + 0,044L – 0,54 cao hơn mặt tôn giữa đáy và trong mọi trường hợp không được nhỏ hơn 1,431 (m)

C1, C2: các hệ số được cho trong bảng sau

Trang 31

58 5

, 2

Đối với các sườn khỏe bình thường chọn d = 12 (mm)

Ta chọn kết cấu cho các loại sườn khỏe như sau:

Đối với các sườn khỏe không có cột chống: T 200 x 14/600 x 12

Đối với sườn khỏe có cột chống: T 120 x 10/400 x 8

Đối với các sườn khỏe có xà ngang boong cụt: T 120 x 10/400 x 8

Ở khu vực mũi và đuôi tàu sườn khoẻ có kết cấu: T100x10/250x8 Ngoài ra trên tàu chở hàng để cũng cố bền cho kết cấu hầm hàng người ta thiết

kế các sườn công xôn xen kẻ các sườn khỏe có boong cụt nhằm tăng độ bền ngang, có kết cấu: T 200 x 14/600 x 12

Sườn công xôn có kết cấu như sau:

Hình 2.6 Kết cấu sườn công xôn

Trang 32

Tính kiểm tra đối với sườn khỏe có xà ngang boong liền

Bảng 2.6 Bảng tính kiểm tra sườn khỏe có xà ngang boong liền

Momen quán tính

TT Kích thước

(cm)

Z (cm)

3904

9 , 73395 max

max

= -

=

e Z

I Z

Trang 33

(trong mọi trường hợp không được nhỏ hơn 30cm3) S: khoảng cách giữa các dầm (m)

l: khoảng cách giữa các sườn khỏe (m)

h: khoảng cách thẳng đứng từ dầm dọc mạn đang xét đến vị trí d + 0,044L – 0,54 (m) Với tàu thiết kế ta có:

10 100

´

Tính kiểm tra:

Mômen quán tính của mặt cắt ngang được tính theo bảng sau:

Bảng 2.7 Bảng tính moment quán tính mặt cắt ngang dầm dọc mạn

Momen quán tính

TT Kích thước

(cm)

Z (cm)

Trang 34

Khoảng cách đến trục trung hòa: e = 9 , 04

5 , 57

520

2 , 6482 max

max

= -

=

e Z

I Z

Kết cấu boong bao gồm tôn boong phủ lên hệ thống dầm gia cường là những

xà ngang boong (deck beam) và xà dọc boong

C = 1,25: đối với các vùng khác ngoài hai vùng trên

h: tải trọng boong (kN/m2), được tính như sau:

h = a(0,067bL – y) (kN/m2)

Trang 35

Với y: khoảng cách thẳng đứng từ đường nước chở hàng thiết kế cực đại đến boong thiết kế cực đại (m)

a,b được quy định ở 4 trường hợp trong bảng sau:

IV Ở phía sau của 0,2L tính từ mút

3 , 9 5 , 2 6 , 54 55 , 0 68 , 1 5 , 2

0 , 7 5 , 2 5 , 25 55 , 0 63 , 1 5 , 2

Trang 36

Hình 2.7 Kết cấu cột chống

Chiều dày tôn boong ở vị trí IV là:

6 , 6 5 , 2 02 , 36 55 , 0 25 , 1 5 , 2

10 100

´

T

2.3.3.3 Xà ngang boong

Được chọn theo quy cách sườn mạn và có tiết diện nhỏ hơn

Tàu thiết kế kết cấu xà ngang boong như sau:

- Xà ngang boong thường L 90 x 90 x 9

- Xà ngang boong khỏe:

+ Ở khu vực mũi và lái là: T 100x10/250 x 8 + Ở khu vực giữa tàu là : T 100 x 10/400 x 8

2.3.3.4 Cột chống

Cột chống trong khoang phải đặt lên các sống ở đáy đơn hoặc đáy đôi hay cố gắng gần đó Kết cấu trên và dưới các cột chống phải đủ độ bền để phân bố tải trọng một cách có hiệu quả

Chọn kiểu kết cấu của 2 đầu cột chống như hình 2.15:

Đường kính ngoài của cột ống không nhỏ hơn 50 mm

Chọn cho tàu thiết kế là dp = 90 mm

Chiều dày tôn của cột ống phải không nhỏ hơn trị số:

0,022dp + 4,6 (mm) (2 – 20)

Û 0,022 90 + 4,6 = 6,58 (mm)

Trang 37

Chọn d = 8mm Vậy cột chống trong tàu thiết kế có kích thước: f90x8

2.3.3.5 Kết cấu của thành miệng khoang

- Chiều dày của thành miệng khoang phải không nhỏ hơn trị số tính theo công thức sau:

Chiều rộng nẹp được tính: b = 50 + 1,7 L = 50 + 1,7 70 = 169 (mm) Chọn nẹp gia cường cho tàu thiết kế là: L 280 x 100 x 10

2.3.4 Kết cấu sống mũi và sống đuôi

- Sống mũi được gia cường bằng các mã ngang đặt cách nhau không quá 1m

- Chiều rộng tiết diện theo phương ngang tàu: 0,5L + 25 = 60 (mm)

- Chiều rộng tiết diện theo phương dọc tàu: 1,6L + 100 = 212mm Chọn 300mm

2.3.4.2 Trụ chân vịt

Kết cấu bằng thép đúc

- Chiều dày ụ đỡ trục chân vịt không nhỏ hơn trị số tính theo công thức:

Trang 38

0,9L + 10 = 0,9 70 + 10 = 73 mm

Chọn t = 80 mm

2.3.5 Kết cấu khung giàn vách

Số lượng vách kín nước theo quy phạm của tàu thiết kế là 4 vách

2.3.5.1 Chiều dày tôn vách

Chiều dày tôn vách phải không nhỏ hơn trị số theo công thức sau và ở dải tôn vách dưới cùng phải tăng ít nhất 1mm so với chiều dày tính toán

5 , 2 2 ,

Trong đó S: Khoảng cách giữa các nẹp (m)

h: Khoảng cách thẳng đứng từ cạnh dưới của tấm tôn vách đến boong vách đo ở đường tâm tàu nhưng trong mọi trường hợp phải không nhỏ hơn 3,4mm Với tàu thiết kế tính được:

d³ 3 , 2 0 , 55 5 , 4 + 2 , 5 = 6 , 6 (mm) (S = 550mm =0,55m; h = 5,4m) Chọn d = 8 (mm) và dải tôn dưới cùng chọn d = 10 (mm)

C: hệ số cho ở bảng sau

Trang 39

Bảng 2.9 Giá trị hê số C

Nẹp đứng

Liên kết Mút trên

Mút dưới

Liên kết hàn tựa hoặc

đỡ bởi sống nằm Kiểu A Kiểu B

Mút nẹp không liên kết Liên kết hàn tựa hoặc đỡ

Mút kia

Liên kết hàn tựa, liên kết bằng