Thiết kế và chế tạo thử nghiệm mô hình tàu 3 thân phục vụ du lịch biển bằng vật liệu Composite (Thiết kế kết cấu, tính toán bền và quy trình công nghệ chế tạo tàu 3 thân vỏ FRP)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG KHOA KỸ THUẬT GIAO THÔNG ……… NGUYỄN CÔNG LUẬT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO THỬ NGHIỆM MÔ HÌNH TÀU 3 THÂN PHỤC VỤ DU LỊCH BIỂN BẰNG VẬT LIỆU COMP

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG KHOA KỸ THUẬT GIAO THÔNG

………

NGUYỄN CÔNG LUẬT

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO THỬ NGHIỆM MÔ HÌNH TÀU 3 THÂN PHỤC VỤ DU LỊCH BIỂN BẰNG VẬT LIỆU COMPOSITE

(THIẾT KẾ KẾT CẤU, TÍNH TOÁN BỀN VÀ QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ CHẾ

TẠO TÀU 3 THÂN VỎ FRP)

CHUYÊN NGÀNH: ĐÓNG TÀU THUỶ

Nha Trang, tháng 7 năm 2013

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG KHOA KỸ THUẬT GIAO THÔNG

(THIẾT KẾ KẾT CẤU, TÍNH TOÁN BỀN VÀ QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ CHẾ

TẠO TÀU 3 THÂN VỎ FRP)

CHUYÊN NGÀNH: ĐÓNG TÀU THUỶ

GVHD: TS.HUỲNH VĂN VŨ

Nha Trang, tháng 7 năm 2013

1.3 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 10

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ KẾT CẤU, TÍNH TOÁN BỀN

VÀ QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO

13

2.1.2.1 Giới thiệu chung 17

2.2 Quy trình công nghệ chế tạo tàu thiết kế 47

2.2.3 Quy cách thi công các chi tiết và khu vực còn lại

3.1.3.1 Chế tạo thân tàu 54

3.2 Thử nghiệm mô hình và kết quả đạt được 60 3.2.1 Công tác kiểm tra mô hình trước khi thử 60 3.2.2 Thử nghiệm mô hình và kết quả đạt được 61

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT SỬ DỤNG TRONG ĐỒ ÁN

Lmax: Chiều dài lớn nhất toàn tàu

Ltk : Chiều dài thiết kế toàn tàu

Bmax : Chiều rộng lớn nhất toàn tàu

Btk : Chiều rộng thiết kế toàn tàu

B1max: Chiều rộng lớn nhất thân chính

B1tk: Chiều rộng thiết kế thân chính

B2max Chiều rộng thiết kế thân phụ

Z : Môđun chống uốn của tiết diện ngang thân tàu

Zi: Mô dun chống uốn

ttt: Chiều dày tấm thành

ttm: Chiều dày tấm mặt

t: Chiều dày vỏ tàu

b: Chiều rộng lớp vỏ giữa đáy

FRP: Vật liệu composite (Fibeglass Reinfored Platic)

M300: Sợi thuỷ tinh dạng matting có trọng lượng 300/m2

M225: Sợi thuỷ tinh dạng matting có trọng lượng 225g/m2

WR800: Sợi thuỷ tinh dạng woven roving có trọng lượng 800g/m2

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Tàu Thanh Vân 05 - Tàu hai thân vỏ composite

đầu tiên do Việt Nam (UNINSHIP) Thiết kế và chế tạo

Hình 2.6 Mô hình tính toán xà ngang boong 38 Hình 2.7a Vị trí phần tử tham gia sức bền uốn dọc thân tàu 41 Hình 2.7b Vị trí phần tử tham gia sức bền uốn dọc thân tàu 45 Hình 2.8 Quy trình công nghệ chế tạo tàu FRP 48

Hình 3.1 Mặt cắt ngang dưỡng làm sườn sau khi được

phóng dạng theo tỉ lệ 1:1 trên giấy

54

Hình 3.2 Sườn bằng gỗ sau khi phóng dạng 55 Hình 3.3 Khung sườn thực sau khi gá cố định lên tấm ván 56 Hình 3.4 Phân biệt ván ốp vùng mũi và vùng giữa tàu 57 Hình 3.5 Mô hình thân tàu sau khi ốp xong ván 57 Hình 3.6 Thân tàu sau khi bọc composite 58 Hình 3.7 Thân tàu sau khi được sử lý bề mặt 58 Hình 3.8 Phần cabin sau khi được chế tạo và sử lý bề mặt 59 Hình 3.9-a), b) Hình ảnh mô hình tàu sau khi hoàn thiện 60

LỜI NÓI ĐẦU

Nói tới các điểm du lịch nổi tiếng của nước ta hiện nay thì không ai có thể bỏ qua các địa danh du lịch biển đảo, các vũng vịnh đẹp mà thiên nhiên ban tặng cho nước ta: Vịnh Nha Trang, Vịnh Vân Phong, Vịnh Hạ Long, Đảo Hòn Mun, Hòn Tre,…Sự nổi bậc

và sức hấp dẫn của các địa danh này đã thu hút không ít khách du lịch trong và ngoài nước dù vậy việc khai thác hết tiềm năng hay đáp ứng nhu cầu cho khách du lịch sẽ đem lại doanh thu lớn cho đất nước

Đa số các công ty du lịch thường sử dụng tàu, thuyền để chở khách tới các điểm du lịch biển đảo Nếu chúng ta nắm bắt được thực trạng hiện nay về nhu cầu sử dụng thuyền trong ngành du lịch, cùng với sự phát triển không ngừng trong ngành đóng tàu nước ta thì trong thời gian không xa Việt Nam sẽ có những đội tàu được trang bị đầy đủ tiện nghi, tính thẩm mỹ cao, sẽ đáp ứng việc thiết kế và chế tạo phục vụ trong nước hay xa hơn nữa

là đóng mới cho nước ngoài

Sức cạnh tranh mạnh nhất bao giờ cũng nằm trong thiết kế mới, chúng ta sẽ thu hút được nhiều khách du lịch nếu họ được đi trên những con tàu sang trọng đầy đủ tiện nghi nhưng giá thành vận chuyển không quá cao Bài toán đặt ra lúc này phải thiết kế và chế tạo một con tàu mang tính chất mới mẻ đáp ứng hết tính năng của một con tàu du lịch và thu hẹp chi phí thiết kế, chế tạo cho chủ tàu cũng như người đóng mới

Qua hiểu biết và sự hướng dẫn tận tình của Thầy Huỳnh Văn Vũ tôi đã mạnh dạn

đăng ký đề tài tốt nghiệp: “Thiết kế và chế tạo thử nghiệm mô hình tàu 3 thân phục vụ du lịch biển bằng vật liệu Composite” Sau 4 tháng làm việc với tinh thần nghiêm túc và học

hỏi tôi đã hoàn thành xong đề tài với những nội dung như sau:

1 Đặt vấn đề

2 Thiết kế kết cấu, tính toán bền và quy trình công nghệ chế tạo

3 Chế tạo thử nghiệm mô hình

4 Thảo luận kết quả

Nha Trang, ngày…….tháng,……năm…

Sinh viên thực hiện

NGUYỄN CÔNG LUẬT

CHƯƠNG 1 ĐẶT VẤN ĐỀ

1.1 TỔNG QUAN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU

Những năm gần đây, ngành du lịch biển đảo nước ta phát triển nhanh, mở ra hướng phát triển mới cho ngành đóng tàu trong nước, việc thiết kế một con tàu phục vụ

du lịch như câu cá, ngắm san hô, vận chuyển khách du lịch là cần thiết đối với các nhà máy đóng mới Sự đóng mới không chỉ dừng lại ở những thiết kế có sẵn hay phải mua từ nước ngoài mà đòi hỏi các nhà máy đóng mới tàu thuỷ phải mở rộng thêm sự đa dạng các mẫu tàu mang tính thẩm mỹ và có ứng dụng cao Việt Nam đã đóng mới được tàu 2 thân

bằng vật liệu FRP (Fibeglass Reinfored Platic) và đây được xem như một bước cải tiến

cho đội tàu du lịch nước ta, với đặc điểm 2 thân tàu hoạt động ổn định hơn, khắc phục được bài toán vận tốc vì sức cản tàu 2 thân sẽ nhỏ hơn tàu 1 thân có cùng kích thước Đây

là loại tàu khá mới nên công tác thiết kế và chế tạo gặp nhiều khó khăn, tàu có đặc điểm cầu nối giữa hai thân nhỏ và khi hoạt động thì vị trí cầu nối xem như là kết cấu quan trọng, chịu lực tác dụng lớn nhất khi tàu vận hành

Từ những sản phẩm đóng mới thành công của Viện nghiên cứu và chế tạo tàu thuỷ- Trường Đại Học Nha Trang, tôi và nhóm thiết kế đã đề xuất thiết kế một mẫu tàu 3 thân để mang lại tính ổn định cao hơn vì yếu tố này rất quan trọng không chỉ đối với tàu

du lịch mà còn cho các loại tàu có ứng dụng khác nhau Về cơ bản tàu 2 thân và 3 thân hay dùng cho tàu tàu nhiều thân khi hoạt động là giống nhau, vị trí cầu nối giữa các thân

là vùng kết cấu quan trọng chịu lực lớn nhất

Ở Việt Nam, nghiên cứu và thiết kế cho tàu 3 thân vỏ composite vẫn còn ít được quan tâm, chưa một cơ sở trong nước nào công bố thiết kế cũng như đóng mới về loại tàu này, Quy phạm Việt Nam chưa có hướng dẫn đóng mới tàu 3 thân nên việc tính toán cầu nối gặp nhiều khó khăn, các cầu nối trên tàu 2 thân của nước ta hiện nay vẫn còn dựa vào kinh nghiệm làm tàu composite và các mẫu của nước ngoài, các số liệu sẽ không phù hợp nếu đóng cho tàu có chiều dài khác nhau Việc thiết kế và tính toán cầu nối cho tàu 3 thân nói riêng và tàu nhiều thân nói chung là rất cần thiết

Là một sinh viên chuẩn bị ra trường, được trang bị đầy đủ kiến thức về chuyên ngành, cùng với sự hướng dẫn của TS Huỳnh Văn Vũ tôi sẽ giải quyết bài toán kết cấu ,

độ bền và quy trình công nghệ chế tạo cho tàu 3 thân thuộc đề tài tốt nghiệp “Thiết kế và chế tạo thử nghiệm mô hình tàu 3 thân phục du lịch biển bằng vật liệu composite”

1.2 NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

1.2.1 Nội dung nghiên cứu

Theo như sự chỉ định của Khoa Kỹ thuật Giao thông-Trường Đại Học Nha Trang

về công tác nhận và triển khai đề tài cho nhóm thiết kế thì tôi được phụ trách phần thiết

kết cấu , tính độ bền, quy trình công nghệ chế tạo tàu 3 thân và chế tạo mô hình tàu 3 thân thuộc đề tài “Thiết kế và chế tạo thử nghiệm mô hình tàu 3 thân phục du lịch biển bằng vật liệu composite”

+ Từ bản vẽ tuyến hình đi xây dựng bố trí chung và hệ thống kết cấu theo Quy phạm Kết cấu tàu nhiều thân chuyển thành các thân riêng biệt và theo Quy phạm để xây dựng kết cấu cho từng thân

+ Tính và kiểm tra độ bền kết cấu toàn tàu trừ phần cầu nối Rút ra kết luận từ kết quả tính

+ Tính và kiểm tra độ bền kết cấu cầu nối tàu nhiều thân theo đề xuất của TS Nguyễn Văn Đạt Tàu sẽ chịu uốn ngang nhiều nhất, giả thiết rằng 2 mạn tàu đủ cứng và kết cấu ngang cầu nối sẽ tựa trên hai mạn, xác định mođun chống uốn mặt cắt ngang để xây dựng kết cấu cầu nối, kiểm tra kết quả tính

+ Tính toán và kiểm tra độ bền uốn chung thân tàu

+ Đề xuất quy trình chế tạo tàu 3 thân thiết kế

+ Chế tạo thử nghiệm mô hình tàu 3 thân thiết kế theo tỷ lệ 1:10

1.2.2 Phương pháp nghiên cứu

+ Khảo sát kết cấu vỏ tàu composite thực tế cùng với sử dụng quy phạm “Quy

phạm kiểm tra và chế tạo các tàu làm bằng chất dẻo cốt sợi thủy tinh TCVN 6282:2003.”,

“Quy phạm phân cấp và đóng tàu thủy cao tốc TCVN 6451:2004” tính kết cấu và bố trí

chung

+ Xác định tải trọng tác dụng lên cầu nối từ đó tính toán mômen uốn ngang cầu nối

và đi xây dựng hệ thống kết cấu cầu nối phù hợp

+ Tham khảo quy trình làm vỏ tàu thực tế để đề xuất quy trình công nghệ chế tạo

và áp dụng vào chế tạo trực tiếp mô hình theo tỷ lệ 1:10

1.3 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC

1.3.1 Tình hình nghiên cứu trong nước

Hiện nay nước ta chưa có cơ sở đóng mới tàu công bố sản phẩm độc quyền hay hồ

sơ thiết kế tàu 3 thân vỏ composite Nên việc vận dụng các kết quả có được từ thiết kế tàu

2 thân là phù hợp bởi vì trong nước đã đóng mới sản phẩm tàu hai thân và thử nghiệm thành công

Hình 1.1: Tàu Thanh Vân 05 - Tàu hai thân vỏ composite đầu tiên do Việt Nam

(UNINSHIP) Thiết kế và chế tạo [15]

Hình 1.2: Tàu Long Phú 17 - Tàu khách hai thân vỏ composite [15]

1.3.2 Tình hình nghiên cứu nước ngoài

Trên thế giới hiện nay tập trung ở các nước lớn: Trung Quốc, Mỹ, Anh,… sử dụng tàu 3 thân trong lĩnh vực quân sự, du lịch,…ngoài ra một số thuyền buồm 3 thân vẫn đang

sử dụng Hầu hết các sản phẩm này thuộc sở hữu bản quyền và nó vẫn là một bí mật công nghệ

Hình 1.3 Du thuyền Dolphin Ulsan được thiết kế tại Mỹ .[15]

Hình 1.4 Du thuyền Benchijigua express trimaran thiết kế tại Úc.[15]

1.4 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

+ Sử dụng quy phạm “Quy phạm kiểm tra và chế tạo các tàu làm bằng chất dẻo

cốt sợi thủy tinh TCVN 6282:2003.”[9], “Quy phạm phân cấp và đóng tàu thủy cao tốc TCVN 6451:2004”[8] để bố trí chung và thiết kế kết cấu cho tàu trừ phần cầu nối

+ Việc xác định cơ tính vật liệu của composite vì không có điều kiện xác định nên tôi sử dụng các kết quả từ tài liệu tham khảo [12] của TS Nguyễn Văn Đạt-Giám đốc Viện nghiên cứu chế tạo tàu thủy, Đại Học Nha Trang

+ Việc tính toán sức bền cầu nối cho tàu 3 thân sẽ sử dụng đề xuất tính kết cấu cầu nối của TS Nguyễn Văn Đạt Các kết quả này đã được ứng dụng cho tính kết cấu tàu 2 thân được chế tạo tại Viện nghiên cứu chế tạo tàu thủy Trường Đại Học Nha Trang

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ KẾT CẤU, TÍNH TOÁN BỀN VÀ QUY TRÌNH CÔNG

Bản vẽ bố trí chung toàn tàu có hình chiếu đứng toàn tàu, mặt chiếu phẳng của các tầng boong, khoang đáy, bản vẽ bố trí chung toàn tàu thể hiện sự phân bố của các khoang, các buồng, lối đi lại, cửa ra vào, cầu thang và vị trí lắp đặt, các thiết bị trên tàu

Nguyên tắc bố trí chung phải xét đến

+ Tuân thủ các quy định của quy phạm: tính ổn định, tính chống cháy ,sức bền tàu, + Đảm bảo dung tích các khoang

+ Đản bảo cân bằng tàu

+ Các lối đi lại phải an toàn

+ Yêu cầu chủ tàu

+ Tính khai thác và tính kinh tế đối với các loại tàu riêng biệt

Tùy từng loại tàu cụ thể, mà cách bố trí chung có những hình thức riêng của nó Nhưng nói chung việc bố trí chung của tàu nhất là các tàu cao tốc phải được tuân thủ các qui định của qui phạm của các cơ quan phân cấp cho nó và các công ước hiện hành, cũng như luật lệ của các nước mà nó treo cờ

2.1.1.1 Phân khoang theo chiều dài tàu

Phân khoang là bước đầu tiên trong quá trình thiết kế bố trí chung Phân khoang nhằm mục đích

- Cách ly giữa các khoang với chức năng khác nhau

- Đảm bảo sức bền ngang và sức bền dọc cho tàu

- Đảm bảo tính năng chống chìm cho tàu

Đề phòng nguy hiểm do cháy lan tràn trên toàn tàu khi một khoang nào bị cháy

Để định được chiều dài khoang và vị trí của các khoảng sườn, trước tiên chúng ta xác định "khoảng sườn tiêu chuẩn" theo qui phạm

Chọn khoảng cách sườn thực tế cho tàu được thiết kế ở vùng giữa tàu, vùng

buồng máy, vùng khoang mũi, lái

Chọn khoảng cách sườn theo tiêu chuẩn S = 500 mm (điều 9.3.1 trang 36 quy phạm TCVN 6282:2003)

Từ lái đến mũi , thân tàu được chia làm các khoang như sau:

a Khoang mũi

Có tác dụng chống va, đảm bảo mũi tàu khi bị va thủng không ảnh hưởng tới an toàn tàu.Khoang mũi được bố trí làm hầm xích neo, hầm dụng cụ cơ khí, các tạp vật khác

và không chứa nước dằn

Khoang mũi: từ sườn 23 đến sườn 32 (4,5m), gồm hầm tạp vật từ sườn 23 đến sườn 26 (1,5m), hầm xích neo từ sườn 26 đến sườn 32 (3m)

b Khoang máy

Tàu 3 thân có kích thước thân chính nhỏ hơn so với các tàu khác có cùng kích thước và việc bố trí buồng máy sẽ phải dựa và đặc điểm tuyến hình thiết kế sao cho đảm bảo được không gian vận hành buồng máy

Ở đây tàu thiết kế có dạng tuyến hình nhọn góc ở mũi và vát bằng ở đuôi nên không gian phần đuôi là đủ rộng cho bố trí buồng máy, đồng thời giảm được rung động buồng máy ảnh hưởng tới khách du lịch trên tàu

Trong khoang máy được bố trí một máy chính, một cụm máy phát và các trang thiết bị buồng máy Lên xuống buồng máy bằng cầu thang bố trí ngay sát vách trước buồng máy

Khoang máy từ sườn 0 đến sườn 8 (4m)

c Các khu vực khác

Khoang chứa dầu đốt được bố trí từ sườn 8 đến sườn 11 (1,5m)

Khoang chứa lương thực thực phẩm từ sườn 11 đến sườn 23 (6m) Theo chiều cao tàu khoang này gồm 2 két, phía dưới chứa nước sinh hoạt đủ cho hành khách trong suốt đoạn hành trình, phía trên chứa lương thực thực phẩm

Trên tàu bố trí 2 phòng vệ sinh phía đuôi tàu cho hành khách và thủy thủ trên tàu Cabin từ sườn 4 đến sườn 22 (9,1m)

Khu vực mặt mũi boong từ sườn 24 đến sườn 32 (4m), chứa hệ thống neo và hệ thống chằn buộc

2.1.1.2 Phân khoang theo chiều cao tàu

Theo chiều cao tàu được phân ra làm 4 sàn : sàn IV, sàn III, sàn II (boong chính), sàn I (dưới boong chính)

a Dưới boong chính

+ Từ mút đuôi tàu tới sườn 8: bố trí máy chính, thiết bị lái, máy phát,…

+ Từ sườn 8 đến sườn 11: khoang chứa nhiên liệu

+ Từ sườn 11 đến sườn 23: khoang chứa thực phẩm và nước sinh hoạt

+ Từ sườn 23 đến sườn 26: khoang chứa tạp dụng

+ Từ sườn 26 đến sườn 29: khoang chứa xích neo

b Boong chính

+ Từ mút đuôi đến sườn 5: sàn cho khách tắm biển

+ Từ sườn 5 đến sườn 11: Khu vệ sinh, khu nhà bếp, cầu thang lên nóc lầu lái bố trí bên tái, nấp hầm xuống khoang máy bố trí bên phải

+ Từ sườn 11 đến sườn 22: Khu sinh hoạt chung cho 10 người, bar, bàn ghế sofa

c Boong thời tiết

Bố trí lối đi, lan can, cột bích, tời neo, đèn mạn, cầu thang lên xuống boong chính

d Boong lầu lái [7],[9]

Buồng lái bố trí các trang thiết bị cần thiết để đảm bảo tàu an toàn hàng hải như sau:

Bảng 2.1: Bố trí trang thiết bị boong lầu lái

e Nóc lầu lái [7], [9]

Trên nóc boong lái bố trí 1 sàn gồm những thiết bị sau:

+ 1 đèn mạn phải ( xanh ve ),  = 112030, l = 1 km (l khoảng cách nhìn thấy tối thiểu ánh sáng đèn hiệu)

+ 1 đèn mạn trái ( đỏ ),  = 112030, l = 1 km

+ 1 đèn hành trình ( trắng ),  = 2250, l = 1.5 km

+ 1 đèn đỉnh cột ( trắng, nhấp nháy được ),  = 3600, l = 1.5 km

+ 1 đèn đỉnh cột ( đỏ, nhấp nháy được ),  = 3600, l = 1.5 km

+ 1 đèn ( xanh ve, treo dây ),  = 3600, l = 1 km

+ 1 đèn ( màu vàng, treo dây ),  = 3600, l = 1 km

2.1.2 Thiết kế kết cấu và tính bền

Hiện nay phương pháp tính kết cấu tàu ba thân được giới thiệu trong một số tài liệu nước ngoài, tuy nhiên rất ít tài liệu công bố về phương pháp thiết kế và hướng dẫn thiết kế chi tiết Các mẫu tàu đang được sử dụng đều là độc quyền của các công ty, tại Việt Nam vẫn chưa sản xuất được mẫu tàu 3 thân theo thiết kế của mình, chưa có cơ quan thiết kế tàu nào của nước ta đưa ra một thiết kế kỹ thuật hoàn chỉnh về loại tàu này Thực

tế này đã gây không ít khó khăn tới các cơ sở đóng tàu của nước ta

Đăng kiểm Việt Nam cũng chưa ban hành tiêu chuẩn quy phạm thiết kế tàu 3 thân Việc lựa chọn tàu mẫu, tính toán cần nhiều thời gian và sự phối hợp của các nhà chuyên môn mới có được những kết quả chính xác nhất

Về cơ bản dành cho thiết kế tàu nhiều thân là giống nhau, đặc biệt đối với tàu làm bằng vật liệu composite, vấn đề đặt ra đối với phần kết cấu ở đây là chúng ta phải đi giải quyết bài toán sức bền vỏ tàu, sức bền cầu nối và thiết kế kết cấu hợp lý

Vì chưa có Quy phạm đóng tàu nhiều thân mà cụ thể ở đây là tàu 3 thân nên việc tính độ bền cho kết cấu phải được tiến hành từ mô hình thử độ bền kết cấu hoặc giải trực tiếp độ bền kết cấu trên cơ sở sơ đồ lực tác dụng vào kết cấu cụ thể việc này tốn nhiều thời gian nhưng trong thời giới hạn làm đề tài tôi không thể thực hiện để có kết quả chính xác được nên việc vận dụng các kết quả đạt được từ thiết kế kết cấu và tính bền tàu hai thân của Viện nghiên cứu chế tạo tàu thuỷ-Trường Đại Học Nha Trang là phù hợp nhất

Bằng cách vận dụng các kết quả có được từ TS Nguyễn Văn Đạt [12] để giải quyết bài toán sức bền cầu nối vì đây là vùng chịu lực phức tạp đối với tàu nhiều thân và

sử dụng quy phạm “Quy phạm kiểm tra và chế tạo các tàu làm bằng chất dẻo cốt sợi thủy

tinh TCVN 6282:2003.”, “Quy phạm phân cấp và đóng tàu thủy cao tốc TCVN 6451:2004” tính kết cấu mạn, đáy, vách, boong,…

2.1.2.1 Giới thiệu chung

a Đặc điểm tuyến hình

- Đặc điểm tuyến hình: có mũi và đáy nhọn hình chữ V, có đuôi dạng vát phẳng

- Hai thân phụ nằm về hai bên làm nhiệm vụ tăng tính ổn định cho tàu

Hình 2.1: Tuyến hình tàu thiết kế

b Công dụng, vùng hoạt động, quy phạm áp dụng

- Tàu thiết kế thuộc loại du thuyền du lịch, vỏ composite, kết cấu đáy đơn, mạn đơn, buồng máy được đặt ở đuôi tàu

- Vùng hoạt động là vùng không hạn chế (hoạt động cách bờ trên 200 hải lý)

- Phương pháp tính kết cấu thân tàu: chúng ta xem mỗi thân của tàu 3 thân là một con tàu độc lập và được liên kết với nhau bằng kết cấu boong nối Ngoài ra thân phụ chỉ thực hiện tăng tính ổn định cho tàu vì thế sẽ chịu các tải trọng nhỏ hơn so với thân chính Thiết kế kết cấu thân phụ sẽ được lấy từ kết quả thiết kế kết cấu thân chính như vậy đã đủ bền

- Quy phạm áp dụng: tàu được thiết kế phù hợp với:

+ Qui phạm phân cấp và đóng tàu (sông) biển vỏ thép, TCVN 6259 : 2003.[7]

+ Qui phạm kiểm tra và chế tạo các tàu làm bằng chất dẻo cốt sợi thủy tinh (TCVN 6282 : 2003).[9]

+ Quy phạm phân cấp và đóng tàu thủy cao tốc TCVN 6451:2004.[8] -Việc tính toán kết cấu cho tàu 3 thân được tiến hành theo 2 giai đoạn

+Tính kết cấu mỗi thân tàu và thượng tầng (ngoại trừ kết cấu boong nối 2 thân tàu) được tính theo Quy phạm kiểm tra và chế tạo các tàu làm bằng cốt sợi thủy tinh TCVN 6282:2003, Quy phạm phân cấp và đóng tàu thủy cao tốc TCVN 6451:2004

+ Tính kết cấu boong nối giữa 2 thân tàu theo phương pháp ứng suất cho phép

- Vật liệu dùng đóng tàu là vật liệu composite quy định tại Quy phạm TCVN 6282:2003

c Các thông số cơ bản và hệ số hình dáng của tàu

- Chiều dài lớn nhất toàn tàu: Lmax = 16,0 m

- Chiều dài thiết kế toàn tàu: Ltk = 15,7 m

- Chiều rộng lớn nhất toàn tàu: Bmax = 8 m

- Chiều rộng thiết kế toàn tàu: Btk = 7,1 m

- Chiều rộng lớn nhất thân chính: B1max = 3,5 m

- Chiều rộng thiết kế thân chính: B1tk = 2.4 m

- Chiều rộng lớn nhất thân phụ: B2max = 1.4 m

- Tàu được thiết kế theo hệ thống kết cấu ngang

- Khoảng cách sườn s = 500 mm Khoảng cách nẹp dọc h = 600 mm Khoảng cách giữa các dầm dọc cầu nối chọn b = 500 mm

2.1.2.2 Sơ đồ phân khoang

Trên cơ sở khoảng sườn đã được xác định, chia tàu thành 32 khoảng sườn thực Theo quy định về phân khoang của quy phạm, phân tàu thành 5 vách ngăn kín nước với chiều dài các khoang như sau

Khoang số (1) gồm 8 khoảng sườn, từ sườn số 0 đến sườn số 8 L1 = 4 m

Khoang số (2) gồm 3 khoảng sườn, từ sườn số 8 đến sườn số 11 L2 = 1,5 m

Khoang số (3) gồm 6 khoảng sườn, từ sườn số 11 đến sườn số 17 L3 = 3 m

Khoang số (4) gồm 6 khoảng sườn, từ sườn số 17 đến sườn số 23 L4 = 3,0 m

Khoang số (5) gồm 3 khoảng sườn, từ sườn số 23 đến sườn số 26 L5 = 1,5 m

Khoang số (6) gồm 6 khoảng sườn, từ sườn số 26 đến sườn số 32 L6 = 3,0 m

Hình 2.2: Sơ đồ phân khoang

+ Tàu cao tốc là các tàu có vận tốc lớn hơn trị số tính theo công thức:

Trong đó:  = 38 tấn - lượng chiếm nước tại đường nước thiết kế

Với tàu thiết kế: V = 25 > 7,1922.380,1667 = 13,188 (hl/h)

+ Vật liệu

Vỏ tàu được chế tạo từ vật liệu FRP (Fiberglass Reinforced Plastic), trong đó:

- Vật liệu cốt là sợi thủy tinh dạng Matting và Roving sắp xếp xen kẽ nhau

- Vật liệu nền là nhựa Polyester không no, loại được Đăng kiểm Lloyd cho phép sử dụng

Độ bền của vật liệu được xác định tại Phòng thí nghiệm VIỆN NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO TÀU THỦY - VR LAB 02, trên máy kiểm nghiệm vật liệu loại Hounsfield của Anh quốc, có các giá trị cơ bản sau :

- Theo điều 7.2.1 chiều dày lớp vỏ giữa đáy trên suốt chiều dài tàu phải không nhỏ hơn trị số tính theo công thức: t = 9+0,4L (mm) (2.2)

- Lớp vỏ giữa đáy phải cố gắng liên tục từ mũi tới đuôi tàu

a.2 Lớp vỏ bao ở đoạn giữa tàu

a.2.3 Lớp vỏ bao ở các đoạn mút

- Theo điều 7.4.3 chiều dày lớp vỏ bao đoạn đáy gia cường mũi tàu không nhỏ hơn trị số tính theo công thức sau đây: t = CS L (mm) (2.6)

Trong đó:

L: Chiều dài tàu

C: Hệ số được cho ở bảng 3.1 với các trị số trung gian của α thì C được tính theo phép nội suy tuyến tính

6,0

  C = 5,98

 t ≥ 5,98.0.5 16 = 11,96

 chọn t = 12 (mm)

a.2.4 Lớp vỏ bao mạn của thượng tầng

Theo điều 7.5.1 lớp vỏ bao mạn của thượng tầng phải tuân theo các yêu cầu (1) và (2) sau đây:

(1) Chiều dày của lớp vỏ bao mạn thượng tầng ở 0,25L tính từ mũi tàu phải

không nhỏ hơn chiều dày của vỏ bao mạn tại vùng đó

(2) Chiều dày của vỏ bao mạn thượng tầng không quy định ở (1) có thể bằng 0,8 chiều dày vỏ mạn tại vùng đó

Với tàu thiết kế chọn t TT = 0,8t man = 0,8.11 = 8,8

 Chọn tTT = 9 (mm)

a.2.5 Gia cường cục bộ lớp vỏ bao

Gia cường cục bộ lớp vỏ bao có lỗ luồn neo và lớp vỏ bao kề cận đó: lớp vỏ

bao mạn và các lớp vỏ khác có nguy cơ tiếp xúc với neo và xích neo….phải được

gia cường thích đáng

b Tính toán boong [8]

b.1 Phạm vi áp dụng

Áp dụng cho kết cấu và kích thước của boong được tạo hình bằng FRP

Kết cấu và kích thước được áp dụng cho kết cấu một lớp

b.2 Chiều dày tấm boong

- Theo điều 8.2.1-2 chiều dày tấm boong ở đoạn giữa tàu không nhỏ hơn trị số tính theo công thức sau:

- Đối với boong thời tiết

+ Vùng phía trước của 0,3L tính từ mũi

h = 0,051L + 0,46 = 0,051.16 + 0,46 = 1,276 (t/m2) Vậy chiều dày boong

t ≥ 13S h = 13.0,5 1,276 = 7,34 (mm)

 chọn t = 8 + Vùng phía sau của 0,3L tính từ mũi

h = 0,027L + 0,46 = 0,027.16 + 0,46 = 0,892 (mm) Vậy chiều dày boong

t ≥ 13S h= 13.0,5 0,892 = 6,139 (mm)

 Chọn t = 7 (mm)

b.3 Gia cường cục bộ boong

b.3.1 Gia cường cục bộ vùng lỗ khoét

- Chiều dày tấm boong tại vùng lỗ khoét phải được tăng thích đáng

- Góc lỗ khoét phải được lượn tròn thích hợp

b.3.2 Vị trí các lỗ khoét trên boong

Khoảng cách từ mạn tàu hoặc từ mép miệng khoang đến lỗ khoét phải không nhỏ hơn 1,5 đường kính lỗ khoét Tuy nhiên nếu khoảng cách này cần phải lấy nhỏ hơn thì phải được gia cường thích đáng

b.3.3 Những boong có nguy cơ bị mòn

- Đối với những boong có nguy cơ bị mòn do chịu tải trọng nặng phải được tăng chiều dày hoặc có lớp phủ

c Vách kín nước [9]

Chiều dày của vách kín nước

- Theo điều 13.2.1 chiều dày của lớp vách kết cấu 1 lớp phải không nhỏ hơn trị số

a.1 Tải trọng thiết kế kết cấu đáy

Theo điều 3.2.2 Tải trọng thiết kế kết cấu đáy pb phải không nhỏ hơn trị số tối

thiểu pbmin tính theo công thức sau:

- Đối với tàu khách, fh =0,13

- Đối với tàu hàng, fh =0,18

HW : Chiều cao sóng tính theo công thức:

0677,0

- 0,4726 (2.13)

Af : Gia tốc thẳng đứng thiết kế ở mút trước do người thiết kế quy định Tuy nhiên trị số

của nó không nhỏ hơn trị số tối thiểu quy định ở bảng 3.2 tùy thuộc loại tàu và vùng hoạt động

Bảng 2.4: Trị số tối thiểu của gia tốc thẳng đứng ở mút trước [8]

0677,0

a.2 Tải trọng thiết kế kết cấu mạn

Theo điều 3.2.3 tải trọng thiết kế kết cấu mạn psphải không nhỏ hơn trị số tính theo công thức sau:

pS = 10(1,58 + 0,974 + 0,13.7,1 – 1,33) = 21,47 (kN/m2 )

a.3 Tải trọng thiết kế kết cấu boong

Theo điều 3.2.4 Tải trọng thiết kế các boong dùng để chứa hàng hóa thông

thường, hành khách, dự trữ… phải không nhỏ hơn trị số tính theo công thức:

Pd = C.Af Phh = 1.1,5.4,6 = 6,9 (kN/m2)

a.4 Tải trọng thiết kế thượng tầng và lầu

Theo điều 3.2.5 tải trọng thiết kế cho thượng tầng và lầu Ph phải không nhỏ hơn trị

số tính theo công thức:

Ph = 12,5 + 0,05Ls (kN/m2) (2.16)

Ph = 12,5 + 0,05.16 = 13,3 (kN/m2)

a.5 Tải trọng thiết kế vách kín nước

Theo điều 3.2.6 tải trọng thiết kế vách kín nước Pwt phải không nhỏ hơn trị số tính theo công thức:

Áp dụng cho hết kết cấu và kích thước của sườn được tạo hình bằng FRP

a.2 Lựa chọn quy cách sườn

- Sườn được kết cấu sao cho không bị mất ổn định ngang

- Chọn kết cấu của sườn có kết cấu kiểu mũ có lõi

Hình 2.4: Mặt cắt ngang sườn [9]

- Theo điều 1.3.5-1 chiều dày tối thiểu của tấm thành và tấm mặt của sống, xà ngang boong, sườn, đà ngang đáy…kiểu mũ rỗng hoặc kiểu mũ có lõi không được nhỏ hơn trị số tính theo công thức sau đây:

a.3 Khoảng cách sườn

- Hệ thống được chọn là hệ thống kết cấu liên hợp

- Theo 9.3.1-1 lựa chọn khoảng cách sườn theo tiêu chuẩn là 500 mm

a.4 Kích thước của sườn

- Theo điều 4.2.6 Mô đun chống uốn tiết diện của sườn không nhỏ hơn trị số tính theo công thức sau:

(2.18) Trong đó:

S = 0,5 m – khoảng cách sườn

l = 0,6 m – chiều dài nhịp đo giữa các đế lân cận

P = 21,47 (kN/m2) – tải trọng thiết kế kết cấu mạn

3,

=

148.33,0

6,0.47,21.5,0.3,

= 6,5 (cm3)

- Chọn quy cách sườn có dạng mũ có lõi, chiều cao tấm thành d0 = 60 (mm), chiều rộng tấm mặt b = 50 (mm)

- Theo điều 1.3.5-1 chiều dày tối thiểu của tấm thành và tấm mặt của sống,

xà ngang boong, sườn, đà ngang đáy…kiểu mũ rỗng hoặc kiểu mũ có lõi không

được nhỏ hơn trị số tính theo công thức sau đây:

- Tính kiểm tra sườn

Hình 2.5: Ký hiệu kết cấu sườn

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

(momen quán tính I0 = b.h3/12)

Bảng 2.5: Tính momen quán tính măt cắt ngang sườn mạn

Momen quán tính (cm4)

TT Kích thước

(cm)

Diện tích A (cm2)

Z (cm)

A.Z (cm3)

Chiều rộng mép kèm :  = 18t + b = 18.1,1 + 5 = 24,8 (cm)

Khoảng cách đến trục trung hòa: e = 0,896

08,34

54,30

I

imax =

896,075,6

657,138

 = 23,685 (cm3) Vậy cơ cấu đã thỏa mãn Quy phạm

b Nẹp dọc mạn [8], [9]

- Khoảng cách giữa các nẹp dọc là 600 mm

- Theo điều 4.2.6 Mô đun chống uốn tiết diện của nẹp dọc mạn không nhỏ hơn trị

số tính theo công thức sau:

Trong đó:

S = 0,6 m - Khoảng cách nẹp

l = 0,5 m - Chiều dài nhịp đo giữa các đế lân cận

P = 21,47 (kN/m2 ) –Tải trọng thiết kế kết cấu mạn

3,

=

148.33,0

5,0.47,21.6,0.3,

= 5,493 (cm3)

- Chọn nẹp dọc có quy cách như sườn ngang (dạng mũ có lõi, chiều cao tấm thành

d0 = 60 mm, chiều rộng tấm mặt b = 50 mm) nên với cách tính mô đun chống uốn như

bảng 3.3 thì quy cách của nẹp dọc hoàn toàn thỏa mãn

2.1.2.6 Tính toán dàn đáy [8], [9]

a Đà ngang đáy

- Theo điều 4.2.6 mô đun chống uốn tiết diện của đà ngang đáy không nhỏ