Bài giảng Kết cấu tàu

Chiều cao mạn để tính sức bền D s 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

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

-o0o -

Ths Phạm Thị Thanh Hương

Bài giảng KẾT CẤU TÀU

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

1.1 Khái quát về kết cấu tàu thủy

1.1.3 Khảo sát chi tiết kết cấu 3

1.1.5 Hệ thống khung dầm cơ cấu 12

1.2 Một số vấn đề trong thiết kế kết cấu tàu thủy

1.2.2 Phân tích , lựa chọn hình thức bố trí kết cấu 24

1.3.4 Lực cắt và mô men uốn 30

Chương 2 Nguyên tắc kết cấu

3.1.1 Kết cấu dàn đáy 61 3.1.2 Kết cấu dàn mạn 82

Chương 4 Đặc điểm kết cấu các loại tàu vận tải

4.2 Đặc điểm kết cấu tàu chở hàng rời 190

Chương 5 Tính toán thiết kế các cơ cấu thân tàu

5.1 Chiều dày tối thiểu cơ cấu 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

Chương 6 Bản vẽ kết cấu tàu

MỘT SỐ KHÁI NIỆM VÀ ĐỊNH NGHĨA CHUNG

1.Chiều dài tàu L(m)

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

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

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

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

6 Chiều cao mạn để tính sức bền D s (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

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

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

Vách mũi Vách khoang hàng

Vách lái Vách khoang máy

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

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

kín (phòng ở thuyền viên, các phòng sinh hoạt,

phòng khách … ) bố trí trên boong chính chạy

suốt từ mạn này sang mạn kia hoặc cách 1 trong

(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

tàu); tôn boong, tôn mạn thượng tầng, tôn vỏ bao vách (tăng tính chống chìm, chống

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

cấu tạo từ các thanh thép hình như L,U,I,T …

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

bền cục bộ cũng như độ bền chung của thân tàu

1.1.3 Khảo sát chi tiết kết cấu

H 1.6 Kết cấu chung thân tàu

Bản thành

Bảncánh (mép)

H 1.5 Cơ cấu thân tàu

4 Buồng lái 10 Đáy 16.Đường boong chính

H 1.7 Các kết cấu tổ hợp trên tàu

1 Ky, dải tôn giữa đáy

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 41.Sống phụ

H 1.8 Mặt cắt sườn giữa tàu

hệ thống kết cấu dọc

H 1.9 Mặt cắt sườn giữa tàu hệ thống kết cấu dọc

6 Dải tôn giữa đáy

7 Dải tôn liền kề với

dải tôn giữa đáy

17.Sườn nội boong

18.Xà ngang boong thứ hai 19.Mã xà ngang

20.Bong thứ hai 21.Bong trên 22.Tấm mép boong 23.Mã chống vặn 24.Xà ngang boong 25.Dầm dọc boong 26.Sống boong 27.Thành miệng khoang hàng 28.Xà ngang boong khỏe 29.Sừờn khỏe

30.Cột chống trong khoang 31.Cột chống nội boong 32.Tôn mạn chắn sóng 33.Tay vịn

34.Cột nẹp mạn chắn sóng 35.Nẹp nằm

36.Vây giảm lắc 37.Mã gia cường sống chính 38.Mã gia cường sống hông 39.Đà ngang kín nước 40.Mã gia cường đà ngang kín nước

41.Nẹp đứng 42.Thanh chống 43.Lỗ khoét cho đường hàn chui qua

44.Lỗ khoét giảm trọng lượng

45.Sống hông nghiêng 46.Lỗ khoét người chui 47.Vách kín nước 48.Nẹp vách 49.Tấm đệm chân cột chống

H 1.10 Mặt cắt sườn giữa tàu hệ thống kết cấu ngang

1 Tấm tôn giữa đáy

2 Sống chính đáy

3 Dải tôn giữa đáy trên

4 Sống phụ đáy

5 Sống hông

6 Tôn đáy trên

7 Tôn đáy ngoài

8 Lỗ người chui

9 Đà ngang đáy

10.Dầm ngang đáy trên

11.Dầm gang đáy dưới

12.Dải tôn hông

13.Dải tôn mép mạn

14.Tôn mạn

15.Boong trên

16.Vây giảm lắc 17.Tôn mạn chắn sóng 18.Sườn

19.Mã hông 20.Mã xà ngang boong 21.Xà ngang boong 22.Boong trên 23.Nẹp nằm

24 Cột nẹp be chắn sóng

25 Thanh thép góc mép mạn 26.Tay vịn mạn chắn song 27.Tấm ốp lườn

28.Thành quây dọc miệng hầm hàng 29.Xà ngang miệng hầm hàng

30 Sườn khỏe

H 1.11 Mặt cắt sườn giữa tàu hệ thống kết cấu ngang

1 Tấm tôn giữa đáy

2 Sống chính đáy

3 Dảitôn giữađáytrên

4 Sống phụ đáy

5 Sống hông nằm ngang

6 Tôn đáy trên

7 Tôn đáy ngoài

8 Đà ngang đáy

9 Lỗ người chui

10.Dầm ngang đáy trên

11.Dầm gang đáy dưới

12.Dải tôn hông

13.Dải tôn mép mạn

14.Tôn mạn

15.Boong trên

16 Vây giảm lắc 17.Mạn giả 18.Sườn 19.Mã hông 20.Mã xà 21.Xà ngang boong 22.Boong che 23.Nẹp nằm

24 Thanh thép góc mép mạn 25.Cột nẹp be chắn sóng 26.Tay vịn

27.Thành quây miệng hầm hàng

1.1.4 Khái niệm khung dàn tàu

Bảng 1.1 Kết cấu khung dàn tàu

Khungdàn Giới hạn theo chiều dọc Giới hạn theo chiều ngang

Dàn đáy Hai vách ngăn ngang kề nhau

Mạn với vách ngăn dọc gần nhất hoặc hai vách ngăn dọc kề nhau hoặc hai mạn tàu

Dàn mạn Hai vách ngăn ngang kề nhau

Đáy tàu và boong gần nhất

hoặc hai boong kề nhau

hoặc giữa đáy và boong trên cùng

Dàn boong Hai vách ngăn ngang kề nhau

Mạn và vách ngăn dọc gần nhất hoặc hai vách ngăn dọc kề nhau hoặc hai mạn tàu

Dàn vách Các tầng boong với nhau

hoặc tầng boong với đáy

Mạn và vách ngăn dọc gần nhất hoặc hai vách ngăn dọc kề nhau 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

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

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

Đà ngang kín nước

Đà ngang khỏe (đà ngang đặc

đà ngang đầy) Thường Xà dọc mạn ( dầm dọc mạn) Sườn thường

Mạn

Boong

Xà ngang boong khỏe Bán xà ngang boong khỏe (dầm công xon) Thường Nẹp nằm Nẹp đứng

Vách

Bảng 1.3 Hệ thống khung dầm cơ cấu

Loại khung dầm Cơ cấu

Khung cứng

Đà ngang thường Sườn thường , Nẹp đứng

Xà ngang boong thường

Khung ngang

Khung khỏe

Đà ngang đầy Sườn khỏe , Sống đứng

Xà ngang boong khỏe Khung cứng

Dầm dọc đáy , Nẹp đứng vách ngang

Xà dọc boong

Khung dọc

Khung khỏe

Sống chính (sống phụ) Sống đứng vách, Sống boong Nẹp khỏe vách ngang Khung cứng

Xà dọc mạn Nẹp nằm vách ngang Nẹp nằm vách dọc

Khung nằm

Khung khỏe

Sống mạn , Vách dọc Sống nằm của vách ngang

1.1.6 Những yêu cầu cơ bản khi thiết kế kết cấu thân tàu

ƒ 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

ƒ Tính sử dụng

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

ƒ Tính hoàn chỉnh

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

ƒ 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

ƒ Tính thẩm mỹ hiện đại

hợp trình độ phát triển của khoa học kĩ thuật và thị hiếu khách hàng

ƒ 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

1.1.7 Các phương pháp thiết kế kết cấu thân tàu

ƒ Thiết kế theo tàu mẫu

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

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

ƒ Thiết kế theo quy phạm kết cấu thân tàu

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

ƒ 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

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

1.1.8 Danh mục hồ sơ, bản vẽ chủ yếu của kết cấu thân tàu

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

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

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

ƒ 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

ƒ 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

™ Phân loại theo chiều cao mạn khô của tàu

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

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

ƒ 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 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)

ƒ Đội tàu chở hàng lỏng

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

ƒ Đội tàu chở khách

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

ƒ Đội tàu chuyên ngành (Tàu công tác trên biển, trong cảng )

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)

ƒ 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)

ƒ Đội tàu khai thác , đánh bắt hải sản và nghiên cứu biển

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

voi, hải báo, hải mã, cũng như các hải sản khác )

ƒ 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 )

ƒ 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

ƒ 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

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

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

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,

C40, C70, C85 Thép công cụ ký hiệu bằng CD (CD70, CD80, CD90, CD100,

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

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

đóng bằng chất dẻo, nhựa Composit

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)

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

™ Phân loại theo hình thức kết cấu

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

ƒ Hệ thống kết cấu ngang

H 1.13a Sơ đồ hệ thống

kết cấu ngang

H 1.13b Sơ đồ hệ thống 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

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

ƒ 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

Cơ cấu ngang

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

đáy của tàu chở hàng nặng hoặc kết cấu boong đỡ thiết bị nặng

ƒ Hệ thống kết cấu hỗn hợp

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

H 1.14a Hệ thống kết cấu hỗn hợp tàu hàng khô

1 Sống dọc boong 2.Tôn boong trên

3 Xà dọc boong (Nẹp dọc boong ) 4,8.Xà ngang boong

14 Đà ngang đặc

15 Đáy trong (Đáy trên )

16 Tôn đáy

17 Vách ngang

18 Nẹp vách

19 Cột chống

1 Xà ngang boong 7 Tôn đáy trên 13 Dải tôn hông

H 1.14b Hệ thống kết cấu ngang tàu vận tải

H 1.14c Hệ thống kết cấu dọc tàu dầu

1.2.2 Phân tích , lựa chọn hình thức bố trí kết cấu

™ So sánh hai hình thức kết cấu dọc và ngang

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

ƒ Về độ bền

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

chống sức ép ngang của tải trọng nước và hàng hóa lên mạn tàu

trên sông, tàu có chiều rộng lớn nên sử dụng hệ thống kết cấu ngang

ƒ Về độ ổn định tấm

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

ƒ 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

ƒ Về công nghệ

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

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

ƒ 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

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

ƒ Tính liên tục và giảm tập trung ứng suất

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

ƒ Truyền lực có hiệu quả

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

ƒ Gia cường cục bộ

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

ƒ Tàu hàng khô

Tàu có chiều dài 80m < L < 100 m, khoang máy bố trí ở giữa tàu thì hầu hết bố trí kết cấu hệ thống ngang có lợi về mặt khối lượng kết cấu, yêu cầu thi công và sử dụng đồng thời giúp cho tàu cân bằng tốt hơn khi không hàng Với loại tàu hàng có chiều dài L ≈ 100 m, để tranh thủ chiều cao giữa các tầng boong, tiện cho việc bố trí các buồng, nên ứng dụng hệ thống kết cấu ngang cho mạn và boong là thích hợp Boong trung gian của tàu hàng khô cách trục trung hòa của dầm tương đương tương đối gần, chịu ứng suất uốn dọc toàn tàu tương đối nhỏ Về mặt sức bền, không nhất thiết chọn

hệ thống kết cấu dọc Mặt khác, từ yêu cầu về dung tích khoang hàng, nên lựa chọn hệ thống kết cấu ngang Thông thường, mạn tàu hàng khô được thiết kế theo hệ thống kết cấu ngang, tiện cho việc xếp hàng và thi công, chỉ trong một số trường hợp đặc biệt mới thiết kế theo hệ thống kết cấu dọc Khoang máy ở đuôi tàu thì boong chịu lực và đáy kết cấu hệ thống dọc đáp ứng tính ổn định tấm (boong một số ít trường hợp có thể kết cấu ngang), vùng còn lại kết cấu hệ thống ngang

mạn, mũi, đuôi kết cấu hệ thống ngang

cấu ngang Với tàu hàng khô cỡ lớn, tàu chở hàng nặng, tàu có boong khoét lớn, có két dầu mạn , két nước mạn, do yêu cầu của sức bền dọc toàn tàu nên mạn có thể thiết kế

hệ thống kết cấu dọc.Với tàu hàng khô cỡ trung và lớn có tỷ số L/H > 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 )

ƒ 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

khách chạy biển, dàn boong thường kết cấu hệ thống dọc

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

ƒ Tàu dầu

thiết kế hệ thống kết cấu dọc, mạn tàu thường kết cấu hệ thống dọc nhiều ưu điểm hơn

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

thống ngang

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

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

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

1.3.3 Ngoại lực gây uốn chung thân tàu

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

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

Trong đó: p(x) (T/m) là phân bố trọng lượng tàu và tất cả các trọng vật trên tàu

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

đường cong trọng lực phải trùng với trọng tâm tàu

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)

206

G m

206

G m

1

1 m−m G

=Δ

Theo định luật Acsimet, lực nâng tàu: T = γ.V

Trong mỗi phân đoạn chiều dài tàu

+

nào đó (được đọc từ biểu đồ đường cong Bonjean), phụ thuộc chiều chìm tàu T do mớn nước mũi và lái quy định

1

, i+

L

x L x

b( ) γ. .ω =γ.ω

Δ

Δ

=

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

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

0

0

.00

0

0

0

.0

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 :

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 :

K

L D

x

N maxsin2π.

=

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 :

M

M h

Bảng 1.4 Hệ số K

Hệ số K Kiểu tàu

Trên đỉnh sóng Trên đáy sóng

3 Tàu hàng cỡ lớn L > 140 m :

Buồng máy ở giữa tàu

Buồng máy đuôi ( chạy dằn )

Tàu hàng cỡ trung 100 < L < 140 m

Buồng máy ở giữa tàu

Buồng máy đuôi ( chạy dằn )

Tàu hàng cỡ nhỏ L < 100 m :

Buồng máy ở giữa tàu

Buồng máy đuôi ( chạy dằn )

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