MỘT số vấn đề TRONG THIẾT kế kết cấu tàu

MỘT số vấn đề TRONG THIẾT kế kết cấu tàu MỘT số vấn đề TRONG THIẾT kế kết cấu tàu MỘT số vấn đề TRONG THIẾT kế kết cấu tàu MỘT số vấn đề TRONG THIẾT kế kết cấu tàu MỘT số vấn đề TRONG THIẾT kế kết cấu tàu MỘT số vấn đề TRONG THIẾT kế kết cấu tàu

CHƯƠNG MỘT SỐ VẤN ĐỀ TRONG THIẾT KẾ KẾT CẤU ĐỊNH NGHĨA 1.1 Tàu biển Tàu biển cấu trúc nổi, có khơng có động cơ, chun dùng để hoạt động biển vùng nước liên quan với biển 1.2 Tàu khách Tàu khách tàu chở nhiều 12 hành khách Hành khách người có mặt tàu, trừ thuyền trưởng, thuyền viên người làm việc tàu trẻ em tuổi 1.3 Tàu hàng Tàu hàng tàu biển tàu khách 1.4 Tàu dầu Tàu dầu tàu hàng đóng hốn cải để chở xô hàng lỏng dễ bốc cháy, trừ tàu chở xơ khí hóa lỏng hóa chất nguy hiểm 1.5 Tàu chở xơ khí hóa lỏng Tàu chở xơ khí hóa lỏng tàu hàng đóng hốn cải để chở xơ khí hóa lỏng 1.6 Tàu chở xơ hóa chất nguy hiểm Tàu chở xơ hóa chất nguy hiểm tàu hàng đóng hốn cải để chở xơ hóa chất nguy hiểm 1.7 Tàu công nghiệp hải sản Tàu công nghiệp hải sản tàu dùng để đánh chế biến cá chế biến cá hải sản khác, có số nhân viên chuyên môn tàu nhiều 12 người (tàu chế biến cá, tàu đánh cá thu, đánh cá voi, đánh cá mòi, tàu ướp lạnh, trạm 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 tàu tàu tương tự) 1.8 Tàu đánh cá Tàu đánh cá tàu dùng trực tiếp để đánh bắt cá(gồm loại cá kể cá voi, hải báo, hải mã, hải sản khác) 1.9 Tàu có cơng dụng đặc biệt Tàu có cơng dụng đặc biệt tàu có trang bị chun dùng liên quan tới cơng dụng tàu, có số nhân viên chuyên môn nhiều 12 người (gồm tàu nghiên cứu khoa học, tàu thám hiểm, tàu thủy văn, tàu cứu hộ tàu tương tự) 1.10 Công te nơ Công te nơ loại thùng tiêu chuẩn chuyên dùng để chứa vận chuyển hàng hóa có đặc trưng sau đây: (1) Có đặc trưng cố định, bền để thích nghi với việc sử dụng nhiều lần; (2) Có kết cấu đặc biệt để dễ dàng chuyên chở dạng vận tải mà chuyển tải trung gian; (3) Thiết kế có tính đến cần thiết phải cố định thao tác nhanh nhờ phận đặc biệt góc; (4) Có kích thước cho diện tích đáy bốn góc bên ngồi 14 m2 m2 lắp phận đặc biệt góc 1.11 Tàu đóng Tàu đóng tàu tính từ ngày đặt dải tơn đáy nhận Giấy chứng nhận cấp tàu 1.12 Tàu khai thác Tàu khai thác tàu khơng phải tàu đóng 1.13 Sản phẩm Sản phẩm thuật ngữ máy móc, trang thiết bị lắp đặt tàu biển (máy chính, máy phụ, nồi hơi, bình áp lực, dụng cụ v.v ) 1.14 Nơi trú ẩn Nơi trú ẩn tàu vùng nước tự nhiên nhân tạo bảo vệ mà tàu trú trường hợp an toàn tàu bị đe dọa 1.15 Yêu cầu bổ sung Những yêu cầu bổ sung yêu cầu chưa đưa Qui phạm, quan có thẩm quyền đề 1.16 Chiều dài tàu Chiều dài tàu (L) khoảng cách, tính mét, đo đường nước chở hàng thiết kế lớn định nghĩa 1.2.25(2), từ mặt trước sống mũi đến mặt sau trụ bánh lái, tàu có trụ bánh lái, đến đường tâm trục bánh lái, tàu khơng có trụ bánh lái Tuy nhiên, tàu có theo kiểu tuần dương hạm L đo 96% toàn chiều dài đường nước chở hàng thiết kế lớn nhất, lấy giá trị lớn 1.17 Chiều dài tàu để xác định mạn khô Chiều dài tàu để xác định mạn khô (Lf) 96% chiều dài, tính mét, đo từ mặt trước sống mũi đến mặt sau tôn bao cuối đuôi tàu, đường nước 85% chiều cao mạn thiết kế nhỏ tính từ mặt dải tơn đáy, chiều dài, tính mét, đo từ mặt trước sống mũi đến đường tâm trục bánh lái đường nước đó, lấy giá trị lớn Tuy nhiên, đường viền sống mũi lõm vào phía đường nước 85% chiều cao mạn thiết kế nhỏ nhất, điểm mút trước chiều dài phải hình chiếu đứng đỉnh lõm đường viền mũi lên đường nước Đường nước để xác định chiều dài phải lấy song song với đường nước chở hàng định nghĩa 1.2.25 Chương 1.18 Chiều rộng tàu Chiều rộng tàu (B) khoảng cách nằm ngang, tính mét, đo từ mép ngồi sườn mạn bên đến mép sườn mạn bên kia, vị trí rộng thân tàu 1.19 Chiều rộng tàu để xác định mạn khô Chiều rộng tàu để xác định mạn khô (Bf) khoảng cách nằm ngang lớn nhất, tính mét, đo từ mép sườn mạn bên đến mép sườn mạn bên kia, điểm chiều dài tàu để xác định mạn khô Lf 1.20 Chiều cao mạn tàu Chiều cao mạn tàu (D) khoảng cách thẳng đứng, tính mét, đo từ mặt dải tôn đáy đến đỉnh xà boong mạn khô mạn, điểm chiều dài tàu L Trong trường hợp vách kín nước dâng lên đến boong cao boong mạn khô ghi vào sổ đăng kí tàu, chiều cao mạn đo đến boong vách 1.21 Chiều cao mạn để tính sức bền Chiều cao mạn để tính sức bền tàu (Ds) khoảng cách thẳng đứng, tính mét, đo từ mặt dải tôn đáy đến đỉnh xà boong thượng tầng mạn, boong thượng tầng boong tính tốn, đến đỉnh xà boong mạn khơ, đo điểm chiều dài L, trường hợp khác Nếu khơng có boong phần tàu chiều cao mạn đo theo đường boong tưởng tượng kéo dài dọc theo đường boong tính tốn qua điểm chiều dài L 1.22 Tốc độ tàu Tốc độ tàu (V) tốc độ thiết kế, tính hải lí/giờ mà tàu có đáy đạt cơng suất liên tục lớn máy chính, chạy biển lặng, trạng thái ứng với đường nước chở hàng thiết kế lớn (sau đây, Qui phạm gọi "trạng thái toàn tải") 1.23 Phần tàu Phần tàu phần thuộc 0,4L tàu, qui định khác 1.24 Các phần mút tàu Các phần mút tàu phần thuộc 0,1L tính từ mút tàu 1.25 Đường nước chở hàng đường nước chở hàng thiết kế lớn (1) Đường nước chở hàng đường nước ứng với mạn khô tính theo qui định Phần 11 Qui phạm (2) Đường nước chở hàng thiết kế lớn đường nước ứng với trạng thái toàn tải 1.26 Chiều chìm chở hàng chiều chìm chở hàng thiết kế cao (1) Chiều chìm chở hàng khoảng cách thẳng đứng, tính mét, đo từ mặt dải tôn đáy đến đường nước chở hàng (2) Chiều chìm chở hàng thiết kế cao (d ) khoảng cách thẳng đứng, tính mét, đo từ mặt dải tôn đáy đến đường nước chở hàng thiết kế lớn nhất, điểm L 1.27 Lượng chiếm nước toàn tải Lượng chiếm nước toàn tải (W) lượng chiếm nước thiết kế, tính tấn, ứng với trạng thái tồn tải 1.28 Hệ số béo thể tích Hệ số béo thể tích (Cb) hệ số tính chia thể tích chiếm nước tương ứng với W cho tích (L x B x d) 1.29 Boong mạn khô (1) Boong mạn khô thông thường boong liên tục cao Tuy nhiên, có lỗ kht mà khơng có thiết bị đóng kín thường xun chỗ lộ boong liên tục cao có lỗ kht mà khơng có thiết bị đóng kín nước thường xuyên mạn phía boong liên tục cao nhất, boong mạn khơ boong liên tục boong liên tục cao (2) Nếu tàu có boong mạn khơ khơng liên tục đường thấp boong lộ đoạn kéo dài đường thấp song song với phần boong khơng liên tục coi boong mạn khô (3) Nếu tàu có nhiều boong, boong thừa nhận boong mạn khơ định nghĩa -1 -2 trên, đường nước chở hàng kẻ tương ứng với mạn khô xác định theo yêu cầu Phần 11 cách giả định boong thực tế lấy thấp boong mạn khơ boong mạn khơ boong thấp Trong trường hợp này, boong thấp phải liên tục vùng buồng máy vách mút tàu liên tục từ mạn sang mạn Nếu boong thấp có bậc đường thấp boong đoạn kéo dài song song với phần boong coi boong mạn khô 1.30 Boong vách Boong vách boong cao mà vách ngang kín nước hữu hiệu dâng lên đến nó, trừ vách mũi vách 1.31 Boong tính tốn Boong tính tốn phần theo chiều dài tàu boong cao mà tôn bao phần dâng lên tới Tuy nhiên, khu vực thượng tầng, trừ thượng tầng có bậc, thượng tầng có chiều dài khơng lớn 0,15L, boong tính tốn boong boong thượng tầng Theo nhà thiết kế tự chọn, boong boong thượng tầng coi boong tính tốn khu vực thượng tầng dài 0,15L 1.32 Boong dâng Boong dâng boong thượng tầng có bậc mà khơng cịn có boong khác 1.33 Thượng tầng Thượng tầng cấu trúc có boong boong mạn khô, kéo dài từ mạn sang mạn có vách bên nằm vị trí không lớn 0,04Bf kể từ mép mạn 1.34 Thượng tầng kín Thượng tầng kín thượng tầng thỏa mãn điều kiện sau đây: (1) Những lỗ khoét vách mút thượng tầng phải có cửa phù hợp với quy định 16.3.1 Phần 2-A (2) Tất lỗ khoét khác vách bên vách mút thượng tầng phải có phương tiện đóng đảm bảo kín thời tiết (3) Nếu lỗ khoét vách bị đóng kín, tất phương tiện để lại phải sẵn sàng để thuyền viên đến buồng máy buồng làm việc khác thuộc phạm vi lầu lái thượng tầng đuôi 1.35 Công suất liên tục lớn động Công suất liên tục lớn động cơng suất lớn mà động chạy an toàn liên tục điều kiện thiết kế (đối với máy chính, điều kiện thiết kế điều kiện máy chạy tồn tải) 1.36 Số vịng quay liên tục lớn Số vòng quay liên tục lớn số vòng quay động chạy đạt cơng suất liên tục lớn Chú thích: Việc tính tốn sức bền động phải dựa vào cơng suất liên tục lớn số vịng quay liên tục lớn 1.37 Trọng tải toàn phần Trọng tải tồn phần (DW) hiệu số, tính tấn, lượng chiếm nước toàn tải (W) tàu trọng lượng tàu không (LW) 1.38 Trọng lượng tàu không Trọng lượng tàu không (LW) lượng chiếm nước, tính tấn, khơng kể hàng hóa, dầu đốt, dầu bôi trơn, nước dằn nước chứa két, lương thực, thực phẩm, hành khách, thuyền viên tư trang họ 1.39 Tốc độ lùi lớn tàu Tốc độ lùi lớn tàu tốc độ thiết kế, tính hải lí/giờ mà tàu có đáy đạt cơng suất lùi lớn máy chính, chạy biển lặng trạng thái toàn tải 1.40 Trạng thái tàu chết Trạng thái tàu chết trạng thái máy chính, nồi máy phụ khơng hoạt động khơng có lượng 1.41 Buồng máy loại A Buồng máy loại A khoảng không gian nắp buồng máy lối dẫn đến khơng gian có chứa: (1) Động đốt dùng làm máy chính, (2) Động đốt khơng dùng làm máy có tổng cơng suất tổ máy không nhỏ 375 KW, (3) Nồi đốt dầu (kể máy tạo khí trơ) tổ máy đốt dầu (kể thiết bị đốt chất thải) 1.42 Buồng máy Buồng máy tất buồng máy loại A không gian khác có đặt máy chính, nồi hơi, tổ máy đốt dầu, động đốt máy nước, máy phát điện động điện, trạm rót dầu, máy làm lạnh, máy điều chỉnh giảm lắc tàu, thơng gió điều hịa khơng khí, không gian tương tự lối dẫn đến khoảng khơng gian 1.43 Khoang hàng Khoang hàng tất không gian dùng để chứa hàng (kể két dầu hàng) lối dẫn đến khoảng khơng gian 1.44 Khu vực hàng hóa Khu vực hàng hóa phần tàu chứa khoang hàng, két lắng, buồng bơm hàng kể buồng bơm, khoang cách ly, két dằn khoang trống kề khoang hàng toàn khu vực mặt boong chạy qua suốt chiều dài chiều rộng phần tàu chứa khoảng khơng gian nói 1.45 Buồng sinh hoạt Buồng sinh hoạt không gian dùng vào mục đích cơng cộng, hành lang, khu vệ sinh, cabin, văn phòng, trạm xá, phòng chiếu phim, phòng vui chơi giải trí, phịng cắt tóc, phịng để thức ăn khơng có dụng cụ nấu nướng khơng gian tương tự 1.46 Buồng công cộng Buồng công cộng buồng sinh hoạt dùng làm hội trường, phòng ăn, câu lạc không gian thường xuyên đóng kín tương tự 1.47 Buồng phục vụ Buồng phục vụ khơng gian dùng làm bếp, phịng để thức ăn có chứa dụng cụ nấu nướng, buồng tủ, buồng thư buồng kho, xưởng máy, trừ khoảng không gian tạo thành phần buồng máy, buồng tương tự khác lối dẫn đến buồng NHỮNG YÊU CẦU CƠ BẢN ĐỐI VỚI KẾT CẤU TÀU (1) Đảm bảo tính an toàn ( Bền, ổn định) Dưới tác dụng ngoại lực tàu phải đảm bảo đủ bền tính ổn định cần thiết (hoạt động bình thường) trình tàu khai thác (yêu cầu tối thiểu, đầu tiên) (2) Tính sử dụng Kết cấu phải phù hợp u cầu kinh doanh tức khơng làm dung tích chở hàng, thuận tiên cho việc bốc xếp ,không cản trở thao tác thủy thủ hành khách tàu… Tóm lại, kết cấu phải tiện lợi cho việc khai thác sử dụng (3) Tính hoàn chỉnh Con tàu kiến trúc phức tạp nên kết cấu phải đồng bộ, cục tổng thể phải hài hịa thống nhất, bố trí kết cấu phải phù hợp bố trí trang thiết bị, bố trí chung đảm bảo hoạt động nhịp nhàng phận (4) Tính cơng nghệ Phải đảm bảo khả áp dụng quy trính cơng nghệ tiên tiến, phù hợp điều kiện thực tế sản xuất, cụ thể: - Thi công nhẹ nhàng , giảm cường độ lao động , tạo suất lao động - Tiện lợi sửa chữa ,bảo dưỡng - Tận dụng nguồn vật tư nước, triệt để sử dụng vật liệu quy chuẩn (Nhằm: thuận lợi cho việc mua, dự trữ vật tư nhà máy) (5) Tính kinh tế Ngồi việc phải thỏa mãn u cầu đặc biệt phải lưu ý, tính tốn yêu cầu kinh tế, mang ý nghĩa định đến tồn tại, phát triển đơn vị kinh doanh kết cấu đó.Tức phải tiết kiệm, giảm khối lượng vật tư, tiết kiệm nguyên vật liệu nhằm giảm giá thành đóng tới mức tối thiểu, cho giá trị kinh tế cao (6) Tính thẩm mỹ; tính đại Với phát triển khơng ngừng khoa học kỹ thuật nên kết cấu tạo phải cải tiến không ngừng nhằm thỏa mãn yêu cầu thẩm mỹ đại Tức kết hợp đẹp, hấp dẫn áp dụng kết cấu phát có ưu điểm cao NGUYÊN TẮC CHUNG KHI THIẾT KẾ KẾT CẤU TÀU (1) Các cấu hệ thống dầm, kết cấu tàu phải bố trí mặt phẳng để tạo thành khung cứng khung khỏe (2) Cần phải đảm bảo liên tục số lượng nhiều tốt cấu dọc chủ yếu đảm bảo độ bền dọc chung thân tàu Trong vùng cấu dọc kết thúc, tiết diện phải thay đổi có biện pháp giảm tập trung ứng suất (Quy định liên tục cấu phải thực đoạn dài không nhỏ 0,6L vùng tàu) (3) Trên tiết diện ngang chuyển từ hệ thống kết cấu dọc sang hệ thống kết cấu ngang không đồng thời kết thúc số lượng lớn 1/3 cấu dọc boong đáy hai cấu khỏe Tại vùng tập trung ứng suất có lỗ khoét lớn không kết thúc cấu dọc (các mặt cắt kết thúc phải cách không nhỏ hai khoảng sườn) (4) Giảm tập trung ứng suất: Hai kề có hệ số chiều dày khơng lớn 30% dMax 5mm (lấy theo giá trị nhỏ hơn) Khi chuyển tiếp từ dầm thành nẹp phải tiến hành chiều dài không nhỏ lần hiệu số độ cao thành hai cấu đó, mép chúng chuyển tiếp dần thành (5) Tại vùng kết thúc (của boong, sàn, tôn đáy đôi, vách dọc) phải đặt mã hình thức kết cấu khác nhằm giảm tập trung ứng suất (6) Tại vùng kết thúc cấu dọc khỏe (của boong, đáy) chiều cao tiết diện giảm dần đoạn dài ≥ 1,5h kéo tới cấu ngang gần hàn với chúng (7) Tại vùng boong chịu tải trọng nặng nề, đầu xà dọc phải hàn với cấu ngang, vùng chấn động mạnh vùng đuôi, vùng buồng máy, bệ máy không cân đầu cấu dọc, ngang đáy, mạn, vách dọc phải hàn với cấu ngang, dọc, sau gắn mã MƠ HÌNH TRUYỀN TẢI TRỌNG ĐẾN KẾT CẤU THÂN TÀU 4.1 Mơ hình truyền tải trọng từ môi trường đến kết cấu thân tàu Kết cấu thân tàu chia làm nhóm liên kết khăng khít với nhau: giàn đáy, giàn mạn, giàn boong làm từ vỏ mỏng, gia cứng nhờ nẹp cứng chạy theo hướng ngang dọc Đây giàn phẳng giàn ba chiều Từ cách bố trí hệ thống khung xương tàu phân biệt hai hệ thống kết cấu thân tàu: kết cấu theo hệ thống ngang (transverse framing) theo hệ thống dọc (longitudinal framing) Trường hợp khung xương theo theo dạng cạnh dài nằm dọc tàu cạnh ngắn nằm ngang, hệ thống kết cấu dọc Ngược lại cạnh ngắn nằm dọc tàu - hệ thống kết cấu ngang Nếu ký hiệu a khoảng cách dầm ngang tàu, ví dụ đà ngang đáy, b – khoảng cách dầm dọc, với a > b kết cấu theo hệ thống dọc, ngược lại hệ thống ngang a < b Hình 5.1 giới thiệu UK: ship grillage, Russian: “перекрытие” thân tàu kết cấu theo hệ thống dọc, hình 5.2 giới thiệu phần thân tàu vận tải kết cấu theo hệ thống ngang Hình 4.1 Thân tàu có kết cấu theo hệ thống dọc Ghi hình 4.1 4.2: - ki ngang (plate keel), – ki (center girder, vertical keel), – đáy (tank top), – hông (margin plate), – đà ngang (floor), – đà dọc phụ (bilge keel), – mã hông (bilge bracket), – nẹp dọc (longitudinal), – sườn (frame), 10 – mã (knee), 11 – xà dọc boong (deck girder), 12 – miệng hầm hàng dọc (hatch coaming), 13 – miệng hầm hàng ngang (hatch end coaming), 14 – xà ngang boong cụt (deck transverse), 15 – vách dọc (center bulkhead), 16 – mạn giả (gunwale) Hình 4.2 Kết cấu thân tàu theo hệ thống ngang Xu hướng chung nhà thiết kế tàu, đóng tàu tính độ bền kết cấu cục chuyển hóa kết cấu từ dạng phức tạp thực tế mơ hình giản đơn, tính tốn Mơ hình dùng phổ biến từ trước đến hệ khung phẳng, giàn dầm bố trí khơng gian hai chiều ba chiều MƠ HÌNH TRUYỀN TẢI DO ÁP SUẤT TĨNH CỦA NƯỚC Tàu kết cấu theo hệ thống ngang: Áp suất nước áp đặt lên bề mặt vỏ tiếp xúc trực tiếp → sườn (đà ngang) → mạn, vách dọc, (đà dọc) Một phần tải trọng truyền đến mạn tàu, vách dọc, vách ngang mà không qua đà ngang sườn Tàu theo hệ thống kết cấu dọc: Tải trọng từ nước trực tiếp áp đặt lên vỏ → đà dọc đáy → đà ngang → mạn, vách dọc Một phần tải trọng truyền đến mạn tàu, vách dọc, vách ngang mà không qua đà dọc sườn 4.1 Áp suất nước bên vỏ tàu Trường hợp tàu đứng nước tĩnh, trạng thái cân bằng, mức nước tàu xác định phần thân tàu chiếm nước Áp suất nước p tác dụng lên vỏ tàu, tính kG/cm2 [kN/m2], phân bố theo hình tam giác, chiều cao h mức nước tàu, cạnh đáy mang giá trị γ.h, với γ trọng lượng riêng nước, T/m3, [kN/m3] Đại lượng h tính m Áp suất nước tác động lên vỏ đáy phẳng có giá trị khơng đổi, γ.h Khi tính độ bền kết cấu cục chịu tác động lực thủy tĩnh, giá trị h phải lựa chọn phù hợp với thực tế sử dụng Mức nước tàu đo nước tĩnh, tàu nằm cân bằng, không trùng với giá trị lúc tàu nghiêng dọc nghiêng ngang Lúc chạy sóng, mức nước thân tàu vùng đỉnh sóng qua có giá trị cao giá trị đo nước tĩnh - Tính đến ảnh hưởng sóng h = T + ½ hw (4.1) T – chiều chìm trung bình tàu, hw - chiều cao sóng - Nếu đỉnh sóng cao boong tàu, nước phủ tràn lên mặt boong, chiều cao cột nước h tính chiều cao mạn tàu Trong nhiều trường hợp tính tốn, cần thiết tính đến hiệu ứng Smith cho trường hợp tàu nằm đỉnh sóng hay đáy sóng Hình 4.3 Mơ hình áp suất nước mạn Tải trọng tác động lên đáy tàu rộng B (m), dài a (m), tính theo cách vừa nêu: Fbott = γ[T + (hw /2)].B.a, kN (4.2) Áp suất nước tác động lên đáy tàu có mạn khơng thẳng đứng, đáy tàu khơng phẳng mà hình chữ V tương tự, phân bố áp suất nước pbott đáy tàu cải biên theo dạng sau Với tàu mũi hình nêm: 2h ⎤ ⎡ pbott = γ ⎢T + w ⎥ (4.3) ⎦ ⎣ Với tàu mũi dạng thìa: 2,5hw ⎤ ⎡ pbott = γ ⎢T + (4.4) ⎥⎦ ⎣ Với tàu mũi cuộn: 3,0hw ⎤ ⎡ pbott = γ ⎢T + (4.5) ⎥⎦ ⎣ 4.2 Tải trọng cục từ hàng chở tàu Khác với trường hợp tính sức bền dọc tàu, trình bày chương 1, tính sức bền cục vai trò trọng lượng thân kết cấu bỏ qua Hàng hố mang theo tàu đóng vai trị thành phần lực tác động lên kết cấu riêng lẻ Hàng hoá hàng rời chứa mặt sàn, tựa vào mạn, hàng đóng kiện, hàng nặng tác động diện tich không lớn, hàng lỏng chứa khoang Các két tác động lên sàn gây áp suất hình tam giác lên thành két chứa 1) Áp suất trung bình hàng hóa gây sàn: p= W , L×b (4.6) đó: W - trọng lượng hàng, L, b - chiều dài chiều rộng đặt W 2) Áp suất hàng lỏng hàng rời tính cụ thể cho trường hợp Hàng rời: tác động lên vách theo luật hình tam giác, với chiều rộng đáy tính theo cơng thức: p = γ.h k (4.7) đó: γ - trọng lượng riêng hàng đựơc chở, tính T/m theo cách dùng trước đây, tính theo qui định hành kN/m3; h - chiều cao hàng, tính m; k - hệ số tính theo mặt hàng cụ thể, Bảng 4.1 Bảng 4.1 Trọng lượng Hệ số k riêng γ, T/m Than đá 0,8 0,27 Muối 0,96 0,22 Lúa, gạo 0,73 – 0,78 0,25 – 0,33 Xi măng 1,3 – 1,2 0,42 Cát 1,5 – 0,22 – 0,42 Áp suất hàng lỏng lên vách két, mạn, vách ngang theo luật hình tam giác Khi chở hàng lỏng, tàu bị nghiêng ngang nghiêng dọc, mức chất lỏng khoang hay két thay đổi, áp suất tác động lên đáy, vách, mạn thay đổi theo chiều cao cột áp Với tàu chở hàng lỏng cần ý tới điều kiện sau: gặp cố, nước từ bên ngồi tàu tràn vào khoang chứa chất lỏng nhiều tới mức cột nước thật khoang đạt tới miệng ống khí Trong trường hợp này, cột áp tam giác áp suất không cao chiều cao mạn tàu mà cịn phải tính theo chiều cao ống khí khoang Nếu tàu có két dự phịng giãn nở chiều cao bổ sung cho cột áp phải lớn 0.75h (với h chiều cao két giãn nở) Tên gọi 4.3 Mơ hình truyền tải trọng từ môi trường đến kết cấu thân tàu Xu hướng chung nhà thiết kế tàu, đóng tàu tính chọn kết cấu mơ hình hóa kết cấu từ dạng phức tạp thực tế mơ hình giản đơn, dễ tính tốn Mơ hình dùng phổ biến hệ khung phẳng, khung dầm bố trí khơng gian ba chiều Cùng với mơ hình hóa kết cấu, mơ hình hố tác động mơi trường chiếm vị trí khơng nhỏ tính tốn độ bền thân tàu Mơ hình truyền tải trọng áp lực tĩnh nước đến kết cấu tàu phụ thuộc vào kết cấu thân tàu Với tàu kết cấu theo hệ thống ngang, mơ hình truyền tải trọng có dạng: Áp lực nước áp đặt lên bề mặt vỏ tiếp xúc trực tiếp → sườn (đà ngang) → mạn, vách dọc, (đà dọc) Một phần tải trọng truyền đến mạn tàu, vách dọc, vách ngang mà không qua đà ngang sườn Trên tàu theo hệ thống kết cấu dọc hình ảnh truyền tải trọng khác Tải trọng từ nước trực tiếp áp đặt lên vỏ → đà dọc đáy → đà ngang → mạn, vách dọc Một phần tải trọng truyền đến mạn tàu, vách dọc, vách ngang mà không qua đà dọc sườn CÁC PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ KẾT CẤU TÀU THUỶ 5.1 Các phương pháp thiết kế kết cấu thân tàu Thuộc nhóm “dead weight, dead load” Có nhiều cách chọn kết cấu phù hợp cho tàu thiết kế Đối với loại tàu thông dụng, sử dụng có hiệu an tồn, người thiết kế vào tàu mẫu để rút kết luận chọn thiết kế cho tàu tương tự Để xử lý loại tàu làm việc theo nguyên lý với tàu có kích thước khơng bình thường, cần phải thiết kế kết cấu sở tính tốn khoa học Thơng thường phải mơ hình hố chúng dạng hệ thống học, xử lý chúng phương pháp học Từ tính tốn có sở khoa học có điều kiện để chọn lựa, xác định kết cấu Trong công tác cụ thể, người kỹ sư có hai cách làm khác Cách thứ thiết kế kết cấu thân tàu phù hợp với yêu cầu đề quy phạm đóng tàu Theo cách chọn tồn kết cấu thân tàu thiết kế, không cần phải mơ hình hố kết cấu giải tốn học khó hiểu Điều kiện cần thiết để áp dụng cách kích thước tàu, tỷ lệ kích thước, đặc trưng kỹ thuật, loại tàu vv… nằm phạm vi mà quy phạm đóng tàu chấp nhận Cần lưu ý đòi hỏi ghi quy phạm thật nghiêm ngặt song chưa phải phản ảnh đầy đủ điều kiện môi trường, thiên nhiên người hoạt động Thiết kế theo cách có phải chấp nhận tốn vật liệu công sức thực thân kết cấu chưa phải dạng tối ưu Cách thiết kế thứ hai dựa vào tính tốn độ bền thân tàu, chọn kết cấu chịu độ bền chung tải trọng cục Trước thiết kế kết cấu, người thiết kế phải giải đáp vấn đề liên quan sức bền thân tàu: • Tải trọng bên ngồi cần để tính sức bền chung tải trọng cục • Ứng suất cho phép vật liệu tạo tiết thân tàu • Điều kiện mơi trường làm việc kết cấu Kết tính tốn phải nêu rõ giá trị ứng suất lớn kết cấu tỷ lệ chúng với ứng suất cho phép Trong tất trường hợp tính tốn thiết tính đến ổn định kết cấu nhằm đạt yêu cầu không chi tiết ổn định làmviệc Ngồi phép tính túy học trên, độ tin cậy kết cấu việc không tránh thiết kế kết cấu tàu Thông thường cách người thiết kế chọn kết cấu vừa đủ bền đồng thời đạt giá trị tối ưu kinh tế Nhìn chung, tính tốn thiết kế kết cấu tàu trình cân nhắc, đối chiều, so sánh nhằm tìm phương án tốt cho kết cấu, thỏa mãn yêu cầu bền, ổn định, phù hợp với môi trường làm việc điều kiện làm việc Trong trường hợp có tàu mẫu dựa vào tàu mẫu để phân tích, kết luận chọn kích thước phù hợp cho kích thước tàu Yêu cầu tàu mẫu phải nâng cao lúc chọn: tàu qua thể nghiệm, hoạt động nhiều năm an toàn có hiệu kinh tế, kết cấu tàu mẫu hợp lý, cân đối vv … Các đại lượng đặc trưng cho kết cấu tàu thiết kế phải gần với đại lượng tương ứng tàu mẫu Thuộc nhóm tàu, Chiều dài, hệ số đầy thể tích, tỷ lệ kích thước L/H, L/B, T/L, Kết tính momen uốn dọc tàu lực cắt, Bố trí miệng hầm lỗ khoét, Khoảng sườn, Chiều cao, chiều rộng tàu, Lượng chở hàng, bố trí khoang hàng vv… Tàu mẫu tài liệu tham khảo cần thiết thích hợp cho người thiết kế, giúp người thiết kế rút ngắn thời gian chọn lựa ban đầu Công việc cần thực là: Xác lập mơ hình tính sức bền chung; Mơ hình tính sức bền cục bộ; 10 Tập hợp xử lý ứng suất; Thực tối ưu hoá kết cấu; Kiểm tra độ bền thân tàu Các kiểu, loại tàu kết cấu gần giống tàu, dựa vào mẫu tàu để chọn thông số ban đầu, người thiết kế phải xác định kích thước, đặc trưng kết cấu cho thiết kế Điểm xuất phát thiết kế vỏ tàu thông thường chiều dày bao vỏ tàu Trong thực tế chiều dày bao lại phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác khoảng sườn, kết cấu đà cứng ngang dọc, bố trí đà dọc xà dọc vv… Để chọn chiều dày tôn bao, cần thiết phải sử dụng tài liệu kỹ thuật tàu sau đây: Đường hình tàu; Bố trí đáy, boong, vách dọc, vách ngang; Biểu đồ momen uốn chung lực cắt; Phân bố ngoại lực tác dụng lên kết cấu; Một số kích thước kết cấu thiết phải có tàu, kích thước kể chiều dày gán giá trị ban đầu theo đòi hỏi sử dụng; Giới hạn bền cho kết cấu 5.2 Qui trình thiết kế theo qui phạm đóng tàu vỏ thép Q trình hình thành cơng thức xác định kết cấu chi tiết trình bày theo sơ đồ sau Tàu mẫu Bố trí chung Độ bền thân tàu Qui phạm u cầu kỹ thuật tàu Mơ hình tính tốn kết cấu Mặt cắt ngang tàu Bố trí kết cấu Các kết cấu Kích thước kết cấu tàu Hình 5.1 Qui trình thiết kế kết cấu theo qui phạm đóng tàu 5.3 Tài liệu kỹ thuật cần thiết cho kết cấu tàu Mỗi quan đăng kiểm đề yêu cầu việc lập hồ sơ thiết kế kết cấu tàu Các tài liệu kết cấu sau bắt buộc tất quan thiết kế, chế tạo tàu : - Mặt cắt dọc, bao gồm boong thượng tầng - Mặt cắt ngang; - Đáy đơn đáy đơi; - Kết cấu vịm mũi; - Kết cấu sống mũi; - Kết cấu vòm lái; - Kết cấu sống lái; - Giá đỡ trục; - Bánh lái; - Vách nước kín; - Các két; 11 - Bệ máy; - Bảng hàn; - Khai triển vỏ tơn; TÍNH CHỌN KẾT CẤU ĐỊNH HÌNH Các kết cấu tăng cứng vỏ tàu thường có mặt cắt ngang dạng chữ Γ, T, I, , O… Chọn kết cấu đảm bảo bền đảm bảo ổn định điều kiện tiết kiệm vật tư mức cao vấn đề phức tạp, địi hỏi tính tốn, phân tích nhiều Trong phần trình bày hướng dẫn chọn hình dáng kích thước profile 6.1 MẶT CẮT THANH CHỊU LỰC DỌC TRỤC Ứng suất kéo nén tính theo cơng thức: σ = P /A đó: P- Lực dọc trục; A - Diện tích mặt cắt Nên chọn hình dáng mặt cắt có diện tích A song mơmen qn tính đạt giá trị lớn Quan hệ mơmen qn tính Imin diện tích A biểu diễn cơng thức: A = k I (6.1) k mang giá trị sau: Với thép góc cạnh: k = 2,273 Với thép ống tròn: k = 1,0 đến 1,43 6.2 XÁC ĐỊNH DIỆN TÍCH, MƠMEN CHỐNG UỐN CỦA MẶT CẮT KẾT CẤU CHỊU UỐN Diện tích mặt cắt nẹp tăng cứng chữ T, L vv giải tơn kèm tính theo công thức: A = a + a1 + a2 = h.t + b1.t1 + b2.t2 (6.3) Yêu cầu chung thiết kế nẹp dạng trọng lượng kết cấu G = γAL, L – chiều dài nẹp, phải thấp đảm bảo bền ổn định Nếu chọn đơn vị chiều dài nẹp để xem xét, toán chuyển dạng toán tối ưu, hiểu theo nghĩa: A → (6.4) A – hàm mục tiêu chứa thông số h, b1, b2, t, t1, t2 Theo cách viết người làm công tác tối ưu hóa, cơng việc đưa giải tốn tổng quát: Xác định vecto X: X(x1, x2, ,xn)T, (6.5) Hàm mục tiêu: f(X) → min, (6.6) Trong giới hạn: hj(X) ≤ (j = 1, 2, …), (6.7) (6.8) gk(X) = ( k= 1, 2, … ) Cách giải tốn dạng đề nghị bạn đọc tìm hiểu sách chuyên đề, số có “Tự động hóa tính tốn, thiết kế đóng tàu”, năm 2000, Đại học Giao thông vận tải, Thành phố Hồ Chí Minh, chương bàn qui hoạch tuyến tính qui hoạch phi tuyến Yêu cầu đảm bào bền Ứng suất chịu uốn tính theo cơng thức: M σ = ×z (6.9) I M - mơmen uốn; I - mơmen qn tính mặt cắt; z - tạo độ điểm tính tốn mặt cắt Ký hiệu mô đun chống uốn mặt cắt W = I/zmax, ứng suất kéo (nén) lớn mặt cắt dầm tính theo cơng thức: M σ= (6.10) W tiêu chuẩn đảm bảo bền chịu uốn xác định công thức: 12 W≥ M (6.11) [σ ] [σ]- ứng suất pháp giới hạn, ký hiệu theo cách dùng quen thuộc ghi lại dạng σcr Ứng suất cắt (ứng suất tiếp) trường hợp chung tính theo cơng thức: F.A F (6.12) = τ= t I a eq Trong diện tích tương đương aeq = t.I/A Tiêu chuần bền trường hợp chịu cắt hiểu là: F A τ= ≤ [τ ] t.I F = a0 hiểu theo nghĩa a = ht ≥ 0,85[τ ] (6.13) (6.14) với [τ]- ứng suất cắt, (ứng suất tiếp) giới hạn Yêu cầu đảm bảo ổn định kết cấu Tiêu chuẩn đảm bảo ổn định nêu chung dạng sau: h ≤m (6.15) t Từ hình 3.1 thấy khoảng cách từ đường chuẩn I - I đến trục trung hoà z, xác định theo cách sau: a +a/2 z1 = h (6.16) a1 + a + a Mômen quán tính I2 mặt cắt so với trục trung hồ tính quan hệ: h2 ⎛h⎞ I = a h + a⎜ ⎟ + a − (a1 + a + a )z12 ⎝ ⎠ Chia hai vế biểu thức cho z1 nhận môđun chống uốn W1: ⎛ a 4a − 2a1 + a ⎞ ⎟ W1 = h⎜⎜ a1 + × 2a + a ⎟⎠ ⎝ Nếu ký hiệu k1 = 2a + a 4a − 2a1 + a (6.17) (6.18) (6.19) viết W1 dạng: Hình 6.1 ⎛ a⎞ (6.20) W1 = h⎜⎜ a1 + ⎟⎟ k1 ⎠ ⎝ Đại lượng k1 cơng thức có giá trị từ 3,0 trường hợp diện tích a2 lớn diện tích a1, đến 6,0 cho trường hợp kết cấu dạng chữ I đối xứng Thông thường giá trị k1 nằm phạm vi từ đến Giá trị k1 cho bảng 6.1 sau đây: Bảng 6.1 a1/a2 Tỷ lệ a/a2 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,2 1,4 1,6 ∞ 3,00 3,33 3,39 3,45 3,50 3,55 3,60 3,69 3,78 3,86 0,3 3,53 3,85 3,90 3,95 4,0 4,04 4,08 4,17 4,25 4,32 0,4 3,75 4,05 4,10 4,15 4,20 4,23 4,23 4,36 4,44 4,50 13 0,5 0,6 0,7 0,8 4,0 4,28 4,32 4,37 4,42 4,45 4,50 4,57 4,63 4,70 4,28 4,54 4,58 4,63 4,67 4,70 4,73 4,80 4,86 4,91 4,62 4,81 4,87 4,91 4,93 4,96 5,0 5,05 5,10 5,14 5,17 5,2 5,23 5,25 5,27 5,29 5,33 5,37 5,40 Với k1 = mô đun chống uốn W1 đạt giá trị tối đa, k1 = giá trị đạt tối thiểu Mơmen chống uốn so với trục trung hồ, tính cho khoảng cách z0, có nghĩa mơ đun chống uốn lớn hơn, ký hiệu W2 có dạng: ⎛ a 4a − 2a + a ⎞ ⎟⎟ W2 = h⎜⎜ a + × a + a 2 ⎝ ⎠ Nếu ký hiệu k = 2a1 + a 4a1 − 2a + a (6.21) (6.22) viết W2 dạng: ⎛ a ⎞ (6.23) W2 = h⎜⎜ a + ⎟⎟ k2 ⎠ ⎝ 6.3 DIỆN TÍCH BỀ MẶT CHỊU CẮT Trong công thức lực cắt ký hiệu F, chiều dầy thành mỏng kết cấu t, aeq t×I mang tên gọi diện tích tương đương tính cho trường hợp chịu cắt, tính a eq = Nếu cắt qua A đứng kết cấu chữ I vừa xét, giữ lại ký hiệu thống xem xét, viết: t × I tW1 z1 t × W1 (6.24) = = a eq = A a1 z1 a1 Nếu coi a = t.h viết tiếp: ⎛ a 4a − 2a1 + a ⎞ ⎟ × a eq = a⎜⎜1 + 2a + a ⎟⎠ ⎝ 6a1 ⎛ a ⎞ ⎟⎟ a eq = a⎜⎜1 + k a 1 ⎠ ⎝ Có thể để ý rằng: ⎛ ⎛ a ⎞ a ⎞ ⎟⎟ ≤ a eq ≤ a⎜⎜1 + ⎟⎟ a⎜⎜1 + ⎝ 6a1 ⎠ ⎝ 4a1 ⎠ với giá trị tiêu biểu a/a1 = nhận được: 1,33a ≤ aeq ≤ 1,50a Thực phép biến đổi cần thiết ta việt lại cơng thức tính aeq: a 4a − 2a1 + a a1 + × 2a + a a eq = a 2a + a a a1 + × a + a1 + a (6.25) (6.26) (6.27) (6.28) Trong thực tế tính tốn, thiết kế sử dụng cơng thức rút gọn dạng sau: aeq = ka.a = (0,85 ÷ 0,88)a (6.29) THIẾT KẾ THÀNH ĐỨNG KẾT CẤU CHỮ I, T Điều kiện đảm bảo ổn định kết cấu nẹp gia cường dạng chữ T thành đứng kết cấu I trình bày phần ổn định chịu ứng suất nén phân bố tuyến tính mép chịu ứng suất cắt mép Dưới sử dụng công thức gần đúng, suy từ lời giải lý thuyết đề cập sách “Lý thuyế đàn hồi - Lý thuyết tấm, vỏ” 14 Những yêu cầu tối thiểu cho việc chọn kết cấu là: • Ứng suất làm việc uốn cục khơng vượt q giới hạn cho phép, • Ứng suất cắt cục khơng q giới hạn, • Thành đứng không ổn định tác động đồng thời ứng suất pháp ứng suất tiếp, • Tấm mặt kết cấu T khơng ổn định, • Khối lượng kết cấu nhỏ nhất, • Chiều cao thành đứng phải hài hồ với kết cấu liên kết với Những u cầu thể qua cơng thức tính: M Mơ đun chống uốn cần thiết: W = [σ ] Chiều dầy thành phải thỏa mãn điều kiện: S ≤ [τ ] 0,85h.t S , diện tích a1 biết, tính 0,85[τ ] W1 a − Trên sở xác định cơng thức tính diện tích tương đương cách tính h K Diện tích thành nêu a = ht ≥ b1t1, profil: W1 K − + ht h K Giới hạn toán: h ≤m t t ≥ t0 ht ≥ a0 Sử dụng phương pháp tìm giá trị tối ưu xác định được: A= hopt = K W1 K − t0 (6.30) (6.31) (6.32) (6.33) (6.34) Từ sở lý thuyết ổn định viết công thức: τ σ + =1 τE σE (6.35) ứng suất Euler (thứ ngun MPa) tính cho trường hợp chịu tác động đồng thời ứng suất pháp ứng suất tiếp tính cơng thức: [ ] ⎛ 100t ⎞ , 33 σ E = 76⎜ ⎟ + 0,95(1 + β ) ; ⎝ h ⎠ ⎛ 100t ⎞ τ E = 107⎜ ⎟ ⎝ h ⎠ (6.36) [ ] ⎛ 100t ⎞ , 33 σ E = 800⎜ ⎟ + 0,95(1 + β ) ; h ⎝ ⎠ ⎛ 100t ⎞ ⎟ ⎝ h ⎠ (kG/cm2) τ E = 1070⎜ Hình 6.2 Sơ đồ làm việc thành đứng 15 Để đảm bảo yêu cầu ổn định thành đứng, xét phẳng, tỷ lệ chiều rộng tấm, trường hợp chiều cao thành đứng với chiều dầy phải là: m= h = 100 t σ [ (6.37) τ 76 + 0,95(1 + β ) 2,33 ] + 107 ứng suất tính MPa m = h = 100 t [ σ (6.38) τ 800 + 0,95(1 + β ) 2,33 ] + 1070 ứng suất tính kG/cm2 m = k1 = 100 τ 107 σ , k2 = , (MPa) , k1 = + 107 σ 80 + 0,95(1 + β ) 2,33 k1 k σ 1070 k = τ 1070 + σ 800 + 0,95(1 + β ) 2,33 ứng suất tính kG/cm2 Giá trị hệ số lập đọc Bảng 6.2 Giá trị k1 σ, kG/cm2 2200 2500 3000 3500 4000 (6.39) bảng 6.2 6.3: k1 1,43 1,54 1,68 1,82 1,94 Hệ số β xác định tỷ số giá trị tuyệt đối ứng suất hai đầu mút đứng: β= σ 2a1 + a = σ 2a + a (6.40) Bảng 6.3 Giá trị k2 τ⁄σ β 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 0,824 0,735 0,656 0,588 0,530 0,476 0,10 0,882 0,802 0,730 0,660 0,616 0,572 0,20 0,938 0,861 0,794 0,732 0,692 0,654 0,30 0,990 0,918 0,855 0,798 0,824 0,792 0,40 1,040 0,970 0,912 0,855 0,824 0,792 0,50 1,090 1,020 0,970 0,912 0,884 0,853 Giả thuyết đặt chưa bị ổn định chừng ứng suất nén mặt chiều rộng bé chưa đạt giới hạn ứng suất chảy Trong nhiều kết cấu thường gặp giá trị m nằm phạm vi: h m = ≤ 70 ÷ 100 (6.41) t Vì a = h.t = h2 , từ điều kiện đảm bảo khả chịu lực cắt, chiều cao tối thiểu thành m đứng là: h ≈ ma = m.S 0,85τ cr (6.42) 16 t≥ a S = m 0,85mτ cr (6.43) Ký hiệu τcr tương đương cách viết [τ] Để tránh tình trạng tăng chiều cao mức nhằm đạt gía trị đủ lớn cho momen quán tính mặt cắt, thiết phải xác định diện tích tối ưu điều kiện biến h Nói cách khác cần xác định A → để có h, tính theo W Cơng thức gần tìm sau giải phương trình là: hopt = 0,863 W m (6.44) Mô đun W công thức cuối xác định từ địi hỏi W = M σ cr ≡ M [σ ] h m Với làm thành đứng kết cấu đà ngang đà dọc đáy tàu, phải chịu lực nén từ phía hàng hố áp lực nước bên Ứng suất nén trường hợp vừa nêu phải tính tốn: Q (6.45) σ= b×t Q – tải trọng, tính t kN; b - chiều dài làm thành Ứng suất giới hạn (ứng suất Euler) trường hợp này: Chiều dầy thành đứng xác định theo quan hệ: t = ⎛ 100t ⎞ ⎟ ; tính MPa ⎝ h ⎠ σ E = 20,39⎜ ⎛ 100t ⎞ σ E = 200⎜ ⎟ tính kG/cm ⎝ h ⎠ Vì phải thoả mãn điều kiện σE ≥ kσc, cơng thức tính t hiểu là: t=3 kQh 0,67 × 10 b (6.46) Xác định đặc trưng kết cấu biết trước ứng suất hai mặt Công thức xác định W1 nêu viết lại sau: ⎡ 2a + a ⎞ ⎤ a ⎛ ⎟⎟⎥ W1 = h ⎢a1 + × ⎜⎜ − + a a ⎝ ⎠⎦ ⎣ Nếu ký hiệu: β = (6.47) 2a1 + a , cơng thức cuối có dạng: 2a + a a ⎡ ⎤ W1 = h ⎢a1 + (2 − β )⎥ ⎣ ⎦ (3.48) Có thể thấy hàm β vừa xuất hàm tên gọi nêu phần Từ quan hệ thấy tiếp: 2a1 ≤ β(2a2 + a) - a (6.49) Sau thay viết: 2−β ⎞ ⎛W 2⎜ − a ⎟ = βf − a(1 − β ) ⎠ ⎝h (6.50) ⎞ ⎛ 2β − W ≤⎜ a + a β ⎟h ⎠ ⎝ (6.51) Từ đó: 17 Thay vào vị trí a quan hệ h2/m, nhận bất đẳng thức miêu tả điều kiện đảm bảo ổn định thành đứng kết cấu sau: βm 6mW (6.52) h3 + a2 h ≥ 2β − 2β − Giải phương trình bậc ba so với h, xác định chiều cao cần thiết thành đứng, đảm bảo kết cấu đủ bền, không ổn định 6.5 XÁC ĐỊNH TẤM MẶT KẾT CẤU T Từ phần xác định môđun chống uốn cho kết cấu dạng Từ cơng thức tính mơ đun chống uốn rút giá trị a1: 4a (3W − ah ) + a (6W − ah ) W a (6.53) a1 = = − 4h(3a + a ) h k1 Trong công thức đại lượng W, h, a, a2 coi xác định Nếu thiết kế thỏa mãn β≤ σ2 viết rằng: σ1 W a (6.54) − (2 − β ) h Các phép tính thực theo cách xác định a1 dựa vào diện tích thành đứng a Và chiều cao thành để kết cấu nhẹ là: a1 = h=3 k Wm k −1 (6.55) 2/3 h ⎡ k ⎤ W 2/3 a = h = ⎢ × 1/ m ⎣ 2(k − 1) ⎥⎦ m Thỏa mãn điều kiện đó, diện tích a1 phải là: W a − = a1 = h k W ⎡ k ⎤ ⎢ 2(k − 1) ⎥.W m ⎣ ⎦ ⎡ k ⎤ −⎢ ⎥ ⎣ 2(k − 1) ⎦ (6.56) 2/3 × W 2/3 m1 / k từ đó: a1 2(k − 1) 2k − = − = a k k k Vì k phải thỏa mãn điều kiện 1,25 < (6.57) (3.58) 2k − < 1,5 , diện tích a1 là: k (6.59) 1,25 < a1 < 1,5a Khi thiết kế mặt cắt kết cấu nẹp tăng cứng, cần thiết tăng chiều rộng thu nhỏ chiều dầy mặt Tuy nhiên tăng mức chiều rộng thu nhỏ đáng chiều dầy mặt điều kiện giữ nguyên giá trị diện tích, đưa đến tình trạng gợn sóng mặt ổn định cục Vì lý đảm bảo ổn định mặt, quan hệ chiều rộng chiều dầy phải nằm phạm vi cho phép Chúng ta phân tích nửa mặt, nằm phía so với thành đứng, chiều rộng ½ b1 cịn chiều dầy t1 Từ lý thuyết ổn định làm quen với trường hợp này, cơng thức tính ứng suất Euler, tính kG/cm2, có dạng: b ⎞ ⎛ σ E = 84⎜100t1 / ⎟ 2⎠ ⎝ (6.60) Nếu cân ứng suất với ứng suất chảy vật liệu, suy công thức xác định b1: 18 b1 = 100t1 336 (6.61) σY Với thép đóng tàu thơng thường, giới hạn chảy 2400 kG/cm2, công thức viết thành: 336 (6.62) = 37t1 2400 Điều nói lên tỷ lệ b1/t1 khơng nên vượt q 40 Trong thiết kế sử dụng kinh nghiệm sau: b1 = (15 ÷ 20) t1 (6.63) Ví dụ Chọn kết cấu dầm thỏa mãn điều kiện ghi sau [σ] ≡ σcr = 1760 kG/cm2 (179,4 MPa) [τ] ≡ τcr = ½ σcr = 880 kG/cm2 (89,7 MPa) Chiều dầy vỏ tàu t = 6mm Momen uốn tính cho mặt cắt xét M = 7,7 tm Lực cắt S = 7,2t Theo yêu cầu đề ra, mô đun chống uốn thấp phải là: M W = = 437cm b1 = 100t1 σ cr Từ điều kiện rõ, tính giá trị bỗ trợ: k1 = σ cr 1070 = 1760 = 1,28 1070 Nếu đặt β = 0,6 coi τ cr 880 = = 0,5 , thấy k2 = 0,912 σ cr 1760 Từ đó: h 100 100 = = 85 m= = t k1 k 1,28 × 0,912 Xác định chiều cao h thỏa mãn điều kiện chịu lực cắt xác định: h= mS = 0,85τ cr 85 × 7200 = 28,6cm 0,85 × 880 Xác định chiều cao theo (): h = 0,863 Wm = 0,86 × 437.85 = 28,7cm Chiều dầy thành: 28,7 t= = 3,4cm 85 Ví dụ 2: Xác định kích thước nẹp gia cường theo điều kiện cho trước: M = 770 kN.m; N = 71 kN; σY = 235 MPa; [σ] = 176 MPa; [τ] = 100 MPa; a2 = 18 cm2; t0 = 4mm; L = 8m; Chọn W1 a0 M W1 = = 437,5cm ; [σ ] a0 = N = 9,5cm 0,85[τ ] Chọn m lần tính đầu Bước đầu chọn β = 0,5; τ = 0,5 < 0,57 σ Diện tích A tính theo công thức: A = 76[1 + 0,95(1 + β)2,33]=261,7 19 Và m = 100 102 = 70 102 τ σ Y + A σ K −1 Chọn W0 = m t0 : K W0 = 0,75m2t03 = 235,2 cm3 Tính kích thước mặt cắt: hopt = mt0 = 28 cm; a = mt02 = 11,2 cm2 a (3a − 1) + 0,25(6a1 − 1) a1 = a = 13,4cm 3a + Tính lại giá trị m lần tính thứ hai: 2a + a Từ β = = 0,805 2a + a τ= τ τ N = 74,6MPa; = = 0,424 , tính giá trị m: 0,85a σ [σ ] m= 100 102 = 78,4 102 τ σ Y + A σ Xác định kích thước lần tính thứ hai = 0,502 Từ K = 2−β K −1 m t = 315cm ; K W0 < W1 < 2W0 W0 = viết: hopt = mt0 = 31,4 cm; a = mt02 = 12,54 cm2; W a α = = 1,11;α = = 1,435 ah a Sau lần tính kích thước vừa tính cịn khác xa kết lần đầu, cần thiết tính tiếp lần thứ ba Xác định kích thước lần thứ ba α (3α − 1) + 0,25(6α − 1) a1 = a = 12,1cm 3α + ⎛ 100t1 ⎞ Như trình bày phần ổn định tấm, từ cơng thức tính ứng suất giới hạn σ E = 8,2⎜ ⎟ có ⎝ b ⎠ thể xác định hệ số n0 = 820 b cho trường hợp σE =σY Thông thường, giới hạn n0 = 10 t1 σY nằm phạm vi 7,5 đến 10, cơng thức cuối có dạng n0 = Theo cách b1 = 184 b = 10 t1 σY 2n0 a1 = 14,8 ÷ 20,9cm 20 a1 = 0,82 ÷ 0,58cm 2n0 t1 = Kết cuối là: 2a + a β= = 0,783; K = 4,93 2a + a a⎞ ⎛ W1 = h⎜ a1 + ⎟ = 457cm > 437,5cm K⎠ ⎝ Theo tiêu chuẩn ổn định 100 L 800 = = 50 < 100 = 65,2 b 16 σY Kết cấu chọn thỏa mãn điều kiện đặt 6.6 ĐẶC TÍNH MẶT CẮT NGANG NẸP CHỊU UỐN Để đánh giá kết cấu nẹp cứng cần thiết phải xác định tiêu kỹ thuật hay gọi theo cách khác, xác định đặc tính mặt cắt ngang Những tiêu sau đưa vào danh sách xem xét: hệ số sử dụng mặt cắt η, “diện tích riêng” mặt cắt ξ, “momen quán tính riêng” ω Các tiêu giúp đánh giá mức độ chi phí vật tư cho kết cấu điều kiện đảm bảo yêu cầu bền ổn định Hệ số sử dụng vật liệu suy từ quan hệ mô đun chống uốn nhỏ W1 với mô đun chống uốn frofil lý tưởng W0 Profile lý tưởng hình dung kết cấu phân bố vật liệu hợp lý phòng bị uốn phân bố ứng suất mặt cắt ngang tỏ hợp lý Như tính, mơ đun chống uốn nhỏ tính từ cơng thức sau: (6.64) W1 = I/zmax zmax khoảng cách tính từ trục trung hịa đến lớp xa vỏ Momen quán tính biết, tính theo công thức: A I = ∫ z dA (6.65) Hình 6.3 Khoảng cách z trường hợp tính từ trục trung hòa đến phần tử dA Theo cách làm mơ đun W1 có dạng: A ( ) W1 = z max ∫ z / z max dA (6.66) Có thể thấy W1 → max z/zmax → max Điều thỏa mãn với z/zmax = Điều vừa trình bày minh họa hình ảnh sau, mặt cắt profile trường hợp gồm hai mỏng đặt cách xa nhau, vật liệu điền đầy vào hai này, diện tích A/2 Trường hợp zmax = h/2 A W1 = W0 = z max ∫ dA = h × A (3.67) Theo cách diễn giải này, profile lý tưởng gồm hai đặt xa nhau, diện tích A/2 Trong thực tế không làm profile “lý tưởng” kiểu Đã kết cấu, chi tiết thành viên phải có mối liên kết với nhau, trường hợp thành đứng phải “nhân vật” thứ ba nối kết hai Ngồi cơng việc liên kết, thành đứng thành phần chủ lực chịu kéo, nén Và chúng 21 ta phí lượng vật tư cần thiết thường khơng nhỏ để làm thành đứng Trường hợp tỷ lệ W1 W0 đánh giá theo cách sau: W W1 η= = (6.68) W0 (1 / 2) Ah Với profile “lý tưởng” hệ số đơn vị Các profile khác có η < Dưới giới thiệu số profile tiêu biểu hệ số sử dụng Mặt cắt chữ nhật, đặc 0,33 Mặt cắt tròn, đặc 0,25 Ống thành mỏng 0,50 Thép góc cạnh 0,25 Thép góc cạnh khơng ≈0,5 Thép hình T, [ 0,6 Trường hợp chiều cao nẹp khơng bị hạn chế dùng hệ số ξ để so sánh tính kết cấu Hệ số diện tích mặt cắt ngang định nghĩa sau: A ξ = 2/3 (6.69) W Mặt cắt profile coi tốt hệ số ξ nhỏ Đặc tính khơng dùng so sánh khả chịu uốn nẹp mà dùng trường hợp khác Một số giá trị đặc trưng nêu sau Thép hình [ 0,75 – 0,84 Thép góc, cạnh khơng 0,67 – 0,85 Thép mỏ 0,68 – 0,77 Thép hình T 0,45 – 0,50 Chỉ tiêu ω định nghĩa sau: W ω= (6.70) A Chỉ tiêu khơng phụ thuộc vào hình dáng profile mà cịn kích thước Kích thước profile tăng, hệ số ω tăng nhanh Chất lượng profile đánh giá cao ω lớn Trong trường hợp thiết kế cần thiết chọn profile thỏa mãn yêu cầu bền, ổn định song kết cấu phải có kích thước hợp lý, đưa vào vị trí sử dụng khơng làm hại đến tính khai thác khác kết cấu, tàu Trong giải pháp kết cấu sử dụng vật tư hợp lý Các tiêu vừa nêu góp phần việc đánh giá tính profile MƠ HÌNH HĨA KẾT CẤU THÂN TÀU THÀNH CÁC GIÀN PHẲNG Vỏ tàu thủy kết cấu định hình khơng gian chiều, mơ hình hố tiến hành theo hướng giảm bớt chiều không gian cho vật thể Theo cách này, thân tàu có cấu hình kết cấu 3D rời rạc hoá thành phân đoạn vỏ kết cấu 2D Thông lệ kết cấu vỏ tàu xét kết hợp giàn đáy, giàn mạn (hai mạn), giàn boong Mỗi hệ giàn gồm hệ thống nẹp làm cứng hàn với theo hướng dọc hướng ngang, xem hình 4.1 hình 4.2 Quan hệ cụm kết cấu thân tàu thể điều kiện biên toán, điều kiện biên chi phối kết tính cách Chọn mối liên kết kết cấu làm cho lời giải tốn xác, cịn chọn sai kiểu liên kết làm nghiệm tốn khơng cịn độ tin cậy Hệ thống kết cấu gia cứng đặt ngang, trường hợp giàn đáy đà ngang đáy, liên kết chặt với kết cấu gia cứng nằm dọc, gọi đà dọc đáy, nút giao Hai hệ thống kết cấu thường cắt thành góc vng, người ta gọi hệ trực giao Trong hệ trực giao có hai hệ dầm, dọc ngang, thành phần dầm tương đương bao gồm dải tơn kèm Mơ hình phải gán điều kiện biên trước giải Hệ số ngàm cho gối mang giá trị từ đến 1, tùy thuộc độ cứng kết cấu tiếp với gán trước giải khung, giàn 22 CHIỀU RỘNG MÉP KÈM Hình ảnh nẹp làm cứng hàn với tấm, tham gia chịu tải đặc trưng kết cấu thân tàu giới thiệu hình 8.1 Dưới tác động momen uốn M kết cấu gồm thép rộng b/2 + b/2, dày t nẹp cứng xuất biến dạng ứng suất Phân bố ứng suất kết cấu dạng trình bày hình 8.2 Khái niệm “chiều rộng dải tôn kèm, mép kèm” nhà đóng tàu hiểu chiều rộng hữu hiệu (effective width) tham gia mang tải với nẹp cứng gắn liền với nó: b beσ max = ∫ σ x dz Hình 8.1 Hình 8.2 Phân bố ứng suất kết cấu có nẹp cứng Chiều rộng mép kèm ký hiệu be, tính biểu thức: ⎛ ⎞b ⎟⎟ ∫ σ x dz (8.1) be = ⎜⎜ ⎝ σ max ⎠ b - chiều rộng Chiều rộng dải tơn kèm tham khảo hình 8.3 Trong đồ thị chiều rộng be trình bày dạng b σ0 hàm chiều rộng tương đối β: β = t E Hệ số β đồ thị, mang tên gọi hệ số “mềm”, b – chiều rộng tấm, t – chiều dầy, E – mô đun đàn hồi vật liệu Tên tác giả công thức ghi hình Hình 8.3 Biểu đồ xác định chiều rộng hữu hiệu Chiều rộng be, chọn sở chiều dầy tôn t: be = πt dùng làm vỏ tàu thép: E be = 1,9t σY ( E ) −ν σ ∝t E σ0 Với (8.2) σY - ứng suất chảy vật liệu Thép đóng tàu với E = 2,06.105 MPa, hệ số Poisson 0,3, chiều rộng tính theo công thức cuối mang giá trị xấp xỉ 45t ÷ 55t, t – chiều dầy Thơng thường, vào kết tính phần ổn định tấm, với tàu theo kết cấu ngang, mép tôn kèm nằm giới hạn 0,44l, l - chiều rộng độ tơn Giá trị làm trịn mép tơn 23 kèm 0,5l, chia cho hai phía,tính từ tâm nẹp gia cường, hình 8.4 Chiều rộng phụ thuộc vào chiều dầy tôn Trong trường hợp mép kèm không vượt 50 lần chiều dầy tơn Hình 8.4 Sơ đồ tính mép kèm sơ đồ bố trí ĐIỀU KIỆN ĐƯA CÁC KẾT CẤU VÀO THAM GIA MẶT CẮT NGANG TÀU Các chi tiết có mặt vỏ tàu, xuất mặt cắt ngang tàu, tham gia vào chịu bền không giống Nhiều chi tiết khơng tham gia vào uốn chung có mặt vỏ Khi tính độ bền vỏ tàu uốn chung, kết cấu chịu uốn, chịu biến dạng, chịu ứng lực đưa vào thành phần tham gia chịu uốn Những chi tiết xuất số đoạn thân tàu song bị đứt đoạn vắng bóng đoạn lân cận thượng tầng, lầu, vách dọc ngắn khoang, vách miệng hầm ngắn vv phải xem xét thật kỹ trước đưa không đưa vào thành phần cấu mặt cắt ngang tính tốn gọi mặt cắt tương đương Trong vùng bị khoét mặt cắt ngang thân tàu thay đổi đột ngột mặt hình học momen qn tính thay đổi đột ngột, cơng thức tính ứng suất nêu khơng thể phù hợp cho tốn mang tính liên tục Chung quanh lỗ khoét có tập trung ứng suất Những chi tiết gây xáo động vừa kể khơng đưa vào tính momen qn tính mặt cắt ngang tàu dầm tương đương Những điều kiện để đưa chi tiết tham gia thành phần dầm tương đương sau - Kết cấu dọc phải đủ độ dài mặt học Độ dài tối thiểu phía mặt cắt khơng nhỏ lần chiều cao mạn vùng xét Xà dọc boong thượng tầng có chiều dài lớn 7,5%L không ngắn lần chiều cao thượng tầng, tính từ mặt cắt, đủ điều kiện tham gia Thượng tầng dài 15%L chiều dài ngắn lần chiều cao khơng tính vào thành phần mặt cắt ngang tính tốn Những chi tiết thay đổi đột ngột mặt cắt mạn, boong nắp hầm hàng đưa phần vào tham gia mặt cắt tương đương, phần nằm mép dọc tạo góc 20° với mép kết cấu đề cập Hình 9.1 Những thành phần đưa vào tính tốn 24 - Các lỗ khoét với chiều rộng không lớn 20 lần chiều dài tơn vị trí vùng khơng cần để ý đến tính Các lỗ kht lớn bỏ qua tính có hệ thống gia cố đủ cứng vững cho lỗ khoét Với miệng hầm hàng phép đưa số vùng tham gia thành phần mặt cắt tương đương 10 LỰA CHỌN HÌNH THỨC KẾT CẤU 10.1 So sánh hình thức kết cấu dọc hình thức kết cấu ngang phương diện 10.1.1 Độ bền: • Hình thức kết cấu dọc: Khối lượng kết cấu dọc nhiều làm tăng mômen chống uốn dầm tương đương, làm giảm σ nên làm giảm ∑ ứng suất theo hướng dọc nên có lợi độ bền dọc • Hình thức kết cấu ngang: Khối lượng kết cấu ngang nhiều làm tăng mômen chống uốn dầm tương đương, làm giảm σ nên làm giảm ∑ ứng suất theo hướng ngang nên có lợi độ bền ngang 10.1.2 Ổn định tấm: σ ∋ hệ thống dọc lớn ứng suất σ ∋ hệ thống ngang (nếu điều kiện khác nhau) nên hệ thống dọc lợi phương diện ổn định 10.1.3 Phương diện khối lương : Theo thống kê: vớí tàu lớn kết cấu hệ thống dọc làm giảm đáng kể khối lượng kết cấu so với kết cấu hệ thống ngang , với tàu trung bình nhỏ chênh lệch khối lượng khơng đáng kể 10.1.4 Cơng nghệ: • Hệ thống dọc: khối lượng cấu dọc nhiều, tính liên tục cấu bị vi phạm, khối lượng lỗ khoét cấu ngang nhiều làm tăng khối lượng chi tiết gia cường chi tiết liên kết, tăng trọng lượng hàn, việc thực lắp ráp theo phương pháp TĐ phức tạp hơn, nói cách khác kết cấu hệ thống dọc bất lợi cho cơng nghệ • Hệ thống ngang: ngược lại, thuận lợi cho công nghệ 10.1.5 Sử dụng: - Hệ thống dọc: cấu thành cao nhiều làm dung tích chở hàng ( với tàu chở hàng khơ) làm tăng khối lượng vệ sinh khoang hàng Tóm lại, không thuận lợi cho việc sử dụng - Hệ thống ngang: ngược lại, có lợi sử dụng vệ sinh cho tàu hàng lỏng 10.2 Nguyên tắc lựa chọn hình thức kết cấu: Việc lựa chọn hình thức bố trí kết cấu phải dựa nguyên tắc sau: Phải đảm bảo độ bền thuận tiện khai thác sử dụng, công nghệ dễ dàng, trọng lượng tối thiểu 10.3 Lựa chọn hình thức kết cấu: Thơng thường với tàu vận tải tàu cỡ nhỏ kết cấu hệ thống ngang; cỡ vừa kết cấu hệ thống hỗn hợp; cỡ lớn kết cấu hệ thống dọc Ta có số ví dụ sau: Loại tàu Cỡ tàu, Kích thước Vị trí buồng máy Tàu hàng khô L< 100m Giữa tàu Kết cấu hệ thống ngang L ≈ 100m Giữa tàu Dàn boong, mạn kết cấu hệ thống ngang, dàn đáy kết cấu hệ thống dọc (lợi dung tích) L= 100m Đi tàu Dàn boong, đáy kết cấu hệ thống dọc, mạn kết cấu hệ thống ngang L= 100 ÷ 180m L>180m Hình thức kết cấu Boong, đáy kết cấu hệ thống dọc, mạn kết cấu hệ thống ngang Hệ thống dọc toàn vùng 25 Tàu khách Tàu chạy sông nhỏ: L ≤ 40m Tàu cỡ nhỏ vừa biển Tàu lớn Tàu dầu Tàu container Cỡ vừa Δ =15000 ÷ 20000T Cỡ lớn Δ >2000T Cỡ vừa Cỡ lớn Hệ thống ngang Dàn đáy, mạn kết cấu hệ thống ngang, boong trung gian hệ thống ngang, boong boong trung gian thứ kết cấu hệ thống dọc Toàn vùng kết cấu theo hệ thống dọc Dàn đáy, boong kết cấu hệ thống dọc, dàn mạn kết cấu hệ thống ngang Toàn hệ thống dọc Dàn đáy, boong kết cấu hệ thống dọc, dàn mạn kết cấu hệ thống ngang Toàn hệ thống dọc 26 ... tin cậy kết cấu việc không tránh thiết kế kết cấu tàu Thông thường cách người thiết kế chọn kết cấu vừa đủ bền đồng thời đạt giá trị tối ưu kinh tế Nhìn chung, tính tốn thiết kế kết cấu tàu trình... thước kết cấu tàu Hình 5.1 Qui trình thiết kế kết cấu theo qui phạm đóng tàu 5.3 Tài liệu kỹ thuật cần thiết cho kết cấu tàu Mỗi quan đăng kiểm đề yêu cầu việc lập hồ sơ thiết kế kết cấu tàu Các... hoá kết cấu; Kiểm tra độ bền thân tàu Các kiểu, loại tàu kết cấu gần giống tàu, dựa vào mẫu tàu để chọn thông số ban đầu, người thiết kế phải xác định kích thước, đặc trưng kết cấu cho thiết kế