Việc xây dựng được mô hình tải trọng đúng với bản chất của nó có ý nghĩa rất lớn. Trong thực tế, tải trọng tác dụng lên khung sườn tàu thường rất đa dạng và phức tạp, biến thiên theo thời gian và không gian nên việc mô hình hóa chỉ mang tính gần đúng nhưng cũng cần phải phản ánh được đặc điểm làm việc của khung sườn tàu trong thực tế Tuy nhiên trong tính toán không thể sử dụng mô hình tải trọng động như trong thực tế mà phải thay tải trọng này bằng một mô hình tính tải trọng tương đương đơn giản hơn. Có thể chia tải trọng q tác dụng lên khung sườn tàu thành hai dạng tải trọng chủ yếu là áp lực nước bên ngoài vỏ tàu qn và áp lực của hàng hóa ở bên trong tàu qhh như sau : q = qn - qhh (3.1) Mô hình truyền tải trọng từ môi trường đến kết cấu thân tàu được mô tả như sau :
-Đối với tàu kết cấu theo hệ thống ngang : áp lực nước đặt trực tiếp lên bề mặt vỏ tàu → các đà ngang đáy → các đà dọc → thành mạn và các vách dọc tàu. Một phần của tải trọng này sẽ được truyền đến mạn tàu, vách dọc, vách ngang mà không qua các đà ngang hoặc sườn.
-Đối với tàu kết cấu theo hệ thống dọc : áp lực nước áp đặt trực tiếp lên bề mặt vỏ tàu → các đà dọc → các đà ngang đáy → thành mạn và các vách dọc tàu. Một phần của tải trọng này sẽ truyền đến mạn tàu, vách dọc, vách ngang mà không qua các đà dọc hoặc sườn.
1.Áp lực thủy tĩnh của nước tác dụng lên khung sườn tàu.
Áp lực thủy tĩnh của nước bao xung quanh bề mặt vỏ tàu tác dụng lên các bộ phận kết cấu tàu thường được biểu diễn dưới dạng áp lực của một cột nước có chiều cao h và có giá trị tính theo công thức tổng quát như sau :
pn = γ h (3.2) với γ là trọng lượng riêng của nước ngoài mạn tàu (tấn/m3
)
Như vậy, mô hình quy luật phân bố áp lực nước tác dụng lên khung sườn tàu sẽ tuân theo nguyên tắc áp lực thủy tĩnh, cụ thể là :
-Áp lực nước tác dụng lên tôn vỏ ngoài của tàu có đáy phẳng phân bố theo dạng chữ nhật có chiều cao h = const trên khắp chiều rộng đáy tàu.
-Áp lực nước tác dụng lên mạn tàu phân bố tuyến tính (tam giác hay hình thang) với chiều cao cột áp h.
Chiều cao cột áp h phụ thuộc chiều chìm và trạng thái nổi của tàu nên cần lựa chọn chiều cao h phù hợp với các trường hợp tàu nằm cân bằng trên nước tĩnh và trên sóng.
-Khi tàu nằm cân bằng trên nước tĩnh ở mớn nước T, chiều cao cột áp h được tính theo mớn nước cân bằng ngang của tàu trên nước tĩnh h = T (hình 3.1). -Trường hợp tàu chạy trên sóng có chiều cao hs thì chiều cao của cột áp h được
xác định theo công thức + = 2 h T
h s . Khi đó, do phụ thuộc chiều cao sóng hs
nên chiều cao cột áp h có thể nhỏ hơn, bằng hoặc lớn hơn chiều cao mạn tàu H. Trong trường hợp chiều cao cột áp h nhỏ hơn hoặc bằng chiều cao mạn tàu H thì quy luật phân bố của áp lực nước có dạng hình tam giác như trên hình 3.2 a, còn khi chiều cao cột áp h lớn hơn chiều cao mạn tàu H, tức là sóng đã tràn lên mặt boong thì phân bố tải trọng có dạng hình thang như mô tả trên hình 3.2 b.
Hình 3.1 và 3.2 là mô hình tải trọng áp lực nước trên nước tĩnh và trên sóng
Hình 3.1 : Mô hình tải trọng nước tác dụng lên mặt cắt ngang kết cấu thân tàu khi tàu nằm trên nước tĩnh.
a, h<H b, h>H
Hình 3.2 : Mô hình tải trọng nước tác dụng lên mặt cắt ngang kết cấu thân tàu khi tàu chạy trên sóng.
+ = 2 s n h T p γ pn =γH h < H H h> H B h = T H T pn =γ. pn =γ.T
Ngoài ra khi đáy tàu không phẳng, mạn tàu không thẳng đứng mà lại có dạng chữ V hay tương tự thì phân bố áp lực được mô tả như trên hình 3.3.
T + h /2s T + h /2s T + h /2s
Hình 3.3 : Mô hình phân bố áp lực trong một số dạng đặc biệt.
Từ đó mô hình áp lực nước tác dụng lên các kết cấu khung sườn như sau :
- Áp lực nước tác dụng lên các đà ngang đáy phân bố theo dạng chữ nhật với chiều cao cột áp h không đổi trên suốt chiều rộng đáy tàu và có giá trị :
qn max = pn max B (3.3) với B là khoảng cách giữa hai đà ngang đáy kế tiếp của tàu.
- Áp lực nước tác dụng lên sườn mạn phân bố theo dạng tam giác hay hình thang với chiều cao bằng với chiều cao của cột áp h và có giá trị đúng bằng giá trị qn = pn B. Tại vị trí tiếp nối với đà ngang đáy thì giá trị của nó đúng bằng qnmax
- Áp lực nước tác dụng lên xà ngang boong là do nước tràn lên boong tàu gây ra. Thực tế cho thấy, áp lực này sẽ phụ thuộc chủ yếu vào chiều cao mạn khô f của tàu, chiều cao sóng nơi tàu đang hoạt động và vị trí của khung sườn dọc theo chiều dài tàu. Tải trọng này là tải trọng động, mang tính chất ngẫu nhiên nên khó xác định chính xác. Để đơn giản thường xem áp lực này là tải trọng tĩnh tương đương cột nước chiều cao hb.
Đối với đa số các tàu hiện nay chiều cao hb đối với phần boong hở trên cùng thường được tính theo công thức [14, tr.198]
hb = k f L
(3.5)
trong đó :
L - chiều dài tàu (m) f - chiều cao mạn khô (m)
k - hệ số tính đến sự thay đổi của vị trí khung sườn tàu dọc theo chiều dài tàu x. Giá trị của hệ số ktrong công thức (3.5) được cho trong bảng 3.1.
Bảng 3.1 : Giá trị hệ số k trong công thức (3.5)
Đuôi Sườn giữa Mũi L x - 0,5 - 0,4 - 0,3 - 0,2 - 0,1 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 k 0,020 0,015 0,011 0,009 0,009 0,010 0,013 0,017 0,023 0,031 0,040
Trong thực tế thường lấy k trong công thức (3.5) không nhỏ hơn 0,5 m. 2.Áp lực do hàng hóa tác dụng lên khung sườn tàu [14]
- Áp lực trung bình do hàng hóa phh gây ra trên mặt sàn tính theo công thức :
phh = b . L W (3.6) trong đó : W - trọng lượng hàng hóa (tấn)
- Áp lực hàng rời tác động lên vách khoang hàng được phân bố theo hình tam giác với chiều rộng đáy của tam giác áp lực có thể được tính theo công thức :
phr = k γhr H (3.7) trong đó :
γhr - trọng lượng riêng hàng chở trên tàu, tính bằng tấn/m3 hoặc KN/m3
. H - chiều cao hàng rời (m)
k - hệ số tính đến ảnh hưởng không đều của từng mặt hàng cụ thể. Khi quy áp lực trên về sườn mạn ta được :
qhr = k γhr H B (3.8) - Áp lực hàng hóa tác dụng lên đáy tàu thường tính tương đương áp lực cột nước phụ thuộc đặc điểm hàng chở và điều kiện làm việc của kết cấu, tính theo công thức : qh =
[
H k(
n 1)
hh hk]
μ 1 − − − (3.9) trong đó :H - chiều cao mạn tàu
hk, hh - chiều cao sống chính và chiều cao hầm hàng n - số boong
k - hệ số phụ thuộc đặc điểm truyền lực từ kết cấu boong đến kết cấu đáy, có giá trị nằm trong khoảng (0,6 - 0,75)
µ - hệ số phụ thuộc loại hàng được chở.
- Áp lực hàng hóa quy về đà ngang được tính theo công thức :
qhđ = qh B =
