1.Các nguyên tắc mô hình hóa kết cấu tàu
Mô hình hóa kết cấu là phương pháp nghiên cứu hiệu quả nhằm đưa các kết cấu phức tạp về các mô hình tính đơn giản hơn để thuận lợi trong nghiên cứu và tính toán. Do kết cấu thân tàu là kết cấu phức tạp nên để tính bằng các phương pháp như cơ học truyền thống cần phải mô hình hóa kết cấu thân tàu thành những mô hình tính đơn giản. Việc mô hình hóa này phải đảm bảo một số nguyên tắc cơ bản nhằm tránh xảy ra sai số quá lớn giữa mô hình tính và kết cấu thực tế :
-Giảm chiều không gian kết cấu : với kết cấu thân tàu là kết cấu không gian 3D, để đơn giản ta xây dựng mô hình với số chiều nhỏ hơn (2D hay thậm chí 1D). Khi giảm chiều cần thể hiện đúng nguyên lý làm việc và trạng thái ứng suất của kết cấu, do đó cần lựa chọn hợp lý điều kiện biên của kết cấu trong mô hình. -Tách kết cấu : khi tách kết cấu tàu thành các kết cấu đơn giản hơn cần đảm bảo
kết cấu làm việc giống trước khi tách, trạng thái ứng suất không thay đổi theo nguyên tắc kết cấu có độ cứng lớn làm chỗ tựa cho kết cấu có độ cứng nhỏ hơn. -Mô hình tính mang tính đối xứng: hầu hết khung sườn tàu đều có tính đối xứng do đó khi xây dựng mô hình tính chỉ cần xây dựng cho một nửa khung sườn. Khi không đối xứng nên vận dụng nguyên lý đối xứng và phản đối xứng để đưa mô hình tải trọng không đối xứng về mô hình tải trọng đối xứng tương đương để tính ở một nửa mô hình và tổng hợp kết quả từ các mô hình thành phần. Ví dụ xét một khung sườn tàu điển hình có đặc điểm kết cấu như mô tả ở hình 3.4. Do đà ngang đáy cứng hơn nhiều so với sườn mạn nên có thể xem sườn mạn bị ngàm, tức là nếu muốn tách đà ngang đáy ra thì phải thay bằng ngàm cứng tại đầu sườn mạn. Xà dọc boong hoặc xà dọc miệng hầm cứng hơn nhiều so với xà ngang boong cụt nên thành miệng hầm hàng dọc lúc này trở thành gối cho các xà ngang boong cụt tựa lên. Khi đó, bài toán tính khung sườn phức tạp trở thành bài toán xử lý ba dầm đơn giản hơn.
Hình 3.4 Mô hình tính kết cấu khung sườn.
2.Xác định điều kiện liên kết trong mô hình tính
Về mặt lý thuyết, cơ sở để tách kết cấu phức tạp thành các kết cấu đơn giản là phải xác định mối quan hệ giữa các kết cấu và thể hiện quan hệ này trong mô hình dưới dạng các điều kiện biên để tính ảnh hưởng của các kết cấu lân cận đến kết cấu đang xem xét. Việc thiết lập điều kiện biên thay liên kết khi tách hệ kết cấu thực hiện theo hai cách :
-Thay các kết cấu liên kết với kết cấu đang xét bằng lực tương đương trên cơ sở điều kiện cân bằng về lực (phương pháp lực).
-Thay các kết cấu liên kết với kết cấu đang xét bằng các liên kết động học trên cơ sở điều kiện liên tục về chuyển vị (phương pháp chuyển vị)
Khi tính độ bền cục bộ theo phương pháp lực hay theo phương pháp chuyển vị, cần phải tách kết cấu và đặt vào vị trí liên kết giữa các kết cấu các mối liên kết động học nhằm đảm bảo cho đặc điểm làm việc của kết cấu trước và sau khi tách không thay đổi. Do kết cấu thực tế không tựa hẳn lên gối hoặc ngàm chặt ở đầu nên liên kết là liên kết đàn hồi (gối và ngàm đàn hồi) được hình thành từ liên kết động học đặt trên nền đàn hồi. Khi sử dụng các liên kết đàn hồi, cần phải tính được độ cứng của các liên kết đàn hồi để sao cho khi thay liên kết vào mô hình sẽ cho chuyển vị bằng chuyển vị của kết cấu thực. Về nguyên tắc, độ cứng chính là chuyển vị sinh ra trong kết cấu liên kết khi chịu tác dụng của tải trọng đơn vị tại vị trí liên kết, nghĩa là nếu tác dụng lên gối (hoặc ngàm)
đàn hồi một lực P (hoặc mô men M), tại đó xuất hiện chuyển vị ∆l (hoặc góc xoay ∆ϕ) thì độ cứng của mối liên kết đàn hồi đang xét chính là tỷ số
l Δ P (hoặc là tỷ số Δ M ). Trong các kết cấu khung sườn tàu, do các đà ngang đáy, sườn mạn và xà ngang boong đều nằm tựa lên các kết cấu dọc như các xà dọc boong, xà dọc mạn hay xà dọc đáy tàu nên có thể nhận thấy đây chính là các gối đàn hồi và cần xác định độ cứng cho chúng. Thực tế nhận thấy, các kết cấu dọc tàu đều là các dầm liên tục nằm kê lên các gối đỡ là các khung sườn ngang và hai đầu của dầm có thể coi như ngàm cứng với vách khoang. Với tàu kết cấu theo hệ thống ngang, do độ cứng của các khung sườn cao hơn so với các kết cấu dọc nên một cách gần đúng có thể xem như các kết cấu dọc gối cứng lên các khung sườn ngang, còn các khung sườn ngang thì gối đàn hồi lên hệ các kết cấu dọc. Mô hình tính hệ số đàn hồi của các gối như hình 3.5.
Hình 3.5 : Mô hình tính hệ sốđàn hồi dạng đầy đủ.
Tuy nhiên trong thực tế không nhất thiết lấy độ dài mô hình tính bằng chiều dài một khoang vì thực nghiệm nhận thấy, vẫn đảm bảo độ chính xác nếu chỉ lấy ba nhịp (có chứa nhịp cần tính) để tính, do đó có thể rút ngắn mô hình tính như hình 3.6.
Hình 3.6 : Mô hình tính hệ sốđàn hồi dạng rút gọn.
Khi so sánh hai mô hình trên thì độ sai số về chuyển vị tại điểm đặt lực bằng 1,5% và sai số về mô men uốn tại điểm đặt lực là 3%, do đó với các kết cấu dọc tàu đã biết thì có thể tính được gần đúng hệ số đàn hồi của gối.
P l l l l A P l l l l l l l A
3.Xác định chiều rộng mép kèm [14, tr.12]
Khi chịu lực, do các tấm tôn vỏ cùng chịu lực với các kết cấu của khung sườn tàu nên để tính đến sự tham gia chịu lực của tấm tôn vỏ người ta đưa ra khái niệm mép kèm, nhằm mục đích tính đến ảnh hưởng của các dải tôn nằm hai bên mép của các kết cấu. Hình 3.7 minh họa về cách thức xác định mép kèm trong kết cấu.
Hình 3.7 Quy cách mép kèm.
Giá trị chiều rộng mép kèm c được tính dựa trên điều kiện cân bằng năng lượng của hệ kết cấu thực và mô hình tính theo công thức :
c = π(3 2υ υ2) b 4 − + (3.11) trong đó :
b - nửa chiều dài nhịp dầm. υ - hệ số Poison của vật liệu.
Trong thực tế thường lấy giá trị hệ số Poison của vật liệu thép đóng tàu υ =0,3 nên chiều rộng mép kèm được tính theo công thức :
c = 0,181.2b (3.12) Tôn
Sườn mạn c
4.Mô hình tính kết cấu khung sườn tàu
Khung sườn tàu thực tế của đa số các tàu một boong thường có dạng như hình 3.8. Các đà ngang đáy thường có dạng chữ T (tàu đáy đơn) hoặc một bản thép (tàu đáy đôi), tuy nhiên khi tính toán, do có tính đến ảnh hưởng của phần tôn vỏ dưới dạng mép kèm nên thường hay xem tiết diện nganh của các đà ngang đáy tàu như là tiết diện chữ I. Tại những chỗ có đà dọc đáy, có thể xem như khung sườn tàu gối cứng hoặc gối đàn hồi lên các đà dọc đáy và do kết cấu đà dọc đáy tương đối cứng nên có thể xem là gối cứng (tức hệ số độ cứng vô cùng lớn) nhưng để tăng độ chính xác vẫn sử dụng gối đàn hồi. Tại mặt cắt dọc giữa tàu, theo nguyên lý đối xứng thì mối liên kết ở đây là liên kết ngàm tuy nhiên do tại đó vẫn có khả năng xuất hiện chuyển vị thẳng theo phương vuông góc với trục thanh nên ta sử dụng ngàm trượt làm liên kết đặt lên nút.
Hình 3.8 : Kết cấu khung sườn tàu chở hàng rời
Đối với sườn mạn, do kết cấu của các xà dọc mạn có độ cứng không lớn lắm nên phải sử dụng liên kết là gối đàn hồi. Riêng tại chỗ sườn mạn nối với xà ngang boong thì có thể xem là gối cứng vì kết cấu xà dọc và be chắn nước tại vị trí đó có độ cứng khá lớn Còn các xà ngang boong hay xà ngang boong cụt sẽ được xem như là gối cứng tại những đầu nối với sườn mạn và gối đàn hồi tại các vị trí nằm tựa lên các xà dọc boong. Tại mặt cắt giữa xà ngang boong được xem ngàm đàn hồi tương tự như đà ngang đáy. Riêng tại vị trí thành miệng hầm hàng, do độ cứng của các xà dọc miệng hầm là khá cao nên các xà ngang boong cụt có thể được xem như gối cứng lên miệng hầm tại vị trí này. Từ những phân tích trên đây có thể xây dựng mô hình kết cấu khung sườn tàu điển hình như mô tả trên hình 3.9
Hình 3.9 Mô hình tính kết cấu khung sườn tàu
Đối với các khung sườn có cột chống thì có thể xem cột chống như là gối cứng, đỡ xà ngang boong nếu độ cứng đủ lớn, ngược lại có thể xem cột chống là một phần tử trong kết cấu khung sườn có liên kết khớp hai đầu tại xà ngang boong và đà ngang đáy.