CHƯƠNG 3. KẾT CẤU TÀU HÀNG KHÔ 3.1. KẾT CẤU KHOANG HÀNG
2. Sơ đồ bố trí kết cấu dàn mạn
3.4.1 Khái niệm và điều kiện làm việc
Khái niệm
Thượng tầng là kiến trúc tạo nên phòng kín bố trí trên boong chính chạy suốt từ mạn này sang mạn kia hoặc cách 1 trong 2 mạn không quá 4% chiều rộng tàu . Lầu là kiến trúc che kín mặt boong ở boong trên của boong thượng tầng biệt lập nằm cách 1 trong 2 mạn một khoảng lớn hơn 4% chiều rộng tàu ( hay nói khác đi đó là những thượng tầng chạy trên một phần chiều rộng tàu )
Điều kiện làm việc
Tải trọng tác dụng lên thượng tầng
Với các thượng tầng tham gia uốn dọc chung thân tàu, nó thường xuyên chịu ứng suất pháp phát sinh do uốn dọc chung gây ra. Ngoài ra thượng tầng tiếp nhận ứng lực bổ sung do các tải trọng cục bộ gây ra, đó là tải trọng nước hắt lên boong gọi là tải trọng quy ước (với boong thượng tầng hở, vách trướcvà sau của thượng tầng) ; trọng lượng của các trang thiết bị bố trí trên boong thượng tầng và tải trọng của các trọng lượng của các tầng trên truyền xuống .
Sự làm việc của thượng tầng với thân chính
Khi thân tàu chính chịu uốn dọc chung , khi đó trên thành dọc của thượng tầng và lầu phát sinh ứng suất pháp và tiếp, kéo theo thành dọc thượng tầng cũng làm việc thông qua lực tiếp tuyến , pháp tuyến dọc đường liên kết. Ở thượng tầng, ứng suất xuất hiện ở đường liên kết giữa thành dọc thượng tầng với mạn tàu. Ở lầu, ứng suất phát sinh tại đường liên kết giữa thành dọc lầu với tôn boong thượng tầng hoặc boong biệt lập .
Khi đó ứng suất tiếp có trị số lớn nhất xuất hiện tại mút thượng tầng hoặc lầu và đổi dấu qua vị trí giữa thượng tầng còn ứng suất pháp có trị số lớn nhất tại mút của thượng tầng (hình 3.110) . Sự tập trung ứng suất ở hai đầu của thượng tầng và lầu có thể làm xuất hiện các vết nứt cũng như làm bung hai đầu thượng tầng .
H 3.110
Khi có mã chuyển tiếp thì ứng suất pháp và ứng suất tiếp có sự phân bố lại . Trị số lớn nhất đều giảm đi và trị số lớn nhất chuyển sang trọng tâm mã chuyển tiếp
H 3.111 Sơ đồ phân bố ứng suất
Phân loại thượng tầng theo điều kiện làm việc
Theo điều kiện làm việc , phân chia thượng tầng ra hai loại, đó là thượng tấng tham gia và không tham gia vào uốn dọc chung thân tàu.
Thượng tầng tham gia vào uốn dọc chung thân tàu thỏa mãn 2 điều kiện sau : Điều kiện cần là phải đảm bảo chiều dài thượng tầng bằng giá trị lớn hơn trong hai giá trị 15% chiều dài thiết kế tàu và 6 lần chiều cao thượng tầng. Điều kiện đủ là phải đảm bảo thích hợp các mối nối liên kết dọc và ngang. Mạn thượng tầng phải là sự tiếp tục của mạn thân chính, thành dọc của thượng tầng trùng với mạn tàu ( liên kết dọc).
Thân chính và thượng tầng nối với nhau ít nhất bằng 3 mối nối ngang cứng ( liên kết ngang).Vách ngang thượng tầng trùng với vách ngang thân chính, các khung ngang khỏe của thượng tầng đặt trong mặt phẳng cùng chứa khung khỏe của thân chính, được liên kết với nhau bằng hệ thống cột chống, thanh giằng ).
Thượng tầng không tham gia vào uốn dọc chung thân tàu là thượng tầng không thỏa mãn 1 trong các điều kiện trên.
l
l/2 l/2
Thuợng tầng Th©n chÝnh
Thuợng tầng Th©n chÝnh
τx σx
Khi không có mã chuyển tiếp Khi gia cuờng mã chuyển tiếp
Theo mức độ tham gia vào uốn chung thân tàu có thượng tầng nhẹ và thượng tầng bền.
Thượng tầng nhẹ là thượng tầng (lầu) có chiều dài nhỏ không thể tham gia hoàn toàn vào uốn chung hoặc tham gia không đáng kể vào uốn chung, thậm chí còn uốn ngược chiều với chiều uốn thân tàu, các lầu gối lên không quá hai vách ngang hay xà khỏe . Trong quy phạm, theo mức độ tham gia uốn dọc chung, chia ra thượng tầng dài và thượng tầng ngắn.
Thượng tầng bền là thượng tầng tham gia hoàn toàn vào uốn dọc chung cần thiết như các liên kết trên cùng của thanh tương đương. Đây là thượng tầng có thành bên gối lên mạn hay các lầu dài có thành bên hơi lùi vào một chút theo chiều rộng kể từ mạn. Thượng tầng đi đến mạn uốn như thân tàu chính, còn các lầu có khi lại uốn theo chiều ngược lại và nó xảy ra khi lầu gối lên không tới 3 vách ngang . Nếu mặt phẳng thành bên của lầu trùng với mặt phẳng , các vách dọc hay lầu gối lên 3 vách ngang trở lên thì lầu cũng uốn như thân chính.
Do trọng lượng riêng nhỏ, tính chống ăn mòn cao, tính không nhiễm từ và tính dẻo cao, hợp kim nhôm ngày càng được sử dụng rộng rãi trong thiết kế thượng tầng tàu. Sử dụng hợp kim nhôm cho phép đơn giản công nghệ chế tạo, nâng cao độ tin cậy trong khai thác và giảm đáng kể ứng suất do uốn dọc chung và tập trung ứng suất ở hai đầu thượng tầng.
Hình dạng mặt cắt thượng tầng , lầu
Thượng tầng ở giữa tàu có đường cắt dọc mặt boong là đường thẳng hoặc đường gấp khúc từ các đoạn thẳng nối tiếp để đơn giản cho chế tạo ( hình 3.112)
H 3.112
Để tránh tạo các vùng tập trung ứng suất ở dải tôn mép mạn và ở boong trên cùng, không nên tạo ra các phần hụt vào bên thành trong của lầu. Tại khu vực 2 đầu của thượng tầng chạy từ mạn sang mạn , cần đặt các mã chuyển tiếp và gia cường tại khu vực này (hình 3.113). Mép tự do của mã chuyển tiếp thường được hàn từ thép hình đặt song song với boong. Các nẹp cứng đảm bảo ổn định của mã chuyển tiếp khi chịu nén.
H 3.113 1.
Vùng chuyển tiếp từ thượng tầng sang mạn cần thực hiện trên đoạn dài không nhỏ hơn 1,5 lần chiều cao thượng tầng . Mép tự do của mã chuyển tiếp phải được cắt theo dạng cung tròn với bán kính bằng 2 lần chiều cao thượng tầng hoặc theo dạng đường elip ( hình 3.114)
H 3.114 1.
2.
Tuy nhiên việc đặt mã chuyển tiếp không thể loại trừ hoàn toàn sự tập trung ứng suất xuất hiện trên boong và ở dải tôn mép mạn. Vì vậy cần phải có biện pháp gia cường bổ sung để giảm sự tập trung ứng suất. Biện pháp đó là tăng chiều dày tấm dưới cùng của mạn thượng tầng phần ra ngoài mạn tàu đến 40% so với chiều dày của dải mép mạn ở ngoài thượng tầng, tấm tăng cường này có chiều dài bằng nửa chiều cao thượng tầng ở khu vực ( phần gạch chéo vùng trên hình 3.115a) hoặc tăng chiều dày dải tôn mép mạn ở khu vực kết thúc thượng tầng lên khoảng 40 ÷ 50% so với chiều dày bình thường của nó và kéo dài tấm này qua chỗ kết thúc của mã chuyển tiếp 0,25h và dọc theo thượng tầng 0,5h ( phần gạch chéo vùng dưới hình 3.115a).
a) b)
H 3.115 1.
2.
3.
4.
Sự chuyển tiếp từ các tấm dày sang các tấm mỏng hơn phải được thực hiện dần dần bằng cách vát chéo mép ngang của tấm hoặc đặt các tấm có chiều dày trung gian sao cho sự lệch giữa chiều dài tấm chuyển tiếp không nhỏ hơn chiều rộng dải mép mạn. Nếu chiều dày tấm tăng cường của dải mép mạn và mạn thượng tầng là như nhau thì gia cường được thực hiện như hình 3.115b ( tấm chiều dày tăng cường được gạch chéo)
Để giảm sự tập trung ứng suất ở các góc của lầu nếu có thể thì nên thực hiện đặt mã chuyển tiếp như thực hiện với thượng tầng . Tuy nhiên , một biện pháp nữa hỗ trợ cho sự giảm tập trung ứng suất là lượn góc của các lầu với bán kính từ 0,5 ÷ 1m.
Kết cấu thượng tầng –lầu
Mạn thượng tầng
Thông thường dàn mạn thượng tầng được kết cấu hệ thống ngang, các sườn mạn thượng tầng được đặt tại mỗi mặt sườn thân chính. Các cơ cấu thượng tầng được bố trí phù hợp với các cơ cấu sườn, cơ cấu ngang trong khoang nội boong .
Để đảm bảo độ cứng ngang, trong mặt phẳng vách ngang thân chính thượng tầng phải đặt sườn khỏe hoặc vách ngang tương ứng
Boong thượng tầng
Nếu boong thượng tầng là boong tính toán thì dải tôn mép mạn thượng tầng là tôn mép mạn thân tàu và chiều dày tôn boong thượng tầng là chiều dày tôn boong tàu
Vách mút thượng tầng (Vách mũi, đuôi, vách hở )
Vách lộ của thượng tầng, và vách biên của lầu, cả hai mút nẹp phải được hàn với tôn boong . Nẹp vách có thể có sống nằm .
Lầu
Chiều dày tôn vách biên (vách dọc, vách ngang của lầu) và kích thước của nẹp gia cường được tính như thượng tầng .
Đối với lầu dài, ở ngay phía trên của các vách, sườn khỏe hoặc sống dưới boong, vách bên và vách mút của các lầu có kích thước lớn phải được gia cường bằng các đoạn vách hoặc các nẹp đặc biệt đặt cách nhau không xa quá 9 m .
Đối với lầu ở các boong tầng trên phải có biện pháp chống rung bằng cách cố gắng đặt các vách bên và cột chống của các tầng lầu trong cùng một mặt phẳng .
Các hiện tượng hư hỏng của thượng tầng và biện pháp khắc phục
Thượng tầng, lầu thường hư hỏng bắt đầu bằng việc phát sinh vết nứt. Các vết nứt thường xuất hiện tại vị trí góc của thượng tầng - lầu và vị trí liên kết vách mút của nó với boong chính. Có thể khắc phục bằng cách lượn tròn góc hoặc tăng chiều dày tôn . Nếu bị nứt ở tấm vách thượng tầng thì tăng chiều dày tôn tại boong và chân của vách thượng tầng, lầu .
Biện pháp khắc phục vết nứt ở tôn bao trang trí có lỗ khoét, góc cửa sổ, cửa ra vào trên vách dọc thượng tầng – lầu là lượn tròn góc hoặc tăng chiều dày tôn hoặc viền mép bằng cả tấm đệm và gia cường thêm nẹp .
Trên các cơ cấu gián đoạn của thượng tầng, lầu cần phải thực hiện chuyển tiếp dần dần để tránh tập trung ứng suất, gây nứt .
Nếu nứt tại các mối nối đàn hồi giữa thượng tầng và thân chính, hoặc giữa thượng tầng với nhau, hoặc tại mã chuyển tiếp của thượng tầng với mạn tàu về phía hai đầu mút , thì cần thay mối nối hoặc thay mã mới để giảm sự tham gia uốn chung của thượng tầng , lầu với thân chính .