CHƯƠNG 3. KẾT CẤU TÀU HÀNG KHÔ 3.1. KẾT CẤU KHOANG HÀNG
3. Sơ đồ bố trí cơ cấu đáy đôi trong hệ thống kết cấu ngang
Về nguyên tắc, trên các tàu hàng khô phải có đáy đôi chạy từ vách chống va mũi đến vách lái. Tại các khoang chống va mũi và lái hẹp, khó thi công nên thường kết cấu đáy đơn.
H 3.7a Đáy đôi kết cấu hệ thống ngang 1. Đà ngang đặc
2.Đà ngang hở 3. Sống chính 4.Sống phụ 5. Sống hông
6. Dải tôn dọc tâm đáy trên 7. Tôn đáy trên
8. Đà ngang tấm 9. Dầm ngang đáy trên 10.Dầm ngang đáy dưới 11.Dải tôn giữa đáy
12. Dải tôn đáy kề dải tôn sống chính 13. Tôn đáy
14. Dải tôn hông 15. Vây giảm lắc
16. Mã hông 17. Tấm ốp lườn 18. Tấm ốp góc 19. Sườn khoang
20. Cột chống khoang hàng 21. Tấm đệm
22. Ván lát sàn 23. Lỗ thông khí 24. Lỗ người chui
25. Lỗ thoát nước bán nguyệt 26. Nẹp đứng
27. Thanh gia cường đứng 28. Thanh chống
29,30 Mã gia cường sống chính 31. Lỗ khoét giảm trọng lượng
H 3.7b Đáy đôi kết cấu hệ thống ngang 1. Vách ngang
2. Sống chính
3. Đà ngang kín nước 4. Đà ngang đặc
5. Đà ngang khung 6. Sàn tôn đáy trên 7. Tôn hông
8. Nẹp đứng của đà ngang
• Sống đáy
Ở đoạn 0,5L vùng giữa tàu, tấm sống chính phải liên tục chỉ gián đạon tại vách ngang kín nước.Vùng đáy đôi được dùng để chứa nước ngọt, nhiên liệu hoặc nước dằn thì sống chính phải có kết cấu kín nước.
Nếu đáy đôi kết cấu theo hệ thống ngang thì nẹp đứng ở sống phụ phải đặt ở mỗi đà ngang hở. Các sống phụ bị gián đoạn giữa các đà ngang đặc. Khoảng cách giữa các sống phụ, giữa sống phụ và sống chính, giữa sống phụ với mép dưới hông tàu không vượt quá 3,0 m trong trường hợp đà ngang đặc bố trí xen kẽ đà ngang hở và không vượt quá 3,5 m trường hợp đáy bố trí toàn bộ đà ngang đặc, áp dụng cho tàu sông. Khoảng cách này không lớn hơn 4,6m áp dụng cho tàu biển ở đoạn 0,5L vùng giữa tàu Trên các sống phụ khoét các lỗ đảm bảo sự tiếp cận với các vùng khác nhau của đáy đôi, kích thước lỗ không vượt quá 350 × 450 mm. Không nên khoét các lỗ tại khu vực các vách dọc trong phạm vi từ 1 đến 2 khoảng sườn. Nếu cần thiết phải khoét lỗ thì lỗ phải có kích thước tối thiểu và phải được gia cường ( hình 3.8). Dưới các cột, sống phụ không được khoét lỗ .
H 3.8 Gia cường lỗ khoét ở sống dọc
Trên các tàu vận tải, đáy đôi được kết thúc ở khu vực hông tàu. Hai bên hông tàu đặt các sống hông để giới hạn thể tích không gian đáy đôi. Thông thường sống hông được đặt nghiêng (hình b) và hiếm khi chúng được đặt thẳng (hình a,c)
a. c.
b.
1. Mã hông 2. Đà ngang 3. Mã nằm
4. Dải tôn sàn đáy trong 5. Dải tôn hông
6. Mã liền liên kết sàn đáy trong và mã hông
7. Sống hông H 3.9 Bố trí sống hông – mã hông
Trường hợp kết cấu này tạo ra các két xả nước mạn ở vùng hông tàu có tác dụng hạn chế sự ẩm ướt của hàng do ảnh hưởng của nước trên mạn tàu. Nước được đưa ra khỏi tàu nhờ hệ thống hút khô chuyên dụng. Các đầu hút nước thường được đặt ở hai mạn cạnh các vách ngăn ngang của từng khoang. Các két xả mạn bị đậy bằng các tấm gỗ và tấm ván sàn đặt theo các mép trên cùng của mã hông và kéo dài tới vỏ mạn.
Tấm ván sàn có thể là một phần của ván sàn đáy trong hoặc kết thúc tại mép dưới của mã hông. Tấm ván sàn đoạn nằm ngang của đáy trong được đặt dưới miệng hầm hàng nhằm giảm sự mài mòn của đáy trong khi bốc xếp hàng hóa.
Mã hông và sống hông phải được lên kết với nhau bằng tấm ốp góc có chiều dày bằng chiều dày sống hông. Tùy theo biện pháp bố trí kết cấu có thể không cần đến tấm ốp góc.
• Đà ngang đáy
H 3.10 Đà ngang kín nước và đà ngang đặc
H 3.11 Đà ngang khung
Đà ngang đáy được chia ra đà ngang kín nước và đà ngang không kín nước.
Đà ngang kín nước cấu thành từ tấm thép đặc được hàn với sống chính bằng đường hàn kín và bố trí dưới các vách ngang kín nước (hình 3.10a). Các nẹp gia cường cho đà ngang kín nước đặt ở khoảng cách quy định không quá 0,9 m. Lỗ thoát nước trên đà ngang đáy phải được đặt ở mỗi bên của đường tâm tàu. Nếu tàu có đáy bằng thì lỗ thoát nước còn đặt ở cạnh dưới của khung hông .
Đà ngang không kín nước gồm đà ngang đặc và đà ngang hở (đà ngang khung).
Đà ngang đặc đặt cách nhau không quá 3,5m ở giữa các đà ngang kín nước và được hàn vào sống chính theo cách hàn đà ngang kín nước (hình 3.10b). Nó được cấu thành từ tấm liền khối có khoét lỗ nhằm giảm trọng lượng tàu và thuận tiện cho việc đi lại, tuy nhiên chiều cao lỗ khoét không quá nửa chiều cao đà ngang và giữa các lỗ khoét cần bố trí nẹp đứng đà ngang cách nhau không quá 1,5 m.
1. Sống chính 2. Đà ngang đặc 3. Lỗ khoét
4. Nẹp đứng đà ngang 5. Sống phụ
H 3.12
Nếu đáy đôi kết cấu theo hệ thống ngang, thì ở khoảng giữa 2 đà ngang đặc tại mỗi mặt sườn phải đặt đà ngang hở (đà ngang khung). Trong mọi trường hợp, khi có mặt đà hở, các đà ngang đặc đặt cách nhau không quá 3,2 m, còn số đà ngang hở bố trí liền nhau không quá 3 đà hở. Đà ngang hở gồm 2 phần thanh liên kết chắc chắn với nhau, phần thanh trên dạng nẹp ngang chạy và gắn vào đáy trong ( gọi là dầm ngang đáy trên), còn phần thanh dưới gắn vào vỏ ngoài tàu (gọi là dầm ngang đáy dưới).
Liên kết mã và thanh chống
Các dầm ngang liên tục từ mạn đến sống chính và liên kết với sống chính, sống hông bằng mã . Các mã được đặt ở hai bên sống chính và ở một phía của các sống phụ. Mã phải có mép bẻ hoặc mép gắn, có chiều dày không nhỏ hơn chiều dày đà ngang đáy tại vùng đó, có chiều rộng không nhỏ hơn 0,05B và được hàn đè lên dầm ngang. Cạnh tự do của mã phải được gia cường. Trên một số tàu người ta đặt các nẹp thép hình thay cho mã (hình 3.11b).
Ngoài còn đặt các thanh chống để liên kết các trung điểm của dầm ngang đáy trên và dầm ngang đáy dưới (hình 3.11c) . Thanh chống thẳng đứng phải là thép cán, không dùng thép dẹt và thép mỏ và được hàn đè vào bản thành của dầm ngang đáytrên và dầm ngang đáy dưới, có diện tích bằng diện tích tiết diện dầm ngang đáy nhỏ hơn.
Sơ đồ bố trí cơ cấu đáy đôi trong hệ thống kết cấu dọc
H 3.13 Đáy đôi hệ thống kết cấu dọc 1. Tôn mạn
2. Tôn vách ngang 3. Sườn mạn 4. Nẹp vách 5. Tôn đáy trên
6. Sống chính 7. Sống phụ 8. Đà ngang đặc
9. Dầm dọc đáy trên và dưới 10. Mã liên kết ( mã ngang)
H 3.14 Mặt cắt ngang giữa tàu 1. Sống chính
2. Sống phụ
3. Dầm dọc đáy dưới 4. Dầm dọc đáy trên 5. Đà ngang đặc 6. Dải tôn giữa đáy 7. Dải tôn liền kề với dải tôn giữa đáy 8. Tôn đáy
9. Dải tôn hông 13. Tôn đáy trên 14. Mã hông 15. Tấm ốp 36. Vây giảm lắc
37. Mã gia cường sống chính 38. Mã gia cường sống hông 39. Đà ngang kín nước 40. Mã đà ngang kín nước
41. Nẹp đứng 42.Thanh chống
43.Lỗ khoét cho đường hàn chui qua
44. Lỗgiảm trọnglượng 45. Sống hông nghiêng 46. Lỗ khoét người chui 49. Tấm đệm chân cột chống
• Sống đáy
Nếu đáy đôi kết cấu theo hệ thống dọc thì giữa các đà ngang đặc phải đặt mã ngang cách nhau không quá 1,75m liên kết tấm sống chính với tôn đáy và với các dầm dọc đáy lân cận. Mã ngang phải được đặt ở mỗi mặt sườn, đi từ sống hông đến dầm dọc đáy dưới và dầm dọc đáy trên kề cận. Tuy nhiên, khi khoảng cách các mã đó lớn hơn 1,25m thì tấm sống chính phải gắn nẹp bổ sung. Nẹp phải là thanh thép dẹt có chiều dày bằng chiều dày của tấm sống chính và chiều cao tiết diện không nhỏ hơn 8% chiều cao tiết diện sống chính.
Trong hệ thống kết cấu dọc, với tàu có chiều rộng vượt quá 12m, ngoài sống chính còn bố trí sống phụ nằm về 2 phía mạn. Khoảng cách giữa sống chính và sống phụ, giữa 2 sống phụ kề nhau (nếu có) không quá 4,6 m. Nẹp đứng ở sống phụ phải bố trí hợp lý, các thanh chống thẳng đứng phải được đặt ở các nửa sống phụ (sống phụ đã được giảm nhẹ bởi các lỗ khoét lớn ) tại mỗi đà ngang hở.
• Dầm dọc đáy trên và dầm dọc đáy dưới
Trên bề mặt vỏ đáy ngoài và sàn đáy trong, giữa các sống phụ có đặt các nẹp dọc cứng (dầm dọc đáy) nhằm tăng độ ổn định của các tấm vỏ. Khoảng cách lớn nhất giữa chúng được quy định trong quy phạm, dao động từ 710mm đến 960 mm với tàu có chiều dài từ 70m đến 180 m . Các dầm dọc đáy trên và dầm dọc đáy dưới nằm cùng mặt phẳng và liên kết với nhau nhờ nẹp đứng đà ngang đặc hoặc nhờ các mã .
Để giảm kích thước các dầm dọc đáy, ở phần giữa nhịp (giữa các đà ngang đặc) có thể đặt các thanh chống ( trụ đứng ) đơn giản liên kết chúng với nhau có độ cao ngang mức đà bị khoét cho dầm dọc chui qua. Dầm dọc kết thúc và hàn với đà ngang kín nước nhờ mã đứng.
1. Mã ngang 2.Đà ngang đặc 3. Dầm dọc đáy dưới 4. Trụ đứng
5. Nẹp đứng sống dọc 6. Mã hông
H 3.15 Liên kết cơ cấu đáy
• Đà ngang
Đà ngang đặc khoét lỗ cho các dầm dọc đáy đi qua. Kích thước các lỗ khoét phải đảm bảo để thành của dầm dọc đáy và sàn đáy trong có thể được hàn với đà ngang đáy. Các đà ngang đặc không kín nước cần được gia cường nhờ các nẹp đứng cách một cặp dầm dọc đáy. Tuy nhiên trên phần lớn các tàu chúng được đặt trên từng cặp. Các nẹp này được làm từ các tấm có chiều dày bằng chiều dày đà ngang và có chiều cao gấp 10 lần chiều dày nhưng không vượt quá 90 mm. Hai đầu của nẹp này được hàn với các dầm dọc .
Ngoài ra có thể thay vì đặt các đà ngang hở trong mặt phẳng của mỗi sườn, ở sống hông, người ta đặt các tấm mã 6 đi tới dầm dọc đáy đầu tiên cạnh mạn. Ở sống chính và sống phụ có đặt một tấm mã ở khoảng giữa các đà ngang đáy. Giữa sống chính và tấm mã, giữa tấm mã và đà ngang đáy được gia cường các nẹp đứng bổ sung.
Trên một vài tàu vận tải để thuận tiện cho việc kiểm tra, sửa chữa các hệ thống đường ống trong vùng đáy đôi, người ta tạo ra một đường hầm có các vách là 2 sống phụ kín nước nằm cạnh nhau. Đường hầm này là kết cấu kín nước đi dọc tàu, xuyên qua các vách ngăn kín nước.
1. Đường hầm 2. Đà ngang đặc 3. Đà ngang kín nước 4. Cột chống khoang 5. Boong 3
6. Cột chống nội boong 7. Boong 2
8. Boong trên
H 3.16
7. Mô hình hóa toàn bộ các kết cấu dàn đáy
Việc mô hình hóa toàn bộ các kết cấu dàn đáy cần tiến hành các bước sau : 1. Mô hình hóa các kích thước hình học và giảm chiều dài không gian:
Khung dàn đáy được biến thành hình chữ nhật có chiều rộng bằng chiều rộng trung bình của đáy, chiều dài bằng khoảng cách giữa hai vách ngăn, độ vát đáy bị bỏ qua,độ cong tôn hông được chuyển hóa sang góc vuông .
2. Với kết cấu vách đủ cứng vững, các kết cấu dọc được coi là bị ngàm ở các vách, đà ngang đáy tựa trên các gối ở mạn tàu.
3. Khung dàn đáy được coi là tập hợp các hệ dàn đáy được lợp bằng tôn đáy. Áp lực nước, áp lực hàng hóa tác động trực tiếp lên tôn vỏ bao, sau đó truyền đến các kết cấu cứng đang làm chức năng panel của khung. Tùy thuộc kết cấu dàn đáy, nếu số lượng đà ngang nhiều, có thể mô hình ngoại lực dưới dạng áp lực phân bổ cho các đà ngang, rồi sau đó các đà ngang tác động đến cả kết cấu dọc
H 3.17a Sơ đồ truyền tải trọng cho dàn đáy kết cấu ngang
H 3.17b Sơ đồ truyền tải trọng cho dàn đáy kết cấu dọc
4. Đặc tính hình học (Mô men quán tính, trục trung hòa, mô đun chống uốn, chống xoắn) của các thanh tạo thành khung phải bao gồm cả kết cấu cứng (đà ngang, sống chính, sống phụ ) và mép tôn kèm.
5. Chiều cao cột áp nước được tính cho trường hợp nguy hiểm dưới dạng hằng số.
6. Dàn đáy đôi có thể được mô hình thành hệ tấm trực hướng: tôn đáy trên và tôn đáy ngoài đóng vai trò hai lớp ngoài cùng của chiều dày tấm, các kết cấu vững (đà ngang , sống dọc) là lớp xen giữa .
Sơ đồ tính toán các cơ cấu đáy
• Tấm đáy chịu áp lực nước
H 3.18 Sơ đồ tính tấm đáy tàu
Tính toán ứng suất pháp trong các tấm vỏ đáy (σ4) được thực hiện như đối với các tấm cứng ngàm cứng ở vành đế và chịu tác dụng của áp lực nước có cột áp với chiều cao tính từ tấm vỏ đến mặt thoáng trên đỉnh sóng.
Trong hệ thống kết cấu ngang, với các tấm có tỉ lệ giữa hai độ dài ≥2 a
b thì ảnh hưởng cạnh ngắn hơn đến uốn tấm không lí n, nên tấm được mô hình hóa thành dạng tấm thép bản (Hình 3.2 a, b). Do tính đối xứng của kết cấu và tải trọng tác dụng, ta có thể coi rằng tấm bị ngàm tại sườn, ứng suất uốn tấm được tính cho các điểm ở trung điểm nhịp của tấm và giữa cạnh dài của tấm.
Trên một đơn vị chiều rộng, tải trọng do áp lực nước gây ra sẽ là :
Qvđ = pvđ.a.0,01 (3.8)
Trong đó : pvđ (KN/ m2 ) là áp lực nước lên vỏ đáy và a(m) là khoảng sườn . Trong hệ thống kết cấu dọc, với các tấm có tỉ lệ giữa hai độ dài ≥2
a
b được mô hình hóa thành dạng tấm tựa trên các nẹp cứng chạy dọc tàu (Hình 3.2 c,d ). Ứng suất do uốn chung của tàu ảnh hưởng không nhiều, ứng suất uốn theo hướng ngang được sử dụng khi tính toán cho các điểm ở giữa tấm và giữa cạnh ngắn của tấm.
• Sống đáy, dầm dọc (nẹp dọc) đáy
Các sống dọc đáy được coi gối lên các đà ngang với độ cứng lớn hơn rất nhiều lần độ cứng sống dọc đáy, khi chiều dài hai khoang kề vách khảo sát chênh nhau không quá 20% thì tại gối đó coi ngàm cứng, trường hợp chiều dài hai khoang kề vách khảo sát chênh nhau quá 20% thì tại gối đó coi như ngàm đàn hồi với hệ số ngàm:
⎟⎟⎠
⎜⎜ ⎞
⎝ + ⎛ ′
⎟⎟⎠
⎜⎜ ⎞
⎝
⎟⎟⎛ ′
⎠
⎜⎜ ⎞
⎝ + ⎛ ′
=
k k
k k k k
l l
l l q q 5 , 0 1
5 , 0 1
3
χ (3.9)
Với:qk;qk′ (tấn/m3) là cường độ tải trọng tác dụng lên hai khoang khảo sát kề nhau lk;lk′ (m) là chiều dài hai khoang khảo sát kề nhau .
H 3.19
Sơ đồ tính dầm dọc đáy tàu 1. Đà ngang đáy 2. Sống đáy
Mô men uốn tính toán cho dầm dọc đáy xác định cho mặt cắt tại gối đỡ:
12 .l
M = Q (t.m) (3.10)
cho mặt cắt giữa nhịp:
24 .l
M =Q (t.m) (3.11)
Trong đó Q là tải trọng lên 1 dầm với chiều dài bằng khoảng cách giữa hai đà ngang l Mỗi một dải nẹp tiếp nhận tải trên một diện tích có chiều dài l và chiều rộng b bằng một nửa chiều rộng tổng khoảng cách giữa nẹp đang xét và hai nẹp lân cận.
Tải tọng tính toán lên một dải nẹp dọc dưới áp lực nước: Q= pdd.b.l (3.12)
hw z lb
T
Q . 2 1⎟ .
⎠
⎜ ⎞
⎝
⎛ + −
=γ khi tàu trên đỉnh sóng (3.13)
hw z lb
T
Q . 2 1⎟ .
⎠
⎜ ⎞
⎝
⎛ − −
=γ khi tàu trên đáy song (3.14)
Trong đó: pdd là áp lực nước tác động lên nẹp dọc ; hWlà chiều cao sóng
z1 là khoảng cách từ mép dưới của nẹp dọc đến mặt thoáng trên đỉnh sóng Để xác định ứng suất pháp do uốn của các nẹp dọc σ3 cần biết mô đuyn chống uốn mặt cắt ngang của các nẹp dọc với các dải tôn mép kèm.
Chiều rộng dải tôn mép kèm: b ≤ l 6 1
• Đà ngang đáy
Tại hông tàu (mạn tàu), đà ngang đầy được coi như ngàm đàn hồi với hệ số ngàm tính như trên và có thể tính cho những trường hợp cụ thể phụ thuộc độ cứng của cơ cấu khảo sát và cơ cấu liên kết. Tuy nhiên khi tính, coi đà ngang bị ngàm cứng tại mạn χ = 1. Mặt khác do tính đối xứng kết cấu và tải trọng, mô hình tính toán còn đơn giản hơn, một nửa chiều dài đà ngang bị ngàm cứng tại sống chính .
Tải trọng tác dụng lên nửa chiều dài đà ngang :
.2 . B
a đn p
Q = đn (3.15)
Trong đó pđn là áp lực nước tác động lên đà : ⎟
⎠
⎜ ⎞
⎝
⎛ +
= . 2w
đn h
T
p γ (3.16)
Khi tàu có vách dọc, nếu khoảng cách khảo sát đà ngang từ vách dọc tới mạn hay giữa vách dọc với nhau chênh không quá 20% thì tại đó đà ngang coi như ngàm cứng χ = 1. Nếu chiều dài 2 khoang kề vách khảo sát chênh nhau quá 20% thì tại đó đà ngang coi như ngàm đàn hồi với hệ số ngàm χ = 1 cho đầu nhịp nhỏ l1 và χ = 0,75 cho đầu nhịp lớn hơn l2
H 3.20 Sơ đồ tính đà ngang đáy tàu
H 3.21 Sơ đồ tính khung dàn đáy tàu
• Hệ thống cơ cấu đà ngang và sống dọc
Trường hợp độ cứng của sống chính không lớn hơn 5 lần so với độ cứng các đà ngang thì có thể liên kết chúng vào hệ khung dàn trực giao để xem xét .
Điều kiện cần để hình thành khung dàn : 0,2 3 5
1
1 ≤
≤ ⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛
K F
k I
I B
L A l
(3.17) Trong đó: IF, IK (cm4) là mô men quán tính mặt cắt ngang đà ngang và sống chính tàu . B1 là chiều rộng tàu tàu tại khu vực đang xét .
L1là chiều dài khoang đang xem xét .
Trong thực tế các hệ số ngàm đàn hồi xác định không đơn giản. Có thể sử dụng một số công thức kinh nghiệm sau :
Các đà ngang được coi là ngàm đàn hồi tại mạn với hệ số :
W F F
I I B H 3 1 2
1 + χ =
(3.18)
trong đó : IW (cm4) là mô men quán tính mặt cắt ngang sườn khỏe tàu .
Trường hợp không thể xác định chính xác hệ số này, người ta coi hệ số ngàm tại mạn thành ngàm cứng .
Hệ số ngàm sống chính tại vách ngang cũng được mô hình hóa bằng cách tương tự:
χ = 1 nếu chiều dài 2 khoang kề cận không vượt xa nhau 20% .
Trường hợp 3 5
1
1 ⎟⎟>
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛
K F
k I
I B
L A
l ta không đưa bài toán về dạng khung dàn mà
coi các đà ngang đáy trở thành những gối cứng cho các sống dọc, sống chính và sống phụ trong hệ thống ngang chịu tác động phản lực các kết cấu ngang vì khi đó khoảng cách giữa các đà ngang nhỏ, ứng suất cục bộ trong sống dọc không lớn .
8. Tính toán chiều dày tôn đáy
Xem 2A – 2B chương14 Quy phạm phân cấp & đóng tàu biển vỏ thép TCVN 6259 Xem 2.4.1-2 và bảng 2/2.16 Quy phạm phân cấp & đóng tàu sông TCVN 5801 9.Tính toán các cơ cấu đáy
Xem 2A – 2B chương 3,4 Quy phạm phân cấp & đóng tàu biển vỏ thép TCVN 6259 Xem 2.4.4 và 2.4.5 Quy phạm phân cấp & đóng tàu sông TCVN 5801