1.2. MỘT SỐ VẤN ĐỀ TRONG THIẾT KẾ KẾT CẤU TÀU
1.2.2. Phân tích , lựa chọn hình thức bố trí kết cấu
So sánh hai hình thức kết cấu dọc và ngang
Hệ thống kết cấu ngang đã ra đời từ rất lâu, từ thời đại của tàu gỗ xa xưa và tồn tại đến nay với những ưu điểm riêng của nó. Hệ thống kết cấu dọc mới xuất hiện ở những thập niên đầu của thế kỷ 20, song những ưu điểm nổi bật của nó vẫn được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trong đóng tàu. Việc lựa chọn hình thức bố trí kết cấu tàu phụ thuộc rất nhiều yếu tố như độ bền, độ ổn định, điều kiện thi công, mục đích sử dụng cũng như giá thành đóng mới. Phân tích các yếu tố ảnh hưởng để đưa ra một lựa chọn kết cấu thích hợp chính là nhiệm vụ của người thiết kế tàu.
Về độ bền
Hệ thống kết cấu dọc có khối lượng các kết cấu dọc liên tục nhiều, có lợi cho độ bền dọc chung thân tàu vì các nẹp dọc cứng đồng thời là các liên kết của thanh tương đương và làm tăng mô men chống uốn của thanh tương đương, nâng cao khả năng chống uốn dọc toàn tàu đồng thời làm giảm ứng suất dọc của uốn cục bộ trên tấm, do đó làm giảm ứng suất hợp thành hướng dọc.
Hệ thống kết cấu ngang làm cho sức bền ngang tăng lên, thuận lợi cho khả năng chống sức ép ngang của tải trọng nước và hàng hóa lên mạn tàu .
Do đó, tàu biển nên sử dụng hệ thống kết cấu dọc. Tàu hoạt động trong vịnh, trên sông, tàu có chiều rộng lớn nên sử dụng hệ thống kết cấu ngang .
Về độ ổn định tấm
Hệ thống kết cấu dọc đảm bảo tốt hơn sự ổn định của các tấm sàn boong và vỏ đáy. Hệ thống kết cấu ngang có nhược điểm cơ bản là trong trường hợp chiều dày các tấm sàn boong và vỏ ngoài rất nhỏ, khó đảm bảo sự ổn định của chúng dưới tác dụng của các lực nén. Một tấm gối lên vành đế có dạng chữ nhật khi bị nén theo chiều dài sẽ mất ổn định với ứng suất cao gấp 4 lần so với trường hợp bị nén theo cạnh ngắn. Điều này chứng tỏ rằng đặt các tấm của khung dàn boong và đáy chạy dọc tàu có thể làm cho các khung dàn đó chịu được ứng lực nén lớn hơn rất nhiều.
Về khối lượng kết cấu
Với tàu lớn, hệ thống kết cấu dọc có thể giảm đáng kể khối lượng thân tàu so với hệ thống kết cấu ngang. Với tàu cỡ trung, khối lượng thân tàu của hai hệ thống kết cấu là xấp xỉ nhau. Với tàu nhỏ, ứng suất do uốn dọc gây ra không lớn, khối lượng thân tàu ở hệ thống kết cấu dọc lớn hơn ở hệ thống kết cấu ngang.
Về công nghệ
Khi kết cấu hệ thống dọc, các cơ cấu dọc nhiều, tính liên tục của cơ cấu bị vi phạm. Với tàu có số vách ngăn ngang lớn thì hệ thống kết cấu dọc gây ra những khó khăn lớn trong việc đảm bảo tính liên tục của các nẹp dọc cứng và khó khăn cho việc
đảm bảo độ kín nước cho các vách ngăn tại nơi các thanh dọc đi qua. Hơn nữa số lỗ khoét trên cơ cấu ngang (để cơ cấu dọc đi qua) nhiều, làm tăng khối lượng khoét lỗ, tăng các chi tiết liên kết gia cường và tăng mối nối hướng dọc, dẫn đến làm tăng khối lượng hàn, đồng thời lắp ráp theo phương pháp phân chia phân tổng đoạn phức tạp hơn. Hệ thống kết cấu dọc khó cho công nghệ gia công, lắp ráp đặc biệt đối với những tàu cỡ trung và cỡ nhỏ có hình dáng cong thay đổi tương đối lớn, dầm dọc đáy tàu và sườn dọc mạn tàu phải gia công, hỏa công, việc lắp ráp khá phức tạp.
Kết cấu hệ thống ngang thì ngược lại, sẽ có lợi cho thi công và lắp ráp.
Về sử dụng
Kết cấu hệ thống ngang lợi hơn nhiều hệ thống kết cấu dọc (nhất là với tàu hàng lỏng). Ở hệ thống kết cấu dọc, cơ cấu thành cao nhiều (xà khỏe, sườn khỏe) thường làm mất dung tích chở hàng (nhất là với tàu hàng khô) và làm tăng khối lượng công việc làm sạch khoang hàng (đặc biệt đối với tàu dầu).
Nguyên tắc lựa chọn hình thức bố trí kết cấu
Chọn hình thức kết cấu tàu phải đảm bảo yêu cầu về độ bền, độ ổn định, sử dụng thuận tiện, công nghệ dễ dàng, trọng lượng tối thiểu, giá thành thấp.
Một số yêu cầu chủ yếu trong bố trí kết cấu
Tính liên tục và giảm tập trung ứng suất
Bố trí kết cấu phải đảm bảo tính liên tục. Cố gắng kéo dài liên tục các kết cấu dọc về phía mũi, lái. Tránh tất cả các kết cấu dọc gián đoạn trong cùng một mặt cắt ngang. Đối với các cơ cấu dọc không thể kéo dài về phía trước và phía sau, ở chỗ gián đoạn phải giới hạn so le tối thiểu 2 khoảng sườn, giảm nhỏ dần, tránh thay đổi tiết diện đột ngột. Chỗ kết thúc gián đoạn két cấu hoặc mặt cắt thay đổi đột ngột, dễ phát sinh ứng suất tập trung, cần phải gia cường thích đáng
Truyền lực có hiệu quả
Sau khi chịu tác dụng của ngoại lực, các bộ phận kết cấu có thể truyền lực một cách có hiệu quả đến các kết cấu liên kết với chúng , không để một bộ phận kết cấu đơn độc chịu tác dụng của ngoại lực.
Gia cường cục bộ
Phải gia cường kết cấu ở mũi tàu và khu vực chịu áp lực động của lái khi chân vịt làm việc, ở phía đuôi tàu. Những vị trí có bố trí các thiết bị nặng, chỗ có lỗ khoét, đều phải được gia cường. Đáy tàu chạy vùng nước cạn cũng phải được gia cường.
Lựa chọn hình thức bố trí kết cấu cho một số loại tàu
Tàu hàng khô
Tàu cỡ nhỏ (L< 80 m) thì hầu hết bố trí kết cấu hệ thống ngang.
Tàu có chiều dài 80m < L < 100 m, khoang máy bố trí ở giữa tàu thì hầu hết bố trí kết cấu hệ thống ngang có lợi về mặt khối lượng kết cấu, yêu cầu thi công và sử dụng đồng thời giúp cho tàu cân bằng tốt hơn khi không hàng. Với loại tàu hàng có chiều dài L ≈ 100 m, để tranh thủ chiều cao giữa các tầng boong, tiện cho việc bố trí các buồng, nên ứng dụng hệ thống kết cấu ngang cho mạn và boong là thích hợp .Boong trung gian của tàu hàng khô cách trục trung hòa của dầm tương đương tương đối gần, chịu ứng suất uốn dọc toàn tàu tương đối nhỏ. Về mặt sức bền, không nhất thiết chọn hệ thống kết cấu dọc. Mặt khác, từ yêu cầu về dung tích khoang hàng, nên lựa chọn hệ thống kết cấu ngang. Thông thường, mạn tàu hàng khô được thiết kế theo hệ thống kết cấu ngang, tiện cho việc xếp hàng và thi công, chỉ trong một số trường hợp đặc biệt mới thiết kế theo hệ thống kết cấu dọc. Khoang máy ở đuôi tàu thì boong chịu lực và đáy kết cấu hệ thống dọc đáp ứng tính ổn định tấm (boong một số ít trường hợp có thể kết cấu ngang), vùng còn lại kết cấu hệ thống ngang .
Tàu cỡ trung L ≥ 100m, boong,đáy vùng giữa kết cấu hệ thống dọc;
mạn, mũi, đuôi kết cấu hệ thống ngang
Tàu cỡ lớn L ≥ 180m, boong, đáy, mạn, vùng giữa kết cấu dọc ; mũi, đuôi kết cấu ngang. Với tàu hàng khô cỡ lớn, tàu chở hàng nặng, tàu có boong khoét lớn, có két dầu mạn , két nước mạn, do yêu cầu của sức bền dọc toàn tàu nên mạn có thể thiết kế hệ thống kết cấu dọc.Với tàu hàng khô cỡ trung và lớn có tỷ số L/H > 12, để giảm nhẹ khối lượng kết cấu, tiết kiệm sắt thép thì đáy và boong chịu lực được thiết kế hệ thống kết cấu dọc hoặc chỉ boong chịu lực kết cấu dọc ( hình thức sau áp dụng phần lớn cho tàu hàng khô cỡ vạn tấn )
Tàu khách
Để tăng độ bền dọc chung thân tàu, áp dụng hệ thống kết cấu dọc cho boong thượng tầng thứ nhất, các boong trung gian hệ thống kết cấu ngang. Để tranh thủ chiều cao giữa các tầng boong, tiện cho việc bố trí các buồng ứng dụng hệ thống kết cấu ngang cho mạn. Hình dáng tàu tương đối gầy, để tiện cho thi công, phần đáy tàu nên ứng dụng hệ thống kết cấu ngang
Tàu khách cỡ nhỏ chạy sông hầu hết bố trí kết cấu hệ thống ngang. Nếu tàu khách chạy biển, dàn boong thường kết cấu hệ thống dọc.
Tàu cỡ vừa thì boong, đáy kết cấu hệ thống dọc, còn lại kết cấu ngang.
Tàu cỡ lớn thì boong thượng tầng 1, đáy kết cấu dọc, các tầng boong khác kết cấu ngang , mạn , mũi, đuôi kết cấu hệ thống ngang.
Tàu dầu
Tỷ trọng của tàu dầu lớn so với các tàu loại khác nên thông thường boong, đáy thiết kế hệ thống kết cấu dọc, mạn tàu thường kết cấu hệ thống dọc nhiều ưu điểm hơn
hệ thống kết cấu ngang (nhất là với tàu dầu cỡ lớn trọng tải ≥ 20000 T) để nâng cao ổn định của các tấm mạn và có thể giảm độ dày của tôn, tiết kiệm một phần sắt thép, làm giảm khối lượng thân tàu; song công nghệ phức tạp, việc vệ sinh làm sạch khoang hàng khó khăn .
Với tàu có trọng tải từ 15.000 T đến 20000 T trở xuống thì mạn kết cấu hệ thống ngang .
Tàu có trọng tải > 15.000 T thì toàn bộ các dàn vùng giữa tàu kết cấu ở hệ thống dọc (nâng cao ổn định tấm, giảm tải trọng động) .
Hiện nay yêu cầu tàu dầu chạy biển cần phải có đáy đôi, mạn kép .