3.2.1. Giới thiệu chung:
3.2.1.1. Cơng dụng, vùng hoạt động, quy phạm áp dụng:
- Tàu thiết kế thuộc loại tàu khách, vỏ FRP, một boong, một boong thượng tầng, kết cấu đáy đơn, mạn đơn, buồng máy đặt ở đuơi.
- Vùng hoạt động: Hoạt động ở vịnh Nha Trang (vùng hạn chế III).
- Kết cấu tàu được tính theo qui phạm: Qui phạm kiểm tra và chế tạo các tàu làm bằng chất dẻo cốt sợi thủy tinh TCVN6282:2003 [1] và các qui phạm liên quan.
3.2.1.2. Các thơng số cơ bản và tỉ số kích thước của tàu:
- Chiều dài lớn nhất: Lmax = 18,50 (m)
- Chiều dài thiết kế Ltk = 16,11 (m) - Chiều rộng thiết kế Btk = 5,0 (m) - Chiều cao mạn tàu H = 2.0 (m) - Chiều chìm T = 0,9 (m) - Lượng chiếm nước D = 16,25 (tấn) - Tốc độ chạy tàu V = 10,5 (hảilý/h)
3.2.2. Lựa chọn hệ thống kết cấu:
- Tàu được thiết kế theo hệ thống kết cấu ngang trên suốt chiều dài. - Khoảng cách sườn thực là S = 500 mm.
- Kết cấu đáy dạng đáy đơn.
- Đà ngang đáy, cong sườn, đà ngang boong, sống dọc đáy cĩ kết cấu rỗng. Đà ngang đáy, cong sườn được tạo dáng thành khung phẳng tại mỗi mặt sườn.
- Các vách ngang cĩ kết cấu 1 lớp được gia cường bằng các đố vách đứng và ngang. - Ky chính dạng hộp cĩ bê tơng gia cường ở các vị trí thích hợp để tăng độ ổn định cho tàu.
- Thượng tầng cĩ kết cấu sandwich, đúc liền trong khuơn sau đĩ lắp ráp với vỏ tàu. - Boong cĩ kết cấu sandwich, bề mặt cĩ phủ khía chống trượt.
3.2.3. Bố trí chung tàu thiết kế:
Thiết kế bố trí chung tồn tàu ảnh hưởng trực tiếp đến yêu cầu sử dụng, tính năng hàng hải và tính kinh tế của tàu. Tàu thủy khơng chỉ là một phương tiện giao thơng vận tải, đánh bắt mà cịn là một cơng trình kiến trúc nổi trên mặt nước. Do đĩ, bố trí thiết kế chung tàu ngồi việc đảm bảo an tồn, cơng dụng hợp lý về kỹ thuật…cịn phải chú ý đến tính thẩm mỹ, tâm sinh lý người sử dụng. Thiết kế bố trí chung là một khâu quan trọng trong quá trình thiết kế mới một con tàu.
Các nguyên tắc khi bố trí:
- Đảm bảo Dung tích các khoang.
- Ảnh hưởng bố trí các khoang đối với nghiêng ngang, nghiêng dọc và chiều cao trọng tâm của tàu.
- Đảm bảo điều kiện thuận lợi trong thao tác di chuyển và sinh hoạt trên tàu. - Lắp đặt thiết bị hợp lý, thao tác dễ dàng, an tồn.
- Khi bố trí cần phải tuân thủ đúng yêu cầu của quy phạm.
3.2.3.1. Đặc điểm bố trí tàu khách thiết kế:
Thứ nhất: Phải thỏa mãn yêu cầu sức chở từ nhiệm vụ thiết kế.
Thứ hai: Thuận tiện cho việc di chuyển cũng như sinh hoạt của khách và thuyền viên.
Thứ ba: Phải cĩ tính thẩm mĩ và tính ổn định.
Qua thực tế tìm hiểu một số khách ở Khánh Hịa thì việc bố trí chung tương đối hồn chỉnh, phù hợp với điều kiện luồng lạch của vùng biển Khánh hịa.
3.2.3.2. Bố trí và phân chia các khoang:
Khoảng cách sườn:
Khoảng cách sườn được tính theo yêu cầu của quy phạm cụ thể như sau: + Khoảng cách chuẩn của sườn là 500 mm.
+ Ở trước của 0,2L tính từ mũi tàu và ở ngăn đuơi khoảng cách sườn phải khơng lớn hơn 500 mm.
Vậy chọn khoảng cách sườn chung tồn tàu bằng 500(mm).
S = 500(mm). Phần trên boong:
- Bố trí 2 tầng boong: Ghế ngồi cho hành khách được bố trí thành 2 hàng ở khu vực giửa tàu và cĩ bàn.
- Từ sườn 2 ÷7 bên mạn trái: Được bố trí nhà bếp phục vụ nấu ăn cho khách và thuyền viên.
- Từ sườn 2 ÷ 7 bên mạn phải: Được bố trí nhà vệ sinh để thuận tiện chứa nước thải. - Từ sườn 7 ÷ 32 boong chính và sườn 7 ÷ 22 boong tầng một: Là boong hành khách. - Từ sườn 22 ÷ 26 boong tầng một: Được bố trí Cabin lái, Cabin lái gồm một bàn lái, tại đây lắp đặt bàn điều khiển, cần gạt tay ga tay số, các bệ mặt đồng hồ, dụng cụ, thiết bị điện tử…Bàn lái được bố trí trên sàn lái.
Phần dưới boong:
Tàu được chia làm 7 khoang kín nước là: Hầm máy, hầm chứa nhiên liệu và hầm dầu bơi trơn, ba hầm chứa nước ngọt, hầm chứa tạp vật và hầm mũi.
- Hầm máy: bố trí từ sườn 7 đến sườn 16. Chứa máy chính, bơm hút khơ, bình ắc quy các hệ thống đường ống, két dầu bơi trơn và két nhiên liệu. Máy chính được bố trí từ sườn 11 đến sườn 16. Hệ thống truyền động là bộ truyền động với hộp số bố trí dạng chữ V, đây là kiểu bố trí đưa lại hiệu quả cao trong tiết kiệm khoảng khơng trong tàu. Miệng hầm cĩ kích thước 800x600 mm.
- Hầm chứa nhiên liệu: Bố trí từ sườn 16 đến sườn 20. Chứa các két nhiên liệu. Miệng hầm cĩ kích thước 500x400 mm.
- Hầm chứa nước ngọt: hai hầm được bố trí từ sườn 20 đến sườn 23 và từ sườn 23 đến sườn 26. Chứa các két nước ngọt, ngồi ra cịn bố trí 1 hầm nước ngọt tại sườn 4 đến sườn 7 phục vụ nhà bếp. Miệng hầm cĩ kích thước 500x400 mm.
- Hầm chứa tạp vật: Bố trí từ sườn 26 đến sườn 29. Các dụng cụ cần thiết cho tàu được đặt tại đây. Miệng hầm cĩ kích thước 500x400 mm.
- Hầm mũi: được bố trí từ sườn 29 về mũi. Tại đây bố trí hầm xích. Miệng hầm cĩ kích thước 800x800 mm.
Sơ đồ phân khoang:
Trên cơ sở khoảng cách sườn đã xác định chia chiều dài tàu ra làm 34 khoảng sườn thực với khoảng cách sườn ở các khu vực như sau:
- Khoảng sườn vùng đuơi 0,5m
- Khoảng sườn vùng giữa tàu 0,5m
- Khoảng sườn vùng mũi 0,5m
Theo quy định về phân khoang của Quy phạm[1], điều 13.1 (vách kín nước) và dựa vào nhiệm vụ thiết kế, phân khoang tàu thiết kế. Với chiều dài tàu 18,50(m) ta phân tàu chia làm 8 vách ngang và 1 vách dọc.
Phân khoang kín nước cĩ 7 khoang như sau:
+ Khoang máy gồm 9 khoảng sườn (từ sườn 7 đến sườn 16) L1 = 4500 mm.Trong khoang máy bố trí hai két dầu.
+ Khoang nhiên liệu gồm 4 khoảng sườn (từ sườn 16 đến sườn 20) L2 = 2000 mm.
+ Khoang nước ngọt 1 gồm 3 khoảng sườn (từ sườn 4 đến sườn 7) L3 = 1500 mm.
+ Khoang nước ngọt 2 gồm 3 khoảng sườn (từ sườn 20 đến sườn 23) L4 = 1500 mm.
+ Khoang nước ngọt 3 gồm 3 khoảng sườn (từ sườn 23 đến sườn 26) L5 = 1500 mm.
+ Khoang chứa tạp vật gồm 3 khoảng sườn (từ sườn 26 đến sườn 29) L6 =1500 mm.
+ Khoang mũi gồm 5 khoảng sườn (từ sườn 29 đến sườn 34), L7 = 2500 mm.
Kết quả tính và chọn trên ta xây dựng được bản vẽ bố trí chung tàu thiết kế.
3.3. Tính tốn thiết kế kết cấu: 3.3.1. Vật liệu: 3.3.1. Vật liệu:
3.3.1.1. Đặc trưng vật lý của vật liệu FRP:
- Nhựa nền được sử dụng là loại nhựa nhập khẩu: 9509 (Indonesia). - Cốt gia cường:
Khi chế tạo vỏ tàu, sợi gia cường chủ yếu được sử dụng ở 2 dạng: + Mát (CSM): cĩ trọng lượng 450g/m2
+ Vải thơ(WR): cĩ trọng lượng 800g/m2
Hàm lượng nhựa – sợi trong vật liệu khi gia cơng bằng tay : + Với Mát(CSM): Wf = (30÷35)% (về trọng lượng) + Với Vải thơ(WR): Wf = (45÷55)% (về trọng lượng)
Trong đĩ thường gặp nhất là : 33% và 50% (tương ứng với CSM và WR) Nếu bỏ qua ảnh hưởng của bọt khí thì chiều dày mỗi lớp được tính như sau:
(cm) (3.7) Với:
ωf : trọng lượng trên 1m2 của sợi (g/cm2) Wf : hàm lượng sợi trong FRP
df ,dm:trọng lượng riêng của sợi và nhựa (g/cm3) Như vậy với chiều dày δ, số lớp cần thiết là:
Trường hợp GRP gồm nhiều lớp CSM và WR kết hợp với nhau ,ta cũng dễ dàng xác định được số lớp WR và số lớp CSM cần thiết để tạo nên chiều dày δ khi biết được quy luật phân bố giữa WR và CSM.
Tĩm lại, để đạt được chiều dày tấm FRP theo yêu cầu thiết kế ta phải biết các thơng số:
- Quy luật sắp xếp nhựa – sợi. - Các thơng số: ωf, Wf, df, dm.
3.3.1.2. Trọng lượng riêng của nhựa và sợi:
Trọng lượng riêng của nhựa và sợi cĩ giá trị: Sợi thủy tinh dạng CSM: dM = 2,5 g/cm3 Sợi thủy tinh dạng WR: dWR = 2,55 g/cm3 Nhựa polyester khơng no: dP =1,15 g/cm3
3.3.1.3. Xác định chiều dày lớp FRP:
Việc xác định chiều dày lớp GRP được thực hiện theo cơng thức 3.7.
Với tấm GRP cĩ cốt là một lớp CSM loại 450g/m2.
Ta cĩ: ωf = 450g/m2 = 0,045g/cm2. Wf = 0,33
dm = 1,15g/cm3. df = 2,5g/cm3.
Thay vào 2.1 ta được: tp = 0,1 cm = 1mm.
Với tấm FRP cĩ cốt là một lớp WR loại 800g/m2.
Với loại này ta cĩ: ωf = 800g/m2 = 0,08g/cm2. Wf = 0,5
dm = 1,15 g/cm3. df = 2,55g/cm3.
Thay vào 2.1 được: t = 0,1cm = 1mm.
3.3.1.4. Xác định trọng lượng riêng của tấm FRP:
a. với tấm FRP cốt CSM:
Hay .
Với: Wf = 0,33; pf = 2,5 cm3 ; Wm = 0,67; pm= 1,15 g/cm3.
Thay vào cơng thức trên được trọng lượng riêng của tấm GRP cốt CSM là:
pt1 = 1,4 g/cm3.
b. với tấm FRP cốt WR:
Tương tự như trên, bằng cách thay :
Wf = 0,5; pf = 2,55 cm3 ; Wm = 0,5; pm= 1,15 g/cm3. Cĩ trọng lượng riêng của tấm GRP cốt WR là:
pt2 = 1,6 g/cm3.
c. Tính chọn khối lượng riêng tấm hỗn hợp cấu tạo kết cấu, vỏ tàu thiết kế:
Vỏ tàu hay kết cấu tàu thiết kế cĩ cấu tạo hỗn hợp gồm nhiều lớp, ở tàu thiết kế ta chọn thành phần hỗn hợp tấm gồm : 70% tấm cốt WR và 30% tấm cốt CSM để tạo nên tấm hỗn hợp.
Khối lượng riêng tâm hỗn hợp chọn sẽ là :
P = (30.pt1 + 70.pt2)/100 = 1,54 g/ cm3 = 1540 kG/m3
3.3.2. Độ bền vật liệu:
Vỏ tàu được chế tạo từ vật liệu FRP (Fiberglass Reinforced Plastic), trong đĩ: - Vật liệu cốt là sợi thủy tinh dạng Matting và Roving sắp xếp xen kẽ nhau. - Vật liệu nền là nhựa Polyester khơng no, loại được Đăng kiểm Lloyd cho phép sử dụng.
Độ bền của vật liệu được xác định tại Phịng thí nghiệm của Viện NCCT Tàu Thủy (Mã số của phịng thí nghiệm: VR LAB. 02, theo CHỨNG CHỈ CƠNG NHẬN số 101/03CN01-1 do Đăng kiểm Việt nam cấp ngày 01/08/2003), trên máy kiểm nghiệm vật liệu loại Hounsfield của Anh quốc, cĩ các giá trị cơ bản sau :
STT Đại lượng Độ bền theo qui phạm Độ bền thực tế 1 Độ bền kéoσT (kG/mm2) 10 19 2 Mođun đàn hồi kéo(kG/mm2) 700 900 3 Độ bền uốn σB(kG/mm2) 15 21 4 Mơđun đàn hồi uốn(kG/mm2) 700 1200
Dựa vào bảng trên ta thấy, độ bền của vật liệu hồn tồn đáp ứng được các yêu cầu của qui phạm ( Trang 10, mục 1.3.4 TCVN 6282-2003).
3.3.3. Tính chọn kết cấu theo Qui Phạm:
Theo Qui Phạm [1] ta cĩ:
- Với kết cấu vỏ một lớp, kích thước các cơ cấu quy định trong Quy phạm này cĩ thể được thay đổi bằng cách nhân với hệ số KB sau đây nếu được tạo hình bằng FRP cĩ độ bền lớn hơn quy định : kB = B σ 15 = = 21 15 0,845
- Đối với mơ đun chống uốn (kể cả mơ đun chống uốn của tiết diện ngang thân tàu) hệ số được tính theo cơng thức sau đây: kT =
T σ 10 = 6 , 20 10 = 0,526. 3.3.3.1.Lớp vỏ:
a. Lớp vỏ giữa đáy(vỏ ky đáy):
- Chiều rộng b khơng cần lớn hơn 0,2B
0,2B = 1000 mm
- Chiều rộng hoặc chiều rộng đo theo mặt đáy khơng nhỏ hơn trị số tính theo cơng thức :
530+14,6L =765 mm Ta chọn : b = 800 mm
-Chiều dày khơng nhỏ hơn trị số tính theo cơng thức : 9+0,4L = 15,44
Vậy nên chiều dày lớp vỏ giữa đáy tính theo độ bền vật liệu là:
t = 15,44.kB =15,44.0,845 =13,046 mm.
Để đảm bảo độ bền va đập chọn kết cấu ky chính tk = 13,046x1,5 = 19,57 (mm) Ta chọn tk = 20 (mm).
b. Lớp vỏ bao ở đoạn giữa tàu: Lớp mạn:
Chiều dày của lớp mạn là kết cấu một lớp phải khơng nhỏ hơn trị số tính theo cơng thức: 15S d+0.026L (mm)
Trong đĩ:
S : Khoảng cách sườn (S = 0.5 m) ,
d : Chiều chìm (d = 0,9m),
L : Chiều dài tàu (L = 16,11m).
tmạn = 15S*(d+0,026L)^0,5 = 8,612 (mm)
Vậy nên chiều dày lớp vỏ mạn tính theo độ bền vật liệu là:
tm= 8,612.kB =8,612.0,845 = 7,277 mm Ta chọn: tm = 9 (mm)
Lớp đáy:
Chiều dày của lớp đáy là kết cấu một lớp phải khơng nhỏ hơn trị số tính theo cơng thức:
15,8S d +0.026L (mm) Trong đĩ :
S : Khoảng cách sườn (S = 0,5 m) ,
d : Chiều chìm (d = 0,9m),
L : Chiều dài tàu (L = 16,11m).
tđáy=15,8S*(d+0,026L)^0,5 =9,085 (mm) Theo độ bền vật liệu thì:
tđ =9,085.0,845 =7,677 mm Ta chọn : tđ = 9 (mm).
c.Lớp vỏ bao ở các đoạn mút:
Ra ngồi đoạn giữa tàu, chiều dày của lớp vỏ bao cĩ kết cấu một lớp cĩ thể giảm dần. Ở các đoạn mút, chiều dày này cĩ thể bằng 0,85 chiều dày lớp vỏ bao ở các đoạn giữa tàu.( tm , tđ theo độ bền vật liệu)
Lớp mạn: tmútmạn = 0,85tm = 6,18 (mm) Ta chọn: tmm = 9 (mm), (để dễ thi cơng). Lớp đáy: tmútđáy = 0,85tđ = 6,525 (mm) Ta chọn: tmđ = 9 (mm), (để dễ thi cơng). d.Lớp vỏ bao ở đoạn đáy gia cường mũi tàu:
Chiều dày lớp vỏ bao ở đoạn đáy gia cường mũi tàu cĩ kết cấu một lớp phải khơng nhỏ hơn trị số tính theo cơng thức sau đây:
CS (mm) Trong đĩ:
C: Hệ số cho ở Bảng 2.3. Với các trị số trung gian của α thì C được tính theo phép nội suy tuyến tính.(C = 5,36).
Bảng 3.4 Trị số của C.
Α 1 1.2 1.4 1.6 1.8 >=2
C 5.36 5.98 6.37 6.62 6.75 6.81
S: Khoảng cách sườn, khoảng cách các sống hoặc khoảng cách các nẹp dọc của vỏ lấy trị số nào nhỏ hơn (S = 0,5m).
α: Khoảng cách các sườn/ khoảng cách các sống hoặc khoảng cách các nẹp dọc của vỏ bao (m), lấy trị số nào lớn hơn chia cho S. (α = 0,5/0,5 = 1).
Lớp đáy gia cường mũi tàu: tgcm= CS*L^0.5 = 10,753 (mm) Theo độ bền vật liệu thì:
tgcm= 10,753.0,845 = 9,087 (mm)
Để đảm bảo độ bền va đập chọn lớp vỏ ở đoạn đáy gia cường mũi tàu:
e. Lớp vỏ bao của thượng tầng:
Ở đoạn giữa tàu : ttg = 0,8tm ( tm : độ dày lớp mạn ) ttg = 0,8 x 8,612 = 6,89 (mm) Theo độ bền vật liệu : ttg = 6,89x0,845 = 5,822 (mm) Ta chọn ttg = 7 (mm). Ở các đoạn mút : ttm = 0,8tmm = 0,8.9 = 7,2(mm) Theo độ bền vật liệu : ttg = 7,2x0,845 = 6,084 (mm) Ta chọn ttg = 7 (mm). (Để dễ thi cơng)
3.3.3.2. Chiều dày tối thiểu của boong:
a. Boong giữa tàu:
Trong hệ thống kết cấu ngang, chiều dày của lớp boong trên ở đoạn giữa tàu phải khơng nhỏ hơn trị số tính theo cơng thức sau đây: 18.2S h (mm).
Trong đĩ:
S: Khoảng cách các xà ngang (m);
h: Tải trọng boong (t/m2), theo quy định 8.2.3 thì h = 0,46 (t/m2). Boong chỉ dùng cho sinh hoạt h = 0,46 t/m2
Boong thời tiết:
Trước 0,3L (h= 0.051L+0.46)h=1,28 (t/m2) Sau 0,3L (h= 0.027L+0.46)h=0,89 (t/m2) tb = 18,2S h =6,171 (mm) Theo độ bền vật liệu thì : tb = 6,171.0,845 = 5,215( mm) Ta chọn: tb = 8 (mm).
b. Boong ngồi đoạn giữa tàu:
Chiều dày của lớp boong trên ở ngồi đoạn giữa tàu và chiều dày của các lớp boong khác phải khơng nhỏ hơn trị số tính theo cơng thức sau đây :
Trong đĩ:
S : Khoảng cách các xà ngang (m);
h : Tải trọng boong (t/m2), theo quy định 8.2.3 thì h = 0,46 (t/m2). tb = 13S h =4,4( mm)
Theo độ bền vật liệu thì : tb = 4,4.0,845 = 3,718 (mm)
ta chọn : tb = 8 (mm). (Để dễ thi cơng)
3.3.3.3. Sườn, dầm dọc mạn :
a. Sườn sau 0.15L tính từ mũi:
Mơ đun chống uốn tiết diện của sườn ngang ở phía sau của 0.15L tính từ mũi tàu phải khơng nhỏ hơn trị số tính theo cơng thức sau đây:
32Shl2 (cm3) Trong đĩ:
S: Khoảng cách sườn(m). (S = 0.5m),
l: Khoảng cách thẳng đứng từ mặt trên lớp đáy trên hoặc từ mặt đà ngang của đáy đơn ở mạn đến mặt trên của xà ngang boong, tại mạn (m). Với những sườn ở phía sau của 0,25L tính từ mũi tàu, l được đo ở giữa tàu. Với những sườn ở từ 0,25L đến 0,15L tính từ mũi tàu, l được đo từ 0,25L tính từ mũi tàu. (l = 1,9 , chọn đo ở giữa tàu).
h: Khoảng cách thẳng đứng từ mút dưới của l ở chỗ được đo đến điểm ở
d+0,026L (m) cao hơn điểm chân của D. Tuy nhiên, nếu khoảng cách đĩ nhỏ hơn