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 0,5D (m) thì h được lấy bằng 0,5D (m). (h = 1.32).
Mơđun chống uốn tiết diện ngang: 32Shl2 = 76,243 cm3
Theo độ bền vật liệu thì Mơđun chống uốn tiết diện ngang bằng: 76,243.kT = 76,243.0,526 = 40,104 cm3
Chọn kết cấu cĩ kích thước: bxhxt = 60x90x10 (mm) Cĩ mơđun chống uốn tiết diện ngang là: 79,92 cm3
b. Sườn trước 0,15L tính từ mũi:
Mơ đun chống uốn của sườn ngang ở phía trước của 0,15L tính từ mũi tàu phải khơng nhỏ hơn trị số theo cơng thức sau đây:
(cm3) Trong đĩ:
S, h và l : Như quy định ở -1. Tuy nhiên, l được đo ở 0,15L tính từ mũi tàu.
h = 1,32
l = 1,7 (m).
Mơđun chống uốn tiết diện ngang: 37.5Shl2 = 71,528 cm3
Theo độ bền vật liệu thì Mơđun chống uốn tiết diện ngang bằng: 71,528. = 71,528.0,526 = 37,624 cm3.
Chọn kết cấu cĩ kích thước : bxhxt = 60x90x10 (mm). (để dễ thi cơng) Cĩ mơđun chống uốn tiết diện ngang là: 79,92 (cm3).
c. Dầm dọc mạn:
Mơ đun chống uốn tiết diện của dầm dọc mạn ở dưới boong trên tại đoạn giữa tàu phải khơng nhỏ hơn trị số tính theo cơng thức sau đây:
49Shl2 (cm3) Trong đĩ:
S: Khoảng cách các dầm dọc (m). S = 0.5(m).
h: Khoảng cách thẳng đứng từ dầm dọc đến điểm d + 0.026L(m) cao hơn điểm chân của D(m).Tuy nhiên nếu khoảng cách đĩ nhỏ hơn 0,5D thì h phải được lấy bằng 0,5D (m).
l: Khoảng cách giữa các vách ngang hoặc khoảng cách giữa các sườn khỏe, nếu cĩ, hoặc khoảng cách từ vách ngang đến sườn khỏe, kể cả chiều dài của các liên kết mút (m).
Khoảng cách từ dầm dọc đến điểm d+0.026L: h=1,32 (m) Khoảng cách giữa các vách ngang hoặc sườn khỏe:l = 1,5 (m)
Mơđun chống uốn tiết diện ngang 49Shl2 = 72,765 (cm3) Theo độ bền vật liệu thì mơ đun chống uốn tiết diện ngang bằng:
72,765.0,526 = 38,275 cm3.
Chọn KC cĩ kích thước bxhxt= 70x90x10 (mm) Cĩ mơđun chống uốn tiết diện ngang là:87,62 cm3
3.3.3.4. Đà ngang đáy:
Chiều cao tiết diện đà ngang đáy ở đường tâm tàu : 62,5b (mm) = 312,5 (mm) Trong đĩ:
b: Khoảng cách nằm ngang giữa các mặt ngồi của lớp vỏ bao mạn đo ở mặt trên của đà ngang đáy (m). b = 5,0 m.
Chiều dày của tấm đà ngang đáy : 0,4L.0,845 = 5,44 (mm). Mơđun chống uốn: 15.4SDb2 = 385 cm3
Mơ đun chống uốn theo độ bền vật liệu:385.0,526 = 202,51 cm3 Chọn kết cấu cĩ kích thước: bxhxt = 80x200x10 mm Cĩ mơđun chống uốn tiết diện ngang là:323,32cm3
3.3.3.5. Đà ngang buồng máy:
Mơđun chống uốn: 1.5x15.4xSDb2 = 577,5 cm3
Tính theo độ bền vật liệu : 577,5.0,526 = 303,765 cm3 Chọn KC cĩ kích thước bxhxt = 80x200x10 mm Cĩ mơđun chống uốn tiết diện ngang là: 323,32cm3
3.3.3.6. Dầm dọc đáy:
Theo quy định 10.5.2 của Quy phạm[1]:
Khoảng cách chuẩn giữa các đầm dọc đáy S = 500 mm. Theo quy định 10.5.3 của Quy phạm:
Mơ đun chống uốn tiết diện của dầm dọc đáy khơng nhỏ hơn trị số theo cơng thức: 55,6Shl2 (cm3) = 146,784 (cm3)
Trong đĩ:
l: Khoảng cách giữa các sống ngang đáy (m). l = 2 (m).
h: Khoảng cách từ dầm dọc đáy đến điểm d+0.026L(m) cao hơn điểm chân của D(m).Tuy nhiên nếu khoảng cách đĩ nhỏ hơn 0,5D thì h phải được lấy bằng 0,5D (m). h = 1,32 (m).
Tính theo độ bền vật liệu thì mơ đun chơng uốn tiết diện của dầm dọc đáy bằng: 146,784.0,526 =77,208 (cm3).
Chọn kết cấu cĩ kích thước: bxhxt = 80x130x10 mm Cĩ mơđun chống uốn tiết diện ngang là: 165,46 cm3
3.3.3.7. Xà boong:
Mơ đun chống uốn tiết diện của xà ngang boong phải khơng nhỏ hơn trị số tính theo cơng thức sau đây: CShl2 (cm3)
Trong đĩ:
l: Khoảng cách nằm ngang từ đỉnh trong của mã xà đến đế tựa gần nhất của boong hoặc giữa các đế tựa lân cận nhau của xà boong (m). Trừ các xà ở đoạn mút tàu, nếu ở xà boong trên l nhỏ hơn 0,25B thì l được lấy bằng 0,25B. Nếu ở các xà boong của các đoạn mút của boong trên hoặc ở các xà boong thượng tầng, l nhỏ hơn 0,2B thì l được lấy bằng 0,2B.
S: Khoảng cách giữa các xà boong(m).
C: Hệ số được cho dưới đây: Xà dọc boong
(a)Ở đoạn giữa tàu: 33 (b)Ở các chỗ khác: 28 Xà ngang boong: 28
h: Như quy định ở 8.2.3 (t/m2). Tuy nhiên, nếu trị số lấy theo quy định ở 8.2.3-3 thì h được quy định như sau:
(a) Ở phía trước của 0,3L tính từ mũi tàu: 0,033L + 0,46 (t/m2) (b) Ở phía sau của 0,3L tính từ mũi tàu: 0,016L + 0,46 (t/m2) Boong chỉ dùng cho sinh hoạt : h=0.46 t/m2
Boong thời tiết:
Sau 0,3L (h= 0.016L+0.46) h=0.72 t/m2 a. Xà ngang boong:
Xà ngang boong sau 0,3L:
h = 0,72( t/m2) C = 28
Khoảng cách các xà ngang boong sau 0,3L: S = 0,5 (m)
Khoảng cách ngang từ đỉnh trong của mã xà l =2.5 m Modun chống uốn: CShl2 = 63 cm3
Tính theo độ bền vật liệu Mơđun chống uốn bằng: 63.0,526 = 33,138cm3 Ta chọn kết cấu cĩ kích thước: bxhxt = 60x100x7 mm
Cĩ mơ đun chống uốn tiết diện ngang là: 69,29 cm3. b. Xà ngang boong trước 0,3L:
h = 0,99 (t/m2) C = 28
Khoảng cách các xà ngang boong: S = 0,5 (m)
Khoảng cách ngang từ đỉnh trong của mã xà l = 3m Modun chống uốn: CShl2 = 124,74 cm3
Tính theo độ bền vật liệu Mơđun chống uốn bằng: 124,74.0,526 = 65,613 cm3 Ta chọn kết cấu cĩ kích thước: bxhxt = 60x100x7 mm
Cĩ mơ đun chống uốn tiết diện ngang là: 69,29 cm3. c. Xà dọc boong:
Xà dọc boong khỏe:
h = 0,72 (t/m2) C = 33
Khoảng cách các xà dọc boong khỏe: S = 1,5 (m) Khoảng cách ngang từ đỉnh trong của mã xà l = 3 m Modun chống uốn: CShl2 = 427,68 cm3
Ta chọn kết cấu cĩ kích thước: bxhxt = 100x200x10 mm Cĩ mơ đun chống uốn tiết diện ngang là: 346.37 cm3. Xà dọc boong thường:
h = 0,72 (t/m2) C = 33
Khoảng cách các xà ngang boong thường: S = 0,5 (m) Khoảng cách ngang từ đỉnh trong của mã xà l = 3 m
Modun chống uốn: CShl2 = 106,92 cm3
Tính theo độ bền vật liệu Mơđun chống uốn bằng: 106,92.0,526 = 56,24 cm3 Ta chọn kết cấu cĩ kích thước: bxhxt = 60x100x7 mm
Cĩ mơ đun chống uốn tiết diện ngang là: 69,29 cm3.
3.3.3.8. Sống dọc dưới boong:
Mơ đun chống uốn tiết diện của sống dọc dưới boong phải khơng nhỏ hơn trị số tính theo cơng thức:
Cbhl2 (cm3)
Boong chỉ dùng cho sinh hoạt h=0.46 t/m2 Boong thời tiết:
Trước 0,3L (h=0.13L+0.46) h=2.553 t/m2 Sau 0,3L (h=0.11L+0.46) h=2.231 t/m2 a. Sống dọc dưới boong giữa tàu:
Khoảng cách giữa các đế tựa của sống l=2 m Khoảng giữa các trung điểm của sống b=2.8 m Modun chống uốn: Cbhl2 =1200,931 cm3 Tính theo độ bền vật liệu Mơđun chống uốn bằng: 1200,931.0,526 = 631,69 cm3
Ta chọn kết cấu cĩ kích thước: bxhxt = 160x290x10 mm Cĩ mơ đun chống uốn tiết diện ngang là: 737,63 cm3. b. Sống dọc dưới boong vị trí khác:
Khoảng giữa các trung điểm của sống b=2,8 m Modun chống uốn: Cbhl2 =824,57 cm3
Tính theo độ bền vật liệu Mơđun chống uốn bằng: 824,57.0,526 = 433,728 cm3
Ta chọn kết cấu cĩ kích thước: bxhxt = 160x290x10 mm Cĩ mơ đun chống uốn tiết diện ngang là: 737,63 cm3.
3.3.3.10. Vách kín nước: