Chương 4 Kết cấu thân tàu 110
1. Thiết kế kết cấu thân tàu 110
Có nhiều cách tính chọn kết cấu phù hợp tàu đang thiết kế. Sách hướng dẫn thiết kế kết cấu tàu nêu rõ những cách làm hữu nghiệm trước nay, xem [3][11][7][14].
Đối với các loại tàu thông dụng, người thiết kế có thể căn cứ vào tàu mẫu đã đưa vào sử dụng, làm việc hiệu quả và an toàn để rút ra những kết luận cần thiết và dựa vào đây để thiết kế kết cấu cho tàu tương tự.
Để xử lý các loại tàu làm việc theo nguyên lý mới hoặc với các tàu có kích thước không bình thường, phải thiết kế các kết cấu của nó trên cơ sở tính toán bền, ổn định và mỏi. Thông thường phải mô hình hoá kết cấu tàu dưới dạng hệ thống cơ học và tiến hành xử lý chúng bằng các phương pháp cơ học.
Tính chọn kích thước kết cấu (scantling) cho những kết cấu cụ thể có thể tiến hành theo cách không giống nhau.
Cách làm phổ thông là thiết kế các kết cấu thân tàu phù hợp với yêu cầu đề ra trong quy phạm đóng tàu. Theo cách này có thể chọn kích thước kết cấu thân tàu đang thiết kế, dựa vào qui định và công thức ghi sẵn trong qui phạm đóng tàu, không qua giai đoạn mô hình hoá kết cấu hoặc giải những bài toán cơ học. Điều kiện cần thiết để có thể áp dụng cách này là kích thước chính của tàu, tỷ lệ kích thước, các đặc trưng kỹ thuật, loại tàu vv… nằm trong phạm vi mà quy phạm đóng tàu qui định.
Cần lưu ý rằng các đòi hỏi ghi trong quy phạm thật nghiêm ngặt song chưa phản ảnh đầy đủ các điều kiện môi trường, thiên nhiên và con người hoạt động trong đó. Thiết kế theo cách này có khi phải chấp nhận sự tốn kém về vật liệu và công sức thực hiện vì bản thân kết cấu chưa phải ở dạng tối ưu.
Cách thiết kế thứ hai dựa vào tính toán sức bền thân tàu. Kết cấu tính toán theo các nguyên lý cơ học phải đủ độ bền, tránh mất ổn định và ngăn ngừa khả năng hủy hoại do mỏi vật liệu.
Người thiết kế phải giải đáp các vấn đề liên quan sức bền thân tàu trong giai đoạn chuẩn bị:
• Điều kiện và môi trường làm việc của kết cấu.
• Tải trọng bên ngoài tác động lên tàu, cần cho tính sức bền chung và sức bền cục bộ.
• Giới hạn bền của vật liệu tạo nên các chi tiết thân tàu.
Ngoài các phép tính thuần túy cơ học, độ tin cậy của kết cấu là việc không tránh được khi thiết kế kết cấu tàu. Tàu thủy ngày nay đòi hỏi phân tích rủi ro khi thiết kế kết cấu.
Những yêu cầu đang nêu khi thỏa mãn sẽ đáp ứng điều kiện cần của thiết kế. Điều kiện đủ đòi phải tính đến tính hợp lý của thiết kế, hay hiểu theo nghĩa, kết cấu được tính chọn là tối ưu khi xét cả mặt kỹ thuật và kinh tế.
Thiết kế theo tàu mẫu
Trường hợp này có thể dựa vào tàu mẫu để phân tích, rút ra kết luận thích hợp và chọn kích thước kết cấu tương thích cho tàu thiết kế. Yêu cầu đối với tàu mẫu: tàu đã qua thể nghiệm, đã hoạt động nhiều năm an toàn mang lại hiệu quả kinh tế rõ ràng, kết cấu tàu có tính hợp lý, cân đối vv …
Các đại lượng đặc trưng cho kết cấu của tàu được thiết kế phải gần với các đại lượng tương ứng trên tàu mẫu.
1. Thuộc cùng nhóm tàu,
2. Chiều dài, hệ số đầy thể tích, các tỷ lệ kích thước L/H, L/B, T/L,
www.thuvien247.net
3. Kết quả tính momen uốn dọc tàu và lực cắt, 4. Bố trí miệng hầm và lỗ khoét,
5. Khoảng sườn,
6. Chiều cao, chiều rộng tàu,
7. Lượng chở hàng, bố trí khoang hàng vv…
Tàu mẫu luôn là tài liệu tham khảo cần thiết và thích hợp cho người thiết kế, giúp người thiết kế rút ngắn thời gian chọn lựa ban đầu. Công việc tiếp theo cần thực hiện sẽ là:
1. Xác lập mô hình tính sức bền chung.
2. Mô hình tính sức bền cục bộ.
3. Tập hợp và xử lý ứng suất.
4. Thực hiện tối ưu hoá các kết cấu.
5. Kiểm tra độ bền thân tàu.
Thiết kế kết cấu tàu
Điểm xuất phát trong thiết kế vỏ tàu thông thường là chiều dày tấm bao vỏ tàu. Trong thực tế chiều dày tấm bao lại phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác như khoảng sườn, kết cấu đà cứng ngang và dọc, bố trí đà dọc và xà dọc vv… Để chọn chiều dày tôn bao, cần thiết phải sử dụng các tài liệu kỹ thuật tàu sau đây:
1. Đường hình tàu.
2. Bố trí đáy, các boong, các vách dọc, vách ngang.
3. Biểu đồ momen uốn chung và lực cắt.
4. Phân bố ngoại lực tác dụng lên các kết cấu.
5. Một số kích thước các kết cấu nhất thiết phải có trong tàu, các kích thước này kể cả chiều dày tấm được gán như các giá trị ban đầu theo đòi hỏi sử dụng.
6. Giới hạn bền cho các kết cấu.
Từ chương đầu chúng ta đã biết thân tàu như một dầm liên tục chịu uốn trên nước. Nếu chỉ xét dưới dạng tàu chịu uốn dọc, bài toán thiết kế tàu không khác bài toán cơ học thông thường áp dụng vào hệ thanh, dầm. Tuy nhiên trong thực tế, ngoài chịu uốn dọc các tấm vỏ ngoài, tấm đáy trong và nhiều chi tiết khác còn chịu cả tải trọng cục bộ. Như vậy, trong những kết cấu cụ thể như đáy ngoài, đáy trong, boong, vách, mạn vv… xuất hiện ứng suất tổng hợp từ nhiều nguyên nhân chung và riêng khác nhau. Xác định tôn bao đáp ứng độ bền tàu phải dựa trên ứng suất tổng hợp đó. Trong trường hợp này xác định ứng suất trong kết cấu cụ thể của vỏ tàu không giống hoàn toàn với việc tính ứng suất trong hệ dầm thông thường. Điều đó bắt buộc người thiết kế phải tiến dần từng bước để xử lý bài toán. Có thể áp dụng phương pháp đúng dần để xác định chiều dày tôn bao.
Trước khi tính bạn đọc làm quen với một số mặt cắt ngang các tàu thường gặp.
www.thuvien247.net
Hình 4.1 Mặt cắt ngang tàu vận tải Hình 4.1 Mặt cắt ngang tàu vận tải hàng khô
Hình 4.2 Mặt cắt ngang tàu chở container
Hình 4.4 Mặt cắt ngang tàu chở hàng rời
Hình 4.3 Mặt cắt ngang tàu Ro-Ro
www.thuvien247.net