§ 3.1 Những vấn đề chung
Khái niệm sức bền cục bộ thường được hiểu là sức bền của các dàn riêng biệt trên tàu, dưới các tải trọng tác dụng trực tiếp lên chúng.
Sự phân chia như trên chỉ mang tính chất qui ước, vì trong đại đa số các trường hợp, không thể tách rời những vấn đề sức bền chung thân tàu và những vấn đề sức bền cục bộ được.
Rất nhiều cơ cấu thân tàu vừa tham gia vào sức bền chung vừa đồng thời chịu tác dụng cục bộ của các tải trọng ngoài, chẳng hạn như các cơ cấu dọc của dàn đáy, vừa chịu uốn chung vừa chịu uốn cục bộ dưới tác dụng trực tiếp của các tải trọng ngang .
Có thể coi thân tàu như một tập hợp của các dàn ( dàn đáy, dàn mạn, dàn boong…). Các dàn này được liên kết trực tiếp với nhau và với các tấm, thường là phẳng, được gia cường đó là các vách ngang, khung ngang … Các vách, khung này tạo độ cứng và bảo toàn hình dáng mặt cắt ngang thân tàu khi thân tàu bị biến dạng , theo nhiều kiểu khác nhau.
Mỗi một cơ cấu thân tàu đều gắn kết với nhiều cơ cấu khác, nhưng trong tính toán, chúng được coi là tách rời nhau và tương tác giữa chúng được được tính đến thông qua việc ấn định một cách gần đúng các điều kiện biên của các dầm trong thành phần của dàn đang xét.
Thông thường, dàn đáy là phần dàn trong một khoang, được giới hạn bởi các vách ngang và mạn tàu hoặc các vách dọc, trong đó, các cơ cấu dọc – tức các sống dọc - tại vách ngang và các dầm hướng chính - tức các đà ngang – tại mạn hoặc vách dọc, được coi là ngàm, ở một mức độ nào đó. Việc tính toán các khung sườn khỏe thường được tiến hành với giả thiết rằng nhánh mạn của khung sườn này tách rời khỏi nhánh đáy. Giả thiết đơn giản hóa này là rất cần thiết khi vận dụng các phương pháp tính truyền thống, vì việc tính toán không gian toàn thể hệ nói trên theo các phương pháp này là không thể được, do khối lượng tính toán quá lớn.
Như vậy là, khi tính toán sức bền cục bộ thân tàu, ta tiến hành lý tưởng hoá kết cấu và chọn sơ đồ tính toán đơn giản hoá, cho phép sử dụng những phương pháp tính quen thuộc của cơ học kết cấu tàu thủy . Sơ đồ tính toán, cho dù là đơn giản hoá, cần phải phản ảnh một cách đúng đắn nguyên tắc làm việc của kết cấu, và cho dù các tính toán chỉ là gần đúng, nhưng phải phản ảnh đúng đắn, ở một mức độ nhất định ,trạng thái ứng suất trên các cơ cấu của dàn.
Khi tính sức bền cục bộ, nói chung, việc xác định các điều kiện biên phản ánh đúng đắn nguyên tắc làm việc của kết cấu là hết sức quan trọng, trong khi ở một vài trường hợp riêng biệt, việc để ý đến tính biến đổi của tiết diện ngang các dầm và biến dạng cắt lại hết sức cần thiết. Chẳng hạn như đối với một số các khung khỏe trên các tàu dầu, ảnh hưởng của các mã chuyển tiếp, làm cho tiết diện ngang các dần bị thay đổi đáng kể, là không thể bỏ qua khi đánh giá trạng thái ứng suất. Vì các kết cấu nói trên thường là khá cao trong khi nhịp của các dầm là khá ngắn nên khi tính toán độ võng , cần tính đến ảnh hưởng của biến dạng cắt.
Các biến dạng cắt ảnh hưởng không chỉ đến độ võng mà còn đến ứng lực tương tác giữa các cơ cấu của dàn.
. 75 ,
≥0
b gh
W W
Thông thường , khi tiến hành tính toán một dàn cụ thể nào đó của tàu, các dàn khác đóng vai trò đế tựa, có thể coi chúng là các đế cứng tuyệt đối vì chúng có độ cứng rất lớn đố i với các tác dụng trong mặt phẳng của chúng. Tuy nhiên trong nhiều trường hợp, cần coi các đế tựa là có thể lún và điều này làm thay đổi đáng kể kết quả tính toán. (Chẳng hạn trong trường hợp miệng hầm hàng quá dài, sống dọc miệng hầm có độ võng khá lớn tại giữa nhịp của nó, do đó, không thể coi là đế tựa cứng cho các xà ngang boong cụt được).
Khi tính sức bền các dàn và các khung sườn khỏe tàu dầu được thiết kế trước đây, giả thiết về độ cứng của các đế tựa và tính không di chuyển của các nút cơ sở của các khung không gây ra sai số đáng kể, vì khoảng cách giữa các vách ngang thường rất nhỏ. Tuy nhiên, trong thời gian gần đây, có sự thay đổi đáng kể trong kết cấu của loại tàu này, với khoảng cách giữa các vách ngang tăng một cách rõ rệt nên trong tính toán đòi hỏi phải để ý đến độ cứng hữu hạn của các đế tựa, tức phải điều chỉnh sơ đồ tính toán.
Nhờ sự ra đời và phát triển của máy tính điện tử (MTĐT) cũng như sự phát triển nhanh chóng của công nghệ thông tin, việc phân tích, tính toán hệ dầm không gian phức tạp với độ siêu tĩnh lớn, trở nên dễ dàng. Do đó, việc điều chỉnh sơ đồ tính toán các dàn tàu thủy, về nguyên tắc, không có gì khó khăn.
Trong số các phương pháp tính toán kết cấu được ứng dụng rộng rãi với sự trợ giúp của máy tính điện tử, phương pháp phần tử hữu hạn ( PTHH) là hết sức thông dụng trong việc tính toán các kết cấu tàu thủy. Với phương pháp này, việc phân tích các dàn tàu thủy, dù có phức tạp đến đâu, cũng trở nên dễ dàng. Tuy nhiên , trong giáo trình này, vì lý do thời lượng không cho phép, nội dung của phương pháp PTHH sẽ không được đề cập đến.
§3.2 Tính toán dàn boong dưới tác dụng của tải trọng ngang.
I. Xác định tải trọng tính toán.
Tải trọng ngang tác dụng lên boong tàu chủ yếu là do sóng tràn đập vào phần hở khi tàu chòng chành. Việc xác định tải trọng này là rất phức tạp và cho đến ngày nay, vẫn chưa có phương pháp nào thực sự đáng tin cậy. Về nguyên tắc, bài toán nói trên có thể giải quyết theo phương pháp xác suất, trong đó, các đặc trưng biên độ-tần số tìm được nhờ sử dụng lý thuyết chòng chành tàu.
Vì khó khăn nêu trên, thông thường người ta tiến hành tính toán sức bền dàn boong theo phương pháp ước định, theo đó, dàn boong chịu tác dụng của tải trọng thủy tĩnh phân bố đều với một chiều cao cột áp xác định. Giá trị của cột áp này phụ thuộc vào chiều cao mạn khô, chiều dài tàu, chiều cao sóng tính toán và vị trí vùng boong tính toán, là những nhân tố ảnh hưởng đến xác suất nước tràn boong tàu.
Đối với tàu biển, có thể xác định chiều cao cột áp nói trên theo công thức sau:
Trong đó:
- L : chiều dài tàu (m) - h : chiều cao mạn khô (m)
- k : hệ số phụ thuộc vào vị trí của phần boong tính toán theo chiều dài tàu, cho ở bảng dưới ủaõy
Bảng 3.1 Giá trị của hệ số k trong CT (3.1)
ẹuoõi S.g Muừi
x/L -0,5 -0,4 -0,3 -0,2 -0,1 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5
k 0,002 0,01
5 0,011 0,009 0,009 0,010 0,013 0,017 0,023 0,03
1 0,040 Trong mọi trường hợp, cột áp tính toán không được lấy nhỏ hơn 0,5 m cột nước (cn), là tải trọng do con người đi lại trên boong.
Trong các qui phạm đều có cách thức xác định tải trọng tính toán cho boong tàu, có điều là chúng không thống nhất nhau. Khi tiến hành tính toán theo một qui phạm nào, phải lấy theo qui định của qui phạm ấy một cách nhất quán.
Đối với các boong hở trên cùng, dùng để chở hàng (ví dụ như trường hợp của tàu chở gỗ chẳng hạn), cột áp tính toán được xác định bằng tích số của chiều cao hàng hoá với tỉ trọng hàng hoá. Đây cũng là nguyên tắc tính cho các boong chở hàng bên trong của tàu hàng khô.
II. Sơ đồ tính sức bền của các kết cấu boong.
( )3.1
cn m , h k L
=
∆
Tấm boong khi được coi là chịu ngàm cứng tại các cạnh đế , do tính đối xứng của tải trọng và nhịp dàn .
Dầm dọc boongđược coi là ngàm cứng do tính đối xứng tại chỗ giáp nhau giữa chúng với xà ngang boong khỏe.
Việc tính toán tấm boong và dầm dọc boong không nêu ra ở đây vì không có gì khác với việc tính toán tấm đáy và dầm dọc đáy mà ta đã đề cập trong phần tính toán các cơ cấu đáy tàu.
Xà ngang boong : một cách chính xác hơn, xà ngang boong được coi như một dầm trong thành phần của khung sườn khỏe. Tuy nhiên, tính toán theo sơ đồ này lại rất phức tạp nên thường người ta coi các xà ngang boong là dầm đơn giản, chịu ngàm đàn hồi tại mạn.
Hệ số mềm ngàm đàn hồi tại mạn có thể xác định từ việc xem xét nhánh sườn tiếp nối với xà ngang boong( H.3.1).
Cho momen đơn vị tác dụng vào đầu sườn như hình vẽ, tính góc xoay tiết diện ngang tại đầu mút tương ứng của dầm này, ta thu được hệ số mềm cần có:
trong đó, l – nhịp của sườn; I – momen quán tính tiết diện ngang của sườn; k - hệ số, bằng 3 khi mút dưới của sườn là tựa tự do; bằng 4 khi ngàm cứng.Trên thực tế, hệ số này nằm trong phạm vi kể trên.
Sống dọc bong: Thường thì sống dọc boong được coi là
dầm liền nhịp, ngàm tại vách ngang với hệ số ngàm phụ thuộc vào tỉ số giữa các khoảng cách giữa các vách ngang cùng tải trọng tại các khoang kế cận. Cách xác định hệ số ngàm trong trường hợp này tương tự như với các sống đáy.
Dàn boong : Khi không có các cột chống hoặc các sườn với độ cứng tăng cường, có thể tính dàn boong như một dàn thông thường. Các đại lượng cần tính ở đây là momen uốn sống dọc boong tại tiết diện đế ( tại vách ngang) và tại tiết diện nhịp (giữa khoang).
Dàn boong tàu hàng khô tại vùng có miệng hầm hàng có nhiều điểm khác biệt cần tính đến.
1- Các sống dọc mép miệng hầm hàng là những dầm có tiết diện ngang nhảy bậc theo chiều dài,
2- Các xà ngang tại mép ngang miệng hầm hàng cũng là các dầm có tiết diện ngang nhảy bậc theo chiều dài dầm;
3- Bản thân dàn boong trong trường hợp này là một kết cấu rất không đồng nhất. Điều này thể hiện ở chỗ xà ngang boong tại vùng miệng hầm là những xà ngang cụt, khác xa với những xà ngang boong tại vùng khác của dàn.
4- Tại mặt phẳng đối xứng, dưới các xà ngang boong - mép ngang miệng hầm thường có mặt các cột chống hoặc các vách dọc cụt.
Dàn boong điển hình được biểu thị trên hình 3.2.
1 ,
1 kEI
M =
=ϕ = ϑ
Việc tính toán sống dọc trong thành phần dàn này được đưa về tính dầm có tiết diện ngang nhảy bậc theo chiều dài, được đỡ bởi các đế tựa đàn hồi tại các mép ngang miệng hầm, nằm trên nền đàn hồi tạo bởi các xà ngang boong và các xà ngang boong cụt (H3.3). Độ cứng của nền đàn hồi do các xà ngang boong cụt gây ra là rất nhỏ, có thể bỏ qua, vì trên thực tế, các xà ngang này chỉ đỡ được sống dọc mép miệng hầm hàng nhờ các ngàm đàn hồi tại mạn . Nhiều khi còn bỏ cả ảnh hưởng của xà ngang boong ngoài vùng miệng hầm hàng vì trên thực tế, ảnh hưởng này cũng không lớn. Và như vậy, việc tính sống dọc mép miệng hầm hàng được đưa về tính dầm liền nhịp với các đế đỡ đàn hồi, (H 3.3) .
Hệ số mềm của đế đỡ đàn hồi, tạo nên bởi xà ngang boong được tăng cường tại mép ngang miệng hầm hàng, có thể tìm được khi tác dụng tải trọng đơn vị vào xà ngang này, tại chỗ giao nhau giữa nó và sống dọc .
Khi xác định cường độ tải trọng tác dụng lên sống dọc boong, cần tính đến cả tải trọng từ phần diện tích miệng hầm có nắp đậy.
Đối với các dàn boong chở hàng bên dưới, sống dọc mép miệng hầm hàng không thể coi là đế cứng cho dàn boong vì trong trường hợp này, khó có thể bảo đảm độ cứng lớn cần thiết.
Đặc biệt, khi không có cột chống, độ võng tại giữa nhịp của sống dọc này có thể là rất lớn, và điều này ảnh hưởng rất nhiều đến giá momen uốn tính toán trên các xà ngang boong và đặc biệt là trên các xà ngang boong cụt.
III. Về cộng ứng suất và chuẩn sức bền khi tính toán dàn boong:
Khi tàu khai thác trong điều kiện có sóng và khi sóng phủ lên boong tàu, một cách tự nhiên để có được ứng suất phát sinh trên các cơ cấu dọc trên boong, cần cộng ứng suất do uốn chung với ứng suất do uốn cục bộ. Tuy nhiên, đây lại là việc cộng ứng suất gây nên bởi hai tác động ngẫu nhiên đó là momen sóng và áp suất trên boong do nước tràn. Momen uốn trên sóng, dùng trong tính toán kiểm tra sức bền tàu, là một đại lượng ngẫu nhiên mà xác suất vượt nó trong thực tế là rất thấp (cỡ Q=10-8). Vì thế, xác suất tác dụng đồng thời của momen sóng tính toán và áp suất cực đại do nước tràn boong là hết sức bé.
12 pa2
Md =
Vì lý do trên đây, người ta không định chuẩn sức bền đối với các cơ cấu dọc boong theo tổng ứng suất do uốn chung và do tác dụng của các tải trọng ngang ngẫu nhiên. Ứng suất cho phép khi tính các cơ cấu dàn boong (không phải của tàu dầu) dưới tác dụng của các tải trọng ngang thường được qui định trong các Qui phạm phân cấp và đóng tàu của các cơ quan đăng kiểm. Theo Đăng kiểm Nga, ứng suất cho phép này là 0,6 σch .
Đối với các tàu dầu, việc định kích thước các kết cấu phụ thuộc không chỉ vào các điều kiện bền mà còn vào một loạt các nhân tố khác . Vì thế cho nên, ứng suất tính toán ứng với một tải trọng ước định nào đó, thường là rất nhỏ.
Các cơ cấu dàn boong trên cùng (boong tính toán) còn phải bảo đảm điều kiện ổn định . Trong nhiều trường hợp, yêu cầu này còn cao hơn cả yêu cầu về bền.
Trường hợp boong trên cùng dùng để chở hàng, như tàu chở gỗ chẳng hạn, việc chọn các cơ cấu của khung dàn boong cần tính đến tổng ứng suất trên các cơ cấu dọc do uốn chung và uốn cục bộ gây ra.
§ 3.3 Tính sức bền vách ngang kín nước khi tràn khoang.
Vách ngang kín nước của các tàu vận tải thông thường cần được tính theo tác dụng của áp lực nước tĩnh khi tràn khoang. Tải trọng này là ngẫu nhiên, và chỉ xuất hiện khi tàu bị đâm thủng do tai nạn .
Tính toán sức bền của vách ngang bao gồm tính sức bền tấm vách và sức bền các sống đứng vách (cột chống), sống nằm vách, nẹp vách. Nếu kết cấu vách bao gồm cả sống đứng lẫn sống nằm, cần tính theo sơ đồ dàn. Dưới đây, ta chỉ xét trường hợp đơn giản, khi mà vách chỉ bao gồm sống đứng vách và tấm vách.
Tải trọng tính toán ở đây là áp suất của cột nước có mặt thoáng ở đường giới hạn chiều chìm tai nạn khi thủng khoang và trên thực tế chọn cao độ của bong vách làm giới hạn đường nước tính toán.
1. Tính toán tấm vỏ bao :
Vì kích thước tấm theo chiều dài sống vách là rất lớn so với khoảng cách giữa chúng nên việc tính toán vách đưa về tính tấm uốn theo mặt trụ, chịu ngàm cứng tại các sống vách (do tính đối xứng của tải trọng và của nhịp (H3.4).
Tùy theo tỉ lệ giữa khoảng cách giữa các sống vách và chiều dày tấm t mà tấm có thể coi là tấm cứng, tức có thể bỏ qua ảnh hưởng của ứng suất “xích” tác động kéo nén trong mặt phẳng tấm, hoặc phải coi là tấm có độ cứng hữu hạn.
Trong thực tế, khi a : t < 60÷70 ảnh hưởng của ứng suất “xích” là nhỏ nên cho phép tính tấm như tấm cứng.
Momen uốn tại đế (sống vách):
( )3.2
5000 100
2
1 2 2
±
=
±
= t
p a t
p a σd
( )3.3
2500 100
2
=
t p a
nh m
σ
( )3.4
6Ei
= l ϑ
Momen uốn tại nhịp Trong đó:
- p : áp suất, p= 0,1h (với h là khoảng cách đo từ mép dưới của giải tấm khảo sát đến mép trên của cột áp tính toán).
-
Ứng suất tương ứng với các momen uốn trên đây là:
Tại tiết diện đế:
Tại tiết diện nhịp:
Khi có tỉ số a : t >70÷80, tức tấm là khá mỏng (so với chiều dày của nó), tấm cần được coi là có độ cứng hữu hạn và việc tính toán cần dùng đến các bảng hoặc các đồ thị tính uốn tấm có độ cứng hữu hạn. Tấm loại này thường thấy trên các tàu biển có vỏ mỏng hoặc các tàu sông.
Cần chú ý rằng tải trọng tính toán tấm là tải trọng tĩnh, ngẫu nhiên , xảy ra đơn lẻ, không lặp lại. Vì thế cho nên, tại tiết diện đế, cho phép xuất hiện biến dạng dẻo còn mút dưới của sống vách chuẩn ứng suất tại nhịp có thể lấy [σ]= 0,8σch. Khi xuất hiện biến dạng chảy tại tiết diện đế, độ võng tại nhịp trở nên khá lớn so với trường hợp ngàm cứng, và trong điều kiện bị giằng bởi các cơ cấu cứng, ứng suất xích tăng lên.Việc tăng ứng suất xích, lại làm giảm ứng suất uốn và do đó, ứng suất tổng cộng tại tiết diện nhịp rất ít biến đổi. Điều này cho phép khi tính tấm có độ cứng hữu hạn, coi ứng suất tổng cộng tại nhịp bằng trung bình cộng ứng suất tại tiết diện này khi hai đầu là ngàm và khi hai đầu là tựa tự do.
Điều nói trên không được phép thực hiện khi tấm là cứng. Trong trường hợp tấm cứng, nếu ứng suất uốn tại tiết diện đế , theo công thức (3.2) không vượt quá giới hạn (1,5-1,6)σch , thì có thể dùng công thức (3.3) để xác định ứng suất tại nhịp. Đấy cũng chính là ứng suất khi mà momen đế đạt giá trị giới hạn của nó.
Trường hợp tấm vách trong môi trường ăn mòn, để tính toán sức bền, cần trừ khỏi chiều dày tấm phần chiều dày bị ăn mòn.
2. Tính sống vách.
Việc tính sống vách thường đưa về tính dầm một hoặc nhiều nhịp, ngàm đàn hồi tại các đầu mút dầm, chịu tải trọng phân bố tam giác hoặc hình thang. Một trong các bước quan trọng nhất của việc tính toán sống vách là xác định các điều kiện ngàm đầu dầm, tương ứng với kết cấu thực tế của nó.
Trường hợp đầu mút sống vách được gắn bằng mã kéo đến đà ngang đáy hoặc xà ngang boong gần nhất, trong sơ đồ tính toán, sống có thể coi là ngàm cứng tại đầu mút.
Trường hợp mút dưới của sống liên kết với nẹp dọc, như trên H 3.5, có thể dùng sơ đồ gần đúng, an toàn để tính hệ số mềm xoay ngàm. Khi đó ta có công thức:
Trong đó:
- l: khoảng cách cơ cấu ngang
- i : momen quán tính nẹp dọc có tính cả mép kèm.