Phân tích và lựa chọn thuật toán thiết kế kết cấu tàu vỏ thép theo yêu cầu của Quy phạm Việt Nam, chương 6 pdf

Chương 6: Một số quy định về sử dụng thép theo Đăng Kiểm - Thép dùng cho kết cấu thân tàu phải là các cấp thép như quy định của Đăng kiểm ở phần vật liệu đóng tàu phần 7A.. - Ở đoạn 0,

Chương 6: Một số quy định về sử dụng

thép theo Đăng Kiểm

- Thép dùng cho kết cấu thân tàu phải là các cấp thép như quy định

của Đăng kiểm ở phần vật liệu đóng tàu ( phần 7A)

- Ở đoạn 0,4 L giữa tàu, dải tôn đơn của mép mạn kề với boong

tính toán, dải tôn mép của boong tính toán, dải tôn hông, dải tôn

boong kề với vách dọc và các cơ cấu làm bằng thép cấp KE, KE32

và KE36 phải có chiều rộng không nhỏ hơn trị số tính theo công

thức sau đây, lớn nhất là bằng 1800 (mm) Đối với mép mạn lượn,

chiều rộng của dải tôn mép mạn phải thỏa mãn yêu cầu của Đăng

kiểm:

B = 5 L1 + 800 (mm) (2.3)

Trong đó:

L1- Chiều dài tàu quy định 0,97 chiều dài tàu đo trên

đường nước chở hàng thiết kế, lấy giá trị nào nhỏ hơn (m)

- Việc sử dụng thép có chiều dày lớn hơn 50 (mm) theo quy định

của Đăng kiểm

- Đối với tàu được thiết kế để hoạt động lâu dài ở vùng có nhiệt độ

thấp hoặc tàu thiết kế để chở hàng đông lạnh, khi xét thấy cần thiết

Đăng kiểm có thể yêu cầu sử dụng mác thép có độ bền cao

2.3.2 Kích thước, quy cách bố trí kết cấu

2.3.2.1 Kích thước cơ cấu

- Kích thước của các cơ cấu ở đoạn giữa, đoạn mũi và đoạn đuôi

tàu là kích thước áp dụng cho các cơ cấu ở các đoạn thân tàu quy

định tương ứng

- Nếu không có quy định nào khác, thì mô đun chống uốn theo yêu

cầu của Quy phạm là của tiết diện cơ cấu thân tàu bao gồm cả mép

kèm Mép kèm được lấy rộng bằng 0,1l về mỗi bên của cơ cấu

nhưng không được lớn hơn một nửa khoảng cách các cơ cấu, l là

chiều dài nhịp của cơ cấu lấy theo các quy định có liên quan

- Việc giảm kích thước của cơ cấu thân tàu từ giữa tàu về mũi và

đuôi phải cố gắng thực hiện dần dần

- Nếu dùng thép dẹt, thép góc hoặc tấm bẻ mép để làm các xà,

sườn, nẹp có mô đun chống uốn theo quy định thì chúng phải có

chiều cao và chiều dày phù hợp với mô đun chống uốn theo yêu

cầu của Quy phạm

- Đối với các cơ cấu như sống, đà ngang có diện tích tiết diện bản

mép được xác định, chiều rộng bản mép phải không nhỏ hơn trị số

tính theo công thức sau:

100A/t + 1.5t ( mm ) (2.4)

Trong đó:

A: Diện tích tiết diện bản mép theo yêu cầu (cm2).

t: Chiều dày bản thành (mm)

2.3.2.2 Liên kết mút của các nẹp, sống và sườn

- Nếu mút của các sống được liên kết với vách, đáy trên thì các mối liên kết mút ấy của các sống phải được cân bằng bởi các cơ cấu đỡ hữu hiệu ở mặt bên kia của vách, đáy trên

- Nếu không có quy định nào khác, thì chiều dài cạnh đứng của mã liên kết với sườn hoặc nẹp của vách hoặc két sâu phải không nhỏ

hơn 1/8 của l theo các quy định có liên quan.

2.3.2.3 Mã

- Kích thước của mã phải được xác định tùy thuộc chiều dài cạnh liên kết

- Chiều dày của mã phải được tăng thích đáng nếu chiều cao tiết diện hiệu dụng của mã nhỏ hơn 2/3 chiều cao tiết diện của mã theo yêu cầu

- Nếu mã có lỗ khoét giảm trọng lượng thì khoảng cách từ mép lỗ khoét đến cạnh tự do của mã phải không nhỏ hơn đường kính lỗ khoét

- Nếu chiều dài cạnh liên kết dài hơn của mã lớn hơn 800 (mm) thì cạnh tự do của mã phải được gia cường bằng mép bẻ hoặc bằng hình thức khác trừ khi mã đó là mã chống vặn hoặc cơ cấu tương

2.3.2.4 Chi tiết kết cấu

- Phải cố gắng tránh sự gián đoạn và sự thay đổi đột ngột của tiết diện cơ cấu

- Góc của tất cả các lỗ khoét phải được lượn đều

- Khi cơ cấu cứng, chẳng hạn mã, có diện tích tiết diện nhỏ được hàn với tôn tương đối mỏng thì ít nhất hai đầu của cơ cấu đó phải được hàn trực tiếp lên cơ cấu cứng

2.4 CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA CÁC CÔNG THỨC TÍNH TOÁN KÍCH THỨỚC KẾT CẤU TÀU VỎ THÉP THEO QUY PHẠM

2.4.1 Giới thiệu về Quy phạm Việt Nam

Đăng kiểm có tên gọi sát nghĩa là cơ quan phân cấp tàu Nhìn chung, nhiệm vụ chính của các cơ quan phân cấp tàu là giám sát kỹ thuật và phân cấp phù hợp với các yêu cầu được quy định bằng luật

Đăng kiểm Việt Nam là cơ quan giám sát và phân cấp tàu, thực hiện công tác giám sát kỹ thuât, phân cấp, định mạn khô, đo dung tích tàu, giám sát việc thực hiện các yêu cầu của Công ước

quốc tế có liên quan mà Việt Nam tham gia.

Đối tượng kiểm tra, giám sát của cơ quan phân cấp là các loại tàu nói chung, các máy móc, trang thiết bị dùng trên tàu, các công trình trên biển cùng tất cả trang thiết bị trên đó

Các cơ quan này tiến hành hàng loạt công tác nghiên cứu khoa học liên quan đến thiết kế, chế tạo, bảo dưỡng, duy tu tàu và trang thiết bị đồng thời đưa ra các Quy phạm liên quan đến độ bền,

an toàn tàu cùng trang thiết bị

Quy phạm tàu thép của đăng kiểm Việt Nam mang tên: Quy phạm phân cấp và đóng tàu biển vỏ thép

"Quy phạm Phân cấp và Đóng tàu biển vỏ thép - 2003" được biên soạn trên cơ sở tham khảo "Quy phạm Kiểm tra và Đóng tàu" của Đăng kiểm Nhật Bản (NK), sử dụng một số tiêu chuẩn có bổ sung sửa đổi của hệ thống Quy phạm tàu biển đã ban hành (từ TCVN : 4002-85 đến TCVN 4021-85) và TCVN 2172

QĐ/KHKT-1993, cập nhật các quy định mới nhất của các Công ước quốc tế hiện hành của Tổ chức hàng hải quốc tế (IMO) và các Tiêu chuẩn của Tổ chức tiêu chuẩn quốc tế (ISO)

Đồng thời Quy phạm này cũng đề cập đến những kinh nghiệm trong đóng mới và khai thác tàu biển, những tiến bộ khoa học kỹ thuật và công nghệ của Việt Nam và thế giới trong thời gian qua kể từ khi xuất bản Quy phạm lần trước

2.4.2 Cơ sở lý thuyết của các công thức tính kích thước kết cấu

trong Quy phạm

Kết cấu thân tàu luôn trong tình trạng chịu lực rất phức tạp bao

gồm những yếu tố như: + Lực cắt (shearing force)

+ Mômen xoắn (twisting moment)

+ Lực dọc trục (axial force)

+ Mômen uốn (bending moment)

Hình 2.3: Tình hình chịu lực mặt cắt ngang thân tàu trên sóng

Vì vậy, các công thức tính kết cấu thân tàu của các Quy phạm được xây dựng phải đáp ứng yêu cầu về độ bền và độ ổn định tấm Yêu cầu chung đảm bảo độ bền kết cấu thân tàu, trong mọi hoàn cảnh làm việc ứng suất xuất hiện trong kết cấu thân tàu không vượt quá giá trị cho phép Giá trị cho phép của ứng suất được gắn liền với con tàu cụ thể và điều kiện làm việc cụ thể

Theo cách đặt vấn đề này, ứng suất tôn đáy hoặc tôn vỏ,

trong trường hợp uốn tính bằng công thức:

    

W

Trong đó:

M: mômen uốn tại mặt cắt ngang đang tính toán

W: giá trị môđun chống uốn tính tại mặt cắt ngang thân tàu đang xét

[]: giá trị ứng suất cho phép hay ứng suất giới hạn đối với kết cấu đang xét

Chúng ta có thể nêu yêu cầu trên dưới dạng liên quan đến ứng suất giới hạn gh:

Công thức trên là cở sở để Quy phạm các nước xây dựng công thức tính kết cấu cho riêng mình

2.4.2.1 Công thức tính chiều dày tôn bao

Tôn bao là bộ phận kết cấu quan trọng nhất đảm bảo độ bền chung của tàu do đó cách đặt vấn đề của hầu hết các Quy phạm khi lập công thức tính chiều dày các tấm tôn vỏ đó là dựa trên cơ sở đảm bảo tấm phải có đủ độ bền trong mọi trường hợp, kể cả sau khi mất ổn định

Vấn đề trên được giải quyết dựa vào lý thuyết tấm và khái niệm chiều rộng dải tôn kèm, mép kèm và trong tài liệu về “ lý

thuyết đàn hồi và lý thuyết tấm vỏ ” khái niệm này được hiểu cụ thể hơn là chiều rộng hữu hiệu be (effective width) xác định theo

công thức sau: b x y

e

b  

0

Trong đó:

b: Chiều rộng tấm

x: Giá trị ứng suất tác dụng ứng với chiều rộng tấm b e: Giá trị ứng suất tác dụng ứng với chiều rộng tấm be

M

a a

M

b e /2

b e /2

 x

 x

a

b

A A

Hình 2.4: Xác định chiều rộng hữu hiệu be Định nghĩa chiều rộng dải tôn kèm hay mép kèm be theo công

thức (2.7) theo nghĩa effective width là tương đương với định nghĩa chiều rộng hữu hiệu (effective breadth) của tấm tham gia vào các

kết cấu có dạng chữ T hoặc chữ  được trình bày trong (hình 2.4)

Để xác định chiều rộng của dải tôn này có thể sử dụng các

Trước khi mất ổn định

Sau khi mất ổn định

công thức tính gần đúng hoặc sử dụng đồ thị do các nhà nghiên cứu ổn định tấm lập từ những năm đầu thế kỷ XX đến nay Một trong các đồ thị được thể hiện trong (hình 2.4), trong đó chiều rộng hữu hiệu be ở hệ toạ độ tương đối được xác định dưới dạng hàm của chiều rộng tương đối  như sau:

E t

(2.8)

Trong đó:

b: Chiều rộng tấm

t: Chiều dày tấm

E: Giá trị môđun đàn hồi của vật liệu

Công thức trên được thiết lập như sau: Xét một tấm đơn, theo định nghĩa về tấm chịu ứng suất nén dọc trục, ví dụ trục Ox Nếu tấm có tỷ lệ a/b > 1 thì giá trị ứng suất giới hạn gh của tấm được tính bằng công thức:

2 2

2 1 12















b

t E



Do thép có hệ số Poison  = const, nên có thể xem ứng suất giới hạn gh tỷ lệ với 2











b

t

E : 2













b

t E gh

(2.10)

Nếu chiều rộng tấm b = be được xác định trên cơ sở lựa chọn chiều dày của tấm t sao cho giá trị ứng suất giới hạn gh chỉ đạt đến

giá trị ứng suất chảy y của vật liệu, ký hiệu ở đây là 0 thì từ công thức (2.3) ta có:

2 1



Chú thích: Ký hiệu  được sử dụng trong các công thức trên mang nghĩa tỷ lệ với

Khi đó, chiều rộng tương đối  trên đồ thị xác định chiều rộng dải tôn kèm hay còn gọi là hệ số mềm được tính theo công thức:

E t

b b

b e

0



Với các tấm đơn dùng làm tàu vỏ thép, có thể tính chiều rộng mép kèm be theo công thức:

0 9 1



E t

Trong đó:

0 (hoặc  là ứng suất chảy của vật liệu)

Với những loại thép đóng tàu thông dụng hiện nay, giá trị môđun đàn hồi

E = 2,1.105 (MPa), hệ số Poison  = 0.3 thì chiều rộng tính theo công thức (2.11) có giá trị bằng 55t (t: chiều dày tấm) Kết quả thí nghiệm nhiều năm cho thấy, chiều rộng mép kèm nằm trong phạm

vi 50t

Chiều rộng tối thiểu của mép kèm tính từ lý thuyết tấm có thể xác định theo công thức:

 2 12

b

Trong đó:

bem: Chiều rộng mép kèm tối thiểu

b: Chiều rộng cạnh nhỏ của tấm

Từ công thức dạng này, D.Faulkner đề xuất công thức tính ứng suất giới hạn như sau:

gh b





















0

1

Trường hợp có xét đến cả thành phần ứng suất dư xuất hiện trong kết cấu khi gia công cần phải đưa thêm vào khái niệm hệ số ứng suất dư Rd xác định theo công thức:

E

E R

y

ts d





 21

E

E ts (1<  < 2.5) (2.17)

Trong đó:

d: giá trị ứng suất dư tính cho từng trường hợp cụ thể:

d = 0 đối với các kết cấu không qua quá trình hàn

d  0.1y đối với kết cấu hàn điện

d  0.33y đối với kết cấu hàn trong lớp bảo vệ

Ets: giá trị môđun vật liệu tham gia kết cấu được xác định như sau:

Nếu  > 2.5 thì Ets E Nếu  < 1 thì Ets 0

Áp dụng cách làm trên vào các tấm được kết cấu theo hệ thông ngang, có thể viết biểu thức xác định ứng suất giới hạn (0)gh của tấm như sau:

b

a

























Trong đó:

a, b: Kích thước tấm trong hệ thống ngang

K: Hệ số tính đến ảnh hưởng ứng suất dư

Trong Quy phạm công thức trên có thể thấy qua công thức tính tổng giá trị các ứng suất danh nghĩa khi uốn dầm đáy tàu t như sau:

t = 0.4(L + 170) (MPa) (2.19) Nếu lấy hệ số ứng suất dư Rd = 0.55 thì để đảm bảo giá trị ứng suất suất hiện trong kết cấu không vượt quá giá trị giới hạn tính toán, chiều dày tấm phải không được nhỏ hơn giá trị sau:

t = 0.054b(L + 170) (mm) (2.20)

Để lập công thức tính chiều dày tôn bao ở giữa tàu ta dựa trên công thức tính ứng suất tấm Đối với hệ thống ngang, giá trị ứng suất uốn x tại điểm giữa tấm được tính theo công thức:

0 5 2













t

S p x

Trong đó:

d: Chiều chìm tàu

S: Khoảng cách sườn

t: Chiều dày tấm

p: Áp lực nước phụ thuộc vào chiều chìm d và được tính theo công thức: p = 0.01d (N/mm2) (2.22)

Từ tiêu chuẩn bền ghi trong công thức (2.18) ta có thể thấy được mối quan hệ chặt chẽ giữa chiều dày tấm t với chiều chìm d

và khoảng cách giữa các sườn tàu S Từ công thức (2.18) ta suy ra công thức tính chiều dày tôn bao như sau:

x

d S

t



005 0

Chúng ta lấy tiêu chuẩn trước 1990 của một tổ chức Đăng kiểm để

minh họa cách làm trên Từ tiêu chuẩn bền trình bày trong tài liệu

độ bền tàu đối với những loại thép đóng tàu thông thường có thể

lấy  = 0.63y = 84.6 (MPa), thay giá trị vừa tính vào công thức

(2.23) thì công thức tính chiều dày tôn bao được viết lại như sau:

t  7 68S d