đánh giá sức bền dọc thân tàu

Thực tế thì thân tàu được phân đoạn dọc theo công năng cũng như phân bổ của các nhóm trọng lượng, phân cách giữa các phân đoạn này gọi là điểm nhạy cảm về mặt sức bền thân tàu, nó thường

ĐÁNH GIÁ SỨC BỀN DỌC THÂN TÀU

1 Sức bền dọc thân tàu:

1.1 Giới hạn phạm vi nghiên cứu và nhận biết đại lượng đặc trưng sức bền thân tàu

1.1.1 Giới hạn phạm vi nghiên cứu

Sức bền thân tàu là một trong những phần cơ bản quan trọng trong vấn đề cơ học kết cấu thân tàu, vấn đề mà chỉ có thể nghiên cứu cặn kẽ ở những đối tượng chuyên sâu trong lĩnh vực đóng và phân cấp tàu Do đặc thù của ngành điều khiển tàu biển là cần đánh giá sự việc nhanh, chính xác trong một khoảng thời gian ngắn nên hướng tiếp cận vấn đề là công nhận một số thành quả của cơ học kết cấu thân tàu để nắm bắt được nguyên lý tính toán và đánh giá sức bền chung thân tàu Ở đây chỉ nghiên cứu đánh giá sức bền chung dọc thân tàu, tuy nhiên với các tàu có bề ngang lớn thì cần phải đánh sức bền chung theo chiều ngang nữa Trong phạm vi nghiên cứu chúng ta coi như con tàu đã thỏa mãn các điều kiện cân bằng lực và mô men khi nó nằm trên nước tĩnh hay trên sóng và các đại lượng tính được từ điều kiện này sẽ phục

vụ công tác tính toán tiếp theo Thân tàu được coi như thanh dầm liên tục, vậy việc khảo sát sức bền của tàu cũng giống như khảo sát nội lực phân bổ trên thanh dầm ở môn sức bền vật liệu, tuy nhiên ở đây phải xét cả cho trường hợp thân tàu trên nước

tĩnh (still water) và thân tàu trên sóng (Wave) Nói tóm lại là chúng ta nghiên cứu sức

bền chung thân tàu trên phương diện là người đi biển chứ không trên phương diện thiết kế hay phân cấp tàu

1.1.2 Đại lượng đặc trưng cho sức bền dọc thân tàu

Nói là đại lượng đặc trưng cho sức bền dọc thân tàu thì cũng không hoàn toàn chính xác tuy nhiên những đại lượng đưa ra dưới đây chắc chắn là hai trong số các đại luợng đặc trưng cho sức bền thân tàu mà được đa số các nhà thiết kế và phân cấp tàu thừa nhận

Thực tế thì thân tàu được phân đoạn dọc theo công năng cũng như phân bổ của các nhóm trọng lượng, phân cách giữa các phân đoạn này gọi là điểm nhạy cảm về mặt sức bền thân tàu, nó thường là vách ngăn ngang giữa các hầm hàng, các kết chứa nước ballast có chiều dài lớn, giữa tàu… Thường thì các điểm nhạy cảm này sẽ trùng với một số công giang (frame)

Hình xxxx:

Như hình vẽ xxx thể hiện thân tàu nổi cân bằng với mớn nước xác định Xét trên toàn hệ thống (dọc thân tàu) thì tổng trọng lực cân bằng với tổng lực nổi của tàu,

nhưng nếu xét trên từng phân đoạn cụ thể thì hiếm có trường hợp có sự cân bằng giữa lực nổi và trọng lực Ví dụ như hầm 2 không chứa hàng, véc tơ lực nổi lớn hơn véc tơ trọng lực nên phân đoạn hầm 2 có xu hướng bị đẩy lên còn hầm 3 chứa hàng, vec tơ trọng lực lớn hơn vec tơ lực nổi nên đè phân đoạn này đi xuống dưới Giả sử cắt thân tàu theo các vách ngăn giữa các hầm hàng thì sẽ quan sát sự cân bằng cục bộ của các phân đoạn như hình yyyy

Hình yyy Thực tế thì thân tàu vẫn gắn kết như hình xxx và đảm bảo sự cân bằng tổng thể

về lực và mô men, nên ở các vách ngăn (một số công giang đặc biệt) có sự giằng xé theo chiều thẳng đứng; lực này gọi là lực cắt hay tiếng Anh gọi là shearing force Sự xuất hiện của lực cắt đồng nghĩa với sự tồn tại mô men uốn dọc thân tàu

Như đã nói ở trên, coi thân tàu như thanh dầm liên tục nên có thể sử dụng mặt cắt ngang giả định để tính các giá trị lực cắt và mô men uốn dọc Ở các điểm xung yếu (công giang đặc biệt) thì giá trị lực cắt sẽ đạt cực trị nên thực tế chỉ cần tính được các giá trị lực cắt ở các công giang đặc biệt này thì có thể biết được giá trị lực cắt ở bất kỳ mặt cắt ngang nào dọc thân tàu

Hình xxxx: Lực cắt và mô men uốn ở mặt cắt ngang bất kỳ Như vậy về cơ bản khi tàu chịu tác dụng của tải trên vùng nước tĩnh hay trên sóng (hoạt động ngoài biển) thì nó được xem xét sức bền dọc thân tàu qua:

- Lực cắt thẳng đứng – Vertical shearing force : Qy

Cùng với giá trị đặc trưng này sẽ tính được ứng suất và mô đun chống uốn thực tế tại các mặt cắt cách đường thủy trực lái một khoảng là x, sau đó so sánh giá trị ứng suất vừa tính được với ứng suất cho phép tương ứng Nếu giá trị tính được nhỏ hơn giá trị cho phép thì phương án phân bổ trọng lượng là chấp nhận được Vì việc so sánh này trên cùng một mặt phẳng cắt ngang, nên đặc điểm kết cấu giống nhau, hình dạng giống nhau, trục trung hòa trùng nhau và tất nhiên mô men quán tính cũng bằng nhau vậy

nên thay vì so sánh qua ứng suất thì người ta so sánh thông qua lực cắt, mô men uốn

và mô men xoắn Cho tới nay trừ tàu chở con ten nơ ra thì cũng chưa có nhiều tàu xét tới mô men xoắn khi đánh giá sức bền dọc thân tàu Để việc đánh giá sức bền dọc thân tàu được trực quan và hạn chế nhầm lẫn thì yêu cầu thể hiện giá trị lực cắt và mô men uốn dọc thân tàu bằng đồ thị hay còn gọi là đường cong lực cắt và đường cong mô men uốn trên hệ trục mà hoành độ trải đều trên chiều dài giữa hai đường thủy trực

Hình xxxx: Đường cong lực cắt và mô men uốn của tình trạng thực tế của tàu Beach

Để thống nhất cách thể hiện đường cong lực cắt và mô men uốn trên đồ thị cũng như việc thống nhất đánh giá sức bền chung thân tàu, cần có những quy định chung về dấu và hiệu quả tác dụng của lực cắt và mô men uốn lên thân tàu Rất may là hầu hết các tổ chức thiết kế và phân cấp tàu đều có chung quan điểm với tổ chức phân cấp tàu biển quốc tế tế IACS về vấn đề này

Hình xxx: Quy định dấu của lực cắt

Lực cắt (Qy) trên nước tĩnh (kN) tại tiết diện ngang đang xét của chiều dài tàu tính theo phương pháp được Đăng kiểm chấp nhận Tuy nhiên, trị số dương của (Qy) được định nghĩa là trị số dương tính được khi coi tải trọng có chiều đi xuống là dương

và phép tích phân được thực hiện từ phía đuôi tàu về phía mũi tàu

Hình xxx: Quy định dấu của mô men uốn

Mô men uốn dọc tàu (My) trên nước tĩnh (kNm) tại tiết diện ngang đang xét theo chiều dài tàu, tính toán theo phương pháp được Đăng kiểm thừa nhận Tuy nhiên, trị số dương của (My) được định nghĩa là trị số dương tính toán với quy ước là tải

3

4

5

trọng tác dụng theo chiều đi xuống được coi là dương và phép tính tích phân được thực hiện từ đuôi tàu về mũi tàu

Hình xxxx: Tàu bị vồng lên

Hình xxx: Tàu bị võng Quy định dấu của lực cắt và mô men uốn của thanh dầm thực sự ở các tài sức bền vật liệu có thể khác quy định ở đây nhưng ta bắt buộc phải tuân thủ quy định dấu ở đây vì quy định này đã được thống nhất ở hầu hết các quốc gia trên thế giới

1.2 Lực cắt và mô men uốn khi tàu trên nước tĩnh

1.2.1 Đường cong phân bổ trọng lượng, phân bổ lực nổi, phân bổ tải

1.2.1.1 Biểu diễn phân bổ trọng lượng (w(x))

Trọng lượng ở đây bao gồm thân tàu, máy móc thiết bị, nhiên liệu, dầu bôi trơn, nước ngọt, nước dằn, hàng hóa… Việc phân bổ này thực tế là không đồng đều, tuy nhiên người ta nhóm các thành phần trọng lượng theo từng phân đoạn xét, phù hợp với kết cấu phân khoang, két của tàu biển Gọi w(x) là ký hiệu phân bổ trọng lượng dọc theo thân tàu Đơn vị của w(x) là tấn/mét

Hình xxxx: Đường cong phân bổ trọng lượng khi chưa có hàng

Hình xxxx: Đường cong phân bổ trọng lượng khi chỉ xếp hàng vào hầm 4

1.2.1.2 Biểu diễn phân bổ lực nổi (b(x))

Đối với tàu biển thì tuyến hình phần thân tàu tương đối đặc trưng, đồng nghĩa với hình dạnh phần chìm dưới nước của thân tàu có hướng triển khai tương đối giống nhau nên biểu đồ phân bổ lực nổi của các tàu có hình đặc trưng như hình xxxx

Hình xxxx: Đường cong phân bổ lực nổi b(x)1.2.1.3 Biểu diễn phân bổ tải (l(x))

Như lập luận ở phần trên khi thân tàu nổi cân bằng trên mặt nước thì tổng trọng lực sẽ cân bằng với tổng lực nổi của tàu, tuy nhiên ở các điểm xét cụ thể dọc thân tàu thì giá trị này không bằng nhau về độ lớn và chiều tác động lên thân tàu ngược nhau Vậy lượng dư (tổng đại số) của hai lực này sẽ là giá trị gây biến dạng thân tàu, thường được gọi là tải và ở đây ký hiệu phân bổ tải là l(x) Để hiểu đường nguyên lý tính và biểu diễn lực cắt và mô men uốn thì chúng ta phải xác định được đường cong phân bổ tải l(x)

Tổng quát thì phân bổ tải trọng (load) lên mặt cắt ngang bất kỳ dọc thân tàu l(x) chính là tổng đại số của phân bổ trọng lực và phân bổ lực nổi trên

Để dễ tiếp cận tới vấn đề chính là phải tính và biểu diễn được lực cắt SF và mô men uốn Mx, chúng ta phải tính được phân bổ tải và biểu diễn nó trên đồ thị Hình xxx điễn tả đường cong phân bổ tải l(x) hay còn gọi là load curve

Hình xxx: Đường cong phân bổ tải

Tổng quát mà nói thì đường cong l(x) không theo quy luật nào, tuy nhiên nó thể hiện hiệu quả của tổng lực tác động lên thân tàu một cách khách quan Một quy ước được chấp nhận rộng rãi là nếu phân bổ trọng lực w(x) chiếm ưu thế thì tải được coi là dương, ngược lại nếu phân bổ lực nổi b(x) chiếm ưu thế thì tải được coi là âm

1.2.2 Tính toán và thể hiện đường cong lực cắt và mô men uốn khi tàu trên nước tĩnh 1.2.2.1 Điều kiện cân bằng thân tàu

Muốn tính toán được sức bền chung thân tàu trên nước tĩnh, thì thân tàu phải thỏa mãn điều kiện cân bằng sau:

00

) ( 0

) ( 0

) ( dx p dx b dx l

L x L

x L

x

0

0 ) ( 0

) ( 0

) ( dx x p dx x b dx l

x

L x L

x L

x

1.2.2.2 Tính và biểu diễn lực cắt (shearing force)

Với tàu nổi cân bằng trên nước tĩnh, lực cắt tại bất kỳ vị trí nào được định nghĩa là tổng đại số của tải tác động lên bên trái (hoặc bên phải) của vị trí yêu cầu đó

và được tính bằng tấn

dx l SF

x x x

0 ) ( ) (

Với SF (x): Là lực cắt tại mặt cắt có tọa độ x Lưu ý rằng tổng diện tích giới hạn bởi đường cong lực cắt phía trên trục xét bằng tổng diện tích giới hạn phía dưới trục xét

Thực tế thì phân bổ tải ( hàm l (x)) không khả tích trên toàn chiều dọc tàu nên việc tính tích phân khó có thể tính được theo cách thông thường mà phải lợi dụng ứng dụng của tích phân trong việc tính diện tích hình phẳng để hoàn thiện phép tính Việc tính toán lực cắt này sẽ được làm rõ hơn ở bài toán minh họa ở mục sau

Hình xxx: Đường cong lực cắt 1.2.2.3 Tính và biểu diễn mô men uốn (Bending moment)

Khi đã có phương trình thể hiện sự phân bổ lực cắt, thì có thể dễ dàng áp dụng công thức tính mô men uốn của thanh dầm ở học phần sức bền vật liệu để tính mô men uốn dọc thân tàu

dxdx l

dx SF M

x x x x

x x

0 0 ) ( 0

) ( )

(

Từ công thức (xxxx) thấy rằng Mô men uốn tàu tại mặt cắt ngang nào đó chính bằng diện tích phía dưới đường cong lực cắt tính từ đầu mút tới mặt cắt đang xét Đối với các yêu cầu tính toán thực tế thì các mặt cắt ngang này thường trùng với vách ngăn cách giữa các hầm, giữa tàu và một số sườn ngang đặc biệt Lưu ý rằng ở

hai điểm mút, đường thủy trực mũi và đường thủy trực lái thì M (x) =0 Đường cong mô men uốn dọc thân tàu đạt cực trị tại vị trí mà phân bổ lực cắt đổi dấu

Tóm tắt một số đặc tính của các đường cong trên

- Tổng diện tích giới hạn bởi đường cong trọng lượng bằng tổng diện tích giới hạn bởi đường cong lực nổi

- Tổng diện tích giới hạn bởi đường cong tải phía trên trục xét bằng tổng diện tích giới hạn bởi đường cong tải phía dưới trục xét bằng

- Lực cắt đạt giá trị cực đại tại điểm mà đường cong tải cắt trục xé;

- Mô men uốn đạt giá trị cực trị khi đường cong lực cát đổi dấu;

- Lực cắt và mô men uốn bằng 0 tại các đầu mút;

1.2.3 Bài toán minh họa

1.2.3.1 Bài 1

Một tàu hình hộp chữ nhật có chiều dài 45 mét, chiều ngang 8 mét và tàu có 3 hầm hàng, mỗi hầm dài 15 mét Ở trạng thái tàu không, nó nổi trong vùng nước ngọt với mớn nước là 3 mét Xếp 90 tấn hàng rời xuống hầm số 2, hãy xác định:

a Đường cong tải

b Đường cong lực cắt

c Đường cong mô men uốn

d Xác định vị trí mà lực cắt và mô men uốn đạt giá trị cực đại Tính giá trị của lực cắt và mô men uốn tại các khẩu độ là 5 mét tính từ đường thủy trực lái và từ điểm giữa tàu (midlength)

Bài giải

a Tính toán và thể hiện đường biểu diễn tải

1 Tính toán phân bổ trọng lượng tàu không

Do = L x B x d x 1.000 =45 x 8 x 3 x 1.000= 1080 tấn

Vì tàu là hình hộp chữ nhật nên coi trọng lượng thân tàu được phân

45 1080

Vậy phân bổ trọng lượng dọc hầm 1 là: w(x1) = 24 tấn/m

Vậy phân bổ trọng lượng dọc hầm 2 là: w(x2) = 30 tấn/m

Vậy phân bổ trọng lượng dọc hầm 3 là: w(x3) = 24 tấn/m

3 Tính toán phân bổ lực nổi

Trước hết phải tính lượng chiếm nước sau khi xếp hàng là:

D=Do+90 = 1080+90=1170 tấn Tàu là hình hộp chữ nhật nên lực nổi phân bổ đều dọc thân tàu

26 45

Đồ thị phân bổ tải hay còn gọi là đường cong tải l(x)

Hình xxx : Đường cong tải

Chú ý: Vì tổng trọng lượng cân bằng với tổng lực nổi nên diện tích giới hạn bởi đường tải phía trên đường cơ sở sẽ bằng diện tích giới hạn bởi đường tải phía dưới đường cơ sở

b Tính toán và thể hiện đường biểu diễn lực cắt

Áp dụng công thức tính lực cắt SF l dx

x x x

0 ) ( )

020

0 ) 0

15

0 ) 15

106080304

220

15 15

0 20

0 ) ( ) 20

06090304

2

5 , 22

15 15

0

5 , 22

0 ) ( ) 5 , 22

1060100304

2

25 15

25

) ( ) 25

215 0

0 ) ( ) 30

20607060120302

42

35

30 30

15 15

0 35

0 ) ( ) 35

0609060120302

42

45

30 30

15 15

0 45

0 ) ( ) 45

Thực tế thì khó có thể tính tích phân như trên được vì phân bổ tải thường không tuân theo quy luật cơ bản nào cả Vậy giải pháp tính toán phổ biến là tính lực cắt (SF) thông qua việc tính diện tích giới hạn của biểu đồ tải trên

Đồ thị phân bổ lực cắt hay còn gọi là đường cong lực cắt (SF (x))

Hình xxx: Đường cong lực cắt

c Tính toán và thể hiện đường biểu diễn mô men uốn

Căn cứ vào đồ thị của lực cắt chúng ta sẽ tính mô men uốn tại những điểm đặc trưng dọc thân tàu bằng việc tính diện tích giới hạn tới điểm đó

M(35) = -100 T.M

M(40) = -25 T.M

M(45) = 0 T.M (FP)

Đồ thị tải mô men uốn (bending moment)

Hình xxx: Đường cong mô men uốn

d Xác định điểm đạt cực đại của lực cắt và mô men uốn

- Lực cắt (shearing force) đạt cực đại tại các vị trí mà tải đổi chiều Trong bài tập này thì vị trí đổi chiều của lực cắt là các vách ngăn hầm hàng

- Mô men uốn dọc (bending moment) đạt cực đại 337,5 T.M tại vị trí mà lực cắt đổi dấu, ở đây là vị trí giữa tàu

- Điểm uốn của đường cong mô men uốn dọc xảy ra tại điểm mà lực cắt đạt cực đại

- Nhận thấy rằng mô men uốn có giá trị dương và đạt cực đại ở khu vực giữa tàu nên tàu bị võng (sagging)

1.2.3.2 Bài 2

Một tàu hình hộp chữ nhật có chiều dài 80 mét, chiều ngang 10 mét và tàu có

4 hầm hàng, mỗi hầm dài 20 mét Ở trạng thái tàu không, nó nổi trong vùng nước có RD=1.010 với mớn nước là 3 mét Hàng được xếp như sau:

Xây dựng đường cong lực cắt (shearing force) và đường cong mô men uốn (Bending moment) Xác định vị trí và giá trị cực đại của chúng

Bài giải

a Tính toán và thể hiện đường biểu diễn tải

1 Tính toán phân bổ trọng lượng tàu không

Do = L x B x d x 1.010 =80 x 10 x 3 x 1.010= 2424 tấn

Vì tàu là hình hộp chữ nhật nên coi trọng lượng thân tàu được phân

bổ đều bằng 30 3 tân / m

80 2424

3 Tính toán phân bổ lực nổi

Trước hết phải tính lượng chiếm nước sau khi xếp hàng là:

D=Do+90 = 2424+120+120+160 = 2824 tấn Tàu là hình hộp chữ nhật nên lực nổi phân bổ đều dọc thân tàu

3 35 80

2 36,3 35,3 1

Đồ thị tải l(x)

Hinhxxx: Đường cong tải

b Tính toán và thể hiện đường biểu diễn lực cắt

- Mô men uốn đạt cực đại (-960 tấn mét) tại vị trí cách đường thủy trực là 32 mét

- Nhận thấy rằng mô men uốn có giá trị âm và đạt cực đại ở khu vực giữa tàu nên tàu bị vồng (hogging)

1.3 Lực cắt và mô men uốn khi tàu trên sóng

1.3.1 Mô hình toán

Để tiếp cận vấn đề một cách đơn giản, một mô hình tính toán nhằm thể hiện sự tương tác giữa sóng với thân tàu được đưa ra với các giả thiết sau:

- Thân tàu có chiều dài L được đặt tĩnh trên sóng

- Có hai trường hợp tiêu biểu: Tàu nằm trên đỉnh sóng và tàu nằm trên đáy sóng Hai trường hợp trên có thể không xảy ra trong thực tế, nhưng độ bền kết cấu tàu thỏa mãn các trường hợp này thì có thể thỏa mãn các trường hợp khác