SỨC BỀN THÂN TÀU VÀ ĐỘ BỀN VẬT LIỆU

Đây là phần mềm viết cho tàu MS Benguela Stream (tàu container): Tính toán ổn định nguyên vẹn Tính toán sức bền dọc thân tàu Sắp xếp, phân bổ container Tính toán mớn nước, lượng nước trong các két...

33 SỨC BỀN THÂN TAU

Nếu điều kiện sức bền dọc không thoả mãn, tức là khả năng chịu lực của thân tàu vượt qua phạm vi cho phép của sức bển đọc, thì các cấu kiện chịu lực theo chiéu doc ( như boong, ki tàu ) sẽ bị biến dạng, hư hỏng

Phân tích và tính toán sự phân bố trọng lực và lực nổi dọc thân tàu là điều kiện tiên quyết

để đánh giá, kiểm tra và điều chỉnh sức bển dọc thân tàu

Trên toàn bộ thân tàu nổi trên mặt nước tĩnh có hai lực tác dụng lên đó là trọng lực của bản thân con tàu và lực nổi, chúng bằng nhau và ngược chiều nhau.Tuy nhiên, nếu xem xét từng phần riêng biệt của con tàu thì trọng lực của nó phân bố không đều theo chiều đài của tàu,

có thể chỗ này nặng còn chỗ khác thì nhẹ hơn, chẳng hạn một chiếc tàu đầu chở đầy hàng

thì buồng máy và két mũi nhẹ hơn còn phần hầm hàng thì lại nặng hơn Như vậy có thể nhận thấy rằng nếu xét riêng từng phần theo chiều dài con tàu thì trọng lực con tàu vượt quá lực nổi hầu như trên suốt chiêu dài trừ buồng máy và két mũi Trong trường hợp ngược lại, nếu két mũi chứa nước mà hầm hàng rỗng thì trọng lực ở mũi và buông máy sẽ lớn hơn lực nổi ở

đó

Sự thay đổi giá trị tương đối của trọng lực và lực nổi trên toàn bộ chiểu dài của tàu sẽ hình thành lực cắt và mô men uốn, từ đó tạo thành ứng suất cắt và ứng suất uốn tác dụng lên kết cấu của thân tàu, nếu vượt quá giới hạn cho phép sé làm biến dạng và hư hồng tàu Sự biến

đổi của lực nổi do ảnh hưởng của sóng biển cũng gây nên ảnh hưởng tương tự

Để dễ hình dung hơn lực cắt và mômen uốn phát sinh như thế nào ta hãy khảo sát một con tàu hình hộp dưới đây có tải ở hai đầu và rỗng ở giữa

1 Lực cắt, hình 33.01a

Chia con tàu hình hộp ra làm 3 khối gin lién 0, 1, 2 tai các vách ngăn; xét từng khối riêng

biệt, cho w là ký hiệu trọng lực, b là ký hiệu lực nổi,

Khối 0 có Wo >bo

SO TAY HANG HAI 318

bọ - Lực nổi của khối 0 và 2

bị - Lực nổi của khối 1

Giả sử ta tách con tầu ra ba khối riêng biệt tại vách ngăn của nó và để nó được nổi tự do

“nhữ hình 33.01b, lúc này lực nổi của riêng từng khối là bạ, bị, bại (không còn giống như khi

Nói một cách khác, lực cắt bằng hiệu số giữa trọng lực và lực nổi đối với phân đoạn trái hoặc phải tại một vị trí nào đó Luôn luôn tổn tại một kháng lực bằng giá trị tuyệt đối và ngược chiều đối với bên trái hoặc bên phải của phân đoạn nào đó chống lại lực cắt và duy

trì sự cân bằng tổng thể của cả con tàu

SO TAY HANG HAI 319

Bây giờ xét tới vị trí giữa tàu (Amidship).Tại vị trí đặc biệt này khối lượng của tàu ở phía lái

tính từ giữa tàu bằng lực nổi ở phía lái tính từ giữa tàu tức là,

Wạ =Dạ Tuy nhiên, vì khối lượng phân bố không đều trên ba phần con tàu, nên trọng tâm của phần phía lái tàu ở cách xa điểm giữa tàu một khoảng cach dy lớn hơn khoảng cách dy của tâm

nổi của phần phía lái Vì vậy,

wady > bad,

Trong đó,

Wa va b, - Trọng lực và lực nổi từ giữa tàu về phía lái

dự và dụ - Khoảng cách từ giữa tàu đến trọng tâm và tâm nổi của phần sau lái

biển đó có nghĩa là tổn tại một mômen tác dụng lên vị trí giữa tàu có xụ hướng bẻ cong

chiếc tàu, cũng có nghĩa là tổn tại một mômen kháng cùng giá trị và ngược chiều tác dụng lên vị trí giữa tàu, không cho tàu bị uốn cong,

Như vậy, mômen uốn bằng hiệu mômen

khối lượng và mômen lực nổi đối với bên trái () (- 5 (-) (-) ©)

hoặc bên phải của vị trí đang xét a) Vong

Nếu khối lượng của tàu ở bai đầu lớn hơn fo ( ) ©) (=) ) A 2) _N

lực nổi, khối lượng giữa tàu nhỏ hơn lực nổi, ` = ` IW

thì giữa tàu bị vồng lên ở hai đầu oằn xuống,

tàu xuất hiện biến dạng uốn vồng (hogging) CN CN

:nhữ.hình 33,03a; ngược lại, giữa tàu bị võng - (+) (+) Gì (+) Gì,

xuống, hai đầu, oần lên gọi là uốn võng b) Vống „

(sagging) nhu hình 33.03b Gọi chung hiện Hình 33.03

SỐ TAY HÀNG HẢI 320

tượng tàu bị vồng và võng là oằn

Khi hoạt động trên biển, con tàu còn chịu tác dụng của sóng biển làm gia tăng biến dạng uốn, tầu bị vồng và võng nghiêm trọng hơn khiến cho thân tàu bị giảm tuổi thọ nếu không muốn nói tới an toàn của tàu có thể bị de doạ nghiêm trọng đến mức tàu bị gay và chìm Cần chú ý rằng, tại vách ngăn mà ta vừa xét trên đây, mặc dù vectơ trọng lực và vectơ lực nổi tác dụng trên cùng một đường thẳng đứng ; nhưng vectơ trọng lực lớn hơn vectơ lực nổi, cho nên tại đây tổn tại đồng thời một mômen uốn và một lực cất

33.1.2 Xác định lực cắt và mômen uốn

Muốn xác định lực cắt và mômen uốn phải tìm hai đại lượng sau đây tại các điểm khác nhau

trên dọc chiều dài của tàu,

« Hiệu số của trọng lực và lực nổi đối với bên trái hoặc bên phải của một vị trí chỉ định nào đó

« _ Hiệu số của mômen trọng lực và mômen lực nổi đối với bên phải hoặc bên trái của vị trí chỉ định nào đó

Xác định hai đại lượng này trở thành vấn để cốt lõi của các phương pháp khác nhau nhằm

thiết lập giá trị của lực cắt và mômen uốn

Để diễn giải một cách rõ ràng hơn, ta gán kích thước cho chiếc tàu hình hộp để thiết lập đường cong lực cắt và mômen uốn doc theo chiêu dài của tàu Theo hình 33.04a có,

Chiểu dài toàn khối 20m, chiểu dài của hai khối đầu và cuối là 5m, khối giữa là 10m

Lượng chiếm nước tàu không tải 20 tấn (1 tấn/mét)

Trên mỗi khối đầu và cuối xếp 10 tấn hàng, tức phân bố 2 tấn /m

Lượng chiếm nước của tàu 40 tấn (2 tấn/mét)

1 Đường cong trọng lực và đường cong lực nổi, xem hình 33.04b

Đường cong lực nổi sẽ là một đường thẳng nằm ngang biểu thị lực nổi đồng nhất 2 tấn/m Đường cong trọng lực được biểu thị bằng một đường nằm ngang đối với lượng chiếm nước không tải là 1 tấn /m cộng với 2 tấn⁄m ở mỗi phan đâu và cuối (hai đầu có tải)

Dễ nhận thấy, điện tích dưới đường cong trọng lực bằng diện tích dưới đường cong lực nổi

2 “Đường cong tải

lấy tổng đường cong của trọng lực và đường cong của lực nổi để thiết lập được đường cong của tải, hình 33.04c

Vectơ tải = Vectơ lực nổi - Vectơ trọng lực

SO TAY HANG HAI 321

Đường cong vectơ tải có diện tích phân trên trục bằng diện tích phân dưới trục

3 Đường cong lực cắt

Có thể thiết lập đường cong lực cắt, hình 11.3d bằng cách lấy tổng của tải về phía trái một

vị trí nào đó, bao nhiêu vị trí là tuỳ ý Chẳng hạn, tại vị trí vách ngăn cách phía lái 5m, có 5 tấn tải tác dụng đối với bên trái của vị trí đó tạo ra lực cắt 5 tấn, đây là lực cắt cực tiểu (có

Lực cắt cực đại cũng xảy ra tại vách ngăn tiếp theo tức tại vị trí cách phía lái 15 mét, tại

đây lực cắt tổng hợp là 5 tấn mang dấu (+), (lực tổng hợp cha 5 tấn chỉ xuống và 10 tấn chỉ lên)

SO TAY HANG HAI 322

Như vậy, đối với đường cong lực cắt ta có diện tích phần trên trục bằng diện tích phần dưới

trục

Đường cong lực cắt cũng có thể vẽ bằng cách lấy tích phân đường cong tải

Đúng ra đơn vi của lực cắt phải được đo bằng Newton Tuy nhiên hầu hết các hệ thống tinh toán lực cắt trên tàu đều dùng đơn vị tấn, cho nên khi tính toán ứng suất cắt về sau, các lực

đều phải được chuyển đổi sang các đơn vị tính toán thích hợp

Đường cong mômen uốn

Tinh toán mô men uốn xuất phát từ nguyên tắc sau,

Mô men uốn = Mômen trọng lực - Mômen lực nổi = Mômen tải

Như vậy nếu tính được mômen tải tức tìm được mômen uốn

Ví dụ, tại vị trí vách ngăn 5 mét tính từ phía lái,

Mômen uốn tại vị trí n = Diện tích nằm dưới đường cong lực cắt tính đến n

Đây là cách thuận tiện nhất trong thực tế để xác định mômen uốn

Hãy chú ý đến mối liên hệ giữa đường cong tải, lực cắt và mômen uốn, được tóm tắt sau đây, 1) Khi đường cong tải cắt qua trục: 0 thì lực cắt có giá trị cực đại hoặc cực tiểu

2) Khi tổng của tải đối với bên trái hoặc bên phải tại một vị trí nào đó bằng 0 thì lực cắt sẽ bằng không

3) Khi đường cong lực cắt cắt qua trục 0 thì mômen uốn sẽ có giá trị cực đại hoặc cực tiểu 4) Tại vị trí cực đại hoặc cực tiểu của lực cắt sẽ tổn tại điểm uốn trên đường cong mômen uốn

Đối với hầu hết các điều kiện thực tế trên tàu sự biến đổi tải thường xảy ra tại vùng buồng máy và tại vách ngăn giữa các hầm bàng Vì vậy, nói chung hầu như các đường cong lực cắt

SỐ TAY HÀNG HẢI 323

đều cắt trục 0 giữa hai vách ngăn, cực đại hoặc cực tiểu của mômen uốn cũng thường phát sinh tại vị trí giữa các vách ngăn

Do đó, trong thực tiễn khi tính toán lực cắt và mômen uốn người ta thường chọn vị trí tại các vách ngăn và giữa các vách ngăn Tại các vị trí này không thể đảm bảo tìm đủ hết các giá trị cực đại và cực tiểu đặc biệt là các mômen uốn cực đại nhưng chúng sẽ chỉ ra rằng chúng xảy ra tại đâu

Sau đây là thí dụ về cách tính toán lực cắt và mômen uốn đối với con tàu hình hộp

Ví dụ,

Một con tàu hình hộp có chiều dài Luy =72 m, rộng B=12m đang nổi cân bằng mũi lái với mớn nước d=im trong nước ngọt khối lượng riêng Ø Tàu có 3 hầm hàng mỗi hầm đài 24 m Trên tàu xếp 432 tấn hàng vào hầm giữa, xem hình 33.06 Hãy lập đường cong lực cắt và mômen uốn Tìm giá trị cực đại của lực cắt và mômen uốn cùng các điểm mà chúng phát sinh

Lực nổi trên một đơn vị chiều đài = tấn/m = 18tấn/m

Để thấy rõ hình dáng của đường cong mômen uốn, các điểm khảo sát được lấy cách nhau

6m, nghĩa là chiéu dài con tàu được chia làm 12 phân đoạn và lập bảng 33.A Lưu ý rằng tất

cả các tính toán đều thực hiện giữa các điểm khảo sát, cHÍ có giá trị của lực cắt và mômen uốn được tính ngay tại vị trí khảo sát

Lấy các điểm khảo sát có khoảng cách bằng nhau chỉ để cho việc tính toán được đễ đàng, ít

bị nhầm lẫn

Các cột a, b, c, trong bảng có các giá trị như sau,

Cột a biểu thị khối lượng tàu không tải trên đơn vị chiều dài

Cột b biểu thị trọng lượng hàng hoá trên đơn vị chiều dài

Cột c = a+b

SO TAY HANG HAI 324

Cột d = lực nổi trên đơn vị chiều đài

Cote =d-c

33A

trí | trúc tầu | hod lượng nổi cắt | cdt SF udn uốn BM

(tdn/m) | (tan/m) | (tấn/m) (tdn/m) | (tdn/m) | asF (tan) 5BM {tdn.m)

Trên đây, viết (đ-c) chỉ vì theo quy ước ban đầu, dĩ nhiên cũng có thể viết ngược lại

Giả sử rằng khoảng cách giữa các điểm khảo sát là thì,

k = jor

ko =k, +jr

SO TAY HANG HAI 325

kạ= Kẹp † J@-Dn

Dem kết quả tính toán vẽ thành đổ thị như hình 33.06, ta xác

định được các điểm cực đại của lực cắt và mômen uốn

Những nguyên tắc cơ bản được thiết lập để tính toán cho tau

hình hộp có thé 4p dung cho con tau bình thường

Đối với đường cong ti trọng có thể xác định ban đầu cho

tàu rỗng sau đó bổ sung thêm khối lượng hàng hoá và nhiên

Hình 33.07 là đường cong lực cắt và mômen uốn của một con tàu hàng rời điển hình " trong

điều kiện chở đầy hàng

Đến đây chỉ mới khảo sát lực cắt và mômen uốn của con tàu trong điều kiện nổi trong nước yên tĩnh, tuy nhiên trong thực tế thì con tàu phải hoạt động trong môi trường sóng biển

Để đảm bảo sức bến, con tàu bình thường sẽ có hai đại lượng giới hạn đối với lực cất và mômen uốn, một đại lượng giới hạn cao để ứng phó khi tàu ở trong giai đoạn xếp và đỡ hàng hoá trong nước yên tĩnh, một đại lượng giới hạn thấp ứng phó trong điểu kiện đi biển cần thiết để đảm bảo con tàu không chịu tác động của lực cắt và mômen uốn quá mức dưới tác

bước tính khi tàu ở trên nước yên tĩnh và khi tàu ở trên sóng tiéu chuẩn Sóng tiêu chuẩn có chiều dài bước sóng bằng chiểu dai cia tau (L,,), chiéu cao của sóng (tính từ đáy sóng lên đến đỉnh sóng) 0,607 Í Tự, trong đó La tính bằng mét, xem hình 33.08

1 Tính mômen uốn của tàu trên sóng biển

Theo phương pháp Murray thì mômen uốn trên sóng biển WBM ( Wave Bending Moment)

được tính theo công thức sau,

WBM =b.B./?2 x 10” tấn mết

Trong đó,

B - Chiểu ngang của tàu (mét)

b - Hằng số, phụ thuộc vào hệ số đây thể tích Cụ và phụ thuộc vào tàu võng (sagging)

hay véng (hogging), có thể lấy theo bảng dưới đây,

068 8,716 9,858 0,66 8,402 9,541 0,64 8,106 9,204 0,62 7,790 8,887 0,60 1,494 8,57

2 Tinh mômen uốn trên nước tỉnh (SWBM - Still Wave Bending Mément),

SWBM = W;-Br = Wa-Ba

Trong d6,

Wp - Mômen trọng lực ở phía trước vị trí sườn giữa tầu

Bạẹ - Mômen lực nổi ở phía trước vị trí sườn giữa tàu

SỐ TAY HÀNG HẢI 328

'WA- Mômen trọng lực ở phía sau vị trí sườn giữa tầu

W¿- Mômen lực nổi ở phía sau vị trí sườn giữa tàu

A - Lượng chiếm nước của tàu

Với công thức trên có thể tính chính xác lực cắt và mômen uốn nhưng khá phức tạp Trong

thực tiển có thể tính bằng phương pháp gần đúng như sau,

TW,„+W

a) Tính mômen trọng lực trung bình: My„—“———4

Mômen này được tính dựa trên các số liệu đây đủ của tàu trong điểu kiện tàu đã xếp hàng ˆ

b) Tính mômen lực nổi trung binh: Mg = 2 LCBn

(LCB„ạ là giá trị trung bình của các LCB phần phía mũi và phân phía lái tính đến mặt cắt giữa tàu) Trên cơ sở phân tích nhận thấy rằng ở hâu hết các tàu, khi hiệu mớn nước t <

0,01Lyp th) ,

LCBm = LipX C (m)

Trong đó,

Lạy— Chiểu đài tàu (m)

C— Hằng số, tìm trong bảng dưới đây, phụ thuộc vào mớn nước, (chú ý, nhân với hệ

số đẩy thể tích C, của tàu cộng với số hiệu chỉnh)

0,06L,, => 0,179C, +0,063 0,05Ly => 0,189C,+0,052 0,04L,, = 0,188C¿+0,041 0,03Ly => 0,209C,+0,030

Từ đó, có công thức tính mômen uốn nước tĩnh tại giữa tàu như sau,

¬"— `

Cần chú ý, - Nếu Mự 5 Mg thi tau bi véng (hogging)

- N&u Mw <Ms thi tau bị võng (sagging)

SO TAY HANG HAI 329

3 Ví dụ về phương pháp tính mômen uốn bằng phương pháp Murray

Ví dụ,

Một tàu có chiều dai Ly, = 200m, chiều rộng B=30m, hệ số đầy thể tích C, = 0,75 Khối lượng thân tàu không 5 000tấn, LCG =25 m tính từ giữa tàu LCB„ của phía mũi và phía lái tính từ mặt phẳng giữa tàu ]ä 25m Giả sử hệ số b đối với tàu vòng 9,795, tàu võng 11,020 Với các số liệu cho dưới đây, dùng phương pháp Murray để tính mômen uốn dọc giữa tàu cho chiếc tàu này trên sóng biển tiêu chuẩn khi: (a) Đỉnh sóng ở giữa tàu, ®) Day sóng ở

giữa tàu?

Muc Khéiluong LCG dén gitta tau

Ham hang 1 1 800t 55,0 m sau lái Hầm hàng 2 3200t 25,5 m trước mũi

Ham hang 3 1:200 t 5,5 m trước mỗi Ham hang 4 2200t 24,0 m sau lái Hầm hàng 5 1500t 50,0 m sau lái

Máy tàu 1500t 7,5 m sau lái Nhiên liệu 400t 8,0 m sau lái Nước ngọt 150t 10,0 m trước mũi

a) Tìm mômen uốn nước tĩnh SWBM,

Hầm hàng 2 3200t 25,5 m trước mũi 81600

Ham hang 4 2.200 t 24,0 m sau lái 52 800

Hầm hàng 5 1 500t 50,0 m sau lái 75 000

16 950 - 458 450

SO TAY HANG HAI 330

c) Tìm tổng mômen nốn TBM (Total Bending Mômen),

TBM hogging = WBMhogging + SWBMhogging

33 2 3 3 Kiến tra sức bên doc va sức bên r ngang thân tàu

Để kiển: tra sic bén dọc thân tàu các nhà thiết kế thường tính toán sẵn các lực cắt và mômen

uốn cho pháp đối với mặt cắt ngang của tàu và đưa chúng vào tư liệu tính toán sức bên của tàu Khi khai thác tàu, căn cứ vào kế hoạch chất xếp hàng hoá (cùng nhiên liệu, nước ngọt, balát ) ta có thể tính toán lực cắt và mômen uốn đối với các mặt cắt ngang và so sánh chúng

với lực cắt và maômen‹uốn cho phép, nếu các số liệu tính toán không lớn hơn số liệu cho phép thì có thể coi lực cắt và mômen uốn là phù hợp và đảm bảo an toàn về mặt sức bên khi

tàu chạy biển

Tuy nhiên.đối với các tàu nhỏ lượng chiếm nước dưới 10 000 tấn, vì kết cấu khi đóng tàu đã

được tính'toán hoàn toàn thoả mãn các yêu cầu về lực cắt, cho nên lực cắt cho phép có thể

không đưa vào tư liệu về sức bền tàu Nói chung, chỉ đưa vào tư liệu của tàu mômen uốn cho phép cực đại Chỉ có các tàu cỡ lớn người ta mới đưa vào tư liệu các bảng tính lực cắt và

mômen uốn cho phép của các điểm tính toán/công gian dùng để kiểm tra đối chiếu khi khai

thác tàu Dĩ nhiên, lực cắt và mômen uốn của một chiếc tàu bị suy giảm theo tuổi sử dụng và

sự hao mòn của nó

Dưới đây là một ví dụ cách tính toán chí tiết trên cơ sở các số liệu của chiếc tàu dầu MT Petrolimex 01 (tên cũ: MT Gogo Royal) để kiểm tra sức bền thân tàu trong khai thác tàu Mỗi tàu có thể có cách sắp xếp các số liệu và biểu bảng tính toán khác nhau, nhưng về cơ bản các phương pháp tính đều giống nhau Nếu lực cắt và mômen uốn không thoả mãn yêu câu thì cần tính toán điều chỉnh lại sự phân bố hàng hoá

1 Tư liệu tàu MT Petrolimex 01 (tàu dầu sản phẩm)

1) Bố trí hầm hàng và vị trí kiểm tra, xem hình 33.09

BO tri hdm hang M/T Petrolimex 01

"T° Cong _ — Mônmen uốn (kt.m) Lực cắt (kt)

‘| - giang’ '} “Chay bién Trong cẳng Chạy Trong

7|} (FHaime) | Võng ''` | Vông ` - | Võng Vông biển , cổng

{PB ST 7 | Sag.) | (Hog.) (Sag.) (Hog.)

3):.Công thức và các bước tính toán

W Tơ - Khối lượng trong phân đoạn

B - Le nổi trong phân đoạn

MW - _ Mômenuốn của khối lượng đối với phân đoạn

MB - Mômen uốn của lực nổi đối với phân đoạn

Ww = WL+WD

WL - Kh6i lugng tau khong va hing sé tau

wD - _ Trọng tải không kể tàu không và hằng số

ML - Mômen uốn do WL tạo ra

MD - Mômen uốn do WÐ tạo ra

‘wD, MD được tính bằng tay theo bang tính mẫu

B’, MB’ - - Lực nổi và mômen lực nổi đối với mớn nước được tính bằng máy tính điện tử

cho ở Bảng B', MB' trong Loading Manual của tàu, mớn nước tính với gián cách 1 mét và cho số hiệu chỉnh để tính số lẻ của mớn nước (bằng cách nội suy) Trong Bảng còn có số hiệu chỉnh đối với 1 mét hiệu mớn nước, số hiệu chỉnh cho hiệu mớn nhỏ hơn 1 mét tính bằng cách nội suy