Xây dựng chương trình tính toán ổn định thời tiết cho tàu biển

v DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU GM Metacentric Height - Chiều cao thế vững D Displacement - Lượng giãn nước KG Vertical center of Gravity - Cao độ trọng tâm CLG Tung độ trọng tâm

i

LỜI CẢM ƠN

Em xin bày tỏ lòng biết ơn đối với bố, mẹ gia đình, đã động viên và tạo mọi điều kiện tốt nhất để cho em có thể hoàn thành chương trình học tập đại học tại khoa Hàng Hải – trường Đại học Hàng hải Việt Nam

Em xin chân thành cảm ơn thầy Đào Quang Dân đã hướng dẫn, chỉ bảo tận tình, chu đáo trong suốt thời gian em thực hiện đề tài tốt nghiệp này, cũng như thời gian em học tập tại trường Đại học Hàng hải Việt Nam

Em xin bày tỏ lòng biết ơn đối với các thầy, cô giáo trong khoa Hàng Hải, cũng như trong trường Đại học Hàng hải Việt Nam, đã trang bị cho em kiến thức chuyên ngành hàng hải trong thời gian em học tập hơn 4 năm qua tại khoa Hàng Hải

Mặc dù em đã cố gắng rất nhiều trong việc thu thập tài liệu, nhưng bản thân

em còn bị hạn chế do chưa có kinh nghiệm chuyên môn thực tế, chính vì vậy việc nghiên cứu, viết đề tài tốt nghiệp không thể tránh khỏi những khiếm khuyết nhất định Em rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến xây dựng và sự chỉ bảo của các thầy giáo trong khoa Hàng Hải và những người đi biển lành nghề, cũng như các nhà khoa học quan tâm, để đề tài của em được hoàn thiện hơn

Hải Phòng, ngày 16 tháng 11 năm 2015

Sinh viên làm đề tài tốt nghiệp

Nguyễn Anh Tuấn

ii

LỜI CAM ĐOAN

Em xin cam đoan đồ án tốt nghiê ̣p này là do công trình nghiên cứu của

riêng em , dưới sự giúp đỡ tâ ̣n tình của thầy giáo hướng dẫn , Th.S Đào Quang Dân Các số liệu, đoạn văn trong đề tài tốt nghiệp là trung thực, có nguồn gốc và được trích dẫn rõ ràng, cụ thể

Hải Phòng, ngày 16 thàng 11 năm 2015

Sinh viên làm đề tài tốt nghiệp

Nguyễn Anh Tuấn

iii

MỤC LỤC

2.2.1 Tiêu chuẩn đối với đặc tính đường cong cánh tay đòn ổn

định tĩnh

21

2.3.1 Tàu Container có chiều dài lớn hơn 100m 23

iv

Chương 3: Xây dựng chương trình tính toán ổn định động cho tàu

biển

27

3.2 Xây dựng chương trình tính toán ổn định động cho tàu biển 29

3.2.2 Tính toán tọa độ trọng tâm các két chứa chất lỏng 29

3.2.4 Xây dựng chương trình tính Departure/Arrival Condition 33 3.2.5 Xây dựng chương trình tính toán ổn định động cho tàu biển 41

v

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU

GM Metacentric Height - Chiều cao thế vững

D Displacement - Lượng giãn nước

KG Vertical center of Gravity - Cao độ trọng tâm

CLG Tung độ trọng tâm

MG, LCG,

MID.G, XG

Longitudinal Center of Gravity - Hoành độ trọng tâm

KM Transverse Metacenter Height - Cao độ tâm nghiêng ngang

TPC Tons Per Centimeter

MTC Moment to change Trim one Centimeter

Longitudinal Center of Buoyancy - Hoành độ tâm nổi

IMO International Maritime Organization - Tổ chức hàng hải thế giới

IS Intact Stability - Ổn định nguyên vẹn

SOLAS Safety of Life at Sea

HSC High Speed Craft

LBP Length Between Perpendicular - Chiều dài tính toán

SF Stowage Factor - Hệ số chất xếp

vii

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1 Điều kiện nổi cân bằng của tàu 6

Hình 1.2 Moment hồi phục của tàu 7

Hình 1.6 Cross Curves Table 12

Hình 1.7 Đường cong cánh tay đòn ổn định tĩnh 14

Hình 1.8 Tính toán ổn định động 15

Hình 2.1 Tiêu chuẩn ổn định tĩnh 21

Hình 2.2 Tiêu chuẩn ổn định dưới tác động của sóng gió 22

Hình 3.1 Giao diện Excel 29

Hình 3.2 Water ballast tank 30

Hình 3.3 Diesel oil tank 31

Hình 3.4 Fresh water tank 31

Hình 3.6 Bảng thông số Cargo Hold 34

Hình 3.7 Bảng thông số Ballast Tank 34

Hình 3.8 Bảng thủy tĩnh (Hydro Static Table) 35

Hình 3.9 Bảng Cross Curves 36

Hình 3.10 Bảng Flooding Angle 37

Hình 3.11 Bảng Deck Edge Immersion 37

Hình 3.12 Bảng các hệ số 38

Hình 3.13 Bảng diện tích hứng gió và tay đòn hứng gió 38

Hình 3.14 Bảng chiều dài đường nước 38

Hình 3.15 Departure/Arrival Condition 40

viii

Hình 3.16 Draft etc calculation 41

Hình 3.17 Đường cong cánh tay đòn ổn định tĩnh 42

Hình 3.18 Đồ thị đường cong cánh tay đòn ổn định 43

Hình 3.19 Giao diện ban đầu 44

Hình 3.20 Giao diện nhập các thông số ban đầu 45

Hình 3.21 Giao diện nhập dữ liệu hàng hóa 46

Hình 3.22 Giao diện nhập dữ liệu Ballast 47

Hình 3.23 Giao diện nhập dữ liệu nhiên liệu, nước ngọt 47

Hình 3.24 Giao diện về mớn nước 48

Hình 3.25 Giao diện về tiêu chuẩn đối với đặc ti ́nh đư ờng cong

cánh tay đòn ổn định tĩnh

49

Hình 3.26 Giao diện về ổn định thời tiết 50

Hình 3.27 Đồ thị tiêu chuẩn ổn định thời tiết 50

Hình 3.28 Giao diện ban đầu 51

Hình 3.29 Giao diện nhập các thông số ban đầu 51

Hình 3.30 Giao diện nhập dữ liệu hàng hóa 52

Hình 3.31 Giao diện nhập dữ liệu nhiên liệu và nước ngọt 52

Hình 3.32 Giao diện thông số về mớn nước 53

Hình 3.33 Giao diện về tiêu chuẩn đối với đặc ti ́nh đư ờng cong

cánh tay đòn ổn định tĩnh

53

Hình 3.34 Giao diện về ổn định thời tiết 54

Hình 3.35 Đồ thị tiêu chuẩn ổn định thời tiết 54

PHẦN MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Vận tải là huyết mạch của nền kinh tế, vận tải phát triển sẽ thúc đẩy các ngành kinh tế phát triển theo Trong thời đại toàn cầu hóa hiện nay vận tải đóng vai trò quan trọng, nhất là vận tải biển Vận tải biển rút ngắn khoảng cách về không gian địa lý, nhằm giảm chi phí , giảm giá thành sản phẩm, thúc đẩy thương mại phát triển, làm lợi cho cả người sản xuất và người tiêu dùng Trong thương mại quốc tế thì vận tải biển đóng vai trò đặc biệt quan trọng, khoảng 80% hàng hóa xuất nhập khẩu được vận chuyển bằng đường biển Công nghiệp vận tải đường biển thế giới hiện đang ngày càng phát triển với xu hướng ngày càng hiện đại và đa dạng Các nước trên thế giới đầu tư xây dựng các cảng biển

tăng nhanh về cả quy mô cảng và số lượng

Vận tải biển được hiểu là dùng các con tàu (cả các thiết bị nổi) để chuyên chở hàng hóa Chúng ta có thể nhận thấy số lượng hàng hoá xuất khẩu và nhập khẩu của nước ta thông qua đường biển ngày càng tăng Theo thống kê, vận tải biển chiếm khoảng 80% lưu lượng hàng hoá xuất nhập khẩu của Việt Nam Thời gian qua, ngành vận tải biển Việt Nam đã có những bước phát triển đáng kể: đô ̣i tàu tăng lên nhanh chóng c ả về số lượng và chất lượng cũng như chủng loại, thị trường vận tải cũng mở rộng sang nhi ều khu vực mới như Bắc

Mỹ, Nam Mỹ, châu Úc, Tây Âu, Tây Phi… Hiện tại, đội tàu bi ển Việt Nam có hơn 1800 tàu, tổng trọng tải hơn 7,3 triệu DWT

Có thể nói, cùng với quá trình hội nh ập của đất nước, ngành hàng hải đã góp mô ̣t phần không nhỏ vào công cuô ̣c công nghi ệp hoá, hiện đại hoá đất nước Điều đó cũng phản ánh đúng phần nào quá trình tăng trưởng kinh tế của nước ta trong thời gian gần đây Cùng với việc phát triển nhanh đội tàu bi ển, đô ̣i ngũ thuyền viên của Việt Nam cũng đã lớn mạnh Tuy nhiên sự lớn mạnh này chỉ là

sự gia tăng về số lượng, chất lượng còn rất nhiều hạn chế

Vận tải biển phải đảm bảo an toàn, hiệu quả kinh tế, an ninh và hạn chế gây

ô nhiễm môi trường Trong đó, vấn đề an toàn và hiệu quả kinh tế là mối quan

tâm chủ yếu An toàn và hiệu quả kinh tế liên quan đến nhiều yếu tố, trong đó thì vấn đề cực kỳ quan trọng là phải đảm bảo con tàu hành hải an toàn và hiệu quả, đảm bảo khả năng nổi và di chuyển

Việc áp dụng các tiến bộ v ề khoa học - kỹ thuật đã tạo ra cho ngành hàng hải có được những bước phát triển vượt bậc với các sản phẩm là các con tàu hiện đại chuyên dụng Bên cạnh đó là các trang thiết bị đi kèm phục vụ cho việc khai thác tàu cũng hết sức hiện đại Điều này đòi hỏi cần phải nâng cao hơn nữa chất lượng đội ngũ s ỹ quan, thuyền viên Muốn có đô ̣i ngũ s ỹ quan, thuyền viên chất lượng, thì ngay từ khi sinh viên đang học tập ở các cơ sở đào tạo ngành hàng hải, cũng như sỹ quan thuyền viên cần phải được trang bị đầy đủ kiến thức chuyên ngành, trong đó có kiến thức về ổn định tàu

Bên cạnh đó, chúng ta cũng phải thừa nhận rằng, số vụ tai nạn đường biển cũng không phải là một con số nhỏ Các vụ mắc cạn, va chạm hay chìm tàu vẫn luôn đe doạ đến an toàn sinh mạng và tài sản đối với thuyền viên cũng như các công ty tàu Nguyên nhân của những vụ tai nạn ấy có thể là do điều kiện thời tiết khắc nghiệt như sóng gió, bão tố, dẫn tới con tàu mất ổn định Nhưng

dù là do nguyên nhân nào thì những vụ tai nạn đó đã để lại những hậu quả vô cùng to lớn, thiệt hại về kinh tế, ảnh hưởng xấu đến môi trường biển, và đặc biệt

là sinh mạng của các thuyền viên

Từ trước đến nay, trong học tập, sinh viên mới chỉ tính đến ổn định của con tàu ở trạng thái tĩnh, chưa có các yếu tố ngoại cảnh Tuy nhiên trong thực tế chuyến đi của con tàu, ta còn phải tính đến các yếu tố như sóng, gió, điều kiện thời tiết, để con tàu đủ khả năng đi biển

Để có mô ̣t cái nhìn chi ti ết, cụ thể hơn về ổn định của tàu đặc biệt là ổn định thời tiết, em đã nghiên cứu sâu về ổn định tàu, nhất là ổn định thời tiết qua

đó xây dựng thành công chương trình tính toán ổn định thời tiết cho tàu chở hàng rời bằng phần mềm Excel

Chính vì nh ững lí do trên , em đã lựa chọn đề tài “Xây chương trình tính

toán ổn định thời tiết cho tàu biển” Đề tài sẽ là một tài li ệu hết sức cần thiết và

hữu ích ph ục vụ công tác giảng dạy cho sinh viên ngành hàng hải, cũng như là tài liệu phục vụ công tác huấn luyện, đào tạo cho các thuyền viên

2 Mục đích nghiên cứu

Bằng thực tế những kiến thức được trang bị trong quá trình học tập tại trường, thực hiện phương châm gắn việc học tập với công tác nghiên cứu khoa

học và thực tiễn sản xuất, đề tài “Xây dựng chương trình tính toán ổn định thời

tiết cho tàu biển” được thực hiện với mục đích:

Đưa ra các cơ sở về tính ổn định thời tiết của tàu biển;

Nghiên cứu, xây dựng một chương trình tính toán thử nghiệm để giúp người sỹ quan hàng hải có thể tham khảo tính ổn định của tàu biển trong khi hành trình trên biển cũng như xếp dỡ hàng hóa;

Đưa ra một tài liệu cho các sinh viên có thể tham khảo để mở rộng kiến thức phục vụ cho học tập cũng như công việc sau này;

Xây dựng một tài liệu tham khảo cho các thuyền viên, sinh viên đang học tập tại trường có quan tâm đến lý thuyết ổn định tàu

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài

Đề tài tập trung nghiên cứu lý thuyết ổn định tàu nhất là ổn định trong các điều kiện thời tiết xấu Từ đó dựa trên cơ sở các công thức thực nghiệm để xây dựng ứng dụng tính toán và so sánh ổn định tàu với các tiêu chuẩn mà IMO đưa

ra Phạm vi chủ yếu của đề tài là tính ổn định tĩnh và ổn định thời tiết của tàu biển Ứng dụng sẽ dựa trên cơ sở lựa chọn hai yếu tố này để giúp người sỹ quan hàng hải xem xét các đặc tính ổn định của con tàu

4 Phương pháp nghiên cứu

Từ mục đích và đối tượng nghiên cứu, đề tài thực hiện theo phương pháp tiếp cận cơ sở khoa học liên quan đến ổn định tàu biển Trên cơ sở nghiên cứu

về ổn đinh tàu biển, kết hợp với việc việc tính toán các thông số về ổn định tàu

đề tài đã đưa ra và xây dựng chương trình tính toán ổn định thời tiết cho tàu biển

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Khi đề tài hoàn thành sẽ là tài liệu tham khảo cho sinh viên, sỹ quan hàng hải trong việc tính toán các đặc tính ổn định của tàu, đồng thời đề tài cũng sẽ là tài liệu phục vụ công tác huấn luyện, đào tạo cho các thuyền viên đang và sẽ làm việc trên tàu biển hiện nay

CHƯƠNG 1 KHÁI NIỆM VỀ ỔN ĐỊNH TÀU 1.1 Khái niệm ổn định của một vật thể

Với một vật thể, có ba trạng thái cân bằng, đó là cân bằng bền, cân bằng không bền và cân bằng phiếm định

- Cân bằng bền là trạng thái cân bằng mà khi vật đó bị ngoại lực tác động lệch khỏi vị trí cân bằng nó sẽ tự trở lại hoặc có xu thế trở lại vị trí cân bằng ban đầu

- Cân bằng không bền là trạng thái cân bằng của một vật mà khi bị tác động của ngoại lực đẩy khỏi vị trí cân bằng thì nó bị mất cân bằng, không thể trở lại vị trí cân bằng ban đầu nữa

- Cân bằng phiếm định là trạng thái cân bằng của một vật mà khi bị ngoại lực tác động đẩy lệch khỏi vị trí cân bằng ban đầu thì ở vị trí mới, nó tự xác lập một trạng thái cân bằng mới

1.2 Ổn định tàu

1.2.1 Điều kiện nổi của tàu biển

Theo định luật Acsimet, khi con tàu nổi trên mặt nước nó chịu các dụng một lực đẩy thẳng đứng từ dưới lên Lực đẩy FB này có điểm đặt tại đúng tâm hình học của phần thể tích nước mà tàu chiếm chỗ; có độ lớn đúng bằng trọng

lượng phần thể tích nước bị chiếm chỗ này

Bản thân con tàu chịu tác dụng của trọng trường trái đất, lực đó kéo xuống theo chiều thẳng đứng bằng đúng trọng lượng của con tàu Để tàu nổi cân bằng, hai lực này phải bằng nhau về độ lớn và nằm trên cùng một đường thẳng đứng

(Hình 1.1) Điều kiện nổi của tàu được thể hiện qua công thức:

𝐹 B = - 𝑃 (1.1)

Hình 1.1 Điều kiện nổi cân bằng của tàu

Đó chính là nguyên nhân tại sao lượng dãn nước D của tàu lại được định nghĩa bằng trọng lượng phần thể tích nước mà tàu chiếm chỗ

Giả sử ta đặt thêm một vật nặng lên tàu, trọng lực P tăng lên, kéo cho tàu chìm thêm xuống Khi tàu chìm thêm xuống, phần thể tích chiếm nước của tàu tăng lên dẫn đến lực đẩy Acsimet Fb tăng lên Tàu sẽ chìm thêm cho đến khi lực nổi Fb bằng với trọng lực P thì ngừng lại và cân bằng tại độ chìm mới này

Tương tự như vậy, khi dỡ bỏ khối hàng nói trên khỏi tàu, ban đầu lực nổi

Fb lớn hơn trọng lực P nên kéo tàu nổi lên Khi tàu nổi lên, phần chiếm nước của tàu giảm đi dẫn đến lực nổi Fb giảm theo Tàu sẽ nổi lên cho đến khi lực nổi

Fbcòn bằng đúng trọng lượng của tàu sau khi dỡ bỏ khối hàng và tàu cân bằng ở mớn nước mới này

Đó chính là cơ chế để con tàu có thể tự nổi cân bằng khi trọng lượng hàng hoá mà nó chuyên chở thay đổi

1.2.2 Khái niệm ổn định tàu

Ổn định của tàu là khả năng quay trở về vị trí cân bằng ban đầu sau khi ngoại lực gây nghiêng bên ngoài (gió, sóng ) ngừng tác động

Khi tàu đang nổi ở trạng thái cân bằng trên mặt nước, khi đó trọng tâm G của tàu và tâm nổi B luôn nằm trên một đường thẳng đứng Lúc đó trọng lực P (

có điểm đặt tại trọng tâm G của tàu, có hướng xuống dưới) và lực nổi Fb ( có điểm đặt tại tâm nổi B, có hướng lên trên) luôn cân bằng và triệt tiêu lẫn nhau

(do cùng độ lớn và ngược chiều), hai lực này không sinh ra Moment Giả sử khi tàu đang cân bằng, có một ngoại lực tác động vào một bên mạn tàu, làm cho tàu

bị nghiêng về mạn bên kia, khi đó tâm nổi B sẽ dịch chuyển về phía mạn bị nghiêng (do phần ngâm nước ở mạn này sẽ lớn hơn), điểm G và điểm B không còn nằm trên một đường thẳng đứng nữa Cặp lực P và Fb lúc này sẽ sinh ra một Moment có xu hướng đưa tàu trở về vị trí cân bằng ban đầu (trước khi có ngoại lực tác động) Chính vì thế ta gọi Moment này gọi là Moment hồi phục, nó sẽ có chiều ngược với chiều của ngoại lực

Như vậy ổn định của tàu sẽ được đánh giá bằng khả năng trở về trí cân bằng ban đầu, sau khi có ngoại lực tác động ngừng tác động, hay nói cách khác

nó sẽ được đánh giá bằng độ lớn của Moment hồi phục (Mhp)

Mặt khác ta biết rằng :

Moment = Lực * cánh tay đòn Lực mà ta đang nói đến là lực tĩnh, nghĩa là nó có độ lớn xác định (là hằng số) và tác động tức thời vào tàu rồi ngừng hoặc thời gian giữa hai lần tác động lớn hơn khoảng thời gian mà tàu có thể trở về vị trí cân bằng ban đầu

Ở đây cánh tay đòn là khoảng cách giữa 2 lực P và Fb, chính là đoạn thẳng

Mhp

F b

Mô men sinh ra do cặp lực P và Fb gọi là mô men hồi phục và có độ lớn được tính như sau:

Mhp = P x GM x Sinθ(1.2)

Hay Mhp = D x GM x Sinθ(1.3)

Với D là lượng giãn nước của tàu

Mặt khác, ở góc nghiêng nhỏ, tức là góc θ nhỏ, thì sin θ ~ θ, chính vì vậy thay vì đánh giá ổn định của tàu thông qua đô ̣ lớn cánh tay đòn GZ , khi tàu nghiêng góc nghiêng nhỏ ta có thể đánh giá bằng đô ̣ lớn GM

Từ công thức trên ta thấy, cùng một lượng giãn nước D, cùng một góc nghiêng θ, độ lớn của mô men hồi phục phụ thuộc vào độ lớn của GM

Tại những góc nghiêng nhỏ, ổn định của tàu được đánh giá bằng độ lớn của

GM và GM được gọi là chiều cao thế vững của tàu

Từ hình vẽ ta có:

(1.5)

Trong đó :

Dls : Là khối lượng tàu không cho trong hồ sơ tàu

KGls: Là chiều cao khối tâm tàu không cho trong hồ sơ tàu

Pi: Là các thành phần khối lượng trên tàu

KGi: Là chiều cao trọng tâm của các thành phần khối lượng so với ky tàu

D: Là lượng dãn nước của tàu

Dls x KGls: Là mô men khối lượng tàu không so với ky tàu

Σ Pi x KGi: Là tổng mô men các thành phần khối lượng so với ky tàu

1.2.4 Ảnh hưởng của két chứa chất lỏng đến ổn định tàu

Xét một két chất lỏng chứa không đầy, ban đầu trọng tâm của két nằm tại

G1, trọng tâm của tàu là G Khi tàu nghiêng môt góc , chất lỏng sẽ dồn sang mạn thấp, trọng tâm G1 của két sẽ chuyển thành G’1 làm trọng tâm của tàu dịch chuyển đến G’ Điểm G’ gần với tâm lực nổi B hơn G ban đầu và do đó mô men

do cặp lực Fb và P giảm đi, dẫn đến mô men hồi phục giảm, tình ổn định của tàu giảm

Gọi GG’ là đoạn dịch chuyển trọng tâm tàu do tàu nghiêng khi có két chất lỏng không đầy

Hình 1.4 Ảnh hưởng mặt thoáng chất lỏng đến chiều cao thế vững

Mô men hồi phục của tàu sẽ là :

Mhp = D x (GM x Sin - GG’)(1.6)

Kéo dài Véc tơ trọng lực P lên trên, gặp mặt phẳng trục dọc tàu tại G0 Khi đó:

Mhp = D x (GM x Sin -GG’) = D x G0M x Sin(1.7)

Như vậy mô men hồi phục trong trường hợp này bằng với trường hợp tàu

có trọng tâm tại điểm G0

Nói cách khác ta coi trọng tâm tàu đã bị nâng lên một đoạn bằng GG0

Do vậy khi có ảnh hưởng của mặt thoáng chất lỏng

Trong két chứa không đầy chiều cao thế vững của

Tàu sẽ được tính như sau:

G0M = KM - KG – GG0 Trong đó GG0 là phần hiệu chỉnh bởi ảnh hưởng của mô men mặt thoáng do két chất lỏng không đầy (làm giảm chiều cao thế vững), được tính bằng công thức:

Trong đó l, b là chiều dài, chiều rộng của két; K là hệ số hình dáng của mặt thoáng chất lỏng trong két

K= 12 với két hình chữ nhật, K= 36 với két hình tam giác vuông, K=48 đối với két hình tam giác cân

KN ứng với các góc nghiêng được tra trong hồ sơ tàu tại bảng đường cong hoành giao (Stability Cross Curves) với đối số là lượng giãn nước

KG0 là chiều cao trọng tâm của tàu đã xét đến ảnh hưởng của mặt thoáng chất lỏng

Bước 2: Lập biểu tính với các góc nghiêng:

Bước 3: Dựng đường cong cánh tay đòn ổn định tĩnh

Sử dụng giá trị ở cột thứ nhất và cô ̣t thứ năm để làm dữ liệu vẽ nên đồ thị cánh tay đòn ổn định tĩnh

Hình 1.7 Đường cong cánh tay đòn ổn định tĩnh Bước 4: Đánh giá ổn định thông qua đồ thị

1.3 Ổn định động

Trong thực tế khi hành trình trên biển tàu không phải lúc nào cũng chịu sự tác động của ngoại lực tĩnh (ngoại lực có cường độ và phương tác động tương đối ổn đi ̣nh ), tàu có thể chịu nhiều sự tác động của ngoại lực động (ngoại lức có cường đô ̣ và phương tác đô ̣ng biến đổi nhanh n hư gió giâ ̣t , sóng…) Ngoại lực

đô ̣ng có cường đô ̣ và phương tác đô ̣ng biến đổi nhanh làm tàu nghiêng và trong khoảng thời gian ngắn mô men nghiêng của tàu thay đổi rõ rệt tạo thành gia tốc góc nghiêng và quán tính Trong trườn g hợp có ngoa ̣i lực đô ̣ng tác dụng nếu dùng cân bằng tĩnh ( mối quan hê ̣ giữa lực , mô men lực) để đánh giá ổn định của tàu sẽ không chính xác

Để đánh giá ổn đi ̣nh tàu khi có ngoa ̣i lực đô ̣ng tác đô ̣ng ta dùng nguyên lý cân bằng công ( mối quan hệ giữa công sinh ra mô men ngoa ̣i lực đô ̣ng và công sinh ra do mô men hồi phục ) Ổn định động của tàu chính là công sinh ra để đưa tàu trở về vị trí cân bằng

1.3.1.Tính toán ổn định động sử dụng công thư ́ c Moseley

Hình 1.8 Tính toán ổn định động

Số đo tính ổn đi ̣nh đô ̣ng là công của mômen hồi phục sinh ra để chống la ̣i sự nghiêng do mô men ngoa ̣i lực gây ra

Theo cơ lý thuyết thì công của lực làm vâ ̣t di chuyển mô ̣t quãng đường nào đó chính bằng tích số giữa lực và quãng đường Khi tàu nghiêng, công này dựa trên dịch chuyển thẳng đứng điểm đặt trọng lượng tàu G so với tâm nổi B Do đó công của mô men hồi phục Ahp khi tàu nghiêng đến góc ϕ nào đó, ta có thể tính như tích của trọng lượng với trị số dịch chuyển thẳng đứng giữa trọng tâm

và tâm nổi

Ahp= D*(B1Z1- BG)(1.11)

Giả sử v là thể tích phần chìm thêm và nổi lên khi tàu nghiêng ; g, g1 là trọng tâm của phần thể tích nổi lên , và chìm thêm ; h, h1 là điểm được hạ vuông góc từ trọng tâm của phần thể tích nổi lên và phần thể tích c hìm thêm xuống đường nước W1L1 thì

D

h g gh v R

B1  (  1 1)Từ hình vẽ:

B1Z1 =B1R+PG =B1R+BGcosϕ

v

Z

Vâ ̣y công hồi phục bằng :

) cos

) 1 1 (

D

h g gh v

Vì dθ rất nhỏ nên khoảng dịch chuyển thẳng đứng khi tàu nghiêng từ (θ) sang (θ +dθ) sẽ là 1 Z1Z =GZ * dθ và như vậy công hồi phục từ θ đến dθ là:

∆Ahp=D*GZ*dθ(*) Tích phân 2 vế (*) ta đươ ̣c:

Xét về mặt toán học thì chính là diện tích dưới cánh tay đòn ổn

đi ̣nh tĩnh GZ từ góc nghiêng 0 đế góc nghiêng θ Mă ̣t khác khi tàu cha ̣y biển thì

D không thay đổi , nên công hồ i phục để đưa tàu từ góc nghiêng θ về vi ̣ trí cân bằng đươ ̣c xác đi ̣nh thông qua diê ̣n tích giới ha ̣n bởi đ ường cong GZ và trục hoành (trục góc nghiêng θ) tính từ 0 đến θ Nói một cách khác ta có thể dùng đường cong cánh tay đòn ổn định tĩnh để đánh giá ổn định động của tàu

Trong thực tế để tính toán , kiểm tra ổn định động hay còn g ọi là ổn định thời tiết thì người ta cần thực hiện các bước sau:

0

Bước 2: Dựng và tính toán ph ần diện tích (a), (b) và so sánh 2 phần diện

tích này Để làm được điều đó, trước hết ta cần phải:

- Tính và d ựng được cánh tay đòn nghiêng lw1, lw2;

A : Diện tích hứng gió (m 2

)

D : Lượng chiếm nước của tàu (t)

g : Gia tốc trọng trường 9.81m/s 2

lw2 = 1.5 lw1 : Tay đòn nghiêng do tác động của gió dật

Góc nghiêng 1 (o) của tàu hông tròn được tính theo công thức:

rS X

k : Hệ số giảm chòng chành được lấy như sau:

k = 1,0 đối với tàu hông tròn không có vây hông hoặc sống đáy giảm lắc;

k = 0,7 đối với tàu có hông gãy góc;

k được lấy theo Bảng 1.1 nếu tàu có vây hông hoặc sống đáy giảm lắc hoặc có cả hai

nước định hình trung bình của tàu

S: Hệ số lấy theo bảng 1.4phụ thuộc chu kỳ chòng chành T(giây)

GM

B

C

T  2. . (1.17)

A k là diện tích hình bao tổng cộng của các vây hông hoặc diện tích hình

chiếu cạnh của vây đáy hoặc tổng của hai diện tích đó (m 2

) Các bảng như sau:

Bảng 1.1 Hệ số k

Bảng 1.2 Hệ số X1

Bảng 1.3 Hệ số X2

Bảng 1.4 Hệ số S

CHƯƠNG 2 TIÊU CHUẨN ĐÁNH GIÁ ỔN ĐỊNH TÀU 2.1 Giới thiệu bộ luật IMO IS 2008

Các tiêu chuẩn về ổn định nguyên vẹn (Code on Intact Stability, 2008), là một trong số những bổ sung sửa đổi của SOLAS 74 và Bộ luật IS 2008 (Code on Intact Stability, 2008) đã trở thành bắt buộc Ngày 4 tháng 12, năm 2008, tại phiên họp thứ 85, Ủy ban an toàn hàng hải quốc tế đã thông qua “Bộ luật quốc tế

về ổn định nguyên vẹn “International Code on Intact Stability, 2008” dựa trên nghị quyết A749 (năm 1993) và những sửa đổi, bổ sung liên quan Bộ luật được viết tắt “2008 IS Code)” và chính thức có hiệu lực vào 01/07/2010

Đây là Bộ luật gồm các tiêu chuẩn ổn định nguyên vẹn (chưa bị phá hủy, bị hỏng) áp dụng đối với các loại tàu và các phương tiện giao thông thủy có chiều dài từ 24m trở lên gồm 9 loại dưới đây:

- Tàu hàng;

- Tàu chở gỗ trên boong;

- Tàu khách;

- Tàu thuyền đánh cá;

- Các tàu sử dụng với mục đích đặc biệt;

- Các loại tàu cung cấp dịch vụ xa bờ;

- Các đơn vị như giàn khoan xa bờ;

loại pontoon; và

- Các loại tàu chở container, chở container trên boong

Ngoài ra còn có mô ̣t s ố tiêu chuẩn ổn định bổ sung cho các loại tàu đặc biệt như: tàu cao tốc, tàu khách, tàu chở gỗ trên boong, tàu chở dầu…

2.2 Các tiêu chuẩn chung

2.2.1 Tiêu chuẩn đối với đặc tính đường cong cánh tay đòn ổn định tĩnh

Hình 2.1 Tiêu chuẩn ổn định tĩnh

a Diện tích phía dưới cánh tay đòn ổn định (đường cong GZ) phải không nhỏ hơn 0.055 m.rad khi tính đến góc nghiêng 30º và không nhỏ hơn 0.090 m.rad khi tính tới góc nghiêng 40º hoặc góc ngập nước (downflooding) nếu góc này nhỏ hơn 40º Ngoài ra, phần diện tích phía dưới đường cong cánh tay đòn ổn định tĩnh (đường cong GZ) nằm giữa góc nghiêng 30º và 40º hoặc góc ngập nước nếu góc ngập nước nhỏ hơn 40º phải không nhỏ hơn 0.030 m-rad

b Độ lớn của cánh tay đòn GZ tối thiểu phải bằng 0.20 m tại góc nghiêng bằng hoặc lớn hơn 30o

c Cánh tay đòn ổn định tĩnh GZ phải đạt giá trị cực đại tại góc nghiêng tốt nhất là vượt quá 30o nhưng không được nhỏ hơn 25o

d Chiều cao thế vững ban đầu sau khi đã hiệu chỉnh ảnh hưởng của mặt thoáng chất lỏng GoM không được nhỏ hơn 0.15 m

2.2.2 Tiêu chuẩn ổn định động

Hình 2.2 Tiêu chuẩn ổn định dưới tác động của sóng gió

Tàu được coi là đảm bảo ổn định theo tiêu chuẩn khi con tàu có đủ sức chịu đựng được tác dụng đồng thời của gió và sóng phù hợp với các yêu cầu dưới đây:

a Gió liên tục thổi vuông góc với mặt phẳng dọc tâm tàu sẽ sinh ra mô men làm tàu nghiêng một góc 0, tương ứng với tay đòn mô men nghiêng do gió gây

ra (lw1)

b Từ góc 0 sinh ra do gió thổi đều, dưới tác dụng của sóng tàu tiếp tục bị nghiêng sang mạn theo chiều gió một góc nghiêng 1 Góc nghiêng 0 không nên vượt quá 16º hoặc 80% góc gập mép boong(deck edge immersion) nếu góc này nhỏ hơn 16º;

c Tiếp đó, gió giật tác động và sinh ra cánh tay đòn nghiêng lw2; và

d Tàu được coi là đảm bảo ổn định khi diện tích b bằng hoặc lớn hơn diện tích a

Trong đó:

Diện tích b được giới hạn bởi đường cong ổn định tĩnh, đường thẳng ứng với lw2 và góc nghiêng 2, được lấy là góc nhỏ nhất trong các góc sau: góc ngập nước f, hoặc c (góc ứng với giao điểm thứ hai của đường cong ổn định tĩnh GZ

với đường thẳng lw2), hoặc 50o

Diện tích a được giới hạn bởi đường cong ổn định tĩnh, đường thẳng tương ứng với lw2 và góc nghiêng tương ứng với biên độ chòng chành r (r =0- 1)

2.3 Tiêu chuẩn bổ sung cho một số loại tàu

Ngoài việc phải áp dụng các tiêu chuẩn như mục 2.2, tùy từng loại tàu khác

nhau mà bắt buộc phải áp dụng thêm những tiêu chuẩn riêng như sau:

2.3.1 Tàu Container có chiều dài lớn hơn 100m

Diện tích dưới đường cong cánh tay đồn ổn định tĩnh ( đường cong GZ) phải không nhỏ hơn 0.009/C m.rad tính đến góc nghiêng 30° và không nhỏ hơn 0.016/C m.rad tính đến góc nghiêng 40° hoặc góc ngập nước nếu góc này nhỏ hơn 40°

Diện tích phía dưới đường cong cánh tay đòn ổn định tĩnh( đường cong GZ) giữa các góc nghiêng từ 30° đến 40° hoặc từ 30° đến góc ngập nước ϴf nếu góc này nhỏ hơn 40°, phải không nhỏ hơn 0.006/C m.rad

Cánh tay đòn ổn định GZ phải đạt giá trị tối thiểu là 0.033/C (m) tại góc nghiêng bằng hoặc lớn 30°

Giá trị cực đại của cánh tay đòn ổn định tĩnh phải lớn hơn hoặc bằng 0.042/C (m)

Diện tích phía dưới đường cong cánh tay đòn ổn định tính đến góc ngập nước, phải không được nhỏ hơn 0.029/C m.rad

Theo các tiêu chuẩn đánh giá trên thì hệ số C phụ thuộc vào hình dáng của tàu và được tính bằng công thức:

LBP C

C KG

100

d: Mớn nước trung bình của tàu

CB : Hệ số béo thể tích của tàu

LBP: Chiều dài tính toán của tàu

CW: Hệ số diện tích đường nước

D’: Chiều sâu định hình đã hiệu chỉnh phần thể tích nằm trong miệng hầm hàng, được tính bằng công thức:

LBP

L B

B b

b: Chiều rộng trung bình của miệng hầm hàng trong khoảng giữa 2 điểm, một điểm trước mặt phẳng sườn giữa một khoảng L/4 và một điểm sau mặt phẳng sườn giữa một khoảng L/4

h: Chiều cao trung bình của miệng hầm hàng trong khoảng giữa 2 điểm, một điểm trước mặt phẳng sườn giữa một khoảng L/4 và một điểm sau mặt phẳng sườn giữa một khoảng L/4

B: Chiều rộng tàu tính trên mặt phẳng đường nước

Bm: Chiều rộng tàu tính trên mặt phẳng sườn giữa tại 1/2 mớn nước trung bình

- Chiều cao trọng tâm của hành khách được quy định như sau: