CHƯƠNG 1 sức bền CHUNG tàu

CHƯƠNG 1 sức bền CHUNG tàu CHƯƠNG 1 sức bền CHUNG tàu CHƯƠNG 1 sức bền CHUNG tàu CHƯƠNG 1 sức bền CHUNG tàu CHƯƠNG 1 sức bền CHUNG tàu CHƯƠNG 1 sức bền CHUNG tàu CHƯƠNG 1 sức bền CHUNG tàu CHƯƠNG 1 sức bền CHUNG tàu CHƯƠNG 1 sức bền CHUNG tàu

SỨC BỀN TÀU - SHIP STRENGTH

Mã học phần: 072702

DÀNH CHO SINH VIÊN ĐẠI HỌC CHÍNH QUY

CHUYÊ N NGÀ NH: KỸ THUẬT TÀU THỦY

CBGD: TS ĐỖ HÙNG CHIẾN

Email: dhchienvn@gmail.com

Skype: dhchienvn

Chương 1: Độ bền chung tàu (và cô ng

trình ngoài khơi)

• 1.1 Tải trọng tác dụng lên thân tàu trên nước

• 1.2 Tính lực cắt và mô men uốn tàu trên nước tĩnh

• 1.3 Tính lực cắt và momen uốn bổ sung của tàu

trên só ng theo hướng dẫn của IACS

• 1.4 Lực cắt giới hạn Momen uốn giới hạn

• 1.5 Điều kiện đưa các kết cấu vào tham gia mặt

cắt ngang tương đương

• 1.6 Xoắn thân tàu

• 1.7 Vídụ về kiểm tra độ bền chung

Chương 2 Ổn định kết cấu

• 2.1 Ổn định của các kết cấu dầm – cột

• 2.2 Ổn định của các tấm đơn giản

• 2.3 Ổn định của các tấm có nẹp gia cường

• 2.4 Ổn định của các kết cấu dọc thân tàu.

• Bài tập áp dụng

Chương 3 Tính độ bền cục bộ thân tàu

• 3.1 Mô hình truyền tải trọng từ mô i trường đến kết cấu thân tàu

• 3.2 Tải trọng cục bộ tác động lên thân tàu

• 3.3 Mô hình kết cấu thân tàu theo phương pháp

Tài liệu tham khảo

• [1] Trần Công Nghị, 2009, “Sức bền tàu thủy”, ĐHQG Tp.HCM

• [2] Owen F.Hughes and Jeom Kee Paik, 2010, “Ship Structural

Analysis and Design”, SNAME

• [3] Mohamed Shama, 2013,”Buckling of Ship Strutures”, Springer

• [4] IACS, 2006, “Common Structural Rules for Oil tanker”.

• [5] DNV, 2012, “Strength Analysis of Hull Structure in Bulk

Carriers”

• [6] IACS, 2006, “Common Structural Rules for Bulk Carrier”.

• [7] Alaa Mansour, Donald Liu, (2008), “Strength of Ships and

Ocean Structures ”, SNAME

• [8] Trương Cầm, “Sức bền tàu”, Tài liệu lưu hành nội bộ

• [9] Warren C.Young, Richard G.Budynas, 2002, “Roark’s Formulas

for Stress and Strain”, McGraw-Hill, NY

• MEASTRO – ALPS/ULSAP, ALPS/HULL

• ABS SAFE HULL – DNV/PULS

• SAP 2000

TẠI SAO PHẢI NGHIÊN CỨU SỨC BỀN TÀU?

• Thảo luận

• Bài học sức bền tàu được rút ra từ những vụ

tai nạn, đắm tàu

History - Disasters trigger new Rules (DNV)

Titanic (1912) Torrey Canyon (1967) Amoco Cadiz (1978) Herald of Free Enterprise (1987)

Exxon Valdez (1989) Scandinavian Star (1990) Bulk Carriers lost early 1990

Estonia (1994) Erika (1999)

SOLAS (1929) MARPOL (1973) / STWC (1978) SOLAS / MARPOL 1978 Protocols ISM / SOLAS Ch II-1 / FSA

OPA 90 / MARPOL SOLAS Ch II-2 SOLAS Ch XII (1997) SOLAS Ch II-1 (1995) Erika Pack I/II ->

EMSA

Lassia - 1999

Cape Providence - 1999

Cape Providence - 1999

Graceous - collision 1999

Leader L - lost April 2000

18 crew

lost

Treasure - lost 2000

Treasure - environmental concern

Eurobulker X - August 2000

Flare - 1998

21 crewmembers lost

• 406 containers lost

• 555 containers damaged

FORECASTLE, WAVEBREAKER

HATCH COVER SUPPORT/ SIDE COAMING STAYS

HATCH CORNERS

BILGE KEEL/

BOTTOM PLATE

LONGITUDINAL HATCH COAMING SUPPORT

SIDE SHELL LONGITUDINAL S

SUPPORT BULKHEA D

Typical hull damage areas - Summary

Chương 1: Độ bền chung tàu (và cô ng

trình ngoài khơi)

• 1.1 Tải trọng tác dụng lên thân tàu

trên nước [1]:

• Thân tàu được coi như một thanh hoặc dầm,

chịu tác động của hai hệ lực phân bố theo

chiều dài tàu đó là:

• Lực tác dụng lên thân tàu:

• Lực cắt xuất hiện

• Mô men uốn xuất hiện

Trọng lực p(x) Lực nổi b(x)

1.1 Tải trọng tác dụng lên thân tàu trên nước

• Đường phân bố trọng lượng tàu p(x)

gồm có:

• Thân tàu,

• Máy chính và phụ tùng máy chính,

• Thiết bị, máy móc,hệ thống tàu,

• Thuyền viên, lương thực, thực phẩm,

nước sinh hoạt,

• Dầu, mỡ và các vật tư phục vụ vận

hành tàu,

• Hàng hóa,

• Dự trữ…

• Đường phân bố lực nổi của tàu b(x)

được xác định theo đồ thị Bonjean

Tải trọng tác dụng lên thân tàu chở hàng rời

Static internal load from cargo

Static external sea

pressure

Dynamic internal load from cargo

Dynamic external

sea pressure

Tải trọng tác dụng lên thân tàu chở quặng

Internal load

- External load

= Net load on double bottom

Static and dynamic sea pressure

Static and dynamic internal load from cargo

Tải trọng tác dụng lên thân tàu trạng thái khô ng tải

Static and dynamic sea pressure

Net load from sea pressure

Phân bố tải trọng tác dụng lên thân tàu trên nước

• Theo tài liệu đăng kiểm DNV:

Steel weight, equipment and machinery

Buoyancy Weight distribution of cargo and fuel

Thực tế phân bố tải trọng tác dụng lên thân tàu

Distribution

of weights

Distribution of buoyancy

Ảnh hưởng tải trọng tác dụng lên thân tàu trên nước

• Thân tàu bị vồng lên khi chịu tải trọng tĩnh tác dụng:

Ảnh hưởng tải trọng tác dụng lên thân tàu trên só ng

• Thân tàu bị võng xuống khi chịu tải trọng sóng tác dụng:

Các trạng thái tải trọng tác dụng lên thân tàu

• Thân tàu như dầm trên nền đàn hồi, dưới tác động momen uốn dọc đang xem xét sẽ bị vồng lên (hogging) hoặc võng

(sagging).

• Nghiên cứu về độ bền chung thân tàu ta xác định lực cắt,

momen uốn thân tàu cho các trạng thái tàu gặp trong khai

thác : tàu nằm trên nước tĩnh và tàu nằm trên sóng.

1.2 Tính lực cắt và mô men uốn tàu

trên nước tĩnh

• Để tàu nổi cân bằng trên nước phải thỏa mãn các

điều kiện cân bằng lực và momen tác động lên tàu

1.2 Tính lực cắt và mô men uốn tàu

trên nước tĩnh

• Các bước tiến hành tính toán:

• 1) Phân bố tải trọng thân tàu và hàng hóa

• Tải trọng được phân bố theo dạng hình thang

TT Tên gọi Trọng lượng Phân bố tải trọng, (T)

1.2 Tính lực cắt và mô men uốn tàu

trên nước tĩnh

• Ảnh hưởng của trọng lượng có ảnh hưởng đến mặt

cắt và mô men uốn:

• Tải trọng được phân bố trên tàu chở quặng

Tải trọng phân bố không đều theo chiều dài tàu

Buoyancy and weights are not evenly distributed along a ships length…

…hence, a global shear force and bending moment distribution is set up on the hull girder

- Full cargo tank - Net force (Buoyancy - weights)

Biểu đồ mô men uốn và lực cắt có dạng như sau

The following is an example for a handymax bulkcarrier

Still water bending moment [intact]

Max allowable bending moment [intact]

Shear force [intact]

Corrected shear force [intact]

Max allowable [intact]

1.2 Tính lực cắt và mô men uốn tàu

trên nước tĩnh

• 2) Phân bố lực nổi:

• Với những tàu cụ thể, diện tích mặt cắt này đọc từ

biểu đồ Bonjean, độ lớn tùy thuộc chiều chìm tàu do mớn nước mũi và mớn nước lái qui định

• công thức tính b(x) tại vị tríđang chọn:

• b(x) = a(x)  L  /  L

•  - trọng lượng riêng của nước.

• Công thức cuối có thể viết lại dưới dạng:

• b(x) = a(x)  .

3) CÂN BẰNG TÀU TRÊN NƯỚC

d d



CÂN BẰNG TĨNH TÀU TRÊN NƯỚC

• Theo đồ thị Hydrostatic, ứng với chiều chìm xác định thể tích

TÍNH LỰC CẮT VÀ MÔ MEN UỐN

• Lực cắt và mô men uốn được xác định theo lý thuyết cơ học:

• Giá trị lực cắt:

• Mô men uốn:

• Để tính các tích phân này ta tiến hành chia tàu theo 20 khoảng

sườn lý thuyết, quá trình thực hiện theo bảng.

• Sai số cho phép

• Với F s (L), M s (L) – giá trị mô men uốn và lực cắt tại sườn cuối cùng

• F s,max ,M s,max – giá trị tuyệt đối, cực đại của mô men uốn.

VÍ DỤ TÍNH MOMEN UỐN VÀ LỰC CẮT

• Tàu container với kích thước chính như sau:

• Chọn sóng tính toán dài  = L = 148m ; cao h = 6,0m , profil

• Tâm nổi tính toán sau cân bằng: LCB = -4,559m

• Sai số sau hai lần tính cân bằng

• đã thỏa mãn qui định qui ước nêu trên

Sườn LT p(x)

(t)

b(x) (t)

q(x)=

(2)-(3)

Tích phân theo (4)

Tích phân theo (5)

Hiêu chỉnh (5)

Lực cắt (5)-(7) (t)

(6)xL/2 (t.m)

Hiệu chỉnh (9) (t.m)

Momen uốn M (9)-(10) (t.m)

(1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) (8) (9) (10) (11)

0-1 481,87 520 429,8 429,8 429,8 0,52 429,3 1590,4 -26,53 1516,9 1-2 601,5 213,7 387,8 817,6 1677,3 1,04 816,6 6206,1 -53,05 6259,1 2-3 687,08 434,8 252,2 1069,9 3564,8 1,55 1068,3 13190 -79,58 13269,6 3-4 847,1 626,2 220,8 1290,7 5925,5 2,07 1288,6 21924,2 -106,1 22030 4-5 845,2 774,9 70,33 1361.1 8577,2 2,59 1358,4 31735,9 -131,6 31868,5 5-6 459,4 890,1 -430,7 930,3 10868,6 3,11 927,2 40214,0 -159,1 40373,2 6-7 513,3 955,2 -441,9 488,5 12187,5 3,63 484,8 45463,7 -185,7 4569,4 7-8 480.9 973,7 -492,8 -4,3 12771,6 4,14 -8,4 47255,1 -212,2 47467,3 8-9 855,7 966,3 -110,6 -114,9 12652,5 4,66 -119,5 46814,1 -238,7 47052,8 9-10 761,1 940,3 -179,2 -294,1 12243,4 5,18 -299,3 45300,7 -265,2 45566,0 10-11 754,2 903,1 -148,9 -443,1 11506,2 5,7 -448,7 42573,1 -291,7 42864,9 11-12 761,0 865,9 -104,9 -547,9 10515,2 6,22 -554,2 38906,2 -318,3 39224,5 12-13 802,3 813,9 -11,6 -559,6 9407,6 6,73 -566,3 34808,1 -344,8 35153,0 13-14 515,4 732,2 -216,7 -776,3 8071,7 7,2 -783,5 29865,3 -371,3 30236,7 14-15 490,9 613,2 -122,4 -898,6 6396,7 7,77 -906,4 23667,9 -397,8 24065,8 15-16 531,0 483,1 47,9 -850,8 4647,3 8,29 -859,0 17195,0 -424,4 17619,4 16-17 384,0 356,8 27,26 -823,5 2973,0 8,81 -832,3 11000,2 -450,9 11451,1 17-18 382,1 243,4 138,6 -684,8 1464,7 9,32 -694,1 5419,3 -477,4 5896,7 18-19 377,8 159,8 218,1 -466,8 313,0 9,84 -476,6 1158,2 -503,9 1662,2 19-20 562,8 91,0 477,1 10,36 -143,4 -10,3 0 -530,5 -530,5 0

TÍNH MOMEN UỐN VÀ LỰC CẮT TÀU TRÊN NƯỚC TĨNH

• Từ bảng tính có thể thấy: W = 12100 t; LCG = -4,464m; df = 3,82m ; da = 6,635m Kết quả là M s,max = 47255,1 t.m ; F s,max = 1358,47 t

1.3 Tính lực cắt và momen uốn bổ sung của tàu

trên sóng theo hướng dẫn của IACS

• Momen sóng tính theo qui phạm được các Đăng kiểm :

1.3 Tính lực cắt và momen uốn bổ sung của tàu

trên sóng theo hướng dẫn của IACS

• Lực cắt tàu trên sóng tính theo công thức:

• F w (+) = +30 F1 C L B (C B + 0,7) x10 -2 (kN) khi lực (+)

• F w (-) = -30 F2 C L B (C B + 0,7) x10 -2 (kN) khi lực (-)

• trong đó F1, F2 = phân bố lực dọc theo tàu, như hình vẽ

1.4 Lực cắt giới hạn Momen uốn giới hạn

• Mô đun chống uốn nhỏ nhất của mặt cắt giữa tàu vỏ thép, chiều dài trong phạm vi 90m  L  500m

Mô men uốn giới hạn – lực cắt giới hạn

• Giá trị giới hạn của momen uốn tàu:

• trong đó f phụ thuộc vào qui cách kết cấu mặt cắt ngang tàu.

Lực cắt, momen uốn và lực cắt giới hạn, momen uốn giới hạn

Tiêu chuẩn bền

• Trong đó:

• M S - momen uốn tàu lớn nhất trên nước tĩnh, tính cho trường hợp

sagging, kNm,

• M W – momen uốn tàu bổ sung trên sóng, kNm

•  S ,  W ,  R - các hệ số an toàn sử dụng khi tính momen uốn trên nước tĩnh, trên sóng và khả năng chịu tải.

• Dữ liệu thống kê :  S = 1,0;  W = 1,35;  R = 1,1

• Công thức đánh giá M U = Z red s Y 10 3 hoặc M U = I red /z 0 10 3 kNm

• Momen quán tính mặt cắt khu vực giữa tàu I red, m 4 , tính đến

trường hợp tôn vỏ bị ăn mòn sau thời gian sử dụng.

• z dk , z 0 - chiều cao đến tấm boong, chiều cao trục trung hòa, tính

từ đường cơ bản qua đáy, m.

• s Y - ứng suất chảy vật liệu, MPa.

dk

I Z

z z





Ứng suất do uốn chung

• Xét mặt cắt ngang giữa tàu của tàu hàng khô

Phân bố ứng suất trên mặt cắt ngang giữa tàu

• Mặt cắt ngang giữa tàu có dạng thành mỏng

• Ứng suất xuất hiện tại vị trítọa độ x

• Ứng suất tính cho tấm boong, tấm đáy:

• Mô đun chống uốn nhỏ nhất của mặt cắt ngang:

M

z I

M W

max

I W

z



Biểu đồ phân bố ứng suất do uốn chung

Đặc trưng hình học mặt cắt ngang giữa tàu

• Chiều cao trục trung hòa so với trục tham chiếu

• Mô men quán tính so với trục tham chiếu:

• Giả thiết mặt cắt ngang tàu thủy đối xứng qua trục Oz:

0

i i i

i i

a z z

Tính đặc trưng hình học mặt cắt ngang giữa tàu

• Thực hiện ở dạng bảng tính toán cho các thành phần tham gia

vào mặt cắt ngang thân tàu bao gồm:

Khoảng cách z i ( cm)

a i z i

=(2)x(3)

a i z i 2 = (2)x(5) (cm 2 m 2 )

Momen quán tính riêng I 0 (cm 2 m 2 )

A

2 0

Vídụ tính toán

TT Tên gọi Qui cách Diện tích

Chiều cao Momen

M quán tính

M quán tính riêng

Mô đun chống uốn (boong) ZD ZD 2,287 m3

Mô đun chống uốn (đáy) ZB ZB 12,93/3,346 3,864 m3

1.5 Điều kiện đưa các kết cấu vào tham gia

mặt cắt ngang tương đương

• Kết cấu dọc phải đủ độ dài về mặt cơ học

• Độ dài tối thiểu về mỗi phía của mặt cắt không nhỏ hơn một lần chiều cao mạn tại vùng đang xét

• Xà dọc boong dưới thượng tầng có chiều dài lớn hơn 7,5%L

và không ngắn hơn 3 lần chiều cao thượng tầng, tính từ mặt cắt, mời đủ điều kiện tham gia

• Thượng tầng dài dưới 15%L hoặc chiều dài này ngắn hơn 6 lần chiều cao chính nó sẽ không được tính vào thành phần mặt cắt ngang tính toán

• mạn, tấm boong giữa các nắp hầm hàng chỉ được đưa một

phần vào tham gia mặt cắt tương đương, và phần này nằm giữa mép dọc tạo góc 20  với mép kết cấu đang đề cập

1.5 Điều kiện đưa các kết cấu vào tham gia

mặt cắt ngang tương đương

• Các lỗ khoét với chiều rộng không lớn hơn 20 lần chiều dày tôn tại

vị trícùng vùng không cần để ý đến khi tính Các lỗ khoét lớn chỉ bỏ qua khi tính nếu có hệ thống gia cố đủ cứng vững cho lỗ khoét Với các miệng hầm hàng chỉ được phép đưa một số vùng tham gia

thành phần mặt cắt tương đương

Hiệu chỉnh đặc tính vât liệu cho dầm tương đương

 hiệu chỉnh để đưa về vật liệu “đồng nhất tương đương”

• h i - chiều cao tương đương của kết cấu không phải từ thép

2

0

12



Ứng suất cắt

Ứng suất do uốn và cắt

Xác định ứng suất cắt thân tàu

• Ứng suất cắt xuất hiện trong mặt cắt:

• Trong đó: F = Lực cắt thân tàu, S* = Mô men tĩnh diện tích bị cắt,

I = Mô men quán tính mặt cắt ngang, t = chiều dày tôn vỏ

• Quá trình tính toán thể hiện dưới dạng bảng

*

.

Tích số (2)x(3)

Momen tĩnh

m 3

Chiều dầy mm

Ứng suất N/mm 2

Phân bố ứng suất cắt trong tàu

1.6 Xoắn thân tàu Xoắn tàu trên só ng xiên

• Momen xoắn tính cho một đơn vị dài thân tàu :

• Momen xoắn thân tàu :

• Trong đó  - trọng lượng riêng nước bao tàu, v(x) – thể tích

phần thân tàu dài đơn vị tại vị tríx, chìm trong nước, e(x) – khoảng cách từ trục đối xứng đến tâm nổi phần chìm v(x)

Đồ thị m(x) và M T (x) – Mô men xoắn tàu do sóng

Công thức thực nghiệm xác định momen xoắn thân tàu

trên sóng xiên

• Giá trị momen xoắn lớn nhất:

• trong đó: L, B, D tính bằng m;  - khoảng cách từ tâm quay đến đáy

Mô hình đơn giản xác định ứng suất xoắn thân tàu vận tải

• Bỏ qua độ cứng các xà ngang boong trong khu vực hầm hàng,

tàu hàng khô, kể cả tàu container ta được mô hình hộp hở

thành mỏng

Phân bố ứng suất xoắn tiêu biểu trên tàu container

• Phân bố ứng suất xoắn St Venant

Phân bố ứng suất xoắn tiêu biểu trên tàu container

Xoắn tàu có miệng hầm hàng mở rộng

• Tỷ lệ chiều rộng miệng hầm so với chiều rộng tàu của tàu

container 0,8  0,88 , tỷ lệ chiều dài miệng hầm hàng trên

Xoắn tàu có miệng hầm hàng mở rộng

• Kết cấu thân tàu có miệng hầm hàng rộng xét như kết cấu dầm thành mỏng, hở, diện tích mặt cắt thay đổi, phân tích

theo thuyết “strip theory”.

Biến dạng và ứng suất pháp khoang

hàng tàu container bằng FEM

Xoắn vách ngang tàu container

1.7 Vídụ về kiểm tra độ bền chung

• Thông số cơ bản của tàu Aulac Angel

Bố tríchung tàu Aulac Angel

Mặt cắt ngang giữa tàu Aulac Angel

Tính mô men uốn , lực cắt của tàu trên nước tĩnh

CÁC BƯỚC TÍNH TOÁN SỨC BỀN CHUNG THÂN TÀU

• 1) Nhập các dữ liệu chính của tàu

• 2) Xác định dữ liệu thủy tĩnh của tàu

• 3) Xác định trị số Bonjean

• 4) Xác lập đường phân bố trọng lượng tàu không

• 5) Phân bố trọng lượng bổ sung tại trạng thái tính toán

• 6) Tiến hành cân bằng tàu

• 7) Tính mô men uốn và lực cắt trên nước tĩnh

• 8) Tính mô men uốn lực cắt bổ sung trên sóng the quy phạm

• 9) Xác định đặc trưng hình học mặt cắt ngang tàu

• 10) Kiểm tra độ bền uốn theo tiêu chuẩn bền uốn

• 11) Kiểm tra độ bền cắt theo tiêu chuẩn bền cắt

KẾT LUẬN Chương này đã giải quyết được một số bài toán sau đây:

• 1) Tính toán mô men uốn và lực cắt của tàu trên nước tĩnh

• 2) Tính toán mô men uốn bổ sung của tàu trên sóng

theo quy phạm hiện hành.

• 3) Phân tích các yếu tố kết cấu tha gia vào uốn chung.

• 4) Xoắn tàu có miệng hầm hàng mở rộng.