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 0,4 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 ph
ải 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 L
1
+ 800 (mm)

(2.3)
Trong đó:
L
1
- Chiều dài tàu quy định 0,97 chiều dài tàu đo trên
đường nước chở h
àng thiết kế, lấy giá trị nào nhỏ hơn (m).
- Vi
ệc 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 t
àu quy
định tương ứng.
- N
ếu không có quy định nào khác, thì mô đun chống uốn theo yêu
c
ầu của Quy phạm là của tiết diện cơ cấu thân tàu bao gồm cả mép
kèm. Mép kèm được lấy rộng bằng 0,1
l về mỗi bên của cơ cấu
nhưng không được lớn hơn một nửa khoảng cách các cơ cấu,
l là
chi
ều dài nhịp của cơ cấu lấy theo các quy định có liên quan.
- Vi
ệc 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
c
ầu 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 (cm

2
).
t: Chi
ều 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
m
ối 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
- N
ếu không có quy định nào khác, thì chiều dài cạnh đứng của mã
liên k
ết 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 c
ầu.
- Nếu mã có lỗ khoét giảm trọng lượng thì khoảng cách từ mép lỗ
khoét đến cạnh tự do của m
ã phải không nhỏ hơn đường kính lỗ
khoét.
- N
ếu chiều dài cạnh liên kết dài hơn của mã lớn hơn 800 (mm) thì
c
ạnh 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
tự.
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 h
àn trực tiếp lên cơ cấu cứng.
2.4. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA CÁC CÔNG THỨC TÍNH
TOÁN KÍCH TH
ỨỚC 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, nhi
ệm 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 t
àu,
th
ực 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 bi
ển cùng tất cả trang thiết bị trên đó.

Các cơ quan này tiến h
ành hàng loạt công tác nghiên cứu
khoa học liên quan đến thiết kế, chế tạo, bảo dưỡng, duy tu tàu và
trang thi
ết 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
ph
ạm 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"
c
ủa 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, c
ập 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 n
ày 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 v
ậy, các công thức tính kết cấu thân tàu của các Quy phạm
được xây dựng phải đáp ứng y
êu 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 t
àu cụ thể và điều kiện làm việc cụ thể.
Theo cách đặt vấn đề n
ày, ứng suất tôn đáy hoặc tôn vỏ,
trong trường hợp uốn tính bằng công thức:

 


W
M
(2.5)
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

:

 
gh
MM
W

 (2.6)
Công th
ức trên là cở sở để Quy phạm các nước xây dựng công
th
ức 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
ni
ệm 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 b
e
(effective width) xác định theo
công thức sau:
y
b
x
e

e
db










0
1


(2.7)
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 b
e
.
M
a
a

M
be/2
b
e/2
x
x
a
b
A
A
Hình 2.4: Xác định chiều rộng hữu hiệu b
e
Định nghĩa chiều rộng dải tôn kèm hay mép kèm b
e
theo công
th
ức (2.7) theo nghĩa effective width là tương đương với định nghĩa
chiều rộng hữu hiệu (effective breadth) của tấm tham gia vào các
k
ết 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
m
ất
ổ
n
đ
ịnh
Sau khi
m

ất
ổn
đ
ịnh
công thức tính gần đúng hoặc sử dụng đồ thị do các nhà nghiên
c
ứu ổn định tấm lập từ những năm đầu thế kỷ XX đến nay. Một
trong các đồ thị được thể hiện trong (h
ình 2.4), trong đó chiều rộng
hữu hiệu b
e
ở hệ toạ độ tương đối được xác định dưới dạng hàm
c
ủa chiều rộng tương đối  như sau:

Et
b
0



(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
112
4








b
tE
gh



(2.9)
Do thép có h
ệ 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)
N
ếu chiều rộng tấm b = b
e
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:

 
0
0
2
13



E
t
E
tb
e


 (2.11)
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:

Et
b
b
b
e
0


 (2.12)
V
ới các tấm đơn dùng làm tàu vỏ thép, có thể tính chiều rộng
mép kèm b
e
theo công thức:

0
9.1

E
tb
e
 (2.13)
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 = 2,1.10
5
(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.
Chi
ều rộng tối thiểu của mép kèm tính từ lý thuyết tấm có thể
xác định theo công thức:

2
12



b
b
em
(2.14)
Trong đó:
b
em
: 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:
 
yy

em
gh
b
b













2
0
12
(2.15)
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 R
d
xác định theo công thức:
E
E
R
y

tsd
d


 1 (2.16)



12 

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.
E
ts
: giá trị môđun vật liệu tham gia kết cấu được xác định
như sau:
Nếu  > 2.5 thì E
ts
 E
N
ếu  < 1 thì E
ts
 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:
 
KE
b
a
t
y
gh

















2
2
0
19.1
(2.18)
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 R

d
= 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 th
ức tính ứng suất tấm. Đối với hệ thống ngang, giá trị ứng
suất uốn 
x
tại điểm giữa tấm được tính theo công thức:

2
5.0







t
S
p
x

(2.21)
Trong đó:
d: Chiều chìm tàu.
S: Kho

ảng 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/mm
2
).
(2.22)
T
ừ tiêu chuẩn bền ghi trong công thức (2.18) ta có thể thấy
được mối quan hệ chặt chẽ giữa chiều d
ày tấm t với chiều chìm d
và kho
ảng 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
St

005.0
 (2.23)
Chúng ta l
ấy 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:
dSt 68.7