thiết kế kết cấu tàu chở hàng khô vỏ thép, trọng tải 2000 tấn

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY SẢN
KHOA CƠ KHÍ
BỘ MÔN TÀU THUYỀN
b


TRƯƠNG VĂN PHƯƠNG



ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP







CHUYÊN NGÀNH: CƠ KHÍ TÀU THUYỀN



GVHD: TS. TRẦN GIA THÁI






THIẾT KẾ KẾT CẤU TÀU CHỞ HÀNG
KHÔ VỎ THÉP, TRỌNG TẢI 2000 TẤN

NHA TRANG, 06-2006
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

Họ và tên sinh viên: TRƯƠNG VĂN PHƯƠNG Lớp: 43TT
Ngành: Cơ khí Tàu thuyền Mã ngành: 18.06.10
Tên đề tài: Thiết kế kết cấu tàu chở hàng khô vỏ thép, trọng tải 2000 tấn
Số trang: 100 Số chương: 04 Số tài liệu tham khảo: 11
Hiện vật: Không
NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN










Kết luận:



Nha Trang, ngày …… tháng ……. năm 200…
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
(Ký và ghi rõ họ tên)
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
PHIẾU ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG LVTN

Họ và tên sinh viên: TRƯƠNG VĂN PHƯƠNG Lớp: 43TT
Ngành: Cơ khí Tàu thuyền Mã ngành: 18.06.10
Tên đề tài: Thiết kế kết cấu tàu chở hàng khô vỏ thép, trọng tải 2000 tấn
Số trang: 100 Số chương: 04 Số tài liệu tham khảo: 11
Hiện vật: Không
NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN









Điểm phản biện:
Nha Trang, ngày …… tháng …… năm 200 …
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
(Ký và ghi rõ họ tên)





ĐIỂM CHUNG
Bằng số Bằng chữ

Nha Trang, ngày …… tháng …… năm 200 …

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG
(Ký và ghi rõ họ tên)

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
LỜI CẢM ƠN

Đầu lời tôi xin kính chúc sức khỏe thầy TS. Trần Gia Thái và các thầy cô
giáo trong khoa cơ khí trường Đại học Thủy sản.
Nhân dịp hoàn thành đề tài tôi xin chân thành cảm ơn:
- Cảm ơn quý thầy cô trường Đại học Thủy sản.
- Cảm ơn quý thầy cô và anh chị của trung tâm tàu cá trường Đại học Thuỷ sản.
- Cảm ơn gia đình, Bố, Mẹ tôi và bạn bè đã giúp đỡ tôi trong suốt thời gian
học tập và thực hiện đề tài.
- Cảm ơn thầy giáo chủ nhiệm Bùi Văn Nghiệp và thầy Phạm Thanh Nhựt.
- Đặc biệt cảm ơn thầy TS. Trần Gia Thái đã giúp đỡ tôi hoàn thành đồ án
tốt nghiệp này.
Sinh viên thực hiện

Trương Văn Phương
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
Đ
Đ
Ề
Ề


C
C
Ư
Ư

Ơ
Ơ
N
N
G
G


Đ
Đ
Ồ
Ồ


Á
Á
N
N


T
T
Ố
Ố
T
T


N
N

G
G
H
H
I
I
Ệ
Ệ
P
P



Họ và tên sinh viên: TRƯƠNG VĂN PHƯƠNG Lớp: 43TT
Địa chỉ liên hệ: 02 Hải Nam, Thanh Hải, phường Vĩnh Hải, Nha Trang.
Tên đề tài: Thiết kế kết cấu tàu chở hàng khô vỏ thép, trọng tải 2000 tấn
Ngành: Cơ khí Tàu thuyền Mã ngành: 18.06.10
Cán bộ hướng dẫn: TS. TRẦN GIA THÁI

I. ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI VÀ MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU
1. Đối tượng nghiên cứu: Tàu chở hàng khô vỏ thép 2000 tấn.
2. Phạm vi nghiên cứu: Thiết kế kết cấu theo quy phạm, tính sức bền kết cấu
tàu thiết kế.
3. Mục tiêu nghiên cứu: Giải quyết vấn đề thiết kế kết cấu tàu (theo quy
phạm), tính sức bền và nâng cao kiến thức bản thân.

II. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
Chương 1. ĐẶT VẤN ĐỀ
1.1 Tổng quan về đề tài.
1.2. Tìm hiểu công tác thiết kế kết cấu tàu vỏ thép.

1.3. Những vấn đề cần lưu ý khi thiết kế kết cấu tàu hàng vỏ thép.
1.4. Nội dung và giới hạn đề tài.
Chương 2. THIẾT KẾ KẾT CẤU THEO QUY PHẠM
2.1. Cơ sở lý thuyết của Quy phạm đóng tàu vỏ thép
2.2. Giới thiệu sơ lược về tàu thiết kế
2.3. Thiết kế kết cấu tàu chở hàng khô 2000 tấn vỏ thép.
Chương 3. TÍNH KIỂM TRA ĐỘ BỀN KẾT CẤU TÀU THIẾT KẾ
3.1. Bài toán sức bền chung toàn tàu.
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

3.2. Bài toán sức bền cục bộ của các kết cấu thân tàu.
4. THẢO LUẬN KẾT QUẢ VÀ ĐỀ XUẤT Ý KIẾN
4.1. Kết quả.
4.2. Đề xuất ý kiến.

III. KẾ HOẠCH THỜI GIAN
1. ĐI THỰC TẾ: không
2. KẾ HOẠCH HOÀN THÀNH BẢN THẢO
Chương 1: ĐẶT VẤN ĐỀ T ừ : 12/03/2006 Đến: 19/03/2006
Chương 2: THIẾT KẾ KẾT CẤU THEO QUY PHẠM.
Từ: 20/03/2006 Đến: 20/04/2006
Chương 3: TÍNH KIỂM TRA ĐỘ BỀN KẾT CẤU TÀU THIẾT KẾ
Từ: 21/04/2006 Đến: 21/05/2006
4. THẢO LUẬN KẾT QUẢ VÀ ĐỀ XUẤT Ý KIẾN
Từ: 22/05/2006 Đến: 30/05/2006
Hoàn thành bản thảo: Trước ngày 12/06/2006.
Nha Trang, ngày 10 tháng 03 năm 2006

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
(Ký và ghi rõ họ, tên)

SINH VIÊN
(Ký và ghi rõ họ, tên)


TRƯƠNG VĂN PHƯƠNG
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

MỤC LỤC

Trang
LỜI CẢM ƠN
MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU 1
Chương 1
ĐẶT VẤN ĐỀ 2
1.1. TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 2
1.2. TÌM HIỂU CÔNG TÁC THIẾT KẾ KẾT CẤU TÀU VỎ THÉP 2
1.3. NHỮNG VẤN ĐỀ CẦN LƯU Ý KHI THIẾT KẾ KẾT CẤU TÀU HÀNG VỎ
THÉP 3
1.3.1. Hệ thống kết cấu thân tàu vỏ thép 3

1.3.2. Đặc điểm kết cấu tàu hàng 5
1.4. NỘI DUNG VÀ GIỚI HẠN ĐỀ TÀI 9
Chương 2
THIẾT KẾ KẾT CẤU THEO QUY PHẠM 10
2.1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA QUY PHẠM ĐÓNG TÀU VỎ THÉP 10
2.2. GIỚI THIỆU SƠ LƯỢC TÀU THIẾT KẾ 10
2.3. THIẾT KẾ KẾT CẤU TÀU CHỞ HÀNG KHÔ 2000 TẤN VỎ THÉP THEO
QUY PHẠM TÀU BIỂN VỎ THÉP 2003 12
2.3.1. Kết cấu đáy 12
2.3.2. Kết cấu khung giàn mạn 17
2.3.3. Kết cấu boong 26
2.3.4. Kết cấu sống mũi và sống đuôi 29
2.3.5. Kết cấu khung giàn vách 30
2.3.6. Bệ máy 32
2.3.7. Kết cấu thượng tầng và lầu 33

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

Chương 3
TÍNH KIỂM TRA ĐỘ BỀN KẾT CẤU THÂN TÀU THIẾT KẾ 37
3.1. KHÁI QUÁT VỀ BÀI TOÁN SỨC BỀN CHUNG THÂN TÀU 37
3.1.1. Tính sức bền chung thân tàu 37
3.1.2. Nhận xét kết cấu tàu qua bài toán sức bền chung 75
3.2. KHÁI QUÁT BÀI TOÁN SỨC BỀN CỤC BỘ CÁC KẾT CẤU THÂN TÀU.75
3.2.1. Lựa chọn phương pháp tính 75
3.2.2. Trình tự giải bài toán độ bền kết cấu bằng phương pháp phần tử hữu
hạn 76
3.2.3. Xây dựng mô hình và tính sức bền cục bộ một số kết cấu chính 77
3.2.4. Kiểm tra sức bền cục bộ 98
4. THẢO LUẬN KẾT QUẢ VÀ ĐỀ XUẤT Ý KIẾN 99

4.1. THẢO LUẬN KẾT QUẢ 99
4.2. ĐỀ XUẤT Ý KIẾN 99
TÀI LIỆU THAM KHẢO 100







PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
- 1 -
LỜI NÓI ĐẦU

Tàu thủy nói chung và tàu hàng nói riêng là một công trình kỹ thuật nổi phức
tạp, có thể nổi và di chuyển được trên nước, có kết cấu phức tạp và hoạt động trong
môi trường khắc nghiệt, chịu sự tác động của nhiều yếu tố như sóng, gió, va đập, …
Do vậy, yêu cầu quan trọng của việc thiết kế kết cấu là nghiên cứu các phương pháp
lựa chọn hình dáng kết cấu, xác định kích thước, tính toán tối ưu kích thước, bố trí
hợp lý các kết cấu và liên kết của thân tàu để đảm bảo tàu hoạt động an toàn trong
môi trường khắc nghiệt đó. Có nhiều phương pháp thiết kế kết cấu thân tàu và một
phương pháp thiết kết cấu (được thực hiện trong đồ án này) đảm bảo bền, an toàn,
đạt hiệu quả và rút ngắn thời gian là thiết kế theo quy phạm phân cấp và đóng tàu.
Đề tài: “Thiết kế kết cấu tàu chở hàng khô vỏ thép, trọng tải 2000 Tấn” sẽ
giải quyết vấn đề thực tế là thiết kế kết cấu theo quy phạm và tính sức bền cho tàu
vỏ thép. Đề tài thực hiện theo bốn chương với nội dung như sau:
Chương 1: Đặt vấn đề.
Chương 2: Thiết kế kết cấu theo Quy phạm.
Chương 3: Tính kiểm tra độ bền kết cấu thân tàu thiết kế.
4. Thảo luận kết quả và đề xuất ý kiến.

Mục đích của đề tài là giải quyết vấn đề thực tế thiết kế kết cấu tàu vỏ thép
theo quy phạm, đồng thời thực hiện tính toán sức bền và từ đó áp dụng cho các tàu
khác theo quy định của quy phạm.
Do thời gian có hạn, kiến thức và kinh nghiệm thực tế còn hạn chế, chắc
chắn trong đề tài không tránh khỏi những thiếu sót. Rất mong nhận được những ý
kiến đóng góp của các thầy giáo và các bạn.
Nha Trang, ngày 12 tháng 06 năm 2006.
Sinh viên thực hiện

Trương Văn Phương
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
- 2 -
Chương 1
ĐẶT VẤN ĐỀ

1.1. TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
Như đã biết thiết kế kết cấu là một giai đoạn quan trọng trong quá trình thiết
kế tàu. Đây là quá trính tính toán kích thước, lựa chọn hình dáng và bố trí kết cấu,
liên kết sao cho các kết cấu thiết kế đảm bảo được độ bền, tính công nghệ và tính
kinh tế.
Hiện nay, loại tàu 2000 tấn đã được đóng ở nước ta và cũng đã có hồ sơ thiết
kế kết cấu, qua tìm hiểu và phân tích một số hồ sơ thiết kế cho thấy các tàu này
thường được thiết kế kết cấu theo Quy phạm phân cấp và đóng tàu. Ưu điểm của
thiết kế kết cấu theo Quy phạm là tương đối đơn giản, thực dụng, thường đảm bảo
sức bền tàu và rút ngắn được thời gian thiết kế. Tuy nhiên, nhược điểm của thiết kế
kết cấu theo Quy phạm là kết cấu thường chưa phải ở dạng tối ưu, nguyên nhân do
Quy phạm chưa phải phản ánh đầy đủ các điều kiện môi trường, thiên nhiên và con
người hoạt động trong đó. Do đó, thiết kế kết cấu theo Quy phạm thường chỉ mới
đáp ứng được yêu cầu về độ bền còn về tính công nghệ và tính kinh tế là chưa thỏa
đáng, thường là thừa bền và tốn kém vật liệu.

Trên cơ sở đó, đề tài này sẽ phân tích, đánh giá và tính toán thiết kế kết cấu
tàu chở hàng khô vỏ thép 2000 tấn theo Quy phạm sao cho các kết cấu thiết kế đảm
bảo độ bền, ổn định, tính công nghệ và tính kinh tế. Sau đó thực hiện tính toán sức
bền cho các kết cấu theo phương pháp tính toán lý thuyết để kiểm tra, đánh giá và
đưa ra những kết cấu cho tàu thiết kế phù hợp với điều kiện Việt Nam.
1.2. TÌM HIỂU CÔNG TÁC THIẾT KẾ KẾT CẤU TÀU VỎ THÉP
Công tác thiết kế kết cấu tàu vỏ thép hiện nay ở nước ta thường được thực
hiện tại các nhà máy đóng tàu vỏ thép, các Viện thiết kế. Tại mỗi nhà máy đóng và
sửa tàu biển vỏ thép thường có một phòng kỹ thuật đảm nhận nhiệm vụ thiết kế tàu
trong đó có thiết kế kết cấu. Thiết kế kết cấu được thực hiện khi đã có bản vẽ thiết
kế đường hình tàu, trên cơ sở đường hình và các yêu cầu của chủ tàu về mục đích sử
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
- 3 -
dụng tàu, sức chở, tính năng, … các phòng thiết kế (hay các Viện thiết kế) tiến hành
lựa chọn phương pháp thiết kế cho phù hợp với các yêu cầu trên. Sau khi thiết kế
xong các phòng (Viện) thiết kế trình Đăng kiểm duyệt trước khi tiến hành triển khai
bản vẽ thi công. Thông thường phương pháp thiết kế kết cấu tàu theo quy phạm là
phổ biến nhất và được sử dụng rộng rãi hiện nay.
1.3. NHỮNG VẤN ĐỀ CẦN LƯU Ý KHI THIẾT KẾ KẾT CẤU TÀU
HÀNG VỎ THÉP.
Khi thiết kế kết cấu thân tàu vỏ thép cần lưu ý một số vấn đề sau:
1.3.1. Hệ thống kết cấu thân tàu vỏ thép.
Kết cấu thân tàu có dạng vỏ mỏng gồm phần tôn bao bên ngoài và phần gia
cường bên trong tạo thành khung xương đảm bảo độ bền, giữ tàu nổi và vận động
trên nước.
Việc lựa chọn hình thức kết cấu ảnh hưởng đến độ bền, tính công nghệ và
tính kinh tế. Tùy theo sự bố trí các dầm dọc và ngang trong khung giàn kết cấu thân
tàu chia ra ba hình thức bố trí kết cấu sau:
1.3.1.1. Hệ thống kết cấu ngang.
Trong hệ thống này các kết cấu bố trí theo chiều dài tàu dày hơn chiều rộng

tàu được thể hiện trên hình vẽ.






Ø Ưu điểm:
- Chịu tác dụng của lực theo phương ngang tàu tốt.
- Công nghệ chế tạo tàu theo hệ thống ngang đơn giản hơn các hệ thống
khác vì số lượng kết cấu dọc ít, thuận tiện cho việc phân đoạn và thi công.
Ø Nhược điểm:
- Chịu uốn dọc chung và chịu xoắn kém, thi công dễ gây biến dạng, làm ảnh
b
a

Hình 1.1. Hệ thống kết cấu ngang
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
- 4 -
hưởng độ bền vỏ.
1.3.1.2. Hệ thống kết cấu dọc.
Các kết cấu bố trí theo chiều dài tàu thưa hơn chiều rộng tàu.






Ø Ưu điểm:
- Giảm được chiều dày các tấm tôn và giảm trọng lượng tàu (đối với các tàu

cỡ lớn), thuận tiện trong công việc áp dụng công nghệ hàn tự động.
- Đối với các tàu cỡ lớn hệ thống dọc cho phép giảm 15% nguyên liệu làm
vỏ tàu.
Ø Nhược điểm:
- Việc lắp ráp các phân đoạn rất phức tạp, kéo dài các khoang là rất khó, do
đó tốn nhiều thời gian trong thi công.
1.3.1.3. Hệ thống kết cấu hỗn hợp.
Hệ thống kết cấu này là sự kết hợp của hai hệ thống ngang và dọc, cách bố
trí như vậy cho phép hệ thống kết cấu này có thể tận dụng được ưu điểm của hai hệ
thống trên đồng thời giảm đi các nhược điểm của chúng.
F Hiện nay, các tàu hàng cỡ vừa và nhỏ thường bố trí kết cấu theo hệ thống
ngang, cách bố trí này về khối lượng vật liệu không chênh lệch so với các hệ thống
khác, thuận tiện trong thi công và phù hợp với điều kiện các nhà máy đóng tàu ở
Việt Nam, vì đa số các nhà máy ở nước ta hệ thống cẩu chưa lớn. Kết cấu theo hệ
thống ngang thuận tiện trong việc phân đoạn tàu, rút ngắn thời gian lắp ráp các phân
đoạn. Đồng thời, tàu hàng kết cấu theo hệ thống ngang cho phép bố trí khoang hàng
gọn, hợp lý, tạo nhiều thuận lợi cho người tiêu dùng, dung tích hầm hàng đủ lớn,
đay là yêu cầu rất quan trọng đối với tàu chở hàng nói chung và tàu chở hàng khô
b

a

Hình 1.2. Hệ thống kết cấu dọc
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
- 5 -
nói riêng. Tuy nhiên, kết cấu theo hệ thống ngang khả năng chịu sức bền dọc kém,
do đó người ta thường bố trí thêm các chi tiết kết cấu dọc như: sống chính, sống
phụ, đà dọc đáy, dầm dọc mạn, … để tăng độ bền dọc cho tàu.
1.3.2. Đặc điểm kết cấu tàu hàng.
1.3.2.1. Khung giàn đáy:

- Đối với tàu thép, khung giàn đáy có thể bố trí đáy đôi hoặc đáy đơn như
hình vẽ sau:




















Với các loại tàu hàng chiều dài lớn hơn 60m bố trí đáy đôi từ vách chống va
mũi đến khoang lái, chiều cao đáy đôi ³ 620mm để người có thể kiểm tra, thao tác
Hình 1.4. Đáy đôi hệ thống kết cấu ngang
8
4

3

2

6

1

9

5

7
10

1. Tấm tôn đáy
2. Nẹp dọc đáy
3. Đà ngang
4. Sống chính (ky đứng)
5. Tấm ki
6. Đà dọc đáy
7. Tấm đáy trong
8. Đà ngang
9. Mã hông
10. T
ấm hông

Hình 1.3. Đáy đơn tàu vận tải
5

2
6

4
1

3

1. Sống chính
2. Đà dọc đáy
3. Đà ngang đặc

4. Nẹp đứng.
5. Vách ngang
6. Mã nối
7. Lỗ công nghệ

7
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
- 6 -
công việc cần thiết trong đáy đôi. Kết cấu đáy đôi có thể tăng khả năng chống chìm,
tăng độ bền dọc, tạo các két chứa nhiên liệu, các két dằn balast, từ đó tăng dung tích
hầm hàng. Đồng thời bố trí đáy đôi sẽ tận dụng được mặt tôn đáy trong làm sàn để
xếp hàng hóa, thuận tiện cho các công việc trong hầm hàng.
Hiện nay, các tàu thép cỡ vừa và nhỏ khung giàn đáy thường kết cấu theo hệ
thống ngang, đặc điểm kết cấu này sẽ tăng độ cứng vững cho khung giàn mạn,
chống lại lực ép ngang tàu. Tuy nhiên, kết cấu theo hệ thống ngang thì độ bền dọc
sẽ kém, do vậy cần bố trí các kết cấu dọc như sống phụ, nẹp dọc, đáy dọc đáy để
tăng độ bền dọc. Sống chính kín nước, chỉ được khoét lỗ ở khu vực đầu và cuối tàu,
chiều cao không quá 0,4 lần chiều cao ky đáy.
1.3.2.2. Khung giàn mạn.
Khung giàn mạn chịu áp lực nước từ ngoài mạn và hàng hóa gây ra, do đó

chịu tác dụng của lực ép ngang lớn và tạo nên các ứng suất phức tạp như ứng suất
pháp do M
uốn
và ứng suất tiếp do lực cắt N gây ra khi tàu uốn dọc, áp klực hàng
hóa, … Hiện nay, khung giàn mạn thường được kết cấu theo bốn dạng sau:














2

1

3

4
a) Sơ đồ theo hệ thống ngang
b) Sơ đồ theo hệ thống ngang
và 1 xà dọc mạn
2

1

3

4
6

2

1

3
4

c) Sơ đồ theo hệ thống ngang có xà
dọc mạn và sườn khỏe đặt xen kẻ
6

5

2

1

3
5

d) Sơ đồ theo hệ thống dọc có bố
trí thêm sườn khỏe

1
7
Hình 1.5. Các hệ thống kết cấu khung dàn mạn
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
- 7 -
Với các tải trọng và lực tác dụng như trên, khung giàn mạn tàu hàng vỏ thép
thường được kết cấu theo hệ thống ngang có xà dọc mạn và sườn khỏe đặt xen kẻ, kết
cấu như vậy sẽ đảm bảo được độ bền ngang đồng thời tăng khả năng chống uốn dọc
cho hầm hàng nhờ các dầm dọc mạn, thuận tiện trong phân khoang và miệng hầm, dễ
dàng hơn trong thi công. Các lỗ khoét cho các cơ cấu khác chiều đi qua không nhiều do
đó công bỏ ra cho việc này không lớn, nâng cao tính kinh tế và công nghệ.
Dựa vạo kích thước khổ tôn trên thực tế thường sử dụng ví dụ: 6m, 12m và
điều kiện liên kết các mối nối (không được nối tôn tại các sườn) ta tính toán và lựa
chọn khoảng cách sườn để đảm bảo độ bền và khả năng thi công cho mạn tàu.
1.3.2.3. Khung giàn boong.
Đối với tàu hàng hiện nay có thể bố trí một boong, hai boong, … tuy nhiên
tàu hàng cỡ 2000 tấn đa số bố trí một boong. Khung giàn boong tàu có thể kết cấu
theo hệ thống ngang hay dọc như hình vẽ:









Khung giàn boong kết cấu theo hệ thống ngang đối với các loại tàu cỡ vừa và
nhỏ có nhiều ưu điểm hơn so với hệ thống dọc đó là đảm bảo độ bền ngang, giảm
chiều dày tôn boong, thuận tiện cho việc bố trí hầm hàng, quầy miệng hầm hàng,

Các xà ngang boong thường được bố trí cách nhau đúng bằng một khoảng
sườn đã chọn, liên kết với sườn và đà ngang đáy để hình thành nên các khung sườn
nằm dọc chiều dài tàu.
Khung giàn boong kết cấu theo hệ thống ngang sẽ đảm bảo được độ bền ngang

a) Boong theo hệ thống dọc

b) Boong theo hệ thống ngang
Hình 1.7. Các hệ thống kết cấu khung giàn boong
Xà dọc boong
Tôn boong
Tôn boong
Xà ngang boong

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
- 8 -
cho tàu hàng vì các boong có khoét các miệng hầm, tuy nhiên phải bố trí các xà dọc
boong để đảm bảo độ bền dọc cho tàu thiết kế.
1.3.2.4. Một số kết cấu khác.
Ø Phần mũi: là nơi chịu va đập mạnh của nước, làm việc rẽ nước, chịu lực
ép ngang rất lớn. Do đó hầu hết các tàu hàng đều có phần mũi kết cấu theo hệ thống
ngang, đồng thời được tăng cường bằng các vách dọc và sàn lửng, làm nơi chứa
hầm xích neo. Trong phần mũi tàu hàng cỡ vừa và nhỏ thường sử dụng thanh thép
cán cạnh trước có hình tròn làm sống mũi.
Ø Phần lái: là nơi chịu các dao động do trục chân vịt, bánh lái và áp lực
nước tác động nên cúng thường được kết cấu theo hệ thống ngang. Sống đuôi sử
dụng thường là thép đúc để tăng độ cứng vững cho kết cấu vòm đuôi.
Ø Vách: thường sử dùng trong tàu hàng hiện nay có hai loại vách đó là vách
phẳng và vách sóng. Tuy nhiên đối với điều kiện Việt Nam hầu hết các tàu cỡ vừa
và nhỏ đều sử dụng vách phẳng và gia cường bằng các nẹp. Số lượng vách được

quy định theo Quy phạm và theo bảng sau:
Chiều dài tàu L (m) Tổng số vách kín nước
67 £ L < 87
4
87 £ L < 90
5
90 £ L < 102
6
102 £ L < 123
7
123 £ L < 143
8
143 £ L < 165
9
186 £ L
Do đăng kiểm quy định trong từng trường hợp

Ø Khoang máy, thượng tầng và lầu: với các tàu hàng: khoang máy,
thượng tầng và lầu thường được bố trí phía lái, việc bố trí này sẽ tạo không gian cho
các khoang hàng, thực hiện dằn tàu dễ dàng hơn và ứng suất sinh ra trong kết cấu
thân tàu ít phức tạp hơn.
Ø Tôn bao: tính tôn bao dựa theo yêu cầu đảm bảo bền theo Quy phạm, tuy
nhiên để đảm bảo tính công nghệ và kinh tế, thường chọn tôn bao theo tiêu chuẩn và
có chiều dày lớn hơn các giá trị tính được.
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
- 9 -
F Với các phân tích ở phần 1.3.2 ta áp dụng cho cỡ tàu 2000 tấn chở hàng,
chọn hệ thống kết cấu tàu là hệ thống ngang, đồng thời bố trí thêm các sống phụ và
sống chính cho đáy tàu, bố trí hai xà dọc mạn và xà dọc boong để tăng độ bền dọc
cho tàu thiết kế.

1.4. NỘI DUNG VÀ GIỚI HẠN ĐỀ TÀI.
Như đã biết, tàu thủy là một công trình kỹ thuật nổi có kết cấu phức tạp và
làm việc trong môi trường nặng nề, do đó yêu cầu thiết kế kết cấu tàu có ý nghĩa vô
cùng quan trọng, đặc biệt là đối với tàu hàng có nhiều môi trường hoạt động khác
nhau, nhiều hải phận khác nhau do đó nó có nhiều đặc thù khi thiết kế. Việc thiết kế
kết cấu trong điều kiện hiện nay không những yêu cầu đủ bền cho kết cấu mà cần
phải cân nhắc kỹ đến độ dư vật liệu, khả năng thi công, phải cố hết sức để giảm nhẹ
khối lượng kết cấu, tiết kiệm vật liệu, bố trí và lựa chọn vật liệu thỏa đáng đảm bảo
tính kinh tế trong sử dụng kết cấu.
Vấn đề thiết kế kết cấu và tính sức bền được đặt ra trong đề tài này với mục
đích đảm bảo con tàu được đóng mới một cách khoa học với các tính năng tàu hợp
lý, đảm bảo bền và để cho tàu hoạt động vận tải (khai thác, …) được an toàn, mang
lại hiệu quả kinh tế và sử dụng tàu. Do đó nhà trường, khoa và bộ môn tàu thuyền
đã giao cho tôi đề tài “Thiết kế kết cấu tàu chở hàng khô vỏ thép, trọng tải 2000
tấn”. Phần kết cấu sẽ được thiết kế theo quy phạm đóng tàu và thực hiện tính sức
bền các kết cấu đó để đưa ra kết luận.
Nội dung đồ án gồm các vấn đề sau:
ĐẶT VẤN ĐỀ
THIẾT KẾ KẾT CẤU THEO QUY PHẠM
TÍNH KIỂM TRA ĐỘ BỀN KẾT CẤU TÀU THIẾT KẾ
THẢO LUẬN KẾT QUẢ VÀ ĐỀ XUẤT Ý KIẾN.
Bước đầu làm quen với công tác thiết kế và do trình độ chuyên môn còn hạn
chế, kinh nghiệm thực tế không nhiều, nên trong quá trình thực hiện đồ án không
thể nghiên cứu sâu, rộng các kiến thức về thiết kế kết cấu tàu chở hàng khô được
mà chỉ giới hạn ở tàu chở hàng khô vỏ thép tải trọng 2000 tấn để giải quyết một vấn
đề thực tế mà thôi.
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
- 10 -
Chương 2
THIẾT KẾ KẾT CẤU THEO QUY PHẠM

2.1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA QUY PHẠM ĐÓNG TÀU VỎ THÉP.
Quy phạm đóng tàu vỏ thép được tập hợp từ các loại tàu vỏ thép đã hoạt
động đủ bền, đảm bảo an toàn khi hoạt động trên cơ sở đó tổng kết thành các quy
định đối với các kích thước chi tiết kết cấu, trang thiết bị, cách kiểm tra, máy móc,
… và nhiều quy định khác để đảm bảo cho tàu được thiết kế đủ các điều kiện bền,
an toàn cần thiết khi tàu hoạt động.
Quy trình thiết kế kết cấu theo quy phạm đóng tàu vỏ thép được trình bày
theo sơ đồ sau:













2.2. GIỚI THIỆU SƠ LƯỢC TÀU THIẾT KẾ.
Tàu thiết kế là tàu chở hàng khô trọng tải 2000 tấn, vỏ thép kết cấu hàn, một
boong chính liên tục trên suốt chiều dài tàu. Kết cấu thân tàu được tính kiểm
nghiệm theo “Quy phạm phân cấp và đóng tàu biển vỏ thép” – TCVN 6259:2003.
Cấp tàu: biển hạn chế cấp II.
Tàu mẫu
Yêu cầu kỹ
thuật tàu mới

Độ bền thân
tàu
Quy phạm
Bố trí chung
Bố trí kết cấu Mô hình tính toán kết cấu

Mặt cắt ngang giữa tàu
Các kết cấu chính

Kích thước các kết cấu tàu
Hình 2.1. Quy trình thiết kế kết cấu theo quy phạm
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
- 11 -
Thông số chủ yếu:
- Chiều dài lớn nhất: L
max
= 70,00 m
- Chiều dài thiết kế: L
tk
= 65,25 m
- Chiều rộng lớn nhất: B
max
= 10,80 m
- Chiều rộng thiết kế: B
tk
= 10,80 m
- Chiều cao mạn: D = 5,40 m
- Chiều chìm: d = 4,40 m.
- Hệ số diện tích mặt đường nước: a = 0,85
- Hệ số diện tích mặt cắt ngang: b = 0,98

- Trọng tải: P
hh
= 2000 T
- Hệ số béo thể tích: C
b
= 0,83
- Lượng chiếm nước: D = 2650 T
- Vật liệu: thép đóng tàu có s
c
= 2400 KG/cm
2
.
- Tàu thiết kế theo hệ thống kết ngang với khung giàn mạn bố trí 2 xà dọc
mạn và các sườn khỏe đặt xen kẻ, đáy đôi được thiết kế từ vách sau khoang máy
đến vách khoang hàng ở mũi tàu, với chiều cao đáy đôi h = 750 mm. Khoảng sườn:
S = 550 mm. Mạn tàu bố trí 2 dầm dọc mạn, đáy bố trí các sống phụ đáy, không có
đà dọc đáy.
Tàu thiết kế có kết cấu 2 khoang hàng, giữa hai khoang có vách ngăn kín
nước, tại các mép miệng hầm hàng bố trí các cột chống để đảm bảo bền cho khung
giàn boong và tàu, đồng thời ở các góc miệng hầm có gia cường bằng các tấm tôn
dày tăng độ bền cho các liên kết góc miệng hầm.
Đường hình tàu thiết kế được thể hiện ở hình vẽ (trang sau).
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
- 12 -
2.3. THIẾT KẾ KẾT CẤU TÀU CHỞ HÀNG KHÔ 2000 TẤN VỎ
THÉP THEO QUY PHẠM TÀU BIỂN VỎ THÉP 2003.
2.3.1. Kết cấu đáy.
Tàu được thiết kế theo kết cấu đáy đôi kéo dài từ vách đuôi sườn 8 đến vách
mũi sườn 107 (sườn thực). Do đó kết cấu phần đáy tàu được tính theo qui phạm kết
cấu đáy đôi tàu có chiều dài L < 90m.

2.3.1.1. Sống chính.
v Quy cách bố trí và kết cấu.
- Sống chính phải được kéo càng dài về phía mũi và đuôi tàu càng tốt.
- Tấm sống chính phải liên tục trong đoạn 0,5L giữa tàu.
v Kích thước sống chính.
- Chiều cao tiết diện sống chính lớn hơn
16
B
và trong mọi trường hợp không
nhỏ hơn 700 mm, trừ một số trường hợp đặc biệt Đăng kiểm chấp nhận.
- Chiều dày của tấm sống chính (d
sc
):
d
sc
³ 0,05L + 6 (mm) (2 - 1)
L: Chiều dài tàu (m).
Với tàu thiết kế ta có: L = 70m Þ d
sc
³ 0,05.70 + 6 = 9,5 (mm)
Để tăng độ bền dọc cho tàu (vì đáy tàu theo hệ thống ngang) ta chọn:
d
sc
= 12 (mm).
Chiều cao tiết diện sống chính > )(675)(675,0
16
8.10
16
mmm
B

=== (2 - 2)
Với B: chiều rộng tàu (m).
Chọn h
sc
= 750 (mm).


Hình 2.2. Sống chính
2.3.1.2. Sống phụ.
v Bố trí và kết cấu.
Ở đoạn 0,5L giữa tàu, các sống phụ đặt sao cho khoảng cách từ sống chính
h
sc

d
sc
=12 mm
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
- 13 -
đến sống phụ trong cùng, khoảng cách giữa các sống phụ, khoảng cách từ sống phụ
ngoài cùng đến tôn vỏ mạn không lớn hơn 4,6m.
v Kích thước:
- Chiều dày sống phụ d
sp
tính theo công thức sau:
5,265,0 +³ L
sp
d
)(mm (2 - 3)
Tàu thiết kế tính được:

5,27065,0 +³
sp
d
= 7,94 (mm)
Chọn d
sp
= 10 (mm).
Chiều cao sống phụ h
sp
= 750 (mm)
Kích thước sống phụ được thể hiện trên hình vẽ.


Hình 2.3. Sống phụ
2.3.1.3. Đà ngang đặc.
- Đà ngang đặc bố trí xen kẻ đà ngang hở cách nhau không quá 3,5m. Trong
buồng máy sử dụng đà ngang đặc ở mỗi mặt sườn, nếu đáy đôi được kết cấu theo hệ
thống dọc thì ngoài vùng bệ máy, đà ngang đặc cách nhau 2 khoảng sườn.
- Chiều dày của đà ngang đặc không được nhỏ hơn giá trị sau và tăng thêm
1,5mm đối với các đà ngang đặc trong buồng máy.
5,26,0 +³ L
dnd
d
(mm) (2 - 4)
Tàu thiết kế ta có: 5,2706,0 +³
dnd
d
= 7,5 (mm)
Chọn d
dnd

= 10 (mm).
2.3.1.4. Đà ngang hở đáy dưới và đáy trên.
- Tàu thiết kế đáy đôi kết cấu theo hệ thống ngang do đó đà ngang hở đặt
giữa các đà ngang đặc ở mỗi sườn.
- Mođun chống uốn của đà ngang đáy trên và dưới không nhỏ hơn giá trị sau:
W ³ C.S.h.l
2
(cm
3
) (2 - 5)
Trong đó: S: khoảng cách giữa các đà ngang đáy (m).
h
sp

d
sp
=10 mm
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
- 14 -
h = d + 0,026L (m) (2 - 6)
d: Chiều chìm trung bình (m)
L: Chiều dài tàu (m)
l: Khoảng cách giữa các mã liên kết với sống chính và các mã liên kết với
sống hông (m). Nếu đáy có sống phụ thì l là khoảng cách lớn nhất trong các khoảng
cách tính từ nẹp gia cường đứng của sống phụ theo hình sau

C: Hệ số đối với tàu thiết kế không có thanh chống thẳng đứng chọn C = 6,0.
Vậy W ³ 6.S.(d+ 0,026l).l
2
(cm
3
)
Với tàu thiết kế ta có: L = 70m, d = 4,4 (m); l = 1,6m; S = 0,55 (m)
Þ W ³ 6.0,55.(4,4 + 0,026.70).1,6
2
= 52,5 (cm
3
).
Chọn quy cách đà ngang đáy: L 100 x 100 x 10.
Chiều rộng mép kèm: min{0,5S;1/6l} = 265 (mm); d = 10 mm
S: Khoảng cách sườn (đà ngang đáy) S = 0,55 m.







Momen quán tính của mặt cắt ngang đà ngang được tính theo bảng sau:
(momen quán tính I
0
= b.h
3
/12)

³
0,05B
l
³
0,05B
Đường tâm tàu
Hình 2.4. Xác định l trong đà ngang hở
1
2
3
Z
i
: Trọng tâm hình i
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
- 15 -
Bảng 2.1. Bảng tính mođun chống uốn mặt cắt đà ngang đáy
Momen quán tính
TT

Kích thước
(cm)
Diện tích A

(cm
2
)
Z
(cm)
A.Z
(cm

3
)
A.Z
2
I
0

1
Bản cánh
10,0 x 1,0
10,0 10 100 1000 0.83
2
Thành đứng
1,0 x 9,0
9,0 5 45 225 60,75
3
Mép kèm
26,5 x 1,0
26,5 0 0 0 2.2

Cộng 45,5 145
S
*
= 1288,78
Khoảng cách đến trục trung hòa: 19.3
5,45
145
.
===
å

å
A
ZA
e (cm)
Momen quán tính tại mặt cắt : I = S
*
- e
2
.SA
= 1288,78 – 3,19
2
.45,5 = 825,7 (cm
4
)
Mođun chống uốn:
2,121
)19,310(
7,825
Z
I
W
maxmax
=
-
=
-
==
eZ
I
i

(cm
3
)
Vậy kết cấu đã chọn thỏa quy phạm.
2.3.1.5. Tôn đáy.
1. Tôn đáy trên.
Chiều dày tôn đáy trên không nhỏ hơn giá trị tính sau và tăng thêm 2 mm đối
với tấm tôn giữa (tôn K).

5,2.8,3 +³ dS
dtr
d
(mm) (2 - 7)
S: Khoảng cách giữa các đà ngang đáy (m)
d: Chiều chìm trung bình (m)
Với tàu thiết kế ta có:
5,24,4.55,0.8,3 +³
dtr
d
= 6,9 (mm)
Chọn d
dtr
= 10 (mm)
2. Tôn đáy dưới.
Chiều dày tôn đáy dưới phải không nhỏ hơn trị số theo công thức sau:
5,235,0 7,4 ++³ LdS
dd
d
(mm) (2 - 8)
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

- 16 -
Với S, d được xác định như trên (2.4.6)
Tàu thiết kế tính được:
26,95,270.35,04,455,0.7,4 =++³
dd
d
(mm).
Chọn d
dd
= 10 (mm)
3. Chiều rộng dải tôn giữa đáy.
Chiều rộng dải tôn giữa đáy không được nhỏ hơn giá trị tính ở công thức sau:
b = 4,5L + 775 (mm) (2 - 9)
Û b = 4,5.70 + 775 = 1090 (mm).
Chọn b = 1500 (mm) (chọn theo kích thước tôn tiêu chuẩn).
2.3.1.6. Sống hông.
- Chiều dày sống hông tăng thêm 1,5mm so với giá trị tính ở công thức (2.7)
(chiều dày tôn đáy trên).
Từ công thức (2.7) ta có: d
sh
³ 6,9 + 1,5 = 8,4 (mm).
Chọn d
sh
= 10 (mm).
2.3.1.7. Kết cấu và gia cường mũi tàu.
Đoạn đáy gia cường phía mũi là phần đáy phẳng mũi tàu từ các vị trí quy
định trong bảng sau. Tuy nhiên, trong trường hợp tàu có hệ số chiếm nước C
b
quá
nhỏ, tàu có chiều chìm ở điều kiện dằn quá nhỏ, … thì cần kéo dài phạm vi đoạn

đáy gia cường phía mũi theo yêu cầu của Đăng kiểm.
Bảng 2.2. Mút cuối đoạn gia cường giữa tàu.
L
V

£ 1,1

>1,1
£1,25
>1,25

£ 1,4
>1,4
£ 1,5
>1,5
£ 1,6
>1,6
£ 1,7
>1,7


Kích thước tính từ mút trước
của L
0,15L

0,175L

0,2L 0,225L

0,25L

0,275L

0,3L


1. Đặc điểm kết cấu.
Cách bố trí sống phụ, nữa sống phụ, nẹp gia cường tôn bao và các đà ngang
đặc trong đoạn từ vách chống va mũi đến 0,05L sau mút cuối đoạn đáy gia cường
phía mũi phải phù hợp với bảng sau.
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
- 17 -
Bảng 2.3. Kết cấu đoạn đáy gia cường phía mũi tàu.
Kết cấu


Sống phụ đáy

Nữa sống phụ và n
ẹp
gia cường tôn bao
Đà ngang đặc
H
ệ thống kết
cấu ngang
Phải đư
ợc đặt ở
mỗi mặt sườn
Hệ thống
kết cấu

ngang
H
ệ thống kết
cấu dọc
Đ
ặt cách nhau
không quá
2,5m
Phải được đặt giữa
các sống phụ
Đ
ặt cách nhau
không quá 2,5m
H
ệ thống kết
cấu ngang
Phải đư
ợc đặt ở
mỗi mặt sườn
Hệ thống
kết cấu
dọc
H
ệ thống kết
cấu dọc
Đ
ặt cách nhau
không quá
2,5m

Đ
ặt cách nhau
không quá 2,5m
- Đà ngang phải được gia cường bằng những nẹp đứng đặt trong mặt phẳng
nữa sống phụ.
2. Tôn bao đáy ở đoạn đáy gia cường mũi tàu.
Chiều dày tôn bao ở đoạn đáy gia cường mũi tàu thỏa mãn các yêu cầu sau:
+ Chiều dày tôn bao đoạn đáy gia cường mũi tàu ở điều kiện dằn có chiều
chìm mũi không lớn hơn 0,025L, không được nhỏ hơn giá trị sau:
5,2 34,1 +LS (mm) (2 -10)
Tính cho tàu thiết kế ta được chiều dày tôn bao đoạn đáy gia cường mũi
không được nhỏ hơn: 7,85,270.55,0.34,1 =+ (mm). Chọn d
gcd
= 10 (mm).
2.3.1.8. Gia cường cho kết cấu đáy trong khoang máy và bố trí các lỗ khoét.
- Sử dụng các đà ngang khỏe và đà dọc đáy khỏe có kích thước và độ cứng
lớn hơn so với các đà ngang đáy thường và đà dọc đáy thường để gia cường cho kết
cấu đáy trong khoang máy.
- Bố trí khoảng cách giữa các đà ngang hoặc đà dọc trong các khu vực này
dày hơn so với các khu vực khác.
- Bố trí các lỗ khoét.
2.3.2. Kết cấu khung giàn mạn.
2.3.2.1. Tôn bao mạn.
1. Tôn bao mạn dưới boong tính toán.
Mạn
Đáy đôi
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com