Giáo trình nguyên lý tàu thủy trường đh giao thông vận tải pdf

TÀI LIỆU HỌC TẬP DÀNH CHO SINH VIÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP HỒ CHÍ MINH

NGUYÊN LÝ
TÀU THỦY

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP HỒ CHÍ MINH


Trang naøy ñeå troáng


ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP HỒ CHÍ MINH

GIÁO TRÌNH

NGUYÊN LÝ TÀU THỦY

Thành phố Hồ Chí Minh 9/2008


Mục lục
Mở đầu
CHƯƠNG I: TĨNH HỌC, ĐỘNG LỰC HỌC TÀU
1. Tính nổi tàu thủy
2. Kích thước hình học thân tàu và tỷ lệ giữa chúng
3. Đường hình vỏ tàu
4. Các đường cong tính nổi
5. Các phép tích phân gần đúng
6. Tính cân bằng dọc tàu
7. Thước tải trọng

8. Mạn khô
9. Dung tích tàu
10. Ổn đònh tàu
11. Phân khoang và chống chìm tàu
12. Sức cản vỏ tàu
13. Chân vòt tàu thủy
14. Lắc tàu
15. Tính ăn lái và tính quay trở tàu
CHƯƠNG II: KẾT CẤU THÂN TÀU
1. Đảm bảo độ bền tàu trong tính chọn kết cấu
2. Thép đóng tàu
3. Hệ thống kết cấu
4. Đáy đơn
5. Đáy đôi
6. Mạn tàu
7. Boong tàu
8. Cọc chống
9. Vách tàu
10. Vỏ bao
11. Vây giảm lắc
12. Bệ máy
CHƯƠNG III: TRANG THIẾT BỊ TÀU
1. Hệ thống lái
2. Hệ thống neo
3. Hệ thống buộc tàu
4. Thiết bò kéo
5. Thiết bò nâng hạ
6. Hệ thống cứu sinh
Tài liệu tham khảo

3

Trang
9
15
19
22
23
30
31
32
34
39
57
64
74
109
129
137
145
150
164
166
167
169
171
173
175
177
178

180
186
190
192
196
205


Ký hiệu
AM
AW
AP
B
B

diện tích sườn giữa tàu - area of midship section
diện tích đường nước - area of waterplane
trụ lái - aft perpendicular
chiều rộng tàu - breadth, beam (moulded)
nổi phần chìm - centre of buoyancy

BM, BM

khoảng cách từ tâm nổi B đến tâm ổn đònh M trong mặt cắt ngang - metacentre above
centre of buoyancy

BML ,

CB, CB
CM, CM

CP, CP
CW, CW
d
D,H
D, Δ
FA
Fb
G

khoảng cách từ tâm nổi B đến tâm ổn đònh M trong mặt cắt dọclongitudinal metacentre above centre of buoyancy
hệ số đầy thể tích - block coefficient
hệ số đầy mặt cắt giữa tàu - midship coefficient
hệ số đầy lăng trụ - longitudinal prismatic cefficient
hệ số đầy đường nước - waterplane coefficient
mớn nước - draught, draft
chiều cao tàu - depth moulded
lượng chiếm nước - displacement weight
trụ mũi - foreward perpendicular
mạn khô tàu
- freeboard
trọng tâm tàu - centre of gravity

GM,

chiều cao tâm ổn đònh - metancentric height

BM L
B

GM

GML , GM L
GZ, GZ

chiều cao tâm ổn đònh dọc - longitudinal metacentric height

IL
IT
IP
K

tay đòn ổn đònh - stability level
momen quán tính dọc của đường nước - longitudinal moment of inertia of waterplane
momen quán tính ngang của đường nước - tranverse moment of inertia of waterplane
momen quán tính trong hệ độc cực - polar moment of inertia
sống chính - keel

KB, KB
L
Loa
Lpp, Lbp
Lwl
M
Sw
T
V, ∇
α ≡ CW
β ≡ CM
δ ≡ CB
ϕ ≡ CP
Δ≡D

∇≡V

chiều cao tâm nổi trên đáy - center of gravity above moulded base
chiều dài tàu nói chung - length
chiều dài toàn bộ - length over all
chiều dài giữa hai trụ - length between perpendiculars
chiều dài đường nước - waterplane length
tâm nghiêng - metacentre
mặt ướt vỏ tàu - wetted surface
mớn nước tàu - draft moulded
thể tích phần chìm
- displacement volume
hệ số đầy thể tích
hệ số đầy mặt giữa tàu
hệ số đầy thể tích
hệ số đầy lăng trụ
lượng chiếm nước của tàu - displacement weight
thể tích phần chìm
- displacement volume

B

4

(keel)


CHƯƠNG 1

TĨNH HỌC, ĐỘNG LỰC HỌC TÀU

Tàu thủy ra đời cách đây đã ba, bốn ngàn năm. Tàu thủy đang còn được nghiên cứu,
cải tiến nhằm đáp ứng ngày một tốt hơn đòi hỏi về mọi mặt của con người. Đội tàu ngày nay
có thể chia làm các nhóm chính sau đây.
a) Tàu làm việc trên nguyên tắc khí động học.
Trong nhóm này có thể kể hai kiểu tàu đang được dùng phổ biến. Tầu trên đệm khí
(air cushion vehicle - ACV) tựa hẵn trên một “gối khí” áp lực đủ lớn, được một “váy” mềm
bao bọc. Tàu hoạt động nhờ lực nâng của “gối”, lực đẩy của chong chóng. Trong lónh vực
vận tải người và hàng, người ta đã đóng ACV chở 300 khách, vận tốc trên 60 HL/h. Kiểu
tàu thứ hai của nhóm không “mặc váy” nhưng tận dụng ngay thành cứng kéo dài xuống của
tàu làm màng giữ khí áp lực lớn. Kiểu này trong ngôn từ chuyên môn gọi là captured-airbubble vehicle – CAB. Biến dạng của tên gọi còn là tàu bọt khí, đẩy bằng thiết bò phụt nước
hoặc chân vòt siêu sủi bọt.
b) Tàu làm việc trên nguyên tắc thủy động lực.
Tàu nhóm này làm việc trong nước trên nguyên lý thủy động lực. Tàu sử dụng lực
nâng của cánh chìm, chạy trong nước, để nâng tàu lúc chạy gọi là tàu trên cánh theo cách
dùng của người Nga, thông thường hơn còn được gọi tầu cánh ngầm. Từ chuyên ngành bằng
tiếng Anh là hydrofoil vehicle. Cánh của tàu được dùng dưới hai dạng khác nhau, dạng thường
thấy là cánh máy bay, được bẻ gập thành chữ V, đỡ thân tàu. Bản thân cánh chạy ngầm sát
mặt nước. Dạng sau người Mỹ gọi là cánh ngầm (submerged foils). Tàu lướt thuộc nhóm
tàu làm việc theo nguyên tắc thủy động lực. Tàu có kết cấu đáy dạng tấm trượt, thường được
gập thành hình chữ V (deep Vee). Tấm trượt khi lướt trong nước chòu lực nâng, và lực này
nhấc một phần tàu lên, giảm thể tích phần chìm khi chạy. Từ chuyên môn thường gọi đây là
planing craft.
c) Nhóm đông đúc nhất là tàu hoạt động trên nguyên lý của đònh luật Archimedes, gọi
là tàu nổi (displacement ships). Trong trạng thái đứng yên cũng như trạng thái chạy lực đẩy
tàu từ dưới lên, gọi là lực nổi do nước tác động, luôn cân bằng với trọng lượng toàn tàu trong
trạng thái ấy. Trong nhóm này bao gồm các loại tàu chạy sông, tàu đi biển như tàu chở hàng,
tàu chở dầu, tàu khách nói chung, tàu kéo, tàu đánh cá vv… Xét về thân tàu, đặc biệt phần
thân chìm dưới nước có thể thấy, trong nhóm này có tàu một thân, tàu nhiều thân như
catamaran hai thân, trimaran ba thân. Trong số tàu hai thân còn có một dạng đặc biệt, thân
chính thể tích lớn , chìm trong nước, trong khi đó diện tích mặt đường nước của tàu khá nhỏ.

Tàu này có tên gọi tàu đường nước nhỏ.
Ngoài tàu nổi còn có tàu ngầm, hoạt động chủ yếu trong lòng nước, trên nguyên tắc
tàu nhóm ba vừa nêu.
Trong các phần tiếp của tài liệu sẽ đề cập đến tàu làm việc theo nguyên lý của đònh
luật Archimedes.
Các hình tiếp theo giới thiệu những tàu đang hoạt động.

5


Tàu trên đệm khí

Trimaran

SWATH tàu catamaran đường nước nhỏ
6


Tàu vận tải hàng khô

Tàu chở khí hóa lỏng kiểu LPG

Tàu chở hàng rời (bulk carrier)

7


Taøu chôû container

Taøu chôû saø lan LASH

Taøu du lòch ñoùng 2006

8


1. TÍNH NỔI TÀU THỦY
Tàu thủy nổi trên nước, tàu ngầm nổi trong nước chòu tác động đồng thời hai lực ngược
chiều nhau. Trọng lực gồm trọng lượng bản thân tàu, trọng lượng hàng hóa trên tàu, máy
móc thiết bò, dự trữ cùng hành khách trên tàu vv... tác động cùng chiều hút của trái đất. Lực
nổi do nước tác động theo chiều ngược lại.
1.1 Lực nổi
Trong hệ toạ độ gắn liền với tàu, gốc tọa độ đặt tại trọng tâm G của tàu, trục Oz hướng
lên trên, ngược với chiều tác động của lực hút trái đất, mặt xOy song song với mặt nước ở
trạng thái tónh, trọng lực W có điểm đặt tại G, tác động hướng xuống dưới hình 1.
Thân tàu chìm trong nước tiếp xúc
với nước qua mặt ướt vỏ tàu. Như chúng
ta đã quen trong bộ môn cơ học chất
lỏng, áp lực do nước áp đặt lên mặt tiếp
xúc này mang giá trò:
p = pa + γ z (*)
Trong đó pa - áp suất khí quyển đo
tại mặt thoáng của nước, z – khoảng cách
đo
từ
mặt
thoáng
đến
điểm đang được xem xét trên mặt ướt vỏ tàu.

Hình 1.1: Trọng lực và lực nổi

Lực thủy tónh tác động lên phần tử dS của mặt ướt vỏ tàu trong trường hợp này được
hiểu là:
dP = (pa + γ z)dA

(**)

Mặt khác dP được phân thành các thành phần, dPx – tác động theo phương nằm ngang,
bằng (pa + γ z)dSX, dPZ tác động theo phương thẳng đứng, bằng (pa + γz)dSZ - (pa + γ .0 )dSZ
= γzdSZ.
Phân tích các thành phần lực thủy tónh do áp lực này gây ra trên vỏ tàu có thể thấy
rằng, tổng các lực thành phần theo phương nằm ngang sẽ bằng 0 do chúng tự triệt tiêu nhau,
còn lực tác động theo phương thẳng đứng có dạng:
dPZ =

γ z dSZ

(***)

Nếu ký hiệu dV – thể tích cột nước cao z, diện tích đáy dSz,
(***) sẽ có dạng:
dF = dPZ = γ.dV

dV = z.dSZ công thức
(****)

Công thức cuối được hiểu là lực nổi do nước tác động lên phần thân tàu chìm trong
nước F = γV. Lực nổi tính theo đònh luật Archimedes, bằng trọng lượng khối nước bò thân tàu
choán chỗ, tác động theo hướng từ dưới lên. Lực nổi F có tâm đặt lực tại B, gọi là tâm nổi.

Cần giới thiệu thêm, B được viết tắt từ Buoyancy, được dùng trong tài liệu này thay cho ký
hiệu vẫn dùng trước nay là C. Lực nổi cố gắng đẩy tàu lên cao hơn vò trí nó đang chiếm.
9


Với tàu thủy có thể tích phần chìm trong nước V, viết tắt từ Volume (hoặc ∇ là ký tự
thay thế cho V trong nhiều trường hợp), trọng lượng toàn tàu tại trạng thái tính toán, đúng
bằng trọng lượng khối nước bò thân tàu chiếm chỗ γ∇. Đại lượng D = γV ( hoặc γ∇) được gọi
là lượng chiếm nước của tàu, mang giá trò đúng bằng lực nổi của tàu. Ký hiệu D viết tắt từ
Displacement, còn Δ ký tự thay cho D trong nhiều trường hợp. Theo cách đó chúng ta có thể
viết:
W = Δ = γ∇,

(1.1)

trong đó: Δ hoặc D - lượng chiếm nước; γ- trọng lượng riêng của nước, ∇ (hoặc V) thể tích phần tàu chiếm chỗ trong nước, hoặc còn được gọi là là lượng thể tích chiếm chỗ
(volume displacement).
Thứ nghuyên dùng cho các thành phần trong công thức, trong hệ thống đo metric, sau
đây gọi là hệ mét, được hiểu theo truyền thống đã ghi đậm nét trong ngành đóng tàu: γ - trọng
lượng riêng nước sông bằng 1 t/m3 , nước biển γ = 1,025 – 1,03 t/m3 ; V – thể tích tính bằng
m3 , D – lượng chiếm nước tính bằng tấn hệ metric, viết tắt là T hoặc MT.
Thể tích V là thành phần thay đổi trong biểu thức tính lực nổi tàu γV, đóng vai trò
thước đo tính nổi tàu.
1.2 Điều kiện cân bằng tàu trong trạng thái nổi
Trường hợp W > F, có nghóa trọng lượng tàu lớn hơn lực nổi, tàu còn bò kéo xuống. Khi
bò chìm sâu hơn trong nước thể tích phần chìm của tàu lớn lên và như vậy theo đònh luật
Archimedes lực F lớn dần. Khi vượt qua giới hạn cân bằng, F > W tình hình sẽ ngược lại, tàu
bò đẩy lên cao hơn, thể tích phần chìm của tàu giảm dần dẫn đến F nhỏ dần. Tàu chỉ có thể
nằm ở vò trí cân bằng khi cân bằng hai lực ngược chiều nhau này.
Điều kiện W = F trong thực tế chưa đủ đảm bảo để tàu nổi ổn đònh. Trường hợp tàu bò

nghiêng ngang đến góc nhất đònh, tâm nổi dòch dời vò trí tùy thuộc hình dáng phần chìm của
tàu. Đường tác động lực nổi qua tâm B’ hiện thời không trùng với đường tác động lực trọng
trường qua G. Vì rằng W = F và khoảng cách giữa hai đường tác động lực mang giá trò nhất
đònh, ví dụ khoảng cách giữa chúng l, xuất hiện momen ngẫu lực Wl làm quay tàu. Nếu
momen này lớn hơn 0, tức là theo chiều quay kim đồng hồ, tàu còn bò quay theo chiều thuận
kim đồng hồ. Ngược lại momen mang giá trò âm, tàu quay ngược, hình 2. Trong cả hai trường
hợp, khi góc nghiêng còn bé tàu quay ngang qua tâm nghiêng ngang M.

Hình 2

10


Trong trường hợp tâm nổi nằm xa trọng tâm, tính theo chiều dọc tàu, momen ngẫu lực
W.L làm cho tàu bò chúi về trước nếu momen ngẫu lực mang dấu âm. Tâm nghiêng dọc ML
(hay còn gọi chúi tàu) trong trường hợp này nằm khá xa nếu so với khoảng cách từ tàu đến
M, hình 3.

Hình 3
Tàu ở tư thế ổn đònh khi hoành độ tâm nổi bằng hoành độ trọng tâm tàu. Từ đó có
thể thấy điều kiện cần và đủ để tàu nổi và cân bằng trên nước, dưới tác động của lực W và F
sẽ là: cân bằng lực W = F và cân bằng momen thể hiện khoảng cách L giữa hai đường tác
động lực của W và F bằng 0, dẫn đến WxL - FxL = 0.
Hai điều kiện được viết dưới dạng tổng quát:
∑Pi = 0
∑Pi. xi = 0

(1.2)

với i = 1,2, ...

Điều kiện trên đây được phát biểu cách khác, lực nổi do nước tác động tónh lên tàu phải
bằng trọng lượng toàn tàu, còn tâm nổi của tàu B’ phải cùng nằm trên đường thẳng vuông góc
vơí mặt thoáng, đi qua trọng tâm G của tàu.
1.3 Trọng lượng và trọng tâm tàu
Trọng lượng toàn tàu bằng tổng các trọng lượng thành phần tham gia vào tàu như vỏ
tàu, máy móc, thiết bò, hàng , dự trữ, hành khách. Trọng lượng và trọng tâm tàu tính theo công
thức:
W = ∑wi
(1.3)
KG ≡ ZG =

∑w z
∑w

i i

LCG ≡ XG =

i

∑w x
∑w

i i
i

11

(1.4)

Xác đònh trọng lượng và trọng tâm tàu đòi hỏi phải thực hiện khối lượng rất lớn các
công việc tính toán và thường các phép tính đòi phải chi tiết, cụ thể. Thực hiện các bảng tính
này được gọi là tính toán các trường hợp tải trọng của tàu. Trọng lượng và trọng tâm tàu xác
đònh cho mỗi trường hợp sẽ cần cho các bảng tính tính nổi và các bảng tính cân bằng dọc, cân
bằng ngang và ổn đònh tàu.
Thông lệ tiến hành phân loại các nhóm trọng lượng tàu khi tính làm cho công việc rõ
ràng hơn, dễ hiểu hơn. Ví dụ, trọng lượng tàu thông dụng có thể chia thành các nhóm nhỏ sau:
Trọng lượng vỏ tàu
Trọng lượng trang thiết bò vỏ
Trọng lượng máy chính và các máy phụ
Trọng lượng hệ thống toàn tàu
Trọng lượng trang thiết bò trên boong
Thiết bò điện, điện tử
Trọng lượng trang thiết bò nội thất
Trọng lượng nhiên liêu, nước
Trọng lượng đoàn thủy thủ , khách và dự trữ
Trọng lượng vật dằn và các phần khác
vv. . .
Tại đây chúng ta cần thống nhất một điều, khi tính trọng lượng và trọng tâm, điều cần
quan tâm là “trọng lượng”, tính bằng kG (trọng lượng) hoặc tấn trọng lượng (MT) của tất cả
thực thể trên tàu chứ không đi sâu tìm hiểu “khối lượng” tính bằng kg hoặc tấn khối lượng.
Trong mọi trường hợp, với tàu thủy cần để ý đến lượng dự trữ của lượng chiếm nước D.
Tàu dân sự, lượng dự trữ này chiếm khoảng 1 – 2%.
Từ các nhóm trọng lượng tiến hành chia nhóm nhỏ hơn trong khi lập bảng tính. Ví dụ từ
nhóm trọng lượng vỏ có thể hình thành nhóm nhỏ gồm đáy, boong, thượng tầng, vách vv …
Từ nhóm trang thiết bò trên boong phải chia ra hệ thống neo buộc, hệ thống lái, hệ thống cẩu
hàng (nếu có) và các hệ thống khác.
Thực tế tính toán cho thấy, những nhóm nhỏ chứa rất nhiều thành phần riêng nhau.
Trong những trường hợp ấy cần thiết tiếp tục chia các nhóm nhỏ vừa đề cập thành nhóm nhỏ

hơn.
Tính toán cho một trạng thái tải trọng thực hiện theo bảng 1 sau.
Bảng 1
Tên gọi

(1)
Tổng

Tay đòn, (m)

Momen, (ví dụ Tm)

Trọng
lượng wi

xi

yi

zi

Mx
=(2).(3)

My =
(2).(4)

Mz =
(2).(5)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

∑wI

∑Mx
12

∑My

∑Mz


Công thức (1.3) và (1.4) được suy từ đây:
Trọng lượng

:

W = ∑(2)

Xê dòch ngang trọng tâm

:

YG =

Chiều dọc trọng tâm

:

LCG ≡ XG =

Chiều cao trọng tâm: KG ≡ ZG =

∑ (6)
∑ (2)
∑ (7 )
∑ ( 2)

∑ (8)
∑ ( 2)

Nếu ký hiệu tâm nổi phần chìm thân tàu bằng B, có thể viết tọa độ tâm nổi này trong
hệ tọa độ Oxyz vừa nêu. Toạ độ B theo chiều dọc LCB hoặc XB, theo chiều ngang YB, còn
theo chiều cao là KB hoặc ZB. Sử dụng các ký hiệu này chúng ta có thể viết điều kiện nổi
cho tàu:
W = D;
XG = XB; hoặc LCG = LCB;
Y G = Y B.

Trong công thức cuối, YG được hiểu là tọa độ trọng tâm tàu theo chiều ngang, tính cho
trường hợp trọng tâm này không nằm trong mặt đối xứng. Các tàu thường gặp, đối xứng qua
mặt cắt dọc giữa tàu, tâm nổi YB = 0, do vậy khi thiết kế và chế tạo người ta đã tìm mọi cách
để trọng tâm YG = 0, nhằm đảm bảo cân bằng ngang . Trong trường hợp ấy điều kiện nổi của
tàu quay lại như (1.1).
Ví dụ: Áp dụng điều kiện nổi xác đònh mớn nước tàu cho tàu đi từ sông ra biển. Tàu
được xét là một ponton đáy hình chữ nhật LxB = 10x4 m, cao H = 2,5m. Trong sông tàu có
mớn nước d = 2m.
Tại trạng thái đang xét trọng lượng tàu sẽ là:
W = D = γ1.V1 = γ1. LxBxd = 1,0x10x4x2 =80t
trong đó: γ1- trọng lượng riêng nước sông nhận bằng 1,0t/m3.
Khi ra biển trọng lượng ponton không thay đổi, và lực nổi do nước biển tác động lên
ponton sẽ bằng giá trò tuyệt đối của W = 80t.
F = W = 80t
Mặt khác trọng lượng riêng của nước biển γ2 khác γ1, do vậy thể tích phần chìm của
ponton khi ở biển không bằng thể tích phần chìm lúc còn trong sông.
F = D = γ1xLxBxd1 = γ2xLxBxd2,
trong đó: d1 - mớn nước ponton tại sông bằng 2m, d2 - mớn nước ponton lúc ở biển.
Thay giá trò γ2 = 1,025 t/m3 dùng cho nước biển vào biểu thức trên có thể xác đònh được
giá trò mớn nước ponton tại biển:
13


d2 = (γ 1/ γ2 )x d1 = (1/ 1,025)x2 =1,951m
Phân biệt các tên gọi sau đây khi xác đònh trọng lượng, trọng tải và dung tích tàu.
Thể tích chiếm nước của thân tàu, ký hiệu V (hoặc ∇), là thể tích phần chìm của tàu trong
nước, đo bằng đơn vò đo thể tích. Trong hệ thống đo theo hệ mét, đơn vò thường dùng là mét
khối, m3. Trong hệ thống đo truyền thống tại Anh-Mỹ, đơn vò đo thể tích dùng trong tàu là
cu.ft, tương đương 0,0283m3.
Lượng chiếm nước của tàu, ký hiệu D (hoặc Δ), có giá trò bằng tổng trọng lượng tàu trong

trạng thái đang tính.
Thông thường sử dụng hai cách tính lượng chiếm nước cho tàu là lượng chiếm nước tàu
không Do, khi trên tàu chưa chứa hàng, nhiên liệu, hành khách, thực phẩm và lượng chiếm
nước tàu đầy tải. Lượng chiếm nước tính theo công thức D = γ.V thường giành cho trường hợp
tàu đầy tải. Với tàu chở hàng trường hợp này ứng với trạng thái tàu bắt đầu rời bến sau khi
chất đủ hàng, nhiên liệu và dự trữ.
Đơn vò đo lượng chiếm nước là đơn vò đo trọng lượng. Trong hệ mét, đơn vò được dùng
là tấn trọng lượng, viết tắt là T hoặc viết tắt đúng cách là MT, còn trong hệ thống đo Anh-Mỹ
phải là long ton. Công thức chuyển đổi giữa hai hệ thống đo là 1 long ton = 1016,05 kG =
1,01605 TM.
Trong hệ thống đo Anh-Mỹ, thể tích phần chìm đo bằng đơn vò cu.ft, do vậy tính lượng
chiếm nước theo công thức D = γV sẽ có dạng:
cho nước sông: D = V/35, trong đó V tính bằng cu.ft,

(long ton)

cho nước biển: D = V/36, trong đó V tính bằng cu.ft,

( long ton)

Sức chở hay tải trọng tàu đo bằng đơn vò đo trọng lượng, chỉ trọng lượng hàng trên tàu cùng
hành khách, dự trữ, nhiên liệu, dầu nước cho buồng máy.
Với tàu chở hàng, sức chở của tàu được gọi bằng thuật ngữ chuyên ngành có xuất xứ từ
tiếng Anh là deadweight, viết tắt dwt. Trong thành phần sức chở deadweight bao gồm không
chỉ hàng hoá chở trên tàu mà còn dự trữ, lương thực, thực phẩm, nước sinh hoạt, nhiên liệu ,
nước ngọt dùng cho máy tàu. Như vậy lượng chiếm nước D bao gồm trọng lượng tàu không và
deadweight.
Tấn đăng ký dùng trong ngành vận tải thủy tính bằng đơn bò đo dung tích. Đơn vò đo tính bằng
100 cu.ft, tương đương 2,832m3 được qui ước là “1 tấn đăng ký”. Cần phân biệt rõ là tấn
đăng ký không tính bằng trọng lượng. Thuật ngữ chuyên môn gọi đây là tonnage hay viết đủ

hơn là registered tonnage, mang ý nghóa “tấn đo dung tích tàu”. Sở dó có sự lẫn lộn giữa tấn
trọng lượng và tấn đăng ký vì trong lòch sử phát triển hàng hải đã xẩy ra việc phát âm trùng
nhau từ tun dùng chỉ thùng tô nô chứa rượu vang, đã một thời làm đơn vò vận chuyển, với từ
ton (tấn) thông dụng. Có thể giải thích thêm một (thùng) tun rượu vang nặng 2200 cân Anh,
dung tích 252 gallon. Trong khi đó một long ton của người Anh đổi ra được 2240 cân Anh.
Tấn đăng ký được sử dụng chính thức và thường xuyên khi đăng ký tàu, là đơn vò chính dùng
trong thống kê đội tàu, cơ sở tính thuế khi tàu qua kênh, đạâu cảng vv... Tính dung tích tàu và
14


xác đònh tấn Đăng kiểm cho tàu là công việc bắt buộc trong thiết kế tàu, tại phần tham khảo
tiếp sau đây của tài liệu sẽ giới thiệu sơ lược cách làm này.
2. KÍCH THƯỚC HÌNH HỌC THÂN TÀU VÀ TỈ LỆ GIỮA CHÚNG
2.1 Kích thước chính
Chiều dài tàu.
Phân biệt các tên gọi liên quan đến chiều dài tàu sau:
Chiều dài toàn bộ tàu, Lt hoặc Loa, là khoảng cách đo từ điểm xa nhất trước mũi tàu
đến điểm xa nhất sau lái.
Chiều dài đường nước kết cấu LKW, đo trên đường nước thiết kế, kể từ điểm tiếp nước ở
mũi tàu đến điểm tiếp nước phía sau lái.
Chiều dài giữa hai trụ Lpp, là khoảng cách đo trên mặt đường nước, tính từ trụ lái đến
trụ mũi. Trên tàu vỏ thép trụ lái được hiểu là trục đi qua trục quay bánh lái, còn trụ mũi đi
qua điểm cắt nhau của đường nước thiết kế với mép ngoài trên lô mũi tàu. Với các tàu có
vách đuôi nằm nghiêng so với mặt cơ bản qua đáy (vách T ), trụ lái nhận đi qua đường cắt
của vách nghiêng với đường nước thiết kế, tính trên mặt cắt dọc giữa tàu.

Hình 4
Chiều rộng tàu
Chiều rộng tàu lớn nhất Bmax, là khoảng cách lớn nhất đo tại mặt ngang tại khu vực
rộng nhất của tàu, tính từ điểm xa nhất bên mạn trái đến điểm xa nhất bên mạn phải của tàu.

Chiều rộng tàu B, thuật ngữ chuyên ngành bằng tiếng Anh viết đầy đủ là Breadth
moulded, là khoảng cách đo từ mạn trái đến mạn phải tàu, tại mặt cắt ngang tàu đi qua mặt
rộng nhất của tàu. Với tàu có mặt cắt hình U hoặc V, vò trí đo nằm tại mép boong. Với tàu
dạng ω chiều rộng tàu đo tại vò trí rộng nhất của mặt cắt.

15


Hình 5. Chiều rộng tàu
Chiều cao
Chiều cao tàu, ký hiệu bằng D hoặc H, là khoảng cách đo theo chiều thẳng đứng, tính từ
mép trong của tấm ki chính đến mép trên của xà ngang boong mạn khô. Từ chuyên ngành
bằng tiếng Anh viết dưới dạng Depth moulded. Với tầu nhiều boong, boong mạn khô được
hiểu là boong có kết cấu kín nước, có hệ thống đậy kín các lỗ khoét trên boong và các lỗ
khoét bên mạn, nằm ở vò trí cao nhất.
Mớn nước
Mớn nước tàu ký hiệu bằng d hoặc T, đo trên trục thẳng đứng, tính từ đường cơ bản qua
đáy tàu, đến đường nước thiết kế. Với tàu đáy bằng mớn nước tiêu chuẩn đo tại giữa tàu.
Phân biệt các tên gọi thường dùng sau.
Mớn nước d (chiều chìm), thuật ngữ chuyên ngành trong tiếng Anh viết là draught
moulded (tiếng Mỹ: draft molded) đo từ đường cơ bản. Chiều cao đo từ mép dưới sống
chính gọi là keel draft, còn mớn nước trung bình dm là giá trò trung bình cộng của mớn nước
đo tại trụ lái và mớn nước đo tại trụ mũi.
Mớn nước lái đo tại trụ lái, tính cả chiều nghiêng của sống chính, nếu có.
Mớn nước mũi đo tại trụ mũi, tính cả độ nghiêng của sống chính.
Mạn khô
Chiều cao mạn khô tàu là hiệu số giữa chiều cao và mớn nước tàu:
Fb = D - d hoặc H - T
2.2

(1.5)

Hệ số đầy (hệ số béo)

Quan hệ giữa kích thước chính của tàu với thể tích phần chìm, diện tích đường nước,
diện tích mặt giữa tàu vv... đựợc thể hiện qua các hệ số đầy.
Hệ số đầy đường nước, CW hoặc α, là tỉ lệ giữa diện tích mặt đường nước được vỏ tàu
giới hạn và diện tích hình chữ nhật có cạnh là chiều dài và chiều rộng đường nước. Nếu ký
hiệu AW - diện tích mặt đường nước, L - chiều dài tàu, đo tại đường nước, B - chiều rọng tàu,
hệ số CW tính theo công thức:
16


Hình 6
CW =

AW
LxB

(1.6)

Hệ số đầy sườn giữa tàu, CM hoặc β, là tỉ lệ giữa diện tích phần chìm của sườn giữa tàu
AM với diện tích hình chữ nhật ngoại tiếp nó, cạnh BxT
CM =

AM
BxT

(1.7)

Hệ số đầy thể tích, CB hoặc δ, là tỉ lệ
giữa thể tích phần chìm của tàu V với thể tích
hình hộp ngoại tiếp nó. Hệ số CB tính theo
công thức:
CB =

V
LxBxT

(1.8)
Hình 7

Hệ số đầy lăng trụ, CP hoặc ϕ, là tỉ lệ giữa thể tích phần chìm tàu V so với ống

Hình 8
trụ dài bằng chiều dài đường nước L, diện tích mặt trụ AM.
CP =

V
A M xL

hay là CP =

CB
CM

(1.9)

Hệ số đầy trụ đứng, CV hoặc χ, là tỉ lệ giữa thể tích phần chìm so với trụ đứng cao T,
mặt trụ AW.

CV =

V
AW xT

hay là CP =

CB
CW

(1.10)

17


Trước khi tìm hiểu cách tính các đường cong tính nổi trên cơ sở các dữ liệu thu nhận từ
một tàu cụ thể bạn đọc có dòp làm quen cách tính các hệ số đầy (hệ số béo) vừa nêu qua ví
dụ cụ thể sau. Tàu đi biển với kích thước chính Lpp = 120m, B = 15,6m, d = 5,7m, có thể
tích phần chìm trong trạng thái khai thác xác đònh V = 5220m3, diện tích mặt đường nước
thiết kế Aw = 1310m2, diện tích mặt sườn giữa tàu AM = 78 m2. Tính các hệ béo của tàu trên
đây.
Hệ số đầy CW:

CW =

AW
1310
=
= 0,70
LxB 120 × 15,6

Hệ số đầy CM:

CM =

AM
78
=
= 0,878
B × d 15,6 × 5,7

Hệ số đầy CB:

CB =

V
5220
=
= 0,489
LxB × d 120 × 15,6 × 5,7

Hệ số đầy CP:

CP =

C B 0,489
=
= 0,557
C M 0,878

Hệ số đầy CV:

CV =

C B 0,489
=
= 0,698
0,70
CW

Bảng 2a. Hệ số đầy của các tàu thường gặp trong thực tế như sau:
Kiểu tàu
CB
CW
CM
Tàu khách đi biển cỡ lớn
0,56 – 0,70
0,70 – 0,80
0,95 – 0,96
Tàu khách đi biển
0,50 – 0,60
0,70 – 0,80
0,85 – 0,96
Tàu hàng đi biển cỡ lớn
0,62 – 0,72
0,80 – 0,85
0,95 –0,98
Tàu hàng đi biển cỡ vừa
0,65 – 0,75
0,80 – 0,85

0,96 – 0,98
Tàu hàng đi biển cỡ nhỏ
0,70 –0,75
0,80 – 0,85
0,96 – 0,98
Tàu hàng rời
0,73 – 0,80
0,78 – 0,83
0,96 – 0,99
Tàu container
0,60 – 0,68
0,80 – 0,85
0,97 – 0,98
Tàu dầu lớn
0,75 – 0,85
0,83 – 0,88
0,98 – 0,99
Tàu dầu cỡ trung
0,72 – 0,78
0,78 – 0,86
0,97 – 0,99
Tàu kéo đi biển
0,45 – 0,55
0,70 – 0,78
0,80 – 0,90
Tỷ lệ giữa các kích thước tàu có ý nghóa thực tế với các tính năng tàu. Tỷ lệ L/B
thường nói lên tính di động của tàu, theo cách nghó này tỷ lệ L/B lớn dùng cho tàu chạy
nhanh. Tỷ lệ giữa B và d (hoặc T) mang ý nghóa tăng hay giảm ổn đònh tàu, ảnh hưởng lớn
đến sức cản vỏ tàu khi chạy trong nước và tính quay trở của tàu.
Tỷ lệ H/T đặc trưng cho tính ổn đònh tàu ở các góc nghiêng lớn, tăng khả năng chống

chìm của tàu.
Những giá trò đặc trưng cho các kiểu tàu được trình bày tiếp theo, căn cứ vào kết quả
thống kê.
Bảng 2b. Tỷ lệ các kích thước chính
Kiểu tàu
L/B
B/T
H/T
L/H
Tàu khách đi biển cỡ lớn
7 – 10
2,3 – 3,1
1,36 – 1,7
12 – 15
18


Tàu khách đi biển
Tàu hàng đi biển cỡ lớn
Tàu hàng đi biển cỡ vừa
Tàu hàng đi biển cỡ nhỏ
Tàu hàng rời
Tàu container
Tàu dầu lớn
Tàu dầu cỡ trung
Tàu kéo đi biển

6,5 – 7,5
7,20 – 8,0
6,5 – 7,5

6,0 – 7,0
6,2 – 7,0
6,2 – 7
6–7
6,6 – 7,5
3–4

2,6 –3,2
2,4 – 2,6
2,3 – 2,5
2,2 – 2,4
2,3 – 2,80
2,7 – 3,0
2,5 – 3,0
2,3 – 2,5
2,4 – 3,0

1,35 –1,45
1,30 – 1,50
1,30 – 1,5
1,2 – 1,4
1,7 – 2,0
1,7 – 2
1,29 – 1,40
1,20 – 1,31
1,20 – 1,40

10 –14
12 – 14
10 –14

10 –14
9 – 11
9 – 11
12 – 14
12,5 – 14,0
6–8

3. ĐƯỜNG HÌNH VỎ TÀU
Đường hình lý thuyết của vỏ tàu được biểu diễn trong hệ toạ độ gắn liền với vỏ tàu như
trên hình 9. Trục OZ hướng lên trên. Trục OX trùng với chiều dọc tàu, hướng về trước, còn
trục OY hướng sang mạn phải. Tâm của hệ toạ độ đặt tại giao điểm ba mặt phẳng: mặt cắt
ngang giữa tàu, mặt cắt dọc giữa tàu và mặt cơ bản qua đáy tàu.

Hình 9. Hệ toạ độ chung
Đường lý thuyết miêu tả vỏ tàu được qui ước vẽ trong bản vẽ hai chiều 2D, bao gồm các
phần sau.
Hình chiếu các vết cắt dọc tàu do mặt phẳng dọc giữa tàu và các mặt phẳng song
song với mặt này tạo thành. Cụm vết cắt này nằm phía trái, trên.
Hình chiếu các vết cắt vỏ tàu qua các đường nước, nằm phía trái, dưới.
Hình chiếu các mặt cắt ngang tàu, gọi là các sườn lý thuyết, nằm phía phải, trên. Hình
ảnh các mặt chiếu và xuất xứ của nó được miêu tả trên hình 10.

19


Hình 10. Các mặt cắt và hình chiếu trên đường lý thuyết.
Bản vẽ đường hình lý thuyết
Đường bao vỏ tàu là mặt cong trong không gian ba chiều 3D. Để miêu tả gần đúng mặt
cong này nhất thiết phải rời rạc hóa và biểu diễn lại dưới dạng mặt gần đúng như sau. Dọc
thân tàu, tính từ lái đến mũi tàu, tiến hành chia tàu thành nhiều đoạn thẳng, gọi là khoảng

sườn. Trong thực tế người ta chia chiều dài tàu thành 10 hoặc 20 khoảng sườn lý thuyết. Cắt
ngang qua vò trí các nút đánh dấu sườn lý thuyết sẽ nhận được mặt cắt ngang sườn lý thuyết.
Khi thực hiện, lợi dụng tính đối xứng qua mặt cắt dọc tàu, chỉ cần thể hiện ½ chiều rộng
tàu sẽ diễn đạt đầy đủ mặt cắt ngang qua sườn. Thông lệ phần bên phải của mặt đối xứng để
vẽ các nửa mặt cắt của các sườn trước tàu, tính từ mặt cắt giữa tàu, còn bên trái cho các
sườn phía sau.
Theo chiều cao, có thể sử dụng các đường nước để cắt vỏ tàu, và như vậy sẽ nhận được
vết cắt các đường nước.
Thông thường chúng ta sử dụng hệ thống cắt qua (10+1) hoặc (20+1) sườn lý thuyết. Số
thứ tự sườn lý thuyết đánh dấu từ sườn 0 đến sườn 10 hoặc 20, tùy thuộc hệ thống đang sử
dụng. Những sườn nằm giữa các sườn đang tính được đánh dấu theo số thứ tự theo hệ thống
được chọn. Ví dụ, tại vùng đuôi và vùng mũi tàu cần thiết xây dựng thêm các sườn trung gian
như 1/2, 3/4, 1½, ..., 8, 8½, vv...Thông thường , đường nước được đánh dấu từ đáy với mở đầu
đường nước số 0 (DN0), sau đó tăng dần thành DN1, DN2, vv... Ngoài các đường sườn, đường
nước tiêu chuẩn, khi vẽ đường hình cần thêm các đường cắt dọc, cách mặt cắt dọc giữa tàu
khoảng cách nhất đònh. Các mặt cắt dọc này được ký hiệu CDI, CDII, vv... Ngoài hệ thống
đường vuông góc vừa nêu, khi lập đường lý thuyết cần xác lập hệ thống đường kiểm tra, xuất
phát từ mặt cắt giữa tàu đến vò trí được chọn. Vết cắt các mặt cắt kiểm tra được biểu diễn
phía dưới, ở phía đối xứng tâm đường nước.
20


Hình 11 Ñöôøng hình taøu

21


Đường hình lý thuyết một tàu vận tải tiêu biểu được trình bày tại hình 11.
4. CÁC ĐƯỜNG CONG TÍNH NỔI
Kết quả tính các đặc trưng hình học vỏ tàu được tập họp trong một bảng vẽ chung trình

bày các đường cong tính nổi của tàu. Thuật ngữ chuyên ngành để chỉ đồ thò dạng này không
giống nhau ở các nước. Trong tài liệu chính thức của tổ chức hàng hải quốc tế IMO và các
hội nghò ITTC, họ đường cong này có tên gọi bằng tiếng Anh là hydrostatic curves, có nghóa
các đường thủy tónh của tàu. Các đường cong được trình bày trong bản vẽ này nhất thiết phải
có mặt:
• Đường cong V(z) – thể tích phần chìm, tính bằng m3,
• Đường cong D(z) - lượng chiếm nước, tính bằng tấn (T),
• Đường cong tâm nổi KB, tính bằng m, đo từ đáy,
• Đường diện tích đường nước AW, tính bằng m2,
• Đường hoành độ tâm diện tích đường nước, ký hiệu xf hoặc LCF, tính bằng m, thông
lệ cách mặt cắt giữa tàu, mang dấu (+) khi nằm trước mặt giữa tàu,
• Hoành độ tâm nổi, LCB, đo bằng m, thông lệ cách mặt cắt giữa tàu,
Trên các bản vẽ dạng này, ưu tiên việc xây dựng đồ thò BM(z), tính từ đường KB vừa
dựng. Có thể hiểu đây là đường cong KM(z) = KB(z) +BM(z), trong đó
IT
I '
còn BM L = L .
V
V
Trong nhiều trường hợp có thể yêu cầu xây dựng các đường momen quán tính đường
nước IT và IL’ .
BM =

•

Đường cong miêu tả momen chúi tàu một đơn vò chiều cao TRIM. Theo cách ký
hiệu mà IMO đề nghò đại lượng này mang tên gọi momen để thay đổi 1 đơn vò
chiều chìm, ví dụ 1 cm – Moment to change Trim One cm.

Các hệ số đầy CB , CW , CM , CP

Trên hình 12 giới thiệu các đường thủy tónh tính cho tàu cẩu đi biển .

Hình 12
22


5. CÁC PHÉP TÍCH PHÂN GẦN ĐÚNG
5.1 Công thức hình thang
Để tính diện tích mặt phẳng được giới hạn đưới đường cong y = f(x), trong phạm vi từ a
đến b hình 16, tiến hành chia đoạn thẳng L = b - a ra làm nhiều đoạn, chiều dài mỗi phân
đoạn d1, d2 , ... dn. Chấp nhận sai số nhất đònh, có thể coi đường cong y trong phạm vi một
phân đoạn ngắn di , i =1,2, ..., tương đương đoạn thẳng nối hai đỉnh. Từ đó thay vì tính chính
xác diện tích phần đường cong hạn chế, có thể tính diện tích hình thang cạnh đáy dài di, chiều
cao các cạnh bên đúng bằng giá trò các đoạn yi-1 và yi .
Công thức tính diện tích theo phương pháp hình thang dạng chung:
A = ( ½ )*(y0 + y1)* d1 + ( ½ )*(y1 + y2)* d2 + ( ½ )*(y2 + y3)* d3 + ...
+ ( ½ )*(yn-1 + yn)* dn
= ( ½ )*[ y0.d1 + y1*( d1 + d2) + ... + yn-1*(dn-1 + dn ) + yndn]

(1.25)

Hình 13
Nếu chia đoạn L ra thành n phân đoạn bằng nhau d, công thức trên có dạng:
A = (1/n) * d*[ y0

+

y1 + y2 + ... + yn - ( ½ )*(y0 + yn) ]
= d* [

n

∑ yi - ( ½ )*(y0 + yn)

]

i =0

Ví dụ tính theo phương pháp hình thang
Bảng 3. Bảng tính theo phương pháp hình thang
TT
Giá trò y
Ghi chú
0
y0
1
y1
.
n
yn
∑
Tổng
1
Hiệu chỉnh
( y0 + yn )
2
1
Tổng
∑ − 2 ( y0 + yn )
Diện tích

A = d.∑
23

(1.26)


5.2 Công thức Simpson
Trong phương pháp Simpson chiều dài L được chia nhỏ thành n/2 cặp đoạn bằng nhau,
mỗi phân đoạn có chiều dài 2d = 2L/n. Trong mỗi phân đoạn đường cong y = f(x) được thay
bằng đường parabol bậc 2, đi qua ba điểm, dạng đường y = ax2 + bx + c, hình 18 .

Hình 14
Công thức tính diện tích phần dưới đường cong, gạch chéo theo Simpson như sau:
x2

A=

∫ ydx =

x0

∫ (ax

2d

2

)

+ bx + c dx =

0

(

d
8a.d 2 + 6b.d + 6c
3

)

(a)

Mặt khác các giá trò y tương ứng với x0, x1, x2 có thể tính qua a, b, c theo quan hệ: y0
= c; y1 = ad2 + bd +c; y2 = 4ad2 +2bd + c, do vậy công thức tính diện tích A cho trường
hợp này sẽ là:
2d

A=

∫ ydx = 3 ( y
d

0

+ 4 y1 + y 2 )

(b)

0

Bằng cách tương tự có thể tiếp tục tính diện tích dưới đường cong trong phạm vi x2 đến
x4, sau đó x4 đến x6 cho đến phân đoạn cuối tính từ x2n-1 đến x2n.
Thực hiện phép cọng tất cả các diện tích nhỏ vừa tính có thễ thấy:
y
y
2
(1.27)
A = d*( 0 + 2y1 + y2 + 2y3 + ... + 2y2n-1 + 2n )
3
2
2
Số 2n như chúng ta đã thấy là số chẵn.
Ví dụ tính theo phương pháp Simpson
Dữ liệu trong ví dụ trình bày tại trang trước lúc bàn về pương pháp hình thang sẽ được
dùng làm ví dụ minh họa cho phương pháp Simpson. Áp dụng công thức (1.27) vào trường hợp
này có thể tính:
y
y
2
A = d*( 0 + 2y1 + y2 + 2y3 + ... + 2y7 + 8 )
3
2
2
2
= 32 m .
Hiệu chỉnh khoảng cách các toạ độ trục ngang
Trong tính toán các đặc trưng hình học vỏ tàu để đảm bảo độ chính xác các phép tính
nhất thiết phải đưa chính xác các dữ liệu liên quan cấu hình thân tàu. Đường nước tàu có
thể mở đầu tại sườn 0 và kết thúc tại sườn cuối cùng theo sơ đồ tính. Trong những trường hợp

ấy các giới hạn tích phân, ví dụ từ 0 đến L hoặc từ –L/2 đến +L/2 là những giới hạn thực tế,
đúng với giới hạn đường nước. Trường hợp thường gặp, phần sau của đường nước bắt đầu
24