Tính toán, thiết kế kết cấu tàu trần công nghị

THƯ VIỆN

TRẦN CÔNG NGHỊ

ĐẠI HỌC NHA TRANG

M
623.812
Tr 121 Ngh

٠

383X0+R»X4
& ٠ l ^ i

'■.4'■

’'"

1?/?■

Ẹ5RBĨSỊ٥^^.5ã..،

4000

Ị|e .^ -

>
:-'.١
٨
٠

№
.í

١

K ^ ^ ٠.-n. .■'ll' í'.!.f‫؟‬j.■

· ·'

■

.■.‫؛‬:.ĩsl
íSSs.
K‫;؛‬í7íí^،íT
:5
ềỂỂẵ

٠
١
í^’í

1

■ft|

1.‫·؛‬. v,
·
..‫••؛‬٦،= ..^ 'V■
٥

‫؛؛‬/ ■
‫^؛‬.١ ■
V
.'■
■
■
*■
‫■؛‬
'■
■
■
'.

„...,^■
BP

iĩệậ
. , ..

Í‫؟‬í‫؛‬i
'ĩ-:^.ế

... Vrỉj!;y ^ ự

ÌLi'٥.í^l
· .'■
٧. *:·.;.'·?·‫؛‬
*

H * .'. 5?.‫؛؛‬

i i ٠S3Í'S'
- V'‫ ؟‬4^

THU VIEN DAI HOC NHA TRANG

;■Stíil^ịẩ
ấ'^ỉ4
ế.^ỵ ■
.
‫؛‬Ị - ;V n

3000013317
'i■^.

ầ\í
r,í?r:.·

SI

'

NHÀ XUẤT BẢN
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TI

PKÙềUỹ' 6^ỊK đẬ. đ>ế*t ٥،t^Xin vui lòng:
•
Không xé sách
■٨'.، _٠~ 1٨

' ،.1.


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP H ồ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
T rầ n C ông Nghị

TÍNH TOÁN, THIẾT K Ế

KẾT CẤU TÀU
(Tái bản lần thứ nhất có sửa chữa)

ĩhựùiie hiẠi họị: ni‫ ؛ >؛‬ìú,;;>:
١

_ _ T ٠H Ư V ĩ Ệ ỉ ĩ
,\i/ V'7 í

NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC QUỐC GIA
TP HỒ CHÍ MINH . 2005


MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU

5

Chương 1 sửc BÊN CHUNG

7

1.1 Uốn tàu trên nước
1.2 Tinh mômen uỏn, lực cắt thân tàu trên nước tinh

9
11

1.3 Cân bằng tinh tàu trên nước

16

1.4 Tinh lực cắt và mOmen uốn

18

1.5 Uốn tàu trên sOng

20

1.6 Ví dụ tinh mOmen uốn và lực cắt

27

1.7 Chương trình máy tinh xác dinh lực cắt
và mômen uốn tàu trên nước

35

1.8 Công thức kinh nghiệm xác định

mOmen uốn và lực cắt

37

1.9 ư ng suất do uốn chung của tàu

38

1.10 ư ng suất cắt

40

1.11 Ổn định tấm thuộc vO tàu

45

1.12 Diều kiện dưa các kê't cấu vào tham gia kê't cấu
mặt cắt ngang tàu

48

1.13 Hiệu chỉnh dặc tinh vật liệu cho dầm tương dương

50

1.14 Hệ số giản ước diện tích tham gia uốn chung

52

1.15 Ví dụ về kiểm tra độ bền chung khi tàu bị uốn trên nước 64

1.16 ưng suất tại vỏ tàu và các kết cấu dọc
trong trường hợp bị uốn. ư n g suất tổng cộng

74

C h ằ g 2 TÍNH s ữ c BỀN CỤC Bộ THÂN TÀU

78

2.1 Mô hình truyền tải trọng từ môi trương
dến kết cấu thân tàu

78

2.2 Tải trọng cục bộ tác dụng lên thân tàu

79


2.3 Mệt và‫ ؛‬mô hình kết cấu thân tàu

83

2.4 Khung dần dáy

96

2.5 Khung dần mạn

110

2.6 Mô hình kết cấu b٠٠ng

134

2.7 Cột chống

143

2.8 Cấc vdch

146

Chương ‫ و‬TÍNH CHỌN KẾT CẤU ĐỊNH HÌNH
3.1 Mặ,t cắt thanh chịu lực dọc trục

154
154

3.2 Xắc định diện tích, mômen chống uốn của
mặt cắt kết cấu

155

3.3 Diện tích bề'm ặt chịu cắt

158

3.4 Thiết kế thành dứng kết cấu chữ I, T

159

3.5 Xắc định tấm mặt kết cấu T

164

3.6 Dặc tinh mặt cắt ngang nẹp chịu uốn

169

C h ằ g 4 KẾT CẤU THÂN TÀU

172

4.1 Cấc phương phấp thiết kế kết cấu thân tàu

172

4.2 Diều kiện bền và ổn định tấm dáy

183

4.3 Diều kiện bền bonng

185

4.4 Diều kiện ổn định các nẹp thuộc khung dần

187

C h m g 5 TÍNH KẾT CẤU THEO ^ u CẨU QUY PHẠM

195

5.1 Quy trinh thiết kế theo quy phạm dóng tầu vỏ thép

198

5.2 Tầi liệu kỹ thuật cần thỉết cho kết cấu tàu

198

5.3 Quy trinh thiết kế theo quy phạm dOng tàu vỏ thép

199

TÀILIỆUTHAMKHẢO

227


LỜINÓÍĐẲU
TÍNH TOAN, THIẾT Ш Ể T CẨU TẦU đ ệ biên soạn theo
đè cương môn liọc “Tliièt kế kết cốư tỉiư tliủỵ”, Ююа Ks tliuật G io
tliOng T ٣ương Bại ١
IỌC Báck klvoa - Bại liọc Quốc giaT P HCM.
٠

Cuốn sácli được biên soạn clio sin ١i ulè.i chuỵên ng0n!i dOng.
sứa tàu> dồng tliời sách cUng có tlvể làm tai llÇu tham khảo cho các

‫ا‬١
‫اا‬.‫ ة‬c1‫ا‬u‫ﻻ‬èn môn của iXnli ١
)ực na‫ ﻻ‬dang 1‫ﻵ‬١
‫ اا‬uĩệc tại cdc xí nghiệp
đóng, sửa tàu, công trinh nổi và quản lý tàu thủy.
Nội. dung bao gồm những υαη dề cần cho uĩệc tinh kích t1١
.ưởc
kết cáu tOu:
- Tinh ứng suất, biến dạng trong tr á n g hợp tàu ٥
‫ '؛‬uốn

chung trCn nước. Phdn biẹt hai trạng t.iál lam uĩệc cUa tau trCn
blCn: tau пйт trCn nước tXnh υά trương hợp tau ndm trèn sOng.
- Càc mô lilnh tlnli sức bèn cục bộ các chi tiết, cụm chi tiết
cáu tliànli thân tau.
- Tlnli toán độ bèn υά ổn dỊnli cốc kết cốu dọc υά ngang Cio tơu.
- Tinh kết cấu dọc của tàu: tinh chiều dày tôn vó, niôđun
cliống uốn mặt cắt ngang tliâ١
١ta، ، ..
- Tinh toán kết cdu tàu tlieo quỵ phạm dOng tau. Trong phần
١
‫ ﻻةا‬ngư.ơi uict cố gổ.ng gi.ớl thiệu để ngươi dọc lam quen υάί có.c١
١
đặt vẩn đề của những người soạn quy phạm vể độ bền, ổn định các
kết cấu cụ thể, nguồn ‫ج‬
0'‫ء‬các công thức kinh nghiệm hoặc nửa
kinh nqliiệm, nửa giai tich cùng các yêu cầu cụ thế' khi tinh toán,
cliọn klch thước theo hương dỗ.n trong qu‫ﻻ‬pliạm.
‫ ﻻؤﻵ‬la lần tai bản t‫اا‬ứ nhát, tác gia rdt mong tiếp tục nliận
được ‫د‬

‫ؤ‬kiến đóng góp của các đồng nghiệp và độc giả. Rất cám ơn.
Mọi ‫ ﻷ‬kien dOng gOp xln gửi υΙ dịa chl: Bộ môn Tau thủỵ Klíoa Kỵ thuật G io tỉrông - Trương Bại ìvọc Báclr klioa - Bạl học
Quốc gia TP HCM, 268 1 ‫ ﻷ‬Tỉiương Kiệt, Q 10, TP HCM.
BiÇn tJioqi.: (08) 8645643 .
Tác giá
TS Tran Công NgH%


Chưcíng 1
SỨC BẾN CHUNG
Những công việc Cần thực hiện trong giai đoạn kiểm tra sức
bền chung thân tàu bao gồm:
- Xác định mômen uốn và lực cắt tàu nối trên nước
- Xác định ứng suất do uốn chung
٠Xác định tổng ứng suất tại những vị trí nhạy cảm
٠ ố n định các kết cấu thân tàu trong trường hợp bị uốn chung
và bị cắt.
Những bước chính trong tính toán sức bền chung

Để chuẩn bị cho tính mômen uốn và lực cắt tàu trên nước cần
xác lập đường phân bố trọng lượng toàn tàu và chuẩn bị đầy đủ dữ
liệu liên quan cấu hình thân tàu. Phân bố tải trọng cho các bước
tính dược hiểu là phân bố của tổng đại sô các lực tác động dồng
thời lên vỏ tàu vào thời điểm tính toán, ký hiệu:
qr(x) = p{x) - b(x)
với; p(x) - phân bô trọng lượng tác động theo chiều hút trái đất, mang dấu (+)
b{x) - lực nối tàu, mang dâu (-)

Đường tích phân dọc tàu ciìa q(x) sẽ là lực cắt, tích phân hàm
lực cắt sẽ là mômen uốn.

Trong tính toán chúng ta phân biệt hai trường hợp liên quan
tới môi trường. Chúng ta sẽ xem xét lực cắt và mômen uốn tàu khi
tàu nằm cân bằng trên nước tĩnh, kết quả tính sẽ được: lực cắt AT،.,،.,
Msu■ là hàm của tọa độ X, dọc tàu. Trong khai thác tàu có thể phải
nằm trên sóng, trên đinh sóng hoặc đáy sóug. Trong trường hợp
này, proíĩl sóng trên mạn tàu sẽ có hình của sóng biền, phụ thuộc
chiều cao sóng, chiều dài sóng và phụ thuộc cả vị trí tương đối giữa
tàu và sóng. Trường hợp sau chúng ta phải xác định lực cắt trên
sóng N/,■ và mômen uốn tàu trên sóng M.،.. Tùy thuộc vị trí tương
đối giữa sóng và tàu chúng ta có thế gặp trường hợp đỉnh sóng


8

C hương 1

nằm d khu vực giữa tầu, dưới tác dộng của sOng này tầu bị dội lên
(từ chuyên môn bằng tiếng Anh gọi dây là hogging). Trường hợp
thứ hai khi dặt sdng tĩnh lên tầu, dổy sdng nằm giữa tàu, thân tầu
bị gập xuống (sagging). Tinh lực cắt và mOmen uốn tàu trên sbng
cổ thể tiến hầnh theo hai cách khác nhau. Cdch dầu cần coi thẳn
tằu như dầm liên tục nằm trên sbng, trọng lượng tàu tác dộng theo
hướng từ trên xuống theo chiều hUt trái dất, lực nổi tinh theo thể
tích phần chim thực tế của dầm ấy dang nằm dưới sdng với profil
nhất dinh. Cấc phép tinh tiến hầnh như dã thực hiện cho phần tàu
trên nưởc tĩnh. Kết quả tinh sẽ ỉà lực cắt Nw và mOmen Mu■ “toàn
phần”. Cdch thứ hai dược dUng kha phố' biến trong cấc phOng tinh
toốn, chỉ tiến hành xác định lực cắt vồ mOmen uốn “bổ sung” cho
tàu nằm trên sOng ANw, AMu; sau dó cộng với lực cắt, mOmen uốn
tàu trên nưóc tĩnh dể dược lực cắt, mOmen uốn tằu trên sOng:

Lực cắt tầu trên sOng:
Nu■ : Nsw + ẩ w
MOmen uốn tàu trên sóng:
Mw = Msw + NMu,
DU thực hiện theo cách nào người tinh toón cUng phải làm dU
cấc công tác chuẩn bị sau cho mỗỉ trạng thai khai thác cUa tàu.
Xác lập đ á n g phân bố trọng lượng tàu
Trên tầu dân sự các nhOm trọng lượng dược quy ước phân
thành cấc nhOm, tùy thuộc vai trò cUa nó trong tàu:
- Thân tầu ٠
- Mấy chinh vả phụ tUng mấy chinh
- Thiết bị, mấy móc, hệ thống tàu
- Thuyền viên, lương thực, thực phẩm, nưởc sinh hoạt
- Dầu, mô vầ cấc vật tư phục vụ vận hằnh tầu
- Hầng hóa
- Dự trữ
Mỗi nhdm kể trên dược chia thành nhiều nhdm nhỏ khi tinh
trọng lượng tàu. Ví dụ từ nhOm thân tàu chUng ta cố thế' phân biệt
cấc nhdm phụ sau:


Sức b ển chung

9

- Vỏ thép
- Gỗ và vật liệu phụ khác
- Sơn, xi măng
٠ Nội thất...
Thực hiện tinh toán các đặc trưng tính nổi của tàu, đường Bonjean

Công việc này thực hiện theo hướng dẫn tại phần lý thuyết
tàu. Các đường tính nổi cùng đường Bonjean giúp xác định thế tích
phần chìm tàu, tâm nổi tàu ứng với trạng thái khai thác và các đại
lượng cần thiết trong giai đoạn cân bằng tàu trên nước tĩnh.
Chọn lựa sóng tính toán cùng các đặc trưng của sóng
Sóng tính toán sẽ được đặt tĩnh lên tàu trong các thủ tục tính
toán. Trong giai đoạn chuẩn bị cần thiết xác định chiều cao sóng,
chiều dài sóng và profil sóng phăng.
1.1 UỐN TÀU TRÊN NƯỚC
Từ khi vừa hạ thủy thân tàu nổi trên nước luôn chịu tác động
của hai lực tác động ngược chiều nhau là trọng lực và lực nối. Nêu
coi thân tàu như dầm liên tục, làm từ vật liệu đàn hồi, còn đặc tính
hình học khác nhau tại các mặt cắt, dầm phải gánh chịu sức nặng
của tự trọng, hàng hóa, người trên tàu. Trọng lực tác động theo
chiều hút của trường trái đất, luôn muốn kéo tàu xuống sâu hơn
trong nước. Trong khi đó lực nối tác động theo hướng ngược lại,
muốn đẩy tàu lên cao hơn về phía mặt thoáng. Lực nối tỷ lệ thuận
với thể tích phần chìm thân tàu, độ lớn của nó phân bố dọc tàu tùy
thuộc vào diện tích mặt cắt ngang thân tàu tại các vị trí dang xét.
Nếu ký hiệu phân bố trọng lượng dọc tàu là p(x), còn phân bố
lực nổi là 6(jc), phân bố tổng tải trọng tác động lên mặt cắt bất kỳ
thân tàu sẽ là:
qix) = pix) - b{x)
(1.1)
Với các tàu thông dụng, biểu dồ phân bố p(x), b(x) có dạng
như H.1.1 dưới đây, phân bố nằm trên trục ngang biểu diễn trọng
lượng thần tàu và tấ t cả trọng vật trên tàu, đường nằm dưới trục
ngang biểu diễn phân bế lực nổi.

10

C hương 1

Hình 1.1 Phăn bổ trọng lượng (trôn) và lực nổi (dưới)

Từ điều kiện nổi của tàu thủy, để tàu nổi cân bằng trên nước
phải thỏa mãn các điều kiện cân bằng lực và mômen tác động lên tàu.
Điều kiện cân bằng lực:
L

L

L
( 1. 2 )

= Jp(ac)dac - ịb{x)dx = 0
ô
ô

o

L

Hình 1,2

Điều kiện cân bằng mômen;
L

L

L

|jc.‫( ؟‬jc)cỉx = ịx.p(x)dx - ịx.b{.x)dx = 0
0
.
0

(1.2a)

Với tàu nổi cân bằng, lực cắt và mômen uốn tàu trên nước
được xác định theo cách thông dụng của cơ học.
Lực cắt tính từ công thức sức bền vật liệu thân tàu:
X

N(x) = ịq(x)dx
Ô

(1.3)


11

Sức b ề n c h u n g

Mómen uốn thân tàu trên nước tính theo công thức:
M(x) = ịN(x)dx = j í Jọ(jc)o‫؛‬ac dx - Ị Ịq(x)dxdx
0

o\o

)

(1.4)

õữ

Với tàu thông dụng biểu đồ mômen uốn, lực cÁl có dạng:

Hình 1.3 Biểu đồ mômen uốn M và lực cắt tàu N

1.2 TÍNH MÔMEN UỐN, Lực CẮT thân tàu t r ê n

nước tĩnh

Trên nước tĩnh tàu nổi chiếm vị trí cân bằng, tại đó thóa
mãn điều kiện cân bằng tĩnh (1.2) và (1.2a), tức là lực nói tãc động
lên thân tàu có giá trị tuyệt đối bằng tổng trọng lượng tàu tại thời
điếm tính, tâm nổi phần chìm của thân tàu và trọng tâm tàu cùng
n.‫؛؟‬m trên đường thẳng vuông góc với mặt thoáng.
1.2.Ỉ Phân bô tải trọng thân tàu và hàng hóa
Các thành phần tham gia vào p(x) gồm có:
- Trọng lượng thân tàu và máy móc, thiết bị của tàu, như vỏ
tàu, trang bị trên boong, các hệ thống tàu, máy chính, máy phụ,
đường trục chân vịt, chân vịt, máy chuyên ngành...
٠ Hàng hóa chở trên tàu

- Nhiên liệu, nước và các loại dự trữ khác của tàu
٠ Đoàn thủy thủ, hành khách
٠ Lương thực, thực phẩm, nước sinh hoạt cho người sốrg làm

việc trên tàu.


12

C hương 1

Mỗi nhOm trọng lượng cố quy luật phân bố dọc tàu khác
nhau, trọng lượng và trọng tâm cấc nhdm khOng giống nhau. B‫؛‬ế'u
dồ mỗi thành phần củapU) có thể biểu diễn dưới dạng hàm:
P i = fi(x);
với: ‫ ﺀ‬từ 0 dến L,
tr.n g dó: L - chiều dầi tầu.
T r.ng tinh toán nếu sử dụng cắc phương pháp gần dUng các
dường cong kế' trên dược chuyển thành các dường gãy khUc, trong
dó diện tích mỗi đoạn hình chữ nhật dưới dường gãy khUc có diện
tích bằng diện tích .cung cong của dường cong nguyên thUy trong
đoạn vừa xét.
Chuyển dường congp(x) sang dường gây khUc bằng một trong
hai cách. Chuyển hình thang hay hình gần giống hình thang, trong
mỗi phần đoạn sang hình chữ nhật chiều rộng của hình chữ nhật
bằng chiều dải phân đoạn và diện tích dưới dường cong bằng diện
tích hình chữ nhật tương dương, vơi tàu thUy thông dụng, có thê
tiến hành chia tàu làm 20 khoảng sườn ly thuyết và cách chia này
vừa dU dể dảm bảo độ chinh xốc cần thiết khi tinh trọng lượng,
trọng tâm và cả mômen. Cách làm nầy thịnh hành tại Nga, dược
trinh bày chi tiết tại [3], [41, [61, [71, [101.
Cách làm thứ hai là phân mỗi nhdm trọng lượng trong mỗ‫؛‬
phân đoạn thành nhiều thành phần song song. Cách làm này phù

hợp cho việc phân cấc lực tập trung thảnh nhiều lực song song tác
dộng trên phân đoạn. Trọng lực p tại hình bên dược phân làm hai
lực tương dương ?1 và ‫ م‬2‫ت‬
p : Em(] + ‫ ة‬٠١٠ ? : [ ( ] - Ế )
۶ '‫ة ' ا ( ة ء‬

)‫ء ء ؛‬

2 ٠‫ل‬

‫ا س‬

trong đố: ٥ - khodng cấch từ điểm dặt lực dến dường biên phân đoạn
‫ ﻋﻪ‬- chiều dầi phân đoạn thân tầu.
Phân tích lực p thầnh Pi và ?2 tiến hành theo thứ tự ghi
trên hình 1.4.
Dể lập phân hố p(x) cần thiết sử dụng cấc tằi liệu nguồn như bản
vẽ chung, kết cấu vỏ tàu, khai triển tôn vỏ, kết cấu bwng, dáy thu...


13

Sức bền chung

I i i m i i
Hình 1.4 Phân bổ trọng lượng

Trọng lượng phần đuôi tàu, mũi tàu nằm ngoài trụ lái và trụ mũi
cần phân bổ vào trong phạm vi chiều dài L tính toán của thân tàu.
Phân chia trọng lực F năm ngoài trụ thành hai thành phần như sau:

F = F i - F2
trên nguyên tắc đảm bảo cân bằng mômen uốn:
K ^ (ịF 2 -ịF 0 M .
Lực thành phần tính theo công thức:
F2 = F ( i + -‫ ؟‬r)
2 AL

lllltin

I I I - l i II

Hình 1.5


14

C hương ‫ل‬

Trường hợp khOng đòi độ chinh xác quá cao, có thế sử dụng
Ciich phân chia chiều dài tâu làm thành 20 đoạn bằng nhau, gọi là
20 khoảng sưởn lý thuyết. Số thứ tự sườn lý thuyết khdi dầu bằng
0 tại trụ lái, kết thUc 20 tạỉ trụ mU‫؛‬. Dữ liệu có thế' t:ịp hợp tt-،jng
bảng mẫu dưới dây:
B a n g 1.1
Tén gọi

Trọng lượng

Phồn bốtól.rọng. (t)
#0 - 1

#1-2

# 1 8 -1 9

# 1 9 .2 0

22

23

Vỏ tàu
Máy móc. thiết bị

Nhién liệu

Cộng
Hệ số tay đòn
Hệ

SỐ

mổmen

b

‫ ل‬4

‫ ئ‬5

‫ئ‬

‫ ة‬2‫ذ‬

-19

-17

+ 17

+ 19

.1 9 1 .

٠‫ ا‬7 ‫ ل‬5

+ 17V
‫ئ‬

2

+ ‫ ا‬9١
-٠
23

Trọng tâm tàu tính theo công thức:
- Ềả. 1914 - I 7I 5 + ... + I 7I 22 + 19^;-23
2
£4 +
+ ... + £ 22 ‫“؟‬23

Phân bố trọng lượng có ảnh hưởng quyết định đến giá trị của
lực cắt và mômen uốn tàu. Phân bố trọng lượng có dạng “diều
hòa”, hiểu theo nghĩa phân bố tương đối đều dọc tàu, đường cong
biểu diễn lực cắt sẽ có dạng hình chữ s “điều hòa”, mômen dạng
hình đồi đỉnh tà, hay có thể coi đường mômen gần với hàm
parabol bậc hai chúng ta gặp trong môn toán. Trường hợp phâr، bố
trọng lượng không “điều hòa”, ví dụ đường gãy khúc tập trung vào
một số điểm không đều nhau, đường tích phân của nó sẽ có dạng
không thông thường. Một trong những ví dụ bạn đọc có thề tham
khảo cách chất hàng bắt buộc của tàu kiểu OBO dưới đây và hậu
quả của nó. Cách đầu, người ta chất hàng trong các khoang cách
quãng, đường phân bố trọng lượng có dạng các xung đều, lực cắt


Sức bền chung

15

dạng đường “zích zắc” song biên độ không lớn và kết quả đườn‫؛‬.
biểu diễn mômen khá “điều hòa” tuy không phải đường parabol bậc
hai. Cách làm này gần như là điều bắt buộc cho các tàu chở quặng
và hàng vô cùng nặng. Cũng tàu trên đây, cũng lượng hàng như
vừa nêu, nếu người ta chất dồn vào ba khoang liền nhau, dù là ba
khoang khu vực giữa tàu như trên hình, đường biểu diễn lực cắt có
những đỉnh với giá trị rất lớn, đường biểu diễn mômen uốn tuy có
dạng parabol song giá trị lớn nhất của nó tại khu vực giữa tàu đạt
giá trị vượt quá khả năng chịu đựng của tàu. Đây là điều cấm kỵ
cho tàu dạng này.

m

\y /A

w /m

٥

m

m

m

\

r n

Hình 1.6 Ảnh hưởng phân bố trọng lượng đến lực cắt và mômen uốn

1.2.2 Phân b ố ỉực nổi
Lực nổi tính theo định luật Archimedes, bằng thể tích phần
chìm của thân tàu nhân với trọng lượng riêng của nước. Trong mỗi
phân đoạn chiều dài tàu AL, thể tích phần chìm tính gần đúng,
bằng tích của chiều dài AL với diện tích m ặt cắt ngang sườn chính
giữa phân đoạn A*. 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 mứn nước lái quy định. Khi xác định được diện tích
sườn tàu tại vỊ trí cần tính, giả sử diện tích đó đọc từ biểu đồ
Bonjean là a(x) = Ak, công thức tính b(x) tại vị trí đang chọn sẽ là:
b(x) = a(x).AL.yỉAL

trong đó: y - trọng lượng riêng của nước.
Công thức trên có thể viết lại dưới dạng:
b(x) = a(x)Ỵ
(1.5)


Chưctng 1

16

1.3 CĂN ỪẰNG TĨNH TÀU TRÊN Nước
Tải trọng áp đặt lên thán tàu ở trạng thái tĩnh là tổng đại
số của hai nhóm lực pịx) và 6(;،), được biểu thị băng công thức
q(x) = p(x) - ỏ(x). Khi giá trị tuyệt dối của p(x) lớn hơn giá trị
tuyệt đối của ỏ(x), q(x) mang giá trị dương, tác động cùng chiều với
lực hút trái đất. Ngược lại, khi ợ(x) mang giá trị (-) sẽ tác động
heo hướng ngược với chiều lực hút. Phân bố g(x) có dạng thường
gặp như trên H.1.2 dưới đây.
Điều kiện cân bằng tĩnh đòi hỏi lực nổi của tàu B

=

ỵV;

với: V

- thế tích phần chìm của tàu, có giá trị tuyệt đối bằng trọng lượng
tàu w tại thời điểm, tính, đồng thời mômen ngẫu lực của chúng
phải bằng 0. Điều kiện trên được thể hiện dưới dạng, tích phân từ
0 đến L của hàm g(x) phải băng 0 đồng thời tích phân của tích

x.g{x) cũng bằng không trong phạm vi trên. Công thức (1.2) và (1.2a)
trở thành điều kiện cần cho việc tính sức bền chung của tàu trên
nước. Trường hợp không thỏa mãn điều kiện (1.2), tàu không nằm
tại vỊ trí Ổn định. Nếu w > B tàu có xu hướng chìm xuống, ngược lại
khi w < B theo định luật Archimedes lực nồi lớn hơn sẽ đây tHu
L

L

lên. Nếu ịx.pix)dx 5، ịx.ỉẨx)dx, nghĩa là tâm nổi không cùng nằm
õ

õ

trên đường đi qua trọng tâm tàu, vuông góc với mặt thoáng, mômen
ngẫu lực khác 0 còn làm tàu bị nghiêng hoặc chúi. Tàu chỉ nằm vỊ
trí cân bằng khi tay đòn mômen ngẫu lực bằng không.
Thỏa mãn hai yêu cầu trên đây khi tính toán, tiến hành theo
hai bước. Lần đầu tiên từ cân bằng lực sẽ tìm được lượng chiếm
nưđc của tàu. Với lượng chiếm nước xác định luôn tìm được chiều
chìm trung binh của tàu trên nước tĩnh. Bước thứ hai, căn cứ vào
mớn nước trung bình đã có dỏ cán bằng dọc tàu, thay đồi mớn nưóc
mũi và lái nhằm điều chỉnh tâm nổi nằm cùng đường thẳng vuông
góc với mặt thoáng, đi qua trọng tâm tàu.


Sức b ể n c h u n g

17

H ình 1.7 Cân bằng tàu trên nước
C á c b ư ớ c tín h cá n b à n g d ọ c tà u

a- Xác định mớn nước trung bình của tàu căn cứ vào thể tích
phần chìm toàn tàu, rf„i = f{V). Từ công thức ٥ = yV xác định trọng
lượng tàu w = D. Trọng lượng này phải bằng lực nổi B của tàu tại
mớn nước đang xét.
b- Xác định độ nghiêng ban dầu và mđn nước lái, mũi theo
công thức:
Mớn nước lái;
da.o = d„, +

(I -

Xn -x>
BM l

TRƯỚN6DẠI HỌCNHni، .,..m . (1.6)
T H Ư VIỆH

Mớn nưđc mũi:
dffi —dm + ' ĩ ^ . x f

X r .- X
BM l

(1.7)

trong đó: d,n ٠ mớn nước trung bình của tàu, đo tại giữa tàu
mớn nước lái; df,0 ٠niớn nước mũi

Xf - tâm đường nước, tính từ mặt giữa tàu, + nằm về trước
Xo ٠trọng tâm tàu, tính từ mặt giữa tàu
X b - tầm nổi phần chìm của tàu, tính từ mặt giữa tàu

٥٠ 0

٠

BM l ٠bán kính nghiêng dọc của tàu
Qua điểm cắt của dao và df,0 tại hai trụ, vẽ đường thẳng đánh
dấu đường nước thực tế tại thời điểm tính. Tiến hành tính thế tích
phần chìm V*, nằm dưới đường nước thực tế vừa vẽ, tiếp đó xác
định dm*, X b* theo cách thông dụng. Khi có V* và X b* tiến hành
xác định lại mớn nước mũi và lái cho lần tiếp theo:


18

C hương 1

Mớn nước lái:

rf„ 1 = f/،,0 + (Ỳ/„

Mớn nước mũi:

df x = dfx) + ỉ)df

trong đó; dộ tàng bd tính như sau:
A.V

٠ V2

ồdf = V - V *
A ١١,

ÍL

n

BM

( 1 .8 )
l

^ \Xg - X b *

(1.9 ١

+ \- + X

V2

BM

l

Phép tính trên dược lặp lại cho đến khi thỏa mãn điều kiện
quy ước sau:
v - y *٠

< (0,1-0,5)%

( 1 . 10 )

X g - X b *^ < (0,05^0,1)%

( I . m

Sau khi cân bằng tàu mới đến giai đoạn tính lực nổi tại các
mặt cắt bất kỳ b(x).
1.4 TÍNH Lực CẮT VÀ MÔMEN UỐN

Lực cắt tính theo công thức (1.3) còn mômen uốn tính theo
công thức (1.4). Đại lượng q(x) = p(x) - b(x) tính theo hướng dẫn tại
phần trên.
Tích phân (1.3) tính theo phương pháp số dưới dạng:
( 1 . 12 )

Ii(x) - Ịfi(x)dx

o

trong dó: /i(jc) = q{x)
Tích phân hai lớp (1.4) được xử lý theo hai bước, bước đầu xác định:
f^x) = ịfẠx)dx
o

(1.13)

bưđc hai tiến hành tính:
I^x) = J / ٠2( x)c/x = J ịfiix )d x dx s J [/ ٤(j‫])؛‬f/jir
o

o\o

J

ô

(1.14)


Sức bền chung

19

Trên thực tê tại đây chỉ thực hiện phép tích phân một lớp
cho hàm dưới tích phân
giới hạn trên thay đổi theo X .
Chương trình thực hiện tích phân bằng phương pháp số, viết
băng ngôn ngữ c đã được người viết giáo trình này thử nghiệm như sau:
void integrationV(int N ٠double *X, double ‘t, double *Ans)

{
register i, ii, n2;

double d1, d2, d3, a t , a2, a3;
n2 = N /2;
Ans(0]=0.0;

for (i = 1: i <= n2; i++) {
ii = 2*1.1; d1=X[ii]٠X[ii٠1];
Ans[iil=Ans[ii-1]+d1/2.0 ٠(f(ii]+f[ii-1]):
if(ti!= N -1 )

{

d2=X[ii+1]٠X[ii-1]: d3= d2/d1;
a2= d3/6.0*sqr(d2)/(X[ii+11-X[ii]): a3= d2/2.0-a2/d3;
Ans[ii+1 l=Ans[ii-1 l+(d2-a2-a3).
f(ii-1]+a2*ftii]+a3*f[ii+1];

}
}
}

Tính lực cắt và mômen uốn tàu theo cách làm kinh điển, tiến
hành dưới dạng bảng mẫu. Các bảng dưới đây trình bày mô hình
tính toán cho trường hợp tàu được chia làm 20 khoảng sườn lý
thuyết [6], [7]. [10].
Tiêu chuẩn chấp nhận sai số khi tính lực cắt N(x) và mômen
uốn M(x) cho tàu trên nước tĩnh, theo kinh nghiệm là:
N ẩ L)
MẨL)
< 0.025 và
<0,05
N 5.max
M 5, max
trong đó: Ng(L), MgiL) - giá trị lực cắt và mômen uốn trên nước tình, tính

tại vị trí sườn cuối cùng.
A^smax. Mg max ٠
giá trị tuyệt đối, cực đại của lực cắt và m ôm enu^.


20

Chươầi^ 1

Khi đã thỏa măn diều

Μ

kiện trên, cố thể thực hiện
phdp hiệu chình cho lực cắt và
mômen ٠uốn như sau:
bN$ii) = -4-N si20)
δΛ/،(ί) = - ^ Μ ٠(20)
1.5 UỐN TÀU TREN SÓNG
Khdc vdi trường hợp tầu nàm trên nưức tĩnh vdi m ặt nước
bằng, cUng chiếm một độ cao dọc mạn tàu, khi tảu nằm trên
sdng, m ặt nưdc quanh tầu khOng cồn cUng trên một mặt phẳng
mà là m ặt cong hình sdng. Trường hợp chung, cân bằng tàu trên
sdng ỉà việc khd hơn cân bằng tầu trên nước tĩnh và dôi nhiều
công sức. Dể trdnh cắc phức tạp cho mô hình tinh todn, cố thể sử
dụng cdc giá thiết sau nhằm dơn giản bức tranh tương tác giữa
sdng vdi thần tầu.
Thần tằu dầi L dược dặt tĩnh trên sdng, cố nghĩa là tàu chạy
cUng hướng sdng hai chiều, vận tốc tầu phdi bằng vận tốc sóng.
Trong trưởng hợp nầy vận tốc tương dối giữa vỏ tàu và sOng bằng

khOng cồn lực cản của nưởc và lực qudn tinh dược bỏ qua khi tinh.
Phân biệt hai trưởng hợp tiêu biểu, tầu dược dặt trên đỉnh sống và
tầu nàm ở dốy sdng. Từ thực tế cho thấy khi tàu dặt nằm trên
sOng, sdng có chiều dài λ bằng chiều dầi L của tàu gây ra mômen
uốn và lực cát Idn hơn so vdi sOng cố chiều dầi khdc. Do vậy trong
tinh todn chUng ta sẽ thực hiện cho sdng cố chiều dài bằng chiều
dài tàu [6], [7]. Vdi những tằu hết sức dầi, trong khi không thể áp
dặt sdng dồi không cố trong thực tế lên tầu, chUng ta sẽ chọn sống
có độ dài có thể gặp dể tinh. Mô hình nầy dược coi trọng trong
gido trình xuất bẳn tại Liên Xô trước dây.


21

Sức bền chung

Sóng tính toán

Mô hình sóng dùng trong tính độ bền chung là sóng hai
chiều, profil sóng đối xứng. Profil sóng thích hợp là sóng hình sin
hoặc sóng trochoid. Sóng trochoid được biểu diễn bằng công thức:
= — (p + r.sinọ
2t٢
y = -r.cos (p

(1.15)

JC

(1.16)

trong đó: (p - góc quay của chuyển động vòng phần tử nước
y · độ dâng mặt sóng; X · tọa độ theo trục Ox
Giá trị r bằng 1/2 chiều cao sóng. Giữa chiều cao sóng và chiều
dài sóng có tỉ lệ nhất định. Tuy nhiên tỉ lệ này không phải là hằng
số do vậy khi tính cần chọn để sóng tính toán phù hợp thực tế của
địa phương. Tài liệu tham khảo về tỉ lệ chiều cao sóng như sau:
٠Với sóng X > 120m:

/í =

٠Với sóng 60m
/، = — + 2
30

- Với sóng X < 60m:

/، = — + 1

20

20

1.5.1 Phân bố lực nổỉ tác động lên tàu đang nằm trên sóng
Với tàu đặt tĩnh trên sóng, mạn tàu cắt profil sóng như trên
hình dưới đây.

Hình 1.8 Tàu nàm trên đỉnh sóng (trái) và trôn đáy sóng (phái)

Phần chìm trong lòng nước của tàu trong trạng thái này là
phần nằm dưới profil sống. Phân bố thể tích phần chìm dọc chiều
dài tàu khác với phân bố cho tàu ô nước tĩnh. Nếu ký hiệu 6،(x) là
phân bố lực nổi cho tàu trên nước tĩnh, khi mặt sóng thay đổi
quanh thân tàu, phân bố trên sóng sẽ là:
6،،,(jc) = bs(x) + Ô6(jc)
(1.17)
trong đó: 56(jt) - lực bổ sung trên sóng, mang giá trị dương cho trường
hợp mặt sóng dáng cao hơn mớn nước tĩnh


22

C h ư ơ tig 1

Trong chừng mực phân bố trọng lượng tàu p(jc) không thay đổi
khi đặt tàu trên sóng, phân bố qix) sẽ thay đổi tùy thuộc thay đổi b(x).
q(x) = p(x) - b jx ) = lp(x) - bs(x)ì + [-Ô6(ac)]
(1.18)
Lực cắt bổ sung và mômen uốn bổ sung tính theo công thức
quen thuộc:
ÔN(x) = ][-ôb(x)ìdx

(1.19)

o

ồM(x) = J J[-Ỗ٥(ai;)] dxdx

( 1 . 20 )

õ0

Công thức tính lực cắt và mômen uốn tàu trên sóng do đó có dạng:
Nuịx) = Ns(x) + J[-ô6(j‫؛‬:)l áo1.20)

:‫)؛‬

o

Muix) =Mg(x) + j J[-66(x)]،ix
(1.21)
ô0
Trong các công thức trên, lực nổi bổ sung trên sóng tính như sau;
Từ công thức b„Ắx) = bsix) + ôb(x) có thể viết:
ỗb(x) = b„(x) - bs(x) = y.ĩ>F(x)
(1.22.
Xác định độ thay đối diện tích mặt cắt ngang thân tàu ỖF(x)
khi mức nước của mặt sóng dâng lên hoặchạ xuống sovới mớn
nước ban đầu trên nước tĩnh dựa vào biếuđồBonjean.Nếu ký hiệu
Fs(x) là diện tích mặt cắt ngang của tàu trên nước tĩnh, đo từ đồ
thị Bonjean, còn Fu(x) là diện tích mặt cắt ngang ấy song tính cho
trạng"thái mặt sóng đã dâng lên hoặc xuông thấp so với mặt nước
tĩnh, đo từ đồ thị Bonjean, độ đổi thay diện tích mặt cắt sẽ là:
òF(x) = F,,(x) - F,{x)
(1.23)
Lực nổi bổ sung giờ dây được tính bằng công thức;
m x ) = y .m x ) = y.\F,,ịx) - F,(x)l
(1.24 ٠
Điều kiện cân bằng khi có lực bổ sung, trường hợp đặt tàu

trên sóng sẽ là:
Tổng các lực bổ sung bằng không:
LL

j[Ô6(jc)]c‫؛‬x = ỴJ[F،،,(x) - Fj(x)dx = 0

ô

o

(1.25)


23

Sức bền chung

T ổ n g ììiô m c ìì bổ siiììg hang k lìô tig :

ỉ.

/.

ịx.Ịổò(Jir)lí/.v -

7 jAÌ/ ٠٦ ^(.v)
()

(>

- Fjx)] = 0

(1.26)

1.5.2 C ân b ằ n g tà u trê n sóng
Giống như trường hợp tính lực cắt và mỏmen uốn tàu trên
nước tĩnh, mọi phép tính chi có nghĩa khi đă đặt tàu cân bằng trên
nước, tức là khi đà thỏa niăn hai phương trình cân bằng cuối. Khi
đ ặt tàu trèn sóng có chiều (lải  = L ١m ặt sóng sè chiếm vị trí đúng
như profil cua nó (|uy định. Theo tính toán profil sóng sè có hình
như đường A-A minh họa trôn H.1.9. Tuy nhiên, với tàu th ật, phần
lớn chiều dài mạn tàu không vuông góc với m ặt thoáng của nước,
phân bô" thê tích dọc tàu không đều, do vậy profil sóng bên thành
tàu trong trạ n g thái cân bằng sồ lả đường C-C.

ìỉình 1.9 Câìi bàtịg tàu trẽn sóng
Đố xác dịnh dường c .c cần sử dụng cách khảo sát có định
hướng. Giá sử dưcíng A-A bị dịch chuyển đoạn vô cùng nhỏ e theo
hưctng thắng dứng d(
٠
١chi(٠
١
m chồ C-C. Giá trị cũa (’ phụ thuộc vào
kiêu tàu. kích thưík. tàu, dược (]uy ước mang dáu -٠
- khi dâng lên và
dấu - cho trường

hơỊ)

ngược lại. Thông thường khi điều chính đường

A.A cho tàu dang ơ dáy sóng cấn gán e giá trị dương. Tại mỗi sườn
tiên hành tính các giá trị: Fa,.

Diện tích m ặt cắt tính

toán tính theo còng thức:

r., = F,„ + ỎF, = r„ + i( / ٠١„ - F ٠,,)C/
c


24

C h ư tfn g 1

Góc nghiêng dọc của tàu trong trường hợp này tính từ công thức:
Cr = ‫ ؛‬٠ +JC.١|/

(1.27)

trong đó: Vị/ ٠ góc nghiêng dọc; ٠ 0‫ ؟‬thay đổi mớn nước trung bình
Thay tọa độ vừa xác định vào công thức tính diện tích mặt
cắt ngang có thể viết:
Fci =Fai+ ÌiPbi - Fai) (‫ ة‬+ X.VỊ/)
e

(1.28)

Diều kiện cân bằng tàu bây g‫؛‬ờ cỏ dạng:

‫ء‬

( 1.29 ‫إ‬

ịFc(x)dx = V
0
L

Ịx.Fc(x)dx

=

V jcb

(1.30)

tro n g đó: V - th ể tích phẩn chim của tàu
X b - tọa độ tâm nổi theo chiều dọc tàu.

w

H in h 1,11


25

Sức b ề n c h u n g

Thỏa mãn hai phương trình cuối đồng nghĩa với thỏa mãn hệ

phương trình:
— - ^ ^ ( s o + x-^ự)dx = V

JF ٥ (jc)،/x +

(1.31)
i \X
^ +
٠ 1-2---- —2— ệ((;.
X ( r +. x.\ụ)dx
.\A =
- V
\ĩ
|F ٠U
) f dx

Lỉ

Q

€

Q

L

Lí

^

Sử dụng các ký hiệu sau cho các phép tính tiếp theo:
L

(1.32)

Z.2 = ịFẠx)dx
0

L

(1.33)

3 .‫\ =؛؛‬F S x ) jd x
0
^
L

(1.34)

1.5 = J[F٥U) - F٠(ac)] dx
0

(1.35)

I ‘e= ][F ,(x)-F ,{x)]ịd x
0
^
L
2
1.7 = Ị[Fị,(x ) - F٥(jc)] ^ dx

0
L,

(1.36)

Hệ phương trình cân bằng dọc tàu trở thành:
(1.37)

- I ‘6 = ١"
e
e

(1.37a)

L

trong đó: theo thông lệ đă được nhắc đến AL = — còn 6 ٠
‫؛‬L.V|/

20

Dựa vào kết quả ghi trong bảng tính, công thức trên được
chuyển thành:
‫؛؛‬2،،

e
e

0

^ ٥ ‫؟‬-6
e20

V

'

AL .
_ V J C s\
e20
AỮ .

(1.38)

Tàu dược đặt trên sóng, các bưđc tính tiếp theo thực hiện
trên đường cong Bonjean, như miêu tả tại hình dưới đây.


26

Chi^cini^ 1

Hinh 1.12 Ddt tinh tdu tren song
1.5.3 N h .n g tru ٢^ng htfp th iid n g gap khi d a t ta u tren s o n g

Khi profil song cao qua man gia tau, can xuf ly ngon song cho
thich hop vdi tinh huong. Mot so each lam diioc bieu thi tren hinh.
Vdi cac tau khong rong, khi song wfqt qua man tau nU‫؛‬٥c c6 the
tiep tuc tran khMp boong. Ap liic niidc duoc phan bo deu cho toan
bo dien tich mM sodn cung phan keo dai len tren ciia dien tich

nay. Dien tich m|it c^t ngang ciia tau gom ca phan tau chim dudi
m^t ni/dc cong vdi dien tich ao do siidn tau keo dai len den do
dang m§t song. Vdi tau c6 thiiong tang ho^c lau can trd viec trao
niidc khdp boong, dien tich that cua phan lau ho^c thiiong tang hi
chim diioc di/a vao diidng dien tich tinh toan.
1.5.4 Hi‫ ؟‬u d n g Sm ith

Cac phan tiif m/dc cua song chuyen dong theo qui dao gan vdi
vong tron do vay lam cho ap Idc be m^t sdng khong giong nhau tai
dinh sdng va day sdng. TCi cac phep tinh co hoc cho thay ap Idc be
m^t trong chuyen dong cua niidc, phu thuoc vao hudng ciia thanh
phan liic ly tarn »koV; vdi; w ٠ van tdc gdc chuyen dong phan to
midc, r - ban kinh tinh tii tarn vong tron den tarn phan tiit node
con m - khdi lOdng phan to node. Tai dinh sdng lOc ly tarn tac