CHƯƠNG 3 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1. TÍNH ĐỘ BỀN CHUNG KẾT CẤU THÂN TÀU. Phân tích độ bền chung là bài toán xác định giá trị ứng suất và biến dạng xuất hiện trong các mặt cắt ngang kết cấu thân tàu, dưới tác dụng của hệ ngoại lực đặt theo phương thẳng đứng và kh ông tính đến các ngoại lực tác dụng ngang như lực đẩy của chân vịt, lực cản của môi trường…vì ứng suất uốn do các lực nằm ngang gây ra trong kết cấu thường không lớn lắm và có thể bỏ qua. Thực tế do các ngoại lực tác dụng thẳng đứng phân bố không đều dọc theo chiều dài tàu nên kết cấu thân tàu nói chung thường sẽ bị uốn, bị xoắn hoặc có thể vừa bị uốn và xoắn đồng thời. Tuy nhiên, do quá trình u ốn dọc tàu có ảnh hưởng lớn tới đến độ bền của các kết cấu nên trong bài toán phân tích độ bền chung dẫn đến việc xác định ứng suất uốn chung xuất hiện trong kết cấu. Khi đó, kết cấu thân tàu dưới dạng vỏ mỏng kín nước với kết cấu gia cường b ên trong được xem như thanh thành mỏng với mặt cắt ngang kín hay hở có đặc điểm khác nhau, chịu tác dụng của các lực thẳng đứng, tương ứng với các ngoại lực tác dụng l ên kết cấu thân tàu như áp lực thuỷ tĩnh của nước, trọng lượng tàu, trọng lượng hàng hóa và các thi ết bị trên tàu. Bài toán uốn chung thân tàu có thể đưa về bài toán u ốn chung của thanh tương đương đặt trên nền đàn hồi chịu tác dụng của ngoại lực thẳng đứng, gồm trọng lực và lực nổi. Kết quả tính phân tích độ bền chung sẽ cho giá trị ứng suất khi tàu bị uốn chung. Để tính sức bền chung ta xét đến hai trường hợp: T àu nằm cân bằng trên nước tĩnh và nằm cân bằng trên sóng (trên đỉnh sóng và trên đáy sóng). 2.2. TÍNH ĐỘ BỀN CỤC BỘ KẾT CẤU THÂN TÀU. 2.2.1. Gi ới thiệu chung. Kết cấu thân tàu là tổ hợp gồm nhiều loại kết cấu khác nhau như thanh, dầm v à các kết cấu dạng tấm vỏ như tôn đáy, tôn mạn, tôn boong, vách ngăn dọc… Đ a số những kết cấu này đều tham gia vào việc đảm bảo sức bền dọc chung cho toàn bộ thân tàu, đồng thời lại còn chịu tác dụng của các tải trọng riêng như áp lực nước, trọng lượng hàng hóa…nên ngoài biến dạng do uốn chung, các kết cấu còn chịu biến dạng riêng do uốn cục bộ gây ra. Khác với độ bền chung do quá trình uốn tàu gây ra, độ bền cục bộ nói ở đây thường được hiểu là độ bền của các khung d àn riêng biệt trong kết cấu thân tàu dưới tác dụng trực tiếp của tải trọng. Do đó ngoài việc tính độ bền chung, b ài toán tính độ bền cục bộ chiếm tỉ trọng và vai trò khá l ớn với mục đích tính giá trị ứng suất và biến dạng xuất hiện trong kết cấu thân tàu khi uốn cục bộ nhằm đảm bảo biến dạng khi uốn cục bộ không gây ra ứng suất có giá trị lớn hơn ứng suất cho phép, xác định phụ thuộc đặc điểm kết cấu và đặc điểm ngoại lực tác dụng riêng lên các kết cấu thân tàu. Về mặt phương pháp, bài toán tính độ bền cục bộ sẽ dẫn đến phân tích các bộ phận kết cấu chính như: khung dàn đáy, khung dàn mạn, khung dàn boong, khung sườn ngang, cách vách ngăn…Tùy theo phương pháp, mô hình tính của các kết cấu nói trên khi tính độ bền cục bộ sẽ khác nhau, trong đó theo phương pháp truyền thống, mô hình tính khá đơn giản, và thường chỉ ở dạng phẳng. Còn mô hình tính theo phương pháp hiện đại, nhất là PPPTHH phản ánh đặc điểm kết cấu và làm việc gần với thực tế hơn nên kết quả có độ chính xác và độ tin cậy cao hơn, nhất l à khi ứng dụng máy tính vào tính toán. V ề nguyên tắc, khi phân tích độ bền cục bộ kết cấu thân tàu thường có xu hướng mô hình hóa các tải trọng tác dụng và các kết cấu phức tạp trong thực tế về những mô hình tính đơn giản tương đương, sao cho vừa có thể phản ánh được chính xác đặc điểm l àm vi ệc thực tế, lại vừa thuận tiện khi tính. Do đó vấn đề xây dựng mô hình kết cấu và mô hình các tải trọng có vai trò, ý nghĩa rất quan trọng và có ảnh hưởng lớn đến độ chính xác của kết quả bài toán phân tích độ bền kết cấu thân tàu. Có thể tóm tắt trình tự bài toán phân tích độ bền cục bộ kết cấu thân tàu như sau: - Mô hình hóa tải trọng tác dụng cục bộ lên kết cấu. - Mô hình hóa kết cấu. - Lựa chọn phương pháp tính ứng suất và biến dạng của mô hình kết cấu. - Kiểm tra và đánh giá độ bền cục bộ kết cấu đang xét. 2.2.2. Mô hình hóa tải trọng tác dụng. Tải trọng tác dụng lên kết cấu thân tàu khá đa dạng và phức tạp, bao gồm áp lực nước bên ngoài vỏ tàu, áp lực của trọng lượng hàng hóa đặt n ên tàu, trọng lượng tàu, tải trọng gió, … Việc mô hình hóa tải trọng tác dụng nên lên kết cấu thân tàu là một công việc rất quan trọng, nó ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác của kết quả tính toán. Tuy nhiên trong khuôn khổ của đề tài chỉ xét tải trọng tác dụng cục bộ nên kết cấu thân tàu gồm hai thành phần chính: - Áp l ực nước bên ngoài vỏ tàu. - Áp l ực của trọng lượng hàng hóa trên tàu. 2.2.2.1. Áp lực nước bên ngoài vỏ tàu. Áp lực nước xung quanh bề mặt vỏ tàu p n tác dụng nên các bộ phận kết cấu thân tàu thường được biểu diễn dưới dạng áp lực một cột nước có chiều cao h và có giá trị tính theo công thức: hp n *   (2.1) Trong đó:  = trọng lượng riêng của nước ngoài mạn tàu, đơn vị tấn/m 3 . Trên cơ sở đó, mô hình quy luật phân bố của áp lực nước lên k ết cấu thân tàu sẽ được mô tả cụ thể như sau: - Áp lực nước tác dụng lên đáy phẳng phân bố theo dạng hình chữ nhật với chiều cao h = const, không thay đổi suốt chiều rộng tàu. - Áp l ực nước tác dụng lên mạn tàu phân bố theo dạng hình tam giác hay d ạng hình thang với chiều cao và chiều rộng bằng chiều cao cột áp. Khi phân tích độ bền cục bộ những kết cấu thân tàu dưới tác dụng của áp lực thủy tĩnh do nhận thấy chiều cao cột áp h sẽ phụ thuộc chủ yếu vào chiều chìm và trạng thái nổi của tàu nên cần chọn chiều cao cột áp phù hợp trường hợp tàu nằm cân bằng trên nước tĩnh và trên sóng. Trong khuôn khổ của đề tài, ta chỉ tính toán phần thân tàu trong đoạn thân ống, nên chỉ xét áp lực thủy tĩnh của nước tác dụng l ên tàu mạn thẳng đứng, đáy phẳng. Còn áp lực của nước tác dụng n ên tàu mạn không thẳng đứng, đáy không phẳng mà có dạng chữ V hay tương tự không được nhắc đến ở đây.  Tàu nằm cân bằng trên nước tĩnh: Khi tàu nằm cân bằng trên nước tĩnh ở mớn nước T (hình 2.1), xác định phần thân tàu dưới nước chiều cao cột áp h được tính theo mớn nước cân bằng tàu trên nước tĩnh, không trùng với giá trị lúc tàu nghiêng ngang hay nghiêng dọc. h = T (2.2) h=T p n =  h Hình 2.1: Mô hình tải nước tĩnh tác dụng lên thân tàu.  Tàu nằm cân bằng trên sóng: Khi ch ạy trên sóng có chiều cao h s mức nước ở vùng đỉnh sóng đo ở mặt cắt ngang giữa t àu lớn hơn mớn nước trên nước tĩnh T nên có thể tính chiều cao cột nước h so với đáy tàu như sau: h = T + 2 s h (2.3) - N ếu h  H: quy luật phân bố dạng tam giác với chiều cao h = T + 2 s h như trên hình 2.2a. - N ếu h > H: quy luật phân bố dạng hình thang với chiều cao h = H như trên h ình 2.2b. Áp l ực thủy tĩnh của nước tác dụng lên tấm đáy có chiều rộng B (m) và chiều dài a (m) tính theo công thức vừa nêu có dạng: p đáy = aB h T s        2  (2.4) p n =  T Hình 2.2: Mô hình tải sóng nước tác dụng lên thân tàu. 2.2.2.2. Áp l ực của trọng lượng hàng hóa p hh Trong thực tế, hàng hóa trên tàu thường gồm các loại hàng rời đặt tr ên mặt sàn, tựa vào mạn, hàng đóng kiện, hàng nặng tác động trên diện tích không lớn và hàng lỏng chứa trong các khoang nên áp l ực của hàng hóa tác dụng nên KCTT khá đa dạng, không chỉ là áp l ực các loại hàng, mà còn cả các tải trọng do sự xê dịch hàng hóa, t ải trọng hàng nặng tập trung tại một điểm v v… Tuy nhiên, khi tiêu chu ẩn hóa tải trọng do hàng hóa gây ra trong khoang hoặc khi đặt tr ên boong các quy phạm về độ bền tàu hiện nay thường quy đổi từ áp lực h àng hóa sang áp lực cột nước, với quy luật phân bố phụ thuộc chủ yếu đặc điểm hàng chở và điều kiện làm việc của kết cấu. Áp lực trung bình hàng hóa p hh do hàng hóa gây ra trên m ặt sàn có thể tính theo công thức tổng quát sau: h=H p n =  H p n =  (T+h s /2) h=T+h s /2 (a) h  H (b) h > H b L W p hh   (2.5) Trong đó: W = trọng lượng hàng (tấn) L, b = lần lượt chiều dài và chiều rộng phần diện tích có đặt trọng lượng hàng hóa W. Các kích thước L, b có thể l à kích thước khung dàn khoang hàng hay đáy một két trên tàu. Áp lực hàng rời và hàng lỏng chứa trong khoang hàng được tính khác nhau. Trong giới hạn của đề tài, ta chỉ xét áp lực của hàng rời. Áp lực của hàng rời tác dụng nên vách khoang chứa được xem như phân bố theo h ình tam giác với chiều rộng đáy của tam giác áp lực có thể được tính theo công thức: p hr = k hr  H (2.6) Trong đó: hr  = trọng lượng riêng hàng chở trên tàu, tính bằng t/m 3 hoặc kN/m 3 . H = chi ều cao hàng rời (m) K = hệ số tính đến ảnh hưởng sự không đều của từng mặt hàng cụ thể. Như vậy, quy luật phân bố áp lực của hàng rời không khác quy luật phân bố áp lực nước, nhưng áp lực hàng rời có giá trị phụ thuộc trọng lượng riêng và quy luật phân bố hàng được chở. Bảng 2.1. Bảng hệ số phân bố k và trọng lượng riêng một số loại hàng hóa. Tên g ọi các loại hàng chở Trọng lượng riêng  h (t/m 3 ) Hệ số phân bố k Than đá 0,80 0,27 Muối 0,96 0,22 Lúa, gạo 0,73 – 0,78 0,25 – 0,33 Xi măng 1,2 – 1,3 0,42 Cát 1,5 – 2,0 0,22 – 0,42 . CHƯƠNG 3 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1. TÍNH ĐỘ BỀN CHUNG KẾT CẤU THÂN TÀU. Phân tích độ bền chung là bài toán xác định giá trị ứng suất và biến dạng xuất hiện trong các mặt cắt ngang kết cấu thân tàu,. quá trình u ốn dọc tàu có ảnh hưởng lớn tới đến độ bền của các kết cấu nên trong bài toán phân tích độ bền chung dẫn đến việc xác định ứng suất uốn chung xuất hiện trong kết cấu. Khi đó, kết cấu. phân tích độ bền cục bộ kết cấu thân tàu như sau: - Mô hình hóa tải trọng tác dụng cục bộ lên kết cấu. - Mô hình hóa kết cấu. - Lựa chọn phương pháp tính ứng suất và biến dạng của mô hình kết