1 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC o0o Ths. Phạm Thị Thanh Hương Bài giảng KẾT CẤU TÀU 2 LỜI NÓI ĐẦU Tàu thủy là phương tiện vận tải bằng đường thủy, là một công trình kiến trúc nổi hoạt động trên sông, hồ hay biển. Tàu luôn luôn chịu những tác động bất thường của sóng, gió, dòng chảy, các vật trôi nổi khác v.v. Do đó yêu cầu về độ bền, độ cứng vững, độ ổn định của các kết cấu trên tàu đặc biệt quan trọng trong quá trình tàu hành trình cũng như neo đậu tạ i bến. Kết cấu tàu là môn học nghiên cứu sự phân bố tải trọng, các hình thức kết cấu và tính toán các kết cấu cơ bản của thân tàu để đảm bảo độ bền vững của nó trong quá trình khai thác. Bài giảng “Kết cấu tàu” được biên soạn dành cho sinh viên chuyên ngành Kỹ thuật Tàu thủy, nhằm mục đích giới thiệu những kiến thức cơ bản nhất về hình thức kết cấu c ơ bản của tàu nói riêng và công trình nổi nói chung. Bài giảng này không trình bày chi tiết các bản vẽ kết cấu mà chỉ trình bày những kiến thức cơ bản nhất. Bài giảng được biên soạn lần đầu nên không tránh khỏi sai sót. Rất mong bạn đọc góp ý để tác giả bổ sung, hoàn thiện nâng cao chất lượng, giúp cho sinh viên thuận lợi hơn trong quá trình học tập. Xin trân trọng cảm ơn. 3 MỤC LỤC TÊN CHƯƠNG,MỤC NỘI DUNG TRANG SỐ Chương 1 Khái quát chung về kết cấu tàu thủy 1 1.1 Khái quát về kết cấu tàu thủy 1.1.1 Các khái niệm và định nghĩa 1.1.2 Khái niệm về chi tiết kết cấu 2 1.1.3 Khảo sát chi tiết kết cấu 3 1.1.4 Khái niệm khung dàn tàu 9 1.1.5 Hệ thống khung dầm cơ cấu 12 1.1.6 Những yêu cầu cơ bản khi thiết kế kết cấu thân tàu 12 1.1.7 Các phương pháp thiết kế kết c ấu thân tàu 13 1.1.8 Danh mục hồ sơ bản vẽ kết cấu thân tàu 14 1.2 Một số vấn đề trong thiết kế kết cấu tàu thủy 1.2.1 Phân loại kết cấu thân tàu 15 1.2.2 Phân tích , lựa chọn hình thức bố trí kết cấu 24 1.3 Khái quát về sức bền tàu 1.3.1 Khái niệm về sức bền tàu 27 1.3.2 Điều kiện làm việc của thân tàu 27 1.3.3 Ngoại lực gây uốn tàu 28 1.3.4 Lực cắt và mô men uốn 30 1.3.5 Ứng suấ t trên mặt cắt ngang thân tàu 34 1.4 Thanh tương đương 1.4.1 Khái niệm về thanh tương đương 42 1.4.2 Kiểm tra độ bền thân tàu 44 Chương 2 Nguyên tắc kết cấu 2.1 Nguyên tắc chung 47 2.2 Lỗ khoét 49 2.3 Liên kết cơ cấu 53 2.4 Khoảng sườn , mép kèm 56 2.5 Kết cấu sóng 57 4 MỤC LỤC TÊN CHƯƠNG,MỤC NỘI DUNG TRANG SỐ Chương 3 Kết cấu tàu hàng khô 3.1 Kết cấu khoang hàng 60 3.1.1 Kết cấu dàn đáy 61 3.1.2 Kết cấu dàn mạn 82 3.1.3 Kết cấu dàn boong 96 3.1.4 Kết cấu dàn vách 114 3.2 Kết cấu vùng mút 126 3.3 Kết cấu khoang máy 147 3.4 Thượng tầng – Lầu 158 3.5 Tôn bao – Tôn sàn 164 Chương 4 Đặc điểm kết cấu các loại tàu vận tải 4.1 Kết cấu tàu ch ở hàng lỏng 169 4.2 Đặc điểm kết cấu tàu chở hàng rời 190 4.3 Đặc điểm kết cấu tàu chở hàng Container 200 4.4 Đặc điểm kết cấu tàu chở khách 203 4.5 Đặc điểm kết cấu đội tàu công trình 204 4.6 Đặc điểm kết cấu đội tàu phụ trợ 206 Chương 5 Tính toán thiết kế các cơ cấu thân tàu 5.1 Chiều dày tối thiểu cơ cấu 208 5.2 Tôn bao 208 5.3 Tính toán các c ơ cấu 5.3.1 Tính toán các cơ cấu đáy 220 5.3.2 Tính toán cơ cấu mạn 228 5.3.3 Tính toán cơ cấu boong 240 5.3.4 Tính toán cơ cấu vách 247 5.4 Một số kết cấu khác 253 Chương 6 Bản vẽ kết cấu tàu 6.1 Khái niệm về kết cấu và bản vẽ kết cấu tàu 258 6.2 Các quy ước đối với bản vẽ kết cấu 259 6.3 Các bản vẽ kết cấu 261 5 MỘT SỐ KHÁI NIỆM VÀ ĐỊNH NGHĨA CHUNG 1.Chiều dài tàu L(m) Là khoảng cách đo trên đường nước chở hàng thiết kế lớn nhất, từ mặt trước sống mũi đến mặt sau trụ bánh lái ( nếu tàu có trụ bánh lái ), hoặc đến đường tâm trục bánh lái ( nếu tàu không có trụ bánh lái ) .Tuy nhiên nếu tàu có đuôi theo kiểu tuần dương hạm thì L được đo như trên hoặc bằng 96% toàn bộ chiều dài đường nước ch ở hàng thiết kế lớn nhất, lấy giá trị nào lớn hơn . Đường nước chở hàng là đường nước ứng với mỗi mạn khô tính theo quy định của mạn khô. Đường nước chở hàng thiết kế lớn nhất là đường nước ứng với trạng thái toàn tải . 2. Chiều dài tàu để xác định mạn khô L f (m) Là 96% chiều dài, đo từ mặt trước của sống mũi đến mặt sau của tấm tôn bao cuối cùng của đuôi tàu, trên đường nước tại 85% chiều cao mạn thiết kế nhỏ nhất tính từ mặt trên của dải tôn giữa đáy hoặc là chiều dài đo từ mặt trước của sống mũi đến đường tâm trục bánh lái trên đường nước đó , lấy giá trị nào lớn hơ n . 3. Chiều rộng tàu B(m) Là khoảng cách nằm ngang đo từ mép ngoài của sườn mạn bên này đến mép ngoài của sườn mạn bên kia , tại vị trí rộng nhất của thân tàu . 4. Chiều rộng tàu để xác định mạn khô B f (m) Là khoảng cách nằm ngang lớn nhất ,đo từ mép ngoài của sườn mạn bên này đến mép ngoài của sườn mạn bên kia, tại điểm giữa của chiều dài tàu để xác định mạn khô L f . 5. Chiều cao mạn tàu D(m) Là khoảng cách thẳng đứng, đo từ mặt trên của dải tôn giữa đáy đến đỉnh xà boong mạn khô ở mạn, tại điểm giữa chiều dài tàu L. Trường hợp vách kín nước dâng lên đến boong cao hơn boong mạn khô, thì chiều cao mạn được đo đến boong vách đó . 6 6. Chiều cao mạn để tính sức bền D s (m) Là khoảng cách thẳng đứng, đo từ mặt trên của dải tôn giữa đáy đến đỉnh xà boong thượng tầng ở mạn nếu boong thượng tầng là boong tính toán, hoặc đến đỉnh xà boong mạn khô, đo tại điểm giữa chiều dài tàu L đối với các trường hợp khác .Trường hợp không có boong ở phần giữa tàu thì chiều cao mạn được đo theo đường boong tưởng tượng được kéo dài dọc theo đường boong tính toán đi qua điểm giữa chiều dài tàu L . 7. Chiều chìm chở hàng T(m) Là khoảng cách thẳng đứng đo từ mặt trên của dải tôn giữa đáy đến đường nước chở hàng . Chiều chìm chở hàng thiết kế cao nhất d(m) Là khoảng cách thẳng đứng đo từ mặt trên của dải tôn giữa đáy đến đường nước chở hàng thiết kế lớn nhất, t ại điểm giữa của L. 8. Lượng chiếm nước toàn tải W(t) Là lượng chiếm nước thiết kế ứng với trạng thái toàn tải. Trọng tải toàn phần DWT Là hiệu số giữa lượng chiếm nước toàn tải W và trọng lượng tàu không LWT. Trọng lượng tàu không LWT Là lượng chiếm nước không kể hàng hóa, dầu đốt, dầu bôi trơn, nước dằn và nước ngọt chứa trong két, lươ ng thực, thực phẩm hành khách, thuyền viên và tư trang của họ . 9. Tốc độ của tàu V(hl/h) Là tốc độ thiết kế mà tàu có thể đạt được ở công suất liên tục lớn nhất của máy chính, chạy trên biển lặng, ở trạng thái ứng với đường nước chở hàng thiết kế lớn nhất 10. Hệ số béo thể tích C b Là hệ số tính được khi chia thể tích chiếm nước tương ứng với W cho tích (L.B.d) 7 CHƯƠNG 1. KHÁI QUÁT CHUNG VỀ KẾT CẤU TÀU 1.1. KHÁI QUÁT CHUNG 1.1.1. Khái niệm Tàu thủy là một công trình nổi có hoặc không có động cơ, chuyên dùng để hoạt động trên biển và các vùng nước liên quan tới biển. Phần lớn con tàu có dạng thon gọn, thể tích ngâm nước lớn nhất tập trung ở giữa tàu và giảm dần về phía mũi tàu. Kết cấu tàu được chia ra hai thành phần, đó là phần thân tàu và phần thượng tầng – lầu.  Thân tàu Thân tàu gồm các tấm tôn được ghép với nhau tạo thành một lớp vỏ mỏng kín nước và được gia cường ở bên trong nhờ các cơ cấu ghép vuông góc với nhau tạo thành hệ thống khung dầm của thân tàu. Để đảm bảo tính chống chìm, đảm bảo sức bền cũng như phòng nguy hiểm hỏa hoạn cho tàu, người ta phân chia tàu thành nhiều khoang, két nhờ các vách ngăn. Theo chiều dài, từ đuôi lên mũi theo hướng chuyển động, thân tàu được chia ra thành nhiều khoang, vùng nhờ các vách ngă n kín nước, kín dầu liên tục từ đáy đến boong trên cùng theo quy tắc đảm bảo tính chống chìm. Mỗi một loại tàu có yêu cầu phân khoang khác nhau. H 1.1 Phân khoang theo chiều dài tàu Vùng mút tàu là phần thuộc 0,1L tính từ mỗi mút tàu (L là chiều dài tàu). Phía trước tiên là mũi tàu, phía sau cùng là đuôi tàu (khu vực lái). Khu vực lái thường là nơi bố trí máy, thiết bị đẩy, thiết bị lái tàu .Trọng tâm buồng máy đặt cách mặt phẳng sườn giữa khoảng 0,3L về phía đ uôi. Đoạn thân tàu thuộc 0,4L nằm phần giữa tàu, cách sườn giữa về mũi và đuôi một khoảng là 0,2L.Vùng còn lại là vùng trung gian chuyển tiếp. Phân khoang theo chiều rộng tàu được thực hiện bởi các vách dọc. Ngoài cùng là mạn ngoài, mạn kép và các vách dọc (nếu có). Mặt cắt ngang của thân tàu ở khu vực Vách mũi Vách khoang hàng Vách lái Vách khoang máy 8 giữa tàu có dạng gần với hình chữ nhật với hai góc phía dưới được lượn tròn. Mặt cắt ngang dần về phía mũi và lái bị thu hẹp ở phía dưới dạng gần với hình tam giác. H 1.2 Phân khoang H 1.3 Phân khoang theo chiều cao tàu theo chiều rộng tàu Phân khoang theo chiều cao tàu được thực hiện bởi đáy và các tầng boong. Dưới cùng là đáy ngoài, đáy trên (nếu có), tiếp đến là các vách hai bên sườn mạn tàu, các tầng boong của thân chính, các tầng boong của th ượng tầng .  Thượng tầng – lầu Thượng tầng là kiến trúc tạo nên phòng kín (phòng ở thuyền viên, các phòng sinh hoạt, phòng khách … ) bố trí trên boong chính chạy suốt từ mạn này sang mạn kia hoặc cách 1 trong 2 mạn không quá 4% chiều rộng tàu. (b ≤ 4%B) H 1.4. Thượng tầng và lầu Thượng tầng có thể bố trí ở mũi, lái hay ở khu vực giữa tàu tùy thuộc yêu cầu cải thiện tính năng hành hải của tàu và để có thêm khu vực bổ sung cho trang thiết bị và sinh hoạt. Mạn và boong của thượng tầng mũi, lái hay giữa cũng có kết cấu tương tự như của thân tàu .Phía trên thượng tầng lái hay giữa thường bố trí lầu trong đó có các buồ ng điều khiển tàu. Lầu là kiến trúc che kín mặt boongở boong trên của boong thượng tầng biệt lập nằm cách 1 trong 2 mạn một khoảng cách lớn hơn 4% chiều rộng tàu. Hay nói khác đi, lầu là những thượng tầng chạy trên một phần chiều rộng tàu ( b > 4%B) 1.1.2. Khái niệm về chi tiết kết cấu  Vỏ mỏng Phần vỏ mỏng bao gồm: Tôn vỏ bao đáy, tôn v ỏ bao mạn (tạo lực nổi cho thân tàu); tôn boong, tôn mạn thượng tầng, tôn vỏ bao vách (tăng tính chống chìm, chống Đáy trên Boong chính Boong phụ b≤4 %B Lầu Thượng tầng 9 hắt nước); dải tôn sàn boong và các dạng tôn bao sàn khác (tạo bề mặt diện tích để bố trí hàng hóa, phòng ở, phòng làm việc trên tàu). Vỏ bao đáy, mạn và sàn boong trên cùng gồm các tấm thép được hàn lại với nhau. Các tấm thép này thường được đặt sao cho chiều dài của chúng chạy dọc tàu và dãy các tấm hàn với nhau theo cạnh ngắn tạo thành dải tôn vỏ. Các dải tôn là cơ cấu trực tiếp nhận tải trọng và chúng được hàn liên kết với nhau. Dải tôn đáy nằm giữa chiều rộng tàu được gọi là ky ngang. Hai dải tôn kề với ky ngang ở hai phía là dải tôn ghép mộng. Dải tôn chuyển tiếp từ mạn sang đáy được gọi là dải tôn hông. Dải tôn trên cùng của vỏ mạn được gọi là dải tôn mép mạn. Dải tôn ngoài cùng của sàn boong được gọi là dải tôn mép boong. Giao của các tấm vỏ mạn ở mũi và lái tạo thành sống mũi và sống lái. Đây là các thanh c ứng, chúng quyết định hình dáng phần mũi và đuôi tàu khi nhìn từ mạn tàu.  Cơ cấu gia cường Cơ cấu gia cường là những cơ cấu được cấu tạo từ các thanh thép hình như L,U,I,T … Chúng được nối ghép vuông góc với nhau và hàn với tôn vỏ bao tàu với mục đích gia cường cho tôn vỏ bao và các dải tôn khác nhằm đảm bảo độ bền cục bộ cũng như độ bền chung của thân tàu. 1.1.3. Khảo sát chi tiết kết cấu H 1.6 Kết cấu chung thân tàu 1. Mũi tàu 7. Be chắn gió, mạn giả 13. Miệng quầy ngang 2. Boong mũi 8. Lan can, tay vịn 14. Sống mũi 3. Lầu giữa 9. Tôn mạn 15. Sống đuôi Bản thành Bảncánh (mép) H 1.5 Cơ cấu thân tàu 10 4. Buồng lái 10. Đáy 16.Đường boong chính 5. Lầu lái 11. Miệng hầm hàng 17. Mối hàn dọc 6. Đuôi (vòm lái) 12. Miệng quầy dọc 18. Mối hàn ngang H 1.7 Các kết cấu tổ hợp trên tàu 1. Thượng tầng đuôi 2. Boong trên 3. Boong dạo 4. Boong xuồng cứu sinh 5. Boong dạo 6. Boong điều khiển 7. Boong la bàn 8. Thượng tầng mũi 9. Bong thứ hai 10. Buồng máy lái 11. Hầm trục lái 12. Két đuôi tàu 13. Két mạn tầu 14. Hầm trục chân vịt 15. Két sâu 16. Bu ồng máy 17. Khoang hàng 18. Hầm xích neo 19. Két mũi 20. Thành miệng buồng máy 21. Sống đuôi 22. Đà ngang dâng cao 23. Vách đuôi 24. Vách kín nước 25. Vách sóng 26. Bệ máy 27. Đáy đôi 28. Vách dọc tâm 29. Sống boong 30.Vách chống va [...]... sơ, bản vẽ chủ yếu của kết cấu thân tàu 1 Mặt cắt ngang 2 Kết cấu cơ bản 3 Phân chia tổng đoạn 4 Bản vẽ tổng đoạn 5 Đường sườn 6 Tôn vỏ 7 Tôn boong 8 Sống mũi 9 Sống lái 10 Kết cấu mũi 11 Kết cấu lái 12 Kết cấu đáy 13 Kết cấu mạn 14 Kết cấu boong 15 Kết cấu vách 16 Kết cấu vòm trục chân vịt 17 Thành chắn sóng 18 Kết cấu kiến trúc thượng tầng 19 Bố trí và kết cấu cột chống 20 Bệ máy... vững cho tàu Hiện nay thường sử dụng bốn loại hệ thống kết cấu, đó là hệ thống kết cấu ngang, hệ thống kết cấu dọc, hệ thống kết cấu dạng liên hợp, hệ thống kết cấu hỗn hợp Hệ thống kết cấu ngang Cơ cấu ngang H 1.13a Sơ đồ hệ thống kết cấu ngang H 1.13b Sơ đồ hệ thống kết cấu dọc Tàu được thiết kế theo hệ thống kết cấu ngang khi mà các cơ cấu ngang đóng vai trò chủ yếu, có số lượng nhiều hơn cơ cấu dọc... cấu hệ thống dọc, còn lại kết cấu ngang Tàu cỡ lớn thì boong thượng tầng 1, đáy kết cấu dọc, các tầng boong khác kết cấu ngang , mạn , mũi, đuôi kết cấu hệ thống ngang Tàu dầu Tỷ trọng của tàu dầu lớn so với các tàu loại khác nên thông thường boong, đáy thiết kế hệ thống kết cấu dọc, mạn tàu thường kết cấu hệ thống dọc nhiều ưu điểm hơn 33 hệ thống kết cấu ngang (nhất là với tàu dầu cỡ lớn trọng tải... dọc tàu có thể làm cho các khung dàn đó chịu được ứng lực nén lớn hơn rất nhiều Về khối lượng kết cấu Với tàu lớn, hệ thống kết cấu dọc có thể giảm đáng kể khối lượng thân tàu so với hệ thống kết cấu ngang Với tàu cỡ trung, khối lượng thân tàu của hai hệ thống kết cấu là xấp xỉ nhau Với tàu nhỏ, ứng suất do uốn dọc gây ra không lớn, khối lượng thân tàu ở hệ thống kết cấu dọc lớn hơn ở hệ thống kết cấu. .. hoàn thiện của các kết cấu thân tàu cũng như hiệu quả kinh tế kỹ thuật và khai thác tàu 19 1.1.7 Các phương pháp thiết kế kết cấu thân tàu Thiết kế theo tàu mẫu Phương pháp này chủ yếu dựa vào hình thức kết cấu, kích thước kết cấu, thực tế hàng hải của tàu mẫu, kết hợp với kinh nghiệm thiết kế và kiến thức lý thuyết thiết kế tính chuyển cho tàu mới .Tàu mẫu thường là tàu cùng kiểu với tàu thiết kế có... trường hợp có thể kết cấu ngang), vùng còn lại kết cấu hệ thống ngang Tàu cỡ trung L ≥ 100m, boong,đáy vùng giữa kết cấu hệ thống dọc; mạn, mũi, đuôi kết cấu hệ thống ngang Tàu cỡ lớn L ≥ 180m, boong, đáy, mạn, vùng giữa kết cấu dọc ; mũi, đuôi kết cấu ngang Với tàu hàng khô cỡ lớn, tàu chở hàng nặng, tàu có boong khoét lớn, có két dầu mạn , két nước mạn, do yêu cầu của sức bền dọc toàn tàu nên mạn có... dùng cho kết cấu đáy của tàu chở hàng nặng hoặc kết cấu boong đỡ thiết bị nặng Hệ thống kết cấu hỗn hợp Hệ thống kết cấu hỗn hợp là hệ thống kết cấu áp dụng cả hai loại hệ thống kết cấu ngang và dọc tại các vùng khác nhau của tàu để phù hợp với điều kiện làm việc từng vùng.Thông thường vùng giữa tàu chịu mô men uốn dọc lớn nên áp dụng hệ thống kết cấu dọc cho boong và đáy còn mũi, đuôi và mạn tàu chịu... hệ thống kết cấu ngang Để tranh thủ chiều cao giữa các tầng boong, tiện cho việc bố trí các buồng ứng dụng hệ thống kết cấu ngang cho mạn Hình dáng tàu tương đối gầy, để tiện cho thi công, phần đáy tàu nên ứng dụng hệ thống kết cấu ngang Tàu khách cỡ nhỏ chạy sông hầu hết bố trí kết cấu hệ thống ngang Nếu tàu khách chạy biển, dàn boong thường kết cấu hệ thống dọc Tàu cỡ vừa thì boong, đáy kết cấu hệ... 23 Kết cấu gỗ trong khoang và trên boong 24 Bảng tính vật liệu thân tàu 25 Thuyết minh kết cấu thân tàu 26 Thuyết minh nguyên tắc công nghệ lắp ráp thân tàu 27 Bản tính kết cấu 28 Bản tính sức bền 29 Bản kê hồ sơ , bản vẽ 21 1.2 MỘT SỐ VẤN ĐỀ TRONG THIẾT KẾ KẾT CẤU TÀU 1.2.1 Phân loại tàu Phân loại tàu theo khu vực hoạt động Khu vực biển Tàu được thiết kế theo quy phạm phân cấp và đóng tàu biển... L/H của tàu boong kín nhỏ hơn tỷ số tương ứng của tàu có mạn khô tối thiểu Do đó kích thước yêu cầu của kết cấu cũng nhỏ hơn Loại tàu này thường dùng chở hàng nhẹ Phân loại theo hình thức kết cấu đáy Theo hình thức kết cấu đáy, chia ra hai loại tàu đáy đơn và tàu đáy đôi Kết cấu đáy đơn được áp dụng cho các khoang mũi và lái, và cho các khoang của tàu có chiều dài L nhỏ (khoảng 30 ÷ 40 m) Kết cấu đáy . Kết cấu tàu hàng khô 3.1 Kết cấu khoang hàng 60 3.1.1 Kết cấu dàn đáy 61 3.1.2 Kết cấu dàn mạn 82 3.1.3 Kết cấu dàn boong 96 3.1.4 Kết cấu dàn vách 114 3.2 Kết cấu vùng mút 126 3.3 Kết. cơ cấu vách 247 5.4 Một số kết cấu khác 253 Chương 6 Bản vẽ kết cấu tàu 6.1 Khái niệm về kết cấu và bản vẽ kết cấu tàu 258 6.2 Các quy ước đối với bản vẽ kết cấu 259 6.3 Các bản vẽ kết cấu. rời 190 4.3 Đặc điểm kết cấu tàu chở hàng Container 200 4.4 Đặc điểm kết cấu tàu chở khách 203 4.5 Đặc điểm kết cấu đội tàu công trình 204 4.6 Đặc điểm kết cấu đội tàu phụ trợ 206 Chương