Đáp án: độ bền tàu thủy

Chia sẻ: Hoang Dung | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:32

Thêm vào BST

Báo xấu

295
lượt xem 70
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

1) Trình bày các giả thiết và công thức tính lực cắt , momen uốn thân tàu trong phần “độ bền chung”, theo thứ tự: mô hình tính thân tàu, các giả thiết, mô hình tải cùng các điều kiện ràng buộc, công thức tính lực cắt, momen uốn dọc. Vẽ và giải thích đồ thị tải, lực cắt, momen uốn đặc trưng cho tàu thường gặp (ví dụ cho tàu vận tải hàng khô, trạng thái chở đầy hàng).

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Đáp án: độ bền tàu thủy

Đáp án “Độ bền tàu thủy” 1) Trình bày các giả thiết và công thức tính lực cắt , momen uốn thân tàu trong phần “độ bền chung”, theo thứ tự: mô hình tính thân tàu, các giả thiết, mô hình tải cùng các điều kiện ràng buộc, công thức tính lực cắt, momen uốn dọc. Vẽ và giải thích đồ thị tải, lực cắt, momen uốn đặc trưng cho tàu thường gặp (ví dụ cho tàu vận tải hàng khô, trạng thái chở đầy hàng). Thân tàu nằm trên nước tĩnh giới thiệu tại hình a. Nếu ký hi ệu phân b ố tr ọng l ượng tàu t ại thời điểm xem xét là p(x), hình 1.1a, còn phân bố lực nổi là b(x), hình 1.1b, phân bố tải trọng tác động lên thân tàu sẽ là: q(x) = p(x) - b(x) (a) Phân bố trọng lượng p(x) gồm tập họp phân bố trọng lượng tàu không, phân bố hàng chứa trên tàu vv, tùy thuộc điều kiện khai thác. Phân bố lực nổi từ nước tác động đến thân tàu phụ thuộc cấu hình tàu, tư thế tàu trong nước. Phân bố q(x) tính theo (a) có dạng đặc trưng giới thiệu tại hình c. Tàu nằm cân bằng trên nước biểu đồ tại hình c thỏa mãn điều kiện cân bằng lực, tức là diện tích dưới đường gãy khúc, nằm trên trục Ox, bằng diện tích phần nằm dưới trục này, và thỏa mãn đồng thời đi ều kiện cân bằng momen. Biểu đồ lực cắt thân tàu trình bày tại hình d, là kết quả phép tích phân phân bố q(x): x F ( x) = ∫ q ( x)dx 0 Momen uốn thân tàu, tính theo công thức: x x x M ( x) = ∫ F ( x)dx = ∫ ∫ q( x)dxdx 0 0 0 trình bày tại hình e. Thân tàu như dầm trên nền đàn hồi, dưới tác động momen uốn dọc đang xem xét sẽ bị vồng lên (hogging) hoặc võng (sagging). Hình 1.1 Phân bố tải, lực cắt, momen uốn tàu, tinh cho trường hợp tàu nằm trên nước tĩnh
2) Trình bày công thức tính ứng suất do uốn dọc tàu. Vẽ mặt cắt ngang tương đương tàu vận tải hàng khô thường gặp, giải thích cách tính momen quán tính mặt cắt, trục trung hòa, và công thức tính mô đun chống uốn (theo nghĩa section modulus). Vẽ biểu đồ ứng suất do uốn. Ứng suất mép trên của tấm boong, mép ngoài tấm đáy tính như thế nào? Trình bày ý nghĩa mô đun chống uốn. Mặt cắt ngang thân tàu có dạng kết cấu thành m ỏng. Dưới tác đ ộng c ủa momen u ốn, ứng suất trong thân tàu, tại vị trí mặt cắt qua tọa độ x thân tàu, tính theo công thức quen thuộc: M σ = ± .z (a) I trong đó M - momen uốn tại mặt cắt qua x, I - momen quán tính m ặt c ắt so v ới tr ục trung hòa của nó, z - khoảng cách từ trục trung hòa đến điểm tính toán, đo theo trục 0z. Công thức tính ứng suất tại tấm boong, tấm đáy: M σ= (b) W Trong công thức này W = I/zmax có tên gọi mođun chống uốn của mặt cắt ngang. Giá trị W nhỏ nhất khi z nằm xa trục trung hòa nhất. Với những vị trí mà W đạt giá trị nhỏ nhất ứng suất đạt giá trị lớn nhất.
3) Trình bày công thức tính ứng suất cắt tại mặt cắt bất kỳ của dầm thẳng, trường hợp mặt cắt dầm hình chữ nhật (chiều cao h của mặt cắt lớn hơn chiều rộng b), lực cắt F. Công thức tính ứng suất cắt mạn tàu vận tải mặt cắt ngang dạng hộp, biết rằng chiều rộng tàu B, chiều cao mạn H, chiều dày tôn mạn t, chiều dày boong và đáy t. Lực cắt thân tàu tại mặt cắt đang nêu F. Vai trò ứng suất cắt trong đánh giá độ bền tàu. Ứng suất cắt tính theo biểu thức: F ( x ).S * τs = I ( x).b Với dầm có tiết diện hình chữ nhật rộng b, cao h, S* và Ix có dạng như tại hình: τ xz bdx = ∫ h/2 ( M + dM ) z dA − h/2 Mz z1 Iy ∫ z1 Iy dA Từ phương trình này có thể xác định ứng suất cắt: h / 2 dM 1 τ xz = ∫ zdA z1 dx bI y dM 1 h/2 Trường hợp b = const, Iy = const có thể viết τ xz = dx bI y ∫ z1 zdA với F = dM/dx hay là
F h/2 τ xz = τ zx = bI y ∫ z1 zdA Diện tích A = b.(h/2 – z1); tâm diện tích A so với trục trung hòa y = 1 2 ( h + z1 ) . 2 b  h2  bh 3 S* = ×  − z12  ;  4  Iy = . 2   12 Công thức tính ứng suất cắt: FS * 6 F  h2  τ= =  − z12   4  (a) I y b bh 3   3 F Ứng suất cắt lớn nhất tại nửa chiều cao τmax = 2 b.h Ví dụ : Xác định phân bố ứng suất cắt tại m ặt cắt gi ữa tàu tàu d ầu c ỡ nh ỏ, chi ều r ộng B, chiều cao D, chịu tác động lực cắt F. Chiều dày tôn boong t1, tôn mạn t2, tôn tấm đáy t3. Từ tính chất đối xứng kết cấu, chỉ sử dụng ½ mặt c ắt vào tính toán, t ại đ ường đ ối x ứng mặt cắt ứng suất nhận bằng 0. z z =0 1 t1 1 D t2 2 2 t3 3 3 y =0 B Ứng suất cắt thân tàu dầu cỡ nhỏ Trục trung hòa, momen quán tính mặt cắt tính theo công thức: ( ) z 0 = t1 BD + t 2 D 2 /[ ( t1 + t 3 ) B + 2t 2 D ] I y = t1 BD 2 + 2 t 2 D 3 − z 0 [ ( t1 + t 3 ) B + 2t 2 D ] 3 2 F Ứng suất cắt tính cho tấm boong: τ 1 ( s) = − ( D − z 0 ) s; s=y Iy Ứng suất cắt tính cho tấm mạn: τ 2 ( s) = − F Iy ( ) − z 0 s + 1 s 2 + τ 2 (0); 2 s=z
F Ứng suất cắt tính cho tấm đáy: τ 3 ( s ) = − z 0 s; s=y Iy Tại điểm cuối điều kiện cân bằng lực cho phép viết: t 3τ 3 (1) − t 2τ 2 (0) = 0 hay là: t 3 FB τ 2 (0) = z0 t 2 2I y  F t B   − z0 s + 1 s 2 − 3 z0  τ 2 ( s) = −   Iy 2 t2 2  Nhờ tính đối xứng, tổng lực cắt theo hướng ngang bằng 0, l ực c ắt theo chi ều đ ứng tr ở thành: D D 2 z 0 t 2 − 1 t 2 D 3 + DBz 0 t 3 2t 2 ∫ τ 2 ( s) ds = F 2 =F 0 Iy Giá trị lớn nhất của τ2 theo điều kiện: dτ2/ds = 0, tính tại trục trung hòa z0. F  1 2 t3 B  τ 2,max =  2 z0 +  z0  Iy  t2 2   4) Trình bày điều kiện cần để đưa kết cấu tham gia mặt cắt ngang tương đương. Nêu những ví dụ thí sinh biết trên tàu vận tải. Trình bày cách hiệu chỉnh đặc tính vật liệu cho tàu làm từ hai vật liệu khác nhau sau: thân tàu làm từ thép, mô đun đàn hồi E1, thượng tầng làm từ hợp kim nhôm, mô đun đàn hồi E2. Những điều kiện để đưa chi tiết tham gia thành phần dầm tương đương như sau. - Kết cấu dọc phải đủ độ dài về mặt cơ học. Độ dài tối thi ểu v ề mỗi phía c ủa m ặt c ắt không nhỏ hơn một lần chiều cao mạn tại vùng đang xét. Xà dọc boong d ưới th ượng tầng có chiều dài lớn hơn 7,5%L và không ngắn hơn 3 lần chiều cao thượng tầng, tính t ừ m ặt c ắt, m ời đủ điều kiện tham gia. Thượng tầng dài dưới 15%L hoặc chiều dài này ngắn h ơn 6 l ần chi ều cao chính nó sẽ không được tính vào thành phần mặt cắt ngang tính toán. Những chi tiết thay đổi đột ngột tại các m ặt c ắt như m ạn, t ấm boong gi ữa các n ắp h ầm hàng chỉ được đưa một phần vào tham gia mặt cắt tương đương, và phần này nằm gi ữa mép dọc tạo góc 20° với mép kết cấu đang đề cập.
Hình Những thành phần được đưa vào tính toán - Các lỗ khoét với chiều rộng không lớn hơn 20 lần chiều dài tôn t ại v ị trí cùng vùng không cần để ý đến khi tính. Các lỗ khoét lớn chỉ bỏ qua khi tính nếu có hệ thống gia c ố đ ủ c ứng v ững cho lỗ khoét. Với các miệng hầm hàng chỉ được phép đưa một số vùng tham gia thành phần mặt cắt tương đương. Tàu làm bằng các vật liệu khác nhau, ví dụ vỏ tàu làm bằng thép, thượng tầng bằng hợp kim nhôm, cần hiệu chỉnh để đưa về vật liệu “đồng nhất tương đ ương”. Th ực hi ện hi ệu ch ỉnh cho momen tĩnh, momen quán tính và mođun đàn hồi vật liệu. Trong các phép hi ệu ch ỉnh không thay đổi trọng tâm các diện tích kết cấu, hình 9.21. Điều kiện đồng biến dạng các lớp lân cận cho phép viết các biểu thức sau: σa = Ea. ε ; σ = E.ε; và từ đó: σa = (Ea / E). σ (1.110) trong đó: σa, σ -ứng suất trong kết cấu đang hiệu chỉnh và ứng ứng trong k ết c ấu thép các l ớp bên cạnh. Ea, E - mođun đàn hồi tương ứng. Hiệu chỉnh momen quán tính các chi tiết không phải thép theo công thức:  Ei  2  ai . hi E (1.111) i0 =  12 trong đó hi- chiều cao tương đương của kết cấu không phải từ thép. Hình Mặt cắt tàu làm từ hai loại vật liệu
5) Trình bày mô hình tàu bị xoắn trên sóng xiên bằng hình vẽ. Giải thích công thức tính ứng suất do xoắn tàu, giả sử momen xoắn T tại mặt cắt tính toán đã biết. Giải thích khái niệm xoắn tự do, xoắn vênh, không nêu công thức. Trong phần tìm hiểu xoắn thân tàu hãy cho biết khi nào phải xem xét đến hiện tượng xoắn vênh. Momen xoắn thân tàu xuất hiện rõ trong trường hợp tàu chạy cắt sóng xiên, hình 1.36. Momen xoắn này gây ra ứng suất xoắn thân tàu, có thể làm hại kết cấu. Momen xoắn tính cho một đơn vị dài thân tàu: m( x) = γ .v( x).e( x) (1.121) trong đó γ - trọng lượng riêng nước bao tàu, v(x) – thể tích phần thân tàu dài đơn vị tại vị trí x, chìm trong nước, e(x) – khoảng cách từ trục đối xứng đến tâm nổi phần chìm v(x). Momen xoắn thân tàu: x x M T ( x) = ∫ m( x)dx = γ ∫ v( x ).e( x)dx (1.122) 0 0 Đồ thị m(x) và MT(x) trình bày tại cùng hình 1.36. Hình 1.36 Momen xoắn tàu do sóng 6) Giải thích hiện tượng mất ổn định của tấm thuộc kết cấu vỏ tàu, trường hợp chịu ứng suất nén dọc tàu. So sánh tải giới hạn (tải Euler) tính cho tấm thuộc kết cấu theo hệ thống ngang và kết cấu theo hệ thống dọc. Giải thích ý nghĩa các công thức xác định ứng suất giới hạn sau đây: Dưới tác động ứng suất nén cùng ứng suất cắt trong tấm thuộc thân tàu có th ể đ ạt giá tr ị đ ủ để chuyển tấm, các nẹp cứng sang giai đoạn mất ổn định. Từ lý thuyết tấm trình bày tại “Cơ học kết cấu tàu thủy” đã xác đ ịnh ứng su ất gây m ất ổn định trong giới hạn đàn hồi của tấm chữ nhật kích thước axb, tựa tại các mép như sau: 2 π 2D  m α σ = 2  + n2  b t α m trong đó α = a / b
Ứng suất giới hạn hay còn gọi ứng suất Euler tính trong tr ường h ợp bi ểu th ức này cho giá tr ị nhỏ nhất. Áp đặt n = 1 vào biểu thức sẽ nhận được quan hệ: 2 π 2E  t  σE =   K 12(1 − υ 2 )  b  m α  K là giá trị minimum của biểu thức  +  α m Hình a Hình b Giá trị K xác định từ đồ thị tại hình b, K = 4, với α = m Từ công thức xác định ứng suất Euler đang nêu có thể cải biên cách tính dựa vào cách làm của Johnson khi nghiên cứu ổn định cột, đề xuất công thức qui phạm: 2 π 2E  t  σ cr =  η 12(1 − υ 2 )  b  trong đó η - hệ số cải biên kiểu Johnson  1 σ E ≤ σY / 2 η = σY 1 σ E − 4 ( ) σY 2 σE σ E ≥ σY / 2 Ứng suất giới hạn σC trong tính toán ổn định tấm được xác định từ quan hệ: σ σC = σE với σ E ≤ Y 2  σY  σY = σ Y 1 −  4σ  với σ E > 2  ()  E  trong đó σY - ứng suất chảy vật liệu, N/mm2, σE – ứng suất Euler vật liệu đàn hồi. Ứng suất cắt giới hạn τ τC = τE với τ E ≤ Y 2  τ  τ = τ Y 1 − Y  với τ E > Y  4τ  ()  E  2
σY τY = () 3 trong đó σE - ứng suất Euler, N/mm2: 2 t  σ E = 0,9CE   l  ()  a 2 t  τ E = 0,9CE   l  ()  a Hệ số C đọc từ bảng: E – mô đun đàn hồi vật liệum 2,06x105 N/mm2 t - chiều dày tấm, mm la - chiều ngắn tấm, mm Bảng : Hệ số C tùy thuộc γ = a/b Công thức kinh nghiệm xác định ứng suất giới hạn σ cr Tấm bố trí ngang 2 Eπ 2 t σ cr = ≈ 2.10 5   (MPa) () ( 12 1 − υ 2 ) a trong đó a – chiều rộng tấm; t - chiều dày tấm; E - mô đun đàn hồi, nhận bằng 2,1.105 MPa; ν - hệ số Poisson, nhận bằng 0,3 cho thép đóng tàu. Tấm bố trí theo hệ thống kết cấu dọc
2 Eπ 2 t σ cr = k . ≈ k .10 5   (MPa) () ( 12 1 − υ 2 ) a Hệ số k đọc theo bảng 1.14 sau. Bảng 1.14 a:b 0 0.2 0.4 0.5 0.7 0.8 0.9 0.9 k 1.000 1.081 1.346 1.560 1.850 2.220 2.690 3.28 a:b 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 k 4.00 4.88 5.95 7.23 8.75 9.75 10.75 11.85 a:b 1.8 1.9 2.0 2.2 2.4 2.6 2.8 3 k 13.10 14.48 16.00 19.60 23.40 27.60 31.50 36 a:b 3.2 3.4 3.6 4.0 ∞ k 41.1 46.9 51.0 64.0 4.(a2/b2) 2 t Trường hợp a/b > 3,5: σ cr ≈ 8.10   5 (MPa) () b Tấm dài, trường hợp cuối, hệ số k xấp xỉ 8, có nghĩa σcr tấm hệ thống dọc lớn hơn 4 lần nếu so với hệ thống ngang. 7) Để đánh giá độ bền kết cấu tàu đi biển tổ chức Đăng kiểm tàu quốc tế IACS đưa ra công thức sau: Yêu cầu bền khi tính độ bền chung tàu dầu: σ VM σ BAR λy = ≤ const hoặc λy = ≤ const σY σY trong đó σVM - ứng suất von Mises, σBAR - ứng suất dầm BAR, σY - ứng suất chảy vật liệu đóng tàu. Những kết quả σVM , σBAR nhận từ bảng tính theo phương pháp phần tử hữu hạn hoặc từ một phương pháp hữu hiệu, đ ược công nhận. Giá trị của const tùy thuộc vào thành phần kết cấu, ví dụ cụ thể của tàu dầu như sau đây. Các tấm vách không kín nước kể cả nẹp vách, xà dọc vv …, đà ngang, đà dọc: 1,0 khi đưa momen uốn trên nước tĩnh MS và momen uốn bổ sung trên sóng MW vào tính 0,8 khi chỉ đưa MS vào tính Các tấm boong, mạn, tấm hông, vách dọc, đà ngang kín nước, đà dọc kín nước, sườn khỏe: 0,9 khi đưa momen uốn trên nước tĩnh MS và momen uốn bổ sung trên sóng MW vào tính 0,72 khi chỉ đưa MS vào tính Hãy giải thích: σVM - ứng suất von Mises, σBAR - ứng suất phần tử dầm BAR hay còn gọi phần tử TRUSS, σY - ứng suất chảy. Giải thích ý nghĩa công thức đánh giá bền. Nếu ứng suất toàn phần tại bát diện xác định theo công thức: 1 3 2 ( F 2 oct = σ 12 + σ 2 + σ 3 2 ) (1.47) ứng suất tiếp trên mặt này được xác định từ quan hệ:
τ oct = F 2 oct − σ oct = 2 2 3 ( 1 2 1 ) ( σ1 + σ 2 + σ 3 − σ1 + σ 2 + σ 3 2 2 9 ) 2 (1.48) 3 B n 2 A D 1 C Hình 1.13 Từ đó: 2 2 9 ( τ oct = σ 12 + σ 2 + σ 32 − σ 1σ 2 − σ 2σ 3 − σ 3σ 1 2 ) (1.49) hay là: 2 1 9 [ τ oct = ( σ 1 − σ 2 ) 2 + ( σ 2 − σ 3 ) 2 + ( σ 3 − σ 1 ) 2 ] (1.50) 1 τ oct = (σ 1 − σ 2 ) 2 + (σ 2 − σ 3 ) 2 + (σ 3 − σ 1 ) 2 (1.51) 3 Giá trị của ứng suất cắt bát diện để bắt đầu quá trình chảy vật liệu này ký hi ệu bằng ( τoct)Y, được tính như chúng ta vẫn thực hiện trong qui trình thử kéo, nén. 1 [τ oct ] Y ( Y − 0) 2 + ( Y − 0) 2 + ( 0 − 0) 2 = 2 Y = (1.52) 3 3 Nếu τoct tính cho một trạng thái ứng suất, bé hơn giá trị vế phải công th ức (1.52) ứng v ới một loại vật liệu nhất định, theo thuyết này điểm đang xét không bị chảy. Ngược l ại khi τoct ≥ (τoct)Y, theo thuyết này sẽ bắt đầu chảy tại điểm. Cách diễn tả bằng toán sẽ là: 1 2 (σ 1 − σ 2 ) 2 + (σ 2 − σ 3 ) 2 + (σ 3 − σ 1 ) 2 = Y (1.53) 3 3 hay là : 2 (σ 1 − σ 2 ) 2 + (σ 2 − σ 3 ) 2 + (σ 3 − σ 1 ) 2 = Y (1.54) 2 Vế trái biểu thức (1.46) hoặc (1.54) gọi là ứng suất tương đương, ký hiệu σeq hoặc σvM: 2 σ eq = (σ 1 − σ 2 ) 2 + (σ 2 − σ 3 ) 2 + (σ 3 − σ 1 ) 2 hoặc 2 2 σ vM = (σ 1 − σ 2 ) 2 + (σ 2 − σ 3 ) 2 + (σ 3 − σ 1 ) 2 2
Phần tử BAR hay còn gọi phần tử TRUSS, ROD Xây dựng ma trận cứng phần tử có thể tiến hành theo cách trực tiếp. Phần tử 1-2 dài L, diện tích mặt cắt ngang A, làm từ vật liệu mô đun đàn hồi E, chịu tác động lực dọc trục F. Chuyển vị nút tính theo công thức δ = FL/(AE). Hãy ký hiệu chuyển vị nút 1 là u1, nút 2 là u2. Lực tác động lên phần tử F tính từ biểu thức F = (AE/L)δ. Trường hợp cụ thể này: AE AE F11 = F21 = u1 F12 = F22 = u 2 và F1 = F11 − F12 F2 = − F21 + F22 L L AE  1 − 1  u1   F1  Hay là  =  L − 1 1  u 2   F2    Ma trận cứng ke có dạng: EA  1 −1 [k] = −1 1  L   8) (Được phép sử dụng các công thức cụ thể trích từ tài liệu chuyên ngành khi chuẩn bị trả lời).Trình bày cách tính lực cắt, momen uốn tàu đi biển theo mô hình Đăng kiểm quốc tế IACS đề nghị từ năm 1990. Hãy gi ải thích ý nghĩa công thức tính momen uốn do sóng gây do IACS đề nghị và phạm vi sử dụng. Trình bày cách xác đ ịnh ứng su ất tính toán. Giải thích ý nghĩa lực cắt giới hạn (hay là lực cắt cho phép) và momen uốn giới hạn (momen cho phép). Momen uốn tàu, lực cắt tàu trên nước gồm momen uốn trên n ước tĩnh M S, lực cắt trên nước tĩnh FS tính theo cách truyền thống, momen uốn bổ sung và lực c ắt b ổ sung trên sóng M W, FW tính từ phương pháp thống kê. Các công thức tính MW, FW xây dựng cho tàu đi biển, dùng chung cho các kiểu tàu. Momen sóng tính theo qui phạm1 được các Đăng kiểm đưa ra từ 1990: Mw(+) = +190 M C L2 B CB x 10-3 (kN-m) khi momen mang dấu (+) (1.89) Mw(-) = -110 M C L B (CB + 0,7)x 10 (kN-m) khi momen mang dấu (-) 2 -3 (1.90) trong đó M = hệ số trình bày phân bố momen MW - momen uốn do sóng gây : 2 Hình a 1 The rule wave bending moment 2 wave induced bending moment
3/ 2  300 − L  C = 10,75 −   với 90m < L < 300m; (1.91a)  100  = 10,75 với 300m < L < 350m (1.91b) Qui ước dấu cho lực cắt và momen uốn tàu như nêu tại hình 1.7 Với tàu thông dụng biểu đồ momen uốn, lực cắt có dạng nêu tại hình 1.7a. Lực cắt tàu trên sóng tính theo công thức: Fw(+) = +30 F1 C L B (CB + 0,7) x10-2 (kN) khi lực mang dấu (+) (1.93) Fw(+) = -30 F2 C L B (CB + 0,7) x10-2 (kN) khi lực mang dấu (-) (1.93) trong đó F1, F2 = phân bố lực dọc theo tàu, như hình 1.23. Hình c Hình b Mô đun chống uốn nhỏ nhất của mặt cắt gi ữa tàu vỏ thép, chiều dài trong phạm vi 90m ≤ L ≤ 500m, tính theo công thức: Zmin = cn L2B (CB + 0,7)k (cm3) (1.94) trong đó L = chiều dài tính toán, m B = chiều rộng tính toán, m CB = hệ số béo thể tích 3/ 2  300 − L  cn = 10,75 −    100  Ms + Mw Từ công thức Z = có thể viết Ms + MW = Z.[σ] hay là: σ tt Ms = Z.[σ] - Mw. (1.96) Giá trị giới hạn của momen uốn tàu3 tính bằng biểu thức: fZ − M w (+) (kN .m) giành cho giá trị (+) (1.97) 5,72C  fZ  − − M w ( −)  (kN .m) giành cho giá trị (-) (1.98)  5,72C  trong đó f phụ thuộc vào qui cách kết cấu mặt cắt ngang tàu. 3 allowable values for bending moment Ms
Lực cắt giới hạn4 tính theo biểu thức: ts I − Fw (+) (kN ) (1.99) 0,455mK  ts I  − − Fw (−) (kN ) (1.100)  0,455mK  trong đó ts - chiều dày tấm mạn, mm. I, m, Fw(+) và Fw(-) tính theo hướng dẫn ghi trong qui phạm đóng tàu c ủa Đăng ki ểm Vi ệt nam. Đồ thị trình bày lực cắt, momen uốn tàu cùng lực c ắt gi ới h ạn, momen u ốn gi ới h ạn l ập cho tàu dầu trình bày tại hình 1.24 Hình Lực cắt, momen uốn và lực cắt giới hạn, momen uốn giới hạn Độ bền cục bộ 9) Xác định tải tĩnh bên ngoài tác động lên kết cấu khoang hàng tàu chở hàng: áp su ất th ủy tĩnh n ước ngoài m ạn, tải hàng rời trong khoang, tải do chứa hàng nặng trong hầm hàng, tải hàng lỏng. Sơ đ ồ truyền tải đến kết c ấu thân tàu tính cho trường hợp kết cấu theo hệ thống ngang. Trình bày mô hình tính độ bền kết cấu khung tàu của tàu vận tải một boong, kết cấu theo hệ thống ngang. Giải thích đầy đủ nguyên lý xác định cấu hình, gối đàn hồi, tải áp đặt vv. Nêu các phương án có thể dùng giải khung (không đi sâu công thức). 4 allowable shear forces
Tàu kết cấu theo hệ thống ngang: Áp suất nước áp đặt lên bề mặt vỏ tiếp xúc trực tiếp → các sườn (đà ngang) → mạn, vách dọc, (đà dọc). Một phần của tải trọng này được truyền đến mạn tàu, vách dọc, vách ngang mà không qua các đà ngang hoặc sườn. Tàu theo hệ thống kết cấu dọc: Tải trọng từ nước trực tiếp áp đặt lên vỏ → các đà dọc đáy → các đà ngang → mạn, vách dọc. Một phần của tải trọng này được truyền đến mạn tàu, vách dọc, vách ngang mà không qua các đà dọc hoặc sườn. Áp suất nước bên ngoài vỏ tàu Trường hợp tàu đứng trên nước tĩnh, ở trạng thái cân bằng, mức n ước tàu xác đ ịnh ph ần thân tàu chiếm trong nước. Áp suất nước p tác dụng lên vỏ tàu, tính bằng kG/cm2 hoặc [kN/m2], phân bố theo hình tam giác, chiều cao h là mức nước ngoài tàu, cạnh đáy mang giá trị γ .h, với γ là trọng lượng riêng của nước, T/m3, [kN/m3]. Đại lượng h tính bằng m. Áp suất nước tác động lên tấm vỏ ngoài của đáy phẳng có giá trị không đổi, bằng γ .h. Khi tính độ bền kết cấu cục bộ chịu tác động lực thủy tĩnh, giá tr ị h phải được lựa chọn phù hợp với thực tế sử dụng. Mức nước tàu đo trên nước tĩnh, tàu nằm cân b ằng, không trùng với giá trị lúc tàu nghiêng dọc hoặc nghiêng ngang. Lúc ch ạy trên sóng, m ức n ước thân tàu ở vùng đỉnh sóng đi qua có giá trị cao hơn giá trị đo trên nước tĩnh. - Tính đến ảnh hưởng của sóng h = T + ½ hw ở đây T – chiều chìm trung bình của tàu, hw - chiều cao sóng. - Nếu đỉnh sóng cao hơn boong tàu, nước phủ tràn lên mặt boong, chiều cao c ột n ước h tính bằng chiều cao mạn tàu. Trong nhiều trường hợp tính toán, cần thiết tính đến hiệu ứng Smith cho tr ường h ợp tàu n ằm trên đỉnh sóng hay đáy sóng. Hình 5.3 Mô hình áp suất nước ngoài mạn Tải trọng tác động lên tấm đáy tàu rộng B (m), dài a (m), tính theo cách vừa nêu:
Fbott = γ [T + (hw /2)].B.a, kN Áp suất nước tác động lên đáy tàu có m ạn không th ẳng đ ứng, đáy tàu không ph ẳng mà là hình chữ V hoặc tương tự, phân bố áp suất nước pbott tại đáy tàu được cải biên theo dạng sau. Với tàu mũi hình nêm:  2h  pbott = γ T + w   2  Với tàu mũi dạng thìa:  2,5hw  pbott = γ T +  2   Với tàu mũi tấm cuộn:  3,0hw  pbott = γ T +  2   TẢI TRỌNG CỤC BỘ TỪ HÀNG CHỞ TRÊN TÀU Khác với trường hợp tính sức bền dọc tàu, trình bày trong chương 1, khi tính s ức b ền cục bộ vai trò trọng lượng bản thân kết cấu có thể bỏ qua. Hàng hoá mang theo trong tàu đóng vai trò chính trong thành phần lực tác động lên kết cấu riêng lẻ. Hàng hoá có thể là hàng rời chứa trên mặt sàn, tựa vào mạn, hàng đóng kiện, hàng nặng tác động trên diện tich không l ớn, hàng lỏng chứa trong khoang. Các két tác động đều lên sàn gây áp su ất hình tam giác lên thành két chứa. 1) Áp suất trung bình do hàng hóa gây ra trên sàn: W p= , L×b trong đó: W - trọng lượng hàng, L, b - chiều dài và chiều rộng tấm đặt W. 2) Áp suất hàng lỏng và hàng rời được tính cụ thể cho mỗi trường hợp. Hàng rời: tác động lên các vách theo luật hình tam giác, với chiều rộng đáy tính theo công thức: p = γ .h. k trong đó: γ - trọng lượng riêng của hàng đựơc chở, tính bằng T/m 3 theo cách dùng trước đây, hoặc tính theo qui định hiện hành kN/m 3; h - chiều cao hàng, tính bằng m; k - hệ số tính theo từng mặt hàng cụ thể, Bảng 5.1. Bảng 5.1 Tên gọi Trọng lượng Hệ số k riêng γ , T/m3 Than đá 0,8 0,27 Muối 0,96 0,22 Lúa, gạo 0,73 – 0,78 0,25 – 0,33 Xi măng 1,3 – 1,2 0,42 Cát 1,5 – 2 0,22 – 0,42
Áp suất hàng lỏng lên vách két, mạn, vách ngang theo lu ật hình tam giác. Khi ch ở hàng l ỏng, nếu tàu bị nghiêng ngang hoặc nghiêng dọc, mức chất lỏng trong khoang hay trong két s ẽ thay đổi, do đó áp suất tác động lên đáy, vách, mạn cũng thay đổi theo chiều cao cột áp. Với tàu chở hàng lỏng cần chú ý tới điều kiện sau: n ếu gặp sự c ố, n ước t ừ bên ngoài tàu có thể tràn vào khoang chứa chất lỏng nhiều tới mức c ột nước thật trong khoang có th ể đ ạt t ới miệng ống thoát khí. Trong trường hợp này, cột áp của tam giác áp su ất không ch ỉ cao b ằng chiều cao mạn tàu mà còn phải tính theo c ả chi ều cao ống thoát khí c ủa khoang. N ếu trên tàu có két dự phòng giãn nở thì chiều cao bổ sung cho c ột áp phải lớn h ơn 0.75h (v ới h là chiều cao két giãn nở). 10) Trình bày mô hình tính đà ngang đáy tàu vận tải đi biển, biết rằng k ết c ấu tàu theo h ệ th ống ngang: mô hình hình học kết cấu đà ngang, điều kiện biên, áp đặt tải, phương pháp giải. Dựa vào k ết quả đó gi ải thích công th ức sau đây trong qui phạm đóng tàu: Theo Qui phạm tàu biển: Mô đun chống uốn Z không nhỏ hơn giá trị sau: K.hSl2, với K – hằng số, h – chiều cao cột áp tính toán dùng xác định độ lớn phân bố tải, S – khoảng sường thực, l – chiều dài sải đà. Từ qui phạm tàu sông: mô đun chống uốn tiết diện đà ngang đáy không nhỏ hơn trị số tính theo công thức: Z= 4,2K1K2B2d1(d + r + m), với K1, K2 – các hằng số, d1 – khoảng cách đà ngang đáy, B – hiểu là chiều dài sải, d – chiều chìm tàu, r – nửa chiều cao sóng tính toán, m - trị số chọn cho tàu các cấp khác nhau. Trong mô hình dầm bị ngàm dùng cho nẹp dọc đáy, tải trọng phân b ố đ ều p = h trên di ện tích Sxl, trái lại, trên mô hình sườn tàu, tải trọng phân bố theo luật hình tam giác. Mặc d ầu vậy, mô hình tính momen uốn tại hai đầu dầm và điểm đặc tr ưng gi ữa d ầm v ẫn có th ể vi ết d ưới dạng chung sau: M = K.Sh.l2 hoặc M =Sh.l2/m (6.76) Ngày nay trong các qui phạm do đăng kiểm các n ước ấn hành, trong ch ương bàn v ề tính đ ộ bền tàu người ta luôn ghi sẵn công thức dạng vừa nêu t ại v ị trí d ễ đ ể ý nh ằm giúp ng ười tính toán nhanh chóng nắm bắt và thực hiện công việc theo hướng dẫn . Ví dụ với dầm dài l bị ngàm hai đầu, hệ số m áp dụng cho momen uốn tính tại ba vị trí đặc trưng m1 – đầu bên trái, m3 – đầu phía phải và m2 – tại giữa dầm sẽ là:
Tại vị trí 1 và 3: m = 12,0 hay là K = 1/12; Tại vị trí 2: m = 24,0 hay là K = 1/24 . Dầm từ mô hình sườn mạn, chịu tải trọng phân bố theo dạng hình tam giác, c ạnh vuông, đ ộ lớn h, nằm tại đáy. Điều kiện biên như sau: vị trí 1 tại mép boong, dầm tựa lên thành boong, v ị trí 3: dầm bị ngàm tại đáy. Hệ số K được hiểu như sau: Tại vị trí 3: m = 7,5 hay K = 1/7,5 Tại vị trí 2: m = 16,8 hay K = 1/16,8 Đưa công thức tính momen dạng trên đây vào tính Z theo cách thông dụng Z = M/[σ], chúng ta có thể viết công thức xác định giá trị tối thiểu của mô đun chống uốn các nẹp cứng: M K Shl 2 Z= = i = K 1 Shl 2 . () [σ ] [σ ] M trong đó, với [σ]= const có thể coi K 1 = [σ ] . Công thức cần nhớ từ Sức bền vật liệu hoặc Cơ học kết cấu, xem “Sổ tay Cơ học kết cấu”, NXB Xây dựng, 2008, áp dụng vào các hình A, B, …E như sau: Ql Ql Hình A: M1 = M2 = − ; tại giữa sải M 3 = 12 24 Ql Hình B: M2 = − 8 Ql Hình C: tại giữa sải: M 3 = 8 Ql Ql Hình D: M 1 = − ; M2 = − 15 10
Ql Hình E: M 1 = 0; M2 = − 7,5 Trong đó Q = tải tac động lên dầm: tại hình A, B, C: Q = ql; tại hình D, E : Q = 0,5ql 11) Trình bày mô hình tính sườn đơn tàu vận tải đi biển, tàu hai boong, biết rằng kết cấu tàu theo hệ thống ngang: mô hình hình học kết cấu sườn, điều kiện biên, áp đặt tải, phương pháp giải. Trình bày một trong các phương pháp đã học: phương pháp biến dạng góc, phương pháp ma trận cứng, phương pháp ma trận dẻo, phương pháp phần tử hữu hạn. 12) Trình bày mô hình tính sườn khỏe tàu dầu 2 (hai) vách dọc. Phương án sử dụng phương pháp phần t ử h ữu h ạn tính độ bền sườn khỏe tàu dầu đang nêu: mô hình cấu hình web, phương án chọn phần tử tính toán, bố trí g ối đàn hồi, áp tải vv. Sử dụng tiêu chuẩn bền nào để đánh giá độ bền web đó? Hình Mô hình phần tử hữu hạn tính web tàu dầu
Phần tử sử dụng: PLATE, BEAM và TRUSS (ROD). Kích thước phần tử: xem hình Gối đỡ: bố trí hợp lý Tải bên ngoài: tải từ môi trường, tải hàng hóa chở trong tàu. Sử dụng tiêu chuẩn bền von Mises 13) Thực hiện mô hình hóa mạn tàu vận tải hàng khô, tàu một boong, kết cấu theo hệ thống ngang thành giàn (dàn) phẳng 2D. Biết rằng chỉ bố trí 10 sườn tàu đồng nhất, khoảng cách sườn thực s, chiều cao mạn H, chiều dài khoang hàng l. Áp tải cho giàn. Giới thiệu phương án giải giàn 2D này. i I l a L Hình Giàn mạn với các sườn đồng nhất 14) Thực hiện mô hình hóa đáy tàu kết cấu theo hệ thống ngang, trong giới hạn 1 khoang hàng c ủa tàu v ận t ải hàng khô, thành giàn (dàn) phẳng 2D. Biết rằng bố trí ki chính và 10 đà ngang, khoảng cách thực giũa các đà ngang S, chiều rộng tàu B, chiều dài khoang hàng l. Áp tải cho giàn trường hợp tàu chở hàng đ ồng chất, mớn n ước tàu t ại trang thái này T. Trình bày phương án giải giàn 2D này. Sử dụng tính đối xứng của kết cấu qua mặt cắt dọc và mặt cắt ngang, ch ỉ c ần đ ưa 1/4 k ết cấu đáy tham gia mô hình. Những lưu ý phải được quan tâm khi sử dụng 1/4 dàn đáy làm mô hình tính là đảm bảo tính chất cơ học cho các kết c ấu nằm tại biên, trên tr ục đ ối x ứng. T ại đây các đặc tính hình học, đặc tính cơ học của kết cấu phải được chia đ ều cho ph ần đ ược đ ưa vào mô hình và phần không tham gia. Điều kiện chuyển vị thẳng và xoay c ủa các đi ểm v ật ch ất trên biên được giữ đúng như thực tế làm việc. Trong những đi ều ki ện đó k ết c ấu đáy có th ể đ ưa v ề một trong ba thực tế : - kết cấu dầm chịu uốn, xoắn, kéo, nén vv... trong không gian 3D, - kết cấu các tấm mỏng , liên kết với nhau qua các đường hàn, bố trí trong không gian 3D, - kết cấu hỗn hợp gồm các tấm mỏng, độ dầy khác nhau, sắp xếp theo h ướng khác nhau, cùng các kết cấu dạng dầm chịu uốn liên kết với các tấm qua các nút.