Bài giảng Kết cấu tàu

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 tại 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 cơ 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 cấu 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 suất 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 chở 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 cơ 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 chở

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 Lf(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 hơn .

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 Bf(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 Lf .

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 Ds(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, tại 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, lương 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 Cb

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 ngăn 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 đuôi. 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 khoang hàng Vách mũi

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 thượng 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 buồng 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 vỏ 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 cứng, 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. Buồng 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

11

1. Ky, d

ải tôn gi

ữa

đáy

2. S

ống chính

đáy

3. S

ống ph

ụ

đáy

4. D

ầm d

ọc

đáy dưới

5. D

ầm d

ọc

đáy trên

6. Sườn

7. S

ống d

ọc m

ạn

8. Sườn kho

ẻ

9.Mã hông

10.Tôn

đáy ngoài

11.

Đà ngang

12.Tôn

đáy trên

13. Vây gi

ảm l

ắc

14.Tôn m

ạn

15.D

ải tôn mép m

ạn

16.N

ẹp mép boong

17.D

ải tôn mép boong

18.Boong trên

19.D

ầm d

ọc boong

20.Tôn m

ạn ch

ắn sóng

21.C

ột n

ẹp m

ạn ch

ắn sóng

22.Lan can, tay v

ịn

23.S

ống trên mi

ệng h

ầmhàng

24.Thành d

ọc mi

ệng h

ầmhàng

25.C

ột ch

ống

26.Xà ngang mi

ệng h

ầm

27.Mã ch

ống v

ặn

28.Mã

29.Mã xà

30.T

ấm m

ặt, t

ấm mép

31.L

ỗ người chui

32.L

ỗ gi

ảm tr

ọng lượng

33.L

ỗ đường

ống chui qua

34.S

ống chính

đáy

35.Vách d

ọc

36.T

ấm m

ặt

37.N

ẹp gia cường

38.Xà phía trên

39.Xà ngang

đáy trên

40.S

ống ph

ụ

đáy

41.S

ống ph

ụ

H 1.8 M

ặt c

ắt sườn gi

ữa tàu

h

ệ th

ống k

ết c

ấu d

ọc

12

H 1.9 Mặt cắt sườn giữa tàu hệ thống kết cấu dọc

1. Sống chính

2. Sống phụ

3. Dầm dọc đáy dưới

4. Dầm dọc đáy trên

5. Đà ngang đặc

6. Dải tôn giữa đáy

7. Dải tôn liền kề với

dải tôn giữa đáy

8. Tôn đáy

9. Dải tôn hông

10.Tôn mạn

11.Dải tôn đỉnh mạn

12.Dải tôn mép mạn

13.Tôn đáy trên

14.Mã hông

15.Tấm ốp

16.Sườn khoang

17.Sườn nội boong

18.Xà ngang boong thứ hai

19.Mã xà ngang

20.Bong thứ hai

21.Bong trên

22.Tấm mép boong

23.Mã chống vặn

24.Xà ngang boong

25.Dầm dọc boong

26.Sống boong

27.Thành miệng khoang hàng

28.Xà ngang boong khỏe

29.Sừờn khỏe

30.Cột chống trong khoang

31.Cột chống nội boong

32.Tôn mạn chắn sóng

33.Tay vịn

34.Cột nẹp mạn chắn sóng

35.Nẹp nằm

36.Vây giảm lắc

37.Mã gia cường sống chính

38.Mã gia cường sống hông

39.Đà ngang kín nước

40.Mã gia cường đà ngang

kín nước

41.Nẹp đứng

42.Thanh chống

43.Lỗ khoét cho đường hàn

chui qua

44.Lỗ khoét giảm trọng

lượng

45.Sống hông nghiêng

46.Lỗ khoét người chui

47.Vách kín nước

48.Nẹp vách

49.Tấm đệm chân cột chống

13

H 1.10 Mặt cắt sườn giữa tàu hệ thống kết cấu ngang

1. Tấm tôn giữa đáy

2. Sống chính đáy

3. Dải tôn giữa đáy trên

4. Sống phụ đáy

5. Sống hông

6. Tôn đáy trên

7. Tôn đáy ngoài

8. Lỗ người chui

9. Đà ngang đáy

10.Dầm ngang đáy trên

11.Dầm gang đáy dưới

12.Dải tôn hông

13.Dải tôn mép mạn

14.Tôn mạn

15.Boong trên

16.Vây giảm lắc

17.Tôn mạn chắn sóng

18.Sườn

19.Mã hông

20.Mã xà ngang boong

21.Xà ngang boong

22.Boong trên

23.Nẹp nằm

24. Cột nẹp be chắn sóng

25. Thanh thép góc mép mạn

26.Tay vịn mạn chắn song

27.Tấm ốp lườn

28.Thành quây dọc miệng hầm hàng

29.Xà ngang miệng hầm hàng

30. Sườn khỏe

14

H 1.11 Mặt cắt sườn giữa tàu hệ thống kết cấu ngang

1. Tấm tôn giữa đáy

2. Sống chính đáy

3. Dảitôn giữađáytrên

4. Sống phụ đáy

5. Sống hông nằm ngang

6. Tôn đáy trên

7. Tôn đáy ngoài

8. Đà ngang đáy

9. Lỗ người chui

10.Dầm ngang đáy trên

11.Dầm gang đáy dưới

12.Dải tôn hông

13.Dải tôn mép mạn

14.Tôn mạn

15.Boong trên

16. Vây giảm lắc

17.Mạn giả

18.Sườn

19.Mã hông

20.Mã xà

21.Xà ngang boong

22.Boong che

23.Nẹp nằm

24. Thanh thép góc mép mạn

25.Cột nẹp be chắn sóng

26.Tay vịn

27.Thành quây miệng hầm hàng

15

1.1.4 . Khái niệm khung dàn tàu

H 1.12 Khung dàn tàu

1. Khung dàn boong

2. Khung dàn mạn

3. Khung dàn đáy

4. Mã liên kết

5. Khoang két

Bảng 1.1 Kết cấu khung dàn tàu

Khungdàn Giới hạn theo chiều dọc Giới hạn theo chiều ngang

Dàn đáy Hai vách ngăn ngang kề nhau

Mạn với vách ngăn dọc gần nhất

hoặc hai vách ngăn dọc kề nhau

hoặc hai mạn tàu

Dàn mạn Hai vách ngăn ngang kề nhau

Đáy tàu và boong gần nhất

hoặc hai boong kề nhau

hoặc giữa đáy và boong trên cùng

Dàn boong Hai vách ngăn ngang kề nhau

Mạn và vách ngăn dọc gần nhất

hoặc hai vách ngăn dọc kề nhau

hoặc hai mạn tàu .

Dàn vách Các tầng boong với nhau

hoặc tầng boong với đáy

Mạn và vách ngăn dọc gần nhất

hoặc hai vách ngăn dọc kề nhau

hoặc hai mạn tàu .

Hệ khung gia cường cho lớp vỏ mỏng kín nước gồm các thanh cơ cấu chạy dọc

và ngang thân tàu, liên kết với nhau và liên kết với vỏ đáy, vỏ mạn và sàn boong. Hệ

khung phẳng cấu thành từ các thanh của hệ khung nằm trên cùng một mặt phẳng và

liên kết cứng với nhau tại các nút. Do được liên kết cứng với nhau nên khi một thanh

trong khung bị uốn sẽ gây uốn cho các thanh còn lại.