TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY SẢN
KHOA CƠ KHÍ
BỘ MÔN TÀU THUYỀN
b TRƯƠNG VĂN PHƯƠNG
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

CHUYÊN NGÀNH: CƠ KHÍ TÀU THUYỀN
GVHD: TS. TRẦN GIA THÁI
THIẾT KẾ KẾT CẤU TÀU CHỞ HÀNG
KHÔ VỎ THÉP, TRỌNG TẢI 2000 TẤN


Họ và tên sinh viên: TRƯƠNG VĂN PHƯƠNG Lớp: 43TT
Ngành: Cơ khí Tàu thuyền Mã ngành: 18.06.10
Tên đề tài: Thiết kế kết cấu tàu chở hàng khô vỏ thép, trọng tải 2000 tấn
Số trang: 100 Số chương: 04 Số tài liệu tham khảo: 11
Hiện vật: Không
NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN
Điểm phản biện:
Nha Trang, ngày …… tháng …… năm 200 …
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
(Ký và ghi rõ họ tên) ĐIỂM CHUNG
Bằng số Bằng chữ

Nha Trang, ngày …… tháng …… năm 200 …


Ơ
Ơ
N
N
G
GĐ
Đ
Ồ
ỒÁ
Á
N
NT
T
Ố
Ố
T
TN
N

1.3. Những vấn đề cần lưu ý khi thiết kế kết cấu tàu hàng vỏ thép.
1.4. Nội dung và giới hạn đề tài.
Chương 2. THIẾT KẾ KẾT CẤU THEO QUY PHẠM
2.1. Cơ sở lý thuyết của Quy phạm đóng tàu vỏ thép
2.2. Giới thiệu sơ lược về tàu thiết kế
2.3. Thiết kế kết cấu tàu chở hàng khô 2000 tấn vỏ thép.
Chương 3. TÍNH KIỂM TRA ĐỘ BỀN KẾT CẤU TÀU THIẾT KẾ
3.1. Bài toán sức bền chung toàn tàu.
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

3.2. Bài toán sức bền cục bộ của các kết cấu thân tàu.
4. THẢO LUẬN KẾT QUẢ VÀ ĐỀ XUẤT Ý KIẾN
4.1. Kết quả.
4.2. Đề xuất ý kiến.

III. KẾ HOẠCH THỜI GIAN
1. ĐI THỰC TẾ: không
2. KẾ HOẠCH HOÀN THÀNH BẢN THẢO
Chương 1: ĐẶT VẤN ĐỀ T ừ : 12/03/2006 Đến: 19/03/2006
Chương 2: THIẾT KẾ KẾT CẤU THEO QUY PHẠM.
Từ: 20/03/2006 Đến: 20/04/2006
Chương 3: TÍNH KIỂM TRA ĐỘ BỀN KẾT CẤU TÀU THIẾT KẾ
Từ: 21/04/2006 Đến: 21/05/2006
4. THẢO LUẬN KẾT QUẢ VÀ ĐỀ XUẤT Ý KIẾN
Từ: 22/05/2006 Đến: 30/05/2006
Hoàn thành bản thảo: Trước ngày 12/06/2006.
Nha Trang, ngày 10 tháng 03 năm 2006

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
(Ký và ghi rõ họ, tên)

1.3.2. Đặc điểm kết cấu tàu hàng 5
1.4. NỘI DUNG VÀ GIỚI HẠN ĐỀ TÀI 9
Chương 2
THIẾT KẾ KẾT CẤU THEO QUY PHẠM 10
2.1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA QUY PHẠM ĐÓNG TÀU VỎ THÉP 10
2.2. GIỚI THIỆU SƠ LƯỢC TÀU THIẾT KẾ 10
2.3. THIẾT KẾ KẾT CẤU TÀU CHỞ HÀNG KHÔ 2000 TẤN VỎ THÉP THEO
QUY PHẠM TÀU BIỂN VỎ THÉP 2003 12
2.3.1. Kết cấu đáy 12
2.3.2. Kết cấu khung giàn mạn 17
2.3.3. Kết cấu boong 26
2.3.4. Kết cấu sống mũi và sống đuôi 29
2.3.5. Kết cấu khung giàn vách 30
2.3.6. Bệ máy 32
2.3.7. Kết cấu thượng tầng và lầu 33

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

Chương 3
TÍNH KIỂM TRA ĐỘ BỀN KẾT CẤU THÂN TÀU THIẾT KẾ 37
3.1. KHÁI QUÁT VỀ BÀI TOÁN SỨC BỀN CHUNG THÂN TÀU 37
3.1.1. Tính sức bền chung thân tàu 37
3.1.2. Nhận xét kết cấu tàu qua bài toán sức bền chung 75
3.2. KHÁI QUÁT BÀI TOÁN SỨC BỀN CỤC BỘ CÁC KẾT CẤU THÂN TÀU.75
3.2.1. Lựa chọn phương pháp tính 75
3.2.2. Trình tự giải bài toán độ bền kết cấu bằng phương pháp phần tử hữu
hạn 76
3.2.3. Xây dựng mô hình và tính sức bền cục bộ một số kết cấu chính 77
3.2.4. Kiểm tra sức bền cục bộ 98
4. THẢO LUẬN KẾT QUẢ VÀ ĐỀ XUẤT Ý KIẾN 99

Mục đích của đề tài là giải quyết vấn đề thực tế thiết kế kết cấu tàu vỏ thép
theo quy phạm, đồng thời thực hiện tính toán sức bền và từ đó áp dụng cho các tàu
khác theo quy định của quy phạm.
Do thời gian có hạn, kiến thức và kinh nghiệm thực tế còn hạn chế, chắc
chắn trong đề tài không tránh khỏi những thiếu sót. Rất mong nhận được những ý
kiến đóng góp của các thầy giáo và các bạn.
Nha Trang, ngày 12 tháng 06 năm 2006.
Sinh viên thực hiện

Trương Văn Phương
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
- 2 -
Chương 1
ĐẶT VẤN ĐỀ

1.1. TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
Như đã biết thiết kế kết cấu là một giai đoạn quan trọng trong quá trình thiết
kế tàu. Đây là quá trính tính toán kích thước, lựa chọn hình dáng và bố trí kết cấu,
liên kết sao cho các kết cấu thiết kế đảm bảo được độ bền, tính công nghệ và tính
kinh tế.
Hiện nay, loại tàu 2000 tấn đã được đóng ở nước ta và cũng đã có hồ sơ thiết
kế kết cấu, qua tìm hiểu và phân tích một số hồ sơ thiết kế cho thấy các tàu này
thường được thiết kế kết cấu theo Quy phạm phân cấp và đóng tàu. Ưu điểm của
thiết kế kết cấu theo Quy phạm là tương đối đơn giản, thực dụng, thường đảm bảo
sức bền tàu và rút ngắn được thời gian thiết kế. Tuy nhiên, nhược điểm của thiết kế
kết cấu theo Quy phạm là kết cấu thường chưa phải ở dạng tối ưu, nguyên nhân do
Quy phạm chưa phải phản ánh đầy đủ các điều kiện môi trường, thiên nhiên và con
người hoạt động trong đó. Do đó, thiết kế kết cấu theo Quy phạm thường chỉ mới
đáp ứng được yêu cầu về độ bền còn về tính công nghệ và tính kinh tế là chưa thỏa
đáng, thường là thừa bền và tốn kém vật liệu.

tàu được thể hiện trên hình vẽ.
Ø Ưu điểm:
- Chịu tác dụng của lực theo phương ngang tàu tốt.
- Công nghệ chế tạo tàu theo hệ thống ngang đơn giản hơn các hệ thống
khác vì số lượng kết cấu dọc ít, thuận tiện cho việc phân đoạn và thi công.
Ø Nhược điểm:
- Chịu uốn dọc chung và chịu xoắn kém, thi công dễ gây biến dạng, làm ảnh
b
a

Hình 1.1. Hệ thống kết cấu ngang
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
- 4 -
hưởng độ bền vỏ.
1.3.1.2. Hệ thống kết cấu dọc.
Các kết cấu bố trí theo chiều dài tàu thưa hơn chiều rộng tàu.
Ø Ưu điểm:
- Giảm được chiều dày các tấm tôn và giảm trọng lượng tàu (đối với các tàu

- Đối với tàu thép, khung giàn đáy có thể bố trí đáy đôi hoặc đáy đơn như
hình vẽ sau: Với các loại tàu hàng chiều dài lớn hơn 60m bố trí đáy đôi từ vách chống va
mũi đến khoang lái, chiều cao đáy đôi ³ 620mm để người có thể kiểm tra, thao tác
Hình 1.4. Đáy đôi hệ thống kết cấu ngang
8
4

3



4
1

3

1. Sống chính
2. Đà dọc đáy
3. Đà ngang đặc

4. Nẹp đứng.
5. Vách ngang
6. Mã nối
7. Lỗ công nghệ

7
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
- 6 -
công việc cần thiết trong đáy đôi. Kết cấu đáy đôi có thể tăng khả năng chống chìm,
tăng độ bền dọc, tạo các két chứa nhiên liệu, các két dằn balast, từ đó tăng dung tích
hầm hàng. Đồng thời bố trí đáy đôi sẽ tận dụng được mặt tôn đáy trong làm sàn để
xếp hàng hóa, thuận tiện cho các công việc trong hầm hàng.
Hiện nay, các tàu thép cỡ vừa và nhỏ khung giàn đáy thường kết cấu theo hệ
thống ngang, đặc điểm kết cấu này sẽ tăng độ cứng vững cho khung giàn mạn,
chống lại lực ép ngang tàu. Tuy nhiên, kết cấu theo hệ thống ngang thì độ bền dọc
sẽ kém, do vậy cần bố trí các kết cấu dọc như sống phụ, nẹp dọc, đáy dọc đáy để
tăng độ bền dọc. Sống chính kín nước, chỉ được khoét lỗ ở khu vực đầu và cuối tàu,
chiều cao không quá 0,4 lần chiều cao ky đáy.
1.3.2.2. Khung giàn mạn.
Khung giàn mạn chịu áp lực nước từ ngoài mạn và hàng hóa gây ra, do đó


1

3

4
6

2

1

3
4

c) Sơ đồ theo hệ thống ngang có xà
dọc mạn và sườn khỏe đặt xen kẻ
6

5

2

1

3
5

d) Sơ đồ theo hệ thống dọc có bố
trí thêm sườn khỏe

Các xà ngang boong thường được bố trí cách nhau đúng bằng một khoảng
sườn đã chọn, liên kết với sườn và đà ngang đáy để hình thành nên các khung sườn
nằm dọc chiều dài tàu.
Khung giàn boong kết cấu theo hệ thống ngang sẽ đảm bảo được độ bền ngang

a) Boong theo hệ thống dọc

b) Boong theo hệ thống ngang
Hình 1.7. Các hệ thống kết cấu khung giàn boong
Xà dọc boong
Tôn boong
Tôn boong
Xà ngang boong

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
- 8 -
cho tàu hàng vì các boong có khoét các miệng hầm, tuy nhiên phải bố trí các xà dọc
boong để đảm bảo độ bền dọc cho tàu thiết kế.
1.3.2.4. Một số kết cấu khác.
Ø Phần mũi: là nơi chịu va đập mạnh của nước, làm việc rẽ nước, chịu lực
ép ngang rất lớn. Do đó hầu hết các tàu hàng đều có phần mũi kết cấu theo hệ thống
ngang, đồng thời được tăng cường bằng các vách dọc và sàn lửng, làm nơi chứa
hầm xích neo. Trong phần mũi tàu hàng cỡ vừa và nhỏ thường sử dụng thanh thép
cán cạnh trước có hình tròn làm sống mũi.
Ø Phần lái: là nơi chịu các dao động do trục chân vịt, bánh lái và áp lực
nước tác động nên cúng thường được kết cấu theo hệ thống ngang. Sống đuôi sử
dụng thường là thép đúc để tăng độ cứng vững cho kết cấu vòm đuôi.
Ø Vách: thường sử dùng trong tàu hàng hiện nay có hai loại vách đó là vách
phẳng và vách sóng. Tuy nhiên đối với điều kiện Việt Nam hầu hết các tàu cỡ vừa
và nhỏ đều sử dụng vách phẳng và gia cường bằng các nẹp. Số lượng vách được

1.4. NỘI DUNG VÀ GIỚI HẠN ĐỀ TÀI.
Như đã biết, tàu thủy là một công trình kỹ thuật nổi có kết cấu phức tạp và
làm việc trong môi trường nặng nề, do đó yêu cầu thiết kế kết cấu tàu có ý nghĩa vô
cùng quan trọng, đặc biệt là đối với tàu hàng có nhiều môi trường hoạt động khác
nhau, nhiều hải phận khác nhau do đó nó có nhiều đặc thù khi thiết kế. Việc thiết kế
kết cấu trong điều kiện hiện nay không những yêu cầu đủ bền cho kết cấu mà cần
phải cân nhắc kỹ đến độ dư vật liệu, khả năng thi công, phải cố hết sức để giảm nhẹ
khối lượng kết cấu, tiết kiệm vật liệu, bố trí và lựa chọn vật liệu thỏa đáng đảm bảo
tính kinh tế trong sử dụng kết cấu.
Vấn đề thiết kế kết cấu và tính sức bền được đặt ra trong đề tài này với mục
đích đảm bảo con tàu được đóng mới một cách khoa học với các tính năng tàu hợp
lý, đảm bảo bền và để cho tàu hoạt động vận tải (khai thác, …) được an toàn, mang
lại hiệu quả kinh tế và sử dụng tàu. Do đó nhà trường, khoa và bộ môn tàu thuyền
đã giao cho tôi đề tài “Thiết kế kết cấu tàu chở hàng khô vỏ thép, trọng tải 2000
tấn”. Phần kết cấu sẽ được thiết kế theo quy phạm đóng tàu và thực hiện tính sức
bền các kết cấu đó để đưa ra kết luận.
Nội dung đồ án gồm các vấn đề sau:
ĐẶT VẤN ĐỀ
THIẾT KẾ KẾT CẤU THEO QUY PHẠM
TÍNH KIỂM TRA ĐỘ BỀN KẾT CẤU TÀU THIẾT KẾ
THẢO LUẬN KẾT QUẢ VÀ ĐỀ XUẤT Ý KIẾN.
Bước đầu làm quen với công tác thiết kế và do trình độ chuyên môn còn hạn
chế, kinh nghiệm thực tế không nhiều, nên trong quá trình thực hiện đồ án không
thể nghiên cứu sâu, rộng các kiến thức về thiết kế kết cấu tàu chở hàng khô được
mà chỉ giới hạn ở tàu chở hàng khô vỏ thép tải trọng 2000 tấn để giải quyết một vấn
đề thực tế mà thôi.
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
- 10 -
Chương 2
THIẾT KẾ KẾT CẤU THEO QUY PHẠM

Độ bền thân
tàu
Quy phạm
Bố trí chung
Bố trí kết cấu Mô hình tính toán kết cấu

Mặt cắt ngang giữa tàu
Các kết cấu chính

Kích thước các kết cấu tàu
Hình 2.1. Quy trình thiết kế kết cấu theo quy phạm
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
- 11 -
Thông số chủ yếu:
- Chiều dài lớn nhất: L
max
= 70,00 m
- Chiều dài thiết kế: L
tk
= 65,25 m
- Chiều rộng lớn nhất: B
max
= 10,80 m
- Chiều rộng thiết kế: B
tk
= 10,80 m
- Chiều cao mạn: D = 5,40 m
- Chiều chìm: d = 4,40 m.
- Hệ số diện tích mặt đường nước: a = 0,85
- Hệ số diện tích mặt cắt ngang: b = 0,98

2.3.1.1. Sống chính.
v Quy cách bố trí và kết cấu.
- Sống chính phải được kéo càng dài về phía mũi và đuôi tàu càng tốt.
- Tấm sống chính phải liên tục trong đoạn 0,5L giữa tàu.
v Kích thước sống chính.
- Chiều cao tiết diện sống chính lớn hơn
16
B
và trong mọi trường hợp không
nhỏ hơn 700 mm, trừ một số trường hợp đặc biệt Đăng kiểm chấp nhận.
- Chiều dày của tấm sống chính (d
sc
):
d
sc
³ 0,05L + 6 (mm) (2 - 1)
L: Chiều dài tàu (m).
Với tàu thiết kế ta có: L = 70m Þ d
sc
³ 0,05.70 + 6 = 9,5 (mm)
Để tăng độ bền dọc cho tàu (vì đáy tàu theo hệ thống ngang) ta chọn:
d
sc
= 12 (mm).
Chiều cao tiết diện sống chính > )(675)(675,0
16
8.10
16
mmm
B

5,27065,0 +³
sp
d
= 7,94 (mm)
Chọn d
sp
= 10 (mm).
Chiều cao sống phụ h
sp
= 750 (mm)
Kích thước sống phụ được thể hiện trên hình vẽ. Hình 2.3. Sống phụ
2.3.1.3. Đà ngang đặc.
- Đà ngang đặc bố trí xen kẻ đà ngang hở cách nhau không quá 3,5m. Trong
buồng máy sử dụng đà ngang đặc ở mỗi mặt sườn, nếu đáy đôi được kết cấu theo hệ
thống dọc thì ngoài vùng bệ máy, đà ngang đặc cách nhau 2 khoảng sườn.
- Chiều dày của đà ngang đặc không được nhỏ hơn giá trị sau và tăng thêm
1,5mm đối với các đà ngang đặc trong buồng máy.
5,26,0 +³ L
dnd
d
(mm) (2 - 4)
Tàu thiết kế ta có: 5,2706,0 +³
dnd
d
= 7,5 (mm)
Chọn d
dnd
C: Hệ số đối với tàu thiết kế không có thanh chống thẳng đứng chọn C = 6,0.
Vậy W ³ 6.S.(d+ 0,026l).l
2
(cm
3
)
Với tàu thiết kế ta có: L = 70m, d = 4,4 (m); l = 1,6m; S = 0,55 (m)
Þ W ³ 6.0,55.(4,4 + 0,026.70).1,6
2
= 52,5 (cm
3
).
Chọn quy cách đà ngang đáy: L 100 x 100 x 10.
Chiều rộng mép kèm: min{0,5S;1/6l} = 265 (mm); d = 10 mm
S: Khoảng cách sườn (đà ngang đáy) S = 0,55 m.

Momen quán tính của mặt cắt ngang đà ngang được tính theo bảng sau:
(momen quán tính I
0
= b.h
3
/12)

3
)
A.Z
2
I
0

1
Bản cánh
10,0 x 1,0
10,0 10 100 1000 0.83
2
Thành đứng
1,0 x 9,0
9,0 5 45 225 60,75
3
Mép kèm
26,5 x 1,0
26,5 0 0 0 2.2

Cộng 45,5 145
S
*
= 1288,78
Khoảng cách đến trục trung hòa: 19.3
5,45
145
.
===
å

(cm
3
)
Vậy kết cấu đã chọn thỏa quy phạm.
2.3.1.5. Tôn đáy.
1. Tôn đáy trên.
Chiều dày tôn đáy trên không nhỏ hơn giá trị tính sau và tăng thêm 2 mm đối
với tấm tôn giữa (tôn K).

5,2.8,3 +³ dS
dtr
d
(mm) (2 - 7)
S: Khoảng cách giữa các đà ngang đáy (m)
d: Chiều chìm trung bình (m)
Với tàu thiết kế ta có:
5,24,4.55,0.8,3 +³
dtr
d
= 6,9 (mm)
Chọn d
dtr
= 10 (mm)
2. Tôn đáy dưới.
Chiều dày tôn đáy dưới phải không nhỏ hơn trị số theo công thức sau:
5,235,0 7,4 ++³ LdS
dd
d
(mm) (2 - 8)
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

đáy gia cường phía mũi theo yêu cầu của Đăng kiểm.
Bảng 2.2. Mút cuối đoạn gia cường giữa tàu.
L
V

£ 1,1

>1,1
£1,25
>1,25

£ 1,4
>1,4
£ 1,5
>1,5
£ 1,6
>1,6
£ 1,7
>1,7Kích thước tính từ mút trước
của L
0,15L

0,175L

0,2L 0,225L

0,25L

ngang
H
ệ thống kết
cấu dọc
Đ
ặt cách nhau
không quá
2,5m
Phải được đặt giữa
các sống phụ
Đ
ặt cách nhau
không quá 2,5m
H
ệ thống kết
cấu ngang
Phải đư
ợc đặt ở
mỗi mặt sườn
Hệ thống
kết cấu
dọc
H
ệ thống kết
cấu dọc
Đ
ặt cách nhau
không quá
2,5m