Chương 1. Cơ sở lý luận về ổn định tàu hàng rời theo thời gian thực; + Chương 2. Tính toán ổn định tàu hàng rời theo thời gian thực thông qua chu kỳ lắc ngang; + Chương 3. Thiết kế và xây dựng hệ thống thông báo ổn định tàu hàng 8 rời theo thời gian thực; + Chương 4.
Thực nghiệm hệ thống thông báo ổn định tàu hàng rời theo thời gian thực; - Phần kết luận và kiến nghị; - Phần tài liệu tham khảo và phụ lục. CƠ SỞ LÝ LUẬN VỀ ỔN ĐỊNH TÀU HÀNG RỜI THEO THỜI GIAN THỰC 1. Khái niệm chung về tàu hàng rời Tàu chở hàng rời là loại tàu được sử dụng rất nhiều trong việc vận chuyển hàng hóa trên thế giới, nó có thể vận chuyển những hàng hóa ở dạng thô (bulk cargo) như than đá, quặng sắt, ngũ cốc, lưu huỳnh, phế liệu không có đóng thùng hay bao kiện và được chứa trực tiếp trong các khoang hàng chống thấm nước của tàu. Tàu chuyên dụng chở hàng rời là loại tàu một boong, có cấu trúc vững chắc, có két hông và két treo ở hai bên mạn hầm hàng để làm giảm mặt thoáng hầm hàng và dễ điều chỉnh trọng tâm tàu khi cần thiết.
Tàu có miệng hầm rộng rãi, thuận lợi cho việc xếp dỡ hàng. Hầm hàng được gia cường chắc chắn chịu được sự va đập của hàng hóa và thiết bị khi làm hàng. Đối với những hàng hóa có khối lượng chuyên chở rất lớn thì phương thức vận chuyển đường biển bằng tàu hàng rời có thể giúp doanh nghiệp giảm chi phí vận tải hơn so với so với phương thức chở hàng bằng container. Sức chứa của những tàu hàng rời ở khoảng 25.000DWT (Handysize), đối với những tàu có sức chứa trung bình (Panamax- tàu được thiết kế theo tiêu chuẩn để có thể đi qua kênh đào Panama) vào khoảng 75.000DWT, có những tàu với sức chứa rất lớn lên đến hơn 200.
Kích cỡ của một số tàu chở hàng rời Handysize: từ 20.000DWT; Handymax: từ 40.000DWT; Supramax: từ 50.000DWT; Panamax: từ 60.000DWT; Post-Panamax (“ Baby capers”): nhỏ hơn 125.000DWT; Capesize: từ 125.000DWT, loại tàu này có thể phân loại như sau: 10 - Newastlemax: là loại tàu dài nhất có thể vào được cảng của Newcastle, Australia, sức chứa khoảng 185.000DWT; - Setouchmax: là loại tàu dài nhất có thể hoạt động ở các vùng biển Setouch, Nhật Bản với sức chứa khoảng 203. - Với nhu cầu vận chuyển hàng hóa ngày càng cao, một số con tàu VLCC (Very Large Crude Carrier-Tàu kích thước rất lớn vận chuyển dầu thô) đang được chuyển đổi sang những con tàu VLOC (Very Large Ore Carrier - Tàu kích thước rất lớn vận chuyển quặng) với sức chứa trên 200. Do việc vận chuyển hàng hóa nặng với tải trọng lớn, tuối thọ của những con tàu này trên thực tế nhỏ hơn so với thiết kế ban đầu. Các loại tàu hàng rời cơ bản Tàu hàng rời có thiết bị làm hàng (Geared bulk carriers): Là các tàu nằm trong phạm vi kích thước handy đến handymax và một số ít có kích thước panamax.
Loại tàu này được trang bị cần cẩu hoặc băng tải cho phép tàu có thể xếp, dỡ hàng tại cảng mà không cần thiết bị xếp dỡ trên bờ. Điều này mang lại sự linh hoạt cho tàu trong việc vận chuyển hàng với số lượng lớn và các tuyến đường tàu có thể hoạt động, Hình 1.1: Tàu hàng rời có thiết bị làm hàng Tàu hàng rời không có thiết bị làm hàng (Gearless Bulk Carrier): Là tàu không có cần cẩu hoặc băng tải. Việc xếp, dỡ hàng của những tàu này phụ 11 thuộc vào thiết bị xếp dỡ trên bờ tại các cảng xếp hoặc dỡ. Loại tàu này có đủ các kích cỡ, kích cỡ lớn nhất là VLOC.
Việc sử dụng các tàu hàng rời không có thiết bị làm hàng sẽ giảm được chi phí lắp đặt, vận hành và bảo trì cần cẩu hoặc băng tải, Hình 1.2: Tàu hàng rời không có thiết bị làm hàng Tàu hàng rời kết hợp OBO (Ore-Bulk-Oil Carrier) được thiết kế để vận chuyển cả hàng lỏng và hàng rời khô. Nếu cả hai loại hàng này được vận chuyển đồng thời thì chúng sẽ được chứa trong các hầm và két riêng biệt, Hình 1. Tàu hàng rời kết hợp OBO Tàu hàng rời tự dỡ hàng (Self-dischargers): Là những tàu hàng rời có trang bị băng tải hoặc sử dụng gàu xúc được lắp trên một đường chạy ngang 12 qua toàn bộ hầm tàu và có thể di dọc mạn tàu. Điều này cho phép tàu dỡ hàng nhanh chóng và hiệu quả hơn, Hình 1.4: Tàu hàng rời tự dỡ hàng Tàu hàng rời BIBO (Bulk In, Bags Out – Xếp hàng rời, Dỡ đóng bao): Là các tàu được trang bị hệ thống đóng bao hàng hóa khi hàng hóa được dỡ khỏi tàu.
Tàu CHL INNOVATOR (Hình 1.5), là tàu hàng rời BIBO. Trong một giờ, con tàu này có thể dỡ 300 tấn đường rời và đóng thành các bao 50 kg.5: Tàu hàng rời BIBO 13 1. Ổn định tàu hàng 1. Khái niệm ổn định tàu hàng Ổn định của tàu là khả năng quay trở về vị trí cân bằng ban đầu sau khi ngoại lực gây nghiêng bên ngoài ngừng tác động (gió, sóng.
Với một vật thể, có ba trạng thái cân bằng: đó là cân bằng bền, cân bằng không bền và cân bằng phiếm định. - Cân bằng bền là trạng thái cân bằng mà khi vật đó bị ngoại lực tác động lệch khỏi vị trí cân bằng nó sẽ tự trở lại hoặc có xu thế trở lại vị trí cân bằng ban đầu. - Cân bằng không bền là trạng thái cân bằng của một vật mà khi bị tác động của ngoại lực đẩy khỏi vị trí cân bằng thì nó bị mất cân bằng, không thể trở lại vị trí cân bằng ban đầu nữa. - Cân bằng phiếm định là trạng thái cân bằng của một vật mà khi bị ngoại lực tác động đẩy lệch khỏi vị trí cân bằng ban đầu thì ở vị trí mới, nó tự xác lập một trạng thái cân bằng mới.
Đối với con tàu, dựa vào vị trí tương quan của tâm nghiêng M và trọng tâm G mà có thể xảy ra một trong ba trường hợp cân bằng như trên.6 mô tả ba trường hợp cân bằng của tàu như sau: G .B K K K a) Cân bằng b) Cân bằng phiếm c) Cân bằng không bền GM>0 định GM=0 bền GM<0 Hình 1.6: Các trạng thái cân bằng của tàu 14 - Tại Hình 1.6 a: Trọng tâm G nằm phía dưới tâm nghiêng M, khi tàu nghiêng, trọng lực đặt tại G và lực nổi đặt tại B sẽ tạo thành ngẫu lực. Ngẫu lực này tạo ra mô men có xu hướng đưa tàu trở lại vị trí cân bằng ban đầu. Trường hợp này tàu ở trạng thái cân bằng bền, hay tàu ổn định.6 b: Trọng tâm G trùng với tâm nghiêng M, lúc này trọng lực và lực nổi nằm trên một đường thẳng đi qua tâm nghiêng M, mô men do chúng tạo ra là bằng 0, không có xu hướng chống lại chuyển động nghiêng của tàu. Trường hợp này tàu ở trạng thái cân bằng phiếm định, hay tàu không ổn định.6 c: Trọng tâm G nằm bên trên tâm nghiêng M, lúc này ngẫu lực tạo thành do trọng lực đặt tại G và lực nổi đặt tại B sẽ sinh ra một mô men cùng chiều với chiều nghiêng của tàu (có thể gọi là mô men lật) và như vậy sẽ làm cho tàu nghiêng thêm.
Trường hợp này tàu ở trạng thái cân bằng không bền hay tàu mất ổn định. Ổn định tàu tại góc nghiêng nhỏ Ổn định tàu tại góc nghiêng nhỏ: Điểm M là tâm của quỹ đạo tâm nổi B, ở góc nghiêng nhỏ, quỹ đạo này được coi là cung tròn và do đó điểm M được coi là cố định. Ổn định của tàu ở góc nghiêng nhỏ, còn gọi là ổn định ban đầu phụ thuộc vào vị trí tương quan giữa tâm nghiêng M và trọng tâm G. Khi G nằm thấp hơn M, tàu sẽ ổn định.
Mô men sinh ra do cặp lực P và Fb gọi là mô men hồi phục và có độ lớn được tính như sau: Mhp = P x GM x Sinθ Hay Mhp = D x GM x Sinθ (1.1) Với D là lượng giãn nước của tàu. Mô men hồi phục càng lớn, tàu có tính ổn định càng cao. Theo công thức trên, ở điều kiện cùng một lượng giãn nước D, cùng một góc nghiêng θ thì độ lớn của mô men hồi phục phụ thuộc vào độ lớn của GM.7: Chiều cao thế vững Tại những góc nghiêng nhỏ, ổn định của tàu được đánh giá bằng độ lớn của GM và GM được gọi là chiều cao thế vững của tàu.7 có: GM = KM - KG (1.2) Trong đó: KM là chiều cao tâm nghiêng, được cho trong bảng thủy tĩnh hoặc thước trọng tải của tàu với đối số là lượng giãn nước D (hoặc mớn nước). KG là chiều cao trọng tâm của tàu được tính theo công thức: D x KG0 + ∑ Pi x KGi KG= 0 (1.3) D Trong đó : - D0: là trọng lượng tàu không cho trong hồ sơ tàu.
- KG0: là chiều cao trọng tâm tàu không cho trong hồ sơ tàu. - Pi: là các thành phần trọng lượng trên tàu. - KGi: là chiều cao trọng tâm của các thành phần trọng lượng so với ky tàu. - D: là lượng dãn nước của tàu.
- D0 x KG0: là mô men trọng lượng tàu không so với ky tàu. 16 - Σ Pi x KGi: là tổng mô men các thành phần trọng lượng khác so với ky tàu. Để xác định được điểm G, phải xác định được toàn bộ các thành phần làm lên trọng lượng tàu. Trong đó, trọng lượng tàu không (bao gồm thân vỏ và các trang thiết bị hàng hải cần thiết) và tọa độ trọng tâm tàu không, được biết trước và cho trong hồ sơ tàu bởi các xưởng đóng tàu (chỉ số D0, KG0).
Ngoài ra còn các thành phần trọng lượng khác bao gồm trọng lượng nước ballast, hàng hóa, dự trữ… Các thành phần này có trọng lượng và tọa độ trọng tâm khác nhau tùy vào điều kiện cụ thể nhưng có thể tính toán hoặc tra từ các bảng cho sẵn trong hồ sơ tàu. Ổn định tàu tại góc nghiêng lớn Hình 1.8: Ổn định góc nghiêng lớn Tại các góc nghiêng lớn, quỹ đạo tâm nổi B không còn là một cung tròn nữa nên tâm nghiêng M không phải là cố định. Do đó, không thể dùng chiều cao thế vững GM để đánh giá ổn định của tàu mà dùng đường cong cánh tay đòn ổn định tĩnh G0Z để đánh giá ổn định của tàu ở những góc nghiêng lớn.8 có: Đoạn G0Z biểu thị cánh tay đòn ổn định của tàu khi tàu nghiêng một góc θ. Lúc đó, mô men hồi phục bằng: 17 Mhp = D x G0 Z (1.