Конструкция и расчеты днищевых перекрытий в корпусе судна

Днищевые перекрытия судна на сухогрузах длиной, превышающей 80 м, на газовозах, крупных танкерах имеют внутренний настил, называемый двойным дном.

Конструктивные особенности днищевых перекрытий

Нижняя часть корпуса судна, опирающаяся на борта и переборки, носит название днища и состоит из ряда отдельных перекрытий, границами для которых служат борта и переборки. Днище замыкает снизу корпус, образуя вместе с бортами и верхней палубой водонепроницаемую оболочку из листов, подкрепленных балками набора.

На днище располагаются:

• грузы;
• топливо;
• балласт;
• пассажиры и механизмы;
• а также некоторые устройства и судовые системы (рис. 1), являясь нижним пояском балки-корпуса (эквивалентный брус).

Днище принимает участие в обеспечении общей прочности корпуса и одновременно воспринимает наружное давление воды и противодавление масс расположенных внутри корпуса грузов и массы самого корпуса.

Рис. 1 Днищевое перекрытие в носовой оконечности

Носовая часть днища на длине 0,20—0,25L (рис. 2) воспринимает большие динамические нагрузки, значение которых уменьшается, когда судно движется на волнении с грузом, однако даже при попутном волнении возможно возникновение сильных ударов в днище при смешанном волнении. Это происходит иногда даже при не особенно больших, но крутых волнах, имеющих своеобразную форму. Экстремальные характеристики волновых воздействий не всегда определяются только высотой волн, а зависят как от формы волн, так и от формы корпуса судна.

Рис. 2 Распределение гидродинамического давления по длине судна при ударе днища о воду

Днищевые перекрытия, как и всякое перекрытие судового корпуса, состоят из листов и набора, однако существенным их отличием является большая сложность конструкций, образуемых двумя почти параллельно расположенными наружным днищем и вторым дном. Большая часть транспортного флота — Наливные суда гражданского флотаналивные суда — еще недавно строилась без второго дна и имела своеобразную конструкцию (рис. 3), однако в последнее время большинство новых танкеров оборудуются вторым дном и даже вторыми бортами. Это делается во избежание катастрофического разлива жидких грузов, о чем имеются специальные международные соглашения.

Рис. 3 Днищевые конструкции танкера.
1 — вертикальный киль; 2 — поперечная переборка; 3 — продольная переборка; 4 — флор; 5 — продольное ребро

Второе дно делается почти на всех, даже небольшого размера, судах, перевозящих грузы, пассажиров, а также промысловых и технических судах и на военных кораблях.

Две почти параллельные листовые поверхности соединяются между собой вертикальным килем и днищевыми стрингерами, идущими вдоль судна, и флорами, расположенными поперек. Только оконечности судов имеют одинарное дно в форпике и ахтерпике. Небольшие суда по всей длине или на части ее имеют также одинарное дно (рис. 4). Еще совсем недавно все танкеры не имели второго дна. Транспортные суда имеют днищевые перекрытия почти плоской прямоугольной формы, и только в оконечностях они получаются наклонными по бортам из-за килеватости. Без достаточных причин малая килеватость долго сохранялась и для перекрытий днища в средней части (1,5—2 °), однако в последнее время от этого отказались, в результате упрощается постановка в док. Долго считали, что килеватость нужна для стока воды в двойном дне, при этом не учитывали, что в эксплуатации судно всегда плавает с небольшим креном и вода стекает и без килеватости днища к местам ее сбора в колодцы.

Рис. 4 Виды конструкций днища судна без двойного дна (а, б).
1 — сплошной флор; 2 — поперечная переборка; 3 — кница; 4 — днищевой стрингер; 5 — вертикальный киль; 6 — вертикальное ребро жесткости флора (стойка флора); 7 — уширенный поясок

Днищевые перекрытия подразделяются на стандартные и нестандартные в зависимости от конструктивных особенностей и действующих нагрузок.

Стандартные перекрытия прямоугольные по форме и симметричные относительно продольной и поперечной осей, загруженные равномерно распределенной нагрузкой. Они состоят из балок главного направления — флоров — и перекрестных связей вертикального киля и днищевых стрингеров, на которые опираются листы наружной обшивки днища и листы настила второго дна. С целью увеличения устойчивости тонких листов днища, второго дна, вертикального киля и днищевых стрингеров появляется необходимость в установке большого количества продольных балок. Все балки главного направления имеют одинаковую конструкцию и концами опираются на вертикальные перекрытия корпуса, так же как и перекрестные связи. Эти вертикальные перекрытия создают опорный контур для каждого днищевого перекрытия. Как балки главного направления, так и перекрестные связи стандартных перекрытий устанавливаются на одинаковых расстояниях (флоры — между флорами, а стрингеры — между стрингерами).

Нестандартные перекрытия загружены неравномерной нагрузкой и сосредоточенными усилиями. В плане форма их близка к прямоугольной, однако симметрия конструкций нарушается установкой различных фундаментов под механизмы и делительных переборок и т. п.

Определив требуемый момент инерции поперечных сечений корпуса в зависимости от конструктивных особенностей проектируемого судна, можно рассчитать площади верхнего и нижнего поясков эквивалентных брусьев (с учетом требований к конструкции данного типа судна).

Полученные для этих поясков площади необходимо рационально распределить между листами и продольными балками набора днища и палубой, обязательно учитывая:

• местную прочность перекрытий;
• технологичность изготовления;
• ремонтопрочность;
• удобство эксплуатации;
• стоимость;
• вероятность коррозии и износа.

Рассмотренная система набора днища обычная продольная, которая является основной для всех транспортных судов. Для судов же малого размера используется поперечная система с часто поставленными флорами, вертикальным килем и с одним или двумя днищевыми стрингерами (см. рис. 2). Для таких судов листы обшивки выбирают достаточной толщины, исходя из условий износа, технологии изготовления; для их устойчивости не требуется ни устанавливать продольные балки, ни дополнительной площади для нижнего пояска эквивалентного бруса.

Днищевые перекрытия в носовой оконечности

В форпике и ахтерпике на всех судах второе дно отсутствует по причине трудностей при постройке оконечностей, а условия живучести обеспечиваются близким расположением концевых переборок от штевней (рис. 5, 6). На судах небольшой длины двойное дно не делают, а днищевой набор сверху открыт (см. рис. 2). Такая конструкция называется одинарным дном.

Рис. 5 Форпик современного судна.
1 — таранная переборка; 2 — палубная бака

Арочная форма носовой оконечности облегчает ее вход в воду при качке, а удары в днище наблюдаются в месте перехода носового заострения корпуса к его цилиндрической вставке. Удары в днище и сотрясения корпуса сопровождаются ударами в развал носовой оконечности (рис. 6), которые при большой скорости движения вызывают не только сотрясение всего корпуса, но и дополнительные местные нагрузки.

Рис. 6 Ахтерпик.
1 — переборка ахтерпика; 2 — палуба юта

Качка сопровождается частичным погружением судна носом в воду и всплытием, при этом днище может оголяться в момент подъема носовой оконечности и при обратном движении ударяться о поверхность волны, которая движется навстречу. При больших ускорениях во время качки сила гидравлического удара может быть значительной и вызвать повреждение днищевых перекрытий. Удары от днищевого и бортового слемингов зависят прежде всего от формы корпуса, особенно носовой его оконечности, скорости движения судна и отношения его осадки к длине (рис. 7).

Рис. 7 Специальные формы корпуса в оконечностях

При движении во льдах носовая подводная часть днища испытывает значительные удары о льдины, уходящие под днище, особенно при движении судна вплотную за ледоколом. Большие нагрузки на днищевые перекрытия возникают и на мелководье, когда транспортное судно и ледокол могут прижимать уходящий под корпус лед к грунту. Получается как бы посадка судна на мель через лед. Это с полной очевидностью подтверждается работой судов ледового плавания на мелководье в Восточной Арктике.

В последние годы на всех судах ледового плавания днищевые перекрытия опираются на двойные борта, что обеспечивает непотопляемость при пробоинах. Кроме этого, в районе скуловых образований в днище монтируется обмывающее устройство. Поток воздуха или воды вдоль корпуса увеличивает ледопроходимость как транспортов, так и ледоколов. В двойных бортах у днища монтируется и подруливающее устройство.

Рис. 8 Распределение давления от слеминга по длине судна при различной осадке.
1 — d/L = 0,0333; 2 — d/L = 0,0417; 3 — d/L = 0,050; 4 — d/L = 0,0591; U-образные шпангоуты; – – – – V-образные шпангоуты

На некоторых судах с целью увеличения объемов для хранения жидкого балласта сразу за таранной переборкой устраивают диптанки, которые сверху закрываются платформой, являющейся как бы продолжением второго дна до транспортной переборки в виде уступа. Во избежание повреждений от днищевого слеминга систему набора в диптанках выполняют клетчатой, напоминающей стрингерную систему набора (рис. 9).

Рис. 9 Днищевое перекрытие с клетчатой системой набора

Переход продольной системы днища в клетчатую делают постепенным, как это показано на рис. 10.

Рис. 10 Днищевое перекрытие с туннельным килем и с продольной системой набора

Действительно, для удобства сборки продольные балки на поперечных переборках обычно разрезают, и их концы закрепляют с помощью книц или бракет (рис. 11, а).

Рис. 11 Варианты соединений днищевых продольных балок с водонепроницаемым флором Δ≤s/2:
а — соединение продольных балок с непроницаемым флором без разреза; б — то же с разрезом

В некоторых случаях продольные балки пропускают через отверстия в переборках, так же как они пропускаются через флоры (см. рис. 11, б).

Рис. 12 Двойное дно с продольной системой набора

На рис. 13 показан отдельный флор с большим количеством вырезов по днищу и второму дну для прохода продольных балок и соединений этих балок между собой с помощью вертикальных стоек. Там же показано соединение разрезанных на поперечной переборке двух продольных балок, лежащих в одной вертикальной плоскости, с помощью бракет (см. рис. 12).

Общие требования к днищевым перекрытиям

На некоторых сухогрузах днищевые перекрытия достигают в длину до 40 м при ширине около 20 м. Это позволяет перевозить крупногабаритные грузы, такие как паровозы, вагоны, цистерны и детали заводского оборудования в сборе, с целью быстрого их монтажа на месте будущего использования.

Общие требования к днищевым перекрытиям судов могут быть сформулированы следующим образом:

1. Листы обшивки вместе с подкрепляющими их балками продольного набора должны иметь общую прочность поперечного сечения, достаточную для восприятия усилия от общего продольного изгиба и такую же, как нижний поясок эквивалентного бруса;
2. Перекрытия днища и все их элементы должны обладать достаточной прочностью, чтобы местные нагрузки воспринимать без повреждений и передавать их на опорный контур — вертикальные перекрытия (борта, продольные и поперечные переборки);
3. При продольной системе набора продольные балки работают совместно с присоединенными поясками, обеспечивая достаточную устойчивость листов при сжатии. При отсутствии продольных балок устойчивость на малых судах обеспечивается толстыми листами;
4. Продольные и поперечные балки набора днища должны обеспечивать устойчивость целого перекрытия и одновременно прочность и устойчивость отдельных пластин, заключенных между ними. Днищевые перекрытия должны также противостоять усилиям, передаваемым вертикальными перекрытиями (бортами, переборками), для которых днище служит опорным контуром;
5. Сложные днищевые перекрытия должны быть доступны для осмотра, окраски, очистки и ремонта, а при постройке обеспечивать выполнение технологических операций с высоким качеством. В двойном дне должны быть предусмотрены лазы (вырезы в высоком листовом наборе) для перемещения в нем среднего по размерам человека;
6. Высота двойного дна зависит от назначения судна и на больших рудовозах, например, доходит до 6 м;
7. Днище с бортами и переборками должно соединяться с помощью простых и надежных конструкций;
8. Для перемещения вдоль судна, а также осмотра и ремонта магистральных трубопроводов в районе диаметральной плоскости вместо вертикального киля устраивают туннельный киль (рис. 13). В эксплуатации встречаются суда и с двумя туннельными килями.

В последнее время на крупных балкерах отмечалось возникновение многочисленных повреждений в виде трещин и остаточных деформаций в сложных конструктивных узлах трапециевидных опор.

Рис. 13 Туннельный киль в ДП

В связи с этим ИМО обращает внимание судовладельцев на необходимость следить за целым рядом узлов, надежность работы которых вызывает сомнение. Большая часть повреждений, как показывает проф. А. И. Максимаджи, неожиданно появляется в оконечностях, а не на миделе в одинаковых по конструкции узлах. Он это объясняет тем, что до сих пор при общем продольном изгибе не учитывается влияние большой величины касательных напряжений в оконечностях и влияние динамических внешних нагрузок в результате ударов днищем и носом о поверхность воды.

Все перекрытия, образующие Корпус судна и предъявляемые к нему требованиякорпус судна, имеют многочисленные узлы пересечения продольного и поперечного проборов, которые оказывают решающее влияние на работу перекрытий и, в конечном счете, всего судна. Выбор рациональных узлов конструкций осуществляется в соответствии с рекомендациями Правил и Норм. Часто используют типовые узлы, разрабатываемые специальными научно-исследовательскими организациями и утвержденные Морским Регистром судоходства. В зависимости от возможностей проектировщиков в конструкцию вводят дополнительные изменения, но также с разрешения Регистра. Это необходимо делать на судах новых конструктивных типов, конструкции которых изменены с учетом требований эксплуатации и которые вследствие этого вызывают новые внешние нагрузки и иное распределение напряжений.

Исследования на крупномасштабных моделях и натурные эксперименты позволяют внести существенные изменения и улучшения в потенциально опасные узлы корпуса. Так, появились новые конструктивные решения по использованию перекрытия с балками только одного направления и системы И. Г. Бубнова, состоящей из часто поставленных стрингеров. Такая система оказывается особенно рациональной для двухкорпусных судов (двойное дно, двойные борта, двойные палубы, образованные вторым дном, вторыми бортами и вторыми палубами), так как позволяет избежать многочисленных деталей в виде бракет, книц и стоек, которые обеспечивают, например, крепление продольных балок у поперечных переборок и в местах их прохода через поперечные днищевые рамы-флоры, бимсы и рамные шпангоуты.

Пересечение громадных вертикальных и горизонтальных перекрытий, опирающихся друг на друга и одновременно служащих опорными конструкциями, часто сопровождается возникновением повреждений. До сих пор остаются вопросы, связанные с работой взаимно пересекающихся конструкций, а также образующихся узлов с вырезами, рамами и кницами. Использования результатов накопленного опыта часто оказывается совершенно недостаточно для создания новых конструкций, так как точные конструктивные расчеты всегда отсутствуют, а имеющиеся не всегда сразу дают положительные результаты.

Будет интересно: Изменение технологии грузовых работ и перевозки грузов — определяющий фактор в развитии конструктивных типов судов

Узлы соединений, работая как отдельные конструкции, часто неожиданно получают повреждения в виде трещин, которые могут распространяться до опасных пределов. Особые трудности возникают при учете деформаций сдвига высоких листовых конструкций новых типов судов, которые не учитываются Регистром и Нормами при расчетах местной прочности.

Туннельный киль (рис. 14) образует вблизи диаметральной плоскости мощную днищевую составную килевую балку, которую иногда называют доковым килем. Такая балка улучшает передачу усилий от кильблоков дока на днищевые перекрытия и поперечные переборки. Последние в плоскости докового киля имеют мощные доковые стойки, воспринимающие большие связывающие усилия, передаваемые на переборки в местах опирания килевой балки.

Рис. 14 Днищевое перекрытие с продольной русской (стрингерной) системой набора:
а — туннель смещен от ДП к борту; б — туннель расположен в ДП.
1 — обшивка днища; 2 — вертикальный киль; 3 — туннель, смещенный к борту от ДП; 4 — второе дно; 5 — двойной туннель в ДП

Толщины листов днищевой обшивки назначают по рекомендациям Правил в зависимости от системы набора в средней части и в оконечностях. Пояс в ДП — горизонтальный киль — располагается под вертикальным килем или под килевой балкой и утол­щается с целью увеличения прочности. В случае дополнительно­го туннельного киля он располагается в стороне от диаметральной плоскости (см. рис. 14).

На судах с одним дном вертикальный киль (средний или центральный кильсон) идет по всей длине судна вместе с утолщенным горизонтальным килем. В трюмах для размещения груза поверх флоров киля и кильсонов делают деревянный настил.

На навалочниках, перевозящих руду и металлолом, двойное дно значительно усиливают за счет специального набора и утолщения настила второго дна. Это позволяет безопасно воспринимать большие сосредоточенные нагрузки, возникающие при сбрасывании кусков металла и руды, а также при касании грейфера при разгрузке. Такие же усиления двойного дна требуются для паромов и судов с горизонтальной погрузкой. Тяжелые грузы на колесах при качке, будучи размещенными на втором дне, должны быть надежно затеплены. В случае перевозки очень тяжелых грузов, не предусмотренных проектом судна, прочность двойного дна и бортов должна рассматриваться перед погрузкой, и, если потребуется, придется подкреплять их дополнительно.

С целью восприятия сосредоточенных усилий от контейнеров, колес вагонов, трейлеров в двойном дне устраивают специальные подкрепления (рис. 15).

Рис. 15 Подкрепления под углами контейнеров в двойном дне:
а — поперечное сечение днища контейнеровоза; б — стойки и бракеты в двойном дне под углами контейнеров.
1 — днище; 2 — бракета; 3 — днищевой стрингер; 4 — контейнер; 5 — ребро; 6 — вертикальный киль; 7 — второе дно

Нагрузки, действующие на днищевые перекрытия

разных типов судов, как было показано в приведенных выше примерах, значительно отличаются от того, какой груз перевозит судно. Сухогрузные суда с грузом испытывают давление воды снаружи и противодавления грузов, расположенных в трюмах. При движении же порожнем некоторые пустые трюмы могут испытывать только наружное давление. Отсеки для жидкого балласта подвергаются, кроме того, давлению жидкости и динамическим нагрузкам от ударов перемещающихся масс воды внутри корпуса при качке. То же самое наблюдается и на танкерах, идущих с грузом и в балласте.

Расчет днищевых перекрытий, опирающихся на борта и поперечные переборки, производится в предположении, что это отпирание абсолютно жесткое. Однако это не всегда так.

Например, навалочники иногда загружают через трюм.

Нагрузка для большинства отсеков воспринимается равномерно распределенной по всей площади отсека и вычисляется для условных положений судна на вершине и на подошве волны с учетом противодавления груза в отсеке.

Ввиду разных условий работы днищевых перекрытий, расположенных в разных районах корпуса судов разного назначения, внешние нагрузки могут значительно отличаться, поэтому применяют разные конструкции. Действительно, форма некоторых перекрытий в плане отличается от прямоугольной, что отражается на расчетах и размерах конструкций. При этом системы набора у разных перекрытий по длине могут меняться. На части перекрытий иногда одна система постепенно переходит в другую (см. рис. 10). Носовые перекрытия на части их длины подвергаются ударам волн, сотрясениям от ударов в развал бортов и в результате заливаемости верхней палубы при вкатывании волн на нее.

Кормовая часть днища на части длины, так же как и носовая, второго дна не имеет; кормовые днищевые перекрытия, испытывающие инерционные нагрузки от работающего винта, движения руля, работы механизмов, которые вызывают вибрацию, требуется дополнительно подкреплять. Сильная вибрация возникает при оголении винтов во время качки и при движении во льдах. Удары льдин часто приводят к серьезным повреждениям днища и поломке винтов.

Как уже было сказано, днищевые перекрытия проектируют в зависимости от перевозимого груза.

Например, балкеры перевозят руду только в средних трюмах между продольными переборками и на высоко расположенном втором дне.

В то же время бортовые балластные отсеки второго дна не имеют (рис. 16). То же самое наблюдается и на контейнеровозах с невысоким двойным дном в средней части.

Рис. 16 Конструктивный мидель-шпангоут рудовоза с двумя продольными переборками

Устройство носовых отделений, топливных и балластных диптанков ведет к нарушению регулярности расположения днищевых перекрытий и возникновению в них дополнительных нагрузок.

На рис. 17 показан конструктивный мидель балкера с двойными бортами и с бортовыми цистернами, не имеющими второго дна. Это судно предназначено для перевозки легких навалочных грузов, поэтому высота двойного дна у него небольшая. На нем днище и борта имеют поперечную систему перекрытий.

Рис. 17 Конструктивный мидель-шпангоут рудовоза с балластными цистернами под палубой

Как отмечалось, в оконечностях для днищевых и бортовых перекрытий используется поперечная система набора, однако известны случаи, когда продольная система набора сохранялась и в оконечностях.

Использование поперечной системы набора Правилами разрешается на судах длиной не более 100—120 м. На судах больших размеров для днища и верхней палубы эта система не рациональна. Однако для нижних палуб и бортов поперечная система набора при определенных условиях обеспечения устойчивости устанавливаемых листов может быть более выгодной, чем продольная. Проектирование конструкций двойного дна судна ведется в зависимости от его типа с учетом нагрузок, действующих в фактических условиях эксплуатации на каждое отдельное его перекрытие.

Внешние нагрузки в носовой оконечности зависят от осадки судна, формы его корпуса, ускорений носовой оконечности во время качки на волнении. Однако на силу ударов о воду может повлиять нарушение правил эксплуатации судов, иногда вызванное необходимостью. Так, п/х «Валерий Чкалов», вынужденный срочно отойти от западного берега Камчатки, под воздействием сильных ударов переломился. Из-за невозможности возвратиться в Сангарский пролив из океана новый т/х «Орехов» получил повреждения днищевой оконечности. Позже все перекрытие пришлось заменить новым.

Давления во время удара прикладываются к днищевому перекрытию на небольшой площади, перемещаясь по длине перекрытий в зависимости от волнения, курса судна и скорости хода. Все эти обстоятельства по-разному открывают днищевые перекрытия ударам о воду.

Предлагается к прочтению: Материалы конструкций корпуса, активно используемые в судостроении

Большая килеватость носовой оконечности в форпике, а у некоторых судов и дальше к миделю предотвращает появление остаточных деформаций, несмотря на очень сильные удары. Это особенно проявилось на судах типа «Омск» японской постройки.

На судах типа «Омск» повреждения значительно отличались, несмотря на близкие условия их эксплуатации, что объяснялось разной степенью мастерства капитанов. В то же время на этих судах районы днища с большой килеватостью не имели повреждений.

Удары днищем о воду на некоторых судах распространяются на днищевое перекрытие следующего за форпиком первого трюма, а при малой осадке носом — даже на носовую часть второго трюма. Трудности с удифферентовкой порожнего судна при достаточном заглублении гребного винта во время сильного шторма заставляют капитана создавать большой дифферент на корму, что увеличивает интенсивность ударов в днище, но уменьшает вибрацию кормы.

Конструкции в районе прохода валопровода требуют особого внимания. Вал проходит через высокие флоры с вырезами (рис. 18), которые являются источниками образования высоких местных напряжений, опасных при большой величине знакопеременных нагрузок. Это надо учитывать при проектировании.

Рис. 18 Конструкции в ахтерпике с очковыми флорами для выхода гребного вала к винту.
1 — ахтерпиковая переборка; 2 — настил второго дна в машинном отделении; 3 — днищевая обшивка; 4 — очковый флор; 5 — борт судна; 6 — платформа в машинном отделении

Напряжения от изгиба днищевого перекрытия σ2 могут быть определены непосредственными методами расчета целого отсека, в составе которого имеется днищевое перекрытие, на действие всех видов нагрузок, используя МКЭ и современные его модификации. Однако этот метод весьма трудоемок; в обычной расчетной практике его использование затруднено.

Условность выбора параметров внешних нагрузок и допускаемых напряжений позволяет использовать простейшие расчетные схемы, когда судно расчленяется на отдельные функциональные составляющие. Это разрешается делать как Правилами, так и Нормами прочности, которые предполагают применение расчетных схем, основанных на гипотезах плоских сечений и прямых нормалей. Расчетные схемы должны отражать особенности конструкции и давать достоверное представление о напряженном состоянии отдельных связей, образующих перекрытие. Однако до настоящего времени сложно реально представить перекрытия в виде системы балок и охарактеризовать напряженное состояние отдельных балок.

Присоединенные пояски

Листы обшивки и настилов, образующих корпус судна, подкрепляются балками набора. Они образуют простые и сложные днищевые перекрытия, которые отличаются по конструкции в зависимости от конструктивного типа судна. Однако обшивка, работая совместно с подкрепляющими ее листы балками, загружается неравномерно. Панели перекрытий, расположенные между соседними продольными и поперечными балками набора, находясь под нагрузками, загружаются неравномерно. По мере удаления от мест присоединения стенок балок напряжения в листах уменьшаются (рис. 19).

Рис. 19 Распределение напряжений в листах с набором

Можно считать, что напряжения в поперечных сечениях панелей располагаются равномерно только в случае очень небольшого расстояния между соседними балками набора. При использовании в расчетах корпусных конструкций теории изгиба стержней вводится понятие присоединенного пояска части листов, работающих совместно с балками набора. Если расстояние между балками большое, то при изгибе ребер вместе с листами набора средние части панелей оказываются работающими как бы не полной своей площадью.

В расчетах используется искусственный прием, при этом считается, что работает только часть панели, прилежащая к месту приварки стенки балки к листам. Эта часть листов обшивки и есть присоединенный поясок, который имеет прямоугольное поперечное сечение и загружен равномерно.

Ширина присоединенного пояска:

bпр=2σmax·∫0b/2σx·dy,

где:

• σmax — максимальные нормальные напряжения, действующие по линии присоединения стенки балки набора к листам;
• b — расстояние между соседними балками, ограничивающими панель;
• σх — нормальные напряжения, меняющиеся по ширине присоединенного пояска.

Предполагается, что нормальные напряжения по ширине присоединенного пояска распределены равномерно, а часть листа каждой панели, расположенной между присоединенными поясками, совсем не работает (она как бы отсутствует вообще).

На рис. 20 показаны границы днищевого перекрытия сухогрузного судна (переборки и борта) и его конструкция, состоящая из часто расположенных флоров, туннельного киля, установленного в ДП, и двух стрингеров с каждого борта.

Рис. 20 Днищевое перекрытие с поперечной системой набора.
1 — поперечная переборка; 2 — стойка переборки; 3 — водонепроницаемый флор; 4 — флор; 5 — флор; 6 — днище; 7 — стенка туннельного киля; 8 — прерывистый стрингер; 9 — борт

Число днищевых стрингеров регламентируют Правила Регистра в зависимости от ширины судна В и системы набора перекрытия.

При поперечной системе набора рекомендуется в грузовых трюмах устанавливать сплошные флоры на каждом шпангоуте, т. е. два бортовых шпангоута с разных бортов располагать в одной плоскости с каждым флором. В таком случае шпангоуты вместе с бимсом или с двумя полубимсами образуют замкнутую или открытую шпангоутную рамку (расстояние между шпангоутами обычно составляет около 700—900 мм). При продольной системе набора сплошные флоры должны ставиться на каждом третьем шпангоуте.

Большое количество днищевых стрингеров (перекрестных связей) предусматривают и в днищевых перекрытиях с продольной системой набора, при которой сплошные флоры устанавливают на значительно большем расстоянии, чем при поперечной системе (до 3,6 м).

Получила распространение Конструкция судового наборасистема набора, при которой вместо продольных балок на таком же расстоянии размещают днищевые стрингеры: две продольные балки обычной продольной системы набора, расположенные в одной вертикальной плоскости (одна — по днищу, а вторая — по второму дну), заменяют днищевым стрингером с продольными вырезами в его стенке и получают как бы продольные пояски-ребра по днищу и второму дну, разделенные этими вырезами. Эту русскую систему набора, разработанную в русском военном флоте И. Г. Бубновым, в последнее время стали применять на судах транспортного флота и именовать стрингерной системой набора (см. рис. 13, где представлены два варианта системы, отличающиеся расположением туннельных килей).

Если соседние трюмы сухогрузных судов по длине мало отличаются, а загрузка их одинакова, то при расчете днищевых перекрытий днищевые стрингеры считают жестко заданными на поперечных переборках. При этом понимают, что балки главного направления (флоры) при одинарных бортах свободно оперты, а при наличии двойных бортов — жестко или упруго заделаны.

Рекомендуется к прочтению: Корпусные конструкции транспортных судов ледового плавания

При разной длине рассчитываемых трюмов или разной их загрузке для расчета перекрытий необходимо предварительно определить коэффициент опорной пары π, который характеризует степень заделки перекрестных связей на поперечных переборках. Влияние соседних трюмов на работу рассчитываемого днищевого перекрытия данного трюма можно учесть, выполнив совместный расчет для нескольких соседних днищевых перекрытий как неразрезанных. При этом определяется и коэффициент π.

Рассматривая днищевые перекрытия наливных судов, можно заметить, что на всей ширине судна танкеры при двух продольных переборках имеют три днищевых перекрытия (рис. 21), а при трех продольных переборках — четыре перекрытия (рис. 22) в отличие от сухогрузных судов с одним перекрытием. Размеры этих конструкций могут значительно различаться. При двойных бортах, которые получают все большее распространение на наливных судах, конструкция днищевых перекрытий значительно отличается от конструкции днища наливных судов с одинарным бортом. Расчеты днища современных танкеров усложняются из-за того, что на многих из них продольные размеры центральных и бортовых танков разные, и их поперечные переборки находятся не в одной плоскости.

Рис. 21 Днищевое перекрытие танкеров с одной (а) и двумя (б) продольными переборками

При расчетах днищевых перекрытий, определении моментов сопротивления площадей поперечных сечений вертикального киля и днищевых стрингеров в площадь присоединенных поясков листов днищевой обшивки и настила второго дна включают площадь поперечного сечения продольных ребер днища и второго дна, которые находятся на присоединенных поясках стрингеров.

Рис. 22 Рамный шпангоут (а), сечение между рамами (б) и продольное сечение по днищу (в) супертанкера с тремя продольными переборками

Прочность связей днищевого перекрытия, испытывающего действие расчетной нагрузки, для поясков балок оценивают по наибольшим нормальным напряжениям, для стенок балок — по средним касательным напряжениям (с учетом вырезов), для опорных сечений киля и стрингеров, где одновременно действуют нормальные σ и касательные τ напряжения, — по приведенным напряжениям:

σпр=σ2+τ2.

Необходимо учитывать, что как при продольной, так и при поперечной системах набора обычных днищевых перекрытий балками главного направления являются флоры, а перекрестными связями — вертикальный киль и днищевые стрингеры. При стрингерной системе набора за балки главного направления можно принимать часто стоящие многочисленные стрингеры, а за перекрестные связи — редко стоящие по перекрытиям поперечные балки (флоры).

На танкерах длина днищевых перекрытий средних танков иногда отличается от длины перекрытий бортовых танков. Поэтому поперечные переборки отдельных танков не совпадают с поперечными переборками бортовых танков. В результате создаются своеобразные условия для работы флоров. Условия заделки флоров на танкерах при наличии двойного дна отличаются от условий заделки на сухогрузных судах.

Перекрытия центральных танков при двух продольных переборках могут считаться перекрытиями с одной или несколькими перекрестными связями (вертикальным килем и днищевыми стрингерами), опирающимися на поперечные переборки (рис. 23). На рис. 23, б показано поперечное сечение днища танкера с двумя продольными переборками и с двойным дном. Как видно, среднее перекрытие и два бортовых перекрытия имеют продольную систему набора; среднее днищевое перекрытие включает пять перекрестных связей и три флора (балки главного направления), устанавливаемые на расстоянии а, зависящем от длины танкера L.

Рис. 23 Схема днища танкера (а) и поперечное сечение днищевого перекрытия его центрального танка между двумя продольными и двумя поперечными переборками (б).
1 — днищевая обшивка; 2 — настил второго дна; 3 — бортовая рама; 4 — борт; 5 — кница; 6 — продольное ребро; 7 — продольная переборка; 8 — вертикальный киль; 9 — флор; 10 — днищевой стрингер; 11 — поперечная переборка

Продольные ребра, идущие вдоль обшивки днища и настила второго дна танкера-рудовоза (рис. 24), проходят через вырезы во флорах (рис. 25) и крепятся кницами к поперечным переборкам.

Рис. 24 Проход продольных ребер через флоры по днищевой обшивке и настилу второго дна танкера-рудовоза.
1 — днище; 2 — переборка; 3 — заглушка

Иногда продольные ребра проходят через отверстия в поперечных переборках, однако и в этом случае их присоединяют к поперечным переборкам кницами, а отверстия заделывают заглушками.

Рис. 25 Крепление продольных ребер у флора и у поперечной переборки танкера.
1 — продольное ребро второго дна; 2 — вварная планка; 3 — кница; 4 — водонепроницаемый флор под поперечной переборкой; 5 — ребро жесткости водонепроницаемого флора; 6 — продольное ребро днища; 7 — ребро жесткости флора

На рис. 26 показан диптанк в насосном отделении, расположенном в носовой оконечности танкера, где настил второго дна заканчивается не сразу, а продолжается в виде фигурных поясков (фестонов), которые создают постепенный переход от двойного дна к одинарному. Непотопляемость судна при пробоинах наружной обшивки в районе диптанка обеспечивается непроницаемым настилом последнего, выполняющим роль повышенного настила второго дна.

Рис. 26 Диптанк насосного отделения в носовой оконечности танкера.
1 — поперечная переборка диптанка; 2 — палуба диптанка; 3 — отбойная продольная переборка диптанка; 4 — фестоны; 5 — настил второго дна

На танкерах длиной более 200 м в средних и бортовых танках устанавливают днищевые стрингеры посредине между продольной переборкой и вертикальным килем, а также между продольной переборкой и бортом (см. рис. 24). Все эти стрингеры высотой, равной высоте вертикального киля, совместно с вертикальными стойками поперечных переборок и усиленными подпалубными балками (карлингсами) образуют замкнутые продольные рамы, соединенные в углах кницами. Стрингеры и вертикальный киль делают непрерывными между поперечными переборками.

Описанные конструкции двойного дна танкеров отличаются от конструкций двойного дна сухогрузных судов наличием продольных переборок, уменьшающих ширину днищевых перекрытий.

Устройство диптанков в носовой оконечности для приема балласта или жидкого топлива на сухогрузных судах и танкерах одинаково. Во избежание отрицательного влияния жидкостей, заполняющих диптанк, в его ДП устанавливают отбойную непроницаемую переборку с перфорированными отверстиями (см. рис. 25), ограничивающую переливание жидкостей с борта на борт. Вообще схемы перекрытий с двойным дном для танкеров и сухогрузных судов (в том числе и для навалочников) почти не различаются, однако на навалочниках и на рудовозах, а также на комбинированных судах могут устанавливать две продольные переборки с настилом второго дна только между ними (см. рис. 23).

В связи с тем, что днищевые перекрытия при погрузке руды и при ее выгрузке могут испытывать большие ударные нагрузки, их прочность при продольной системе набора увеличивают с помощью дополнительных стрингеров и чаще поставленных сплошных флоров (рис. 27). Подобные же дополнительные днищевые стрингеры устанавливают для восприятия усилий от перемещающейся на колесах техники на судах с горизонтальной грузообработкой и на железнодорожных паромах.

Рис. 27 Двойное дно, имеющее продольную систему набора с дополнительными стрингерами и флорами.
1 — днищевой стрингер; 2 — днище; 3 — подкрепление вырезов в стрингерах; 4 — продольное ребро, 5 — флор; 6 — второе дно

На больших навалочниках, особенно на судах, перевозящих тяжелую руду, днищевые перекрытия у поперечных водонепроницаемых переборок под действием поперечных нагрузок испытывают большие изгибающие моменты и перерезывающие силы. Для их восприятия поперек судна под поперечными переборками на настиле второго дна устанавливают домики (рис. 28), образующие наклонные плоскости — трапецеидальные опоры, подобные тем, которые имеются у бортов для перемещения сыпучего груза под грузовые люки для упрощения выгрузки грейферами или переносными ковшовыми конвейерами. Обшивку наклонных бортов у днища и домиков подкрепляют продольным и поперечным набором.

Рис. 28 Трапецеидальная опора для гофрированной поперечной переборки навалочника.
1 — днищевая обшивка; 2 — туннельный киль; 3 — флор; 4 — второе дно; 5 — подъем второго дна у борта; 6 — трапецеидальная опора; 7— гофрированная переборка

На крупнотоннажных судах независимо от их назначения устраивают туннельные кили, в том числе подвесные. На рис. 29 показаны детали туннельного киля, а также подвесного киля, который располагается рядом с вертикальным килем и по высоте состоит из двух частей.

Рис. 29 Детали конструкций в двойном дне навалочника:
а — вертикальный киль; б — подвесной туннельный киль; в — продольное ребро; г — днищевой стрингер

Напряжения от изгиба продольного ребра σз

При продольной системе набора днищевых перекрытий (рис. 30) в состав поперечного сечения нижнего пояска корпуса кроме поперечных сечений листовых связей вертикального киля, продольных стенок туннельного киля, днищевых стрингеров входят поперечные сечения продольных ребер. Они вместе с листовыми связями обеспечивают устойчивость листов наружной обшивки и листов настила второго дна при их сжатии, а также ограничивают площадь отдельных пластин, заключенных между балками продольного и поперечного набора.

Как уже отмечалось, в продольном наборе возникают продольные напряжения от общего изгиба корпуса σ1 и от изгиба стрингера (как части присоединённого пояска) σ2. Кроме того, в продольных балках, загруженных поперечной нагрузкой, возникают дополнительные продольные напряжения от этой нагрузки.

Каждое продольное ребро можно рассматривать как неразрезанную балку (см. рис. 30), опирающуюся на промежуточные опоры в виде балок поперечного набора (флоры). Жесткость флоров значительно превышает жесткость продольных ребер, поэтому флоры могут приниматься за жесткие опоры для продольных ребер. Участки ребер между флорами при симметрии пролетов продольных балок между флорами и симметричном воздействии внешней нагрузки рассчитывают как однопролетные, жестко заделанные на флорах балки.

Рис. 30 Днищевое перекрытие с продольной системой набора.
1 — второе дно; 2 — пластина (панель), ограниченная балками; 3 — стойка поперечной переборки; 4 — лист поперечной переборки; 5 — водонепроницаемая заглушка; 6 — водонепроницаемый флор; 7 — стенка туннельного киля; 8 — бракета туннельного киля; 9 — проницаемый флор; 10 — продольное ребро между соседними флорами; 11 — горизонтальный киль; 12 — днище; 13 — днищевой стрингер

При выборе необходимого профиля продольных ребер жесткости следует определить площадь присоединенного пояска и по ее значению подобрать момент инерции, минимальный момент сопротивления, приведенные площади стенок тавров. Ширину присоединенного пояска принимают либо равной расстоянию между продольными ребрами жесткости, либо равной а/6, выбирая меньшую из этих двух величин.

В качестве расчетных напряжений днищевого перекрытия принимают наибольшие напряжения в опорных поперечных сечениях продольных и поперечных балок, т. е. в отдельных точках только наиболее нагруженных ребер:

• опорных сечениях у флора и у поперечной переборки;
• в крайней и средней шпациях у флора и у поперечной переборки;
• в крайней и средней шпациях для всех сечений по присоединенному пояску обшивки;
• по свободному пояску продольных балок (см. рис. 32).

Напряжения от изгибов листов обшивки σ4

Листы обшивки днища и настила второго дна, (см. рис. 30) разбиваются на отдельные пластины (панели) соседними продольными и поперечными балками набора, которые для этих пластин служат опорным контуром. Эти пластины считают жестко опертыми по контуру. Их рассчитывают на внешнюю нагрузку — равномерно распределенное давление воды или груза. На рис. 30 такая отдельная пластина второго дна 2 и часть продольных ребер жесткости 10, являющихся опорами для двух продольных кромок пластины, заштрихованы.

При продольной системе набора длинная опорная кромка пластины располагается вдоль судна, а при поперечной — поперек. На рис. 30 также заштрихована пластина туннельного киля 7, опирающаяся на два соседних (заштрихованных) продольных ребра жесткости и два соседних флора. Все пластины обшивки воспринимают равномерное давление столба воды высотой до уровня волнового профиля при возможно наибольшей осадке судна.

В качестве расчетных напряжений принимают нормальные напряжения от изгиба пластин посредине длинной стороны опорного контура.

Суммарные напряжения

При оценке местной прочности элементов днищевых и других перекрытий корпуса есть возможность непосредственно рассчитать целиком отдельные пояски и весь корпус судна на действие всех видов нагрузок, как изнутри, так и снаружи, используя ЭВМ и МКЭ, однако процесс этот требует много времени и затрудняет восприятие физических процессов учащимися. Кроме этого, условность выбора параметров внешних нагрузок и назначения допускаемых напряжений позволяет использовать простейшие расчетные схемы, когда корпус расчленяется на отдельные составляющие. Особенно удобно это делать для сложных днищевых перекрытий.

Прием суммирования нормальных продольных напряжений от общего изгиба σ1 от изгиба перекрытия (стрингера) σ2, от изгиба ребра жесткости σ3 и изгиба пластины σ4 дает полную величину суммарных напряжений, действующих в данной точке. Необходимо, чтобы используемая расчетная схема отражала принципы работы конструкций и давала достаточно близкое представление о напряженном состоянии связей любого корпусного перекрытия.

При замене судового перекрытия системой балок с присоединенными поясками (стержневая схематизация) можно пользоваться более простыми и достаточно надежными расчетными схемами для оценки общего напряженного состояния перекрытия.

Предположим, что необходимо суммировать напряжения для точки А (см. рис. 30). При расчете эквивалентного бруса находят напряжения днища σ1 в этой точке, затем, рассчитав днищевой стрингер, определяют напряжения σ2 (точка А, как это видно на рисунке, располагается на присоединенном пояске, в который входит и продольная балка — продольное ребро жесткости). Далее для этой же точки А вычисляют напряжение σ3 ребра вместе с присоединенным по­яском и, наконец, отыскивают напряжения σ4 в пластине в той же точке А на ее опорной кромке у ребра жесткости.

Суммировать напряжения можно, воспользовавшись принципом независимости действия сил для разных случаев загрузки судна в любой из точек перекрытия (рис. 31), учитывая их знаки (растяжение — «плюс», сжатие — «минус»).

Рис. 31 Схема работы связей днищевого перекрытия под действием поперечной нагрузки:
а — перекрытие до изгиба; б — изгиб стрингера; в — изгиб продольного ребра; г — изгиб обшивки днища.
1 – второе дно; 2 — флор; 3 — поперечная переборка; 4 — обшивка днища; 5 — стрингер; 6 — продольное ребро; цифрами в кружках отмечены возможные места суммирования

Напряжения σ1 и σ2 распределяются на больших площадях, а σ3 и σ4 действуют только в отдельных точках и не могут оказать существенного влияния на общую продольную прочность корпуса. Поэтому при назначении размеров конструкций днищевых перекрытий при общем изгибе судна учитывают только напряжения σ1 и σ2, а напряжения σ3 и σ4 используют при расчете местной прочности отдельных балок набора и пластин.

Категории связей корпуса судна

Все связи корпуса судна в зависимости от количества одновременно действующих в каждой из них компонентов продольных нормальных напряжений делят на четыре категории.

В связях первой категории возникают только напряжения от общего продольного изгиба σ1 (продольные связи верхней палубы при отсутствии на ней груза).

К связям второй категории относят такие, в которых кроме напряжений от общего продольного изгиба σ1 возникают напряжения σ2 от изгиба днищевого перекрытия (вертикального киля, днищевых стрингеров) и от изгиба палубного перекрытия (карлингса), если на палубе размещается груз.

На рис. 32 показано распределение напряжений σ1 и σ2 по двум поперечным сечениям трюма длиной l.

Рис. 32 Схема суммирования напряжений в двух сечениях при двух компонентах напряжений.
I — миделевое сечение; II — отсек между поперечными переборками;
1 — палуба; 2 — поперечная переборка; 3 – флор; 4 — днище; 5 — второе дно

В связях третьей категории действуют продольные напряжения от общего продольного изгиба σ1, от изгиба днищевого перекрытия (стрингера) σ2 и от изгиба продольных ребер жесткости σ3 под действием поперечной нагрузки. При отсутствии продольных ребер жесткости (т. е. при поперечной системе набора) к связям третьей категории относят связи, в которых действуют одновременно σ1, σ2 и σ3 (рис. 33).

Рис. 33 Схема суммирования напряжений в поперечном сечении при трех компонентах напряжений.
1 — нейтральная ось судна; 2 — второе дно; 3 — нейтральная ось перекрестной связи; 4 — нейтральная ось продольного ребра жесткости; 5 — обшивка днища

Связи четвертой категории — это пластины наружной обшивки днища, палубного настила и настила второго днища, палубного настила и настила второго дна при продольной системе набора, когда в них могут возникать все четыре вида продольных напряжений: σ1, σ2, σ3, σ4 (рис. 34).

Рис. 34 Схема суммирования напряжений в поперечном сечении при четырех компонентах напряжений.
1 — поперечное сечение; 2 — нейтральная ось ребра жесткости; 3 — срединная плоскость пластины

А. И. Максимаджи провел подробное исследование целесообразности суммирования разных компонентов продольных напряжений в днищевых перекрытиях и установил, что напряжения от изгиба перекрытия σ2 для судов с двойным дном зависят от соотношения размеров его сторон Lп/Bп. Они достигают максимума, когда это соотношение находится в пределах 1,0—1,4, изменяясь при этом всего на 7%. Однако абсолютное значение σ2 может быть достаточно большим, поэтому при определении площади сечения продольных связей напряжения σ2 надо суммировать с напряжениями от общего продольного изгиба σ1. Для судов с одинарным дном суммировать напряжения не требуется.

Будет интересно: Напряжения в корпусе судна при его общем продольном изгибе

При решении вопросов, связанных с распределением площадей поперечных сечений связей между листами и набором, напряжения от изгиба продольных ребер жесткости σ3 и от изгиба пластин σ4 целесообразно учитывать.