Условия размещения и площадки для размещения статей смотрите здесь
Глава 3 Общие вопросы проектирования корпуса
3.2. Рекомендации по проектированию набора
В Правилах Регистра СССР и Речного Регистра РСФСР, в нормативных
документах и литературе [3,4,15,40J приводятся общие правила и
рекомендации по проектированию набора для всех перекрытий и конструкций
корпуса. К ним относятся правила проектирования балок набора в райопах
резкого изменения сечений и изломов оси, правила выполнения вырезов в
судовом наборе, рекомендации по узловым соединениям балок набора и их
окончанию.
Основным условием работоспособности сварного корпуса является плавное
изменение формы или сечения связей, недопущение совмещения
конструктивных концентраторов напряжений с технологическими или с
изменением механических свойств стали.
Рассмотрим правила и рекомендации по проектированию набора для корпусов
малых судов.
Балки набора целесообразно проектировать так, чтобы напряжение при
действии расчетных нагрузок на отдельных участках были близки к
допустимым. Однако, если не менять поперечное сечение многопролетных
балок, то вследствие изменения нагрузки по длине, разной длины пролетов
и других факторов наибольшие напряжения в пролетах будут близки к
допустимым, а на других участках прочность окажется излишней.
Следовательно, с точки зрения снижения массы и расхода металла
целесообразно использовать ступенчатые балки. При этом переход от одной
высоты балки к другой должен осуществляться плавно на длине (рис. 12).
Концентрацию напряжений в районе излома пояска меньшей по высоте балки
можно уменьшить постановкой по стенке балки в районе излома вертикальных
ребер жесткости, которые следует приварить торцами к пояску, а у обшивки
или палубного настила срезать "на ус", или совмещением излома с
перпендикулярной жесткой связью (сплошным флором, переборкой, рамным
бимсом или карлингсом, опирающимся на пиллерс и т. п.). В этих случаях
длину переходного участка также можно уменьшить.
Стыковые швы стенки и пояска тавровых балок с изменением сечения должны
быть разнесены в соответствии с рис. 12.
Рис. 12. Конструктивное оформление изменения
сечения балки.
Сварные стыки полособульбовых профилей выполняются в месте изменения
сечения с разделкой головки профиля под сварку.
Балки шпангоутной рамы остроскулых судов и судов с прогибью бимсов в
виде ломаной линии, а также продольные подпалубные балки при обеспечении
седловатости по ломаной линии выполняются с изломом оси (рис. 13) в
плоскости стенки балки.
Рис. 13. Балки с изломом оси: а- подпалубная
балка; б - на борта-днища.
При углах излома нейтральной оси балки сечение по излому
считается равным прочности поперечного сечения балки вне излома, а если
углы излома лежат в пределах, то излом следует выполнять из жесткой
связи либо усиливать его кницей, увеличением площади сечения и т. п.
Днищевые стрингеры, карлингсы и другие продольные балки часто
выполняются с изломом оси в горизонтальной плоскости, что
обусловливается сужением корпуса к оконечностям, вырезами в палубе,
целесообразностью использования данных балок в качестве фундаментных и
другими мерами. Такой излом продольных балок должен быть выполнен на
поперечных связях, а угол излома не должен превышать 15°. Свободный и
присоединенный пояски в месте излома необходимо приварить к стенке
усиленным сварным швом (в каждую сторону от стыка стенки) на длине,
равной высоте балки.
Многие балки набора идут не по всей длине или ширине судна. В местах
окончания этих балок их пояски и стенки (иногда только пояски или только
стенки - в зависимости от конструкции узла) следует срезать "на ус" на
длине, равной полутора размерам ширины пояска или полутора высотам
стенки. При этом на свободном конце следует оставлять нескошенный
торцевой участок (притупление), равный для пояска утроенной его толщине,
а для стенки- 10-15 мм.
В местах окончания основных продольных балок палубы и днища - карлингсов,
вертикального киля и днищевых стрингеров - предусматривается уменьшение
их высоты на длине, которая должна быть не менее полутора высот балок.
Концы этих связей следует довести до ближайшей поперечной связи и
приварить к ней.
В местах окончания фальшбортов, скуловых килей и других связей,
привариваемых к корпусу, их высота гоже постепенно уменьшается на длине,
составляющей не менее полутора высот этих связей.
Рассмотрим правила проектирования вырезов в балках судового набора.
Вырезы в балках судового корпуса делаются с целью облегчения
конструкции, для прохода трубопроводов, кабельных трасс, балок другого
направления и для обеспечения стока воды или нефтепродуктов к приемникам
систем. Все вырезы в балках набора должны иметь скругленные углы и
гладкие кромки.
По конструктивному оформлению вырезы разделяются па неподкрепленные и
подкрепленные. Подкрепленные вырезы сложнее в изготовлении. Вырезы,
выполняемые в стенках балок набора для облегчения конструкции, как
правило, не подкрепляются. Форма и основные размеры неподкрепленных
вырезов даны в табл. 29.
Вырезы, не подкрепленные размерами, указанными в таблице, могут быть
выполнены в средней части пролета балки на 0,5 ее длины, во флорах и
стрингерах, расположенных в оконечностях - на 0,25 длины от носового и
кормового перпендикуляров. В бортовых стрингерах, расположенных в районе
ватерлинии судов и имеющих ледовые усиления, а также в рамных
шпангоутах, бортовых стрингерах, рамных стойках и шельфах переборок в
районе 0,25 длины пролета от опор балок не допускается делать
неподкрепленные вырезы шириной более 0,25 высоты стенки балки.
Допустимость выполнения вырезов без подкреплений на 0,25 длины пролета
от опор балок, где балки испытывают действие больших перерезывающих енл
и изгибающих моментов, а также вырезов в рамных балках ближе 0,25 длины
их пролета от опор должна проверяться расчетом, если в Правилах [36, 37]
нет конкретных указаний по данному вопросу.
Вырезы шириной более 0,25 высоты балки должны подкрепляться, если они
выполняются в следующих районах:
опорных сечений, на участке, равном 1,5 высоты балки, в каждую сторону
от опоры;
резкого изменения сечений и изломов оси балок на расстоянии, равном
высоте балки от места излома;
в средней части вертикального киля, в районе 0,75 длины судна;
во флорах машинного отделения; в районе установки книц и пиллерсов.
Всякие отступления от вышеперечисленных требований должны быть
обоснованы. Если напряжения от общего изгиба судна в вертикальном киле
значительно меньше допустимых, то в его стенке можно сделать вырезы и в
средней части длины судна.
Вырезы в кницах, соединяющих рамный набор, делать не рекомендуется во
избежание потери устойчивости книц, но если вырезы необходимы, то их
размеры следует принимать возможно меньшими, а контур подкреплять
пояском.
В результате воздействия больших ударных нагрузок на днищевой набор (при
слеминге, посадке на мель) в районе вырезов
наблюдается потеря устойчивости стенок флоров и стрингеров, что может
быть устранено подкреплением вырезов:
Рис 14 Заделка вырезов для прохода балок
главного направления: а - стыковое соединение; б - нахлесточное
соединение.
пояском размерами , установленным на расстоянии не более 10 мм от
кромки выреза; утолщенными листами в районе выреза; ребрами жесткости,
установленными от кромки выреза на расстоянии, которое должно быть не
менее толщины стенки балки. Концы этих ребер срезают "на ус" или доводят
до ближайшей балки набора, расположенной под утлом к ребру жесткости.
Для прохода электротрасс и трубопроводов выполняют круглые вырезы.
Если необходимы вырезы, размеры которых превышают допустимые, в районе
выреза должна быть увеличена высота или толщина стенки на величину,
пропорциональную уменьшению площади сечения стенки балки в районе
выреза.
Для прохода балок главного направления разрешается делать вырезы в
стенках перекрестных связей, если высота перекрестной балки превышает
высоту балки главного направления не менее чем на 60 % В противном
случае стенки перекрестной балки утолщают на величину, пропорциональную
уменьшению площади сечения стенки балки в связи с вырезом, или выполняют
заделки вырезов по всей длине (рис 14). Вырезы должны отстоять от излома
сечения на расстоянии не менее половины высоты стенки перекрестной
балки.
Большие вырезы в стенках рамных балок главного направления, а также
острые углы в вырезах могут привести к образованию трещин как в стенке
рамной балки, так и в обшивке. Поэтому такие вырезы следует
компенсировать заделками в районе носовой части судов, испытывающих
слеминг, в районе машинного отделения, в местах приложения
сосредоточенных нагрузок и в районе опорных сечений перекрестных балок.
При проектировании корпуса судна должен соблюдаться принцип совмещения
балок набора смежных перекрытий в одной плоскости для образования рам.
На основе опыта эксплуатации малых стальных судов выявлены типы узловых
соединений балок, в которых через три - пять лет эксплуатации появляются
повреждения. Затраты на устранение этих повреждений довольно
значительные. Их можно избежать, если при проектировании обеспечить
правильное конструктивное оформление узлов.
Рис. 15. Соединение поясков тавровых балок; а -
непосредственная приварка встык; б - соединение с крестовидной вставкой.
1 - рамная стойка; 2 - шельф. 3 - неганка
Причинами нарушения конструктивной прочности узлов и их отдельных
элементов являются наличие в узлах "жестких точек", напряжения в которых
превышают предел прочности при статических нагрузках или предел
усталости при переменных нагрузках, и неблагоприятное совмещение в узле
конструктивных и технологических концентраторов напряжений.
Ниже рассматриваются примеры неправильного конструктивного оформления
узлов с разбором причин и характера повреждений и даются рекомендации по
конструированию более надежных узлов.
Непосредственная приварка встык поясков пересекающихся балок (рис. 15,
с) при действии значительных динамических нагрузок или интенсивной
вибрации приводит к образованию трещин вследствие неблагоприятного
совмещения конструктивного (прямой угол) и технологического (сварной
шов) концентраторов напряжений. В этом случае рекомендуется соединять
пояски балок набора с помощью специальных крестовидных переходных
вставок (рис. 15,6). Соединение пояска балки с переходной вставкой
должно быть выполнено на расстоянии, равном не менее половины ширины
пояска от начала скругления переходной вставки.
К районам интенсивной вибрации следует отнести район кормовой
оконечности до сечения, отстоящего в нос от носовой кромки ступицы
гребного винта на расстоянии, равном не менее двух диаметров винта (но
не менее чем до переборки ахтерпика), а также район машинного отделения
и места установки неуравновешенных механизмов.
При действии статических нагрузок нет необходимости вваривать
специальные переходные вставки, т. е. пояски пересекающихся балок можно
сварить встык, как показано па рис. 15, о. что сделать значительно
легче.
Конструкция корпуса в районе повышенных нагрузок, ударов и вибрации
может быть усилена постановкой продольных ребер. Концы этих ребер
рекомендуется доводить до жестких связей и приваривать кницами к ребрам,
поставленным по стенкам жестких связей. Подкрепляющие ребра следует
приваривать к обшивке сплошным швом и не допускать гребенчатых
соединений, которые в данном случае опасны как концентраторы напряжений.
В районах бортовых перекрытий, на которые действуют удары волн, давление
льда, а также нагрузки, возникающие при швартовке на волнении к другим
судам или причалам, может потребоваться установка промежуточных
шпангоутов. При свободном окончании нижних концов этих шпангоутов
возможна потеря устойчивости и отрыв концов от обшивки, поэтому
необходимо нижние концы промежуточных шпангоутов крепить на продольных
разрезных ребрах, приваренных к обычным или рамным шпангоутам. Нельзя
кренить на неподкрепленной обшивке борта также бракеты фундаментов и
другие конструкции.
Рис. 16. Крепление разрезных Палок на
переборках: а - неправильное, б - правильное. 1 - "жесткий точка"; 2 -
палуба, борт, днище; 3 - переборка; 4 -полоса
Разрезаемые на переборках балки набора принято крепить кницами. На
рис. 16 показаны неправильно и правильно конструктивно оформленные узлы.
В местах опирания концов на неподкрепленные участки переборки возникают
"жесткие точки". "Жесткие точки" возникают также при опирании концов
более жестких связей (книц, балок) на обшивку, имеющую значительно
меньшую жесткость в направлении основной нагрузки. При воздействии на
переборку гидродинамических и вибрационных нагрузок в районе "жестких
точек" появляются трещины, которые можно предотвратить, если применить
скругленные или прямые кницы, в местах окончания которых к переборке
приварить полосы или ребра жесткости (см. рис. 16,6).
В узлах соединения рамных балок необходимо устанавливать кницы
достаточных размеров и доводить их до ребер жесткости, приваренных к
стенке рамной балки. Вырезы для пропуска балок другого направления на
расстоянии, равном двум высотам балки от ее опорного сечения, должны
быть заделаны. Пример такой конструкции показан на рис. 17. При
установке книц меньшего размера у их концов в стенке стрингера могут
появиться трещины.
Рис. 17. Типовой узел пересечения балок.
Рис. 18. Установка переходной кници. 1 -
платформа; 3 - трещина: 3 - переборка, 4 - варианты установки переходной
кницы удачный, неудачный).
Приварка фланцев и поясков книц или бракет к обшивке, палубному
настилу или к обшивке переборок вызывает появление "жесткой точки".
Поэтому фланцы необходимо срезать "на ус", а концы книц совмещать с
балками набора или другими конструкциями.
На рис. 18 показана установка переходной кницы в районе платформы
цистерны. Если кницу довести до продольной переборки, а фланец срезать
"на ус", то появление трещин в платформе и поперечной переборке будет
предотвращено.
Стенки высоких балок (рамных шпангоутов, рамных бимсов, карлингсов и
других балок) должны прикрепляться ребрами жесткости, установленными
нормально к свободному пояску. Если эти балки поддерживают балки
главного направления, то ребра жесткости должны быть установлены в
плоскости каждой второй балки (не реже). Некоторые балки главного
направления крепятся к рамным балкам кницами. Если конец кницы будет
заканчиваться на стенке рамной балки, то возникает "жесткая точка", и в
стенке могут появиться трещины. Поэтому концы книц и торцы ребер следует
приваривать к пояску так, как показано на сечении А-А рис. 12.
При подкреплении гофрированных конструкций рамными балками устанавливают
кницы. Их следует доводить до пояска рамной балки и приваривать к нему,
оставляя кромку пояска, ширина которой должна быть не менее его толщины,
не подкрепленной во избежание нарушения гладкости ее поверхности в
процессе сварки. Если кницы не совпадают с углами гофров, их концы
следует подкреплять полосами высотой, равной высоте гофра. Рекомендуемое
конструктивное оформление такого уз -а показано на рис. 19.
Наглядным примером опасного совмещения конструктивного и
технологического концентраторов напряжения может служить соединение
шпангоута со скуловой кницей (флором, поперечной фундаментной балкой),
показанное на рис. 20. Соединение нижних концов шпангоута со скуловыми
кницами применительно к конструктивным схемам, показанным па рис. 21.
может быть как нахлесточным, так и стыковым.
Рис. 19 Установка книц для крепления рамной
балки
Рис. 20 Пример совмещения конструктивного и
технологического концентраторов напряжения
Рис. 21 Конструктивные схемы соединения
шпангоутов со скуловыми концами и флорами
Чтобы не допускать совмещений конструктивного и технологического
концентраторов напряжения, профильные балки не должны стыковаться в
сечении, ослабленном вырезом.
При проектировании корпусных конструкций по судну-прототипу следует
иметь в виду, что в конструктивных чертежах прототипа возможны
отклонения от вышеперечисленных рекомендаций, многие из которых даны на
основе исследований прочности и работоспособности корпусных конструкций,
выполненных за последние годы, т. е. после того, как был спроектирован
прототип.
