Остойчивость при больших наклонениях 4 страница

Вид такой диаграммы показан на: рис.4.34. Здесь кривая М_вд предсталяет диаграмму судна с эквивалентным неподвижным грузом, кривая / соответствует пересыпанию груза при крене судна на правый борт, кривая II - крену на левый борт. Точки 1 и Г соответствуют наибольшим остаточным углам крена, точки 2

и 2' отвечают нулевому углу пересыпания груза /? = 0; \в\ = а. Если при каком-

нибудь угле крена судно изменит направление наклонения, то переход от одной ветви диаграммы на другую происходит по переходной кривой, например, по кривой аЪ на рис.4.34, протяженность таких кривых 2а. Таким образом, диа­грамма остойчивости судна с сыпучим грузом имеет две ветви, соответственно при наклонении на правый и левый борт. При уменьшении угла покоя а обе ветви сближаются и при а = 0 они сливаются в одну кривую 0, соответствующую случаю жидкого груза.

Рисунок 4. 34. Диаграмма остойчивости судна с сыпучим грузом

4.9. НОРМИРОВАНИЕ ОСТОЙЧИВОСТИ

4.9.1. Предварительные замечания

Установление норм, которым должна удовлетворять остойчивость судна для обеспечения в достаточной степени безопасности его эксплуатации, прежде всего в отношении опрокидывания, является одной из узловых проблем остойчи­вости.

Первые предложения по требованиям к остойчивости относятся к концу XIX столетия. Основываясь на сопоставлении элементов диаграмм статической остойчивости судов, потерпевших аварии вследствие недостаточной остойчиво­сти, и судов, благополучно эксплуатирующихся при тех же условиях плавания, отдельными авторами были рекомендованы минимальные значения начальной метацентрической высоты и плеч остойчивости при некоторых, выбранных в ка­честве характерных, углах крена. По этим данным строились диаграммы остойчи­вости, которые предлагались как ограничивающие наименьшие допустимые зна­чения плеч статической и динамической остойчивости.

В связи с решением Международной конференции 1960 г. по охране чело­веческой жизни на море о необходимости установления международных стандар­тов остойчивости, Подкомитетом ИМО был собран большой фактический мате­риал по судам, потерпевшим аварии из-за недостаточной остойчивости, на осно­вании которого были предложены минимальные числовые значения отдельных параметров диаграмм статической и динамической остойчивости для некоторых типов судов. Большинство из этих предложений вошло в требования к остойчиво­сти судов всех типов в Кодексе ИМО.

Другое направление в выработке норм остойчивости базируется на по­строении такой упрощенной механической модели, которая отражала бы физиче­скую сторону воздействия внешних сил на судно и учитывала бы главные факто­ры, влияющие на остойчивость в неблагоприятных условиях плавания. На таком подходе основываются критерии норм остойчивости, принятых в разных странах. При этом собранная аварийная статистика использовалась как для назначения требований к параметрам диаграмм остойчивости, так и для апробации предла­гаемых норм.

Первые официальные нормы остойчивости, имеющие силу закона, были из­даны Морским Регистром СССР в 1948 году и назывались «Временные нормы ос­тойчивости для торговых морских и рейдовых судов». Опыт, накопленный в ре­зультате применения этих норм, а также стимулированное ими изучение проблем нормирования, позволили существенно улучшить первую редакцию и в перерабо­танном виде нормы были вновь изданы Морским Регистром в 1959 году. Даль­нейшее их совершенствование шло по пути уточнения и конкретизации требова­ний, а также расширения области применения введением дополнительных и спе­циальных требований к остойчивости отдельных типов судов и плавучих соору­жений, учитывающих особенности их эксплуатации.

Требования к остойчивости морских транспортных судов в действующих «Правилах классификации и постройки морских судов» Российского морского Регистра Судоходства изложены в части IV «Остойчивость». Они состоят из об­щих требований, предъявляемых ко всем судам, на которые распространяется действие этой части Правил, и дополнительных требований, различных для судов разных типов. Общие требования нормируют критерий погоды, элементы диа­граммы статической остойчивости и начальную метацентрическую высоту. В до­полнительных требованиях определяются дополнительные кренящие моменты и критерии, имеющие значение только для судов отдельных типов.

Правила переиздаются с дополнениями и изменениями каждые 4 года. В из­дание Правил 1995 года добавлены альтернативные требования, основанные на Кодексе ИМО по остойчивости судов всех типов.

Остойчивость судна считается достаточной, если удовлетворены следую­щие требования:

1. судно должно, не опрокидываясь, противостоять одновременному действию динамически приложенного давления ветра и бортовой качки;

2. значения параметров диаграммы статической остойчивости судна на тихой воде и исправленной начальной метацентрической высоты должны быть не ниже требуемых;

3. должно быть учтено влияние на остойчивость последствий возможного обле­денения;

4. остойчивость судна должна удовлетворять дополнительным требованиям.

Для судов, на которые распространяются требования части V «Деление на отсеки», остойчивость в неповрежденном состоянии должна быть достаточной для того, чтобы в аварийных условиях она удовлетворяла требованиям части V Правил.

Для судов неограниченного района плавания: пассажирских, сухогрузных, рыболовных, контейнеровозов, лесовозов, судов специального назначения вместо общих и дополнительных требований могут быть применены альтернативные.

4.9.2. Критерий погоды

Критерий погоды оценивает способность судна противостоять одновремен­ному воздействию на него волнения и ветра и выражает условие неопрокидывания судна, испытывающего качку на волнении, при динамическом действии ветра, приложенного в момент наибольшего накренения судна на'наветренный борт. Этот случай действия шквала, как было показано в 4.8.2, является наиболее опасным.

Условие неопрокидывания судна будет выполнено, если кренящий момент от ветра M_v будет не больше, чем опрокидывающий судно момент М_с = g D l_c. Численное значение критерия погоды выражается отношением:

My

и остойчивость судна по критерию погоды считается достаточной, если К > 1 при наихудших в отношении остойчивости вариантах нагрузки.

Расчет кренящего момента от давления ветра по Регистру производится по формуле:

M_v = 0, 001 p_v A_v z, (4.49)

где p_v - давление ветра в Па, принимается по табл.4.1 в зависимости от района плавания судна и плеча парусности; A_v - площадь парусности, м²;

z - плечо парусности, определяется как расстояние в м от центра парусно­сти до плоскости действующей ватерлинии в прямом положении судна.

При промежуточных значениях z давление определяется линейной интер­поляцией. Для судов с ограниченным районом плавания давление ветра принима­ется: для судов с ограничением I - 0, 567 от указанного в таблице, для судов с ог­раничением II - 0, 275 от указанного в таблице. Детально ограничения районов плавания оговорены в Правилах Регистра, часть I «Классификация».

При расчете площади A_v в нее включается вся площадь проекции на диа­метральную плоскость бокового вида судна, расположенная выше ватерлинии, со всеми устройствами и с палубным грузом. Несплошные площади (рангоут, таке­лаж, леера и пр.) учитываются либо с коэффициентом, либо общей процентной надбавкой, которые приведены в Правилах. Если площадь парусности и ее стати­ческий момент относительно плоскости ватерлинии известны для минимальной и летней осадок, то их значения для промежуточных осадок допускается определять линейной интерполяцией. Если площадь и плечо парусности известны только для одной осадки, то для других они могут быть определены пересчетом. Пусть Лиг - площадь и плечо парусности при осадке Т, тогда для осадки Т\ = Т + ST соответ­ствующие значения А\ и z\ определятся по формулам:

А\= A-L_Cp ST;

A (Z-< 5T)+0, 5 L_cp (ST)²

=--------------------------------------------,

^A\

где L_cp - длина судна средняя между длинами для осадок Т и 7\.

Для определения наибольшего динамического кренящего момента, выдер­живаемого судном при качке (по терминологии Регистра - наименьшего опроки­дывающего момента), амплитуду качки судна без учета влияния скуловых килей Регистр задает формулой:

в_1г=Х_{Х₂У. (4.50)

Безразмерный множитель Х\ принимается по табл.4.5 в зависимости от от­ношения ширины В к осадке Т.

Безразмерный множитель Х₂ принимается по табл.4.6 в зависимости от ко­эффициента общей полноты судна S.

Множитель Y (градусы) принимается по табл.4.7 в зависимости от района

ли¹о

плавания судна и отношения —-.

Рисунок 4. 35. Определение опрокидывающего мо­мента с учетом качки по диаграммам остойчивости

В

При промежуточных значениях аргументов таблиц множители определяют­ся линейной интерполяцией.

Если судно имеет скуловые кили, амплитуда качки вычисляется по формуле:

02_г = к 0\_г, (4.51)

где к принимается по табл.4.8 в зависимости от отношения где А_К - сум­

марная габаритная площадь скуловых килей в м².

Рисунок 4. 36. Определение предельного момента с учетом качки и угла заливания

Определение опрокидывающего момента М_с по Регистру при обычных диа­граммах остойчивости показанно на рис.4.35.я по диаграмме статической остойчи­вости и на рис.4.35.б по диаграмме динамической остойчивости. Однако, если угол заливания 0f меньше динамического угла б^, то предполагается, что диаграммы

остойчивости обрываются при угле Of и опрокидывающий момент определяется

приравниванием площадей S\ и (рис.4.36.д) по диаграмме статической остой­чивости или проведением секущей (рис.4.36.6) по диаграмме динамической остой­чивости. Во всех случаях в качестве амплитуды качки в_г принимается округленное до целого числа градусов значение, определенное по формуле (4.43) при отсутст­вии скуловых килей или по формуле (4.44) при наличии таких килей.

4.9.3 Диаграмма статической остойчивости и метацентрическая высота

В отношении элементов диаграммы статической остойчивости предъявля­ются следующие требования:

1. максимальное плечо 1_тах должно быть не менее 0, 25 м для судов длиной L <

80 м и не менее 0, 20 м для судов длиной L> 105 м, а для промежуточных длин определяется линейной интерполяцией;

2. угол максимума диаграммы в_т должен быть не менее 30°;

3. угол заката диаграммы в_у должен быть не менее 60°.

Судам, имеющим отношение — > 2, допускается снижение углов 0_V и в_т на величину для 9_V определяемую по формуле:

В В

при — > 2, 5 и К > 1, 5 принимается — = 2, 5 и К = 1, 5; для угла в_т принимается

\в_т =0, 5 A0_V.

Начальная метацентрическая высота, исправленная на влияние свободных поверхностей жидких грузов, при всех вариантах нагрузки, за исключением судна порожнем, должна быть положительной.

4.9.4. Учет обледенения

Для судов, плавающих в зимнее время в зимних сезонных зонах, Правила Регистра требуют выполнять проверку остойчивости с учетом обледенения. При расчете должно учитываться увеличение водоизмещения, повышение центра тя­жести и площади парусности. Расчет остойчивости при обледенении произво­диться для наихудшего в отношении остойчивости расчетного варианта нагрузки.

При определении кренящего и опрокидывающего моментов для судов, пла­вающих в зимних сезонных зонах севернее параллели 66°30'N и южнее параллели 60°00'S, а также в зимнее время в Беринговом море, Охотском море и Татарском проливе, принимается масса льда на квадратный метр площади горизонтальной проекции открытых палуб 30 кг Момент по высоте от этой нагрузки определяется по возвышениям центра тяжести соответствующих участков палубы и переходов.

Масса льда на квадратный метр площади парусности принимается 15 кг, площадь и возвышение центра парусности при этом определяются для осадки T_min.

В остальных районах зимней сезонной зоны, а также для судов, плавающих в зимнее время в районах Черного и Азовского морей севернее параллели 44°00'N, а также в районе Каспийского моря севернее параллели 42°00'N, нормы обледенения принимаются вдвое меньшими кроме районов, в которых, по согла­сованию с Регистром, обледенение может не учитываться.

Рассчитанные как указано масса льда и момент по высоте при составлении Информации переносятся на все варианты нагрузки.

Для диаграммы статической остойчивости, построенной с учетом обледене­ния, угол заката должен быть не менее 55°, а максимальное плечо остойчивости для судов ограниченного плавания не менее 0, 2 м при крене не менее 25°.

При учете обледенения лесовозов, а также судов других типов при перевоз­ке ими палубного лесного груза, верхняя его поверхность рассматривается как па­луба, а боковые поверхности над фальшбортом - как часть расчетной площади парусности. Норма обледенения для этих поверхностей принимается втрое боль­ше, чем указано выше.

При перевозке палубного лесного груза в районах, в которых учет обледе­нения не требуется, а также в летнее время в зимних сезонных зонах расчет ос­тойчивости для наиболее неблагоприятного состояния нагрузки должен произво­диться с учетом возможного увеличения массы палубного лесного груза вследст­вие его намокания. При отсутствии надежных данных о степени намокания реко­мендуется в расчетах увеличивать массу палубного груза йа 10%.

4.9.5. Дополнительные требования к остойчивости

Эти требования различны для судов разных типов. В дополнительных тре­бованиях оговариваются состояния нагрузки, при которых должна проверяться остойчивость, охватывающие характерные варианты загрузки, возможные в про­цессе эксплуатации и могущие оказаться неблагоприятными в отношении остой­чивости. Кроме того, для некоторых типов судов приводятся дополнительные кренящие моменты, дополнительные критерии и измененные параметры остойчи­вости, подлежащие удовлетворению при проверке остойчивости.

Для пассажирских судов дополнительно требуется, чтобы при скоплении пассажиров на верхней палубе у борта угол крена не превышал угла входа палубы надводного борта в воду или угла выхода скулы из воды и был не более 10°. При совместном действии момента от скопления пассажиров у борта и момента от циркуляции крен не должен превышать тех же углов и быть не более 12°. При этом принимается масса одного пассажира 75 кг, плотность их размещения 6 че­ловек на 1 м², возвышение ЦТ стоящих пассажиров 1, 1 м от палубы и сидящих пассажиров 0, 3 м над сидением. Кренящий момент в кН-м от циркуляции опреде­ляется по формуле:

.. 0, 037 Dvj f Т)

М_ц= ------ —S-\z_g--y (4, 52)

где Vy - скорость судна перед выходом на маневр, уз.

Для сухогрузных судов, за исключением случаев судна в балласте, если

окажется > 0, 08 или ~> 2, 5, остойчивость должна быть дополнительно прове­рена по критерию ускорения. Остойчивость по критерию ускорения К * считается приемлемой, если расчетное ускорение а (в долях g) не превышает 0, 3, т.е. если выполняется условие:

К* = ^> 1, (4.53)

а

где а определяется по формуле:

а = \, \Л0~^ъ Вт² в_г. (4.54)

Здесь т = ------------ нормируемая частота собственных колебаний судна;

hc\ В

mQ - коэффициент, определяемый по табл.4.9 в зависимости от ---------------;

W ^zg

в_г - амплитуда качки, определяемая по (4.51).

В отдельных случаях для судов смешанного плавания Регистр допускает значение К*< 1, при этом вводится дополнительное ограничение по погоде (огра­ничивается допустимая высота волны).

Для накатных судов требуется, чтобы исправленная начальная метацентри­ческая высота была не менее 0, 2 м.

Для лесовозов вместе с указанием состояний нагрузки, при которых требу­ется проверка остойчивости, устанавливаются нижние допустимые значения на­чальной метацентрической высоты. В районах, в которых учет обледенения не требуется, должно учитываться увеличение массы палубного груза на 10% вслед­ствие его намокания, а в районах, в которых возможно обледенение, нормы льда на горизонтальные и боковые поверхности палубного груза выше фальшборта принимаются втрое большими, чем указывается в общих требованиях. Вместе с тем, объем палубного груза леса может быть включен в расчет плеч остойчивости формы с коэффициентом проницаемости 0, 25.

Для контейнеровозов остойчивость должна быть проверена для варианта нагрузки с контейнерами на палубе по углу крена на циркуляции от кренящего момента, определенного по формуле (4.52), а также при постоянном боковом вет­ре с кренящим моментом, определенным по формуле (4.49) при давлении ветра равном 0, 6 от указанного в табл.4.4 для судов неограниченного района плавания. В каждом из этих случаев угол крена должен быть не более половины угла входа верхней палубы в воду и не более 15°. Исправленная начальная метацентрическая

высота, при расчете которой ЦТ каждого контейнера принимается находящимся на середине его высоты, должна быть не менее 0, 15 м.

В этом разделе Правил приводятся также дополнительные требования к буксирам, которые должны выдерживать кренящее действие рывка буксирного троса, требования к рыболовным судам, судам обеспечения, специального назна­чения, дноуглубительным судам, судам смешанного (река-море) плавания и судам длиною менее 20 м.

В отдельной главе изложены требования к остойчивости плавучих кранов и плавучих доков, эксплуатация которых отличается значительной спецификой.

4.9.6. Альтернативные требования к остойчивости судов неограниченного района плавания

В Правилах Регистра 1995 г и последующих приведены требования к ос­тойчивости, основанные на Кодексе ИМО, с указанием, что они являются альтер­нативными по отношению к требованиям Регистра, касающихся критерия погоды, элементов диаграммы статической остойчивости и метацентрической высоты.

Критерий погоды в соответствии с Кодексом ИМО определяется следую­щим образом. Судно находится под действием постоянного ветра, создающего кренящий момент, которому соответствует плечо, определяемое по формуле:

Pv A_v z_y

(4.55)

1000 g D '

где p_v =504 Па - давление ветра;

A_v - площадь парусности, м;

z_v - плечо парусности, равное расстоянию по вертикали от центра парусно­сти до центра тяжести площади проекции подводной части судна на диа­метральную плоскость или, приближенно, до середины осадки судна, м; D - водоизмещение судна, т; Я=9, 81 м/с².

От угла крена 0q, вызванного постоянным ветром, под действием волн суд­но кренится на наветренный борт на угол, равный амплитуде качки в_г, которая для судов с круглой скулой определяется по формуле:

в_г=\тХ\Х₂ JrS, (4.56)

где Х[ и Х2 - коэффициенты, определяемые по табл.4.5 и 4.6;

S - коэффициент, определяемый по табл.4.10 в зависимости от периода качки Tq;

~^Г; (4-57)

г = 0, 73 + 0, 6

Т_д = 2 с с = 0, 373 + 0, 023 — - 0, 043 — ^Ь 4h Г 100

Для судов со скуловыми килями амплитуда уточняется по формуле:

9_К — к 9_Г,

где к определяется по табл.4.8.

На накрененное судно действует порыв ветра, которому соответствует пле­чо ^lw2 ^{= 1}'^{5 l}wl-

Остойчивость судна по критерию погоды считается достаточной, если пло­щадь Ь диаграммы больше или равна площади а (рис.4.37), где площадь b огра­ничена справа либо ординатой при 9= 50°, либо углом 6> 2, соответствующим пле­чу l_w2, в зависимости от того, какой из них меньше. Допустимый угол крена от бокового ветра не должен превышать 0, 8 угла входа палубы в воду или 15°, в за­висимости от того, что меньше.

Требования в отношении диаграммы статической остойчи­вости состоят в следующем:

1. площадь под кривой восста­навливающих плеч должна быть не менее 0, 055 м-рад до угла крена 30°, не менее 0, 090 м-рад до угла крена 40° и не менее 0, 030 м-рад между углами крена 30° и 40°;

2. угол максимума 9_т > 25°;

3. наибольшее плечо при угле

Рисунок 4.37. Определение критерия погоды по ИМО крена 30° ИЛИ За НИМ

/₃₀ > 0, 20 м;

4. угол заката 9_У > 60°, если /₃о=0, 20 м, и 9_V > 50°, если /₃₀ > 0, 30 м, а для про­межуточных значений плеча находится из условия, что на каждый 0, 01 м увеличения плеча сверх 0, 20 м приходится 1° уменьшения угла заливания относительно 60°.

Указанные требования должны удовлетворяться с учетом в диаграмме по­правок на свободные поверхности жидких грузов.

Исправленная начальная метацентрическая высота при всех вариантах на­грузки, за исключением лесовозов и рыболовных судов, должна быть не менее 0, 15 м.

4.9.7. Диаграмма предельных моментов

Диаграмма строится в осях: водоизмещение D (по горизонтали) и его ста­тический момент относительно основной плоскости М₂ (по вертикали). Эти две величины вполне определяют диаграммы статической и динамической остойчи­вости, т.е. каждой точке поля диаграммы соответствуют свои диаграммы остой­чивости.

Если для ряда значений D найти М₂, при котором какой-либо нормируе­мый Правилами Регистра параметр диаграммы остойчивости равен предельно до­пустимому значению, то кривая, построенная по этим точкам, ограничит область состояний нагрузки, при которых требования к рассматриваемому параметру вы­полнены (область ниже построенной кривой), и область состояний нагрузки, где это требование не выполнено (область выше кривой). Построив такие кривые, со­ответствующие всем нормируемым параметрам диаграммы остойчивости и кри­терию погоды, можно построить огибающую этих кривых, называемую кривой предельных моментов (рис.4.38). Эта кривая ограничит область нагрузок, при ко­торых выполнены все требования к остойчивости.

При пользовании диаграммой рассчитывают таблицу нагрузки, соответст­вующую составленному грузовому плану, которая дает значения D и М₂. По этим данным наносим точку А на диаграмму. Если точка располагается ниже кривой предельных моментов, то грузовой план удовлетворяет всем требованиям Регистра к остойчивости судна. Если точка располагается выше кривой предель­ных моментов, то грузовой план следует изменить, так-как он не удовлетворяет какому-то одному или нескольким требованиям. В этом случае расстояние по вер­тикали точки А от предельной кривой дает величину, на которую необходимо по­низить момент грузов. Таким образом, диаграмма позволяет контролировать ос­тойчивость судна для составленного грузового плана без выполнения всех расче­тов остойчивости. В некоторых случаях вместо кривой предельных моментов приводится таблица их значений для ряда водоизмещений или таблица предель­ных значений z_g или h, которые однозначно связаны с предельными M_z.

Встречаются также случаи, когда диаграмма предельных моментов нано­сится на диаграмме метацетрических высот, на которой по вертикали отложен момент М₂₀ относительно условной плоскости, расположенной на высоте z₀,

указанной на диаграмме. В этом случае при пользовании диаграммой предельных моментов расчетный момент следует привести к условной плоскости по выраже­нию:

^Mzo =^Mz ~^Dz0-

4.9.8. Информация об остойчивости и прочности судна

В соответствии с Правилами Регистра и Кодексом ИМО для обеспечения остойчивости судна в эксплуатации на каждое судно должна выдаваться одобрен­ная классификационным обществом Информация об остойчивости, целью кото­рой является помоч капитану и контролирующим организациям в поддержании достаточной остойчивости судна во время эксплуатации. Однако формальное со­блюдение указаний Информации не освобождает капитана от ответственности за остойчивость судна.