Системы набора корпуса судна

Основные сведения о строении судна и его составных частей были даны во введении. Однако при эксплуатации судна важно знать, как эти части работают при действии на судно внешних сил и какая конструкция в этом отношении будет наиболее слабой.

Ранее было установлено, что КС представляет собой пространственную упругую конструкцию, которая деформируется под действием непрерывно изменяющихся внешних сил. Схема действия этих сил и напряжения, возникающих на различных участках КС, известны, поэтому прочность каждого элемента конструкции может быть заранее рассчитана и построена (соединена с другими элементами) по определённой системе в соответствии с Правилами строительной механики корабля и Правилами постройки судов Российского Морского регистра судоходства. Согласно этим правилам, каждое из образующих КС перекрытий (палубное, бортовое, днищевое) должно быть набрано по продольной, поперечной или смешанной системе и соединено друг с другом определённым образом, при этом каждая деталь в этом наборе выполняет свою, только ей отведённую роль в обеспечении общей и местной прочности судна.

Системы набора отличаются друг от друга поперечным или продольным расположением балок. Если в системе преоблада­ет количество балок одного направления (поперечного или продольного), то такие балки называют балками главного направления, которые воспринимают на себя всю тяжесть внешних и внутренних нагрузок и обеспечивают общую прочность судна (рис. 92). Перпендикулярно им в меньшем количестве (не более четырёх) располагаются балки другого направления, называемые перекрёстными поперечными связями.

Рис. 92. Системы набора КС:

1 ‒ балки главного направления; 2 ‒ перекрёстные связи

Система смешанного (комбинированного) набора применяется в тех местах КС, где требуется дополнительное подкрепление за счёт применения разных систем набора. В этом случае она образует форму квадрата и набор имеет клетчатую структуру. Каркас корпуса, образованный этой структурой, может воспринимать максимальную внешнюю нагрузку. Обычно этот каркас формируется из днищевого, бортового и палубного перекрытий, система набора которых показана на рис. 93.

Согласно принятой классификации, бортовое перекрытие, пред­ставленное на рис. 93, набрано по поперечной системе, так как в набо­ре преобладают поперечные балки — шпангоуты, являющиеся балка­ми главного направления. В качестве перекрестных связей здесь слу­жат продольные балки — бортовые стрингеры.

Шпангоуты и бортовые стрингеры воспринимают основную часть нагрузки с листов обшивки бортового перекрытия и передают её палубе, днищу и поперечным переборкам. Часть нагрузки со шпангоутов передаётся на бортовые стрингеры, с них — на рамные шпангоуты и опорный контур.

Рис. 93. Система набора днищевого I, бортового II и палубного III перекрытий КС:

1 ‒ днищевой стрингер; 2 ‒ вертикальный киль; 3 ‒ флор; 4, 11 ‒ бортовые полотнища;

5 ‒ шпангоуты; 6 ‒ палубный настил; 7, 9 ‒ палуб­ный стрингер; 8 ‒ комингс люка;

10 ‒ поперечная переборка

В днищевом перекрытии, набранном по этой же системе, преобладающими балками главного направления являются флоры, а перекрёстными связями — продольные балки — днищевые стрингеры (см. рис. 93, 94). Нагрузки, действующие на днищевое перекрытие со стороны наружной обшивки, распределяются главным образом на продольные рёбра, меньшая часть нагрузок приходится непосредственно на бортовые шпангоуты и переборки. Продольные рёбра передают усилия на флоры, частично на опорный контур — поперечные переборки; флоры также распределяют усилия на бортовые перекрытия и на перекрёстные связи — днищевые стрингеры, передающие усилия на переборки.

Палубное перекрытие (находится под палубным настилом и на рис. 93 не показано) по условиям сборки с бортовым полотнищем также имеет поперечную систему набора, только в качестве балок главного направления используются бимсы, а перекрёстных связей — продольные палубные стрингеры и карлингсы.

Поперечная система (рис. 95) — основная, наиболее старая си­стема набора, которая применялась ещё при постройке деревянных судов. Она надёжна в эксплуатации и проста в изготовлении, в насто­ящее время применяется преимущественно при строительстве малых и средних судов длиной до 100 м. Набор корпуса при этой системе со­стоит из часто установленных шпангоутов и флоров и редко отстоя­щих друг от друга стрингеров. Общая продольная прочность обеспе­чивается листами обшивки и небольшим количеством продольных балок — килем, скуловым стрингером, карлингсом. Этих связей доста­точно для того, чтобы прочность корпуса не нарушалась при растя­жении и сжатии наружной обшивки. Общая жёсткость и устойчи­вость корпуса достигается установкой шпангоутных рам на расстоя­нии 500‒ 900 мм друг от друга.

Рис. 94. Балки главного направления и перекрестные связи в днищевом перекрытии одинарного дна

Корпус судна, набранный по поперечной системе набора, хорошо выдерживает нагрузку от общего изгиба, особенно в оконечностях даже на судах длиной значительно больше 100 м, где шпангоуты опираются на ряд горизонтальных платформ (рис. 96). В носовой оконечности эта система достаточно хорошо воспринимает динамические нагрузки от ударов о воду (слеминг). Однако при этом палубные перекрытия в районе ¹/₄‒ ¹/₃ длины судна от НП испытывают большие сжимающие продольные усилия, чему способствует развал борта.

Основные преимущества поперечной системы набора:

‒ простота конструкции;

‒ удобство сборки КС на стапеле;

‒ хорошая обеспеченность прочности корпуса за счёт исполь­зования шпангоутных рам, позволившая уменьшить количество по­перечных переборок, улучшить использование вместимости трюмов и сократить число грузовых люков.

Поперечная система набора наиболее предпочтительна для морских сухогрузных судов малого и среднего водоизмещения (до 20 тыс. т), так как у них напряжения от общего продольного изгиба сравнительно небольшие, поэтому при постройке таких судов используются минимальные толщины листов. Для судов длиной больше 100 м она малоэффективна из-за того, что флоры неустойчивы под действием усилий сжатия. Для устранения этого недостатка приходится значительно увеличивать толщину листов днищевой обшивки. Это приходится делать ещё и потому, что, согласно теории общей прочности судна, любая балка (пластина), опёртая на удлинённый прямоугольный контур, при сжатии вдоль коротких сторон (в данном случае вдоль судна) теряет устойчивость при напряжениях, в четыре раза меньших, чем при сжатии вдоль длинных её сторон.

Рис. 95. Сечение корпуса сухогрузного судна при поперечной системе набора:

1 - планширь; 2 - бимс палубный; 3 - настил палубы; 4 - продольная балка; 5 - карлингс;

6 - комингс люка; 7 - пиллерс; 8 - полубимс; 9 - стойка переборки; 10 - переборка непроницаемая; 11 - настил второго дна; 12 - киль вертикальный; 13 - киль горизонтальный; 14 - стрингер днищевой; 15 - днищевая наружная обшивка; 16 - флор; 17 - скуловой пояс;

18 - трюмный шпангоут; 19 - твиндечный бимс; 20 - наружная бортовая обшивка;

21 - шпангоут твиндечный; 22 - кница бимсовая; 23 - ширстрек; 24 - фальшборт

Рис. 96. Поперечная система набора днища в носовой оконечности рудовоза:

1 - стрингер; 2 - флор; 3 - обшивка днища; 4 - форпиковая переборка с рёбрами жёсткости;

5 - шпангоуты; 6 - рёбра жёсткости для вертикальной переборки; 7 - бортовая обшивка;

8 - настил второго дна

Сферу применения поперечной системы набора значительно сужают рост водоизмещения и размеров транспортных судов, применение в судостроении высокопрочных сталей.

Рис. 97. Днищевое перекрытие с продольной русской (стрингерной) системой набора:

1 - обшивка днища; 2 - стрингер; 3 - двойной туннельный киль; 4 - второе дно

Продольная система набора (рис. 97, 98) используется в днище­вых и бортовых перекрытиях, наиболее удалённых от нейтральной оси сечения корпуса на судах длиной 100‒ 120 м. При этой системе набор состоит из близко расположенных палубных стрингеров и про­дольных балок и широко разнесённых карлингсов и разрезных шпан­гоутов. Наружные листы обшивки в них располагают вдоль судна, устойчивость их при продольном наборе в 4 раза выше, чем при попе­речном при одинаковом расстоянии между балками в обеих системах.

Рис. 98. Продольная система набора в днищевом перекрытии танкера:

1 - продольная балка; 2 - обшивка днища; 3 - флор

Продольные рёбра в этом наборе опираются на высокие попе­речные балки (флоры, бимсы), через отверстия в которых они про­ходят (см. рис. 97). Эти балки устанавливают значительно реже, чем при поперечной системе, тем не менее, они занимают некоторый объ­ём внутренних помещений на судне. В бортовых перекрытиях сухо­грузных судов продольную систему не используют в целях экономии объёма трюмов, а высокие поперечные рамы в двойном дне и под па­лубой размещению грузов не мешают. На судах, перевозящих жидкие грузы (на больших танкерах), бортовые перекрытия изготавливают по продольной системе, что даёт значительный выигрыш в снижении массы судна в целом. При постройке сухогрузных судов с двойными бортами (контейнеровозов, судов смешанного плавания, судов ле­дового плавания), образующими боковые цистерны, бортовые пере­крытия также выполняются по продольной системе набора.

Некоторые технологические трудности при использовании про­дольной системы набора связаны с вырезами в балках поперечного набора для прокладки через них продольных рёбер жёсткости и не­обходимостью подкрепления их рядом мелких деталей.

На судах новых типов с широким раскрытием палуб устойчивость листов палубного настила может быть обеспечена без установки про­дольных рёбер жёсткости за счёт большей толщины продольных рёбер и увеличения добавочной площади их поперечного сечения. При малых толщинах листов палубной и днищевой обшивки за счёт использования сталей повышенной прочности единственной возможностью обеспече­ния их устойчивости является продольная система набора.

Недостатком продольной системы набора является уменьшение поперечной прочности корпуса в связи с сокращением числа флоров и бимсов, что требует установки большего числа поперечных перебо­рок, нежелательных для сухогрузных судов. На судах с продольной системой набора, перевозящих грузы малого удельного погрузочно­го объёма (руда, металлы), флоры располагают чаще, чем на обычных судах такого же размера. Для большей жёсткости, например днищевого набора, на всех сухогрузных судах в МО флоры устанавливают через две шпации.

Корпус большого судна, набранный по продольной системе, легче кор­пуса, построенного по поперечной системе. Это объясняется тем, что при общем изгибе корпуса большое число продольных балок эффективнее во­влекает в работу наружную обшивку, настилы палуб и внутреннего дна.

Комбинированная (смешанная) система набора преимуществен­но применяется при изготовлении корпусов сухогрузных, наливных и пассажирских судов длиной более 130 м, а также на грузовых судах для перевозки массовых грузов. Чаще её называют системой набо­ра Ю.А. Шиманского или Миллера. По этой системе палубы и дни­ща, даже при относительно малых расстояниях между поперечными переборками, выгоднее набирать по продольной системе. Для набо­ра бортовых перекрытий, поскольку длина трюма обычно больше его высоты, целесообразнее применять поперечную систему с большим числом шпангоутов. В этих условиях сопротивление бортового набо­ра местным нагрузкам, которым чаще всего подвергаются борга суд­на, более эффективно, чем при продольной системе.

Оконечности судов обычно набирают по поперечной системе, так как в них на КС действуют преимущественно местные нагрузки. Кроме того, применение продольной системы набора в оконечностях встречает технологические трудности.

При смешанной системе днищевая обшивка подкреплена стрин­герами, палубная (прочная) — продольными подпалубными балками, а бортовая — шпангоутами с нормальным расстоянием между ними.

Выбор той или иной системы набора производится не для суд­на в целом, а раздельно для каждого конкретного перекрытия и неред­ко — для отдельных его участков. При этом главным фактором выбора является соотношение размеров сторон перекрытия, а также направле­ния действующих на него нагрузок (поперек или вдоль). Так, например, поперечные нагрузки преобладают в бортовых и днищевых перекрыти­ях, следовательно, для придания им большей прочности здесь использу­ется поперечная система набора. Она менее сложна, более технологич­на при изготовлении полотнища, лучше приспособлена к восприятию местных нагрузок, в том числе давления льда и ударных усилий.

Но в палубных и днищевых перекрытиях длинных судов (особен­но танкеров) велики сжимающие и растягивающие напряжения, воз­никающие от изгиба корпуса при положении судна на волне, поэтому для их компенсации и повышения устойчивости обшивки на таких судах применяют продольную систему набора. Элементы конструк­ции этой системы имеют меньшую массу, а при равных массах с по­перечной системой — меньшие суммарные напряжения от усилий об­щего изгиба и поперечной нагрузки.