Конструктивное устройство бортовых перекрытий

Нагрузки, действующие на бортовые перекрытия. Расчётными для бортовых перекрытий являются внешние статические и динами­ческие нагрузки, вызванные давлением забортной воды и ударами волн, зоны действия которых показаны на рис. 126. Эти нагрузки изме­ряются в период мореходных приёмо-сдаточных испытаний головного судна при пустых трюмах и танках во всём диапазоне скоростей хода.

Как следует из эпюры давлений, максимальная статическая нагрузка прикладывается к днищу и борту в районе скулы, при этом волновая нагрузка в этом месте минимальна, она будет такой же и на днище. Наибольшая волновая нагрузка прикладывается к борту на уровне и выше ВЛ. Нагрузка от волн, накатываемых на палубу, будет также минимальной.

Рис. 126. Распределение нагрузки по поперечному сечению сухогрузного судна

(ординаты в килопаскалях; суммарная нагрузка на днище не показана):

P_w - волновая нагрузка; Р_ст - статическая нагрузка; Р_г - весовая нагрузка от груза

Исходя из этого соответствующие сечения балок бортового на­бора выбирают с учётом обеспечения его надлежащей прочности. По-видимому, в районе скулы оптимальным будет продольный на­бор с усиленным скуловым стрингером, а в районе днища, где вели­ко статическое давление, — прочные флоры и днищевые стринге­ры. Обшивка борта, воспринимающая большую волновую нагруз­ку, должна иметь соответствующую толщину и вместе с прочными шпангоутами обеспечить общую прочность и устойчивость корпуса.

Обшивка борта участвует также в продольном и поперечном изги­бах и вовлекает в них днище и палубу — в узлах их соединений с борто­вым перекрытием, где возникают касательные и нормальные напряже­ния, а также напряжения кручения, которые достигают максимальных значений в оконечностях судна. Поэтому, несмотря на минимальное вол­новое давление на палубу, прочность её выбирается с учётом многих фак­торов, в том числе воздействия статической нагрузки палубного груза.

Это следует также из рассмотрения поперечного сечения корпу­са судна в виде эквивалентной балки (см. рис. 99), которая больше напоминает многотавровую балку с двумя стенками, воспринимаю­щую изгибающий момент при общем продольном изгибе.

Когда судно на волне подвергается горизонтальному изгибу в плоскости, перпендикулярной ДП, борта превращаются в крайние пояски эквивалентного бруса, а днище и верхняя палуба становят­ся стенками балки. Наибольшая величина горизонтального изгибаю­щего момента меньше вертикального, и максимальные их величины по времени действия не совпадают. В момент действия максимально­го изгибающего момента в вертикальной плоскости горизонтальный момент имеет незначительную величину.

Поперечная нагрузка в бортовом перекрытии может достигать больших величин при сжатии корпуса льдами или в момент ударов кру­тых волн — волн-убийц. Такая ситуация имеет специальное название — бортовой слеминг, который особенно опасен, если волна ударяет в раз­вал борта при повышенной скорости судна на встречном волнении.

Конструкция бортового перекрытия зависит от типа и водоизме­щения судна, рода перевозимого груза и системы набора.

Рис. 127. Бортовые перекрытия:

а - поперечная система набора; б - продольная система набора:

1 - обшивка борта; 2 - шпангоут; 3 - бортовой стрингер; 4 - рамный шпангоут;

5 - продольные рёбра; 6 - палуба

В практике отечественного судостроения бортовые перекрытия почти всех сухогрузных судов, как правило, набираются по попереч­ной системе набора (рис. 127, а), и их местная прочность обеспечивает­ся часто стоящими шпангоутами, работающими вместе с поясками на­ружной обшивки. На судах длиной менее 100 м, когда поперечная систе­ма набора используется в палубном и днищевом перекрытиях, бортовые ветви шпангоутов вместе с бимсом и флором образуют одну раму и ра­ботают в её составе. Такая система успешно используется на всех судах с двойными бортами: на танкерах, ледоколах, судах ледового плавания, судах, швартующихся в море бортом друг к другу, — так как их борта ис­пытывают значительные нагрузки, распределённые на небольшой части длины и сосредоточенные в основном ближе к носовой оконечности.

При поперечной системе набора используют три варианта набора:

‒ однородный (монотонный) набор, состоящий из основных шпангоутов, опирающихся на палубу и днище или на конструкции, прочно соединяемые с днищем и палубой;

‒ набор из базовых и рамных шпангоутов, устанавливаемых че­рез три-четыре основных шпангоута, и из бортовых стрингеров, кото­рые вместе с деталями крепления характерны для бортовых перекры­тий МО (рис. 128);

‒ набор в районе ледовых усилий, состоящий из основных и промежуточных шпангоутов, используемых только в районе дей­ствия ледовых нагрузок и опирающихся на промежуточные палу­бы (рис. 129).

Рис. 128. Бортовые перекрытия в МО:

1 - борт; 2 - подпалубная кница; 3 - палуба; 4 - продольное ребро; 5 - карлингс; 6 - карлингс шахты; 7 - бимс шахты; 8 - шахта; 9 - рамный бимс; 10 - пиллерс; 11 - рамный шпангоут;

12 - основной шпангоут; 13 - бортовой стрингер; 14 - второе дно; 15 - днищевой стрингер;

16 - вертикальный киль; 17 - флор; 18 - днище; 19 - машинный фундамент; 20 - платформа; 21 - поперечная переборка ахтерпика; 22 - скуловая кница

На судах с АЭУ по бортам и днищу выполняют специальную конструктивную защиту из ряда переборок и настилов, подкреплёнпых набором, которая должна обеспечивать целостность защитно­го ограждения при столкновении судов, даже если удар тараняще­го судна нанесён под прямым углом по центру реакторного отсека. Конструкция днища атомоходов имеет тройное дно высотой около 3 м, обеспечивая целостность защитного ограждения при посадке судна на каменную гряду серединой реакторного отсека перпендику­лярно к перекрытию.

Радиационная защита на атомоходах предполагает наличие че­тырёх защитных барьеров между ядерным реактором и окружающей средой. Защитное ограждение на бортах состоит из продольных и по­перечных переборок, накрываемых сверху настилом палубы.

Рис. 129. Бортовое перекрытие судна ледового плавания с промежуточными шпангоутами:

1 - днищевой вертикальный стрингер (киль); 2 - второе дно; 3 - продольная листовая балка;

4 - третье дно; 5 - бортовой стрингер; 6 - вторая палуба; 7 - твиндек; 8 - шпангоут;

9 - комингс грузового люка; 10 - поперечная переборка; 11 - флор

Согласно требованиям английского Ллойда, расстояние между продольной переборкой и шпангоутами борта в реактор­ном помещении не должно быть менее 1, 52 м, такое же расстоя­ние должно выдерживаться и от поперечной переборки до обшив­ки контейнера реактора. Протяжённость конструктивной защиты по борту в нос и корму за границы реакторного отсека должна составлять 1, 5В при использовании обычных систем набора борто­вых перекрытий. Обоснованность этих рекомендаций была прове­рена отечественными исследованиями путём измерений рассеяния (поглощения) энергии удара в борт реакторного отсека другим суд­ном. Доказано, что в случае прямого удара в борт атомного судна до 60‒ 70 % этой энергии поглощается бортовым перекрытием, ко­торое деформируется на участке между поперечными переборками. При этом лучший результат при поглощении энергии удара дало бортовое перекрытие с продольной системой набора (рис. 127, б)с рамными шпангоутами, жёсткость которых удовлетворяет критической величине.

Установлено, что если жёсткость шпангоутов превышает кри­тические величины, то деформируется и разрушается только уча­сток борта размером в одну рамную шпацию, и в этих условиях величина поглощаемой энергии будет минимальной. При макси­мальном поглощении энергии и докритической жёсткости шпан­гоутов бортовое перекрытие работает на участке между попереч­ными переборками, при этом поглощается максимальное количе­ство энергии.

Основными связями, поглощающими и рассеивающими энер­гию удара в борт, являются продольные переборки и платформы, расположенные в междубортном пространстве между продольной пере­боркой реакторного отсека и наружным бортом.

После этого были сформулированы требования к защите бор­тов атомных судов конструкциями, способными максимально погло­щать энергию удара при столкновении с другим судном. Затем на­шими проектными организациями были разработаны методы расчё­та бортовых конструкций, работающих в упругопластической зоне, и созданы конструкции (рис. 130), которые при больших деформа­циях остаются водонепроницаемыми. Эти конструкции разработаны и применены в отечественном атомном судостроении.

Рис. 130. Конструкция бортового перекрытия атомохода «Ленин»:

НП, СП, ВП, ШП - соответственно нижняя, средняя, верхняя и шлюпочная палубы

Бортовые перекрытия ледоколов и судов ледового плавания (рис. 131) с дизельной и дизель-электрической установкой по проч­ности практически мало отличаются от судов с атомной установ­кой, за исключением отсутствия у первых защитных барьеров. В их конструкциях используют различные ледовые подкрепления в за­висимости от мощности энергетической установки и толщины льда в предполагаемом районе плавания.

Рис. 131. Конструкция бортового перекрытия дизель-электрического ледокола «Москва»

Минимальной расчётной нагрузкой, действующей на каждый погонный метр борта ледовых судов при преодолении льда толщи­ной 1, 5 м, принята нагрузка до 45 т, которая может возрасти в не­сколько раз при большей толщине льда или сжатии судна. Поэтому наиболее рациональной системой набора для бортовых перекрытий этих судов является поперечная система с надёжной опорой концов шпангоутов на днищевые и палубные перекрытия, имеющие также мощный поперечный набор. Такая конструкция обеспечивает устойчивость днищевых и палубных перекрытий при поперечном сжатии корпуса льдами.

Усиление набора ледокольных судов в носовой и кормовой око­нечностях обеспечивается промежуточными шпангоутами, разнося­щими стрингерами и флорами, которые располагаются на высоте ле­дового пояса и простираются по всей длине судна при высоких ледо­вых классах. Это вызвано тем, что при форсировании льдов набегами и вынужденных отходах задним ходом нос и корма воспринима­ют максимальные ледовые нагрузки.

Разносящие бортовые стрингеры устанавливают параллельно основным, если они по высоте не превышает высоты основных шпан­гоутов. Такие стрингеры служат опорой для концов промежуточных шпангоутов, что позволяет исключить концентрацию ледовых нагру­зок в одних точках и разложить её равномерно на все шпангоуты.

Бортовой набор танкера. В настоящее время танкерный флот строится в основном для вывоза нефти с северных морских приис­ков. По новым Правилам Российского морского регистра судоход­ства ледокольно-транспортные суда или суда активного ледово­го плавания имеют категорию ледовых усилений ЛУ7 и выше. Они способны самостоятельно плавать в осеннее-летний период навига­ции и под проводкой ледоколов в остальное время года. Это, как правило, суда с двойными бортами и ледокольной формой носовых об­водов. Объём ледовых подкреплений у них достигает не менее 30 % от массы металлического корпуса. Система набора корпуса у них мо­жет быть различной, однако наибольшее применение получает бортовая конструкция с деформируемыми распорками между бортами (рис. 132) и между боковыми и центральными танками (рис. 133). Распорки широко используются на танкерах для увеличения проч­ности бортов и продольных переборок при действии поперечных на­грузок. Они используются и в форпике в виде холостых бимсов в це­лях создания дополнительных опор для шпангоутов, подвергающих­ся воздействию больших местных усилий при ходе в ледовом кана­ле за ледоколом.

Рис. 132. Конструкции бортового перекрытия танкера при поперечной системе набора:

1 - основной шпангоут; 2 - рамный шпангоут; 3 - стрингер; 4 - распорки

В последние годы на танкерах широкое распространение получили бортовые перекрытия с продольной системой набора, с установкой рамных шпангоутов и бортовых стрингеров (рис. 134). Она используется на многих крупнотоннажных судах, имеющих меньшее расстояние между поперечными переборками, чем расстояние между палубой и днищем.

Рис. 133. Установка распорок в центральном (а) и боковых (б) танках арктического танкера

Рис. 134. Двухкорпусный танкер с продольной системой набора:

1 - днищевой листовой стрингер; 2 - рамный шпангоут; 3 - бортовой стрингер;

4 - рамный бимс; 5 - продольная переборка

На бортовые стрингеры приходится существенно меньшая нагрузка в результате установки рамных шпангоутов, которые более жёсткие, чем стрингеры, хотя и работают в более благоприятных условиях, чем при поперечной системе набора. Продольная система набора борта танкеров имеет горизонтальные рёбра жёсткости, которые опираются на рамные шпангоуты.

Вместе с тем на танкерах также применяется и поперечная система набора борта, основой которой явля­ются часто поставленные шпан­гоуты и редко пересекающие их бортовые стрингеры, которые, сое­диняясь с шельфами поперечных и продольных переборок, образу­ют горизонтальную раму, подкреплённую горизонтальными попе­речными распорками.

Для бортов танкеров, наб­ранных по поперечной системе, характерны редко поставленные мощные стрингеры и опирающиеся на них часто поставленные шпангоуты. В зависимости от высоты борта количество стрингеров не превышает трёх, их изготавливают из листовой стали с пояском или отогнутым фланцем. При проходе через поперечные переборки стрингеры разрезаются и крепятся к ним с помощью книц. Шпангоуты пропускаются через прорези в стрингерах и жёстко крепятся к последним с помощью сварки или рёбер жёсткости.