§ 25. Требования к размерам элементов конструкции корпуса

Основные конструктивные элементы. Корпус судна представляет собой сложную систему, состоящую из большого количества взаимосвязанных конструктивных элементов, обеспечивающих его непроницаемость и надежность под действием реальных нагрузок, возникающих во время эксплуатации. Расчетные прочностные модели корпуса и отдельных его частей условны, идеализированы, учитывают только основные факторы, влияющие на прочность и надежность действительных конструкций.

Основными конструктивными элементами корпуса судна являются листовые, образующие наружную обшивку, настилы палуб, обшивку переборок, а также балочные, соединяемые с листовыми с целью их подкрепления. Под листовым элементом понимается участок обшивки или настила, ограниченный двумя парами смежных, обычно ортогонально расположенных подкрепляющих балок.

Обшивку перекрытий подкрепляют балки основного и рамного набора. Основными называют балки, определяющие систему набора перекрытия и обеспечивающие кроме местной прочности обшивки ее устойчивость при сжатии. Рамные — это поперечные и продольные составные балки, обеспечивающие промежуточные, а иногда и концевые опоры для основных балок, а также местную прочность и устойчивость соответствующего перекрытия. К рамным балкам относятся флоры при продольной системе набора днища, рамные шпангоуты, бимсы (полубимсы), вертикальный киль, днищевые и бортовые стрингеры, карлингсы, концевые бимсы, шельфы и рамные стойки переборок. Расстояние между рамными балками равно двум—пяти нормальным шпациям по длине и ширине судна, до 2,0—2,5 м по высоте корпуса.

Балки рамного набора воспринимают почти всю поперечную нагрузку, действующую на обшивку (настил) и передаваемую на них балками основного набора. Небольшая часть поперечной нагрузки воспринимается непосредственно опорным контуром перекрытия. Рамные балки, размещенные в одной плоскости, образуют поперечные и продольные кольцевые рамы, расположенные в вертикальной, а в ряде случаев и в горизонтальной плоскости. В составе перекрытий, рамные балки образуют несущий каркас, взаимно обеспечивают собственную устойчивость плоской формы при изгибе перекрытия.

Условия определения размеров элементов конструкции. Размеры конструктивных элементов судовых корпусов вычисляют в зависимости от расчетной нагрузки по принятому методу, обеспечивая выполнение нормативных требований к прочности, устойчивости, жесткости и остаточным деформациям. Это очень важный принцип проектирования судовых конструкций в условиях ряда неопределенностей. Изменение хотя бы одной из основных величин расчета прочности или устойчивости должно повлечь соответствующее изменение остальных.

В новых Правилах Регистра СССР в отличие от всех предыдущих принципиально иной является методика нормирования прочности и определения размеров связей. Если ранее нормирование прочности относилось к строительным размерам, то теперь — к размерам связей по состоянию на середину планируемого срока службы судна с учетом в явном виде износа и коррозии материала. Запасы прочности, устойчивости и допускаемые деформации, как и размеры конструктивных элементов, установлены также с учетом влияния износа и коррозии на эффективность конструкции по состоянию на середину срока службы. Размеры связей нового судна получают суммирова-" нием расчетных размеров и соответствующих добавок к толщине обшивки, моментам сопротивления и моменту инерции балок, обусловленных коррозией и износом.

Основными требованиями, определяющими расчетные размеры листовых элементов, являются местная прочность при изгибе расчетной поперечной нагрузкой, устойчивость пластин при сжатии и некоторых из них при сдвиге. Толщина наружной обшивки, настила ВП вместе с продольными балками также должна обеспечивать общую продольную прочность судна. В любом случае проектные значения толщины листовых элементов, полученные суммированием расчетной толщины и надбавки на коррозионный износ, должны быть не менее минимальных, установленных опытом.

Толщина пластин из условия местной прочности. Листовые элементы под действием поперечной нагрузки, кроме небольших участков, примыкающих к коротким сторонам опорного контура, изгибаются по цилиндрической поверхности. Напряжения в таких пластинах определяют расчетом изгиба балки-полоски (см. § 9) откуда к середине срока службы судна толщина пластины (в мм)

(5.10)

где — коэффициент, значения которого приводятся в соответствующих главах (m₀ = 12 и m₀ = 24, если в качестве расчетного принят изгибающий момент соответственно в опорном сечении балки-полоски и в пролете); а — короткая сторона пластины, м; k = f(a₁/a) — коэффициент, учитывающий отношение сторон пластины (k = 1 при а₁/а  2, a₁ — большая сторона пластины, м); р — интенсивность расчетной нагрузки, кПа; w_f = k__н — допустимое напряжение, МПа (k_ — коэффициент допускаемых напряжений, значения которого приводятся в соответствующих главах; _н — нормативный предел текучести стали, МПа — см. § 29).

Толщина пластин из условия устойчивости. Для проверки устойчивости продольные связи корпуса судов длиной L  60 м разделены на две группы. Первая группа включает наиболее ответственные, так называемые жесткие связи (ширстрек, палубный стрингер, горизонтальный киль, скуловой пояс, продольные балки основного и рамного набора), устойчивость которых обеспечивается при действии сжимающих напряжений, соответствующих критерию предельной прочности. Вторая группа продольных связей включает остальные листовые элементы (настил палубы, наружная обшивка и др.), устойчивость которых проверяется при действии экспуатационных сжимающих напряжений.

Устойчивость элементов конструкции после износа связей считается обеспеченной, если к_с  _кр и к  _кр, т. е. если нормальные сжимающие _с и касательные напряжения на контуре пластин , умноженные на

коэффициент запаса по устойчивости к = 1,01,15, не превышают критических напряжений, вычисленных для этих связей по формулам

		(5.11)

Эйлеровы нормальные и касательные напряжения прямоугольных свободно опертых пластин определяют (в МПа) по формулам

(5.12)

где п — коэффициент, зависящий от вида нагружения пластины и отношения сторон (табл. 5.1); s = s₀ – 1,7s_к — толщина пластины с учетом коррозии по состоянию на 0,85 срока службы, мм; b — сторона пластины, перпендикулярная направлению действия нормальных сжимающих напряжений; при действии на пластину касательных напряжений за b принимают меньшую сторону пластины, м.

Таблица 5.1. Виды нагружения пластин при оценке их устойчивости

Вид нагружения	у=а/Ь	п
Примечание. Коэффициент  учитывает степень неравномерности сжатия кромок пластины, а коэффициент  =1,01,5— влияние жесткости на кручение поперечных подкрепляющих балок при поперечной системе набора.

Размеры балок набора. Поперечные и продольные балки набора должны обладать большим запасом прочности и устойчивости, чем подкрепляемая ими обшивка. Размеры балочных элементов основного и рамного набора определяются, подобно листовым элементам, требованиями прочности на изгиб и в ряде случаев при срезе, а также требованиями устойчивости, минимально допустимых значений толщины стенки балок и конструктивными соображениями. Кроме того, размеры балок должны обеспечивать так называемую изгибно-крутильную жесткость.

Требуемый на уровне свободного пояска момент сопротивления (в см³) и необходимый момент инерции (в см⁴) поперечного сечения балок основного набора с присоединенным пояском вычисляют по формулам

,

где момент сопротивления рассматриваемой балки из условия прочности к середине срока службы

(5.13)

(Q = pal – поперечная нагрузка на балку, кН; р – интенсивность расчетной нагрузки, кПа; а – расстояние между балками, м; l – расчетный пролет балки, м; т, k_—коэффициенты изгибающего момента и допускаемых напряжений, приводимые в Правилах Регистра СССР); сок, _к, _к — множители, учитывающие поправку на коррозионный износ (значения _к принимают равными _к); i' — момент инерции сечения рассматриваемой балки из условия устойчивости.

Множитель, учитывающий запас на коррозию для катаных балок таврового, углового и симметричного полособульбового профиля, принимают равным большему из двух значений, определяемых формулами

Для балок полосового и несимметричного полособульбового профиля

где W' — момент сопротивления балки основного набора, вычисляемый по формуле (5.13); s_к — коррозионная добавка к толщине стенки балки (см. § 29).

Необходимые значения толщины стенки и свободного пояска составных и рамных балок, момент сопротивления которых определяют также по формуле (5.13), где вместо а принимают расстояние между этими балками, суммируются с коррозионной добавкой s_к.

Расчетный пролет балок основного и рамного набора определяется как расстояние между их опорными сечениями. Для днищевых и палубных продольных балок, для бимсов за расчетный пролет следует принимать большее расстояние между соответствующими рамными балками-опорами.

Размеры катаных балок основного набора, полученные из условия прочности при их изгибе, обычно удовлетворяют требованию прочности и на срез. Однако симметричные полособуль-бы и многие рамные связи, в частности, днищевых и бортовых перекрытий танкеров, бортовой набор судов ледового плавания, рамные бимсы судов с горизонтальной грузообработкой и другие, кроме изгиба, требуется отдельно проверять на прочность при срезе по формуле

(5.14)

где f_с — площадь поперечного сечения стенки, см²; N = Q/n — перерезывающая сила в расчетном сечении балки, кН (п — коэффициент перерезывающей силы); h — высота балки, м; s_к — коррозионный износ балки к середине срока службы, мм.

Устойчивость продольных балок основного набора должна быть больше устойчивости подкрепляемых ими листовых элементов наружной обшивки, настилов палуб, второго дна. Если это требование не будет выполнено, потеря устойчивости обшивки повлечет за собой потерю устойчивости балок и, как следствие, снижение несущей способности эквивалентного бруса. Чтобы не произошло разрушения конструкций, сжимаемые при общем изгибе судна продольные балки, полученные из условия прочности, проверяют на устойчивость при действии на корпус экстремального изгибающего момента.

Продольные балки при сжатии напряжениями _с, соответствующими критерию предельной прочности, считаются устойчивыми, если критические напряжения, определяемые по формулам (5.11), не менее значений _кр  к_с, где коэффициент запаса к = 1,15.

Эйлеровы напряжения балок для случая изгибной устойчивости, т. е. в плоскости изгиба, определяют (в МПа) по известной формуле

(5.15)

где i' — момент инерции поперечного сечения балки с присоединенным пояском, см⁴; А — площадь этого сечения, см²; l — пролет балки, м.

Испытания судовых конструкций до разрушения показывают, что обычно продольные балки теряют устойчивость не в плоскости своей наибольшей жесткости (устойчивость по Эйлеру), а в перпендикулярно к ней расположенной боковой плоскости, т. е. с отклонением в бок. Такой вид деформации сжатых балок обусловлен потерей так называемой изгибно-крутильной, или боковой устойчивости.

Эйлеровы напряжения, соответствующие потере изгибно-крутильной устойчивости балок, значительно ниже эйлеровых напряжений по формуле (5.15). Критические напряжения, обеспечивающие изгибно-крутильную устойчивость для палубных продольных балок сухогрузных и наливных судов, составляют не более (0,7-0,8). Изгиб поперечной нагрузкой сжатых балок понижает изгибно-крутильную устойчивость, а приварка балок к присоединенному пояску повышает ее. В случае применения стали повышенной прочности проблема изгибно-крутильной устойчивости становится более актуальной.

Рис. 5.2. Подкрепление стенки рамных балок (а) вертикальными ребрами (1) при высоте 60s_c < h < 160s_c; поперечных балок (б) высотой h > 160s_c — вертикальными и горизонтальными (2) ребрами; вертикального киля и отбойного листа танкеров (в) горизонтальными ребрами (2) и кницами устойчивости (3). Толщина стенки балок s_c > a/60 на участке 0,1l у опор и s_c  a/90 в пролете рамных балок.

Для обеспечения устойчивости палубных перекрытий Правила Регистра СССР регламентируют необходимую жесткость балок.

Устойчивость стенки рамных балок после износа на l,7s_к при действии напряжений от общего и местного изгиба обеспечивается при условии

где (₁ — сжимающие напряжения от общего изгиба в экстремальном режиме волнения; _1кр, _2кр, _кр — критические напряжения, определяемые по формулам (5.11) и (5.12); ₂,  —нормальные и касательные напряжения в рамной балке под действием поперечной нагрузки, например, в вертикальном киле при изгибе днища.

Стенку рамных балок высотой h  60s_c подкрепляют вертикальными (поперечными), а. высотой h > 160s_c параллельными свободной кромке ребрами жесткости в сочетании с кницами устойчивости (рис. 5.2). Расстояние между поперечными ребрами, нормальными к свободной кромке рамной балки, допускается не более 90s_c, а между ребрами, параллельными свободной кромке, — не более 55s_c, где s_c — проектная толщина стенки рамной балки.