§ 15. Системы набора перекрытий. Шпация 79

Определение системы набора перекрытий. По составу система набора может быть простой, если перекрытие содержит балки только одного направления, и сложной, если имеются балки двух взаимно перпендикулярных направлений. Примером перекрытий с балками одного направления являются поперечные переборки и бортовые перекрытия сухогрузных судов без ледовых усилений. В большинстве же случаев перекрытия подкрепляют балками двух направлений (днищевые, палубные на сухогрузных и все перекрытия на наливных судах). 79

По конструкции система набора может быть поперечной, продольной или клетчатой (рис. 3.19). Для определения системы набора судовых перекрытий имеется три признака классификации. Силовой признак, предложенный И. Г. Бубновым, определяет систему набора в зависимости от того, на какие стороны опорного контура перекрытия передается балками набора большая часть поперечной нагрузки. В транспортном судостроении этот признак классификации систем набора не применяется. 79

80

Рис. 3.19. Схемы расположения балок перекрытий по поперечной (а), продольной (б) и клетчатой (в) системам набора. 80

1—стрингер; 2— флор; 3 — продольная балка. 80

Формальный признак классификации определяет систему набора в зависимости от ориентации большинства балок. Если в пределах перекрытия балки расположены в основном поперек корпуса, система набора считается поперечной и, наоборот, продольной, если балки расположены вдоль корпуса (см. рис. 3.19). Однако на сильно вытянутом участке палубных перекрытий вдоль широких (более 0,6В) грузовых люков формальный признак классификации может оказаться ошибочным. 80

Третий признак классификации определяет систему набора безошибочно по ориентации пластин обшивки (настила), расположенных между двумя парами параллельных смежных балок. Если прямоугольная пластина вытянута поперек корпуса, система набора называется поперечной. Если пластина вытянута вдоль судна, система набора считается продольной независимо от числа продольных балок. Если пластина оказывается квадратной или близкой к ней по форме, система набора называется клетчатой. 80

Система набора считается комбинированной, когда в конструкции одного перекрытия (или корпуса) используются две системы набора. Например, если днищевое перекрытие в МО имеет продольную систему набора, а в районе расположения машинного фундамента по требованию Правил Регистра СССР клетчатую, то в целом система набора этого перекрытия будет комбинированной. 80

Преимущества и недостатки систем набора. Еще в начале металлического судостроения, в 50-х годах XIX в., кроме постройки судов с поперечной системой набора, традиционной для деревянных судов, в Англии было изготовлено несколько железных судов с продольной системой набора. Однако из-за сложности конструкции, отсутствия опыта у рабочих, высокой стоимости постройки, особенно в клепаном исполнении, продольная система набора перекрытий судов не получила распространения. 81

Поперечная система набора сравнительно проста по конструкции, эффективна в работе перекрытий под действием поперечной нагрузки, технологична не только в районе цилиндрической вставки, но и в оконечностях корпуса. Органическим недостатком поперечной системы набора являются низкие эйлеровы напряжения (см. § 11), которые для пластин ВП и днища часто оказываются меньше допускаемых сжимающих напряжений даже в обычном эксплуатационном режиме плавания. С переходом при сборке судовых конструкций на сварку вместо клепки обнаружился еще один существенный недостаток применения поперечной системы набора: из-за поперечной усадки угловых сварных швов в тавровых соединениях появляется и со временем увеличивается прогиб пластин. В случае применения поперечной системы набора устойчивость уже деформированных пластин, сжимаемых напряжениями, параллельными короткой стороне опорного контура, значительно уменьшается. 81

Устранить отрицательное влияние сварочных деформаций на устойчивость пластин можно только заменой поперечной системы набора продольной. При продольной системе набора сварочные деформации не устраняются, а изменяется на 90° ориентация пластин, что в значительной мере нейтрализует отрицательное влияние усадки сварных швов. Другое преимущество продольной системы набора — высокие эйлеровы напряжения (см. § 11). Это позволяет обеспечить устойчивость пластин даже тогда, когда с целью уменьшения массы в конструкции использована сталь повышенной прочности. Преимущество продольной системы по сравнению с поперечной проявляется и в уменьшении массы конструкции, работающей на изгиб, если расчетная толщина обшивки не менее минимально допустимой. 81

Недостатками продольной системы набора являются сложность конструкции, большая трудоемкость и стоимость изготовления перекрытий и корпуса судна в целом. В условиях воздействия переменных эксплуатационных нагрузок может проявиться еще один недостаток продольной системы набора — снижение работоспособности и надежности конструкции в узлах пересечения продольных балок с водонепроницаемыми флорами и поперечными переборками [2]. Вследствие концентрации напряжений, обусловленной при растяжении конструктивными, технологическими, сварочными дефектами, в узлах соединения продольных балок часто появляются усталостные повреждения в виде трещин, особенно при разрезе балок на поперечных связях, в случае низкого качества материала. 81

Факторы, влияющие на выбор системы набора. Выбор системы набора перекрытий при проектировании конструции корпуса представляет ответственную задачу, от практического решения которой зависят не только технико-экономические показатели (масса, стоимость, технологичность), но и надежность конструкции. Рассмотрим основные факторы, влияющие на выбор системы набора. 82

Назначение, размерения, архитектурно-конструктивный тип судна. Эти факторы, характеризующие индивидуальные особенности судна, являются исходными для вычисления расчетной нагрузки, действующей по нормали к поверхности перекрытия, а также для определения вида и значения напряжений в их плоскости (см. гл. 4 и 5). Данные о нагрузках, воспринимаемых перекрытиями корпуса, позволяют выбрать для каждого из них наиболее рациональную систему набора. В частности, в перекрытиях, работающих преимущественно на изгиб, балки основного набора в целях экономии их массы следует располагать параллельно короткой стороне опорного контура. Именно поэтому на судах длиной примерно до 100 м предусматривается поперечная система набора перекрытий. 82

Размеры пластин настила ВП, второго дна, днищевой обшивки кроме обеспечения местной прочности при действии расчетной поперечной нагрузки должны удовлетворять требованиям устойчивости. При необходимости повышения эйлеровых напряжений ВП и днище подкрепляются продольными балками. 82

Недостатки поперечной системы набора. Указанные выше недостатки конструкции перекрытий с поперечной системой набора (низкие эйлеровы напряжения, развитие погиби пластин из-за поперечной усадки сварных швов) исключают ее применение для ВП и днища на сухогрузных судах длиной более 120 м и на наливных длиной более 80 м. 82

Район расположения перекрытий. В середине судна на длине 0,4L у сухогрузных и на длине грузовых танков у наливных судов принятая система набора одноименных перекрытий сохраняется. На длине форпика и ахтерпика перекрытия почти всех судов имеют поперечную систему набора. Между средней частью корпуса и соответствующим пиком (на длине 0,25 L) в конструкции ВП и днища продольная система набора постепенно переходит в поперечную. 82

Механические свойства сталей. Применение сталей повышенной прочности (СПП) в судокорпусостроении позволяет значительно уменьшить массу конструкций. Однако продольные связи корпуса из СПП, особенно связи верхней палубы и днища, сжимаются более высокими напряжениями, чем при использовании обычной углеродистой стали. Требование устойчивости продольных элементов конструкции становится определяющим. Рациональное (полное) использование СПП возможно лишь при продольной системе набора сжимаемых перекрытий. Применение СПП и поперечной системы набора в конструкции ВП и днища несовместимо. 83

Условия эксплуатации судов. Суда, эксплуатируемые в ледовых условиях, подвергаются значительным ледовым нагрузкам, имеющим, как правило, локальный характер. С целью разнесения ледовой нагрузки на большую площадь перекрытий целесообразно применение поперечной системы набора для бортовых перекрытий по всей длине ледового пояса и клетчатой системы набора для конструкции днища в носу, особенно у ледоколов, па длине (0,25-0,30)L. Аналогично для судов, швартующихся в море, конструкция борта усиливается и выполняется по поперечной системе набора. 83

Минимальные строительные толщины обшивки (настила). Если при продольной системе набора толщина обшивки (настила) перекрытия до износа оказывается меньше минимально допустимой, то ее преимущества не реализуются полностью. Поэтому суда сравнительно небольших размеров, у которых для настила ВП и днищевой обшивки минимально допустимые толщины являются определяющими, целесообразно проектировать и строить с поперечной системой набора. Окончательный выбор системы набора перекрытий таких судов — длиной более 60 м — принимается после расчета общей прочности (см. гл. 4 и 5). 83

Принятая система набора конструктивно может быть реализована различно в зависимости от типа, назначения, размеров судна и перекрытий, определяющих условия работы балок. 83

Шпация набора перекрытий. Шпация поперечного и продольного наборов является характерным параметром при проектировании конструкции корпуса судна. От шпации зависят расчетные размеры всех конструктивных элементов корпуса: толщины наружной обшивки, настила палуб, обшивки переборок, геометрические характеристики поперечного сечения балок набора. Со шпацией связаны габаритные теоретические размеры грузовых помещений, грузовых люков. Шпация является исходной базой при технологических операциях (разметке, проверке и др.), влияет на стоимость и трудоемкость постройки, на массу, раскрой и стоимость материала. 83

Выбор оптимальной шпации при проектировании конструкции корпуса представляет собой комплексную задачу. За критерий оптимизации обычно принимают минимум массы или минимум стоимости. 84

Согласно Правилам Регистра СССР [17] нормальной шпацией в средней части судна считается a₀ = 0,002L + 0,48 м. Допускаемое отклонение проектной шпации равно ±25%. В форпике и ахтерпике шпация должна быть не более 0,6 м, а в районе (0,050,20)L от носового перпендикуляра — не более 0,7 м. Размеры шпации в отраслевом стандарте приняты: 400, 500, 550, 600, 700, 750, 800, 850, 900, 950, 1000 мм. 84

При проектировании предпочтительны шпации, увеличенные по сравнению с нормальной. Увеличение проектных шпаций сокращает количество балок, их общую протяженность, число пересечений и, следовательно, трудоемкость и стоимость работ по изготовлению, установке и сварке. Масса конструкции перекрытий с увеличением шпации на 10—12% возрастает теоретически на 1—3%, что находится обычно в пределах неизбежного округления расчетных размеров связей до сортаментных и при использовании нормальной шпации. В ряде случаев (на судах длиной до 140—150 м) требование устойчивости пластин не позволяет увеличивать шпации набора ВП и днища. 84

Проектные шпации смежных перекрытий должны быть согласованы даже при различных системах набора. Например, расстояние между флорами в днище и между рамными бимсами палубы, в случае применения на этих перекрытиях продольной системы набора, обязательно кратно шпангоутному расстоянию при поперечной системе набора борта. 84

В транспортном судостроении шпацию выбирают по экономическому критерию, т. е. по минимуму суммарных затрат на материал и изготовление конструкции. Оптимальная по стоимостному критерию шпация превышает нормальную более чем на 10—12%. 84

1. Перечислите архитектурно-конструктивные типы судов в зависимости от расположения надстроек и МКО по длине судна. 84

2. Назовите конструктивные типы судов, определяемые высотой надводного борта. 84

3. Назначение и особенности конструкции универсальных сухогрузных судов. 84

4. Перечислите типы специализированных сухогрузных судов и укажите их архитектурно-конструктивные особенности. 85

5. Назовите архитектурно-конструктивные особенности рудовозов, комбинированных судов и танкеров. 85

6. Перечислите конструктивные элементы перекрытий корпуса. 85

7. Какие системы набора перекрытий корпуса существуют? В чем особенности каждой из них? 85

8. Применение систем набора; их преимущества и недостатки. 85

9. Перечислите факторы, влияющие на выбор системы набора. 85

10. С учетом каких факторов выбирается оптимальная шпация набора? 85