§ 25. Требования к размерам элементов конструкции корпуса 125

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. 125

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. 125

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. 125

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. 126

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. 126

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. 126

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. 126

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) 127

(5.10) 127

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). 127

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. 127

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 127

коэффициент запаса по устойчивости к = 1,01,15, не превышают критических напряжений, вычисленных для этих связей по формулам 127

127

127

(5.11) 127

127

128

128

Эйлеровы нормальные и касательные напряжения прямоугольных свободно опертых пластин определяют (в МПа) по формулам 128

(5.12) 128

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. 128

Таблица 5.1. Виды нагружения пластин при оценке их устойчивости 128

Вид нагружения 128

у=а/Ь 128

п 128

128

128

128

128

128

128

128

128

128

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. 128

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. 128

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 129

, 129

где момент сопротивления рассматриваемой балки из условия прочности к середине срока службы 129

(5.13) 129

(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. 129

Множитель, учитывающий запас на коррозию для катаных балок таврового, углового и симметричного полособульбового профиля, принимают равным большему из двух значений, определяемых формулами 129

129

Для балок полосового и несимметричного полособульбового профиля 129

129

где W' — момент сопротивления балки основного набора, вычисляемый по формуле (5.13); s_к — коррозионная добавка к толщине стенки балки (см. § 29). 129

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. 129

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. 129

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 129

(5.14) 130

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. 130

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. 130

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. 130

Эйлеровы напряжения балок для случая изгибной устойчивости, т. е. в плоскости изгиба, определяют (в МПа) по известной формуле 130

(5.15) 130

где i' — момент инерции поперечного сечения балки с присоединенным пояском, см⁴; А — площадь этого сечения, см²; l — пролет балки, м. 130

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. 130

131

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. 131

Устойчивость стенки рамных балок после износа на l,7s_к при действии напряжений от общего и местного изгиба обеспечивается при условии 131

131

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. 131

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. 132

1. Назовите основные функции Регистра СССР. 132

2. Каковы особенности структуры и построения Правил классификации и постройки морских судов Регистра СССР? 132

3. Расскажите о современных требованиях к общей прочности судов, изложенных в Правилах Регистра СССР. 132

4. Назовите конструктивные элементы корпуса и условия определения их размеров. 132

5. Перечислите требования к толщине листовых элементов (пластин) корпуса. 132

6. Какие требования предъявляются к размерам поперечного сечения балок набора корпуса? 132

7. Как учитывается коррозия при определении толщины пластин и размеров поперечного сечения балок набора? 132

8. Расскажите о конструкции подкрепления стенки рамных балок. 132