Местная прочность плавучих доков в технических расчетах

Местная прочность плавучих доков предполагает полные расчеты прочности всех комплектующих и составляющих доков, а также выяснение возникающих усилий и нагрузок для предотвращения аварийных ситуаций во время постановки судна в док, его ремонта и вывода.

СодержаниеСвернуть

Расчет прочности днища
Расчет прочности стапель-палубы
Расчет прочности наружной обшивки бортов и внутренних стенок башен
Расчет прочности ферм башен
Расчет прочности башен на срез и опрокидывание
Расчет прочности переборок балластных и сухих отсеков
Расчет прочности палубы безопасности
Расчет прочности топ-палубы
Расчеты прочности торцовых стенок, волноломов и кормовых закрытий доков
Расчет прочности конструкций дока при действии ледовой нагрузки
Расчеты прочности конструкций дока в районах установки судовых устройств и механизмов

Расчет прочности днища

Прочность днища доков должна быть проверена на следующие нагрузки.

а) На давление, равное наибольшей разности уровней забортной воды и балласта. Величина этой нагрузки, называемая «перепадом давлений на днище», определяется по диаграмме затопления (см. рис. 2 “Диаграмма затопления обычного двухбашенного дока”Вопросы теории корабля и технические графики). Неравномерность затопления можно приближенно учесть, умножив наибольшую величину перепада давлений на коэффициент неравномерности К = 1,2. Если при приеме определенного судна известна схема балластировки отсеков для каждой осадки дока, прочность днища в соответствующих отсеках должна быть проверена на величину наибольшего перепада для каждого отсека.

Прочность днища сухих отсеков проверяется на величину давления при предельном погружении дока. Указанные нагрузки при погружении дока являются статическими и постоянными;

б) На давление при аварийном состоянии дока (рис. 1);

Аварийное давление — Рис. 1 Схема аварийного давления на внешние конструкции дока

в) В случае возможного перевода дока морем прочность днища в носовой оконечности (считая по направлению буксировки) должна быть проверена на удары волн, возникающие на синхронной волне.

Методика расчета днища на удар волн приведена в Справочнике. Следует также проверить днище на удары волн в оконечностях и при нулевой скорости, без хода дока.

Расчет прочности стапель-палубы

Стапель-палубу проверяют на следующие нагрузки.

а) На восприятие реакций, возникающих при постановке судов в док (см. Эксплуатация плавучих доковНекоторые вопросы по эксплуатации плавучих доков); при этом определяется также допустимая нагрузка на стапель-палубу. Не проверяют листы настила стапель-палубы под деревянными кильблоками, если кильблоки дока установлены на пересечении жестких связей понтонов (продольных и поперечных переборок, ферм, ребер жесткости и т. п.);

б) На «перепад давлений». Если уровень балласта в понтонах дока не доходит до стапель-палубы, расчетным напором для стапель-палубы является уровень над ней забортной воды (рис. 2). То же относится к стапель-палубе в сухих отсеках понтонов дока;

Местная прочность плавучих доков — Рис. 2 Схема определения давления на стапель-палубу по диаграмме затопления дока

в) При аварийном состоянии дока на напор, равный

p = H - h_{п} + ∆,

где:

H — высота дока;
h_n — высота понтонов;
Δ ≈ 0,5 м вод. ст.;

г) При переводе доков морем или эксплуатации на волнении следует определить величину возможного наката волны на стапель-палубу дока и сравнить с величиной давления, определенного в п. «б».

Рекомендуется к прочтению: Установка и центровка фундаментной рамы

Явление наката воды на стапель-палубу мало изучено. Для приближенных расчетов его можно определить по формуле

$p = Т + \frac{h_{в}}{2} - h_{п},$

где:

h_в — максимальная ожидаемая высота волны в районах эксплуатации или перевода дока.

Расчет прочности наружной обшивки бортов и внутренних стенок башен

а)Прочность наружной обшивки бортов и внутренних стенок башен в сухих отсеках проверяется на гидростатическое давление по предельную линию погружения.
б)Прочность обшивки в балластных отсеках башен проверяется на величину максимального «перепада давлений» (рис. 3) с учетом возможной неравномерности (К = 1,2).
в)Если в отсеках дока требуется создать воздушные подушки, прочность обшивки башен проверяется на равномерно распределенное давление воздуха в них за вычетом наружного гидростатического давления (рис. 3, б).
г)Прочность листов наружной обшивки башен (в случае перевода дока морем или возможности эксплуатации на волнении) должна быть проверена на удар волны. Об определении нагрузки при ударе волны в борт (см. ниже Расчет прочности башен на срез и опрокидывание).
д)Прочность пластин борта, если это предусмотрено заданием или условиями эксплуатации дока, должна быть проверена на ледовую нагрузку. Об определении ледовой нагрузки для плавучих доков (см. ниже Расчет прочности конструкций дока при действии ледовой нагрузки).

Расчет прочности ферм башен

Прочность ферм башен проверяют на те же нагрузки, на которые проверяют наружную обшивку бортов и внутренних стенок башен. О методах расчета ферм см. Прочность плавучего докаРасчет общей поперечной прочности сухого дока.

Все сжатые стержни ферм должны быть проверены на устойчивость с учетом отступления от закона Гука.

Расчет прочности башен на срез и опрокидывание

Прочность башен плавучих доков должна быть проверена на срез и опрокидывание при действии сил инерции, возникающих при качке дока, с учетом шквального ветра (см. Продольная прочность докаРасчет общей продольной прочности дока) и ударов волн. Эти нагрузки могут возникнуть при эксплуатации и переводе дока на волнении. Кроме того, башни должны быть проверены на усилия от ветра и упоров при крене дока с судном (Θ ≈ 2°).

Определение сил инерции при качке. Величина горизонтальных составляющих сил инерции при бортовой качке определяется по формуле (см. Кильблоки, клетки, упорыКонструкции и проектирование корпусов плавучих доков):

$P_{Д} = P (1, 16 \sin θ_{m a x} + \frac{4 θ_{m a x}}{T_{1}^{2}} |z|), Ф о р м . 1$

где:

Р — вес элемента конструкции башни с учетом веса механизмов и другого оборудования, имеющего координату |z| от центра тяжести дока;
$θ_{m a x}$
— амплитуда бортовой качки, рад;
Т₁ — период бортовой качки дока, сек.

Период бортовой качки дока может быть определен по формуле (см. также Плавучесть и диаграмма затопленияВопросы теории корабля и технические графики)

$T_{1} = 2 π \sqrt{\frac{A + ∆ A}{D (r - а)}}, Ф о р м . 2$

где:

А — момент инерции массы дока, определяемой по приближенной формуле Ю. А. Шиманского и Дуайэра:

$A \approx \frac{D}{g} (\frac{B^{2}}{11, 4} α^{2} + \frac{4 z_{g}^{2}}{12}); Ф о р м . 3$

ΔА — момент инерции присоединенной массы воды, определяемый по приближенной формуле

$∆ A \approx 0, 01 \frac{γ}{g} L B^{4} \approx 0, 01 \frac{D}{g} \cdot \frac{B^{3}}{δ T}; Ф о р м . 4$

(r—а) — метацентрическая высота.

Таким образом, приближенно

$T_{1} \approx 2 π \sqrt{\frac{1}{g (r - а)}} (\frac{B^{2} α^{2}}{11, 4} + \frac{z_{g}^{2}}{3} + 0, 01 \frac{B^{3}}{δ T}) . Ф о р м . 5$

В некоторых случаях, в частности для транспортных доков период качки может быть вычислен по формуле (см. Весовые характеристики корпусов плавучих доковНекоторые вопросы проектирования и постройки корпусов доков):

$T_{1} \approx 0, 8 \frac{B}{\sqrt{r - а}}, Ф о р м . 6$

где:

В, r и а — в метрах;
Т₁ — в секундах.

Максимально возможную величину амплитуды резонансной бортовой качки можно вычислить по формуле

$θ_{m a x} = α_{m a x} \sqrt{{(\frac{1 - q}{2 μ})}^{2} + 1}, Ф о р м . 7$

где:

α_max – эффективный угол волнового склона резонансной волны, определяемый по выражению

$α_{m a x} = κ_{θ} α_{0} = κ_{θ} \frac{2 π r_{в}}{λ}; Ф о р м . 8$

величина

κ_{θ} = κ_{T} \cdot κ_{B}

определяется по рис. 14 и 15

§

6 “Справочника по теории корабля” С. Н. Благовещенского;

$q = \frac{∆ A}{A + ∆ A} = \frac{0, 01 \frac{B^{3}}{δ T}}{\frac{B^{2} α^{2}}{11, 4} + \frac{z_{g}^{2}}{3} + 0, 01 \frac{B^{3}}{δ T}} . Ф о р м . 9$

Величина 2μ по данным Г. Е. Павленко и Г. А. Фирсова равна для судов без скуловых килей

$2 μ = 0, 07 - 0, 10,$

для судов со скуловыми килями

$2 μ = 0, 11 - 0, 14 . Ф о р м . 10$

Вычисления для транспортного дока с отношениями L/B = 9,5, B/T = 4,3 показывают, что максимальный угол крена при резонансной качке, определенный по указанному выше способу, достигает

θ_{m a x} = 30 °

Для доков большей ширины амплитуда качки меньше (практически для транспортных доков, не отрывавшихся от буксиров и не становившихся лагом к волне, крен не превышал 5—8°).

Определение усилий от ударов волн в башни дока. Давление на уровне топ-палубы вычисляется по формуле

$p_{d_{0}} = 2 π \frac{r^{2}}{λ_{m i n}} = π \frac{2 r}{λ_{m i n}} r, Ф о р м . 11$

где:

r и λ_min — полувысота и соответствующая ей минимально возможная длина волны (при наибольшей возможной ее крутизне).

Полувысота волны r принимается равной высоте надводного борта судна (дока), т. е.

$r = H - T .$

Минимально возможная длина волны λ_min определяется по диаграмме рис. 4, построенной по данным натурных измерений волн с наибольшим отношением высоты h_в = 2r к длине λ_min.

Будет интересно: Подъемные механизмы плавучей буровой установки и системы их управления

При расчете прочности борта (башни) по Ю. А. Шиманскому к гидродинамическому давлению волны

p_{d_{0}}

, добавляется гидростатическое давление р_ст, равное нулю на уровне топ-палубы и высоте борта H на уровне днища (рис. 5, а).

Так, при высоте борта дока Н = 10,0 м и осадке Т = 4,0 м гидродинамическое давление волны по Ю. А. Шиманскому будет равно

$p_{d_{0}} = π \frac{2 r}{λ_{\min}} \cdot r = π \frac{2 (H - T)}{λ_{\min}} \cdot r = π \frac{2 (10 - 4)}{210} \cdot (10 - 4) = 1, 1 м вод . ст .$

Другая схема определения давления удара волны в башни или торцовые стенки дока предложена М. А. Ловягиным (см. Определение размеров продольных связей корпусаНекоторые вопросы проектирования и постройки корпусов доков). По этой схеме среднее давление удара волн в башню дока вычисляется по формуле, полученной обработкой данных по замерам давлений у гидротехнических сооружений:

$p_{d_{с р}} \approx 1, 2 \sqrt{λ} \approx 1, 2 \sqrt{2 B} \approx k \sqrt{B} . Ф о р м . 12$

По рекомендации М. А. Ловягина (см. Весовые характеристики корпусов плавучих доковНекоторые вопросы проектирования и постройки корпусов доков) для малых доков (грузоподъемностью до 3 000-5 000 m) следует принимать

$k = 2, 5;$

для крупных доков (грузоподъемностью 5 000—25 000 m)

$k = 1, 8 .$

Практика перевода морем доков различной грузоподъемности (от 900 до 25 000 т) показала, что прочность башен доков при этих значениях расчетных давлений была обеспечена. При расчете по формуле (Формула 12) высота всплеска волны у борта обычно принималась равной двойной высоте волны от ватерлинии, распределение давления по высоте — равномерным (рис. 5, б). Величину высоты волны h_max при длине волны λ = 2В следует определять по диаграмме рис. 4.

Высота волны — Рис. 4 Кривая наибольших высот волн

Под действием всех вышеуказанных усилий башня дока рассчитывается как консольная балка, закрепленная на уровне стапель-палубы. Наибольшая величина перерезывающей силы в поперечных переборках, фермах и торцовых стенках башен равна:

$N \approx \frac{1}{2} Q_{н} + \sum Q_{в}, Ф о р м . 13$

где:

Q_н — нагрузка на нижний пролет (от стапель-палубы до палубы безопасности);
ΣQ_В — нагрузка на верхние пролеты (выше палубы безопасности).

Величина изгибающего момента в заделке у стапель-палубы равна

$M = Q \cdot z_{p}, Ф о р м . 14$

где:

z_р — координата равнодействующей нагрузки от стапель-палубы (координата центра парусности).

Величина нагрузки определяется для всей площади борта дока:

$S = L_{б} (H - h_{п}) .$

Ввиду того, что приведенная схема расчета носит условный характер, распределение давлений по высоте башни можно считать равномерным и величину z_р определять как половину высоты башен от стапель-палубы, т. е.

$z_{p} = \frac{1}{2} (H - h_{п}) . Ф о р м . 15$

Величину момента сопротивления башни у стапель-палубы можно определять (без учета незначительного влияния поперечных переборок) по формуле для «идеального» профиля:

$W \approx δ_{б} L_{б} b_{б} . Ф о р м . 16$

Величину приведенной площади среза поперечных переборок и торцовых стенок башен можно определять приближенно по формуле

$ω_{п р} \approx 0, 85 δ_{п е р} \cdot b_{б} \cdot n, Ф о р м . 17$

где:

n — число переборок в башне (с учетом двух торцов).

Расчет прочности переборок балластных и сухих отсеков

Прочность переборок сухих отсеков проверяется на гидростатический напор со стороны балластного отсека. При отсутствии воздушных подушек в балластных отсеках уровень воды следует считать равным осадке дока по линию предельного погружения, при наличии воздушных подушек их давление постоянно по высоте. Коэффициент неравномерности заполнения соседних балластных отсеков К = 1,2.

Кроме расчета переборок дока на эксплуатационные нагрузки при погружении дока, их прочность должна быть проверена на случайные нагрузки при аварийном затоплении одного или нескольких отсеков, с учетом высоты волны за бортом дока.

Расчет прочности палубы безопасности

При отсутствии воздушных подушек в балластных отсеках давление на палубу безопасности равно разности между уровнем забортной воды при осадке по линию предельного погружения и высотой палубы безопасности:

$p_{п . б}^{г и д р} = T_{п р е д} - h_{п . б .} Ф о р м . 18$

При образовании в балластных отсеках воздушных подушек расчетное воздушное давление на палубу безопасности равно разности между уровнем забортной воды (по линию предельного погружения) и уровнем воды в балластном отсеке:

$p_{п . б}^{в о з д} = T_{п р е д} - T_{б а л л} . Ф о р м . 19$

При аварийном затоплении отсеков или погружении дока на взволнованном море условное гидростатическое давление

$p = H + \frac{h_{в}}{2} - h_{п . б} . Ф о р м . 20$

Расчет прочности топ-палубы

Топ-палуба дока проверяется на действие случайного наката воды р = 0,5 м вод. ст.

В случае если рельсы подкрановых путей установлены не на стенках башен, прочность конструкций топ-палубы (бимсов) должна быть специально рассчитана на восприятие усилий при работе грузового крана.

Расчеты прочности торцовых стенок, волноломов и кормовых закрытий доков

При эксплуатации или переводе доков на волнении их торцовые стенки, волноломы (а у транспортных доков и кормовые закрытия) подвергаются нагрузкам от ударов волн. Величины нагрузок определяются так же, как при ударе волн в башни дока (см. ниже Расчет прочности башен на срез и опрокидывание).

Предлагается к прочтению: Ремонт корпусных конструкций и судовых устройств

Если пользоваться при этом данными М. А. Ловягина, длину волны при ударе в торцовые стенки, волноломы и кормовые закрытия следует принимать равной половине длины дока:

$λ = \frac{1}{2} L_{д} .$

Для проверки прочности волнолома и носовых стенок при транспортировке следует определить также нагрузку от скоростного напора по формуле

$p = 0, 1 v^{2} (т / м^{2}), Ф о р м . 21$

где:

v — скорость движения дока в м/сек.

Расчет прочности конструкций дока при действии ледовой нагрузки

Величина, ледовой нагрузки зависит от прочности на смятие или излом льда и скорости соударения (см. Кильблоки, клетки, упорыКонструкции и проектирование корпусов плавучих доков). Районы установки плавучих доков следует ограждать ледозащитными устройствами.

По данным ААНИИ величина ледовой нагрузки равна

$q_{с р} = 62 h^{3 / 2}, Ф о р м . 22$

где:

h — толщина льда, м;
q_ср — ледовая нагрузка в цилиндрической части, m/м.

В носовой части транспортных доков

$q_{н} = (1, 70 \div 1, 75) q_{с р} . Ф о р м . 23$

При проверке устойчивости набора переборок и ригелей ферм с присоединенными поясками учитывается одностороннее действие сжимающей нагрузки, уравновешенной на присоединенных поясках касательными напряжениями. В этом случае эйлеровы напряжения стержней равны (см. выше Расчет прочности стапель-палубы):

$σ_{э} = \frac{18, 3 E I}{F l^{2}} . Ф о р м . 24$

Расчеты прочности конструкций дока в районах установки судовых устройств и механизмов

Общие принципы расчета подкреплений под судовые устройства и механизмы изложены в работе (см. Кильблоки, клетки, упорыКонструкции и проектирование корпусов плавучих доков). В соответствии с действующими правилами коэффициент запаса прочности устройств при рабочей нагрузке равен 4—6 относительно предела прочности материала, т. е.

$σ_{д о п} = \frac{σ_{п р}}{4 \div 6} .$

Также должна быть проверена прочность при разрывном усилии тросов или цепей, при этом трос или цепь являются слабым звеном относительно конструкции корпуса.

Профиль рельсов под доковые подвижные грузовые краны (см. Конструкции плавучих доковКонструкции и проектирование корпусов плавучих доков) должен быть подобран, исходя из грузоподъемности кранов. В случае необходимости проверить прочность рельсов их рассматривают как бесконечные или полубесконечные балки, лежащие на упругом основании (бимсах топ-палубы). Если рельсы установлены на прокладках (клиньях), они рассматриваются дополнительно как неразрезные балки на многих опорах.

Читайте также: Материалы, применяемые в судоремонте

Следует обратить внимание на необходимость расчета вибрации конструкций в районе установки поршневых неуравновешенных механизмов (дизель-генераторов, компрессоров).

Сноски

Расчеты местной прочности металлических плавучих доков

Расчет прочности днища

Расчет прочности стапель-палубы

Расчет прочности наружной обшивки бортов и внутренних стенок башен

Расчет прочности ферм башен

Расчет прочности башен на срез и опрокидывание

Расчет прочности переборок балластных и сухих отсеков

Расчет прочности палубы безопасности

Расчет прочности топ-палубы

Расчеты прочности торцовых стенок, волноломов и кормовых закрытий доков

Расчет прочности конструкций дока при действии ледовой нагрузки

Расчеты прочности конструкций дока в районах установки судовых устройств и механизмов