.

Конструкция надстроек и рубок

Надстройки и рубки судна – это совокупность конструкций, которые расположены от борта до борта, и которые соединены с наружной обшивкой корпуса.

Характеристика надпалубных конструкций

Все морские и речные суда над основным корпусом на его верхней палубе имеют закрытые помещения, которые носят общее название — надстройки.

К ним относятся:

  • служебные и жилые помещения;
  • машинно-котельные шахты;
  • световые люки;
  • машинно-котельные кожухи;
  • помещения под лебедочными рострами (приподнятые площадками) у мачт и т. п.

Особую роль надстройки выполняют как сооружения, увеличивающие высоту надводного борта с целью улучшения мореходных качеств при плавании на волнении. Это прежде всего относится к надстройкам бака и юта. В том случае, когда эти конструкции образовываются продолжением бортов основного корпуса, располагаясь на всей ширине судна, они называются собственно надстройками. В том же случае, когда продольные стенки последних не совпадают с бортами и надстройки располагаются только на части ширины судна, то такие надстройки имеют собственное название — рубки.

Особенно длинные надстройки и рубки имеются на пассажирских (см. рис. Принципы проектирования конструкций корпуса судна“Гибель теплохода “Нина Сагайдак” во льдах Восточной Арктики”), круизных и госпитальных судах, используемых для размещения людей и автомобилей. В том случае, когда надстройки занимают часть длины основного корпуса, они превращаются в прерывистые связи, проектированию которых необходимо уделить большое внимание, особенно когда в их бортах, переборках и палубах образовываются многочисленные окна, двери и люки.

Расположение надстроек и рубок по длине основного корпуса, а также их форма обусловливаются функциональным назначением судна и вместе с образованиями (формой) оконечностей определяют архитектурный тип судна.

Читайте также: Конструкция двойного дна в районе скулы в судовом корпусе

Как надстройки, так и рубки бывают одноярусными (одноэтажными) и многоярусными. Обычно одноярусной бывает надстройка бака, обеспечивающая увеличение высоты надводного борта в носовой оконечности. За счет этого увеличивается развал носовых шпангоутов, улучшается всхожесть судна на волны и уменьшается заливаемость носовой оконечности при движении на волнении.

В последние годы на большинстве транспортных судов наблюдается тенденция устройства на судах только бака и кормовой надстройки. Последняя смещается в виде узкой многоярусной башни в самую корму. Иногда с целью упрощения балластировки судна за кормовой надстройкой оставляется место для устройства люка кормового трюма и для размещения нескольких ярусов контейнеров или другого палубного груза. Такие суда называют судами со смещенными в корму надстройками. На промысловых базах длинные надстройки используются для устройства цехов для обработки улова, а также размещения жилых помещений промысловых рабочих, число которых достигает нескольких сотен.

Надстройки и рубки часто являются важными связями, принимающими участие в общем продольном изгибе основного корпуса. Они создают дополнительную прочность корпуса и вместе с ним работают как одно целое: балка—корпус.

Как и в основном корпусе, в надстройках при общем изгибе могут возбуждаться напряжения большой величины, а в их прерывистых связях часто возникают повреждения в виде трещин и остаточных деформаций как результат высокой концентрации местных напряжений. Во избежание этого в некоторых случаях делаются многочисленные попытки уменьшить степень участия надстроек и рубок в общем изгибе совместно с основным корпусом за счет устройства расширительных соединений.

Результаты эксплуатации как клепаных, так и сварных судов свидетельствуют об участии надстроек и рубок в общем изгибе, а следовательно, об их необходимости и требуют их внимательного проектирования. Это касается прежде всего надстроек с большим количеством окон и дверей в их бортах и в продольных внутренних переборках жилых помещений.

Во время ремонта старого судна «Александр Можайский», клепаная двухъярусная надстройка — рубка была заменена на сварную. Во время тяжелых морских плаваний в новой рубке появились многочисленные трещины в углах дверных и оконных проемов и в нишах для пожарных шлангов, которые можно видеть на рис. 1 в продольных стенках.

Образование трещин в рубке судна
Рис. 1 Трещины в двухъярусной рубке парохода «Александр Можайский» и крепление продольной стенки рубки (трещины, показанные пунктиром, появились позже).
1 — комингс рубки на заклепках; 2 — палуба верхней рубки; 3 — продольная стенка рубки; 4 — верхняя палуба судна

Количество их увеличилось. Подобные же повреждения наблюдались в большом количестве на круизных судах и паромах в Японии (рис. 2, 3). С целью выяснения причин повреждения и определения напряженного состояния всего корпуса вместе с многоярусной надстройкой был использован метод конечных элементов (рис. 4).

Напряжения угла дверного проема судовой рубки
Рис. 2 Площадь модели с целью определения концентрации напряжений у угла дверного проема

Рассматривалась многоярусная подстройка семипалубного круизного судна дедвейтом 22 600 т длиной 155 м с надстройкой в 140 м (0,9L). Над четвертой главной палубой судна возвышались палубы надстройки (от 5-й до 7-й), между 3-й и 4-й палубами в бортах имелись многочисленные окна для обзора гуляющих по проминантдеку пассажиров (см. рис. 3).

Трещина в надстройке парома
Рис. 3 Повреждение в длинной надстройке автомобильного парома

Оказалось, что многочисленные оконные проемы значительно влияют на распределение местных напряжений от общего продольного изгиба. Для сравнения расчету подвергались две разные модели: одна с окнами, а другая без окон. Загрузкой моделей вызывался максимальный изгибающий момент для случая судна на тихой воде.

Чертеж модели судна
Рис. 4 МКЭ-модель круизного судна

На рис. 5 даются напряжения, действующие на уровне каждой палубы. Пунктирной линией иллюстрируется распределение напряжений на судне с окнами, точечной линией — при отсутствии окон, а сплошной линией даны напряжения, полученные расчетом для судна с надстройкой по балочной теории. Распределение напряжений при отсутствии окон оказалось ближе к линейному. Напряжения изгиба увеличиваются на уровне 3-й палубы в случае наличия окон.

График напряжений изгиба корпуса судна
Рис. 5 Продольные напряжения изгиба корпуса круизного судна

Длина надстройки судна достаточна для полного ее включения в совместную работу с основным корпусом. Согласно Правилам NK в эквивалентный брус включаются только связи, расположенные ниже главной палубы, связи, расположенные выше, не включаются. Считается, что связи надстроек над прочной палубой для обеспечения продольной прочности корпуса неэффективны. Однако эксперименты и опыт эксплуатации показывают, что связи надстроек при достаточной их длине работают так же эффективно, как и связи основного корпуса. Поэтому момент инерции сечений корпуса за счет надстроек увеличивается.

В результате расчетов оказалось, что момент инерции за счет надстроек возрос в 1,83 раза, а расстояние от нейтральной оси до верхней палубы надстройки увеличилось в 1,62 раза. Общий момент сопротивления увеличился только в 1,13 раза. При проектировании на это необходимо обращать внимание. Действительно, на палубе надстройки напряжения имеют ту же величину, что и на прочной палубе №4 основного корпуса.

По концам обрывающейся надстройки наблюдаются повышенные деформации, и во избежание трещин желательно создать условия для придания надстройке гибкости (см. рис. 3). Часто вместо этого рекомендуют увеличивать жесткость, устанавливая мощные кницы, однако и у последних целесообразно делать подвижные соединения с целью дополнительного уменьшения концентрации местных напряжений.

Углам у окон и дверей в продольных стенках многоярусной надстройки необходимо придавать формы, в максимальной степени уменьшающие концентрацию местных напряжений. Для разработки рекомендаций для проектирования были проведены расчеты с использованием МКЭ для определения величины и распределения напряжений у углов отверстий в продольных стенках надстройки при разных формах скругления углов окон и дверей.

Модель принималась в виде листа с отверстиями, имеющими разную форму скругления углов. Модель загружалась растягивающими усилиями, так как продольные стенки надстроек, повреждаясь при общем изгибе, находятся в условиях растяжения (рис. 6).

Скругление углов при растягивающих усилиях на корпус судна
Рис. 6 Профиль округления угла с ребром жесткости

Расчетам подвергались четыре разные по форме модели скругления углов отверстий (рис. 7):

  • CR 1 (радиус 20R);
  • CR 2 (радиус 200R);
  • CR 3 (радиус 60R);
  • CR 3 + S (с установкой ребра жесткости).

На рис. 7 приводятся коэффициенты концентрации местных напряжений для углов разной формы, полученные в результате испытания моделей. Модели соответствовали площади в углах отверстий, которая заштрихована на рис. 2.

Концентрация местных напряжений в судовых угловых конструкциях
Рис. 7 Коэффициенты концентрации напряжений у угла

Результаты испытаний моделей с разной формой скругления углов показали, что наименьшая величина концентрации напряжений оказалась у скругления по радиусу R = 200 мм и при меньшем радиусе в 60 мм у модели с внутренним скруглением (см. рис. 7), равным 2,8 (с установкой продольной подкрепляющей полосы 100 х 7). Приварка полосы значительно уменьшает концентрацию напряжений, и, учитывая небольшой радиус скругления углов, последняя конструкция может быть рекомендована для дверей и окон надстроек.

Для дополнительного уменьшения концентрации местных напряжений целесообразно в углах проемов устанавливать вварные утолщенные листы и обделку из полосового железа. Предпочтение с точки зрения технологичности можно отдать скруглению по малому радиусу с подкреплением полосой. Такая конструкция была осуществлена на «А. Можайском» с целью ликвидации трещин, но судно было выведено из эксплуатации и наблюдение за дальнейшим поведением модернизированных конструкций в морских условиях не представилось возможным.

Будучи прерывистыми связями, продольные стенки надстроек всегда деформируются вместе с основным корпусом, в то время как продольные стенки рубок могут в результате внецентренного растяжения и сжатия прогибаться в обратную сторону. При изгибе надстроек и рубок по линиям присоединения продольных их стенок к борту или к палубе основного корпуса возникают касательные усилия qx (рис. 8).

Взаимодействие основного корпуса судна с надстройкой
Рис. 8 Усилия взаимодействия основного корпуса с надстройкой

Напряжения от общего продольного изгиба корпуса в вертикальной плоскости полностью не передаются от основного корпуса к надстройкам. Изменяющие свою величину от нуля посередине длины стенки до максимальной величины по ее концам эти напряжения можно видеть на рис. 5. Напряжения по концам надстроек в поперечных сечениях основного корпуса вызывают дополнительные напряжения в основном корпусе, концентрация которых у концов надстроек достигает значительной величины и требует принятия конструктивных мер с целью их уменьшения до безопасной величины.

Заменяя действия прерывистой части (стенки надстройки) усилиями, приложенными по кромке непрерывной части (основного корпуса), имеется возможность методами теории упругости определить поле напряжений по концам стенок надстроек и оценить мероприятия по уменьшению концентрации напряжений в основном корпусе.

Наиболее радикальным методом в этом отношении является устройство подвижных соединений.

При растяжении палубы с надстройкой или при их сжатии непрерывная часть корпуса прогибается в результате внецентренного растяжения в обратную сторону. Этому изгибу будут препятствовать борта и внутренние конструкции основного корпуса, а изгиб надстройки будет повторять изгиб основного корпуса.

При недостаточно прочных палубных перекрытиях внецентренное растяжение рубок может вызвать их изгиб в сторону, противоположную изгибу основного корпуса (см. рис. 8). Большие усилия по концам надстроек могут вызвать отрыв надстроек от борта, а рубок — от палубного настила и появление опасных трещин в ответственных конструкциях.

Зная распределения усилий по линии присоединения надстроек и рубок к основному корпусу, можно установить картину распределения касательных и нормальных напряжений у концов надстроек и определить степень их участия в общем изгибе основного корпуса (рис. 9).

Схема распределения напряжений в корпусе и надстройке
Рис. 9 Величина продольных напряжений в основном корпусе и в надстройке

На рис. 8 показана принципиальная схема совместной работы надстройки и основного корпуса. Основной корпус подвергается действию изгибающего момента М, перерезывающих сил Т в продольном направлении. Показано взаимодействие между верхней частью основного корпуса и нижней поверхностью надстройки, а также реактивные силы, действующие в вертикальном направлении qх. С целью предотвращения этого целесообразно устанавливать по концам надстроек в основном корпусе поперечные переборки в одной плоскости с поперечной стенкой надстройки.

С другой стороны, в случае если судно имеет длинную надстройку, последняя и основной корпус изгибаются как одна целая балка.

Распределение продольных изгибных напряжений в надстройке и в основном корпусе иллюстрируется на рис. 9 в зависимости от длины надстройки на основном корпусе судна. В случае А надстройка имеет длину, сравнимую с длиной основного корпуса, и общий изгиб балки-судна происходит по линейному закону. В случае В при короткой надстройке распределение напряжений отличается по причине изгиба надстройки в сторону, противоположную изгибу основного корпуса. Случай С — промежуточный между случаями А и В. Основываясь на некоторых исследованиях, определение длинной или короткой надстройки устанавливается соответственно как 15—25% по отношению к основному корпуса судна.

Предлагается к прочтению: Методы выбора размеров и формы судовых корпусных конструкций

Приведенные рекомендации несколько отличаются от российских, по которым надстройки считаются принимающими полное участие в общем изгибе корпуса при длине более 15% длины корпуса. В то же время на основании японских нормативных документов не разделяются надстройки и рубки; по-видимому, предполагается, что длинным рубкам обеспечивается совместная работа с основным корпусом, т. е. предотвращается изгиб в сторону, противоположную изгибу корпуса.

При проектировании надстроек и рубок необходимо учитывать воздействие на них больших динамических нагрузок во время сильного шторма, которые иногда вызывают серьезные повреждения, особенно лобовых стенок, при ходе в грузу при заливаемости палуб. В этих условиях известны случаи смещения и потери палубных грузов, а также гибели членов команды при попытках закрепить этот груз. Особая опасность угрожает надстройкам низкобортных судов, и прежде всего танкерам, имеющим минимальный надводный борт, который меньше, чем у сухогрузных судов.

Конструкция у лобовой и задней стенок надстроек, на которые опираются продольные комингсы и фальшборты

При надстройках, расположенных как в оконечностях, так и при промежуточном их расположении, иногда концы продольных непрерывных комингсов заканчиваются у их поперечных стенок в виде переходных книц. В случае если за кормовой надстройкой имеется еще люк, то продольные комингсы проходят через надстройку непрерывно. В обоих случаях места опирания концов комингсов и их проход через поперечные стенки образуют жесткие точки (hot spots) с объемным напряженным состоянием и высокой концентрацией местных напряжений.

Такие места в конструкциях всегда создают условия для образования первоначальных усталостных трещин, способных в условиях действия больших знакопеременных динамических нагрузок во время сильной качки вызвать опасные повреждения корпуса. Особенности работы комингсов и фальшбортов, присоединяемых к поперечным стенкам надстроек, заключаются в том, что рубки, и особенно высокие, испытывают сильную вибрацию, вызывающую в местах присоединения к ним продольных комингсов и фальшбортов дополнительную концентрацию напряжений. Если фальшборты присоединяются к надстройкам через декоративную обшивку, то это не предотвращает опасности повреждения конструкции.

О повреждениях конструкций присоединения фальшбортов к декоративной обшивке рубок-надстроек имеются материалы во всех четырех изданиях данного учебника. Количество этих повреждений, так же как и по углам рубок, значительно уменьшилось после использования подвижных соединений.

Переход к продольным стенкам надстроек и к декоративной обшивке от фальшбортов осуществляется одинаково в виде переходных длинных книц, форма которых уже была рассмотрена в статье Ограждение открытых палуб фальшбортами, леерами и волноотбойниками и подвижные соединения“Открытая палуба и ограждения на транспортных судах”. Во всех случаях фальшбортов, не присоединяемых жестко к корпусу, размеры и форму книц рекомендуется выполнять, как это показано на рис. 10.

Слияние стенки надстройки с фальшбортом судна
Рис. 10 Переход стенки надстройки в фальшборт.
1 — продольная стенка надстройки; 2 — поперечная стенка надстройки; 3 — переходная кница; 4 — борт; 5 — поперечная переборка; 6 — ширстрек; 7 — верхняя палуба; 8 — бимс; 9 — шпангоут; 10 — стойка поперечной переборки; 11 — фальшборт

По борту надстройки, а также под подвижными соединениями листы бортовой обшивки в районе переходной кницы должны утолщаться в соответствии с требованиями Правил (рис. 11).

Переход надстройки судна в фальшборт
Рис. 11 Надстройка бака и переходные кницы ее продольных стенок в фальшборт

Переходные кницы продольных непрерывных комингсов требуют к себе дополнительного внимания, особенно в случае их присоединения к высоким вибрирующим кормовым надстройкам (рис. 12). При расположении люков грузовых трюмов на небольшом расстоянии от поперечной стенки надстройки отсутствует возможность расположить достаточно большие переходные кницы продольных комингсов, а установка книц малого размера оказывается недостаточной.

Виды переходных книц от стенок судовой рубки
Рис. 12 Переходные кницы (1) от стенок рубки к боковым (2) и центральным (3) комингсам. Напряжения по кромкам переходных книц:
а — по радиусу; б — по дуге эллипса; в — по радиусу с надрезом

В результате на т/х «Пестово» (типа «Варнемюнде») повторно возникли повреждения после урагана при проведении испытаний во время океанского плавания. Установить же кницы большого размера было нельзя из-за недостатка места. Такие кницы могли бы ликвидировать опасные жесткие точки и ограничить перемещения кормовой надстройки при ее вибрации. Однако изменить обстановку было невозможно, так как требовалась капитальная реконструкция, и поэтому повторные повреждения были неизбежны.

Подкрепление надстроек с целью уменьшения амплитуды их продольных колебаний требовало капитальных затрат, на которые судовладелец не согласился.

По-видимому, во всех случаях продольные комингсы, а их на судах со строенными и сдвоенными люками достаточно много, целесообразно сводить на нет на некотором расстоянии от надстройки (см. рис. 11). Нежелательно и протягивание средних комингсов через лобовую стенку надстройки, так как в местах их прохода образуются опасные жесткие точки.

Основным источником больших перемещений надстроек и особенно высоких рубок-башен на судах с большой скоростью является вибрация, вызываемая динамическими Работа двигателя при волнении морянагрузками на волнении и оголением винтов во время шторма. Эта вибрация определяется размахом (или амплитудой), частотой (числом колебаний в минуту) и ускорением колебаний.

Задачей первостепенной важности для увеличения прочности конструкций является борьба с вибрацией еще на стадии проектирования корпуса. Вибрация судовых конструкций вызывается главным образом работающим гребным винтом и работающей главной машиной. Имеют место и другие источники вибрации. Это ударные нагрузки в результате слеминга, который вызывает вибрацию корпуса судна, называемую выпингом, а также при действии знакопеременной нагрузки от разных механизмов; насосов, генераторов, компрессоров и т. п.

Продольные перемещения надстроек, замеренные во время экспериментов в море, представлены на рис. 13 Они вызваны вибрацией надстроек одновременно со всем корпусом.

Перемещения судовой рубки при качке
Рис. 13 Продольные и вертикальные перемещения рубки, замеренные при качке в двух режимах (α — амплитуда)

Корпус судна может получать несколько форм собственных колебаний, имеющих свою частоту. Надстройки выбирают как в результате вибрации всего корпуса, так и в результате вибрации, вызываемой работой механизмов, расположенных под ними, и от вращения гребных винтов.

На рис. 13 показаны вертикальные перемещения рубок, которые также отрицательно влияют на прочность переходных книц и на концентрацию напряжений по их свободным кромкам. Попытки уменьшить вибрацию надстроек за счет установки больших переходных продольных книц делались японскими исследователями с целью уменьшения напряжений по углам рубок. По-видимому, для этого требуется принятие сложных конструктивных мер. На рис. 14 показано уменьшение перемещений рубки после введения больших продольных книц.

Смещение надстройки судна при вибрации
Рис. 14 Перемещение кормовой надстройки при вибрации.
1 — вертикальные перемещения относительно палубы; 2 — необходимые подкрепления вдоль продольных стенок; 3 — высокая кормовая надстройка; 4 — продольные перемещения после подкрепления; 5 — продольные перемещения до подкрепления; 6 — удлиненный ют

На рис. 15 пунктиром показаны вертикальные перемещения надстроек при общей вибрации судна с частотой первого тона (двухузловая форма колебаний), а на рис. 16 также пунктиром показаны продольные отклонения кормовой надстройки, попадающей в один из узлов при четырехузловой форме колебаний корпуса судна.

Схема очагов вертикальной вибрации в корпусе судна
Рис. 15 Вертикальная вибрация относительно узлов колебания всего корпуса

Наблюдается как общая вибрация всего корпуса, так и местная вибрация отдельных перекрытий и даже отдельных конструкций как основного корпуса, так и надстроек, рангоута и даже такелажа (снасти).

Узлы колебаний от продольных вибраций корпуса судна
Рис. 16 Продольная вибрация и узлы колебаний корпуса

Как уже неоднократно раньше отмечалось, особую опасность большая вибрация представляет для конструкций с высокой концентрацией напряжений. Она может вызвать малоцикловую усталость конструкций при весьма ограниченном количестве циклов в условиях действия больших динамических нагрузок. При проведении экс­периментов на т/х «Пестово» во время рейса через Тихий океан судно попало в районе Алеутских островов в ураган, и все модернизированные конструкции, ранее получавшие повреждения, были разрушены за двое суток шторма.

Будет интересно: Напряжения в корпусе судна при его общем продольном изгибе

При модернизации были использованы все возможные меры с целью уменьшения концентрации напряжений конструкций, за исключением подвижных соединений. Возникли многочисленные трещины в кормовой надстройке у переходных книц и вырезов, в ряде жестких точек в платформах и внутренних переборах в ахтерпике и в надстройке.

Большая часть поврежденных конструкций во время ремонта, предшествовавшего описываемому экспериментальному рейсу, были модернизированы с использованием рекомендаций, имеющихся в технических документах и утвержденных Регистром. Ураган, в который неожиданно попал контейнеровоз «Пестово», сопровождался волнением высотой до 10 м. Судно испытывало резкие сильные удары в развал носовой оконечности. Наблюдалась большая вибрация кормовой надстройки.

На рис. 17 даны замеры амплитуд колебаний, проведенных в море на одном из судов во время сильного шторма. Как видно из рисунка, эти амплитуды имеют значительные величины. Это необходимо учитывать при проектировании и добиваться уменьшения вибрации рубок, которая отрицательно влияет на самочувствие членов экипажа и на точность работы навигационных приборов. Кроме этого, вибрация угрожает появлением начальных трещин.

Схема кормовой рубки судна с амплитудами колебаний
Рис. 17 Кормовая рубка и замеренные амплитуды при частоте 4,3 Гц (а) и 7,7 Гц (б) (стрелками показаны направления колебаний)

Исследователям редко удается наблюдать процесс появления начальных трещин и их распространения. Поэтому большой интерес представляет случай посадки д/э «Енисей» (голландской постройки) на камни в 1964 г. Такой случай представился для членов экипажа судна ледового плавания, наблюдавших за появлением и распространением трещин во время качки сидящего на камнях судна.

Трещины возникли во всех тех конструкциях, в которых до сих пор допускаются повышенные местные напряжения. Такими конструкциями являются углы грузовых люков, углы рубки и декоративная обшивка последней. Однако после проведения восстановительного ремонта аварийного судна хотя и удалось уменьшить величину концентрации местных повреждений, но без использования подвижных соединений она все же сохранилась на высоком уровне. Распространение трещин у углов люков наблюдалось также на двух судах типа «Пионер» в Беринговом море во время сильного шторма при очень низких температурах (рис. 18).

Трещины в углах грузовых люков судна
Рис. 18 Повреждение в углах грузовых люков теплоходов «Боря Цариков» (один угол) и «Витя Челенко» (у трех углов).
1 — трещина; 2 — палубный стрингер; 3 — ширстрек; 4 — карлингс; 5, 6 – комингс; 7, 8 — бимсы; 9, 10 — поперечные переборки

Продольные комингсы на этих судах резко обрывались у углов люков, которые были недостаточно скруглены. Однако на многочисленных других судах типа «Пионер» подобных повреждений больше не обнаруживалось, несмотря на допущенные ошибки в самом проекте судов. Ошибки допускались и в конструкции при установке очень коротких, недостаточно скругленных переходных книц на других судах.

На рис. 19 приводятся рекомендованные размеры скругленных по дуге эллипса переходных книц в случае фальшбортов, не присоединяемых к бортовой обшивке. В случае же жесткого присоединения фальшбортов к бортовой обшивке появляется возможность значительно увеличить длину переходных книц, более плавно сводя их на нет на большой длине. Это позволяет получить прочную конструкцию выше борта и этим обеспечить достаточно большой развал бортов в носовой оконечности, а также иметь прочный фальшборт. Особенно высокие и длинные переходные кницы получаются, когда у бака они служат продолжением фальшбортов, начинающихся у волноотбойника (см. рис. 24 и 25).

Типы переходных судовых книц
Рис. 19 Формы переходных книц и подвижных соединений (а, б, в)

Там, где в фальшбортах у переходных книц устраиваются подвижные соединения, подобные показанным на рис. 19, требуется повышенная прочность стоек фальшбортов, особенно при значительном развале бортов. В этих условиях стойки фальшбортов у всех переходных книц имеют большую высоту и требуют дополнительного подкрепления. Неоднократно наблюдались деформации фальшбортов, имеющих подвижные соединения в районе высоких переходных книц. В этом отношении прочность фальшбортов, жестко присоединяемых к основному корпусу, конструктивно обеспечивается достаточно просто. Поэтому во всех случаях целесообразно фальшборты жестко присоединять к обшивке борта, как на баке.

Подвижные соединения

Роль подвижных соединений и их конструкция в фальшбортах в районе окончания переходных книц надстроек и в промежутке между надстройками были подробно рассмотрены в предыдущих статьях (Ограждение открытых палуб фальшбортами, леерами и волноотбойниками и подвижные соединения“Подвижные соединения, выполняемые с целью уменьшения концентрации напряжений” и пункт “Конструкция у лобовой и задней стенок надстроек, на которые опираются продольные комингсы и фальшборты” выше). Приводились примеры использования подвижных (расширительных соединений) в надстройках — рубках — как клепаных, так и сварных судов с целью уменьшения степени участия их в общем продольном изгибе с основным корпусом. Такие соединения нет необходимости делать в надстройках, идущих от борта до борта и имеющих большую протяженность.

Выгоднее бывает их использовать как дополнительные связи, обеспечивающие прочность судна при общем изгибе как целой балки (основной корпус вместе с надстройкой). Это объясняется тем, что из условия обеспечения местной прочности размеры продольных связей надстроек назначаются такими, что надстройки всегда играют положительную роль в обеспечении прочности при общем изгибе при достаточной их длине. В связи с этим имеется возможность уменьшить размеры связей основного корпуса, расположенных под надстройками.

Будет интересно: Общий продольный изгиб и общая продольная прочность корпусных конструкций судна

Совсем по-другому получается в случае рубок. Они полностью в работу не включаются (см. рис. 9), если длина их небольшая или если они не повторяют изгиб основного корпуса, а при растяжении палубы, например, прогибаются в сторону, обратную изгибу основного корпуса. Для дополнительного уменьшения напряжений в рубках иногда бывает целесообразно выполнять поперечные подвижные соединения. Эти участки работают самостоятельно, но в нижней части соединения возникает высокая концентрация напряжений.

Для ее уменьшения требуется принимать дополнительные конструктивные меры (рис. 20). При этом соседние части разделенных стенок и палубы рубки могут перемещаться друг относительно друга вдоль длины судна. Этому движению не препятствует закрывающая разрез планка, приваренная по всей высоте и по ширине рубки только с одной стороны. На судах, проектируемых в Японии, нижняя часть разреза скругляется и по кромкам обваривается узкой полосой железа. Планка же предотвращает попадание в разрез рук, проходящих вдоль стенок рубки людей.

Компенсатор в стенке судовой рубки
Рис. 20 Подвижное соединение в продольной стенке рубки (компенсатор)

Подвижное соединение эффективно уменьшает напряжения от общего изгиба, возникающие в рубке, но с точки зрения усталости создается очаг повышенных напряжений, требующий мер предосторожности. В практике судостроения по концам разреза в стенках устанавливаются утолщенные листы из СПП. Однако и при такой конструкции имели место повреждения. Поэтому по концам разреза целесообразно концы рубки выполнить с подвижными соединениями.

Многочисленные теоретические и экспериментальные исследования напряженного состояния узлов конструкций с высокой концентрацией напряжений в надстройках и рубках по их концам показали, что кроме облагораживания формы конструкций часто с целью дополнительного уменьшения напряжений приходится выполнять подвижные соединения. После постройки первых целиком сварных судов, эксплуатировавшихся во время войны в самых сложных природных условиях в районах, которые раньше вообще были закрыты для мореплавания, сразу обнаружился более высокий уровень концентрации напряжений в прерывистых связях и своеобразное поведение некоторых конструкций.

Это было связано с отсутствием возможности у сварных судов в отличие от клепаных при перегрузках резко уменьшать местную конструкцию напряжений. Это привело к использованию подвижных соединений уже на сварных судах типа «Либерти» и на немецких трофейных судах (ледокол «Пересвет» и танкеры типа «Херсонес»), несколько десятков которых эксплуатировались в дальневосточных пароходствах. Это положительно отразилось на результатах эксплуатации судов после того, когда на плававших судах при модернизации поврежденных конструкций были использованы подвижные соединения в продольных комингсах, у углов люков, по углам рубок и в фальшбортах.

Особое место занимали мероприятия по уменьшению напряжений в жестких точках. Положительные результаты были получены в результате установки у углов рубок податливых листов, способных деформироваться (выпучиваться) под действием вертикальных усилий (рис. 21).

Компенсатор деформируемого по вертикали листа корпусной конструкции судна
Рис. 21 Подвижное соединение деформируемого по вертикали листа, привариваемого по кромкам

Податливые листы имеют небольшие диаметры и привариваются только по контуру. Их выпучивание позволяет перемещаться углам рубок и срезать пики напряжений. Такие соединения много лет успешно работают на ряде дальневосточных судов.

Компенсатор между стенкой рубки судна и карлингсом
Рис. 22 Подвижное соединение в месте пересечения лобовой стенки рубки с карлингсом.
1 — палуба; 2 — жесткая точка; 3 — лобовая стенка рубки; 4 — карлингс; 5 — прорезь; 6 — пиллерс; 7 — бимс

На некоторых научно-исследовательских судах в конце 70-х гг. жесткие точки были ликвидированы совершенно оригинальным методом — путем создания деконцентраторов в виде прорезей со скругленными концами (рис. 22).

Конструкция надстроек и рубок в разных районах корпуса

В зависимости от конструктивного типа судов различного назначения, а также принципов, используемых при проектировании судов, удовлетворяющих специфическим требованиям будущего судовладельца, надстройки и рубки значительно отличаются по внешнему виду и по конструкции. Место расположения и назначение надстроек оказывают влияние на их прочностные качества, а следовательно, и на их конструкцию.

Носовая надстройка бака (рис. 23) является очень важной судовой надстройкой, обеспечивающей мореходные качества и технические требования эксплуатации. Отсутствие таких надстроек требует своеобразного подхода к проектированию всего судна. Необходимо делать повышенную седловатость для сохранения хорошей всхожести на волну и для создания оптимального развала носовых шпангоутов. Постройка судна с повышенной седловатостью создает целый ряд технических проблем при расположении и обслуживании якорных и швартовных механизмов, а также посещении помещений, расположенных в носовой оконечности во время заливания палубы (green water).

Чертеж бака с леерным ограждением на судне
Рис. 23 Короткий бак с леерными ограждениями и низким фальшбортом

Отказ от устройства бака на строящихся судах с минимальным надводным бортом был неоправданным, что создавало большие трудности во время эксплуатации. На судах американской постройки «Зырянин» и «Ташкент» при отсутствии бака и при острых образованиях носовой оконечности встретились большие трудности при эксплуатации во время шторма, о чем рассказывает дальневосточный капитан П. П. Куянцев. Потребовалось даже модернизировать п/х «Зырянин», добавив ему надстройку бака.

Не всегда носовые оконечности морских судов создаются достаточно мореходными. Примером могут служить эскадренные миноносцы типа «Новик» и «Семерка». Это относится и к транспортным и промысловым судам, построенным для Дальнего Востока. Примером высокомореходных судов могут служить суда, принадлежащие Японии, которым приходится работать в сложных условиях бурных морей ДВ.

В условиях Охотского и Берингова морей недостаточная высота бака танкеров вызывает задержку проведения грузовых операций и подъема якорей из-за интенсивного обмерзания бака и палубы за баковой надстройкой.

Форма обводов надстройки бака согласуется с носовыми обводами судна в подводной и надводной частях, которые имеют сложные бульбовые или ледокольные образования. Во всех случаях на палубе бака располагаются якорные и швартовные механизмы и различные устройства для проведения швартовных операций и буксировок аварийных судов или работы их совместно с ледоколами во льдах. Часто на баке размещаются буксирные тросы, которые используются по мере надобности.

Формы верхней части надстройки бака должны обеспечивать свободный подъем и хранение становых якорей в клюзах (см. рис. 23). Ограждение бака лучше всего выполнять в виде высоких и очень прочных фальшбортов, обеспечивающих безопасность работы команды во время швартовок и буксировок. Особые сложности возникают при продолжительной буксировке судов в аварийных случаях, а также ледоколами в тяжелых льдах вплотную с подачей в качестве буксиров якорных цепей буксируемого судна.

Сложная опасная работа требует достаточно места на баке и надлежащего прочного ограждения палубы и защиты членов команды, которые могут находиться долго на баке. Большим недостатком для судов является ограждение леерами (см. рис. 23), которые легко повреждаются и не позволяют хотя бы немного защитить работающих на баке от ветра, брызг и обмерзания. При заливании фальшборты испытывают большие местные динамические нагрузки от ударов волн как снаружи, так и изнутри. Эти нагрузки часто повреждают фальшборты, вызывая деформацию и отрыв его стоек и деформации палубы.

Читайте также: Корпус судна и предъявляемые к нему требования

Все чаще высокие фальшборты на баке сочетаются с высокими поперечными волноотбойниками высотой до 3 м. Как те, так и другие прочно присоединяются к основному корпусу. Для стока воды используются только швартовные клюзы и открытые люки для внутренних трапов, ведущих на главную палубу и расположенных около волноотбойников (рис. 24). Для быстрого стока воды с бака делать специальные портики не следует, а его надстройка должна иметь небольшой наклон от носа в корму. Достаточная высота баковой надстройки обеспечивает повышенную мореходность судна во время шторма и уменьшает обмерзание палубы в носовой части судна. Особенно важно иметь высокие надстройки бака у лесовозов и контейнеровозов для защиты от повреждений волнами палубного груза в дополнение к волноотбойникам (рис. 25).

Конструкция удлиненного бака и фальшборта на судне
Рис. 24 Удлиненный бак с фальшбортом и волноотбойником с переходными высокими кницами

При проектировании надстройки бака при наличии на нем волноотбойника необходимо обеспечить прочность высоких переходных книц от высоких фальшбортов бака. Для этого желательно иметь фальшборты, прочно присоединяемые к корпусу.

Соединение кницы с фальшбортом судна
Рис. 25 Волноотбойник и длинная переходная кница к фальшборту

При наличии подвижных соединений в фальшборте они не должны уменьшать прочность переходных конструкций. Однако для этого требуется принимать дополнительные конструктивные меры. Эти меры заключаются в сохранении оптимального скругления свободных кромок переходных книц и в увеличении толщины листов обшивки на бортах и палубе, как это показано на рис. 26 и 27.

Схема бака с утолщенными листами борта и палубы судна
Рис. 26 Утолщенные листы борта и палубы у конца бака.
1 — палуба бака; 2 — переходная кница; 3 — подвижное соединение; 4 — фальшборт; 5 — борт; 6 — верхняя палуба; 7 — переборка бака; 8, 9, 10 — утолщенные листы палубы и борта

У газовозов, имеющих повышенную в виде тронка (ящика) верхнюю пагубу, с целью увеличения объемов в средней части ширины судна, палуба тронка плавно переходит в палубу бака (рис. 28).

Формы книц в корпусной конструкции судна
Рис. 27 Формы переходных книц надстроек и район подкрепления в районе их установки (а, б, в, г)

Кормовая надстройка юта в случае ее расположения в самой корме имеет нижний ярус обычно в виде рубки, в то время как вышерасположенные ярусы имеют ширину, равную ширине судна. В результате получается сквозной проход по борту вдоль первого яруса надстройки к швартовной кормовой площадке (рис. 29).

Конструкция тронка над верхней палубой судна
Рис. 28 Тронк (ящик) над верхней палубой газовоза у короткого бака

Конструкцию кормовой надстройки со сквозными проходами по бортам верхней палубы с декоративной обшивкой можно видеть на рис. 30. Кормовая часть этой надстройки имеет небольшие грузовые помещения с люками (провизионная, холодильник и т. п.). Грузовые операции производятся с помощью небольшого крана через люки, которые на рис. 30 открыты.

Чертеж кормовой надстройки на судне
Рис. 29 Кормовая надстройка т/х «Пестово» (типа «Варнемюнде»), подвергавшаяся исследованиям во время океанского шторма.
1 — верхняя палуба; 2 — подвижное соединение

На рис. 31 показана многоярусная кормовая надстройка навалочника с главными механизмами под ней и иллюстрируется поперечное сечение по машинной шахте со светлым люком на самой верхней палубе (рис. 32).

Чертеж надстройки с жилыми помещениями на судне
Рис. 30 Кормовая надстройка с жилыми помещениями и машинной шахтой

В кормовой надстройке располагаются служебные бытовые и жилые помещения. При сокращении экипажа за счет автоматизации и управления механизмами и судном, ограничения судовых работ в море размеры надстроек уменьшаются.

Суда российского флота «Капитан Вага», «Капитан Силин», «Николай Малахов», «Капитан Бянкин» и другие имеют короткую надстройку бака и очень короткую многоярусную надстройку юта.

Пассажирские, круизные, исследовательские суда, промысловые базы и ледоколы имеют длинные надстройки, которые иногда занимают даже всю длину судна или значительную его часть.

Все надстройки внутри должны разделяться несколькими продольными и поперечными металлическими базовыми переборками, образующими опоры для многочисленных легких деревянных переборок, а также гофрированных из легких сплавов и пластмассовых. Эти переборки должны надежно перевязываться с отдельными ярусами надстройки, с верхней палубой и подпалубными конструкциями с целью предотвращения опасной вибрации надстройки, которая ухудшает обитаемость и может вызвать повреждения конструкций.

Рубка-надстройка навалочника
Рис. 31 Короткая многоярусная рубка-надстройка навалочника с гофрированной поперечной переборкой:
а — вид сбоку, б — вид на переборку из трюма

Внутри надстройки для проведения работ в машинном отделении по всей ее высоте устраивают огражденную продольными и поперечными переборками машинную шахту, через которую можно вынуть для ремонта многочисленные механизмы из машинного отделения и спастись при аварии (рис. 32).

Шахта машинного отделения на судне
Рис. 32 Машинная шахта в кормовой надстройке.
1 — машинная шахта; 2 — платформа; 3 — второе дно; 4 — машинный фундамент; 5 — пиллерс

Продольные стенки шахт и наружные стенки надстроек всегда имеют вырезы для иллюминаторов и дверей, образующие прерывистые связи и создающие очаги концентрации напряжений, которые часто являются источниками возникновения трещин.

Сноски
Sea-Man

Нашли опечатку? Выделите и нажмите CTRL+Enter

Октябрь, 31, 2020 164 0
Читайте также