Открытая палуба на транспортных и грузовых судах представляет реальную опасность для целостности корпусной конструкции при сильном волнении, поэтому предусматриваются различные ограждения.
Участие фальшбортов в работе совместно с основным корпусом
Фальшборты из стальных листов на клепаных судах прочно присоединились к бортовой обшивке по всей длине открытых участков верхних палуб на большинстве грузовых судов. Для стока воды, заплескивающейся через фальшборты, в верхних палубах вырезались отверстия, называющиеся штормовыми портиками (рис. 2).
1 — фальшборт верхней палубы; 2 — волноотбойник у конца бака; 3 — леерное ограждение; 4, 5 — фальшборт на баке с козырьком
В настоящее время на больших сварных судах в средней части длины судна во избежание участия фальшбортов в общем продольном изгибе совместно с основным корпусом полагается устраивать сплошные продольные прорези, отделяющие листы фальшборта ширстрека.
1 — фальшборт; 2 — подвижное соединение; 3 — скользящее соединение на заклепках; 4 — прорезь
Такие фальшборты появились на судах со сварными корпусами после того, как обнаружилось, что именно сварные фальшборты в отличие от клепаных стали источником появления трещин, которые распространились на основной корпус. Во избежание этого фальшборты были отрезаны от бортовой обшивки, и опасность распространения трещин от фальшборта на основной корпус была предотвращена (рис. 3). Однако в результате этого местная прочность фальшбортов значительно уменьшилась и их повреждаемость возросла.
1 — подвижное соединение у переходной кницы; 2 — промежуточное подвижное соединение
Позже стало применяться устройство подвижных соединений в фальшбортах у переходных книц всех надстроек (рис. 4) и дополнительно нескольких подвижных соединений в промежутке между надстройками (рис. 3, 5). В то же время имелась возможность рационального использования фальшбортов как прочных связей, особенно при необходимости увеличения верхнего пояска эквивалентного бруса; это сделано не было. Вместе с непрерывными продольными комингсами фальшборты могут даже играть положительную роль в увеличении прочности судов.
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
Фальшборты с крышками (см. рис. 2), закрывающими штормовые портики давлением волн снаружи, обеспечивают сток воды, заплескивающейся на палубу, уменьшают заливаемость за счет некоторого увеличения высоты надводного борта. Уменьшение местной прочности подвесных фальшбортов послужило причиной их частых повреждений, особенно на лесовозах. На судах, перевозящих Изменение технологии грузовых работ и перевозки грузовтяжелые грузы на верхней палубе, фальшборты надежно обеспечивают крепление палубного груза найтовами (крепежными тросами), а для лесовозов — еще и опирание стензелей, способствуя формированию палубного каравана леса. Крепление тяжеловесов к фальшбортам более надежно, чем к приваренным к палубе рымам и обухам.
Прочно присоединенные к ширстреку фальшборты во всех отношениях более надежны в эксплуатации, поэтому есть все основания для широкого их использования на новых судах.
1 — фальшборт; 2 — вертикальное ребро; 3 — планширь; 4 — планка безопасности, закрывающая разрез фальшборта; 5 — разрез фальшборта; 6 — стойка фальшборта; 7 — горизонтальное ребро; 8 — палуба; 9 — борт
Фальшборты представляют собой листовую конструкцию, подкрепляемую стойками (контрфорсами). Они в районе подвижных соединений отрываются от палубного стрингера, требуя особого внимания при проектировании (рис. 6).
1 — фальшборт; 2 — планширь; 3 — палуба; 4 — борт; 5 — продольный комингс; 6 — продольная балка; 7 — бимс
Кроме этого, в листах фальшбортов делаются отверстия для швартовных клюзов (рис. 7) и шпигатов для стока воды изнутри. На них навешиваются различные устройства в виде кнехтов, уток и роульсов для тросов (рис. 8) для управления такелажем.
1 — планширь; 2 — ступенька; 3 — ширстрек; 4 — клюз; 5 — стойка
Фальшборты ограждают открытые палубы как основного корпуса, так и надстроек, и особенно на тех судах, где во время грузовых операций могут иметь место динамические нагрузки от ударов, вызываемых перемещающимся грузом. В этих условиях леера могут получить повреждения.
Опасность для прочности фальшбортов до сих пор представляют различные отверстия, а также неправильный выбор местоположения расширительных подвижных соединений, навал швартующихся к борту судов и стоянка в условиях волнения.
Расчеты показывают, что если фальшборты сконструированы так, что они принимают полное участие в общем продольном изгибе, то напряжения в их верхних волокнах заметно возрастают по сравнению с нормированными напряжениями в верхней палубе. Для того чтобы напряжения в фальшборте не превышали напряжений в верхней палубе, площадь последней потребуется увеличить на 6—11 %. Потому более целесообразно фальшборты делать из стали повышенного сопротивления, как это давно делается на судах смешанного плавания для непрерывных продольных комингсов.
Однако для современных судов при наличии непрерывных комингсов и присоединенных к ширстреку фальшбортов без увеличения площади палубы максимальные напряжения в верхних волокнах фальшбортов и продольных комингсов будут не больше нормируемых напряжений в верхней палубе. Несмотря на кажущуюся простоту конструкций фальшбортов, им приходится работать в сложных условиях, и отсутствие надежных нормативных документов по конструированию приводит к многочисленным ошибкам, ведущим к повреждениям и вызывающим частые ремонты.
Для разработки надежных рекомендаций имеется возможность использовать результаты многолетних исследований, которые проводились на кафедре конструкции судов ДВГТУ. Результаты этих исследований можно найти в специальной литературе. В этих же источниках приводятся результаты экспериментальных исследований, проведенных во время многочисленных плаваний через Тихий океан во время жестоких штормов.
Читайте также: Наружная обшивка и подкрепляющий ее набор
По верхней свободной кромке фальшборта горизонтально приваривают планширь (перила) из полособульбовых балок. Он обеспечивает прочность фальшборта при действии на него поперечных нагрузок и служит удобной опорой для перемещающихся по верхней палубе.
Леерные ограждения
Леерные ограждения (рис. 9), заменяющие фальшборты, не обладают большой прочностью и не предназначены воспринимать большие поперечные нагрузки. Их роль ограничивается обеспечением безопасности людей при их перемещениях по открытым палубам у границ, ограничивающих открытые поверхности. Леерные ограждения также устанавливаются внутри помещений, предотвращая падение людей с платформ и трапов. Леера часто закрепляются на вертикальных переборках коридоров, облегчая движение людей во время качки.
Конструкция леерных ограждений состоит из вертикальных стоек с несколькими уширениями по их высоте с круглыми отверстиями, через которые проходят тонкие прутки, трубы или цепи. Эти стойки устанавливаются на небольшом расстоянии друг от друга и прочно крепятся фланцами к листам палуб или к выступающим кромкам вертикальных листов, образующих у краев поверхностей ватервейсы. На некоторых участках леерные ограждения делаются съемными (см. рис. 9) с целью их демонтажа и создания свободного прохода. Такие проходы используются для установки сходен или трапов для перемещения людей на причалы или соседние суда.
Леерами ограждаются палубы танкеров, а движение людей вдоль судна происходит по специальным поднятым над палубой переходам, также ограждаемым леерами.
Волноотбойники
С целью предотвращения воздействия вкатывающихся на верхнюю палубу волн в носовой оконечности (на баке) устраивают волноотбойники (рис. 10). Это листовые перекрытия, подкрепленные вертикальным и горизонтальным набором. В результате образуется мощная поперечная конструкция, способная воспринять большие ударные нагрузки от волн и предотвратить повреждение палубных грузов и механизмов.
Наибольшее распространение волноотбойники в последнее время получили на контейнеровозах: они предотвращают разрушение контейнеров. Высота этих отражений на больших судах достигает трех метров.
Отсутствие волноотбойников на баке лесовозов во время шторма вызывает смещение леса на палубе и повреждение грузовых механизмов. Так, например, при проведении экспериментов во время сильного шторма на лесовозе «Кунгур» сдвинувшиеся бревна разрушили контроллер электрической лебедки и повредили фальшборт. Представляется целесообразным на всех лесовозах по концам короткого бака, так же как и на контейнеровозах, устанавливать волноотбойники, опирая их на высокие фальшборты бака и длинные переходные кницы, идущие к фальшбортам верхней палубы за баком.
В условиях плавания зимой в северных морях волноотбойники вместе с высокими фальшбортами на баке и переходными кницами способствуют уменьшению обмерзания, которое всегда вызывает значительную задержку с началом грузовых операций после прихода в порт. Команда затрачивает много времени и тяжелого труда на околку ледовых нагромождений. Обмерзание и последующая околка часто сопровождаются повреждением механических закрытий грузовых люков и палубных конструкций.
Околка льда тяжелым ручным инструментом увеличивает износ конструкций и уничтожает окраску. Этому вопросу при проектировании конструкций требуется уделять особое внимание и высокие длинные переходные кницы следует устанавливать, начиная от верхней кромки волноотбойника, а на баке крепить непрерывный, высокий, прочный фальшборт, обеспечивая быстрый сток воды с бака через большие отверстия в волноотбойнике, используя их для установки трапов.
Подвижные соединения, выполняемые с целью уменьшения концентрации напряжений
Продольные стенки надстроек при подвесных фальшбортах и леерных ограждениях должны всегда постепенно сводиться на нет в виде переходных книц (см. рис. 3) и привариваться к верхней, выступающей над палубой кромке ширстрека. Фальшборты должны отделяться от кромок переходных книц при помощи подвижных соединений. В промежутке между подвижными соединениями у надстроек необходимо выполнять еще несколько подвижных соединений. Наличие продольной прорези и подвижных соединений в фальшбортах значительно уменьшает степень их участия в общем продольном изгибе совместно с основным корпусом.
Фальшборта, жестко присоединенные к ширстреку, вместе с переходными кницами являются продолжением продольных стенок надстроек, составляя с ними одно целое, и вместе с основным корпусом участвуют в общем продольном изгибе и, конечно, не нуждаются в устройстве подвижных соединений.
В предыдущих статьях были рассмотрены подвижные соединения, широко используемые на современных судах в подвесных фальшбортах. Однако целесообразность использования подвижных соединений этим не ограничивается, их устройство может способствовать облагораживанию многих прерывистых связей судового корпуса. Несмотря на многолетние старания уменьшить концентрацию местных напряжений, проявляющих себя во время эксплуатации и представляющих серьезную опасность для прочности корпусных конструкций, до настоящего времени в составе корпуса остаются узлы с большими местными напряжениями. Эти узлы продолжают оставаться источником возникновения начальных трещин, которые в сложных условиях эксплуатации вызывают серьезные аварии, часто грозящие гибелью судну.
В условиях нормальной эксплуатации судов появившиеся трещины обычно распространяются медленно и не снижают надежности корпуса. Однако исчерпание ресурса усталостной прочности неожиданно может произойти в жестоких штормовых условиях в конструкциях с повышенными напряжениями и вызвать быстрое распространение начальных трещин на большие расстояния. Это может происходить в условиях быстрого исчерпания остаточного усталостного ресурса конструкций, успешно работавших в нормальных условиях эксплуатации. В чрезвычайных условиях динамических нагружений остаточный усталостный ресурс в некоторых узлах с высокими местными напряжениями даже при небольшом количестве знакопеременных нагрузок может быть полностью использован (малоцикловая усталость) и может вызвать разрушение корпуса.
Начальные трещины почти всегда возникают в местах с высокой концентрацией напряжений, которая до сих пор остается во многих корпусных конструкциях. Поэтому необходимо добиваться всемерного уменьшения концентрации напряжений новыми методами. Одним из таких методов является создание подвижных соединений. Этот метод много лет успешно используется во время ликвидации повреждений конструкций судов дальневосточных российских пароходств, суда которых работают в северных морях Тихого океана.
За модернизированными конструкциями несколько десятков лет ведутся наблюдения, однако Правилами и Нормами подвижные соединения не регламентируются.
Подвижные соединения первоначально применялись только после нескольких повторных неудачных попыток использования традиционных методов снижения местных напряжений, если они не дали положительных результатов и повреждения в модернизированных конструкциях возникали вновь.
Как известно, традиционные методы уменьшения концентрации напряжений обычно заключаются в перераспределении этих напряжений на соседние конструкции и в уменьшении жесткости узлов.
Однако радикального уменьшения концентрации напряжений можно добиться только за счет податливости создаваемых конструкций, как это и имело место в клепаных конструкциях. Скольжение клепаных узлов при высоких нагрузках способствует перераспределению напряжений и уменьшению пиков их концентрации. Это также способствует ликвидации объемного напряженного состояния в районе жестких точек. Эксперименты на старых клепаных судах подтвердили это. Действительно, в прерывистых связях клепаных судов часто наблюдалась водотечность в швах, что свидетельствовало об их смещении, в результате чего уменьшалась концентрация напряжений, и особенно при действии динамических нагрузок. С этой целью до сих пор в сварных железнодорожных мостах используются клепаные швы.
На рис. 11 приведен пример повреждения конструкций, вызванного смещением заклепочных швов.
1 — палуба; 2 — борт; 3 — планширь; 4 — лист фальшборта; 5 — стойка фальшборта; 6 — угольник палубного стрингера; 7 — стыковое соединение листов; 8 — угольник-коротыш; 9 — шпигат; 10 — трещина
На клепаных судах выполнялись подвижные соединения в надстройках — рубках с целью исключения их из общего продольного изгиба вместе с основным корпусом. До сих пор в нормативных документах имеются рекомендации по выполнению подвижных соединений в рубках, которые при правильном их конструировании играют положительную роль, однако в районе их окончания внизу у палубы появляется новая прерывистая связь (рис. 12), которая требует к себе внимания.
1 — палуба корпуса; 2 — палуба надстройки; 3 — расширительное соединение
В углах надстроек и рубок образуются жесткие точки, которые иногда называют ножевыми опорами, вызывающими объемные напряжения в сложных конструктивных узлах с образованием трещин. Кроме углов рубок трещины часто возникают в местах пересечения продольными подпалубными балками лобовых стенок надстроек и рубок. Это наблюдается, когда лобовые стенки располагаются даже на большом расстоянии от миделя. Требуют к себе внимания конструкции декоративной обшивки, ограждающей проходы у бортов вдоль рубок под надстройками.
Будет интересно: Конструирование и расчет палубных перекрытий
Существуют рекомендации точечный характер передачи усилий в жестких точках с высокой концентрацией напряжений заменять линейным, как это делается с помощью высоких переходных книц по концам надстроек, идущих от борта до борта. Однако продление стенок рубок, их внутренних продольных переборок и установка книц в районах пересечения кармингсов с лобовыми стенками надстроек и рубок встречает возражение из-за того, что они будут мешать на палубе или под ней. Пока же такие кницы вообще не ставятся и трещины заваривают, и при первом сильном шторме они появляются вновь. В практике успешно использовали для углов рубок скользящие соединения на заклепках (рис. 13), а для пересечения карлингсов с поперечными стенками надстроек — расширительные соединения с открытой под палубой прорезью (рис. 14).
1 — настил верхней палубы; 2 — лобовая стенка рубки; 3 — боковая стенка рубки; 4 — вертикальная полоса; 5 — угольник; 6 — накладная полоска
В течение многих лет в ДВПИ (ДВГТУ) исследовалась работа подвижных соединений разных типов в составе корпуса. На судах в штормовых условиях проводились эксперименты с различными конструкциями подвижных соединений, и многие годы велись наблюдения за различными вариантами подвижных соединений по возвращении судов из плавания.
Необходимо отметить, что рекомендуемая Регистром замена точечной передачи усилий на линейную несколько повышала усталостный ресурс прерывистых связей, однако после жестоких штормов повреждения появлялись вновь. Это имело место и при проведении экспериментов во время плавания через Тихий океан на контейнеровозе в условиях урагана.
Установка утолщенных вварных листов из СПП несколько увеличила усталостную прочность, но недостаточно. Вибрация в результате больших динамических нагрузок, вызывавших колебания корпуса с большой амплитудой, вызывала повторные повреждения как результат малоцикловой усталости.
а — при продольной системе набора; б — при поперечной системе набора.
1 — палуба; 2 — лобовая стенка; 3 — карлингс; 4 — пиллерс; 5, 6 — зона прорезей в карлингсе и бимсах; 7 — бимс
Даже установка больших книц по концам высоких продольных комингсов не избавляла от высокой концентрации местных напряжений на больших балкерах «Обь» и «Енисей», построенных в Южной Корее (рис. 15), и на японском балкере (рис. 16 и 17).
1 — палуба; 2 — комингс с переходной кницей; 3 — дополнительная кница; 4 — трещина; 5 — опора для люковых крышек; 6 — волноотбойник; 7 — поясок переходной кницы
Если бы концы продольных комингсов с кницами были с подвижными соединениями по их нижней кромке, то это позволило бы резко уменьшить напряжение и вероятность появления трещин. Подобным образом в 50-е годы во Владивостоке был положительно решен вопрос подкрепления судов «Либерти» ДВ пароходства. Это полностью исключило появление трещин по концам продольных комингсов у углов грузовых люков, имевших резко обрывающиеся комингсы.
Все мероприятия по использованию подвижных соединений на ДВ проводились с разрешения Тихоокеанской инспекции Регистра. Одно время Главное управление Регистра наложило запрет на использование подвижных соединений по причине отсутствия расчетных обоснований. При этом отмечалось, что запрет «может быть снят при конкретизации условий применения конструкций с открытой прорезью» (см. рис. 14). Однако до появления упомянутого запрета уже на многих аварийных судах были использованы подвижные соединения.
а — 1 750 мм; б — 1 000 мм.
1 — палуба; 2 — поперечный комингс; 3 — переходная кница
Вопрос обеспечения надежности различных конструкций был с небольшими материальными затратами решен. Модернизированные конструкции оказались вполне работоспособными в самых сложных условиях эксплуатации.
Подвижные соединения, которые классификационные общества рекомендуют использовать, обладают некоторыми недостатками. Прежде всего это касается подвижных соединений фальшбортов со сплошной продольной прорезью, уменьшающих поперечную прочность и образующих прерывистые связи. Это является следствием привлечения участков фальшбортов между соседними подвижными соединениями к общему продольному изгибу. В результате наблюдается отрыв крайних стоек, около подвижных соединений. До сих пор не разработана методика определения необходимого числа соединений для судов разных размеров и определения усилий, срезающих крайние стойки фальшбортов, расположенных около расширителей.
Представляет интерес сопоставление двух способов ликвидации повреждений в районе пересечения лобовой стойки средней длинной рубки высокими карлингсами на верхней палубе двух больших экспедиционных судов типа «Абхазия». Эти суда использовались в продолжительных тяжелых океанских плаваниях и в северных морях ДВ.
1 — палуба; 2 — продольный комингс; 3 — поперечный комингс; 4 — переходная кница; 5 — подпалубочная цистерна; 6 — трещина; 7 — сварной шов
На обоих судах после неоднократных попыток ликвидировать повторное появление трещин в листах палубного настила, используя традиционные способы, были выполнены подвижные соединения (см. рис. 12), которые позволили избавиться от жестких точек. После выполнения подвижных соединений на одном из судов проектная организация, сославшись на сложность ремонта, использовала установку больших книц на другом однотипном судне. Это был более дешевый традиционный метод уменьшения местных напряжений за счет перераспределения их на большую площадь с помощью книц.
После продолжительного тяжелого плавания суда подверглись осмотру. Оказалось, что подвижные соединения выполнили свою положительную роль, в то время как использование традиционных методов вызвало повторные повреждения. После чего и на втором судне были выполнены подвижные соединения. Многолетние плавания обоих судов больше не вызывали повреждений в модернизированных конструкциях.
Подвижные соединения в практике мирового судостроения получили некоторое распространение в самом начале перехода на сварку в углах рубок.
Они использовались трех разных типов. В двух случаях (см. рис. 11, а, б) конструкции уменьшали концентрацию местных напряжений, но трещины появлялись повторно. Оказалось, что в первом случае вертикальная полоса, приваренная к палубе и приклепанная к рубке, препятствовала продольному перемещению концов рубки при общем продольном изгибе судна и в сварном шве возникали трещины. Во втором же случае трещины возникали в вершине угольника, как результат усталости при изменении формы угла.
Наиболее надежным соединением для углов рубок оказалось соединение с полосой, но обязательно приваренной горизонтально к рубке и приклепываемой к палубе. В этом случае концы рубки смогут перемещаться в продольном направлении за счет скольжения в клепаном шве.
Предлагается к прочтению: Корпусные конструкции транспортных судов ледового плавания
На ряде судов после многочисленных неудачных попыток уменьшить местные напряжения в районах пересечения стенок рубок как продольными, так и поперечными балками набора были образованы подвижные соединения в виде открытых прорезей в жестких подпалубных балках (см. рис. 14). Расчеты МКЭ подтвердили целесообразность этого мероприятия для уменьшения концентрации напряжений. В месте, где была жестокая точка, концентрация напряжений отсутствовала. Напряжения по концам прорезей оказались несколько повышенными, и для их уменьшения концы заканчивались небольшими круглыми отверстиями, которые по существующей практике могут не подкрепляться. Важно и то, что прорези располагаются в закрытых помещениях под палубой.
Многолетние наблюдения и эксперименты во время качки в море подтверждают целесообразность подвижных соединений с открытыми прорезями.
