Вырезы в бортовых перекрытиях и их подкрепление
Существующие нормативные документы и правила различных классификационных обществ по конструктивному оформлению бортовых лацпортов разработаны в значительно меньшей степени по сравнению с правилами, касающимися вырезов в палубных конструкциях. Это объясняется, во-первых, небольшим количеством вырезов в бортах и, во-вторых, сложностью напряженного состояния бортовой обшивки в различных районах корпуса, для которых распределение напряжений около вырезов до последнего времени совершенно не было изучено [103]. Поэтому правила многих классификационных обществ отличаются неопределенностью и часто не содержат каких-либо конкретных рекомендаций по рациональному расположению вырезов в борту (с точки зрения прочности) и их подкрепления.
Правилами постройки морских судов Регистра СССР [122], а также правилами СЭВ рекомендуется избегать образования вырезов в ширстреке в районе между (0,15—0,35) L от оконечностей. Подкрепление прямоугольных вырезов должно осуществляться местным утолщением листов в 1,5—1,6 раза, накладными приклепываемыми листами или каким-либо другим способом. При этом радиус скругления углов вырезов рекомендуется брать не менее 50 мм.
Рекомендации правил иностранных классификационных обществ в большинстве случаев еще менее конкретны и допускают большую свободу выбора местоположения вырезов в борту и при их подкреплении.
По правилам Германского Ллойда [197] лацпорты запрещается располагать ниже грузовой ватерлинии, не разрешается делать вырезы в ширстреке. Подкрепление выполняется в виде накладных или вварных утолщенных листов, которые должны компенсировать ослабление поперечного сечения и простираться на 1,5 шпации за поперечные кромки выреза. Вырез подкрепляется рамкой, накладкой или утолщенным вварным листом в тех случаях, если на судах длиной до 70 м размеры выреза превышают 500 мм, а на судах длиной более 70 м — превышают 700 мм.
Английский Ллойд [220] предлагает подкреплять вырезы в ширстреке, если предписанная правилами площадь поперечного сечения корпуса уменьшается более чем на 20%.
Компенсации потерянной площади требуют также правила Американского Бюро Судоходства [188], Итальянского Регистра [226], Ниппон Кайджи Киокай (Япония) [102], Бюро Веритас [190], однако конкретных рекомендаций по подкреплению в этих правилах также не приводится. Отмечается, что все прямоугольные вырезы должны иметь хорошо скругленные углы. Бюро Веритас и Ниппон Кайджи Киокай, кроме этого, рекомендуют выполнять более прочными ближайшие к вырезу шпангоуты.
Правила Норвежского Веритас [194] рекомендуют бортовые лацпорты располагать вдали от сечений, в которых могут действовать максимальные перерезывающие силы. Компенсация потерянной площади и концентрации напряжений должна производиться увеличением толщины листов, площади поперечного сечения продольных связей и окантовкой кромки выреза. Если диаметр выреза больше 160 мм, то листы утолщаются в 1,2 раза, простираясь по крайней мере на три диаметра и на расстоянии не меньше метра от поперечных кромок выреза. Обращается внимание на необходимость скругления углов прямоугольных вырезов.
В справочной литературе [141] имеются дополнительные рекомендации по подкреплению вырезов в корпусе (без указания их местоположения), находящихся в условиях одновременного действия сдвига и растяжения. Прямоугольные вырезы должны подкрепляться при этом утолщенными листами, которые совмещают в себе элементы подкреплений, компенсирующих концентрацию напряжений только при сдвиге и только при растяжении.
Отсутствие конкретных и обоснованных рекомендаций по конструктивному оформлению бортовых вырезов со стороны классификационных обществ и соответствующих нормативных документов привело к тому, что на судах различных стран подкрепления делают по-разному, и они, иногда занимая большую площадь, мало снижают концентрацию напряжений.
Обычно листы, подкрепляющие вырез лацпорта, делаются вварными или накладными (рис. 16, 17). Чаще всего накладные листы встречаются на судах с клепаными конструкциями и реже на судах со сварными конструкциями. Накладной лист может присоединяться к обшивке с помощью клепки (рис. 18), сварки через специальные прорези (рис. 19) или с помощью и клепки, и сварки (см. рис. 17).
Рис. 16. Подкрепление выреза в борту теплохода Палана утолщенными вварными листами.
Рис. 17. Подкрепление лацпорта на сухогрузе типа С-3 (США) накладными листами.
Рис. 18. Подкрепление лацпорта накладным листом, установленным изнутри корпуса (Феликс Дзержинский).
Рис. 19. Подкрепление дверного выреза в башне плавучего дока накладными листами в прорезями.
Накладные листы у лацпортов ставят с целью ускорения сборки и снижения стоимости работ. Однако под накладками в основных конструкциях часто появляются трещины, и накладные листы как на сварке, так и на клепке не всегда можно рекомендовать.
Размеры и конфигурация подкреплений бортовых вырезов на разных плавающих судах существенно отличаются и во многих случаях незначительно уменьшают концентрацию напряжений.
Например, установка подкреплений около поперечных кромок выреза, где напряжения невелики, вряд ли оправдана.
На большинстве современных судов подкрепления лацпортов выполняются в виде вварных утолщенных листов, которые могут устанавливаться как утолщением внутрь с целью получения гладкой поверхности, так и утолщением наружу с целью получения лучших условий присоединения их к набору. По концам утолщенных листов образуются прерывистые связи, вызывающие местную концентрацию напряжений. Для уменьшения напряжений делают скос кромок утолщенных листов. Утолщенные листы будут работать более эффективно, если они установлены так, что их срединные плоскости совпадают со срединной пловкостью основной конструкции. Однако такая установка несколько более трудоемка из-за необходимости подрубать набор.
В последние годы в качестве материалов для вварных листов бортовых лацпортов используются стали повышенного сопротивления. Так, на 11 сухогрузных судах серии Пионер Мун (год постройки 1962, США) подкрепление выреза в борту выполнено из броневой стали е пределом текучести около 8000 кгс/см 2 . На судах фирмы «Фред Олсен» с комбинированными вырезами в борту и в палубе подкрепления корпуса также сделаны из высокопрочной стали.
В начале этого параграфа отмечались неполнота и недостаточная определенность требований правил классификационных обществ, предъявляемых к форме скруглений углов грузовых вырезов. Использование различных недостаточно точных методов для анализа влияния формы и параметров сопряжения сторон прямоугольных вырезов на концентрацию напряжений приводило к противоречивым результатам. Систематизированные данные о влиянии параметров несимметричных форм сопряжения вообще отсутствовали до самого последнего времени.
Экспериментальные исследования (тензометрические, методом фотоупругости и т. п.) напряженного состояния прерывистых связей не позволяют с необходимой точностью определить концентрацию напряжений на контуре выреза. Вот что пишет по этому поводу акад. Г. Н. Савин: «Числовые значения напряжений, полученные теоретическим путем, целесообразно сравнить с теми экспериментальными результатами, которые были получены при условиях, аналогичных теоретическому решению. При этом за основу для сравнения не следует брать величины напряжений в угловых точках отверстий и надрезов. Возле указанных точек поле напряжений очень быстро изменяется. В этих местах небольшие изменения кривизны контура, которые практически трудно учесть, значительно отражаются на результатах. Поэтому при сравнении теоретических и экспериментальных данных будут приведены эпюры напряжений по некоторым сечениям, а также величины напряжений в неугловых точках контуров отверстий» *.
* Г. Н. Савин. Распределение напряжений около отверстий. Киев, «Наукова думка», 1969, с. 849.