APPLICATION OF STRINGS FOR INCREASING FRAME BEARING CAPACITY
Authors:
1.
Baltic Fishing Fleet State Academy of Kaliningrad State Technical University
(Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor; Assistant Professor of the Department of Navigation and Maritime Safety)
Type:
Article
Pages:
from 40
to 46
Status:
Published
Received:
20.08.2014
Accepted:
25.08.2014
Published:
25.08.2014
Subject area:
UDK 629.5.023.461
GRNTI 45.01 Общие вопросы электротехники
GRNTI 55.42 Двигателестроение
GRNTI 55.45 Судостроение
GRNTI 73.34 Водный транспорт
GRNTI 44.31 Теплоэнергетика. Теплотехника
GRNTI 45.01 Общие вопросы электротехники
GRNTI 55.42 Двигателестроение
GRNTI 55.45 Судостроение
GRNTI 73.34 Водный транспорт
GRNTI 44.31 Теплоэнергетика. Теплотехника
Language:
Russian
Keywords:
frame, outer skin, elastic-plastic base, plastic hinge, string
Abstract (English):
Experience of ship’s hull repair suggests that the complexity of any method of reinforcement of the worn and damaged structures is significantly lower than the repair by replacement. The paper presents the development of an effective scheme of reinforcement of ship grillage beams, taking into account the characteristics of deformation of locally downloaded links of the hull structures and ensuring the reduction of the complexity of manufacturing design. It is proposed to use the strings installed over the beams not only to prevent the dam bars but also to create additional reactive support efforts. With a small number of the strings, a beam is considered to be stiffened near the elastic-plastic bearing pieces and lying on the elastic-plastic base, which is the plating. If the number of the strings is large, the beam can be considered as lying on the elastic-plastic base, stiffness of which is determined by the plating and the installed reinforcing elements, in this case the solutions can be obtained within the hypothesis of "instantaneous disclosure of plastic hinges". The examination of the frame level after the formation of the kinematically variable mechanism helped obtain the technique allowing choosing the parameters of the strings for the desired improvement of the bearing capacity of the beams.
Experience of ship’s hull repair suggests that the complexity of any method of reinforcement of the worn and damaged structures is significantly lower than the repair by replacement. The paper presents the development of an effective scheme of reinforcement of ship grillage beams, taking into account the characteristics of deformation of locally downloaded links of the hull structures and ensuring the reduction of the complexity of manufacturing design. It is proposed to use the strings installed over the beams not only to prevent the dam bars but also to create additional reactive support efforts. With a small number of the strings, a beam is considered to be stiffened near the elastic-plastic bearing pieces and lying on the elastic-plastic base, which is the plating. If the number of the strings is large, the beam can be considered as lying on the elastic-plastic base, stiffness of which is determined by the plating and the installed reinforcing elements, in this case the solutions can be obtained within the hypothesis of "instantaneous disclosure of plastic hinges". The examination of the frame level after the formation of the kinematically variable mechanism helped obtain the technique allowing choosing the parameters of the strings for the desired improvement of the bearing capacity of the beams.
Keywords:
frame, outer skin, elastic-plastic base, plastic hinge, string
frame, outer skin, elastic-plastic base, plastic hinge, string
Введение В процессе эксплуатации корпуса морских судов подвержены действию интенсивных локальных нагрузок, что является основной причиной возникновения дефектов в виде остаточных деформаций, таких как бухтины, гофрировка и вмятины, последние нередко сопровождаются завалом набора. Эта проблема решается за счет установки струн поверх балок при их отклонении от первоначальной плоскости. Согласно [1] струна должна привариваться поверх свободных поясков балок набора перпендикулярно их направлению, а площадь ее поперечного сечения должна выбираться близкой к площади поперечного сечения свободного пояска балки набора. Количество струн и расстояние между ними не регламентируются. Возможности этого метода подкрепления могут быть существенно расширены, если учесть особенности деформирования связей бортового перекрытия при восприятии интенсивных локально распределенных эксплуатационных нагрузок. Традиционно при оценке прочности шпангоутов роль бортовой обшивки сводится к ее участию в изгибе балки в качестве присоединенного пояска, ширина которого определяется рядом факторов [2]. Однако участие обшивки в изгибе набора не ограничивается увеличением момента инерции балки, т. к. пластина обшивки взаимодействует со шпангоутом при его деформировании, создавая реактивные усилия, возрастающие с увеличением прогибов [3]. Таким образом, шпангоут должен рассчитываться как балка, лежащая на упругом основании с некоторой жесткостью, определяемой параметрами пластины обшивки. Изгиб промежуточного шпангоута, как балки на упругом основании, с учетом работы шпангоута и основания (пластины обшивки) в упругой стадии, рассматривается в [3]. Дальнейшие исследования [4] позволили получить решения для упругопластической стадии работы конструкции в рамках метода «о мгновенном раскрытии пластических шарниров». При этом шпангоут рассматривается как упругопластическая балка, лежащая на упругопластическом основании переменной жесткости с последовательным включением жесткостей [4], в частности на упругопластическом основании с линейным упрочнением. Характеристики такого основания ступенчато изменяются по мере достижения прогибами некоторого фиксированного значения w1. Если прогибы балки не превышают w1, то ее деформирование соответствует изгибу балки, лежащей на упругом основании, в противном случае часть балки оказывается лежащей на основании с другой жесткостью. Характеристики основания для шпангоута, т. е. жесткости оснований и пороговое значение w1, могут быть получены из рассмотрения деформирования балки-полоски обшивки длиной в две шпации, загруженной сосредоточенной силой в середине пролета. Следует заметить, что упругопластическим основанием шпангоута могут быть не только пластины обшивки, но и элементы бортового перекрытия, установленные перпендикулярно направлению шпангоутов, в частности струны. Нами представлены подходы к оценке влияния струн на несущую способность шпангоутов. Влияние струн на деформирование шпангоута Для повышения несущей способности шпангоутов систему струн [5] следует устанавливать с определенным интервалом, приварив их к полкам шпангоутов (рис. 1). а Рис. 1. Схема подкрепления шпангоутов при помощи системы струн: а − общий вид бортового перекрытия; б − разрез A-A; в − разрез Б-Б; 1 - пластина обшивки; 2 - балки главного направления (шпангоуты); 3 - струны Площадь поперечного сечения струн и расстояние между ними должны определяться в зависимости от требуемого повышения несущей способности шпангоутов. В данной конструкции шпангоуты, на которые действует эксплуатационная нагрузка, поддерживаются реакциями упругопластического основания, роль которого выполняет бортовая обшивка, а также реакциями системы струн. При небольшом количестве струн расчетная схема шпангоута будет подкреплена рядом упругопластических опор балки, лежащей на упругопластическом основании, которым является бортовая обшивка. Однако если число установленных струн достаточно велико, то они будут являться дополнительным упругопластическим основанием, способствующим повышению несущей способности балок набора. В этом случае балка набора будет лежать на основании, параметры которого определяются как пластинами обшивки, так и дополнительно установленными подкрепляющими элементами, а ее расчет может быть выполнен по методике, изложенной в [4, 6]. Выполним оценку несущей способности локально загруженных шпангоутов бортового перекрытия при установке системы струн, учитывая силы поддержания со стороны упругопластического основания, создаваемого бортовой обшивкой, и реакции системы струн, возникающие в точках их пересечения со шпангоутами. Шпангоут рассматривается как подкрепленная опорами балка на упругопластическом основании, роль которого выполняет бортовая обшивка. Решение ведется в рамках метода «о мгновенном раскрытии пластических шарниров». Результаты расчета представлены на рис. 2, где также приведена кривая, соответствующая несущей способности локально загруженной шпангоутной ветви бортового перекрытия со стрингерами с нагрузкой, приложенной в середине пролета шпангоута между стрингерами (кривая I). Перемещая опору шпангоута, роль которой выполняет струна или бортовой стрингер, и прикладывая интенсивную локальную нагрузку в середине пролета между ними, получаем изменение несущей способности шпангоутной ветви. Точка Д на кривой I соответствует несущей способности бортового перекрытия, набранного по Правилам Регистра для судна водоизмещением 543 т ледовой категории Arc4. Рис. 2. Кривые несущей способности шпангоутов: lобр − размеры зоны обрушения [4, 6]; b1 − расстояние между стрингерами или струнами; P2 − нагрузка, соответствующая образованию кинематически изменяемого механизма в балке при наличии струн или стрингеров; P0 − нагрузка, соответствующая образованию кинематически изменяемого механизма в безопорной балке Прямая II соответствует несущей способности локально загруженной безопорной балки главного направления, лежащей на бортовой обшивке, для той же самой конструкции бортового перекрытия судна ледовой категории Arc4, но без стрингеров. Кривая III соответствует предлагаемой конструкции. При этом ее максимальная несущая способность определяется точкой Е на кривой III, которая показывает увеличение несущей способности предлагаемой конструкции по сравнению с конструкцией, содержащей бортовые стрингеры и набранной по Правилам Регистра, примерно на 10 %. Влияние системы струн на деформирование шпангоутов может быть оценено также исходя из рассмотрения звена шпангоута после образования кинематически изменяемого механизма [6]. Данный подход позволяет получить простые зависимости, позволяющие обоснованно назначать параметры системы струн, такие как площадь струны и расстояние между ними. Выбор параметров струн В первом приближении можно считать, что при установке системы струн повышение несущей способности перекрытия при восприятии интенсивных локально распределенных нагрузок достигается за счет поддержания обрушившихся звеньев шпангоутов дополнительными реактивными силами, действующими на определенном расстоянии друг от друга в зоне предполагаемого нагружения (рис. 3, а). Тогда параметры устанавливаемых струн должны определяться из рассмотрения деформирования обрушившегося звена шпангоута. После образования кинематически изменяемого механизма в безопорной балке (рис. 3, б) из условия равновесия звена можно представить как , (1) где P0 - нагрузка, соответствующая образованию в шпангоуте кинетически изменяемого организма; − максимальный прогиб для шпангоута как безопорной балки, лежащей на многослойном упругопластическом основании, при образовании кинематически изменяемого механизма; K − осредненный коэффициент жесткости основания шпангоута, определенный как , где qmax - максимальная реакция основания для шпангоута как безопорной балки. Если для подкрепления шпангоутов на их полках установлена система струн, причем на зону обрушения приходится n струн, тогда расстояние между ними может быть определено по формуле , где n − число струн, приходящихся на зону обрушения балки, ограниченную внешними пластическими шарнирами; − расстояние между струнами. Рис. 3. Расчетная схема шпангоута, подкрепленного струнами Минимальное количество струн, приходящихся на зону обрушения, - три, т. е. n = 3, при условии, что две из них расположены на краях зоны обрушения, а третья − в месте приложения нагрузки (ей соответствует реакция R), показанной на рис. 3, в. Последовательно увеличивая количество струн в зоне обрушения при их равномерном распределении по длине зоны обрушения, можно определить площадь сечения струн исходя из их количества, приходящегося на зону обрушения. Считается, что после установки системы струн прогиб звена шпангоута будет равен нормативному прогибу w0, а работа струн осуществляется в пластической стадии, в то время, когда обеспечивается максимальная несущая способность обрушившегося звена. Тогда реакция R, которая действует на шпангоут со стороны струны, установленной в середине зоны обрушения, может быть определена по формуле , где a − поперечная шпация перекрытия; − нормативный прогиб шпангоута; T0 = σ ∙ F - предельное значение продольной силы в струне; − площадь поперечного сечения струны. Условие равновесия звена шпангоута можно записать в виде , где − коэффициент, зависящий от количества струн n, приходящихся на зону обрушения, в данном случае для трех струн . С учетом (1) получим , откуда после преобразования следует: , или , где − разность между прогибом неподкрепленной балки и нормативным прогибом. Если на зону обрушения приходится пять струн (), то на звено шпангоута дополнительно будет действовать реакция (рис. 3, в), которая может быть определена по формуле . Условие равновесия звена , откуда с учетом (1) получаем , где С5 = 3/4 − коэффициент, соответствующий установке пяти струн на протяжении зоны обрушения. Если установлены семь струн (n = 7), то на звено будут дополнительно действовать реакции и (рис. 3, г), определяемые из выражений , . В общем случае площадь поперечного сечения струны должна определяться по формуле . Отметим, что надо выбирать в соответствии с таблицей. Изменение коэффициента Cn в зависимости от числа струн Число струн, n 3 5 6 7 8 9 Коэффициент, зависящий от числа струн, Cn 1/2 3/4 4/5 19/18 56/49 11/8 С помощью данных выражений можно назначать параметры системы струн так, чтобы прогибы балок и максимальные относительные пластические деформации в подкрепляемой конструкции не превышали нормативных ограничений [1, 7]. Заключение Таким образом, область применения струн может быть расширена, т. к. при надлежащем выборе их параметров обеспечивается требуемое повышение несущей способности балок. Представленная методика позволяет обоснованно определить площадь поперечного сечения струн и расстояние между ними, исходя из рассмотрения шпангоута как балки, лежащей на упругопластическом основании с переменными характеристиками жесткости. Полученные формулы позволяют определить параметры струн и схему их установки для ограничения прогибов шпангоутов нормативными значениями. Реализация данной конструкции отличается более низкой трудоемкостью по сравнению с установкой перекрестных связей, поэтому использование струн является целесообразным для подкрепления бортовых перекрытий, воспринимающих интенсивные локально распределенные нагрузки
1. Pravila klassifikacionnyh osvidetel'stvovaniy sudov v ekspluatacii. SPb.: Rossiyskiy morskoy registr sudohodstva, 2014. 350 s.
2. Papkovich P. F. Trudy po stroitel'noy mehanike korablya: v 4 t. / P. F. Papkovich. L.: Sudpromgiz, 1962. T. 1. 576 s.
3. Semenov L. N. Nekotorye voprosy prochnosti bortovoy obshivki promyslovyh sudov pri remonte: avtoref. dis. … kand. tehn. nauk. Kaliningrad, 1968. 209 s.
4. Burakovskiy P. E. Raschet podkrepleniy lokal'no zagruzhennyh svyazey bortovyh perekrytiy sudov / P. E. Burakovskiy. Kaliningrad: Izd-vo KGTU, 2011. 268 s.
5. Pat. 2472665 Rossiyskaya Federaciya, MPK7 B63B 3/14, B63B 3/26. Bortovoe perekrytie / Burakovskiy P. E. № 2011114621/11; zayavl. 13.04.2011; opubl. 20.01.2013, Byul. № 2. 12 s.
6. Burakovskiy E. P. Ekspluatacionnaya prochnost' korpusov promyslovyh sudov: ucheb. posobie / E. P. Burakovskiy, P. E. Burakovskiy, Yu. I. Nechaev, V. P. Prohnich. SPb.: Art-Ekspress. 2012. 392 s.
7. Maksimadzhi A. I. Ocenka tehnicheskogo sostoyaniya korpusov morskih sudov / A. I. Maksimadzhi, L. M. Belen'kiy, A. S. Briker, A. Yu. Neugodov. L.: Sudostroenie. 1982. 156 s.
