СПОСОБ МОДЕРНИЗАЦИИ ИЛИ РЕМОНТА НЕСУЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ СУДОВЫХ КОНСТРУКЦИЙ (ВАРИАНТЫ)
METHOD OF UPDATING OR REPAIRING SHIP STRUCTURE BEARING COMPONENTS (VERSIONS)

Изобретение относится к модернизации или ремонту корпусных конструкций, в частности судовых перекрытий, имеющих недостаточные толщины стенок или поясьев связей.
Известен способ подкрепления при постройке судна несущих элементов судовых корпусных конструкций ребрами жесткости в виде гофров (патент РФ 2072535, кл. В63В 3/24, В63В 3/14, В63В 3/36). Известен также способ подкрепления при постройке судна несущих элементов, имеющих вырезы, с помощью накладных элементов, устанавливаемых в углах вырезов (патент 2022868 В63В 3/56).
Известен способ подкрепления при постройке судна одиночных вырезов в палубе корпуса при помощи листовых элементов (полезная модель №44633). Известен способ подкрепления деформированной стенки рамной балки в ходе эксплуатации судна ребрами жесткости вдоль стенки указанной балки (патент РФ №2094296, В63В 9/00).
Известно подкрепление деформированной стенки рамной балки бракетами, устанавливаемыми по высоте ее стенки (Телянер Б.Е., Турмов Г.П., Финкель Г.Н. «Технология ремонта корпуса судна». Ленинград: Изд-во «Судостроение», 1984, рис.121, стр.242).
Все указанные способы не пригодны для компенсации недостаточности толщины для восстановления корпусных конструкций судна либо модернизации его для эксплуатации в более высоком разряде плавания.
Задача изобретения - возможность восстановления несущих корпусных конструкций судна или модернизация их для перевода судна в более высокий разряд плавания, а также доведения до соответствия изменившимся требованиям.
Поставленная задача достигается тем, что модернизацию или ремонт несущих судовых корпусных конструкций осуществляют путем подкрепления несущих элементов корпусной конструкции судна накладными листовыми элементами, для этого предварительно определяют допустимую толщину несущих элементов, далее определяют действительную толщину накладного листового элемента:
- при одностороннем подкреплении из диапазона значений согласно формуле:
ост
где Δt=[t]-t, где [t] - нормативная толщина стенки несущего элемента;
нак
t - толщина накладного листового элемента;
ост
t - действительная толщина модернизируемой стенки;
ПП
t - толщина присоединенного пояска обшивки, которую поддерживает модернизируемая конструкция,
если толщина накладного элемента оказалась больше действительной толщины конструкции, толщину накладного элемента определяют из диапазона значений согласно формуле:
- при двустороннем подкреплении толщину второго накладного элемента определяют по формуле (1), где берут
нак1
ост1
ост
нак1
нак1
ост
ост1
нак1
ост
нак1
ост
ост
ост1
где t - толщина накладного элемента с первой стороны (выбирается по ряду позиций, например, их условий технологичности сварки, получаемому значению второго накладного элемента и т.д.), если толщина второго накладного элемента оказалась больше величины t=t+0,307t, при t≤t или t=t+0,307t, при t>t, то толщину накладного элемента определяют из диапазона значений согласно формуле (2) с учетом t=t, затем изготавливают заготовку(и) накладного(ых) листового(ых) элемента(ов), соответствующего(их) форме подкрепляемого элемента, накладывают полученную заготовку(и) на подкрепляемый элемент, осуществляют подгонку и производят крепление заготовки(ок) накладного(ых) элемента(ов) по контуру и в плоскости.
накл
ПП
ост
накл
При превышении t величины 2t-t (верхней границы диапазона) сложно обеспечить хорошее качество сварочных работ и дополнительно усиливается вероятность прорыва обшивки в случае значительного сосредоточенного контактного воздействия около места крепления балки к обшивке. При понижении t нижней границы диапазона требуемая устойчивость конструкции на местное воздействие, соответствующее [t] - нормативной толщине стенки несущего элемента, не будет обеспечена.
Другой вариант решения поставленной задачи достигается тем, что модернизация или ремонт несущих элементов судовых корпусных конструкций осуществляется путем подкрепления несущих элементов корпусных конструкций судна накладными элементами с ребрами жесткости (установка ребер жесткости может осуществляться в любой последовательности относительно установки накладного элемента, например до, после и в период установки) или гофрированными накладными элементами, для этого предварительно определяют допустимую толщину несущих элементов, далее определяют действительную толщину накладного элемента:
- при установке ребер жесткости или расположения направления гофрировки по высоте стенки накладного элемента из диапазона значений согласно формуле:
где l - длина пролета накладного элемента (как правило равна длине пролета подкрепляемой конструкции, например расстоянию между одноименными балками набора, диафрагмами, переборками - ограничивающую подкрепляемую конструкцию);
k - полное число участков разбиения пролета, в частности полное число гофров гофрированного накладного элемента, уложенных в пролет l (как правило выбирается l/k<h);
ост
Δt=[t]-t,
где [t] - нормативная толщина стенки несущего элемента;
нак
t - толщина накладного, в том числе, гофрированного элемента;
ост
t - действительная толщина модернизируемой стенки;
ПП
t - толщина присоединенного пояска обшивки, которую поддерживает модернизируемая конструкция;
h - высота или ширина накладного элемента (в первом приближении берется равной высоте или ширине подкрепляемой конструкции в направлении, перпендикулярном длине его пролета, например, высоте стенки балки),
если толщина накладного элемента оказалась больше действительной толщины конструкции, толщину накладного элемента определяют из диапазона значений согласно формуле:
- при установке ребер жесткости по длине стенки накладного элемента из диапазона значений согласно формуле:
если толщина накладного элемента оказалась больше действительной толщины конструкции, толщину накладного элемента определяют из диапазона значений согласно формуле:
- при расположении гофров по длине стенки накладного элемента из диапазона значений согласно формуле:
нг
где t - приведенная толщина несущей конструкции подкрепленной гофрированным накладным элементом, определяемая из выражения
i-1
1
0
0
где значения α до α, h, t равны нулю (i - порядковый номер участка гофрированного накладного элемента с расположением гофров вдоль его стенки, участки чередуются - прилегающие к подкрепляемой конструкции и промежуточные между ними; n - общее число участков);
[t] - нормативная толщина стенки несущего элемента;
нак.гоф
t - толщина гофрированного накладного элемента;
ост
t - действительная толщина модернизируемой стенки;
ПП
t - толщина присоединенного пояска обшивки, которую поддерживает модернизируемая конструкция;
h - высота или ширина накладного элемента (в первом приближении берется равной высоте или ширине подкрепляемой конструкции в направлении, перпендикулярном длине его пролета, например высоте стенки балки);
i
h - длина i-го участка у накладного гофрированного элемента (чередуются участки - прилегающие к подкрепляемой конструкции или промежуточные между ними);
i
нг
ост
t - толщина i-го участка - приведенная в месте прилегания накладного гофрированного элемента к подкрепляемой конструкции (t) или промежуточного между ними (t) (последнее принято с ошибкой в безопасную сторону),
если толщина накладного элемента оказалась больше действительной толщины конструкции, толщину накладного элемента определяют из диапазона значений согласно формуле:
затем изготавливают заготовку накладного элемента, соответствующего контуру подкрепляемого элемента, накладывают полученную заготовку на подкрепляемый элемент, осуществляют подгонку и производят крепление заготовки накладного элемента по контуру и в плоскости.
В частности, в случае трех участков гофрированного накладного элемента с продольным расположением гофров и равной длиной этих участков зависимости (а) и (б) примут вид
1
3
нг
2
ост
где t=t=t; t=t.
Третий вариант решения поставленной задачи достигается тем, что модернизация или ремонт несущих элементов судовых корпусных конструкций осуществляют путем подкреплении несущих элементов корпусных конструкций судна с одной стороны накладными листовым элементом, а с другой стороны - ребрами жесткости (установка может вестись в любой последовательности), для этого предварительно определяют допустимую толщину несущих элементов, далее определяют действительную толщину накладного элемента:
- при установке ребер жесткости по высоте стенки несущего элемента из диапазона значений согласно формуле:
где l - длина пролета несущего элемента (например, расстояние между одноименными балками набора, диафрагмами, переборками - ограничивающую подкрепляемую конструкцию);
1
1
k - полное число участков разбиения пролета, уложенных в пролет l (как правило выбирается l/k<h);
ост
Δt=[t]-t,
где [t] - нормативная толщина стенки несущего элемента;
нак
t - толщина накладного, в том числе гофрированного элемента;
ост
t - действительная толщина модернизируемой стенки;
ПП
t - толщина присоединенного пояска обшивки, которую поддерживает модернизируемая конструкция;
h - высота или ширина накладного элемента (в первом приближении берется равной высоте или ширине подкрепляемой конструкции в направлении, перпендикулярном длине его пролета, например высоте стенки балки),
если толщина накладного элемента оказалась больше действительной толщины конструкции, толщину накладного элемента определяют из диапазона значений согласно формуле:
- при установке ребер жесткости по длине стенки несущего элемента по формуле:
если толщина накладного элемента оказалась больше действительной толщины конструкции, толщину накладного элемента определяют из диапазона значений согласно формуле:
затем изготавливают заготовку накладного элемента, соответствующего контуру подкрепляемого элемента, накладывают полученную заготовку на подкрепляемый элемент, осуществляют подгонку и производят крепление заготовки накладного элемента по контуру и в плоскости.
Четвертый вариант решения поставленной задачи достигается тем, что модернизация или ремонт несущих элементов судовых корпусных конструкций осуществляют путем двухстороннего подкрепления несущих элементов корпусных конструкций судна накладными элементами: с одной стороны несущего элемента накладным листовым элементом с ребрами жесткости или гофрированным накладным элементом, а с другой стороны - ребрами жесткости, для этого предварительно определяют допустимую толщину несущих элементов, далее определяют действительную толщину накладного элемента:
- при установке по высоте стенки ребер жесткости, а также направления гофрировки у накладного гофрированного элемента из диапазона значений согласно формуле:
где l - длина пролета накладного элемента (как правило, равна длине пролета подкрепляемой конструкции, например расстоянию между одноименными балками набора, диафрагмами, переборками - ограничивающую подкрепляемую конструкцию);
k - полное число участков разбиения пролета накладного элемента, в частности полное число гофров гофрированного накладного элемента, уложенных в пролет l (как правило выбирается l/k<h);
1
1
k - полное число участков разбиения несущего элемента, уложенных в пролет l (как правило выбирается l/k<h);
[t] - нормативная толщина стенки несущего элемента;
нак
t - толщина накладного, в том числе гофрированного элемента;
ост
t - действительная толщина модернизируемой стенки;
ПП
t - толщина присоединенного пояска обшивки, которую поддерживает модернизируемая конструкция;
h - высота или ширина накладного элемента (в первом приближении берется равной высоте или ширине подкрепляемой конструкции в направлении, перпендикулярном длине его пролета, например высоте стенки балки), если толщина накладного элемента оказалась больше действительной толщины конструкции, толщину накладного элемента определяют из диапазона значений согласно формуле:
- при установке ребер жесткости по длине стенки как исходного несущего, так и накладного элемента из диапазона значений согласно формуле:
если толщина накладного элемента оказалась больше действительной толщины конструкции, толщину накладного элемента определяют по формуле:
затем изготавливают заготовку накладного элемента, соответствующего контуру подкрепляемого элемента, накладывают полученную заготовку на подкрепляемый элемент, осуществляют подгонку и производят крепление заготовки накладного элемента по контуру и в плоскости,
- при установке по высоте стенки ребер жесткости и/или расположения направления гофрировки у накладного элемента и по длине стенки ребер жесткости у исходного несущего элемента из диапазона значений согласно формуле:
если толщина накладного элемента оказалась больше действительной толщины конструкции, толщину накладного элемента определяют из диапазона значений согласно формуле:
- при установке ребер жесткости по длине стенки у накладного элемента и по высоте стенки у исходного несущего элемента из диапазона значений согласно формуле:
если толщина накладного элемента оказалась больше действительной толщины конструкции, толщину накладного элемента определяют из диапазона значений согласно формуле:
затем изготавливают заготовку накладного элемента, соответствующего контуру подкрепляемого элемента, накладывают полученную заготовку на подкрепляемый элемент, осуществляют подгонку и производят крепление заготовки накладного элемента по контуру и в плоскости.
1
1
При этом ребра жесткости со стороны исходного несущего элемента к ребрам жесткости накладного элемента могут быть расположены в шахматном порядке, при этом в случае расположения мест крепления несущего и накладного элемента в местах установки ребер жесткости вместо значений k и k следует брать значение (k+k)-1.
Сечение ребра жесткости площадью F выбирается, например, из уравнения
1
1
нак
ост
где I - момент инерции площади сечения ребра жесткости, совместно с присоединенным пояском обшивки площадью сt (где с можно в первом приближении принять равным расстоянию между однонаправленными ребрами или гофрами (осями симметрии гофров), или между ребрами и гофрами, а также t=t - при установке ребер на накладной элемент, и t=t - при установки на несущий элемент);
l - длина пролета ребра;
КР
σ - критические напряжения сжатых ребер с присоединенным
пояском, зависящие от значения эйлеровых напряжений, определяемых по известным зависимостям.
Фиксация частично или полностью по их периметру и/или в плоскости стенки накладного элемента производится, например, с помощью сварки, в частности сварки дуговой, газовой, взрывом, контактной, клепки, в частности, посредством механического воздействия, электрозаклепками, склеиванием, в частности, эпоксидными компаунтами, полиэфирными компаунтами, их комбинациями. Высечка под электрозаклепки может быть осуществлена как в накладном элементе, так и в несущем элементе, или и в том и другом. Крепление ребер жесткости может быть также осуществлено перечисленными воздействиями.
Такая технология позволяет компенсировать недостаточную толщину существующих несущих элементов за счет повышения устойчивости несущих конструкций к действию местных сосредоточенных нагрузок. Кроме того, такая технология позволяет получить конструкцию с повышенной прочностью к нагрузкам от общего изгиба корпуса судна.
На фиг.1 изображена установка накладного элемента на рамную подпалубную балку судового набора, ограниченную с одной стороны рамной балкой, а с другой стороны переборкой;
на фиг.2,а, б, в, г изображены варианты крепления накладного листового элемента к полкам тавровой балки: а) вариант с обжатым по сварным швам листовым накладным элементом; б) вариант с отогнутыми краями примерно под 45° у листового накладного элемента; в) вариант с одним отогнутым примерно под 45°, а другим обжатым по сварному шву краями листовым накладным элементом; г) вариант укороченной длиной листового накладного элемента и сваркой его концов с полкой и существующим швам тавровой балки;
на фиг.3 изображена установка накладного гофрированного элемента на балку рамного набора корпуса судна с вариантами в отдельных пролетах установки ребер жесткости (таврового сечения и неравнобокого уголка);
на фиг.4 изображена установка на исходный несущий элемент с одной стороны накладного листового элемента с ребрами в виде глухих вертикальных гофров;
на фиг.5 изображена установка на исходный несущий элемент с одной стороны накладного листового элемента с ребрами в виде глухих вертикальных гофров, а с другой стороны - ребер жесткости из неравнополочного профиля, срезанных на ус;
на фиг.6 изображена схема подкрепления несущего элемента гофрированным накладным элементом с расположением гофров по длине стенки накладного элемента (случай трех участков: 1 и 3 прилегают к несущей конструкции, а 2 - нет);
на фиг.7 изображена общая схема подкрепления подпалубного набора судна в плане накладными элементами;
на фиг.8 изображена установка накладного элемента на рамную балку судового набора, пересекаемую ребрами жесткости и ограниченную с одной стороны рамной балкой, а с другой стороны переборкой (сечение А-А фиг.7);
на фиг.9 изображен узел сопряжения между собой и исходными конструкциями листовых накладных элементов, пересекающихся связей (узел Б фиг.7);
на фиг.10 изображен узел Б фиг.9;
на фиг.11 изображены варианты сечений Б-Б, В-В, Г-Г фиг.9.
на фиг.1 исходный несущий элемент 1, подкрепляющий настил палубы 2, ограничен с одной стороны рамной балкой 3, а с другой стороны переборкой 4 и подкреплен с одной стороны накладным листовым элементом 5, а с другой накладным листовым элементом 6 (показан пунктиром), на которые нанесены выколки 7 под электрозаклепки.
На фиг.3 накладной элемент 8 выполнен гофрированным, под гофрами могут устанавливаться опорные балки 9, например, таврового, уголкового, полособульбового или иного профиля. На фиг.4 накладной листовой элемент 10 выполнен с ребрами жесткости в виде глухих вертикальных гофров, с другой стороны на исходный несущий элемент установлены ребра жесткости 11 из неравнополочного профиля, срезанного на ус.
После определения толщины накладных элементов нужного варианта (фиг.1, фиг.2, фиг.3, фиг.4, фиг.5, фиг.6) на основании формул (1)…(21) и прочих соображений, например возможности поставки, наличия технологического оборудования, потребности введения или нет подкрепляющих элементов в общую прочность корпусной конструкции и т.д., производят изготовление листового накладного элемента.
Вырезается в заданный размер (определенный по чертежу и/или непосредственным обмером натурной конструкции) заготовка для листового накладного элемента. Заданный размер выбирается в зависимости от варианта стыковки и подгонки накладного элемента к подкрепляемой конструкции, причем для каждой кромки накладного элемента в отдельности (фиг.9, фиг.11). Так, заданный размер может выполняться в размер подкрепляемой конструкции и стыковаться по варианту а) (фиг.2, сечение В-В фиг.11), или меньше на размер катета сварного шва по варианту г) (фиг.2), сечение Б-Б (фиг.11), или с запасом, с учетом дальнейшей предварительной подгибки кромки по варианту б) (фиг.2), сечение Г-Г (фиг.11), или комбинацией разных вариантов исполнения кромок по варианту в) (фиг.2), фиг.9. Далее производится подгибка предусмотренных кромок шириной около 10 толщин накладного элемента, возможно, перед этим подрезаются уголки, в частности отрезается треугольник с катетами, равными ширине соответствующей загибки кромки (фиг.8, фиг.9), или по лекальной кривой (в частности, кругу, эллипсу), проходящий не менее, чем на расстоянии пересечения мест гибов кромок, возможен простой разрез угла листового накладного элемента до места пересечения гибов или дальше.
Гофрирование накладного элемента (фиг.3) выполняется штамповкой, преимущественно из стали, методом гибки на кромко-гибочном станке, прокаткой и т.д.
Закрепление накладного элемента к плоскости может быть проведено электрозаклепками, точечной сваркой, склеиванием или их комбинацией. На листовой элемент наносятся выколки 5 под электрозаклепки или резы под сварку. Листовой элемент окрашивается (грунтуется). Листовой элемент устанавливается на подкрепляемый элемент конструкции, причем в случае вариантов крепления кромок б) и в) (фиг.2) вначале выставляется одна или пара смежных кромок, а остальные подгоняются простукиванием и/или подрезкой по месту. Установка накладных элементов производится преимущественно в шахматном порядке, так чтобы в один угол не сходились подкрепляющие листовые элементы (фиг.7). В случае установки ребер жесткости как на накладном элементе, так и на другой стороне исходного несущего элемента (фиг.4) расстояние между ребрами выбирается, как правило, не более высоты исходного несущего элемента, например, по формулам 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 в зависимости от количества ребер, причем ребра жесткости одной стороны исходного несущего элемента по отношению к другой предпочтительно располагают в шахматном порядке.
Помимо рассмотренных вариантов ремонта или модернизации несущих конструкций предусматривается подкрепление также накладными листовыми гофрированными элементами с обоих сторон в плоскости стенки (пояса) несущего элемента.
Предлагаемый способ по сравнению с известными, за счет повышения устойчивости несущих конструкций к действию местных сосредоточенных нагрузок, а также за счет повышения прочности конструкции к нагрузкам от общего изгиба корпуса судна, дает возможность восстановить несущие корпусные конструкции судна и/или модернизировать их для перевода судна в более высокий разряд плавания.
Ниже приведен расчет экономического эффекта ремонта накладными листовыми элементами для баржи-площадки проекта Р-56 (фиг.7, 8, 9, 10, 11). Основные характеристики судна:
Длина
85,0 м
Ширина
16,5 м
Высота
2,85 м
Грузоподъемность
2800 т
Альтернативой подкрепления листовыми накладными элементами, предусмотренной документацией на ремонт, определяется только замена конструкций при удалении палубного настила (как минимум присоединенных поясков палубной обшивки).
Замене по существующей методике подлежат рамные подпалубные балки (бимсы и карлингсы), а также верхний пояс переборок, размером по высоте 0,6 м. Обобщенная схема работ и сопоставление существующего и предлагаемого вариантов сведены в таблицу.
Сравнительный расчет по вариантам ремонтных работ
№
Позиция
Вес, т
Вариант замены
Вариант подкрепления накладными листовыми элементами
1
Удаление рамных балок:
17,654
-
- бимсы 58 шт., длина ~16,5, сечение 5*350/6*100;
- карлингсы 3 шт., длина 75,6 м, сечение 5*350/8*150;
5,252
2
Удаление присоединенных поясков рамных подпалубных балок: длина 58*16,5+3*75,6=1183,8 м, сечение 10*400
37,171
-
3
Удаление верхнего пояса переборок: длина 4*16,5+2*75,6=217,2 м, сечение 5*600;
5,115
-
4
Удаление присоединенных палубных поясков переборок: длина 4*16,5+2*75,6=217,2 м, сечение 10*400
6,82
-
5
Установка рамных балок:
27,045
-
- бимсы 58 шт., длина ~16,5, сечение 8*350/8*100;
- карлингсы 3 шт., длина 75,6 м, сечение 8*350/8*150;
7,122
6
Установка верхнего пояса переборок: длина 4*16,5+2*75,6=217,2 м, сечение 8*600;
8,184
-
7
Установка присоединенных поясков рамных подпалубных балок: длина 58*16,5+3*75,6=1183,8 м, сечение 10*400
37,171
-
8
Установка присоединенных палубных поясков переборок: длина 4*16,5+2*75,6=217,2 м, сечение 10*400
6,82
-
9
Установка накладных листовых элементов на рамные балки: длина 58* 16,5+3*75,6=1183,8 м, сечение 5*350
-
16,262
10
Установка накладных листовых элементов на верхний пояс переборок: длина 4*16,5+2*75,6=217,2 м, сечение 5*600
-
5,115
11
Итого удаляемого металла:
72,012
-
12
Итого устанавливаемого металла:
86,342
21,377
Пренебрегая с ошибкой в безопасную сторону накладными расходами, расходом газа и сварочных материалов, на основе таблицы (будем учитывать стоимость металлического лома по цене 2,0 тыс.руб. за тонну и 35,0 тыс. руб. стоимость продукции из нового металла за тонну изделия) определим затраты по вариантам.
З (замены) = 86,342*35,0-72,012*2,0=3165,994 тыс. руб.
З (накладных элементов) = 21,377*35,0=748,195 тыс. руб.
Отсюда имеем следующий расчетный экономический эффект от ремонта одной баржи:
З (замены) - З(накладных элементов) = 3165,994-748,195=2417,799 тыс. руб.