автореферат диссертации по кораблестроению, 05.08.03, диссертация на тему:Совершенствование конструктивных решений и методов оценки прочности при восстановлении изношенных корпусов стальных судов с использованием железобетона

На правах рукописи

Борисов Александр Михайлович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОНСТРУКТИВНЫХ РЕШЕНИЙ И МЕТОДОВ ОЦЕНКИ ПРОЧНОСТИ ПРИ ВОССТАНОВЛЕНИИ ИЗНОШЕННЫХ КОРПУСОВ СТАЛЬНЫХ СУДОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЖЕЛЕЗОБЕТОНА

Специальность 05.08.03 - Проектирование и конструкция судов

5 ДЕК 2013

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук.

Нижний Новгород - 2013

005542652

005542652

Работа выполнена в Федеральном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Волжская государственная академия водного транспорта», г. Н.Новгород

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

Гирин Станислав Николаевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Литонов Олег Евгеньевич, главный научный сотрудник ФГУП «Крыловский государственный научный центр», г. Санкт-Петербург

кандидат технических наук, доцент Фролов Александр Макарович, советник директора, ООО «Судосервис НН», г. Н.Новгород

Ведущая организация: ОАО ЦКБ «Монолит», г. Городец,

Нижегородской обл.

Защита диссертации состоится 23 декабря 2013 г. в 1200 часов в аудитории 281 на заседании диссертационного совета Д 223.001.02 при Федеральном бюджетном образовательном учреждении «Волжская государственная академия водного транспорта» (ФБОУ ВПО «ВГАВТ») по адресу: 603950, г. Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5а, аудитория 281.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФБОУ ВПО «ВГАВТ».

Автореферат разослан « 22 » ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета к.т.н., доцент

р Я

А.А. Кеслер

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. В настоящее время на учете Российского Речного Регистра (РРР) находится около 25 тыс. судов, из них около 37 % составляют суда транспортного флота и около 63 % — приходится на долю нетранспортного флота. При этом значительная часть судов со сроком эксплуатации 40-50 лет имеют негодную или ограниченно годную оценку технического состояния или выведены на «холодный отстой» и консервацию из-за значительных износов основных корпусных связей, разукомплектованности и нарушения сроков предъявления судов к осмотру и освидетельствованию Регистром.

Большинство судоходных компаний сохраняют свой флот за счет поддерживающего ремонта, переоборудования и модернизации, поскольку строительство нового флота связано с крупными капитальными вложениями, которых пока у сравнительно молодых компаний недостаточно.

Наиболее распространенным и традиционным способом ремонта корпусов судов является замена изношенных металлоконструкций новыми. При этом требуются значительные затраты металла и трудоемкости, а при ремонте подводной части корпуса обязательным условием, является использование судоподъемных средств (слип, док, кессон).

Интенсивно стареющий флот требует поиска эффектйвных методов по снижению затрат на восстановление и поддержание корпусов судов в годном состоянии для их дальнейшей эксплуатации. Поэтому выполнение поддерживающего ремонта изношенных корпусов судов для продления срока их эксплуатации при минимальных затратах материалов, трудоемкости и стоимости работ является актуальной задачей для судовладельцев.

Одним из направлений утилизации изношенных корпусов транспортных судов является их перевод в стоечный флот для создания на базе корпусов этих судов плавучих отелей и гостиниц, торговых и выставочных павильонов, плавучих гаражей, ресторанов, дач, мастерских, причалов, хранилищ и прочее.

Опыт восстановления железобетоном прочности и водонепроницаемости в 30-е-50-е годы более 100 речных и морских судов, имеющих клепаную конструкцию корпуса, и их последующая эксплуатация в течение 10-15 лет и более показали надежность совместной работы элементов создаваемой композитной сталежелезобетонной обшивки.

Конструкция корпуса сварного судна по сравнению с клепаным имеет отличия, которые должны учитываться при разработке конструктивных решений при выполнении железобетонного усиления (ЖБУ). При разработке конструкции усиления судов железобетоном и при выполнении расчетов прочности должно учитываться современное состояние исследований в области судостроительных бетонов, а также современные теории

расчетов железобетонных и стальных конструкций с использованием программных комплексов (ПК) ЭВМ.

Поэтому совершенствование конструктивных решений и методов оценки общей и местной прочности при восстановлении прочности и водонепроницаемости изношенных корпусов стальных судов сварной конструкции с использованием железобетона для продления их эксплуатации при минимальных затратах на восстановительный ремонт является актуальной задачей.

Цель и задачи работы. Цель диссертационной работы заключается в совершенствовании конструктивных решений и методов расчета общей и местной прочности при восстановлении водонепроницаемости и прочности изношенных корпусов, стальных судов с использованием железобетона.

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:

- на основании анализа предшествующего опыта усиления железобетоном клепаных корпусов судов разработать конструктивные решения с использованием железобетона по восстановлению прочности и водонепроницаемости изношенных стальных корпусов, имеющих сварную конструкцию;

- выявить эффективность работоспособности элементов композитных сталежелезобетонных конструкций при проведении натурных и модельных испытаний;

- обосновать методические особенности расчета общей и местной прочности композитных сталежелезобетонных конструкций изношенных корпусов стальных судов;

- исследовать возможность использования современных программных комплексов (ПК), основанных на методе конечных элементов, для

' повышения точности расчетов сталежелезобетонных конструкций (на примере ПК «ЛИРА»);

- определить основные технико-экономические показатели при усилении железобетоном изношенных корпусов судов.

Объект исследования. Объектом исследования является изношенный корпус стального судна внутреннего плавания.

Предмет исследования. Предметом исследования является конструкция сталежелезобетонного усиления изношенного корпуса стального судна сварной конструкции и методы оценки прочности композитной конструкции.

Методы исследования. Для проведения исследований использовались методы экономического анализа и выбора вариантов конструктивных решений, теоретические методы и гипотезы строительной механики

корабля и теории упругости; экспериментальные методы с использованием тензометрирования и обработки результатов проведения эксперимента; численные методы расчетов с использованием современных программных комплексов, реализующих метод конечного элемента на примере ПК «ЛИРА».

Научная новизна исследования заключается в следующем:

- разработаны конструктивные решения при восстановлении прочности и водонепроницаемости изношенных корпусов стальных судов сварной конструкции с использованием ¿келезобетона;

- разработаны рекомендации по оценке общей и местной прочности стальных корпусов судов, усиленных железобетоном;

- выполнены экспериментальное и теоретическое исследования работы сталежелезобетонного судна с усиленной железобетоном палубой при общем изгибе корпуса;

- выполнены экспериментальное и теоретическое исследования с использованием ПК «ЛИРА» работы моделей сталежелезобетонных плит обшивки с наружным и внутренним усилением.

Практическая значимость работы. Результаты исследований использованы автором при разработке технической документации по восстановлению железобетоном прочности и водонепроницаемости корпусов 17 судов 11 проектов.

Положения, выносимые на защиту. По результатам исследований на защиту выносятся:

- новые конструктивные решения при восстановлении прочности и водонепроницаемости изношенных корпусов стальных судов с использованием железобетона;

- методические рекомендации по оценке общей и местной прочности стальных корпусов судов, усиленных железобетоном, основанные на результатах исследований, полученных при выполнении натурного, модельного и численного экспериментов.

Апробация работы. Основные положения работы и результаты исследований докладывались на XI Дальневосточной научно-технической конференции «Повреждения и эксплуатационная надежность судовых конструкций» (Владивосток, 1990 г.), на научно-технических конференциях ВГАВТ (1989, 2005 гг.), на научно-технической конференции «Конструкция и прочность судов и сооружений» (Н.Новгород, 2000 г.), на научно-технической конференции «Эксплуатационная и конструктивная прочность судовых конструкций» (десятые «Бубновские чтения», Н.Новгород, 1994 г.), на научно-технической конференции «Транспорт -XXI век» (Н.Новгород, 2003 г.), на международной конференции в рамках научно промышленного форума «Великие реки» (Н.Новгород, 2009, 2010, 2013 гг.).

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 13 печатных работах, две из которых опубликованы в изданиях, рекомендуемых ВАК.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и приложения. Основное содержание работы изложено на 195 стр. машинописного текста, в том числе содержит 74 рисунка и 25 таблиц. Список библиографических источников включает 102 наименования. В приложении приводятся примеры чертежей по конструкции наружного и внутреннего ЖБУ изношенных корпусов судов сварной конструкции, приведены примеры расчета общей и местной прочности, выполненные при разработке технической документации восстановительного ремонта корпусов железобетоном. Приводятся также копии актов внедрения, осмотра судов с ЖБУ корпуса и отзывы судовладельцев. В приложении приведено 23 рисунка и 13 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показывается актуальность проводимого исследования, ставится цель диссертации. Приводится краткое описание работы и решаемых в ней задач.

В первой главе проанализированы износы и повреждения, получаемые корпусами судов внутреннего плавания в эксплуатации. Отмечается, что техническое состояние флота за последние годы характеризуется устойчивой тенденцией снижения прочностных характеристик судов вследствие коррозионного и физического износа основных групп связей и во-дотечностью корпусов.

Приводятся традиционно сложившиеся способы восстановления прочности и водонепроницаемости изношенных корпусов, связанные с заменой изношенных металлоконструкций новыми с проектной толщиной связей и значительными затратами материалов, трудоемкости и средств. При этом работы по ремонту подводной части корпусов судов выполняются с использованием судоподъемных средств, недостаток которых отмечается в отрасли. Кроме того, интенсивно изнашиваются корпуса стальных доков и кессонов, что осложняет расширение судоремонтных работ.

Делается вывод, что выполнение железобетонного усиления наиболее изношенной части корпуса судна или отдельных его отсеков позволяет эффективно и экономично восстановить прочность и водонепроницаемость изношенного стального судна для продления его эксплуатации при допустимом утяжелении корпуса и увеличении осадки или снижении грузоподъемности.

Отмечается, что значительный вклад в развитие теории и разработки конструкции железобетонного усиления стальных судов внесли акад. Ю.А. Шиманский, проф. И.Н. Сиверцев, инж. Г.М. Арский, Н.М. Синотов, Д.Н. Сергеев, доц. Н.М. Егоров и другие.

Здесь же приводится анализ применявшихся ранее конструктивных решений с использованием железобетона по восстановлению прочности и водонепроницаемости изношенных корпусов судов, имеющих клепаную конструкцию и формулируются задачи диссертационного исследования.

Во второй главе на конкретных примерах приводятся разработанные автором узлы усиления корпусных конструкций современных сварных корпусов судов при восстановлении их прочности и водонепроницаемости с использованием железобетона. Рассматриваются особенности конструктивных решений при выполнении наружного и внутреннего ЖБУ изношенных корпусов судов.

Для восстановления прочности и водонепроницаемости изношенных стальных корпусов судов железобетоном в современных условиях используются два основных способа усилений: наружное и внутреннее. Приводятся особенности их выполнения. На рисунке 1 приведены узлы соединения арматуры со связями сварного корпуса при наружном и внутреннем ЖБУ.

Отмечается, что в настоящее время основным материалом для выполнения ЖБУ является тяжелый судостроительный бетон класса ВЗО (дня стоечных судов) или В40 (для транспортных судов).

С учетом технологичности и, исходя из условий свариваемости, для армирования рекомендуется использовать стержневую арматуру периодического профиля классов A-II (А300) или A-III (А400) диаметром 8 или 10 мм. Сварка арматуры меньших диаметров может привести к подрезам и ослаблению расчетного сечения стержней при сварке и снижению прочности конструкции. Применение арматуры больших диаметров приводит к увеличению толщины плиты ЖБУ, назначаемой с учетом обеспечения минимальной толщины защитного слоя бетона, и как следствие - к утяжелению корпуса, увеличению осадки и потере грузоподъемности судна. В соответствии с Правилами Российского Речного Регистра (ПРРР) допускается применение гладкой арматуры класса A-I (А240). Шаг и диаметр арматуры назначаются по результатам расчета общей и местной прочности корпуса изношенного судна. Арматурные сетки могут изготавливаться из отдельных стержней («россыпью») или в специальном кондукторе, что позволяет уменьшить объем работ, выполняемых непосредственно на судне.

а) } б)

.51 щ ¡¡¡і \е

а - наружное усиление; б - внутреннее усиление; I - рабочая арматура; 2 - распределительная арматура; 3 - холостой набор; 4 - наружная обшивка; 5 - сварка пересечений стержней арматуры; 6 - сварка арматуры с обшивкой; 7 - сварка стержней по длине; 8 - монтажная арматура; 9 - рамный набор; 10 - сварка монтажной арматуры с набором; 11 - сварка рабочей арматуры с полкой холостого набора

Рисунок 1 - Конструкция ЖБУ для сварного корпуса

При наружном ЖБУ (рисунок I, а) рекомендуется арматурные сетки приваривать к наружной обшивке, набор в этом случае не препятствует укладке арматуры, что упрощает выполнение арматурных работ, особенно при значительной насыщенности корпуса механизмами или при наличии двойного дна. Наружное ЖБУ выполняется в виде устройства железобетонной плиты толщиной от 30 до 50 мм с наружной стороны обшивки корпуса, прочно соединенной с ней и совместно работающей. Бетонная плита при этом получается неразрезной. Наружная обшивка рассматривается в качестве листовой арматуры.

Размеры сварных швов определяются на основании расчетов при восприятии усилий сдвига (среза). В местах деформации обшивки соединение плиты и элементов ЖБУ с обшивкой рекомендуется обеспечивать с помощью соединительных планок или с помощью стержней арматуры отрыва, устанавливаемых по расчету прочности. Деформации изношен-

ной обшивки, размеры которых превышают регламентируемые ПРРР, подлежат устранению традиционными методами до выполнения ЖБУ. Показано, что минимальная толщина плиты ЖБУ назначается исходя из условия обеспечения защитного слоя бетона, принимаемого в соответствии с требованиями ПРРР.

Отмечается, что бетонирование наружной обшивки возможно только с применением «сухого» или «мокрого» методов торкретирования на слипе (или в доке) с использованием специального оборудования.

При усилении палубных настилов наружное ЖБУ может- выполняться на плаву, без использования судоподъемных средств. В работе приведены разработанные автором конструктивные решения по соединению арматуры со связями корпуса при выполнении наружного ЖБУ палубы на примере нефтеналивной баржи проекта Р27. Разработанная конструкция соединения арматуры ЖБУ с переборками и подпалубным рамным набором, позволяет обеспечить работоспособность элементов ЖБУ и возможность замены в последующей эксплуатации изношенных листов верхнего пояса переборок и рамного набора. Также показано, что установка закладных деталей, прочно связанных с палубой и плитой ЖБУ, позволяет выполнять ремонт и замену палубных механизмов и элементов судовых устройств и систем в последующей эксплуатации судна.

Внутреннее ЖБУ (см. рисунок 1, б) получило большее распространение по сравнению с наружным ЖБУ, поскольку может выполняться на плаву без использования судоподъемных средств. При этом после выполнения подготовительных работ по судну предложено арматурную сетку устанавливать с внутренней стороны изношенной обшивки и для обеспечения совместной работы сваривать ее с набором и переборками стального корпуса. Толщина плиты ЖБУ принимается от 40 до 100 мм в зависимости от конструкции набора и допустимости утяжеления судна. Омоно-личенный холостой набор корпуса при этом работает в качестве арматуры отрыва, обеспечивая надежность и высокую работоспособность композитной сталежелезобетонной конструкции.

Отмечено, что бетон защищает обшивку и набор от коррозии. Снаружи плита ЖБУ защищена изношенной стальной обшивкой. При выполнении внутреннего ЖБУ плита получается разрезанной на рамном наборе и переборках, что осложняет ведение арматурных работ по сравнению с наружным ЖБУ.

Проведенные автором исследования показывают, что необходимость ремонта рамного набора днища появляется при его износе более 30 %. Рекомендуется узлы усиления набора проектировать с учетом особенностей элементов конструкции, степени ее изношенности и нагруженное™. Пример конструкции ЖБУ рамного набора днища приведен на рисунке 2.

Рисунок 2 - Пример выполнения армирования рамного набора днища при внутреннем ЖБУ балластных отсеков судна проекта 559Б

В третьей главе приводятся результаты экспериментальных исследований прочностных характеристик корпусов судов, усиленных железобетоном. Современные методы теоретического анализа напряженно-деформированного состояния корпусных конструкций позволяют получить довольно точное решение для стальных корпусов судов. Вместе с тем, методика расчетов общей прочности для стального судна, усиленного железобетоном, подлежит проверке экспериментальными исследованиями. По результатам анализа литературных источников натурные испытания прочности усиленных железобетоном изношенных корпусов судов для проверки принимаемых в расчетах гипотез ранее не проводились.

В первой части третьей главы приводятся результаты проведения на плаву натурного эксперимента, выполненного автором для выявления эффективности работоспособности ЖБУ на корпусе нефтеналивной баржи «Бельская-35» (БНР-35), палуба которой была усилена железобетоном. При этом в результате соответствующей поэтапной балластировки отсеков'баржи создавались расчетные изгибающие моменты при прогибе и перегибе, которые могут возникнуть в корпусе баржи в процессе эксплуатации.

В ходе эксперимента осуществлялось тензометрирование основных связей корпуса. К сожалению, из-за дождливой погоды при проведении испытаний установить тензодатчики на бетон не удалось.

При проведении натурных испытаний решались следующие задачи: достижение расчетных значений изгибающих моментов при прогибе и перегибе судна; определение напряжений в жестких связях средней части корпуса и в арматуре ЖБУ палубы; определение прогибов и характера трещинообразования в бетоне плиты палубы при поэтапной балластировке отсеков.

На рисунке 3 приведены примеры изменения напряжений в связях палубы при прогибе и перегибе корпуса в результате балластировки отсеков при испытании.

О 5 10 ІЗ 20 ?5 30

Момент изгибающий, Мї !-г-л

й теорий с учетом растянутого бетона □ теория без учета бетеше

О -10 -2 О -30 -40 -50 -60 Момент изгибающий, МН-м

а - при перегибе корпуса; б- при прогибе корпуса

Рисунок 3 - Зависимость изменения напряжений в связях палубы при балластировке отсеков

В результате проведенных натурных испытаний прочности сделаны следующие выводы.

1. Достигнуты расчетные значения изгибающих моментов, при этом не зафиксировано остаточных деформаций, что свидетельствует о достаточной прочности корпуса судна с ЖБУ палубы.

2. Сопоставление теоретических и экспериментальных значений напряжений показывает, что теоретические напряжения в сечении по миделю для связей палубы и днища практически совпадают с экспериментальными (расхождение в пределах 5-15 %). Это может свидетельствовать о достоверности применяемой методики в расчетах общей прочности корпуса судна, усиленного железобетоном.

3. Значения полученных напряжений в ребрах палубы и нижних поясах продольных переборок на 30-50 % отличаются от теоретических, что может быть объяснено их гибкостью и неполным включением в работу.

4. Имеется хорошее совпадение величин стрелок общего прогиба (перегиба) корпуса судна, вычисленных теоретически и замеренных экспериментально (расхождение в пределах 5-10 %). Стрелка прогиба характеризует жесткость корпуса, т.е. является интегральной характеристикой участия связей в общем изгибе. Совпадение теоретических и экспериментальных данных свидетельствует о надежности полученных результатов.

5. Момент образования трещин в бетоне палубы (при перегибе) соответствует IV этапу нагружения. При этом происходит рост напряжений в палубе при переходе от III к V этапу нагружения и в дальнейшем сохраняется пропорциональность роста напряжений росту нагрузки. Экспериментальная кривая находится между зонами, когда учитывается и не учитывается работа бетона на растяжение. Таким образом, можно предположить, что с момента образования трещин бетон еще продолжает воспринимать нагрузки от растяжения, и неучет этого обстоятельства идет в запас прочности.

При проведении расчетов местной прочности перекрытий судовых конструкций, подкрепленных железобетоном, возникают вопросы о степени участия бетона в работе конструкций, о характере напряженного состояния арматуры и о распределении усилий между элементами перекрытия в целом. Справедливость принятых гипотез при выполнении инженерных расчетов может быть оценена при выполнении экспериментальных исследований, а также при выполнении расчетов с использованием современных программных комплексов, основанных на методе конечных элементов. Представляет также интерес оценка требований к прочности сталежелезобетонных конструкций с позиций действующих ПРРР.

Во второй части третьей главы приводятся результаты выполненных автором исследований специально изготовленных двух полунатурных образцов моделей, имеющих одинаковую конструкцию и размеры 150x1260x1760 мм и имитирующих внутреннее (модель № 1) и наружное (модель № 2) ЖБУ обшивки, подкрепленной набором.

В отличие от проводимых ранее испытаний балочных сталежелезобетонных плит, в которых работоспособность элементов композитной кон-

струкции определялась без учета поперечных связей, настоящие экспериментальные исследования проводились для моделей перекрытий, в которых работоспособность элементов набора и ЖБУ и их взаимное влияние друг на друга учитывается в разных направлениях. Для тензометрирова-ния было установлено около 100 датчиков в характерных сечениях каждой модели. Прогибы при нагружении моделей фиксировались индикаторами часового типа. Прочностные свойства материалов определялись на основании испытания образцов проб стали (листовой и арматурной) и бетона.

Нагружение моделей проводилось на специальном стенде (рисунок 4) испытательного полигона кафедры железобетонных и каменных конструкций Нижегородского строительного университета (НГАСУ) ступенчато в два этапа (сначала рамных балок, а затем - холостых) до бетонирования и по истечении 28 суток после окончания бетонирования.

При проведении модельных испытаний решались следующие задачи: определение напряжений в элементах набора, в обшивке, арматуре и бетоне моделей в зависимости от изменения внешней нагрузки до и после бетонирования; определение прогибов и ширины раскрытия трещин, а также характера трещинообразования при нагружении моделей.

Схема нагружения модели № 1 (с внутренним ЖБУ) сосредоточенными силами, приложенными со стороны обшивки, приведена на рисунке 5. Модель № 2 (с наружным ЖБУ) нагружалась аналогично сосредоточенными силами, приложенными со стороны набора.

На рисунке б по результатам обработки модельного эксперимента приведены примеры зависимости изменения напряжений от нагрузки в элементах балки главного направления (БГН) и ребра жесткости для модели № 1.

1 — балка опорная;

2 - балка нагружения;

3 — гидродомкрат;

4 — траверза;

5 - стойка;

6 - силовой пол;

7 — поперечный опорный контур;

8 — продольный опорный контур;

9 — станция нагружения;

10 - испытуемая модель

Рисунок 4 - Схема стенда для испытания моделей

а - в полке БГН; б- в обшивке БГН;в- в полке ребра; г - в обшивке у ребра; Рисунок 6 — Зависимость изменения напряжений от нагрузки модели № 1

І=к

1£> иО*Ш! \\

І— І І I

а - схема нагружения рамных балок; б - схема нагружения ребра Рисунок 5 - Схема нагружения модели № 1 б)

Нагрузка, кН

50

Нагрузка. кН ІО

150

30

1

Е О

80 «3 90 да« 15« _ Нагрузка, кН

.3 350 а 2 іос

5 а

6 Ц, »

НаїртаКа, кН

30 й' » 120

& % •«! 5 -2

^ в

Я

в

Максимальная нагрузка в эксперименте назначалась из условия упругой работы элементов конструкции, когда максимальные напряжения приближались к пределу текучести материала.

На диаграммах принято следующее обозначение: Э(Д) — экспериментальные данные средние по датчикам; Л(Л)(Д) - результаты линейного расчета в ПК «ЛИРА» в местах установки датчиков; Л(Н/Л)(Д) - то же с учетом нелинейности бетона; Т1(Н) — теоретический расчет в точке на-гружения рамных балок с учетом обшивки, работающей совместно с арматурой, приведенной к листу, и с учетом работы бетона полным сечением; Л(Б/Б)(Н) - результаты линейного расчета в ПК «ЛИРА» в точке приложения нагрузки модели без ЖБУ; Т2(Н) - теоретический расчет в точке нагружения ребра на упругом основании с уютом обшивки, работающей совместно с арматурой, при свободном опирании балки.

Ширина раскрытия трещин а,, мм, при нагружении моделей после бетонирования определялась с помощью микроскопа с микрометрической насадкой. При максимальном нагружении перекрытий силами, приложенными в узлах пересечения рамных балок, у обеих моделей трещины визуально не были обнаружены, а при нагружении холостых балок - обнаружены и замерены.

Для определения теоретических значений напряжений в характерных сечениях моделей и сравнения их с экспериментальными данными были разработаны расчетные схемы, основанные на простых инженерных методах, а также с использованием метода конечных элементов, реализованного в программном комплексе (ПК) «ЛИРА» с учетом линейного и нелинейного поведения бетона.

Обработка результатов испытания моделей проведена с использованием метода наименьших квадратов с учетом осреднения данных по группам аналогично работающих и расположенных тензодатчиков для каждой модели.

Из сопоставления данных теоретических расчетов и эксперимента сделаны следующие выводы.

1. При усилении железобетоном (ЖБУ) стальных конструкций повышается их жесткость и прочность.

2. Наиболее близкое совпадение с результатами эксперимента получено при выполнении расчетов в ПК «ЛИРА» с учетом физической нелинейности бетона, разница результатов в этом случае не превышает 12 %.

Выполнение расчетов в ПК «ЛИРА» с учетом линейности по сравнению с нелинейным расчетом приводит к незначительному завышению прочностных показателей (4-11 %) при нагружении рамного набора перекрытий моделей и к значительному завышению (в 1,7-3,2 раза) соответствующих прочностных показателей при расчете ребра.

3. При нагружении рамного набора с наружным и внутренним ЖБУ хорошее совпадение с экспериментом дают традиционные расчеты, основанные на балочной теории.

Расчет перекрытий по ПРРР с учетом работы только сжатой зоны бетона дает ошибку в безопасную сторону порядка 35 %.

4. При нагружении ребра с наружным и внутренним ЖБУ имеет место достаточно сложная картина напряженно-деформированного состояния конструкции, поэтому «ручной расчет» с применением различных конструктивных схем дает значительную погрешность.

5. Значения ширины раскрытия трещин, замеренные при проведении испытаний, и полученные по расчету в соответствии с ПРРР имеют достаточно хорошее совпадение (разница составляет не более 16 %). Следовательно, расчеты по трещинообразованию, принятые в ПРРР, могут быть рекомендованы к расчету сталежелезобетонных конструкций.

6. Учет в расчетах прочности при приведении к однородному материалу реального соотношения модулей бетона и стали в зависимости от класса бетона (п = Е6 /Е ), применяемый в строительных расчетах и при проектировании корпусов морских судов с применением железобетона, на наш взгляд, более правильно отображает работоспособность связей и может быть рекомендован для включения в ПРРР.

В четвертой главе рассматриваются методические особенности выполнения расчетов общей и местной прочности корпусов судов, усиливаемых железобетоном.

Отмечается, что при общем изгибе композитного корпуса его стальная часть, деформируясь упруго, сдерживает развитие пластических деформаций в бетоне. Поскольку в получаемых композитных сталежелезобетонных конструкциях при усилении стальных судов железобетоном доля стальной части обычно значительна (более 50 % от приведенной площади поперечного сечения корпуса), то можно допустить, что деформации железобетонной части конструкции следуют за деформациями стальной.

Отмеченные особенности сталежелезобетонных корпусов судов позволяют принять гипотезу о линейной зависимости между деформациями и нагрузкой при общем изгибе композитного корпуса. Справедливость этой гипотезы подтверждается результатами проведенных автором натурных испытаний. Исключение составляет лишь область трещинообразова-ния, где отмечается нестабильность деформаций. Бетон растянутой зоны в расчетное сечение, как правило, не вводится, что соответствует второй стадии напряженности железобетонного сечения и идет в запас прочности.

Жесткость и устойчивость стальной обшивки, усиленной железобетоном, существенно повышаются и в состав эквивалентного бруса (ЭБ) она вводится с редукционным коэффициентом <р = 1, что позволяет значительно повысить момент сопротивления ЭБ поперечного сечения изношенного корпуса.

В работе рассматриваются вопросы определения продолжительности эксплуатации судов после усиления их корпусов железобетоном из условий исчерпания предельной прочности.

Сделан вывод о том, что общая схема расчета местной прочности пластин наружной обшивки с набором, усиленных железобетоном (ЖБУ), может быть принята аналогично расчету местной прочности элементов корпусов стальных и железобетонных судов, приведенному в действующих ПРРР. Однако, наличие композитной сталежелезобетонной конструкции вносит некоторые особенности в выполнение расчетов.

Расчет местной прочности элементов железобетонного усиления стального корпуса производится по общим правилам расчета железобетонных конструкций, но с учетом участия в работе стальной конструкции корпуса с ЖБУ. Это является специфической особенностью расчетов прочности при усилении стальных судов железобетоном. Кроме того, железобетонная обшивка композитных судов в соответствии с ПРРР должна проверяться на раскрытие трещин.

На основании экспериментальных исследований изгибаемых элементов с листовой арматурой делается вывод о том, что изменение их напряженно-деформированного состояния при возрастании нагрузки в целом протекает аналогично изменению состояния обычных железобетонных элементов со стержневой арматурой. Наружная обшивка рассматривается в качестве листовой арматуры. Здесь также наблюдаются все три характерные стадии напряженного состояния элемента: до появления трещин в растянутой зоне (стадия I); после появления трещин (стадия II) и разрушение (стадия III).

Некоторые отличия в состояниях элементов с листовой арматурой от обычных отмечается при разрушении в стадии III.

Метод расчета нормальных сечений по стадии разрушения (стадия III) является основным методом, принятым в ПРРР при расчете изгибаемых элементов, и основан на принципе предельного равновесия сечения (рисунок 7).

Проверка прочности изгибаемого элемента заключается в нахождении коэффициента запаса прочности и сравнении его с допускаемым значением к, исходя из условия: Мр / М> к . При этом напряжения в бетоне сжатой зоны считаются постоянными (эпюра прямоугольная) и равны пределу прочности бетона при сжатии (/?пр).

Рисунок 7- Расчетная схема сталежелезобетонного элемента с листовок арматурой

Для расчетной схемы разрушения элемента (см. рисунок 7) из уравнений равновесия относительно оси, проходящей через центр тяжести растянутой листовой арматуры, предложено выражение для определения расчетного разрушающего момента:

Мр= 102-Лпр-£\г(/?о-;г/2)+ 102- Ла Г3' (И0-а');

Да-.РУ + йпр-Ь-2-Ял-Ел = 0;

Аналогично в соответствии с ПРРР определяются расчетные разрушающие силы Л'р, кН, во внецентренно сжатых и внецентренно растянутых элементах при расчете сталежелезобетонной плиты.

В общем случае при расчете сталежелезобетонных конструкций, получаемых в результате выполнения ЖБУ изношенной наружной обшивки с набором, доля стальных элементов в расчетном композитном сечении значительна (более 50 %). Поэтому рекомендуется выполнять расчет местной прочности стальной балки в соответствии с основными положениями строительной механики с учетом особенностей работы элементов в составе композитной конструкции.

В работе приводятся результаты выполнения численного эксперимента с использованием ПК «ЛИРА» (с учетом линейности и физической нелинейности работы бетона) при нагружении равномерно распределенной нагрузкой сталежелезобетонной конструкции участка днища при внутреннем и наружном ЖБУ изношенного корпуса судна.

Для выявления эффективности ЖБУ выполнен аналогичный расчет такой же панели без усиления, а также инженерный расчет ребра в соответствии с балочной теорией по ПРРР.

По результатам сопоставительных вычислений сделаны следующие выводы.

1. Железобетонное усиление достаточно эффективно подкрепляет изношенную обшивку днища, в результате которого напряжения в связях снижается в 1,9-3,9 раз.

2. Расчеты в ПК «ЛИРА», выполненные с учетом физической линейности и нелинейности бетона, дают близкое совпадение результатов (разница не превышает 9,0-15,6 %).

3. Значения нормальных напряжений при расчете ребра в соответствии с балочной теорией в ПК «ЛИРА» для обшивки без ЖБУ в 1,1-2,3 раза превышают значения напряжений, полученные при расчете ребра в составе панели, и соответственно в 1,2-1,4 раза - для обшивки с ЖБУ, что является ошибкой в безопасную сторону.

4. При учете работы бетона полным сечением в расчете ребра с ЖБУ обшивки в соответствии с балочной теорией, регламентированной ПРРР, значения нормальных напряжений получаются близкими к полученным в ПК «ЛИРА» при расчете ребра с учетом нелинейности бетона в составе панели (расхождение составляет 1,2-1,8 раз), что подтверждает работу бетона на растяжение. Учет в инженерном расчете только сжатой зоны бетона приводит к увеличению запаса прочности композитной сталежеле-зобетонной конструкции и может быть рекомендован на ранних стадиях проектирования.

В пятой главе приводятся конкретные примеры практического использования результатов исследования на судах внутреннего плавания, усиленных железобетоном. Показано, что в каждом конкретном случае выбор варианта восстановления прочности и водонепроницаемости изношенного корпуса судна для продления его дальнейшей эксплуатации должен быть сделан на основе сравнения технико-экономических показателей возможных решений с учетом материальных и финансовых затрат, а также производственных возмо;:сностей судоремонтного предприятия.

Приводятся основные технико-экономические показатели проектов ЖБУ, выполненных автором для ряда судов внутреннего плавания.

На конкретном примере приводится определение основных технико-экономических показателей при выполнении внутреннего ЖБУ корпуса дебаркадера проекта 133К (вариант 1 в таблице 1) и сопоставление показателей с традиционным способом ремонта по замене изношенных металлоконструкций новыми (вариант 2). Общая площадь усиливаемой железобетоном и сменяемой обшивки в сравниваемых вариантах принята одинаковой.

Из анализа показателей сравниваемых вариантов восстановительного ремонта, приведенных в таблице 1, следует, что при выполнении усиления железобетоном изношенного корпуса стального судна (вариант 1) расход металла снижается в 5,9 раз, материальные затраты - в 2,3 раза, трудоемкость - в 1,9 раза и стоимость работ - в 2,1 раза по сравнению с традиционным способом ремонта (вариант 2).

Таблица 1 — Основные сравнительные показатели восстановительного

ремонта подводной части корпуса дебаркадера проекта 133К

Наименование показателя Значение показателя

вариант 1 вариант 2

Расход металла, т 7,0 41.6

Материальные затраты, тыс.руб. 670,4 1534,1

Трудоемкость, тыс. нормо-час. 3,51 6,72

Стоимость восстановительного ремонта, тыс.руб. 2792,6 5812,2

Отмечено, что преимущества железобетонного усиления изношенных корпусов судов, отмеченные выше, могут быть снижены вследствие некоторого утяжеления корпуса, увеличения его осадки или уменьшения грузоподъемности. Это обстоятельство делает усиление корпусов железобетоном целесообразным в тех случаях, когда масса корпуса судна не играет решающей роли или когда ремонтируется какая-либо одна наиболее изношенная часть корпуса (например, балластный отсек) и в общем балансе нагрузки масса ЖБУ не так значительна. Теоретически выбор способа ремонта (сталью или железобетоном) должен быть сделан на основании расчетов технико-экономической эффективности. Однако на практике выбор способа ремонта часто основывается не на эксплуатационно-экономическом анализе, а диктуется обстоятельствами, из которых решающими часто оказываются отсутствие у судовладельца судоподъемных средств и долговечность усиленного железобетоном корпуса судна.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. На основании анализа предшествующего опыта усиления железобетоном клепаных корпусов судов разработаны новые конструктивные решения по усилению железобетоном изношенных стальных корпусов некоторых типов стоечных и транспортных судов внутреннего плавания, имеющих сварную конструкцию.

2. В результате проведения экспериментальных и теоретических исследований разработаны рекомендации по оценке общей и местной прочности стальных корпусов судов, усиленных железобетоном.

3. На основании выполненных натурных экспериментальных исследований подтверждена эффективность работоспособности корпуса судна с усиленной железобетоном палубой при восприятии расчетных нагрузок при общем изгибе корпуса.

4. В результате проведения модельного эксперимента на специально изготовленных полунатурных образцах и численного эксперимента подтверждено, что при усилении железобетоном стальных конструкций значительно повышается их жесткость и прочность.

5. На примере ПК «ЛИРА» показана возможность использования современных программных комплексов, основанных на методе конечных элементов, для расчета сталежелезобетонных конструкций, применение которых позволяет повысить точность выполняемых расчетов прочности.

6. По результатам анализа основных технико-экономических показателей подтверждена эффективность выполнения усиления изношенных корпусов стальных судов железобетоном по сравнению с обычным способом ремонта, связанным с заменой изношенных металлоконструкций новыми.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Борисов, А.М. Опыт восстановления прочности и водонепроницаемости корпусов стальных судов с использованием железобетона / A.M. Борисов // Судостроение. - 2013. - № 2. - С. 57-60.

2. Борисов, A.M. Восстановление прочности и водонепроницаемости изношенных корпусов очистительной станции и дока с использованием железобетона / A.M. Борисов // Вестник Астраханского государственного технического университета. Серия: морская техника и технология. -Астрахань : ФГБОУ ВПО «АГТУ», 2013, -№ 2. - С. 9-15.

Публикации в других изданиях

3. Борисов, А.М. О целесообразности ремонта днища судов с двойным дном железобетоном / A.M. Борисов // Труды Горьковского института инженеров водного транспорта. - Горький : Изд-во ГИИВТ, 1989. -№243.-С. 76-88.

4. Борисов, A.M. Восстановление железобетоном прочности и водонепроницаемости-изношенных корпусов судов / A.M. Борисов, Н.М. Егоров / Тезисы докладов XI Дальневосточной научно-технической конференции «Повреждения и эксплуатационная надежность судовых конструкций» 12-15 сентября 1990. - Владивосток : Дальневосточный политехнический институт, 1990. - С. 100-102.

5. Борисов, А.М. Восстановление корпуса ОС железобетоном / A.M. Борисов // Речной транспорт. - 1991. -№ 10-11. - С. 22-24.

6. Борисов, A.M. Проблемы общей прочности барж проекта Р27 / A.M. Борисов, С.Н. Гнрин // Труды Волжской государственной академии водного транспорта. - Н.Новгород : Изд-во ВГАВТ, 1995. - № 271. -С. 90-94.

7. Борисов, A.M. Экспериментальное исследование общей прочности корпуса судна с усиленной железобетоном палубой / A.M. Борисов,

С.Н. Гирин // Труды Волжской государственной академии водного транспорта. - Н.Новгород : Изд-во ВГАВТ, 1995. - № 271. - С. 94-97.

8. Борисов, A.M. Ремонт железобетоном изношенного рамного набора днища / A.M. Борисов // Труды Волжской государственной академии водного транспорта. - Н.Новгород : Изд-во ВГАВТ, 1998. - № 282. -С. 76-88.

9. Борисов, A.M. Расчет композитной сталежелезобетонной обшивки методом конечных элементов / A.M. Борисов // Труды Волжской государственной академии водного транспорта. - Н.Новгород : Изд-во ВГАВТ, 2000.-№293. -С. 169-171.

10. Борисов A.M. К расчету общей прочности бункерной баржи проекта Р85 / Материалы научно-технической конференции «Транспорт -XXI век»: Тезисы докладов. Часть 3. - Н.Новгород : Изд-во ВГАВТ, 2003, -С. 80-81.

11. Борисов, A.M. Ремонт железобетоном днища бункерной баржи проекта Р85 / A.M. Борисов Н Вестник Волжской государственной академии водного транспорта. - Н.Новгород : Изд-во ФГОУ ВПО ВГАВТ, 2004.-№ 10.-С. 109-114.

12. Борисов, A.M. Ремонт железобетоном корпуса очистительной станции СПВ-1 / A.M. Борисов // Вестник Волжской государственной академии водного транспорта. - Н.Новгород : Изд-во ФГОУ ВПО «ВГАВТ», 2007. - № 22. - С. 150-158.

13. Борисов, А.М. Обоснование конструкции переоборудования баржи проекта Р27 в плавучий док / A.M. Борисов, A.B. Анисенков // Труды 11-го международного научно-промышленного форума «Великие реки' 2009». Труды конгресса. Том 1. - Н.Новгород : Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет, 2010. - С. 150-153.

Формат 60x84 '/го- Гарнитура «Тайме». Ризография. Усл. печ. л. 1,0. Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 230.

Издательско-полиграфический комплекс ФБОУ ВПО «ВГАВТ» 603950, Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5а

Министерство транспорта Российской Федерации Федеральное агентство морского и речного транспорта Федеральное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Волжская государственная академия водного транспорта»

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОНСТРУКТИВНЫХ РЕШЕНИЙ И МЕТОДОВ ОЦЕНКИ ПРОЧНОСТИ ПРИ ВОССТАНОВЛЕНИИ КОРПУСОВ СТАЛЬНЫХ СУДОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ

ЖЕЛЕЗОБЕТОНА

Специальность: 05.08.03 «Проектирование и конструкция судов»

УДК 629.122.011.1.004.67:539.4

04201453783

На правах рукописи

БОРИСОВ Александр Михайлович

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель - кандидат

технических наук, доцент. С.Н. Гирин

Нижний Новгород - 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение.......................................................................................................................4

1. Анализ исследований по восстановлению прочности и водонепроницаемости изношенных корпусов судов........................................12

1.1. Износы и повреждения корпусов судов внутреннего плавания..............12

1.2.Способы восстановления прочности и водонепроницаемости корпусов судов с использованием железобетона.......................................................21

2. Обоснование конструктивных решений по усилению железобетоном изношенных корпусов стальных судов...............................................................33

2.1. Общие положения по выполнению усиления изношенных корпусов судов с применением железобетона............................................................34

2.2. Наружное железобетонное усиление корпусов судов..............................41

2.2.1. Наружное железобетонное усиление палубы...................................41

2.2.2. Наружное усиление подводной части корпуса с использованием железобетона........................................................................................48

2.3. Внутреннее железобетонное усиление изношенных корпусов...............55

3. Экспериментальные исследования прочностных характеристик корпусов судов, усиленных железобетоном........................................................................67

3.1. Натурный эксперимент................................................................................67

3.1.1. Описание объекта испытаний............................................................67

3.1.2. Подготовка судна к испытаниям.......................................................68

3.1.3. Проведение испытаний судна и обработка.......................................70

результатов эксперимента............................................................................70

3.1.4. Анализ результатов испытаний.........................................................81

3.2. Модельный эксперимент.............................................................................86

3.2.1. Цели и задачи эксперимента..............................................................86

3.2.2.Экспериментальная установка и проведение испытаний................88

3.2.3. Обработка результатов испытания моделей...................................103

3.2.4. Теоретические методы определения напряжений и деформаций

в связях моделей при нагружении...................................................108

3.2.5. Сопоставление теоретических расчетов с результатами эксперимента......................................................................................127

4. Методические особенности расчета прочности корпусов судов, усиленных железобетоном.....................................................................................................141

4.1. Общие положения.......................................................................................141

4.2. Методические особенности расчета общей прочности..........................144

4.3. Методические особенности расчета местной прочности.......................147

5. Практическое использование результатов исследований..............................166

5.1. Основные технико-экономические показатели восстановления прочности и водонепроницаемости корпусов судов с использованием железобетона................................................................................................166

5.2. Пример расчета основных технико-экономических показателей при выполнении восстановительного ремонта подводной части корпуса дебаркадера проекта 133К..........................................................................176

Заключение...............................................................................................................184

Список литературы..................................................................................................185

Приложения..............................................................................................................196

Приложение А. Примеры выполнения чертежей для усиления изношенных корпусов стальных судов с использованием

железобетона................................................................................................197

Приложение Б. Примеры результатов расчета общей и местной прочности при усилении изношенных корпусов стальных судов с

использованием железобетона...................................................................217

Приложение В. Акты внедрения и отзывы по работоспособности судов, усиленных железобетоном.........................................................................233

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время на учете Российского Речного Регистра (РРР) находится около 25 тыс. судов, из них около 37 % составляют суда транспортного флота и около 63% - приходится на долю нетранспортного флота. При этом значительная часть судов со сроком эксплуатации 40-50 лет имеют негодную или ограниченно годную оценку технического состояния или выведены на «холодный отстой» и консервацию из-за значительных износов основных корпусных связей, разукомплектованное™ и нарушения сроков предъявления судов к осмотру и освидетельствованию Регистром [44].

Большинство судоходных компаний сохраняют свой флот за счет поддерживающего ремонта, переоборудования и модернизации, поскольку строительство нового флота связано с крупными капитальными вложениями, которых пока у сравнительно молодых компаний недостаточно.

Наиболее распространенным и традиционным способом ремонта корпусов судов является замена изношенных металлоконструкций новыми с проектными толщинами связей. При этом требуются значительные затраты металла и трудоемкости, а при ремонте подводной части корпуса обязательным условием является использование судоподъемных средств (слип, док, кессон). Многие судовладельцы, не имеющие судоподъемных средств, испытывают значительные трудности с ремонтом подводной части корпусов судов.

В то же время в результате длительной эксплуатации нуждаются в ремонте подводной части корпуса и сами металлические доки, ремонт которых также связан с использованием судоподъемных средств или доков больших размеров. Кроме этого, при выводе металлических доков из эксплуатации для их ремонта сокращается судоремонтная база отрасли в целом, поскольку при этом занимаются дополнительные стапельные места.

Интенсивно стареющий флот требует поиска эффективных методов по снижению затрат на восстановление и поддержание корпусов судов в годном состоянии для их дальнейшей эксплуатации. Поэтому выполнение поддерживающего

ремонта изношенных корпусов судов для продления срока их эксплуатации при минимальных затратах материалов, трудоемкости и стоимости работ является актуальной задачей для судовладельцев.

Одним из направлений утилизации изношенных корпусов транспортных судов является их перевод в стоечный флот для создания на базе корпусов этих судов плавучих отелей и гостиниц, торговых и выставочных павильонов, плавучих гаражей, ресторанов, дач, мастерских, причалов, хранилищ и прочее. Это особенно актуально для водных акваторий в границах крупных городов, поскольку плотная застройка центральной части городов, а также значительная стоимость земельных участков под застройку становятся сдерживающим фактором для расширения строительства объектов социальной сферы. В то же время береговая зона рек и водоемов пока недостаточно используется в нашей стране по сравнению с некоторыми зарубежными странами, например, во Франции.

Опыт восстановления железобетоном прочности и водонепроницаемости в 30-е-50-е годы более 100 речных и морских судов, имеющих клепаную конструкцию корпуса, и их последующая эксплуатация в течение 10-15 лет и более показали надежность совместной работы элементов создаваемой композитной стале-железобетонной обшивки [36, 76-79, 88]. Значительный вклад в развитие теории и разработки конструкции железобетонного усиления стальных судов внесли акад. Ю.А. Шиманский, проф. И.Н. Сиверцев, инж. Г.М. Арский, Н.М. Синотов, Д.Н. Сергеев, доц. Н.М. Егоров и другие.

В шестидесятые - восьмидесятые годы исследования и работы по восстановительному ремонту изношенных корпусов судов железобетоном в нашей стране практически не выполнялись в связи с интенсивным строительством новых судов. Однако, с начала девяностых годов это направление при участии автора было возобновлено на кафедре сопротивления материалов, конструкции корпуса и строительной механики корабля (СМ, КК и СМК) Горьковского института инженеров водного транспорта (ГИИВТ, ныне ФБОУ ВПО «ВГАВТ»). Проведенные при участии автора исследования и опыт эксплуатации отремонтированных железобетоном судов в современных условиях [14-31] показывают техническую воз-

можность и экономическую целесообразность усиления железобетоном (ЖБУ) изношенных металлоконструкций вместо традиционной замены их новыми для продления срока эксплуатации судна. При этом работы по усилению железобетоном изношенной обшивки днища с внутренней стороны, а также изношенной палубы с наружной стороны могут выполняться на плаву без использования судоподъемных средств. Для восстановления прочности и водонепроницаемости изношенных корпусов судов используются недефицитные материалы и оборудование, способствующие расширению судоремонтной базы.

Конструкция корпуса сварного судна по сравнению с клепаным имеет отличия, которые должны учитываться при разработке конструктивных узлов при выполнении ЖБУ. В современных условиях изменились также подходы к расчету прочности композитного сталежелезобетонного корпуса судна с позиций действующих Правил Российского Речного Регистра (ПРРР). При разработке конструкции усиления судов железобетоном и при выполнении расчетов прочности учитывается современное состояние исследований в области судостроительных бетонов, а также современные теории расчетов железобетонных и стальных конструкций с использованием программных комплексов (ПК) ЭВМ.

Поэтому совершенствование конструктивных решений и методов оценки общей и местной прочности при восстановлении прочности и водонепроницаемости изношенных корпусов стальных судов сварной конструкции с использованием железобетона для продления их эксплуатации при минимальных затратах на восстановительный ремонт является актуальной задачей.

Цель диссертационной работы заключается в совершенствовании конструктивных решений и методов расчета общей и местной прочности при восстановлении водонепроницаемости и прочности изношенных корпусов стальных судов с использованием железобетона.

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи: - на основании анализа предшествующего опыта усиления железобетоном клепаных корпусов судов разработать конструктивные решения с использованием

железобетона по восстановлению прочности и водонепроницаемости изношенных стальных корпусов, имеющих сварную конструкцию;

- выявить эффективность работоспособности элементов композитных ста-лежелезобетонных конструкций при проведении натурных и модельных испытаний;

- обосновать методические особенности расчета общей и местной прочности композитных сталежелезобетонных конструкций изношенных корпусов стальных судов;

- исследовать возможность использования современных программных комплексов (ПК), основанных на методе конечных элементов, для повышения точности расчетов сталежелезобетонных конструкций (на примере ПК «ЛИРА»);

- определить основные технико-экономические показатели при усилении железобетоном изношенных корпусов судов.

В первой главе работы приводится анализ основных эксплуатационных из-носов и повреждений корпусов судов внутреннего плавания и традиционно сложившихся способов восстановления их прочности и водонепроницаемости. Здесь же приводится аналитический обзор применявшихся ранее конструктивных решений по восстановлению прочности и водонепроницаемости изношенных корпусов судов, имеющих клепаную конструкцию.

Во второй главе на конкретных примерах приводятся принятые конструктивные решения и разработанные узлы усиления корпусных конструкций современных сварных корпусов судов при восстановлении их прочности и водонепроницаемости с использованием железобетона. Рассматриваются особенности конструктивных решений при выполнении наружного и внутреннего ЖБУ изношенных корпусов судов.

В третьей главе приводятся результаты экспериментальных исследований прочностных характеристик корпусных конструкций, усиленных железобетоном. В первой части третьей главы приводятся результаты проведения на плаву натурного эксперимента для выявления эффективности работоспособности ЖБУ на корпусе нефтеналивной баржи «Бельская-35» (БНР-35), палуба которой была уси-

лена железобетоном. При этом в результате соответствующего поэтапного заполнения балластом отсеков баржи создается расчетный изгибающий момент при прогибе и перегибе корпуса с определением напряжений в связях средней части судна. Полученные экспериментальные напряжения сравниваются с теоретическими значениями, и оценивается возможность применения расчетной методики при определении общей прочности композитного сталежелезобетонного корпуса судна.

Во второй части третьей главы приводятся результаты исследований двух полунатурных образцов моделей, имитирующих наружное и внутреннее ЖБУ обшивки, подкрепленной набором. Модели до и после бетонирования поэтапно нагружаются сосредоточенными силами, приложенными отдельно в узлах пересечения рамных балок и в середине пролета холостого набора. Для определения теоретических значений напряжений в характерных сечениях моделей и сравнения их с экспериментальными данными составлена расчетная схема и выполнены расчеты с помощью ПК «ЛИРА», использующего метод конечных элементов. Полученные экспериментальные значения напряжений сравниваются с найденными в результате выполнения теоретических расчетов элементов перекрытия в соответствии с действующими ПРРР [68] и с использованием методов строительной механики.

В четвертой главе рассматриваются методические особенности выполнения расчетов общей и местной прочности корпусов судов, усиливаемых железобетоном, в соответствии с требованиями действующих ПРРР к стальным и железобетонным корпусам судов. Рассматриваются вопросы определения продолжительности эксплуатации судов после усиления их корпусов железобетоном. Здесь же приводятся результаты выполнения численного эксперимента с использованием ПК «ЛИРА» в результате нагружения равномерно распределенной нагрузкой участка днища при внутреннем и наружном ЖБУ изношенного корпуса судна и сопоставление полученных результатов с теоретическими расчетами, выполненными по ПРРР [68].

В пятой главе приводятся конкретные примеры практического использования результатов исследования на судах внутреннего плавания, усиленных железобетоном. Приводятся результаты расчетов основных технико-экономических показателей при выполнении усиления изношенных корпусов стальных судов железобетоном. На конкретном примере приводится определение основных технико-экономических показателей при выполнении ЖБУ корпуса судна и сопоставление показателей с традиционным способом ремонта при замене изношенных металлоконструкций новыми с проектной толщиной связей.

В приложении к диссертации приводятся примеры выполнения расчетов общей и местной прочности, примеры чертежей конструктивных решений при выполнении усиления стальных корпусов судов с использованием железобетона, акты внедрения и отзывы судовладельцев.

В заключении приводятся основные результаты выполненных исследований.

Объектом исследования диссертации является изношенный корпус стального судна внутреннего плавания.

Предметом исследования является конструкция сталежелезобетонного усиления изношенного корпуса стального судна сварной конструкции и методы оценки прочности композитной конструкции.

Научная новизна исследования заключается в следующем:

- разработаны конструктивные решения при восстановлении прочности и водонепроницаемости изношенных корпусов стальных судов сварной конструкции с использованием железобетона;

- разработаны рекомендации по оценке общей и местной прочности стальных корпусов судов, усиленных железобетоном;

- выполнены экспериментальное и теоретическое исследования работы сталежелезобетонного судна с усиленной железобетоном палубой при общем изгибе корпуса;

- выполнены экспериментальное и теоретическое исследования с использованием ПК «ЛИРА» работы моделей сталежелезобетонных плит обшивки с наружным и внутренним усилением.

Методы исследования. Для проведения исследований использовались методы экономического анализа и выбора вариантов конструктивных решений, теоретические методы и гипотезы строите