Содержание к диссертации
Введение
1 Современное состояние развития методов проектирования и постройки железобетонных корпусов судов внутреннего плавания 11
1.1 Роль и место железобетонных стоечных судов в системе водного транспорта 11
1.2 Состояние и направление развития корпусных конструкций судов из железобетона 14
1.3 Анализ исследований по обоснованию параметров конструкции железобетонного корпуса 21
1.4 Постановка задачи исследования 25
1.5 Выводы по главе 1 26
2 Разработка математической модели железобетонного корпуса стоечного судна 27
2.1 Математическая модель проектирования конструктивных элементов и в целом железобетонного корпуса с различными системами набора 27
2.2 Определение массы железобетонного корпуса стоечного судна 37
2.3 Учет технологических особенностей и производственных затрат при расчете строительной стоимости корпуса из железобетона 46
2.4 Выводы по главе 2 53
3 Обоснование областей применения различных систем набора железобетонного корпуса 54
3.1 Формулировка задачи обоснования областей применения различных систем набора
3.2 Разработка программного обеспечения для проведения численного эксперимента 57
3.3 Численный эксперимент по моделированию железобетонного корпуса с различными системами набора 61
3.4 Обоснование областей применения систем набора 67
3.5 Выводы по главе 3 68
4 Исследование областей применения фибробетона при постройке корпусов речных судов 70
4.1 Экспериментальное исследование физико-механических свойств судостроительного фибробетона 70
4.2 Методика оценки трещиностойкости фибробетона со стальной анкерной фиброй 77
4.3 Исследование истираемости фибробетона 87
4.4 Математическая модель задачи обоснования оптимальных областей применения фибробетона в корпусостроении и численный эксперимент
4.5 Сферы применения фибробетона в корпусных конструкциях речных судов 103
4.6 Выводы по главе 4 105
Заключение 107
Список литературы
- Анализ исследований по обоснованию параметров конструкции железобетонного корпуса
- Определение массы железобетонного корпуса стоечного судна
- Численный эксперимент по моделированию железобетонного корпуса с различными системами набора
- Исследование истираемости фибробетона
Анализ исследований по обоснованию параметров конструкции железобетонного корпуса
В прошедшем периоде развития железобетонного судостроения достаточно много внимания уделялось работам, связанным с усовершенствованием железобетонных конструкций и улучшением методов их проектирования и постройки. Велись работы по использованию в железобетонных корпусах преднапряженных конструкций, получающих все большее распространение в промышленном и гражданском строительстве. Внедрялись новые типы бетонов на легком заполнителе, позволяющих снизить массу корпуса и тем самым увеличить его грузоподъемность. Осуществлялась опытная постройка корпусов из армоцемента, способных противостоять ударному воздействию. Выполненные исследовательские работы в данном направлении внесли большой вклад в развитие отрасли и определили дальнейшее направление развития судостроительной науки в данной области. Традиционно сложилось, что при конструировании железобетонного корпуса инженеры шли по пути, применяемом при проектировании корпусов стальных судов, а именно: - вместо стальной обшивки применили железобетонные плиты; - вместо стального рамного набора применили железобетонные ребра прямоугольного сечения; - вместо книц применили армированные вуты; - расстояние между железобетонными ребрами увеличили в 1,5…2 раза по сравнению со шпацией, применяемой в стальном судостроении. Данные корпуса получились относительно легкими, однако трудоемкость постройки таких ребристых железобетонных корпусов оказалась чрезвычайно высокой.
Подавляющее большинство железобетонных судов являются стоечными, и масса корпуса для таких судов не является важным эксплуатационным показателем. Поэтому при конструировании железобетонного корпуса его весовые характеристики вторичны и на первое место должна выходить его технологичность, так же существенно влияющая на строительную стоимость судна. Большой потенциал в повышении технологичности железобетонного корпуса кроется в более разумном и обоснованном использовании той или иной системы набора корпуса, в отказе от ребер, в условиях, когда на судне имеются часто расставленные поперечные переборки. Отказ от продольных переборок позволит избавиться от большого количества трудоемких арматурных работ в местах стыковки их с поперечными переборками корпуса. Отсутствие подзоров в оконечностях так же в некоторой степени упростит конструкцию технологической оснастки и унифицирует ее. Применение в качестве набора корпуса стальных балок, а в качестве наружной обшивки плоских безребристых плит позволяет отказаться от сложных ребристых матриц для изготовления секций и трудоемких работ по изготовлению арматурных каркасов ребер и тем самым в какой-то мере снизить строительную стоимость и сократить цикл постройки корпуса.
Для большинства существующих корпусов железобетонных судов характерна малая толщина корпусных элементов и относительно высокое насыщение сечений этих элементов стальной арматурой, что в условиях постоянного удорожания стали становится неприемлемым, поэтому сейчас намечается тенденция увеличения толщины корпусных элементов, в свою очередь позволяющая увеличить пролёты плит и отказаться, таким образом, от ребер, на изготовление которых приходится значительная доля общей трудоемкости постройки корпуса. Однако сложившаяся тенденция требует проведения дальнейших исследований по технико-экономическому обоснованию ее использования.
Нового комплексного обоснования в современных экономических условиях требуют области применения различных систем набора корпуса. Нет четкого ответа на вопрос, при какой длине железобетонного корпуса рационально, с экономической точки зрения, использование той или иной системы набора корпуса. А существующие на данный момент подобные рекомендации потеряли свою актуальность в связи с изменением модели развития экономической системы страны.
Значительный потенциал кроется в использовании принципиально новых для железобетонного судостроения конструкционных материалов. Особый интерес представляют бетоны с улучшенными прочностными и эксплуатационными характеристиками, в частности дисперсно армированные бетоны или фибробетоны, в которых роль армирующего компонента выполняют отрезки металлических или синтетических волокон, дисперсно распределенных по объему бетонной матрицы [57]. Подобные материалы имеют как преимущества, так и недостатки, поэтому использование их в качестве материала корпуса требует обоснования. За рубежом и у нас в стране уже накоплен некоторый опыт по использованию фибробетона в конструкциях, эксплуатирующихся в тяжелых климатических и природных условиях [71]. Использование фибробетона в корпусных конструкциях железобетонных судов так же имеет определенную целесообразность. Следует обратить внимание и на технологию постройки железобетонных судов, долгое время находившуюся без внимания и требующую дополнительное обоснование с учетом сложившихся экономических условий. Переход в середине 50-х годов к сборному способу постройки был крупным прорывом в технологии строительства судов из железобетона. Технология постройки судов из отдельных секций, соединяемых на арматурных выпусках (рис. 1.2), прежде всего, ликвидировала сезонность работ на верфях железобетонного судостроения, не имевших в то время цехов, и уменьшила стапельный период постройки путем переноса значительной части работ со стапеля в цех, тем самым ускорив оборачиваемость стапеля. Поэтому данная технология стала усиленно внедряться по аналогии с передовым способом сборки металлических судов. Это стало значительным прогрессом по сравнению с ранее применявшимся только монолитным способом постройки.
Определение массы железобетонного корпуса стоечного судна
Как известно [7; 16], железобетон имеет ряд серьезных преимуществ в качестве материала корпуса стоечных судов, к которым относятся, прежде всего, различного типа дебаркадеры и рейдовые причалы [25]. Уже на начальной стадии проектирования железобетонного судна стоечного типа одним из наиболее важных показателей, влияющих на его будущие технико-экономические показатели, является масса его железобетонного корпуса. От того, насколько точно будет определена масса корпуса, зависят эксплуатационно-технические качества судна [4], трудоемкость и стоимость его постройки.
Определение массы корпуса на начальной стадии проектирования можно выполнить двумя различными способами: используя либо показатели наиболее близкого судна-прототипа, либо зависимости, полученные в результате обработки статистических данных существующих проектов судов. Использование данных близкого прототипа [9] практически невозможно при исследовательском проектировании судна, когда элементы судна здесь являются варьируемыми параметрами, а прототип дет только одно их значение. В этом случае наиболее точные значения массы корпуса можно получить на основе статистических данных, отражающих как конструктивные особенности корпуса, так и изменение его элементов (варьируемых величин). Целью данной работы является получение статистических зависимостей, позволяющих найти массу железобетонного корпуса стоечного судна с учетом его архитектурно-конструктивных особенностей. Для этого были проанализированы главные размерения и основные характеристики проектов рейдовых причальных понтонов и дебаркадеров с корпусом из железобетона.
Дебаркадеры и рейдовые причальные понтоны с корпусом из железобетона предназначены для швартовки различных типов судов, посадки и высадки пассажиров, производства грузовых операций пассажирского и грузопассажирского флота. Все рассмотренные проекты причальных понтонов и дебаркадеров, спроектированные по Правилам речного регистра РСФСР, предназначены для эксплуатации на внутренних водных путях. Суда являются стоечными, а их корпус изготовлен из тяжелого судостроительного бетона с крупным наполнителем в виде щебня или гравия, армированного горячекатаной стержневой арматурой различных классов прочности. Прямоугольный в плане, с транцевым носом и кормой, с наклонными подрезами или без подрезов в оконечностях геометрически корпус имеет форму параллелепипеда. Внутреннее пространство корпуса разделено на отсеки продольными или поперечными проницаемыми или непроницаемыми переборками. Система набора корпуса — поперечная, смешанная либо безнаборная. Наружная обшивка представляет собой плоские железобетонные плиты [14]. Набор корпуса состоит из железобетонных балок прямоугольного сечения.
Архитектурно-конструктивный тип рейдовых причальных понтонов характеризуется отсутствием развитой надстройки. Грузовые лабазы размещаются в корпусе, а для пассажиров на палубе устроены открытые площадки, снабженные легкими тентами. Архитектурно-конструктивный тип дебаркадеров характеризуется развитой двух- или трехъярусной надстройкой, размещение груза предусматривалось во внутренних отсеках корпуса либо в надстройке на главной палубе [28]. Статистическое исследование охватывает суда длиной от 20 до 85 м. Соотношение главных размерений у рассматриваемых судов является традиционным для дебаркадеров и причальных понтонов и отвечает предъявляемым к ним эксплуатационным требованиям. Учитывая рассмотренные архитектурно-конструктивные особенности, было принято решение выполнять определение массы железобетонного корпуса с использованием формулы первой группы [5], основанное на предположении о том, что масса корпуса прямо пропорциональна кубическому модулю LBH:
Для нахождения зависимости измерителя массы корпуса Yk от элементов судна отдельно для причальных понтонов и дебаркадеров были построены кривые Yk = f (LBH) – рис. 2.1 и 2.2 и с использованием метода наименьших квадратов найдены их аппроксимационные уравнения.
Как видно из приведенных графиков, для железобетонных судов подтверждается известная зависимость уменьшения измерителя массы корпуса с увеличением размеров судна. Для причальных понтонов зависимость измерителя массы корпуса Yk от кубического модуля линейная. Для дебаркадеров же эта зависимость имеет характер степенной функции. Таким образом, измеритель массы корпуса хк предлагается определять по следующим статистическим формулам: - для рейдовых причальных понтонов к = -0,3 -10"4 LBH + 0,27; (32) - для дебаркадеров k = 0,6LBH 014. (33) В табл. 2.2 приведены результаты расчета массы корпуса по полученным формулам. В случае, если палуба судна рассчитана на восприятие значительных местных нагрузок, таких как нагрузка от колес транспортных средств, задействованных в обслуживании судов (например, суда пр. 157(2)), значения хк, рассчитанные по формулам (32) и (33), следует увеличить на 15 % [65].
Численный эксперимент по моделированию железобетонного корпуса с различными системами набора
Во время испытаний опытные образцы плит свободно опирались на две ножевые опоры, конструктивно выполненные в виде стальных уголков, забетонированных в теле плиты и опирающихся своей вершиной на горизонтальные полки швеллеров. Одна из опорных полок швеллера (левая, см. рис. 4.1) была неподвижно закреплена на опорном столе, другая имела возможность перемещаться в горизонтальном направлении, тем самым, исключая продольное усилие растяжения-сжатия в опытном образце. Нагружение осуществлялось путем укладки груза в специальные корзины, подвешенные к концам силовых рычагов, которые закреплялись к плите в виде консолей. Данная схема испытаний позволила создать условия чистого изгиба с постоянным по величине на участке между опорами плиты изгибающим моментом. Для замера деформаций бетонной поверхности и арматуры на них, в специально подготовленных местах, были наклеены тензодатчики и механические компараторы с индикаторами часового типа.
В процессе испытания плиты, нагружение проводилось в четыре этапа: 1-ое нагружение – пробное, в один шаг нагружения, для проверки работы регистрирующей аппаратуры и "тренировки" тензорезисторов; 2-ое и 3-е нагружения – основные, производились одинаковыми пошаговыми нагружениями, величина которых находилась в диапазоне от 10% до 70% от расчётной разрушающей нагрузки; 4-ое нагружение – окончательное, производилось теми же ступенями, до разрушения опытного образца. При нагрузках свыше 80% от разрушающей, замеры величин, требующие нахождения людей непосредственно вблизи с конструкцией, не производились из соображений безопасности.
После каждой ступени нагружения производилась выдержка в течении 5-7 минут для стабилизации напряжённого состояния образца под нагрузкой. После выдержки нагрузки снимались показания механических приборов, "опрашивались" тензорезисторы, фиксировалась картина трещинообразования, и производились замеры раскрытия трещин. Замеры раскрытия трещин осуществлялись при помощи микроскопа для нескольких точек первых визуально проявившихся трещин, неизменных для каждого нагружения. Значение раскрытия трещин заносилось в протокол после осреднения. Шаг трещин измерялся с помощью линейки с ценой деления 1 мм, определялся по нескольким точкам и фиксировался по фотографиям. Характер образования трещин оценивался визуально.
В процессе проведения испытаний фиксировались следующие параметры: – момент трещинообразования (момент при котором происходит образование первых трещин в растянутой зоне бетона – Мтр); – момент от внешней нагрузки, соответствующий достижению ширины раскрытия трещин величиной 0,1 мм – М01; – ширина раскрытия трещин при одинаковом внешнем изгибающем моменте, равном М=5 кНм – В5.
Момент трещинообразования определялся по показаниям механических компараторов как значение изгибающего момента в точке характерного излома диаграммы «изгибающий момент-деформация» при втором нагружении. Графическое определение момента трещинообразования на примере плиты
В ходе испытаний выявилось, что процесс появления и развития трещин происходит не мгновенно, а в некотором диапазоне приложения нагрузки. На рисунке 2 можно проследить характерные состояния развития трещин: – точка 1 на диаграмме характеризует начало появления трещин. Следует отметить, что при данном состоянии видимых невооруженным глазом трещин еще не обнаруживается, происходит зарождение микротрещин; – точка 2 характеризует конечную стадию появления трещин, после которой фибра в процессе трещинообразования не участвует. Выше этой точки изгибающий момент практически полностью воспринимается только арматурой.
Поскольку замеры деформаций по компараторам производились дискретными шагами по нагрузке, однозначно зафиксировать данные стадии проблематично. В качестве оценки момента трещинообразования условно принималось значение изгибающего момента в точке пересечения касательных к участкам диаграммы до характерного излома и после него (рис. 4.2, узел А). Так как данные моменты по показаниям разных компараторов могут отличаться, величина Мтр определялась осреднением по всем компараторам. Моменты, соответствующие величине раскрытия трещин 0,1 мм – М01, находились по второму нагружению. Для определения величины раскрытия трещины В5 при одинаковом для всех плит изгибающем моменте производилась линейная аппроксимация диаграмм зависимостей величины раскрытия от момента по всем случаям нагрузки, начиная с максимального момента при втором нагружении. Далее, по полученному уравнению находилось искомое значение. Графики зависимостей критериев трещиностойкости от вида фибры и объемного коэффициента дисперсного армирования (у) представлены на рис. 4.3 - 4.5.
Исследование истираемости фибробетона
Применение фибрового армирования при строительстве корпусов железобетонных судов влечет за собой увеличение строительной стоимости, связанное со значительной стоимостью самой фибры и дополнительными трудозатратами при введении ее в бетонную смесь. Исходя из этого, становится актуальным вопрос обоснования целесообразности применения фибрового армирования в железобетонных конструкциях речных плавучих сооружений. Провести данное обоснование возможно с использованием математической модели, описывающей основные параметры конструкции корпуса и технологические аспекты его изготовления.
С этой целью была разработана дополнительная версия программы для ЭВМ DockCostCalculation [62], которая позволяла на основе исходных данных, моделировать основные элементы конструкции корпуса из судостроительного фибробетона и учитывать технологические особенности его строительства на предполагаемом заводе-строителе [15]. Для решения поставленной задачи в данной программе реализован алгоритм проектирования конструкции и расчета строительной стоимости корпуса из фибробетона, а также расчета экономической эффективности использования фибробетона в качестве корпусного материала при заданном сроке его эксплуатации. На рис. 4.21 представлено окно исходных данных, которые характеризуют структуру решаемой задачи.
Проектирование элементов конструкции корпуса и проверка несущей способности производилась так же как и для корпуса из обычного железобетона. Основное отличие заключалось в методике проверки ширины раскрытия трещин спроектированной фибробетонной конструкции, выполняемой по уточненным формулам, полученным в работе [17]. При расчете строительной стоимости корпуса из фибробетона, учитывались затраты на закупку фибры в количестве, соответствующем ее процентному содержанию в бетоне-матрице и дополнительные трудозатраты при введении ее в саму смесь. Укрупненная блок-схема алгоритма проектирования и определения экономической эффективности эксплуатации корпуса из фибробетона представлена на рис. 4.22.
Полученные значения строительной стоимости корпуса из традиционного железобетона и фибробетона в последующем использовались для расчета величины экономического эффекта от применения фибробетона в качестве материала корпусных конструкций. Условный экономический эффект рассчитывался как разность затрат на строительство корпуса из фибробетона и железобетона, и затрат на их ремонт в процессе эксплуатации при одинаковом сроке службы обоих вариантов, то есть:
В качестве системы набора корпуса во всех случаях использовалась комбинированная система набора [15], при которой применение фибробетона при постройке наиболее целесообразно по причине большого процентного содержания бетона в поперечном сечении основных несущих конструктивных элементах корпуса при его относительно низкой строительной стоимости.
Величину отчислений на ремонт железобетонного и фибробетонного корпуса в данном случае можно принять равными 2,5% и 2% соответственно. Величину межремонтного периода железобетонного и фибробетонного корпуса, в соответствии с результатами экспериментальных исследований истираемости фибробетона, можно принять 8 и 10 лет соответственно.
Из представленного на рис. 4.23 графика следует, что наибольшее увеличение строительной стоимости при использовании фибробетона имеют корпуса с поперечной системой набора, что объясняется меньшим процентом армирования сечения основных элементов и большей долей бетона, участвующего в их работе под нагрузкой. Большая доля бетона в сечении влечет за собой увеличение количества вводимой в бетонную смесь фибры, необходимого для достижения заданного процента объемного армирования. В этом случае, увеличение строительной стоимости достигает не более 9%. Наименьшее же удорожание при использовании фибры свойственно корпусу с продольной системой набора, имеющей минимальную толщину плит наружной обшивки и значительные диаметры рабочей арматуры продольных балок, воспринимающих общий изгибающий момент всего корпуса. Соответственно, с ростом длины корпуса, независимо от применения той или иной системы набора, доля бетона в поперченном сечении основных конструктивных элементов уменьшается, в след за увеличением действующих общих изгибающих моментов, что влечет за собой некоторое снижение удорожания корпуса при добавлении фибры. Наибольшее удорожание стоимости корпуса при использовании фибры наблюдается у корпусов судов длиной около 40 – 50 метров, что объясняется большей долей бетона в сечениях конструктивных элементов, играющего большую роль при восприятии изгибающих момент, вызванных местной нагрузкой. При этом данные конструктивные элементы корпуса не подвержены воздействию значительных по величине общих изгибающих моментов. Зависимость соотношения уровня рентабельности от продолжительности эксплуатации корпусов трех различных типоразмеров и имеющих
Приведенные на рис. 4.24 зависимости, справедливы и для фибробетонных корпусов с иными системами набора (продольной, поперечной, безнаборной и др.). Исходя из представленных на рис.4.24 зависимостей, можно сделать вывод о том, что с увеличением размера, а, следовательно, и строительной стоимости корпуса из фибробетона, растет уровень его рентабельности. При этом положительное значение уровня рентабельности достигается после 40 – 50 лет эксплуатации корпуса. В тоже время, применение фибробетона, обладающего более высокими показателями трещиностойкости и истираемости, в качестве материала корпуса речных судов, при эксплуатации которых эти показатели не являются определяющими, приводит к увеличению строительной стоимости и является экономически нецелесообразным при небольших размерах корпуса и сроке его эксплуатации.