УДК 629.12.011.25

На правах рукописи

ВОЛКОВ Иван Владимирович

ОПТИМИЗАЦИЯ КОНСТРУКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОРПУСОВ СУДОВ ВНУТРЕННЕГО

ПЛАВАНИЯ

Специальность 05.08.03 – Проектирование и конструкция судов

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Нижний Новгород 2010

Работа выполнена в Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Волжская государственная академия водного транспорта»

Научный руководитель – кандидат технических наук, доцент С.Н. Гирин

Официальные оппоненты: доктор технических наук О.Е. Литонов кандидат технических наук, доцент В.П. Лобастов

Ведущая организация: ОАО ЦКБ «Монолит»

Защита диссертации состоится 2 декабря 2010 года в 15 часов на заседании диссертационного совета Д 223.001.02 при ФГОУ ВПО ВГАВТ по адресу: 603950, г. Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5а, аудитория 281.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО ВГАВТ.

Автореферат разослан «2» ноября 2010 года.

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

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Опыт массовой постройки и эксплуатации железобетонных судов позволил владельцам оценить такие их качества, как долговечность, надежность и эксплуатационную эффективность, благоприятные условия отстоя пришвартованных и обслуживаемых судов; судостроителям – технологичность, низкую металломкость, невысокую стоимость, простоту постройки и нетребовательность к высокой оснащенности предприятий. Для большинства стоечных судов и плавсооружений масса корпуса не является основным показателем, поэтому повышенная масса корпуса в железобетонном исполнении, по сравнению со стальным, не умаляет вышеперечисленных достоинств.

После 30–50 лет эксплуатации корпуса железобетонных судов, при надлежащем выполнении правил и норм при их строительстве и в процессе эксплуатации, находятся в хорошем состоянии. Наглядным примером качества и долговечности судов, построенных из железобетона, являются монолитные доки грузоподъемностью 4000 т и 6000 т. Обследования технического состояния железобетонных конструкций плавдоков, эксплуатирующихся на Канонерском судостроительном заводе в Санкт-Петербурге, выполненные специалистами ОАО ЦКБ «Монолит» в 2000 году, показали, что за более чем 60-ти летний период интенсивной эксплуатации при отсутствии комплексного капитального ремонта корпуса доков находятся в рабочем состоянии.

В настоящее время широкое распространение получило направление переоборудования и модернизации находящихся в длительной эксплуатации плавучих сооружений на железобетонном корпусе. При этом перепланировка и отделка современными материалами или полная замена, по желанию заказчика, осуществляется только для верхнего строения. Железобетонный корпус, как правило, не требует ремонта. Таким образом, при сравнительно небольших затратах на модернизацию можно за короткий срок получить современный плавучий офис, гостиницу, ресторан и т.д.

Однако количество старых железобетонных корпусов ограничено, поэтому актуальной становится потребность в строительстве новых корпусов, требующих при проектировании учета потребности рынка и современной экономической ситуации.

Теоретической основой исследований в области проектирования и оптимизации металлических судов являются работы В.В. Ашика, А.В. Броникова, В.Н. Пашина. Вопросы проектирования корпусов судов из железобетона развиты в работах И.Н. Сиверцева, Н.М. Егорова, Г.М. Синцова, К.К. Амельяновича, В.Б. Протопопова и др. Вместе с тем ранее в работах по проектированию конструкций железобетонных судов вопросам оптимизации уделялось недостаточное внимание из-за сравнительно небольших затрат на проектирование и строительство корпусов.

В настоящее время в условиях рыночной экономики величины затрат, определяющие стоимость корпуса, такие как стоимость материалов и единицы рабочего времени, меняются в широких пределах, и нахождение конструктивных параметров корпуса, таких как толщины плит, высоты ребер, шпацию, при которых его стоимость была бы наименьшей, т.е. решение задачи оптимизации, является весьма актуальной.

Объектом исследования является конструкция железобетонного корпуса судна стоечного типа.

Предметом исследования являются методы оптимизации конструктивных элементов железобетонного корпуса.

Цель работы заключается в разработке методики определения конструктивных параметров элементов корпуса, имеющего наименьшую строительную себестоимость.

Для достижения указанной цели в работе решались следующие задачи:

1. Выбор критерия оптимизации железобетонного корпуса.

2. Обоснование метода расчета прочности железобетонных судовых конструкций на основе анализа существующих методов и выполнение экспериментальной проверки сделанного выбора.

3. Выявление закономерности влияния параметров отдельных связей корпуса на стоимость и массу их материалов.

4. Получение зависимостей, позволяющих определять характеристики армирования связей при известной их геометрии.

5. Разработка математической модели проектирования элементов корпуса судна и целевой функции себестоимости, учитывающей материальные и трудозатраты.

6. Анализ эффективности предложенных решений на примере конкретного проекта.

Методы исследования: теоретические с использованием зависимостей строительной механики корабля и теории упругости; экспериментальные с использованием методов тензометрирования; численные с использованием современных программных комплексов, реализующих метод конечного элемента: «ANSYS», «Лира»; математического программирования с использованием современных оболочек «EXEL», «MATLAB».

Научная новизна заключается:

– в разработке методики проектирования элементов железобетонного корпуса, оптимального с точки зрения строительной себестоимости, и реализации е с помощью ряда программ для ЭВМ;

– в разработке алгоритма определения оптимальных параметров изгибаемого элемента прямоугольного сечения и реализации его в программе для ЭВМ;

– в выводе зависимостей для минимального армирования железобетонных элементов балок-полосок плит и ребер при воздействии на них изгиба, внецентренного растяжения и среза по условиям прочности и трещиностойкости;

– в уточнении расчетных формул, приводимых Российским Речным Регистром для определения разрушающего усилия внецентренно растянутых элементов;

– в экспериментальном и теоретическом исследовании работы жесткозаделанных тонких железобетонных плит, загруженных равномернораспределенной нагрузкой, и моделирующих работу плит наружной обшивки.

Практическая ценность:

– Предложен и реализован в ряде программ для ЭВМ алгоритм, позволяющий определять основные параметры элементов корпуса железобетонного судна с наименьшей строительной себестоимостью.

– Даны предложения по уточнению и корректировке Правил Российского Речного Регистра.

Внедрение результатов. Предложенная методика использована в ЦКБ «Монолит» при выполнении работ по модернизации проекта 123/823. Показано, что применение методики позволяет снизить себестоимость постройки корпуса на 10,6%.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались на Всероссийской научно-технической конференции «Современные технологии в кораблестроительном и энергетическом образовании, науке и производстве» (Н. Новгород, 2006 г.); Всероссийской молодежной научно-технической конференции «Новые технологии водного транспорта»

(Н. Новгород, 2007 г.); 8-ой международной конференции RAO/CIS OFFSHORE 2007 (C-Петербург, 2007 г.); на 9-ой международной конференции RAO/CIS OFFSHORE 2009 (C-Петербург, 2009 г.); Научно-технической конференции по строительной механике корабля, посвященной памяти профессора П.Ф. Папковича (С. Петербург, 2009 г.); Международном научно-промышленном форуме «Великие Реки» (Н. Новгород, 2010 г.), Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в шести печатных работах, две из которых в изданиях, рекомендуемых ВАК.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и пяти приложений. Основной текст диссертации изложен на 199 с. машинописного текста, содержит 55 рисунка и 9 таблиц. Список библиографических источников включает наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

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

В первой главе работы рассматривается специфика железобетонного судостроения, которая, с одной стороны, обусловлена природой железобетона как композитного материала, формируемого одновременно с изготовлением конструкции, а с другой стороны – номенклатурой судов и плавсредств, целесообразных и экономически выгодных в железобетонном исполнении. Приводится краткий ретроспективный обзор основных этапов развития отрасли, научных и опытно-конструкторских работ, выполненных на различных этапах.

Проводится обзор традиционно сложившихся подходов к проектированию конструкции железобетонных корпусов; обосновывается и выбирается критерий оптимизации – минимум строительной себестоимости корпуса. Показано, что применяемые ранее подходы к проектированию судовых корпусов не учитывали стоимости строительства корпуса или учитывали е косвенно. Для стоечных судов и судов технического флота ранее принятые критерии оптимальности при проектировании, сводящиеся к минимизации массы корпуса, теряют актуальность. Так как увеличение массы корпуса стоечного судна не приводит к значительным эксплуатационным издержкам, то его строительная стоимость выступает на первый план при определении критерия оптимальности.

Здесь же, в третьем параграфе главы, приводится анализ составляющих себестоимости постройки корпуса, ориентированный на производственные показатели Городецкой судоверфи (СудоремонтноСудостроительной Корпорации), проведенный с целью определения основных укрупненных закономерностей и факторов, определяющих производственную себестоимость корпуса.

Величина себестоимости железобетонного корпуса представляется как функция двух переменных стоимости сырья Рс (тыс.руб.) и основной заработной платы производственных рабочих Розр (тыс.руб.) в виде:

На конкретных проектах показывается соотношение основных компонентов в составе полной себестоимости и между собой (таблица 1).

Трудоемкость, стоимость материалов и одного чел.часа при определении величины Розп принимаются по данным Городецкой судоверфи за 2007 год.

Т а б л и ц а 1 – Оценка стоимости корпусов Размерения LхBхH, м 65х14х3,6 65х14х3,2 45х12х3,0 35х9,6х2,8 20х7,0х2, Стоимость материалов на корпус без учета металла, млн.руб Стоимость металла, млн.руб 1,55 12,7% 1,32 11,3% 0,77 11,8% 0,59 16,7% 0,15 6,1% Сумма стоимости материалов Рс, млн.руб Составляющая себестоимости зависящая от стоимости сырья 1,15Рс, 3,00 24,5% 2,66 22,7% 1,54 23,8% 1,08 30,7% 0,33 13,2% млн.руб Трудоемкость изготовления корпуса, тыс.чел.ч Основная зарплата производственных рабочих Розп, млн.руб Составляющая себестоимости зависящая от зарплаты производствен- 9,22 75,5% 9,04 77,3% 4,96 76,2% 2,45 69,3% 2,18 86,8% ных рабочих 8,91 Розп, млн.руб Полная себестоимость, млн.руб 12,22 100% 11,71 100% 6,50 100% 3,53 100% 2,51 100% Выявлено, что сумма статей затрат, связанных с основной заработной платой рабочих, которая в свою очередь определяется трудоемкостью, и сумма затрат, связанных со стоимостью материалов, идущих на строительство, составляют примерное соотношение 3:1 в составе строительной себестоимости. Отсюда делается вывод о том, что повышение технологичности корпусных конструкций в большей мере способствует снижению себестоимости чем экономия материалов и сырья. Таким образом, аспекты материалоемкости и трудоемкости при проектировании корпусов необходимо рассматривать параллельно, отдавая предпочтение технологичности и принимая за критерий оптимальности конструкции минимум е строительной себестоимости.

Вторая глава. При разработке оптимизируемой модели корпуса необходимыми являются зависимости, определяющие связи между е параметрами. Из всех зависимостей, прежде всего, следует отметить условия прочности элементов корпуса. Расчетные положения по прочности судов внутреннего плавания определяются действующими Правилами Российского Речного Регистра и принимаются в качестве основных при разработке математической модели корпуса, однако некоторые из них нуждаются в корректировке.

В частности, пункты, касающиеся определения действующих расчетных усилий, предполагающие работу железобетонных элементов как упругих изотропных тел. Бетон по своей природе упруго-пластичен, и характеристики прочности бетона при сжатии на порядок превышают аналогичные характеристики при его растяжении. В связи с этим, железобетонные элементы на практике зачастую работают с трещинами, что учитывается Правилами Регистра и нормируется их раскрытие, однако появление трещин не учитывается при определении расчетных усилий. Например, при расчете балки-полоски железобетонной плиты в соответствии с рекомендациями Регистра вычисляются изгибающие моменты в опасных сечениях по правилам строительной механики, считая е упругой и изотропной. В действительности же картина работы балки иная. При определенной нагрузке на балку в опорном е сечении, где действует наибольший момент, произойдет появление первых трещин в растянутой зоне, в связи с этим жесткость сечения может быть существенно снижена.

Это, в свою очередь, с учетом статической неопределенности, приведет к существенному перераспределению изгибающих моментов.

Для оценки степени значимости данного недостатка расчетных положений Правил Регистра, а также поиска более совершенных методов оценки прочности выполнен сравнительный анализ существующих методов расчета железобетонных элементов, применяемых как в судостроении, так и в гражданском строительстве. Основную долю массы железобетонного корпуса составляют плиты (наружная обшивка, переборки, настилы и т.д.), поэтому в качестве примера рассмотрена плита наружной обшивки железобетонного корпуса размерами в плане 2,0х1,4 м и толщиной 50 мм. Условия опирания плиты соответствуют жесткому защемлению е по контуру, нагрузка принимается равномерно распределенной.

Сравнительный анализ методик оценки прочности данной плиты приводится в первом параграфе второй главы. В анализе по разным расчетным методам определяется напряженное состояние опорных и пролетных сечений плиты по двум направлениям вдоль сторон опорного контура. Расчет плиты производится в два этапа. На первом этапе определяются изгибающие моменты в указанных сечениях, показанные на схеме (рисунок 1).

Расчет изгибающих моментов выполнен:

по Правилам Российского Речного Регистра, как для тонких, изотропных, упругих пластин;

по данным таблиц А. С. Калманока;

с использованием программного комплекса «Лира», в котором учитывается физическая нелинейность бетона и перераспределение моментов в процессе нагружения плиты.

Рисунок 1 – Расчетная На втором этапе расчета производится оценка деформативности, трешиностойкости и прочности сечений плит по найденным на первом этапе изгибающим моментам.

Оценка производится по следующим методам:

по допускаемым напряжениям или методом «упругого бетона», который в настоящее время почти не применяется в расчетах местной прочности, однако одобрен Речным Регистром при расчетах общей прочности корпусов;

по состоянию разрушения, принятому Речным Регистром за основной;

по теории Мурашева;

по нелинейной деформационной модели, принятой СНиП 52-01и СП 52-101-2003.

Помимо определения напряженного состояния оценивалась несущая способность и деформативность плиты по методу предельного равновесия. Также проводилось моделирование работы плит методом конечных элементов (МКЭ) с применением объемных элементов в программных комплексах (ПК), позволяющих учитывать физическую нелинейность бетона и процесса трещинообразования (ПК «Лира» и «ANSYS»).

Выявились существенные различия (до 50%) как в величинах изгибающих моментов, так и в значениях напряжений, определенных по разным методам. Для оценки правдоподобия рассмотренных методов и выбора из них наиболее близкого к реальной картине работы железобетонной плиты выполнено экспериментальное исследование поперечного изгиба жестко защемленных железобетонных плит.

Описание проведения эксперимента и анализа полученных результатов приводится во втором параграфе второй главы. Опытные образцы конструкции плит выполнялись двух типоразмеров: 2,0 2,0 м и 2,0 1,4 м.

В зависимости от размеров плиты имеют различные толщины и армирование. Каждая плита выполнялась в трех экземплярах. Исследуемые плиты имели маркировку и характеристики, приведенные в таблице 2.

Т а б л и ц а 2 – Характеристики плит Рабочая арматура (количество на верхняя 10АIII6 10АIII Распределительная арматура (ко- верхняя 10АIII6 10АIII Положение арматуры в плитах (верхняя и нижняя) видно на схеме нагружения (см. рисунок 2). Жесткая заделка обеспечивалась за счет конструктивного защемления кромок плиты и надежной анкеровки выпусков арматуры в массивном контуре, выполненном в виде рамки сечением 300500мм, расположенной по периметру образца. Создание равномерно распределенной нагрузки моделировалось за счет загружения всей площади плиты шестнадцатью сосредоточенными силами, передаваемыми через систему рычагов от домкратов.

В процессе проведения испытаний решались задачи по установлению причин разрушения опытных конструкций, а также по определению следующих величин:

нагрузки, вызывающей возникновение первых трещин;

нагрузки, при которой ширина раскрытия трещин достигает величины 0,1мм;

напряжений в арматуре и бетоне в зависимости от изменения внешней нагрузки;

раскрытия трещин в зависимости от изменения внешней нагрузки, а также построение картины характера их образования;

прогибов в зависимости от изменения внешней нагрузки;

разрушающей нагрузки.

Для замера деформаций в арматуре использовались тензорезисторы с базой 10 мм. Они устанавливались на арматуру до бетонирования методом наклейки на цианоакрилат на заранее зачищенную и выровненную от поперечных выступов поверхность. Для замера деформаций в бетоне сжатой зоны использовались тензорезисторы с базой 20 мм. Величины внешней нагрузки измерялись динамометрами, подведенными к домкратам.

Ширина раскрытия трещин определялась с помощью микроскопа с микрометрической насадкой. Усредненные величины деформаций сжатой и растянутой поверхностей пролетных сечений плит двух направлений замерялись компараторами базой 400 мм. Величины прогибов измерялись индикаторами часового типа в пяти точках (в центре и четвертях пролетов плит) Кроме этого, для наглядности соответствия выбранных условий опирания жесткому защемлению, замерялись углы поворота опорных сечений плиты с помощью угломеров.

Опытные конструкции были изготовлены путем формовки их как монолитной конструкции в опалубке. Все плиты изготавливались в условиях лаборатории ЦКБ «Монолит», процесс изготовления отражен на рисунке 3.

При бетонировании опытных образцов из партии используемого бетона были изготовлены стандартные контрольные образцы: кубы10 10 10 см – 6 штук и призмы 10 10 40 см – 3 штуки на каждый образец. Контрольные образцы испытывались на прочность при сжатии, осевом растяжении при раскалывании и растяжении при изгибе во время эксперимента над плитами. Прочностные характеристики арматуры были получены экспериментально путем испытания на разрыв.

Испытания проводились в эллинге ресурсных и статических испытаний (ЭРСИ) Центрального Научно-Исследовательского Института им.

акад. А.Н. Крылова, по результатам испытаний составлен «протокол № ЭР-314-33 от 05.02.2010 испытаний опытных тонкостенных высокоармированных плит из железобетона (конструкции ЭР-ЭП-314-33)».

Плиты нагружались четырежды до различных уровней нагрузки, нагрузка и разгрузка каждого нагружения производилась ступенями. В процессе первых трех нагружений на каждой ступени нагрузки сним ались показания механических приборов и опрашивались показания тензорезисторов. Для последнего нагружения, производимого до разрушения, опрос механических приборов, требующий непосредственной близости с испытуемой конструкцией, производился при нагрузках, не превышающих 60% от разрушающей из соображений безопасности. Процесс снятия показаний приборов и осмотра испытуемой плиты отображен на рисунке 4.

Величины, замеренные механическими приборами, а также деформации, полученные по результатам тензометрирования конструкции, с целью последующего сравнения с расчетными их значениями усреднялись по группам аналогично работающих и расположенных датчиков и приборов для всех плит серий. Из всех тензодатчиков одной плиты выделялись двенадцать групп, в пределах которых показания усреднялись. Тензодатчики, характер работы которых существенно отличался от характера работы остальных из группы, и это отличие не поддавалось объяснению, исключались из рассмотрения. Тензометрирование конструкции показало, что во всех группах датчиков имеется существенный разброс показаний по длине участка, что объясняется появлением трещин, а также изменением изгибающего момента вдоль цепочек датчиков (особенно ярко это выражено для опорных участков плит).

Оценка соответствия теоретических данных экспериментальным производилась путем сопоставления следующих величин, полученных в ходе эксперимента и вычисленных по различным теориям: наибольших и средних напряжений в растянутой и сжатой арматурах, а также в сжатой зоне бетона; расстояние между трещинами в растянутой поверхности бетона и их раскрытие; наибольший прогиб в центре плиты.

Проведенное сопоставление расчетных и экспериментальных данных позволило сделать следующие выводы:

1. Картина распределения напряжений, полученных пересчетом результатов тензометрирования, оказалась наиболее близкой к распределению расчетных напряжений, определенных по комбинации методов определения изгибающих моментов по ПК «Лира» с оболочечным элементом, учитывающим физическую нелинейность, и нахождением напряжений по нелинейной деформационной модели (НДМ) без учета растянутого бетона по трещине.

2. Значения расчетных напряжений, полученные с использованием модели упругой, изотропной плиты, имеют значительные отклонения от экспериментальных в безопасную сторону.

3. Расчетные напряжения, полученные методом конечных элементов с использованием объемных конечно-элементных моделей, имеют заниженные величины напряжений и прогибов в сравнении с экспериментальными значениями, что говорит о погрешностях методов в опасную сторону, причем для ПК «Лира» это проявляется в большей степени, нежели для «ANSYS».

4. Наилучшее совпадение экспериментального значения прогиба в центре плиты получено с вычисленным по формуле СП 52-101-03 (далее просто СП) для изгибаемых элементов при рассмотрении пролета плиты вдоль распределительной арматуры (вдоль длинного пролета плиты) и определением радиусов кривизны по НДМ.

5. Замеренные величины раскрытия трещин наилучшим образом согласуются с вычисленными по Правилам Речного Регистра, при использовании моментов, определенных в ПК «Лира» с применением оболочечного элемента и учетом физической нелинейности. Расчеты по положениям СП (по НДМ) так же показали близкие значения раскрытия, однако вычисленные расстояния между трещинами значительно превышают опытные.

6. При расчетах сечений по НДМ прослеживается тенденция к занижению расчетных средних напряжений в сжатом бетоне и завышению средних напряжений в растянутой арматуре, из чего следует, что используемое СП выражение для коэффициента учета работы растянутого бетона между трещинами для тонких судостроительных плит требует уточнения.

7. При назначении параметров изгибаемых железобетонных сечений (на начальных стадиях проектирования) отсутствует возможность учета перераспределения жесткости и физической нелинейности, поэтому внутренние усилия можно определять по Правилам Речного Регистра как для упругих систем.

Третья глава. Проектирование конструкции корпуса судна при его известной компоновочной схеме обычно сводится к проектированию составляющих его связей. В свою очередь проектирование каждой связи в отдельности сводится к назначению таких е параметров, как геометрические размеры, прочностные характеристики составляющих материалов, параметры армирования различных сечений. Данные параметры элементов корпуса взаимосвязаны и эта взаимосвязь в наибольшей степени определяется условиями прочности, трещиностойкости и другими конструктивными и расчетными требованиями различных нормативных документов. Подбирая различные соотношения параметров элементов, составляющих корпус, можно по-разному определять их характеристики и качество при обеспечении соответствующих условий. Так, например, рассматривая изгибаемую балку можно при известной площади поперечного сечения растянутой арматуры определить необходимое плечо е работы, то есть высоту и ширину балки. Или же, наоборот, зная е геометрию, подобрать необходимую площадь армирования.

Для определения влияния различных соотношений параметров элемента на стоимость материалов, идущих на его изготовление, как составляющую себестоимости всего корпуса и влияния на массу элемента, как важнейшую из характеристик конструкции, определяющую в значительной мере водоизмещение всего судна, решалась задача оптимизации железобетонного изгибаемого элемента. Решение данной задачи излагается в первом параграфе третьей главы.

Рассматриваемый элемент имеет прямоугольное сечение, армированное двумя слоями арматуры, разнесенными по высоте, и загружен двумя изгибающими моментами различного направления. Такой элемент моделирует работу балки-полоски плиты корпуса судна, подверженной чистому изгибу. Задача оптимизации решается методом перебора исходя из реально существующих марок стали, бетона и значений диаметров проката арматурной стали, подбирается минимально необходимая высота сечения по условиям прочности от воздействия двух моментов. Для каждой комбинации параметров элемента определяется его масса и стоимость, отбираются комбинации с наилучшими показателями, а также ряд промежуточных комбинаций, которые могут представлять интерес для проектировщика. По данным величинам проектировщик может оценить качество подобранного элемента.

Во втором параграфе третьей главы приводится вывод зависимостей, определяющих минимальную площадь армирования призматических элементов плит и ребер при их известных геометрических и прочностных характеристиках, основанный на требованиях Правил Российского Речного Регистра по прочности и раскрытию трещин.

Рассмотрены балочные элементы ребер и балок-полосок плит корпуса. Для учета неравномерности распределения усилий по длине балка разбивается на несколько участков, в пределах которых она считается призматической. Параметры сечения каждого участка подбираются по условиям прочности, раскрытия трещин и прочих требований Регистра или другой нормативной документации.

В качестве внешнего воздействия на элемент балки-полоски принималось три вида усилия:

– Основной изгибающий момент от воздействия гидростатического давления забортной воды или другого воздействия с наружной стороны обшивки M осн.

– Второстепенный изгибающий момент от воздействия нагрузок изнутри корпуса на плиты перекрытия, под которыми чаще всего понимается гидростатическое давление воды, налитой в корпус при испытаниях на водонепроницаемость M вт.

– Осевое усилие на плиту от воздействия общего изгиба судна N.

Рассмотрены возможные сочетания основных усилий. Момент M осн может воздействовать на плиту совместно с осевым усилием N, приводя к внецентренному растяжению. Момент M вт обычно возникает отдельно от осевого усилия N. Таким образом, балка-полоска в общем случае может быть загружена одной из трех характерных схем нагружения: внецентренное растяжение, внецентренное сжатие и изгиб. На практике случай нагружения по схеме внецентренного сжатия не оказывается лимитирующим для сечения плит по прочности, поэтому данная схема не рассматривалась.

Выведены выражения, определяющие минимальное армирование элемента при действии как основного, так и второстепенного моментов.

Вывод основан на зависимостях Правил Регистра по определению разрушающего момента изгибаемого элемента.

Для случая внецентренного растяжения рассмотрены два расчетных варианта: с большим и малым эксцентриситетом; получены зависимости для определения минимальной площади растянутой арматуры. Схемы расчетных случаев приведены на рисунке 5.

Рисунок.5 – Расчетные схемы сечения элемента балки-полоски при внецентренном растяжении: а) с малым эксцентриситетом; б) с большим эксцентриситетом;

Выведенные зависимости для площади растянутой арматуры Fn, элемента балки-полоски плиты с характеристиками: ha 5 см, an 1 см, 0 M p 20 кН м, 0 N p 300 кН представлены графически на рисунке 6, из которого видно, что при смене расчетных схем происходит скачок величины Fn, которого физически быть не может.

Скачки в несущей способности сечения возникают вследствие того, что за центр изгиба сечения в случае большого эксцентриситета принимается геометрический центр тяжести всего сечения. Однако сечение работает не полной площадью. Работает лишь арматура и часть бетона в сжатой зоне. При выходе линии действия приведенного усилия за пределы арматуры в расчетных зависимостях происходит резкий скачок величины c (расстояние от центра изгиба до центра тяжести растянутой арматуры) Для устранения данного явления в случае большого эксцентриситета за точку приложения усилия принят центр тяжести приведенного сечения, в которое включены площади арматуры и площадь бетона величиной (где b – ширина балки-полоски). Расстояние от центра тяжести приведенного сечения до центра тяжести растянутой арматуры определялось по формуле В качестве условия смены расчетного случая с большого на малый эксцентриситет принято выполнение неравенства z 0. Предложенное изменение позволило избавиться от скачка в зависимости Fn от M p и N p. Полученная таким образом зависимость для того же элемента графически представлена на рисунке 7.

Рисунок 7 – Характер завиFn от M p и N p симости по предлагаемым зависимостям На рисунке 8 показана зависимость разрушающего усилия N p, определенного как функции от действующих усилий M и N, по предлагаемым зависимостям и установленным Регистром. Разрушающие усилие определены для элемента балки-полоски плиты с параметрами: ha 5 см, Площадь армирования для элемента ребра выведена из формул Регистра по аналогии с элементом балки-полоски. В качестве внешних нагрузок на элемент таврового ребра принимаются три вида действующих усилий:

– изгибающий момент от воздействия давления забортной воды M осн или другого воздействия с наружной стороны обшивки;

– изгибающий момент от воздействия нагрузок изнутри корпуса M вт на ребро, которым может являться вес какого-либо оборудования или давление воды в корпусе при испытаниях на не проницаемость;

– срезывающая сила Vср, которая принимается как наибольшее из двух сил Vосн и Vвт, от воздействий, описанных в двух предыдущих видах усилий.

Из требований Регистра к раскрытию трещин, как плит, так и ребер, выведены зависимости для определения максимально возможного диаметра применяемых стержней или величины добавочной площади растянутой арматуры.

По результатам проведенного в первой главе технико-экономического анализа выявилось существенное и определяющее влияние трудозатрат изготовления корпуса судна на его себестоимость, взятую в качестве критерия оптимальности конструкции. Это обстоятельство указывает на необходимость оптимизации конструкции корпуса по трудозатратам. Трудозатраты строительства корпуса в наибольшей степени определяются трудоемкостью изготовления. Таким образом, оптимизация конструкции по трудозатратам сводится к минимизации трудоемкости е изготовления.

Сама же трудоемкость зависит от параметров конструкции и условий производства, поэтому при выполнении расчетов оптимизации необходимо задаться конкретным проектом.

В качестве судна-представителя выбран ребристый корпус с поперечной системой набора и главными размерениями 65,0 14,0 3,2 м. (проект ЦКБ «Монолит» арх. №123/823). Нахождение трудоемкости изготовления корпуса-прототипа с целью е последующей минимизации по принятым в настоящее время при эскизном проектировании методикам расчета по укрупненным показателям представляется нецелесообразным. В этом случае минимизация трудоемкости свелась бы к минимизации массы корпуса. Хотя, зачастую, минимизация массы означает конструктивное усложнение корпуса, большое насыщение е металлом, в конечном счете, ведущее к увеличению трудозатрат и себестоимости корпуса. В этой связи целесообразно определять трудоемкость изготовления корпуса постатейно.

Определение трудоемкости изготовления постатейно и оптимизация трудозатрат описывается в третьем параграфе третьей главы работы. В таблице 3 приводятся результаты расчета и значения статей трудоемкости.

По результатам расчета делаются выводы о том, что действующие нормативы МЛТИ-120-2743-89 устарели и приводят к сильно заниженным значениям статей трудоемкости. Сводные данные по расчетной трудоемкости (четвертый столбец таблицы 3) показали, что е сумма меньше значений трудоемкости аналогичных корпусов, строившихся ранее, примерно в два раза. В этой связи отдельные статьи трудоемкости корректировались с целью приведения их к более реальным значениям. Корректировка производилась путем введения добавочных коэффициентов, полученных по результатам сопоставления значений трудоемкости, подсчитанной по нормативам и значениям нормировочной трудоемкости, выдаваемой рабочим на заводах по нарядам.

Для оптимизации трудозатрат из расчета трудоемкости были выделены виды работ, зависящие от конструктивных параметров корпуса (толщин плит, высот ребер, шпации и т.д.). Таким образом, трудозатраты связанные с величиной основной заработной платы производственных рабочих, были представлены в виде функции от параметров корпуса. Принимая данные параметры за переменные и находя их значения, при которых функция трудозатрат имеет минимум, находится оптимальная с точки зрения трудозатрат конструкция корпуса.

Т а б л и ц а 3 – Сводные данные по трудоемкости проекта 123/ заготовительные Сборочно-сварочные работы Формирование корпуса на стапеле В четвертой главе работы представлены рекомендации по использованию полученных решений при проектировании железобетонных корпусов судов.

В первом параграфе дано описание разработанной автором программы для ЭВМ реализующей алгоритм оптимизации параметров поперечного сечения железобетонного изгибаемого элемента, разработанный в третьей главе. В результате расчетов, выполненных по данной программе, выявились следующие тенденции:

– Отношение минимальной стоимости элемента к стоимости элемента с минимальной массой, так же как и отношение минимальной массы к массе элемента с минимальной стоимостью, колеблется в пределах от 0,5 до 0,7.

– В вариантах элементов с минимальной стоимостью преобладает бетон меньшей стоимости и прочности, в элементах же с минимальной массой, напротив, бетон более прочный и дорогой.

– Зависимость стоимости стали от е предела текучести не оказывает существенного влияния, как на массу, так и на стоимость железобетонных элементов. В связи с этим сделан вывод о целесообразности применения для рабочей арматуры стали с повышенным пределом текучести. Однако в этом случае необходимо уделять пристальное внимание обеспечению раскрытия трещин не более допускаемого.

Данные выводы о зависимостях стоимостей элементов и их масс позволили учесть их в дальнейшем, рассматривая корпус в целом, и упростить ход решения задачи оптимизации корпуса.

При оптимизации по стоимости различных связей в составе корпуса отдельно, по аналогии с оптимизацией балки-полоски плиты обшивки, произведенной в первом параграфе главы, отсутствует возможность учета влияния конструкции одних связей на конструкцию других. Так, при оптимальных параметрах каждой связи в отдельности, конструкция корпуса в целом может отличаться от оптимальной, даже если в качестве критерия принять лишь стоимость составляющих конструкцию материалов.

Конструкция корпуса имеет такие параметры, как шпация или расстояние между переборками, которые имеют влияние на расчетные схемы сразу нескольких связей, из чего следует, что назначать их необходимо, рассматривая характеристики не одной, а множества связей. Поэтому, при оптимизации корпуса необходимо рассматривать конструкцию целиком.

Во втором параграфе четвертой главы приводится описание математической модели корпуса ребристой конструкции с конструктивно технологической схемой корпуса-прототипа проекта №123/823. Математическая модель составлена на основе требований действующих Правил Российского Речного Регистра к прочности, раскрытию трещин и конструктивному исполнению связей с учетом принятых во втором параграфе поправок. Себестоимость корпуса рассматривается как функция от его геометрических параметров, учитывающая материалозатраты и трудозатраты.

Алгоритм вычисления себестоимости реализуется с помощью ряда написанных автором программ для ЭВМ, в которые задаются геометрические размеры связей корпуса, выполняется расчет их армирования по зависимостям, выведенным во втором параграфе главы, находится отдельно стоимость материалов, идущих на изготовление всего корпуса, трудоемкость, и рассчитывается себестоимость строительства. Решается задача оптимизации конструкции корпуса, сводящаяся к минимизации функции себестоимости. Минимальное значение функции и значения параметров конструкции корпуса находятся встроенными средствами программы Matlab. Показана возможность снижения себестоимости корпуса до 10,6%.

В третьем параграфе приводятся предложения по уточнению и корректировке Правил Речного Регистра.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

Основные результаты работы заключаются в следующем:

1. Предложена методика проектирования корпуса, имеющего минимальную себестоимость постройки, количественно учитывающая как материалозатраты, так и трудозатраты, а также требования Правил Речного Регистра. Методика реализована в виде программ для ЭВМ.

2. Разработан и реализован в программе для ЭВМ алгоритм определения оптимальных параметров прямоугольного сечения железобетонного изгибаемого элемента по критерию минимума стоимости материалов и минимума массы.

3. Показано, что в качестве критерия оптимизации железобетонного корпуса может быть принята строительная себестоимость. В ходе технико-экономических проработок выявлено, что затраты, связанные с основной заработной платой, которые определяются трудоемкостью, и затраты на материалы, идущие на строительство в составе полной себестоимости, соотносятся примерно как 3:1.

4. Предложены зависимости для включения в Правила Речного Регистра по определению разрушающего усилия внецентренно растянутых элементов, позволяющие исключить некоторые неточности, содержащиеся в Правилах.

5. На основании экспериментальных и теоретических исследований тонких жесткозаделанных железобетонных плит показана целесообразность учета физически нелинейных свойств и перераспределения усилий в расчетах прочности железобетонных элементов.

6. Получены зависимости для определения минимального армирования железобетонных элементов ребер, подверженных срезу и изгибу, и балок-полосок плит, подверженных изгибу и внецентренному растяжению, по условиям прочности и раскрытия трещин.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Волков И.В. К вопросу снижения затрат при изготовлении корпусов железобетонных судов с поперечной системой набора./ В сб. Труды ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова. Вып. 51(335). С-Петербург, 2010. – С. 153–164.

2. И.В. Волков. Определение параметров армирования железобетонных плит обшивки судового корпуса. / В сб. Труды ЦНИИ им. акад.

А.Н. Крылова. Вып. 55(339). С-Петербург, 2010. – С. 71- 1. Волков И.В. Новые тенденции в конструировании железобетонных корпусов./ Материалы Всероссийской научно-технической конференции "Современные технологии в кораблестроительном и энергетическом образовании, науке и производстве". НГТУ, Н.Новгород, 2006. – С. 446-449.

2. Волков И.В. Выбор критерия оптимизации железобетонных судовых корпусов./ Труды 9-й международной конференции и выставки по освоению ресурсов нефти и газа Российской Арктики и континентального шельфа стран СНГ (RAO/CIS Offshore 2009).С-Петербург – СПб.: ХИМИЗДАТ, 2009. - Т.2 - С. 224-227.

3. Волков И.В. Определение оптимальных характеристик поперечного сечения железобетонного изгибаемого элемента прямоугольной формы, армированного круглой арматурой. / Вестник ВГАВТ. – Вып.22 – Н. Новгород, 2007. – С. 21-29.

4. Волков И.В. К вопросу снижения затрат при изготовлении корпусов железобетонных судов с поперечной системой набора. Тезисы докладов конференции по строительной механике корабля, посвященной памяти профессора П.Ф. Папковича 26-27 ноября 2009 г.: С.Петербург, ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова. – С. 88-89.

Формат 6084 1/16. Гарнитура «Таймс».

Ризография. Усл. печ. л. 1,2. Уч.-изд. л. 1,3.

Издательско-полиграфический комплекс ФГОУ ВПО «ВГАВТ»

603950, Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5а