«Крепление груза при подготовке к плаванию в штормовых условиях»
Цель: Приобретение опыта расчета крепления палубного груза с учетом штормовых условий плавания в море.
Задачи: При выполнении лабораторной работы по данной теме производятся расчеты следующих разделов:
1. Определение сил, действующих на груз при бортовой и вертикальной качке.
2. Определение сил, действующих на груз при килевой и вертикальной качке.
3. Крепление груза:
3.1. Расчет усилий, возникающих в найтовах при бортовой качке;
3.2. Расчет усилий, возникающих в найтовах при килевой качке;
3.3. Расчет крепления грузов.
Условия расчета: На крышки грузовых трюмов судна смешанного плавания (СП) загружен контейнер (груз-тяжеловес), который крепиться найтовыми.
Схема размещения груза приведена на рис.10.1
Рис.11.1. Схема размещения груза
1 – найтовы; 2 – крышка грузового трюма; 3 – корпус судна;
4 – фальшборт; 5 – контейнер
1. Определение сил, действующих на груз при бортовой
и вертикальной качке
|
|
Схема сил, действующих на груз при бортовой и вертикальной качке представлена на рис. 10.2.
Рис.11.2. Схема действующих на груз сил при бортовой
и вертикальной качке
где – максимальная суммарная сила, действующая на груз в поперечном направлении, кН;
– максимальная поперечная составляющая сил инерции и тяжести, кН;
– поперечная составляющая динамического давления ветра, кН;
– поперечная составляющая гидродинамических ударов волн, кН;
– суммарная составляющая сил инерции и тяжести, действующая по оси при бортовой качке, кН.
При бортовой качке на груз действуют силы инерции и тяжести, максимальную суммарную поперечную составляющую которых по оси можно определить по выражению
, | (10.1) |
где , , – координаты ЦМ (центра масс) груза, относительно ЦМ судна, м;
– радиус перемещения орбиты ЦМ судна при вертикальной качке, м.
Определяется как: ;
– высота волны, м;
– масса груза, т;
– ускорение свободного падения, ;
– угол крена, рад и град.;
– период собственных поперечных колебаний судна (период бортовой качки), с.
Это усилие смещает груз и создает опрокидывающий момент.
Принимая и округляя значение вводных данных до десятых долей, получим расчетное выражение:
. | (10.2) |
1.2. Суммарная составляющая сил инерции и силы тяжести, действующая по оси , определяется по выражению
. | (10.3) |
Это усилие нагружает палубу и обеспечивает устойчивость груза.
Действуя таким же образом, как и в формуле (10.2) при , получим расчетное выражение:
. | (10.4) |
1.3. Динамическое давление ветра на палубный груз можно определить по формуле
|
|
, | (10.5) |
где – площадь парусности боковой поверхности груза, .
, |
где – длина груза, м;
– высота груза, м.
При получим расчетное выражение
. | (10.6) |
1.4. Усилие, вызванное гидродинамическими ударами воды при заливании груза, можно определить по формуле
, | (10.7) |
где – площадь заливания боковой поверхности груза, .
, |
где – высота заливания груза, м;
– гидродинамическое давление воды, (снимается с графика рис. 10.3 в зависимости от высоты заливания груза).
1.5. Сила, воздействующая на груз в поперечном направлении
, | (10.8) |
где – максимальная суммарная сила, действующая на груз в поперечном направлении, кН.
Примечание. Уменьшение силы за счет сил плавучести палубного груза здесь не учитывается так же, как и не учитывается ее увеличение за счет натяжения найтовых.
При определении площади поверхности груза, подверженного воздействию ветра, следует учитывать наличие несплошных поверхностей, а для цилиндрических поверхностей, расположенных перпендикулярно направлению ветра, необходимо вводить коэффициент обтекания, равный 0,6.
Рис. 10.3. График зависимости гидродинамического давления воды
от высоты заливания груза
Например: м; кН/м; м; кН/м
2. Определение сил, действующих на груз при килевой
и вертикальной качке
Схема сил, действующих на груз при килевой и вертикальной качке показана на рис.10.4.
Рис. 10.4. Схема действующих на груз при килевой
и вертикальной качке
где – максимальная продольная составляющая сил тяжести и инерции, кН;
– суммарная составляющая сил инерции и тяжести, действующая по оси при килевой качке, кН;
– продольная составляющая динамического давления ветра, кН;
– продольная составляющая гидродинамических ударов волн, кН;
– максимальная суммарная сила, действующая на груз в продольном направлении, кН.
2.1. Максимальную суммарную составляющую сил инерции и тяжести можно определить по выражению
, | (10.9) |
где – угол дифферента, рад и град.;
– период собственных продольных колебаний судна (период килевой качки), с.
Принимая, получим расчетное уравнение:
. | (10.10) |
2.2. Суммарная составляющая сил инерции и силы тяжести, действующая по оси , определяется по выражению
. | (10.11) |
Исходя из принятого , расчетное уравнение примет вид:
. | (10.12) |
2.3. Динамическое давление ветра на палубный груз можно определить по формуле
, | (10.13) |
где – площадь парусности лобовой поверхности груза, .
, |
где – ширина груза, м;
– высота груза, м.
2.4. Усилие, вызванное гидродинамическими ударами воды при заливании груза, определяется по формуле
, | (10.14) |
где – площадь заливания лобовой поверхности груза, .
, |
где – высота заливания палубного груза, м.
2.5. Сила, действующая на груз в продольном направлении
, | (10.15) |
где – максимальная суммарная сила, действующая на груз в продольном направлении, кН.
3. Крепление грузов
3.1. Расчет усилий, возникающих в найтовах при бортовой качке
Рис. 10.5. Схема опрокидывающих моментов
Произведем расчет усилия, возникающего в найтовах под действием опрокидывающих моментов, при этом составим уравнение моментов (см. рис.10.5):
. | |
, | (10.16) |
где – усилие в поперечных найтовах, возникающее от действия опрокидывающих моментов, кН;
– угол между поперечными найтовами и палубой, град.;
– ширина груза, м;
– высота груза, м;
– расстояние от палубы до точки крепления найтова, м;
– высота заливания груза, м.
Рис.6. Схема сдвигающих сил
Расчет усилия, возникающего от смещения груза, определяется из очевидного уравнения:
. | (10.17) |
При этом:
|
|
; | |
, |
где – коэффициент трения, ед.;
– сила реакции опоры, кН.
При расчете усилия в поперечных найтовах, возникающее от сил смещения груза, силу трения не учитываем, так как груз установлен на верхней палубе, а коэффициент трения принимается равным нулю, кН.
Тогдаиз уравнения (10.17) получаем выражение
, | (10.18) |
3.2. Расчет усилий, возникающих в найтовах при килевой качке
При килевой качке опрокидывание тяжеловесу не угрожает, поэтому он остается в равновесии, если:
(10.19) |
с учетом того, что и .
Здесь – угол между продольными найтовами и палубой, град., получим расчетное значение
, | (10.20) |
где – усилие в продольных найтовах, возникающее от действия сил, смещающих груз, кН.
3.3. Расчет крепления грузов
3.3.1. Расчет разрывного усилия и количества поперечных найтовых.
При расчете разрывного усилия в найтовых следует принимать коэффициент запаса не менее 3 при креплении груза на открытой палубе, так как рабочая нагрузка должна составлять 1/3 разрывного усилия в тросе. При этом:
, | (10.21) |
где – разрывная нагрузка на поперечные найтовы, кН;
– рабочая нагрузка на поперечные найтовы, равная или , кН.
Тяжеловес с одного борта может быть закреплен одним из следующих вариантов:
1. Двумя найтовыми с разрывной нагрузкой около ;
2. Тремя найтовыми с разрывной нагрузкой около ;
3. Четырьмя найтовыми с разрывной нагрузкой около ,
где – количество поперечных найтовых одного борта.
В зависимости от выбранного варианта и в соответствии с разрывной нагрузкой по ГОСТ (см. Приложение 3) выбираем диаметр стального троса. При этом учитываем, что для крепления тяжеловесов применяются тросы диаметром 18-27 мм.
3.3.2. Расчет разрывного усилия, диаметра и количества продольных найтовых.
, | (10.22) |
где – рабочая нагрузка на продольные найтовы, равная , кН;
– разрывная нагрузка на продольные найтовы, кН.
Выбираем вариант с разрывной нагрузкой:
, |
где – количество продольных найтовых одного борта.
Затем в зависимости от разрывного усилия, по ГОСТ 7665-80 (см. Приложение 3) выбираем диаметр троса.
|
|
По результатам расчета делается вывод со схемой о закреплении палубного груза на судне для безопасного плавания в море при штормовой погоде.