Оптимизация конструктивных элементов железобетонных корпусов судов внутреннего плавания

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. Поэтому 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, находится в хорошем состоянии, не требует ремонта и способен прослужить второй срок эксплуатации.

Таким образом, при сравнительно небольших затратах на модернизацию можно за короткий срок получить современный плавучий офис, гостиницу, ресторан и т. д. Однако данный ресурс не безграничен, и актуальной становится потребность в строительстве новых корпусов, требующих при проектировании учета потребности рынка и современной экономической ситуации.

В советский период, когда наиболее широкомасштабно велась разработка проектов железобетонных стоечных судов всех типов, стоимости материалов и трудозатрат практически не изменялись или находились в определенных, мало изменяемых соотношениях. Сейчас же, в условиях рыночной экономики, величины затрат, определяющие стоимость корпуса, таких как стоимость материалов и единицы рабочего времени, меняются чаще и в более широких пределах, и нахождение параметров конструкции, при которых её стоимость была бы наименьшей, т. е. решение задачи оптимизации, является весьма актуальной.

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

Для осуществления заданной цели в работе решаются следующие задачи:

В первой главе работы в историческом ключе характеризуются основные этапы развития отрасли, приводятся научные и опытно-конструкторские работы, проводимые на различных этапах.

Проводится обзор традиционно сложившихся подходов к проектированию конструкции железобетонных корпусов, а также обосновывается и выбирается критерий оптимизации — минимум производственной себестоимости корпуса.

Здесь же, в третьем параграфе главы, приводится технико-экономический анализ, проведенный с целью определения основных укрупненных закономерностей и факторов, определяющих производственную себестоимость корпуса, ориентированный на производственные показатели Городецкой судоверфи (Судоремонтно-Судостроительной Корпорации). На конкретных проектах показано соотношение основных компонентов в составе полной себестоимости и между собой. Выполненный анализ показал, 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. Так как стоимость корпуса примерно на 75% определяется трудоемкостью его изготовления, то её снижение и повышение технологичности конструкции имеют большую возможность снижения строительной себестоимости, чем экономия на материалах и сырье. Таким образом, аспекты материалоемкости и трудоемкости при проектировании корпусов необходимо рассматривать параллельно, отдавая предпочтение технологичности и принимая за критерий оптимальности конструкции минимум её строительной себестоимости.

При разработке оптимизируемой модели корпуса необходимо выделить зависимости, определяющие связи между её параметрами. Из всех зависимостей, прежде всего, отметим условия прочности элементов корпуса. Расчетные положения по прочности судов внутреннего плавания определяются действующими Правилами Речного Регистра и принимаются в качестве основных при разработке математической модели корпуса, однако некоторые из положений Регистра автором подвергаются сомнению. В частности пункты, касающиеся местной прочности в части определения действующих расчетных усилий (п. 7.3.13, п. 7.3.16 и п. 7.3.17 [80]), предполагающие работу железобетонных элементов как упругих изотропных тел. Бетон по своей природе упруго-пластичен, а 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 Регистр учитывает и нормирует их раскрытие. Однако появление трещин не учитывается при определении расчетных усилий, что, по мнению автора, является недостатком Правил Регистра. Так, например, при расчете прочности балки-полоски железобетонной плиты в соответствии с Правилами Регистра определяются действующие изгибающие моменты в опасных сечениях по правилам строительной механики, считая её упругой и изотропной. Рассматривая балку упругой и призматической, можно считать, что моменты будут распределяться вполне определенным образом, и картина их распределения в качественном отношении не будет зависеть от уровня загруженности балки вплоть до потери её расчетной несущей способности. В действительности же картина работы балки иная. При определенной нагрузке на балку в опорном её сечении, где действует наибольший момент, произойдет появление первых трещин, в связи с этим жесткость сечения может быть существенно снижена. Это, в свою очередь, учитывая, что балка статически неопределимая, приведет к существенному перераспределению изгибающих моментов. Данное обстоятельство не учитывается требованиями Правил.

Для определения степени значимости данного несоответствия расчетных положений и действительной картины, а также поиска более совершенных методов оценки прочности был проведен сравнительный анализ существующих методов расчета железобетонных элементов, применяемых как в судостроении, так и в гражданском строительстве. Подавляющим большинством связей, составляющих железобетонный корпус, являются плиты (наружная обшивка, переборки, настилы и т. д.), поэтому в качестве примера была рассмотрена плита наружной обшивки железобетонного корпуса размерами в плане 2,0×1,4 м и толщиной 50 мм. Условия опирания плиты соответствуют жесткому защемлению её по контуру, нагрузка принимается равномерно распределенной. Анализ приводится в первом параграфе второй главы. В анализе по разным методам определяются изгибающие моменты, действующие в опорных и пролетных сечениях плиты по двум направлениям вдоль сторон опорного контура. Также приводятся примеры оценки прочности некоторых сечений по различным методам. Выявились существенные различия, 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 было принято решение о проведении эксперимента над железобетонными плитами указанной выше конструкции с целью последующего сравнения данных, полученных по результатам эксперимента, и расчетных величин. Описание проведения эксперимента и анализа полученных результатов приводится во втором параграфе второй главы.

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 её 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 её работы, то есть высоту и ширину балки. Или же наоборот, зная её геометрию, подобрать необходимую площадь армирования.

Для определения влияния различных соотношений параметров элемента на стоимость материалов, идущих на его изготовление, как составляющую себестоимости, и влияния на массу элемента, как важнейшую из характеристик конструкции, определяющую в значительной мере водоизмещение всего судна, решается задача оптимизации железобетонного изгибаемого элемента. В качестве критерия оптимальности принимается минимум стоимости и минимум массы составляющих материалов. 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 вариантным методом исходя из реально существующих марок стали, классов бетона и значений диаметров проката арматурной стали, при этом 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 Российского Речного Регистра по прочности и раскрытию трещин. В ходе вывода зависимостей были обнаружены несовершенства некоторых расчетных методик и допущений, принятых в настоящее время Регистром. Выведены и предложены зависимости, позволяющие исключить некоторые недостатки.

По результатам проведенных в первой главе технико-экономических проработок выявилось существенное и определяющее влияние трудозатрат изготовления корпуса судна на его себестоимость, принятую в качестве критерия оптимальности конструкции. Это обстоятельство указывает на необходимость оптимизации конструкции корпуса по трудозатратам.

Оптимизация конструкции по трудозатратам сводится к минимизации трудоемкости её изготовления. Сама же трудоемкость зависит от параметров конструкции и условий производства, и нахождение минимума трудоемкости на производство некой обезличенной конструкции не представляется возможным. В связи с этим возникла необходимость задаться корпусом-прототипом. В качестве прототипа выбран ребристый корпус с поперечной системой набора и главными размерениями 65,0×14,0×3,2 м, проекта ЦКБ «Монолит» арх. № 123/823.

С целью последующей оптимизации конструкции по трудозатратам, в третьем параграфе третьей главы был произведен постатейный расчет трудоемкости постройки корпуса проекта-прототипа. Далее из расчета были выделены виды работ, зависящие от конструктивных параметров корпуса (толщин плит, высот ребер, шпации и т. д.). Таким образом, трудозатраты (сводящиеся к величине основной заработной платы производственных рабочих) были представлены в виде функции от параметров корпуса. Принимая данные параметры за переменные, и найдя их значения при которых функция трудозатрат имела бы свой минимум, можно найти оптимальную с точки зрения трудозатрат конструкцию корпуса.

В четвертой главе диссертации, на основании проведенных разработок, даются предложения по практической реализации полученных решений при проектировании железобетонных корпусов судов.

В первом параграфе четвертой главы реализуется на ЭВМ алгоритм подбора оптимальных параметров прямоугольного сечения изгибаемого элемента, описанный в первом параграфе третьей главы. Получена зависимость массы элемента от стоимости материалов, идущих на его изготовление. Сделаны выводы о зависимостях стоимостей элементов и их масс позволившие 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 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 за критерий взять 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 третьей главы приводится описание и этапы разработки 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 [80] к прочности, раскрытию трещин и конструктивному исполнению связей по определяемым ими расчетным положения и методам с использованием зависимостей, определенных во второй главе, и с учетом принятых в них поправок. Разработан алгоритм определения себестоимости корпуса как функции от его геометрических параметров, учитывающей материалозатраты и трудозатраты. Алгоритм вычисления себестоимости реализован с помощью ряда написанных автором программ для ЭВМ. Решается задача оптимизации конструкции корпуса, сводящаяся к минимизации функции себестоимости. Показана возможность снижения себестоимости корпуса на 10,6%.

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

Объектом исследования является конструкция железобетонного корпуса судна стоечного типа.

Предметом исследования являются методы оптимизации конструктивных элементов железобетонного корпуса.

Научная новизна заключается:

— в разработке методики проектирования элементов железобетонного корпуса, оптимального с точки зрения строительной себестоимости, и реализации её 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, внецен-тренного растяжения и среза по условиям прочности и трещиностойкости;

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

— в экспериментальном и теоретическом исследовании работы жесткоза-деланных тонких железобетонных плит, загруженных равномерно-распределенной нагрузкой, и моделирующих работу плит наружной обшивки.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

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.