Постройка малых судов из армоцемента

И. Ц. Баух, Г. Л. Боуэн «Катера и яхты» №6 (70) ноябрь-декабрь 1977г

 

Постройка малых судов из армоцемента

 

Главная цель этой части статьи — исследовать влияние, кото­рое оказывают на проект армоцементного судна такие факторы, как высокий вес материала, желатель­ность обеспечить работу обшивки как тонкой оболочковой конструк­ции,   технологические   возможности.

ВЛИЯНИЕ ВЕСА МАТЕРИАЛА. Са­мым важным из упомянутых факто­ров является значительный вес ма­териала. В табл. I сравнивается плот­ность ряда судостроительных мате­риалов; можно отметить, что плот­ность армоцемента близка к плот­ности легких сплавов.

Табл. 2 показывает, какой вес корпуса (без учета веса палубы) мо­жет быть получен при использовании того или иного материала, причем сравниваются данные дли яхты длиной 12,2 м, эскиз обводов и типовая конструкция элемента корпуса кото­рой приведены в 1-й масти статьи. Армоцементный корпус весит, по крайней мере, столько же, сколько построенный из стали, хотя сталь в 3 раза более плотный материал. Корпуса из дерева и стеклопластика получаются как минимум вдвое лег­че армоцементного.

Армоцементный корпус получает­ся очень тяжелым не потому, что ма­териал тяжел, е вследствие значительной толщины обшивки. Этот вы­вод необходимо иметь в виду во всех случаях, когда делаются попыт­ки снизить вес проектируемого армо­цементного судна. Однако важно еще выдержать запроектированные толщины при постройке, что требует очень тщательного соблюдения тех­нологии: известны, например, случаи, когда построенный корпус оказывал­ся вдвое тяжелее, чем по проекту! Строитель должен представлять, к чему приводит излишний вес корпу­са, а хороший конструктор должен заранее предусмотреть возможные вариации водоизмещения.

Данные табл. 2 подсказывают, что для сохранения тех же размерений LXВXТ водоизмещение армоцементного судна должно быть сде­лано соответственно больше, чем, скажем, деревянного; другими сло­вами, не до компенсировать повышен­ный вес корпуса соответствующим увеличением объема его подводной части. Если игнорировать это сооб­ражение, судно неминуемо сядет в воду глубже, чем предусмотрено теоретическим чертежом, или на ях­те, снабженной балластом, придется уменьшать его вес, а вызванное этим общее повышение центра тяжести скажется на остойчивости и способ­ности нести паруса.

Примечания. 1. Содержание стали в армоцементе определяется по объему.

2. Плотность цементного раствора составляет в средней 2162 кг/м3,

 

Примечания.

1.Вес элементов конструкции, рассмотренных в 1-й части статьи, включает помимо

веса обшивки поправку ив вес киля, шпангоутов, флоров и т. п., но не учитывает вес

палубы и надстройки. Все веса необходимо рассматривать как абсолютный минимум для

данного материала и выбранных сечений набора. Цифры приведены дли яхты водоизмещением 13,5 т, имеющей общую площадь обшивки—64,2 м.

2. В колонке А приводится отношение веса элемента к весу его из стеклопластика.

В колонке В приводятся аналогичные цифры, полученные американский конструктором

Бингхэмоы для парусно-моторной яхты водоизмещением 18,2 т с поверхностью обшивки

102,5 мг. В колонке С приведены аналогичные данные Фьюсона.

3.Веса для стали рассчитаны в верхней строке—по правилам английского Регистра

Ллойда для парусно-моторных яхт, в нижней—по чертежам яхты, спроектированной для

постройки из стали и из армоцемеита,

4. Содержание стали в армоцемеитной обшивке —примерно 5,5% объема. Толщина

защитного слоя раствора указана с учетом нанесения его с обеих сторон обшивки.

С учетом этого опыта для по­стройки из армоцемента предпочи­тают яхты тяжелого водоизмещающего типа. Правда, из этого же ма­териала построено и несколько катамаранов и тримаранов (в Англии распространяются чертежи таких судов), но и конструктор и строитель долж­ны приложить максимум усилий, что­бы армоцементный многокорпусник мог конкурировать с судном, по­строенным из легких материалов. Нам кажется, что применять армоцемент, не обладающий плавучестью, для таких легких судов, как парус­ные катамараны и тримараны, не имеет смысла. Дерево или стекло­пластик выглядят здесь более обо­снованно.

Поскольку для обеспечения глис­сирования необходимо высокое от­ношение мощности двигателя (тяги парусов) к водоизмещению, скорость глиссирующего судна в значительной мере зависит от веса корпуса; естест­венно, армоцемент, по крайней мере — на сегодня, меньше всего пригоден для постройки подобных судов.

На моторных водоизмещающих судах более тяжелая конструкция корпуса в принципе дает то преимущество, что обеспечивает больший радиус инерции и, следовательно, бо­лее плавную качку. Дополнительное же водоизмещение легко получить, несколько увеличив ширину корпуса и радиус сопряжения обшивки днища с килем, сделав шире сам киль. Вы­званная этим потеря скорости (при той же мощности двигателя) будет меньше, если сравниваются суда с низким числом Фруда,

Для стояночных судов типа де­баркадеров армоцемент явно пред­почтительнее других материалов благодаря высоким эксплуатационным качествам.

На рисунке приведены попереч­ные сечения двух имеющих одина­ковый внутренний объем корпусов 12,6-метрового траулера, построен­ных из стеклопластика и армоцемен­та; показан типичный случай измене­ния обводов для компенсации допол­нительного веса армоцементного корпуса.

Учет веса при проекти­ровании яхты. Как мы уже знаем, водоизмещение армоцементной яхты должно быть достаточно велико, что­бы компенсировать относительно бо­лее высокий вес конструкции кор­пуса, неся все обычное оборудова­ние и балласт, необходимый для обеспечения остойчивости.

Штрихпунктиром показаны обводы исходного варианта судна из стеклопластика (D=9,6 т), сплошной линией — варианта из армоцемента (D=16,6 т) прн тех же габаритных размерениях. 1—увеличение объема подводной части корпуса без изменения осадки и габаритной ширины; 2—увеличение радиуса сочетания днища и киля; 3 — высота палубы, при которой обеспечивается равный подпалубный объем, но увеличение веса при изготовлении палубы из армоцемента не сказывается на остойчивости.

 

Особенности обводов и конструкции армоцементной яхты длиной 14 м и водоизмещением 20,7 т, улучшающие условия работы обшивки.

1 — завал верхней части бортор; 2—круглые выпуклые сечения по шпангоутам, особенно в носовой части; 3—флоры, поднятые выше гарборда—уровня перегиба шпангоутов; 4—округлые обводы кормы; 5—увеличенная погибь бимсов,

Для оценки возможностей проек­тируемой армоцементной яхты мож­но использовать эмпирическую фор­мулу А. Бейзера:

D = 0,0005 (2.62L + 4)3,

где D — водоизмещение, т; L — дли­на по КВЛ, м.

В своей книге «Правильно скон­струированная  яхта» Бейзер пишет:

«Если   водоизмещение крейсерской яхты выше, чем определенное по этой формуле, на 10—25%, судно получается слишком тяжелым для своей длины, но еще может быть неплохим парусником; если же эта разница более 25% — яхта- опреде­ленно будет неудачной. С другой стороны, яхта с водоизмещением, равным 65—95% формульного, дол­жна быть спроектирована особенно тщательно — с расчетом на то, что­бы преимущества такой облегчен­ной конструкции компенсировали ее недостатки. Эта задача практически невыполнима, если водоизмещение проектируемой яхты оказывается ниже 65% формульного».

Это правило имеет особенное зна­чение для армоцементных крейсер­ских яхт, поскольку, как уже подчеркивалось, на вес их корпуса прихо­дится значительно большая часть водоизмещения, чем на сравнимых судах из других материалов. Если во­доизмещение проектируемой яхты существенно ниже значения D, вы­численного по формуле Бейзера, то применять армоцемент можно толь­ко в том случае, если есть возмож­ность использования какой-то спе­циальной технологии, позволяющей уменьшить вес конструкции без ущерба для эксплуатационных ка­честв.

Пример удачного проектирования и постройки армоцементной яхты. Осадка спущенной на воду яхты соответствует расчету.

Показан кэч длиной 12,2 м, который используется в качестве основы для сравнения весов в данной работе. После установки мачты, загрузки якорцепью и заполнения цистерн имеющийся дифферент на корму должен выправиться.

Ряд армоцементных крейсерских яхт был построен из армоцемента, но по проектам, в которых предусматривалась более легкая деревян­ная конструкция. Все эти яхты без исключения после спуска на воду имели гораздо большую осадку, чем деревянные прототипы, и в лучшем случае — лишь удовлетворительные ходовые качества (при условии, что в конструкции палуб, надстроек и т. п. не было заложено чрезмер­ное количество армоцемента).

Полный вес корпуса крейсерских яхт обычно составляет примерно по­стоянную долю водоизмещения D. Для деревянного или пластмассового корпуса нормальной конструкции он получается равным 18—25% D (ча­ще — ближе к верхнему пределу). Для армоцементных же яхт, как по­казывает практика, вес корпуса, включая вес палубы и надстройки, составляет 35—45% D, хотя при больших размерениях судна эта доля может быть и несколько меньше.

Другая часть весовой нагрузки — обстройка корпуса, оборудование, судовые устройства, оснастка, меха­ническая установка, снабжение и экипаж — не зависит от материала корпуса. Таким образом, компенси­ровать увеличение веса собственно армоцементного корпуса можно только за счет уменьшения веса бал­ласта. Если на деревянных и пласт­массовых яхтах вес балласта обычно составляет около 40 % D (а иногда и более), то на армоцементных ях­тах он редко превышает 25% D и может достигать 30% только при особо тщательных проектировании и постройке судна.

При проектировании армоцемент­ных яхт необходимо учитывать неиз­бежное уменьшение веса балласта и добиваться соответствующего повы­шения остойчивости формы, а также максимального понижения центра тяжести (например, продуманным размещением наиболее тяжелого оборудования — двигателя, цистерн). Необходимость тщательного конт­роля за положением центра тяже­сти по высоте — характерная особен­ность проектирования армоцемент­ных судов вообще. Это обстоятель­ство является важнейшим при реше­нии вопроса о возможности исполь­зования армоцемента для изготовле­ния таких высоко расположенных конструкций, как палуба, рубка, по­перечные переборки. Армоцементная палуба при достаточной прочно­сти оказывается проще в изготовле­нии и свободна от течи во время эксплуатации, но практически на мно­гих армоцементных судах палубу и рубку приходится делать из более легких материалов только из-за того, чтобы не ухудшать остойчивость по­вышением ЦТ.

При предварительной оценке веса армоцементного корпуса необходи­мо учитывать, что вес набора (флоры, шпангоуты),  фундаментов  двигателя и т. п., как правило, состав­ляет до 40% веса наружной обшивки.

Ограничения размерений. Армоцемент нельзя использо­вать для постройки как очень малых, так и очень больших судов. Чем меньше судно, тем более важным ограничивающим фактором стано­вится вес корпуса, поэтому такие тя­желые материалы, как сталь и армо­цемент, обычно при постройке малых судов не применяют. Обшивка из армоцемента может быть сделана очень тонкой, однако при этом не удается обеспечить ее прочность на скалывание и удар, а также трещиностойкость. В настоящее время от­сутствуют удачные армоцементные конструкции судов длиной менее 5 м.

Для судов больших размерений армоцемент не применяют, так как он становится менее выгодным, чем железобетон: чтобы предотвратить образование трещин, необходим очень большой объем стальной арматуры и сетки; пропитать толстый пакет арматуры раствором — пред­ставляет весьма сложную задачу. Ориентировочным верхним пределом длины армоцементного судна мож­но считать 36 м; при большей длине рекомендуется использовать предва­рительно напряженный железобетон. ОСОБЕННОСТИ ОБВОДОВ. Жела­тельно, чтобы армоцементная об­шивка работала как тонкая оболочка. Подобный эффект трудно получить на всей площади поверхности кор­пуса, но, по крайней мере, на боль­шей ее части этого можно добиться, применяя наиболее выгодные с точ­ки зрения обеспечения жесткости криволинейные выпуклые формы (на рисунке показаны некоторые конструктивные решения, применяемые при проектировании обводов и кон­струкции корпуса армоцементных яхт).

Для армоцементного корпуса идеальна такая форма, при которой обшивка работала бы только на сжатие.

Любой элемент конструкции под действием сжатия имеет тенденцию к изгибу, которую можно уменьшить, сделав конструкцию более жесткой. В частности, для этого мо­гут быть применены увеличение тол­щины обшивки или подкрепление ее набором; кроме того следует избе­гать вогнутости формы (смотря с наружной стороны обшивки).

Важно, чтобы во всех случаях нагрузка не приводила к цикличе­ским деформациям, так как армо­цемент плохо работает на усталость. По этой причине необходимо, чтобы на корпусе не было ни плоских неподкрепленных пластин, ни неподкрепленных вогнутых участков. В частности, флоры должны подкреплять район гарборда, т. е. их верхняя кромка должна быть распо­ложена выше точек перегиба шпан­гоутов в месте перехода днища в борт (а сам этот перегиб должен быть по возможности плавным).

Шпангоуты, если рассматривать действие обшивки как оболочки, не являются необходимостью, по край­ней мере — на судах среднего раз­мера, однако совершенно необходи­мо обеспечить достаточно солидное подкрепление днища килем и фло­рами (в этом отношении армоцементные суда идентичны построен­ным из других материалов).

Выбор сечений набора. Для коммерческих судов, строящих­ся из армоцемента, имеются спе­циальные таблицы сечений набора, разработанные классификационным обществом «Норвежский Веритас». Для прогулочных судов таких таб­лиц нет, но, если допустимо неко­торое увеличение веса корпуса, можно воспользоваться упомянутыми нормами. Обычно конструкторы ма­лых судов подбирают элементы конструкции по принципу обеспечения равной прочности армоцементного корпуса корпусам из других мате­риалов, для которых определенные нормы существуют.

Несмотря на традиционный внешний вид это довольно необычная яхта. При длине по КВЛ только 427 м (наибольшая длина 5,79 м) водоизмещение ее составляет 3,6 т.

Чтобы получить такое водоизмещение, конструктор Б. Донован сделал корпус необычно широким (с соотношением £/В=2,08), с плавными очертаниями шпангоутов на скуле и с широким килем, имеющим внизу плоский участок. Осадка яхты 1,02 м. В каюте можно ходить, выпрямившись в полный рост. Яхта способна нести полное снаряжение для длительного плавания двух человек.

Армоцементная яхта длиной 17,7 м, построенная по обводам известного кэча «Тиога» американского конструктора Л. Херрешоффа.

Чтобы выдержать проектное водоизмещение, толщина обшивки была максимально уменьшена, арматура выполнена из высокопрочной проволоки, палуба и рубка изготовлены из фанеры. Несмотря на все это, вес балласта пришлось уменьшить с 37% D (по первоначальному проекту для деревянной яхты) до 30%.

УЧЕТ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОСО­БЕННОСТЕЙ. Пакет арматуры по всей площади как с внутренней, так и с наружной стороны должен быть легко доступен для нанесения рас­твора. Следовательно, конструктор должен избегать узких и глубоких килей, дейдвудов и подобных труд­но доступных узлов; в противном случае нельзя гарантировать высокое качество омоноличивания без обра­зования в толще детали пустот.

Более широкий киль на яхте, на­пример, будет удобнее для укладки арматуры и омоноличивания; кроме того важно, что получается больший объем, который можно использовать для закладки балласта из дешевого чугуна вместо дорогого свинца.

Могут встретиться трудности при омоноличивании небольших узких узлов — таких, как рулевой плавник или выходящая кромка киля. В та­ких случаях рекомендуется приме­нять вибратор и более текучий рас­твор.

СПЕЦИАЛЬНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ И МАТЕРИАЛЫ. В последние годы раз­работан ряд новых материалов на основе армоцемента и новых техно­логических приемов, позволяющих преодолеть ограничения, существую­щие при использовании «традицион­ного» армоцемента и обычной тех­нологии, и открывающих новые возможности,   однако в печати пока очень мало информации по этому поводу. Как правило, новые техноло­гические процессы вовлекают в про­изводство более дорогие материа­лы, высококвалифицированный труд, большие капитальные  вложения.

Плита из волокнистого армоцемента испытывается на изгиб.

Б этой состоянии еще не произошло разрушения материала, не нарушилась и его водонепроницаемость. Фото Т. Бойда

Легкий раствор. Существует несколько разработок цементных растворов меньшей плотности для использования с традиционной ар­мирующей схемой; это улучшает соотношение прочности и веса материала.

Сенофлекс — один из таких рас­творов, разработанный судострои­тельной компанией в США. Благо­даря введению в раствор сеносфер— микросферических полых силиконо­вых частиц (побочный продукт сжигания угля), плотность раствора уменьшается на 15%, однако на сего­дня микросферы чрезвычайно дороги.

Фералит — материал на основе термообработанной системы поли­эфирной смолы. Синтетический раствор получают смешиванием в спе­циальном агрегате (поставляемом фирмой-изготовителем вместе со смолой), причем в качестве одного из компонентов в раствор входит асбест; применяется также и специальная составляющая для умень­шения веса. Готовый раствор может быть использован как с обычными, так и со специальными армирующи­ми материалами, производимыми компанией.

Хотя прочность на сжатие фералите вдвое меньше, чем обычного цементного раствора, прочность на растяжение много выше, а предел прочности при изгибе выше в 5 раз.

Фибермент— заменитель цемент­ного раствора, разработанный в Бра­зилии и, судя по рекламе, имеющий на 27% меньшую плотность. Мате­риал содержит волокнистые добав­ки — асбест и перлит в качестве частичного заменителя песка.

Подчеркнем, что эти и другие известные заменители цементного раствора легче его, позволяют со­здать армоцемент высокой прочности, но гораздо дороже.

Повышенное содержа­ние стали. Обычное армирование, рассмотренное в 1-й части статьи, не позволяет получить высокое содер­жание стали без интенсивного при­менения стержней большого диа­метра, которые уже не являются эффективной арматурой. С другой стороны, если использовать больше сетки, ее становится трудно пропиты­вать раствором.

Есть два новых метода повысить содержание стали, не опасаясь отме­ченных выше недостатков.

Процесс «Фиберстил» — патенто­ванная технология выклеивания армоцементного корпуса слоями, при ко­тором слои сетки внедряются в жидкий раствор, предварительно на­несенный на поверхность матрицы. Стержни используются только в рай­онах, подвергающихся значительным местным нагрузкам, таким образом обшивка армируется лишь сеткой. Поскольку сетка послойно продавли­вается сквозь раствор, проблемы пропитки пакета арматуры не суще­ствует. Необходимо изготовление матрицы; процесс пригоден лишь для постройки большой серии идентич­ных корпусов.

Волокнистый армоцемент — тер­мин, используемый новозеландской фирмой в качестве названия разработанного ею процесса армирования. Армирующий пакет набран из нескольких слоев крупной, сделанной из толстой стальной проволоки сет­ки, чем обеспечивается высокое со­держание стали. Чтобы получить нужную трещиностойкость, в раст­вор вводятся беспорядочно распре­деленные небольшие отрезки сталь­ной проволоки, выполняющие роль тонкой и частой сетки в обычном армоцементе.

В отличие от метода «Фиберстил», «волокнистый армоцемент» можно использовать без матрицы и для еди­ничной постройки судов (метод за­патентован американской компа­нией). Затраты на постройку корпуса оказываются несколько меньше и за счет того, что рубленая проволока дешевле тканой сетки, а меньшее количество слоев сетки дает некото­рую экономию трудоемкости.

Сэндвичевая (трехслой­ная) конструкция — с примене­нием легкого заполнителя между слоями обычного армоцемента так­же нередко используется для улуч­шения показателей удельной прочно­сти армоцементных корпусов.

В Новой Зеландии имеется успеш­ный опыт использования в качестве заполнителя деревянных досок. Хотя дерево, по некоторым данным, внут­ри цемента гниет, в корпусах судов, построенных этим методом, не было обнаружено видимых разрушений после нескольких лет экслуатации.

При постройке армоцементных судов в Бангладеш канадская компа­ния применила заполнитель из бамбуковых стволов, однако данные о результатах этого эксперимента пока не опубликованы.

В Австралии испытан метод по­стройки армоцементных корпусов с заполнителем из жесткого поливинилхлорида (пенопласта того же типа, что применяется при изготовлении корпусов из стеклопластика). Пено­пластовый заполнитель был исполь­зован также в сочетании с методом «фиберстил».

Предварительное сжатие («п репрессии г») раствора — применяется для повышения спо­собности монолита воспринимать растягивающие напряжения. Метод состоит в том, что благодаря введе­нию в раствор специальных добавок, которые расширяются и химически реагируют с цементом, в монолите при затвердевании возникают напря­жения сжатия. Монолит становится более стойким к образованию тре­щин.

Предварительное сжатие проволоки — еще один метод повышения прочности армоцемента. В конструкции при омоноличивании оставляют каналы, в которые вво­дится проволока, предварительно на­пряженная растяжением. Звтем ка­налы заполняют цементом, а когда цемент затвердеет, концы проволоки освобождают; благодаря упругой ее деформации конструкция оказы­вается предварительно сжатой. 

Этот метод широко применяется в Австралии при постройке яхт, вклю­чая знаменитую «Хелсал» — победительницу гонки Сидней — Хобарт, В Новой Зеландии этим методом по­строено несколько армоцементных барж.

Существует и ряд других мето­дов постройки армоцементных кор­пусов, которые разработаны с уче­том специфики материала. Например, строят корпуса с уменьшенной шпа­цией: частое расположение шпангоу­тов дает уменьшение изгибающего момента в обшивке между ними и позволяет выполнить ее более тон­кой. Такое решение используется, в частности, для уменьшения веса малых сравнительно быстроходных судов, строящихся в США и КНДР. Однако следует помнить, что с умень­шением толщины обшивки ухуд­шается ее ударная стойкость; чтобы избежать этого отрицательного эф­фекта, на упомянутых быстроходных судах применялась сетка из высоко­прочной стали, а внутренние объемы в шпации были заполнены пенопла­стом.

Часто армоцемент применяется в качестве защитного покрытия. На­пример, армоцементной оболочкой покрывают старые деревянные кор­пуса при ремонте (или даже новые деревянные суда), чтобы снизить расходы по их дальнейшему содер­жанию и гарантировать водонепро­ницаемость. Подобным же образом ремонтируются старые стальные кор­пуса.