Расчет установки сухопутных кранов сваебойной техники на плавсредства

1 2

Занятие №10. Расчет плавсредств при строительстве мостового сооружения (расчет плавучести, остойчивости).

Цель расчета – проверка обеспечения плавучести, остойчивости, прочности загруженной баржи.

Контрольные вопросы для самопроверки знаний:

1. Какие расчеты включает в себя расчет плавучей опоры?

2. Что называется полезной грузоподъемностью?

3. Условие плавучести плавучей опоры.

4. Что называется ватерлинией и площадью ватерлинии?

5. Что называется остойчивостью опоры?

6. Что называется метацентром?

7. Условие остойчивости плавучей опоры.

Расчет плавучей опоры складывается из расчета грузоподъемности (плавучести), остойчивости и прочности.

Расчет плавучести

Полезной грузоподъемностью, или подъемной силой плавучей опоры, называется вес полезной нагрузки, воспринимаемой этой опорой без опасности ее погружения.

Под действием нагрузки опора погружается в воду и претерпевает давление, равное весу опоры и полезной нагрузки (закон Архимеда). Давление воды направлено нормально к поверхности опоры в каждой погруженной точке и равно весу столба воды высотой, равной глубине погружения данной точки (закон Паскаля).

Рис. 1. Расчетная схема плавучей опоры.

На расчетной схеме приведены следующие обозначения:

t— осадка опоры; q - вес опоры; р - полезная нагрузка; ц.т. - центр тяжести; ц.в. - центр водоизмещения; д - равнодействующая давления воды - полная грузоподъемность судна, весовое водоизмещение.

Ниже приведены основные расчетные формулы и порядок расчета плавучести плавучей опоры:

При проверке плавучести опоры определяется полная осадка опоры от собственного веса и от центрально расположенной заданной полезной нагрузки и сравнивается с допустимой осадкой для данной опоры.

Условие плавучести:

t= ,(1)

где: t-осадка загруженной опоры;

q - вес опоры;

р - полезная нагрузка;

𝛾- вес единицы объема (для пресной воды: у =1,0 т/м³, для морской воды: у =1,025 т/м³)

-допустимая осадкас грузом (в зависимости от баржи);

F₀ - площадь грузовой ватерлинии (т.е.максимальнаягрузоподъемность);

Ватерлиния - замкнутая линия, по которой поверхность воды соприкасается с внешней поверхностью опоры (очертания опоры в плане).

Площадь ватерлинии - площадь, заключенная внутри этой линии.

Рис. 2. Очертание ватерлинии.

Площадь ватерлинии:

-для прямостенных бортов судна: F₀= (2)

-если борта судна не прямостенные: F₀= (3)

где: -длина опоры в плане;

-ширина опоры в плане;

коэффициент полноты ватерлинии (для речных судов: для понтонов:

борт судна в носовой (кормовой) части имеет не вертикальное очертание 0,88 – 0,92; борт судна имеет вертикальное очертание: )

Последовательность практического расчета проверки плавучести загруженной баржи в составе наплавного моста:

Дано:

1. Определение общего веса ТС, вмещающихся на баржу.

где: -количество т.с. вмещающихся на палубу баржи:

-длина баржи в плане;

−количество полос баржи = 1;

2. Согласно формулам (2), (3) находим площадь ватерлинии F₀.

3. По условию (1) находим осадку загруженной опоры и проводим проверку плавучести.

Расчет остойчивости

Остойчивостью называют способность плавающего тела (плавающая опора), выведенного действием внешних сил из положения равновесия, возвращаться в него с прекращением действия этих сил.

Рис. 3. Расчетная схема плавучей опоры.

На схемах приводятся следующие обозначения:

m - метацентр - пересечение осей первоначального плавания и после приложения момента;

ц.в. - центр водоизмещения;

а.в. - ось плавания;

р - метацентрический радиус, расстояние от ц.в. метацентра;

h - расстояние между метацентром и центром тяжести (ц.т.).

а - расстояние между ц.т. опоры и ц.в. - центром водоизмещения.

С увеличением расстояния а метацентрическая высота также уменьшается, поэтому для повышения остойчивости плавучей опоры надо понижать центр тяжести и тем самым уменьшать расстояние а

При h > 0 метацентр лежит выше ц.т. и опора может сопротивляться кренящим моментам.

При h = 0 метацентр совпадает с центром тяжести и опора находится в безразличном состоянии, т. е. самый малый кренящий момент может опрокинутьопору.

При h < 0 метацентр лежит ниже центра тяжести, опора не устойчива и будет немедленно опрокидываться.

Считается, что если поперечная метацентрическая высота не менее 0,5 м, т.е. h > 0,5 м, а продольная метацентрическая высота не меньше длины опоры, т. е. h > L - остойчивость обеспечивается.

Ниже приведены основные расчетные формулы и порядок расчета остойчивости плавучей опоры:

Условие остойчивости опоры:

(4)

(5)

где: -длина опоры в плане;

-ширина опоры в плане;

(6)

метацентрический радиус, расстояние от ц.в. до метацентра.

В теории корабля известно, что метацентрический радиус равен отношению момента инерции площади ватерлинии I к полному водоизмещению (собственный вес и временная нагрузка):

(7)

где:

(8)

(9)

р-полезная нагрузка;

q-собственный вес опоры.

а - расстояние между ц.т. опоры и ц.в. - центром водоизмещения.

(10)

у-высота центра тяжести нагруженного судна над днищем корпуса:

y= (11)

где: P-полезная нагрузка;

Q-собственный вес опоры;

r-плечо нагрузки относительно оси;

высота ц.т. в порожнем состоянии над днищем судна;

высота борта опоры;

расстояние от днища плавучей опоры до центра водоизмещения:

для прямостенной опоры: (12)

-для опоры криволинейного очертания: (13)

Последовательность практического расчета проверки плавучести загруженной опоры.

Дано:

1. Согласно формулам (8),(9) определяем момент инерции площади ватерлинии.

2. Согласно (7) находим метацентрический радиус опоры.

3. По формуле (11) находим высоту центра тяжести нагруженного судна.

4. Находим расстояние от центра водоизмещения до днища плавучей опоры по формулам (12) или (13).

5. По формуле (10) находим расстояние между ц.т. опоры и ц.в.

6. Согласно (6) находим метацентрическую высоту

7. По условиям (4) и (5) проверяем опору на остойчивость.

Пример расчета №1.

Проверка обеспечения плавучести, остойчивости, прочности загруженной баржи в составе наплавного моста.

Дано:

Название баржи

L (м)

B (м)

h (м)

Очерт.

Q (т)

(м)

полос

ТС

(м)

(т)

(м)

(проект 197)

1,3

Крив.

0,95

0,9

КамАЗ 1155

7,14

22,4

Расчет плавучести

1. Определение общего веса ТС, вмещающихся на баржу.

2. Согласно формулам (2), (3) находим площадь ватерлинии F₀:

F₀=

3. По условию (1) находим осадку загруженной опоры и проверяем условие плавучести:

t= [ ,

Условие выполняется, плавучесть обеспечена!

Расчет остойчивости

1. Согласно формулам (8), (9) определяем момент инерции площади ватерлинии:

2. Согласно (7) находим метацентрический радиус опоры:

Учитывая, что ц.т. ТС расположен по середине его длины, то полезная нагрузка Р от ТС, вызывающая кренящий момент, в самом не выгодном случае равна при заезде ТС на баржу:
Р= * =22,4*3=67,2 тс

Рис.4 Расчетная схема баржи.

3. По формуле (11) находим высоту центра тяжести нагруженного судна.

4. Находим расстояние от центра водоизмещения до днища плавучей опоры по формулам (12) или (13).

5. По формуле (10) находим расстояние между ц.т. опоры и ц.в.

6. Согласно (6) находим метацентрическую высоту:

7. По условиям (4) и (5) проверяем опору на остойчивость.

Условие выполняется, остойчивость обеспечена!

Таблица 3

Варианты заданий

№	Наз. баржи	L (м)	B (м)	h (м)	Очерт.	Q (т)	(м)	(м)	полос	ТС	(м)	(т)	(м)
1	проект 197	40	9	1,3	Крив.	60	0,95	0,9	1	КамАЗ 1155	7,14	22,4	2
2	Проект 16801	85.7	16.5	3.3	Крив.	650	2,25	2,34	2	КрАЗ 6510	8,35	26	1,85
3	Проект 3011	102	17,5	2,8	Крив.	790	2,5	1,9	2	КамАЗ 1155	7,14	22,4	2
4	Проект 163	77,5	17,2	4,2	Крив.	740	3,2	3,5	2	КамАЗ 5490	6,09	36,1	2,5
5	Проект 81210	38,4	8,22	1,3	Крив.	72	1,1	0,9	1	КамАЗ 1155	7,14	22,4	2
6	Проект 110	99,7	17,3	3,1	Крив.	980	2,1	2,3	2	КамАЗ 5490	6,09	36,1	2,5
7	Проект 81060	108	14,2	4,5	Крив.	801	3,75	3,2	1	КамАЗ 1155	7,14	22,4	2
8	Проект 165	91,6	15,7	3,2	Крив.	585	2,5	2,1	2	КрАЗ 6510	8,35	26	1,85
9	Проект 942	66,2	14	2	Крив.	250	1,57	1,7	1	КамАЗ 5490	6,09	36,1	2,5
10	Проект 82260	79,1	15	2,6	Крив.	349	2,19	2,2	2	КамАЗ 1155	7,14	22,4	2
11	Проект 81300	112	16,5	4	Крив.	920	3,2	3,6	2	КамАЗ 5490	6,09	36,1	2,5
12	Проект 81218	71,8	13,2	1,8	Крив.	248	1,57	1,4	1	КамАЗ 5490	6,09	36,1	2,5
13	Проект 944	46,5	10	2	Крив.	109	1,1	1,6	1	КрАЗ 6510	8,35	26	1,85
14	Проект 79	98,4	14,3	5	Крив.	733	3,7	4,2	1	КамАЗ 1155	7,14	22,4	2
15	Проект 3136	89,9	14,2	4,7	Крив.	550	3,7	3,9	2	КамАЗ 1155	7,14	22,4	2
16	Проект 146	27,5	7,6	1,3	Крив.	45	0,6	0,7	1	КамАЗ 5490	6,09	36,1	2,5
17	Проект 2714	105	16,7	5,5	Крив.	990	3,8	5,2	2	КамАЗ 1155	7,14	22,4	2
18	Проект 137	79,3	14,2	3	Крив.	451	2	2,4	2	КамАЗ 5490	6,09	36,1	2,5
19	Проект 81370	71,7	14,3	2	Крив.	470	1,56	1,8	2	КрАЗ 6510	8,35	26	1,85
20	Проект 943	58,3	12	2	Крив.	187	1,37	1,8	1	КамАЗ 5490	6,09	36,1	2,5
21	Проект 2731	90,9	16	4,7	Крив.	862	3,81	3,8	2	КамАЗ 1155	7,14	22,4	2
22	Проект 81540	77,9	14,3	2,5	Крив.	486	2,1	2,3	1	КамАЗ 5490	6,09	36,1	2,5
23	Проект 81462	44,7	8,7	1,3	Крив.	101	0,9	0,8	1	КрАЗ 6510	8,35	26	1,85
24	Проект 171	89,1	16,7	2,5	Крив.	604	2,3	2,1	2	КрАЗ 6510	8,35	26	1,85
25	Проект 81100	71,4	14,2	2	Крив.	389	1,8	1,8	1	КамАЗ 5490	6,09	36,1	2,5

Расчет установки сухопутных кранов сваебойной техники на плавсредства.

Для формирования плавучих крановых установок из сухопутных кранов (автомобильных, гусеничных, пневмоколесных, козловых и деррик-кранов) могут использоваться плашкоуты различного типа: из барж речного и морского флота, сборно-разборных понтонов мостового парка типа КС, понтонов наплавных мостов типа ПЖМ-56 и др. Тип плашкоута принимается в зависимости от конкретных местных условий.

Рис. 5. Схема расчаливания плавкрана при сооружении опоры.

1 - плавкран; 2 - якорные лебедки: 3 - расчалки из стальных канатов; 4 - железобетонные якоря-присосы; 5 - опора

Рис. 6. Схемы установки деррик-крана МДК-63 на плашкоут из понтонов КС-63.

а - МДК-63 в плане (сборка III); б - грузовысотные характеристики; 1 - рабочая зона стрелы при максимальной расчетной грузоподъемности; 2 - стрела крана; 3 - основной плашкоут из 20 понтонов КС-63 (сборка I); 4 - дополнительные понтоны (4 шт., сборка II); 5 - дополнительные понтоны (4 шт., сборка III); 6 - грузоподъемность при длине стрелы 25 м (сборка I); 7 - то же (сборка II); 8 - то же сборка III)

1) по первой группе предельных состояний (на расчетныенагрузки):

- плавучести системы;

- остойчивости системы;

- прочности и устойчивости корпуса судна, распределительныхростверков и других элементов усиления судового набора;

- мощности тяговых средств и якорных закреплений;

2) по второй группе предельных состояний (на нормативныенагрузки):

- по деформациям (осадка, крен, дифферент);

- объема и размещения противовесов из условия допустимогодля данного крана или копра крена (дифферента) плашкоута.

Креном судна называется поперечное отклонение палубы отгоризонтального положения в сторону одного из его бортов (левогопли правого), дифферентом - отклонение палубы в сторону носаили кормы.

Нагрузки и их сочетания для расчета плавучих средств подкрапы и копры принимаются по указанию табл. 23. [1]

Плавучие средства проверяют на плавучесть по условию

γΣVп ≥ ΣQkн (14)

где γ - объемная масса воды, равная для пресной воды 1 т/м3; ΣVп - предельное водоизмещение плавучей системы, равное ее суммарному водоизмещению при осадке, равной высоте борта по миделю; ΣQ - расчетный вес плавучей системы, равный сумме расчетных весов: плашкоута с обстройкой, крановой (копровой) установки, регулировочного и остаточного балласта; kн - коэффициент надежности, принимаемый равным: при установке на плашкоутах копров и стреловых кранов kн = 2, при установке на плашкоутах козловых кранов и при перевозке грузов - kн = 1,25.

КС принимается, исходя из средней толщины слоя воды в каждом понтоне 0,1 м.

Рис. 7. Схема к проверке остойчивости плавучей системы.

Остойчивость плавучей системы определяется следующими условиями (рис. 7).

а) метацентрическая высота ρ - α должна быть положительной

ни всех расчетных случаях, т.е.

ρ-α>0

где ρ - метацентрический радиус, равный расстоянию между центром тяжести вытесненного объема воды (центром водоизмещения Zv) и метацентром Zm, расположенным в точке пересечения вертикали, проходящей через смещенный центр водоизмещения, с осью О-О плавучей системы; а - расстояние от центра тяжести плавучей системы Za до центра водоизмещения Zv, принимаемое равным тому же расстоянию при начальном положении плавсистемы.

б) при крене и дифференте плавучей системы от действия расчетной ветровой нагрузки кромка палубы в любой точке не должна уходить под воду, а днище (середина скулы) не должно выходить из воды.

При проверке остойчивости все нагрузки должны приниматься расчетные. Значение коэффициента надежности по нагрузке для собственного веса плашкоута с обстройкой и оборудованием следует принимать в их невыгодном значении (0,9 или 1,1). Значение метацентрического радиуса определяется по формуле:

ρ = (I-Σin)/ΣVp (15)

где I – момент инерции площади плашкоута (баржи) в уровне ватерлипии относительно оси наклонения плавучей системы, принимаемый при кренах – относительно оси с меньшим моментом инерции, а при дифферентах – относительно оси с бульшим моментом инерции площади; Σin– сумма собственных моментов инерции поверхности балласта в понтонах (отсеках барж) относительно осей, проходящих через центры тяжестей этих поверхностей, параллельно осям наклонения плавучей системы; ΣVp– объем (водоизмещение) погруженной части плавсистемы. Осадку плавучей системы от вертикальных нагрузок определяют по формуле:

tв = ΣQ/(kвΩ) (16)

где ΣQ - расчетная (или нормативная - см. ниже) нагрузка, приходящаяся на плавсистему; kв - коэффициент полноты водоизмещения, принимаемый для понтонов типа КС равным 0,97; Ω - площадь плашкоута по ватерлинии. Осадка барж определяется по паспортным данным в зависимости от расчетной нагрузки на баржу. Для контроля за фактической осадкой плавучих систем в рабочих чертежах должны указываться осадки от нормативных нагрузок. Максимальная осадка от расчетных нагрузок, вызывающих крен или дифферент плавучей системы, определяется по формуле:

tг = btgφ (17)

где b - половина размера плашкоута; φ - угол крена или дифферента.

Для плавучих систем рассматриваемого типа угол крепа или дифферента можно рассчитать по формуле:

где ΣМп - расчетный момент от постоянных нагрузок; ΣMвр - расчетный момент от временных нагрузок; m - коэффициент условий работы, принимаемый равным 1,2. Расчетный момент ΣМп от постоянных нагрузок принимается относительно осей симметрии площади плашкоута (при полном уравновешивании веса кранов или копров ΣМп = 0). Расчетный момент ΣМвр принимается от горизонтальных ветровых нагрузок относительно центра водоизмещения. Сюда же входят неуравновешенные части вертикальных нагрузок (веса груза на крюке крана, сваи на стреле копра и т.п). Угол φ должен удовлетворять условиям:

φ≤φ1; φ≤φ2 (19)

где φ1 и φ2 - угол крена (дифферента), соответствующий началу входа кромки палубы в воду и выходу из воды днища (середины скулы).

При установке на плашкоуте крана с неповоротной стрелой размеры плашкоута в плане определяются плавучестью и остойчивостью плавучей системы.

При установке на плашкоуте кранов с поворотной стрелой ширина плашкоута должна назначаться исходя из того, чтобы при подъеме наиболее тяжелого груза при необходимом вылете стрелы, направленной перпендикулярно к продольной оси плашкоута, угол крена плашкоута не превышал предельного угла наклона крана, определяемого по паспортным данным.

В качестве примера на рис. 1 приведена схема установки 20-т крана-экскаватора типа Э-2508 со стрелой длиной 30 м на плашкоуте, состоящий из десяти понтонов типа КС-3. Таким краном можно погружать железобетонные оболочки диаметром 1,6 м, длиной 8- 12 м и одиночные железобетонные тавровые и плоские шпунты, благодаря чему он с успехом может применяться при возведении опор мостов и речных портовых сооружений.

Монтаж и демонтаж крана весьма несложны. Для обеспечения работы крана требуется всего 3 чел. в смену.

Геометрические размеры крана допускают его транспортировку без демонтажа по внутренним водным путям от IV класса и выше.

Подмости собираются из элементов типа УИКМ и опираются на два ряда плашкоутов из шести понтонов типа КС-3 каждый.

Рис.8. Схема установки гусеничного крана на плашкоуте: 1- кран-экскаватор Э-2508 (Э-2006); 2 -тяжи крепления; 3 — брусья настила 20X20 см\ 4 — распределительные балки; 5 -лебедки швартовые (3-т ручные); 5 помещения для команды; 7-балласт (60 т); 8-кнехты; 9 — плашкоут из десяти понтонов КС-3

Расположение крана на верху портала позволяет ему на вылете 2 м от кромки подмостей погружать оболочки под мостовую опору, что было бы невозможно с обычного плашкоута из-за недостаточного вылета и высоты подъема крюка крана, которая при расположении крана на портале увеличивается на 8 м.

Кран на портальных подмостях удобен для сооружения мостовых опор, а также для погружения шпунтов и свай причалов с применением плавучих и стационарных направляющих.

Установка копров и кранов на плашкоуты рекомендуется при глубине воды свыше 0,6 м. Размеры и конструкция плашкоутов в плане при установке на них копра назначаются в зависимости от принятой технологии сооружения фундамента, порядка забивки свай и размеров опоры.

На плашкоутах допускается как бортовая (на одном плашкоуте), так и центральная установки копров (на мостике или портале, опирающихся на два плашкоута, располагающихся с зазором). В последнем случае плашкоуты должны иметь в носу и корме съемное жесткое раскрепление по палубе.

Бортовая установка копра или другой сваебойной машины рекомендуется для дизельных или пневматических молотов, а также для вибропогружателей или других сваебойных средств, которые в рабочем состоянии закрепляются на голове сваи. Бортовая установка позволяет свободное передвижение плашкоута вокруг забиваемой группы свай (только при отсутствии шпунтового ограждения).

Для копров со свободно падающим молотом следует применять центральную установку на мостиках или порталах, располагая молот над центром расчетной площади ватерлинии обоих плашкоутов. В этом случае исключается наклонение копра при подъеме и сбрасывании молота.

Размеры и расположение плашкоутов и их балластировка (расположение контргрузов) подбираются так, чтобы стрела копра во время забивки была вертикальной или имела заданный наклон.

Высота обстройки плашкоута должна быть увязана с возможной отметкой верха свай после их забивки.

Пример. Сваи сечением 35×35 см длиной 12 м ( =3,6тс=35кН) подобран гидромолотJunttan марки ННК-4 с массой ударной части 4,0 т ( = 6,3тс=61,8 кН). Произведем расчет плавучей системы для установки гусеничного копра РМ-20 фирмы Junttan (вес копра =40 тс =392 кН), предназначенного для работы данного молота. Работы ведутся в IV ветровом районе. Ширина зеркала воды в межень 440 м, скорость течения воды - 0,5 м/с. Расчетная высота волн - 1,0 м.

Рис. 9. Общий вид и расчетная схема плавучей системы с копром РМ-20 на 12 понтонах КС-63.

Для установки копра примем плашкоут из 12 понтонов КС-63 (3×4 шт.) размерами в плане 21,6×14,4 м, высотой борта 18 м.

1. Определение необходимого веса противовеса (регулировочного сухого балласта) исходя из условия, чтобы при копре с подвешенным молотом в рабочем состоянии (свая установлена в направляющие, ее вес не действует на копер) стрела копра была вертикальной, т.е. дифферент плавсистемы равен нулю:

Σ = 0; · - · - · - · = 0

где = 40 кН - вес металлической рамы под копер.

=6,3×9,81=61,8 кН – вес молота

Отсюда необходимый вес противовеса

= ( · + · · )/ = (392×8,0+61,8×12,4+40×7,2)/9,0=466кПа.

Принимается противовес из железобетонных плит объемом

= 466/(9,81×2,4) = 20

2. Полный вес плавсистемы:

вес понтонов - = =5,96×9,81×12 = 701,61кН.

Где =5,96 тн. вес понтона согласно ТУ 35-369-78

Объем остаточного балласта определяется для барж в зависимости от конструкции набора днища, а для понтонов типа КС принимается, исходя из средней толщины слоя воды в каждом понтоне V=0,1 м.

вес остаточного балласта

= ×V×g= 21,6×14,4×0,1×9,81 = 305кН;