ANALIZA WYTRZYMAŁOŚCI KADŁUBÓW BAREK ŚRÓDLĄDOWYCH POLITECHNIKA GDAŃSKA WYDZIAŁ OCEANOTECHNIKI I OKRĘTOWNICTWA Katedra Mechaniki, Konstrukcji i Wytrzymałości Okrętu ul. G. Narutowicza 11/12 80-952 Gdańsk tel. (58) 347-25-30, 347-16-62; fax. (58) 341-47-12, e-mail: sek7oce@pg.gda.pl PROJEKT EUREKA INCOWATRANS E!3065 ANALIZA WYTRZYMAŁOŚCI KADŁUBÓW BAREK ŚRÓDLĄDOWYCH Podsumowanie dr inż. Marian Bogdaniuk dr inż. Zenon Górecki inż. Ryszard Łukowski dr inż. Wojciech Puch Gdańsk luty 2007

Autorzy referatu: wykonali ogólne analizy dotyczące wytrzymałości kadłubów barek śródlądowych w stanach eksploatacyjnych i w sytuacjach awaryjnych, ocenili wytrzymałość barki towarowej zaprojektowanej w ramach projektu INCOWATRANS E! 3065 przez Biuro Projektowe SINUS. Ponadto opracowali oryginalną koncepcję zestawu pchanego złożonego z barki mieszkalnej, barki restauracyjnej i pchacza, przedstawili też koncepcję konstrukcji kadłubów tych barek wykonanych z aluminiowych paneli użebrowanych, wykonali obliczenia wytrzymałościowe wykazujące racjonalność takiej konstrukcji.

Nr 127/E/04 – Metoda analizy wytrzymałości kadłubów statków śródlądowych. Nr 160/E/04 – Ocena i weryfikacja pod względem wytrzymałości konstrukcji barki pchanej zaprojektowanej przez biuro projektowe SINUS. Nr 168/E/04 – Wytrzymałość pokładów statków śródlądowych obciążonych naciskiem kół pojazdów. Nr 181/E/05 – Analiza wytrzymałości ogólnej, strefowej i lokalnej zaprojektowanej konstrukcji z aluminiowych paneli użebrowanych. Nr 187/E/05 – Zestaw pasażerki śródlądowy – opis techniczny i konstrukcja. Nr 194/E/05 – Analiza nośności granicznej konstrukcji kadłubów statków śródlądowych w warunkach kontaktu z dnem akwenu. Nr 202/E/05 – Analiza wytrzymałości ogólnej strefowej i lokalnej zaprojektowanej konstrukcji z aluminiowych paneli użebrowanych – uzupełnienie. Nr 207/E/05 – Analiza sił i odkształceń w kadłubie podczas kontaktu z nabrzeżem oraz przeszkodą.

Nr 127/E/04 – Metoda analizy wytrzymałości kadłubów statków śródlądowych. W raporcie opisano teorię stosowaną do obliczenia tzw. współczynników redukcyjnych płyt. Teoria uwzględnia nierównomierny rozkład po szerokości płyty naprężeń normalnych membranowych

Na rozkład naprężeń membranowych mają wpływ ugięcia wstępne (technologiczne) płyty oraz ciśnienie obciążające powierzchnię płyty. Zjawisko pokazane na rysunku istotnie wpływa na wartość dopuszczalnych momentów zginających (Mdop) barek śródlądowych (o względnie cienkim poszyciu w porównaniu z poszyciem statków morskich). Wykonano obliczenia Mdop dla barki o parametrach: L = 5,6 m; B = 7,50 m; H = 2,02 m; DWT = 500 ton.

Obliczona wartość Mdop dla kadłuba tej barki, z uwzględnieniem redukcji płyt poszycia i statystycz-nych wartości ugięć technologicznych płyt stanowi zaledwie 32% wartości momentu obliczonego bez redukcji płyt. Widzimy więc jak istotne jest uwzględnienie w obliczeniach zagadnienia redukcji płyt poszycia barek śródlądowych. W [1] przedstawiono także teorię i przykłady obliczeń dotyczących zginania płyt nie biorących udziału w zginaniu ogólnym statku, z uwzględnieniem wpływu naprężeń membranowych. Ze względu na ograniczone ramy czasowe referatu nie przedstawiamy tutaj tych zagadnień.

Nr 160/E/04 – Ocena i weryfikacja pod względem wytrzymałości konstrukcji barki pchanej zaprojektowanej przez biuro proj. SINUS. Barka o nośności 420 t do transportu ładunków suchych (i kontenerów) ma podwójne dno i podwójne burty. Na podstawie dokumentacji dostarczonej przez autorów projektu wykonano kompleksową ocenę wytrzymałości konstrukcji kadłuba barki, wg kryteriów Przepisów PRS dla statków śródlądowych, Cz. II, Kadłub, Gdańsk 2004. W szczególności analizowano: - zginanie ogólne barki (z uwzględnieniem redukcji poszycia), - wytrzymałość usztywnień poszycia, - wytrzymałości poszycia, - wytrzymałości wiązarów poprzecznych. Przedstawiamy przykładowy model MES (pokładowo – prętowy) zastosowany do oceny wytrzymałości wiązarów poprzecznych barki

Wyniki obliczeń wytrzymałościowych pozwoliły sformułować zalecenia dotyczące bardziej korzystnego rozkładu materiałów konstrukcji, aby powiększyć jej wytrzymałość bez wzrostu masy konstrukcji.

Nr 168/E/04 – Wytrzymałość pokładów statków śródlądowych obciążonych naciskiem kół pojazdów. W raporcie przedstawiono i skomentowano standardy wytrzymałości stosowane przy wymiarowaniu elementów konstrukcji pokładów statków poddanych obciążenie od kół pojazdów. Głównym zagadnieniem dyskutowanym w raporcie jest możliwość zbudowania pokładu barki śródlądowej do przewożenia samochodów osobowych, w formie konstrukcji przekładkowej ze stali.

Przeprowadzone analizy wykazały, że realne jest zbudowanie pokładu barki pokazanej wyżej w formie konstrukcji przekładkowej, stalowej o parametrach jak niżej.

Nr 181/E/05 – Analiza wytrzymałości ogólnej, strefowej i lokalnej zaprojektowanej konstrukcji z aluminiowych paneli użebrowanych. Założono, że panele użebrowane mają grubość poszycia 4,5 mm a wysokość usztywnień o dstępie 133 mm wynosi 70 mm. Panele takie zapewniają duży zapas wytrzymałości na zginanie ogólne barki oraz na zginanie lokalne poszycia i usztywnień. Podstawowy problem, to zapewnienie odpowiedniej wytrzy-małości wiązarów poprzecznych podpierających panele użebrowane, których wysokość, ze względów funkcjonalnych, jest ograniczona do 160 mm. Aby ramy takie były dostatecznie wytrzymałe, to powinny być one rozstawione w odstępach zaledwie co 1,5 m. Wytrzymałość lokalna paneli pozwala je natomiast podeprzeć ramami poprzecznymi w odstępach zaledwie 4,5 m.

Nr 187/E/05 – Zestaw pasażerki śródlądowy – opis techniczny i konstrukcja. Opracowano projekt zestawu pchanego złożonego z barki restauracyjnej, barki hotelowej i pchacza na trasę Berlin – Kaliningrad.

Parametry barek: długość całkowita LC = 52,0 m, szerokość B = 9,0 m, wysokość do pokładu głównego: H = 1,55 m, zanurzenie T = 0,85 m, wysokość do pokładu górnego 4,40 m. Cecha charakterystyczną kadłubów barek jest ich konstrukcja z aluminiowych paneli użebrowanych (ciągnionych) o parametrach pokazanych na poniższym szkicu.

Zład poprzeczny kadłuba takiej barki z paneli użebrowanych jest następujący Płaty paneli są podparte belkami dwuteowymi i pilersami ze stopu aluminium. Barki mają 2 poziomu użytkowe a mimo tego mieszczą się pod mostami na założonej trasie żeglugowej.

Nr 194/E/05 – Analiza nośności granicznej konstrukcji kadłubów statków śródlądowych w warunkach kontaktu z dnem akwenu. Analizowano sytuację awaryjną– wejście barki na mieliznę lub kontakt z dnem skalistym. Oceniono możliwość trwałych wgnieceń dna lub złamania barki w warunkach zginania ogólnego.

Przeprowadzone analizy zginania ogólnego statków śródlądowych wskutek wejścia dziobem na mieliznę wykazały, że w przypadku barek towarowych o nośności rzędu 500 do 700 ton (długości rzędu 55 m do 75 m) spowodowanie płynięcia plastycznego wiązań pokładu lub dna jest możliwe tylko w specyficznych sytuacjach. Barka powinna być obciążona niekorzystnie rozłożonym ciężarem ładunku, wywołującym w kadłubie, w rejonie owręża, moment zginający typu sagging o wartości zbliżonej do dopuszczalnej (naprężenia w pokładzie ściskające, zbliżone do 0,6 Re ). Wymagane jest przy tym uniesienie dziobu o wartość osiągającą nawet 30% maksymalnego zanurzenia T.

Wydaje się to być możliwe tylko przy odpowiednio pochylonym dnie akwenu w obszarze mielizny i raczej dużej początkowej prędkości barki. Nie analizowano dynamiki ruchu barki wchodzącej na mieliznę i trudno jednoznacznie stwierdzić czy uzyskanie powyższej konfiguracji barki na mieliźnie jest możliwe. W przypadku statków pasażerskich o długości < 60 m zapoczątkowanie procesu łamania całego kadłuba wskutek wejścia na mieliznę jest na ogół niemożliwe. Statki takie mają z reguły w części środkowej efektywną nadbudówkę, pozytywnie wpływającą na wytrzymałość ogólną (duża wartość wskaźnika przekroju) i niemożliwe jest wygenerowanie w kadłubie istotnych wartości momentu zginającego wskutek rozmieszczenia zapasów i pasażerów. Spełnienie przez konstrukcję kadłuba kryteriów wytrzymałości lokalnej automatycznie zapewnia nadmiar wytrzymałości ogólnej.

Wykonane analizy wykazały, że po wejściu statku dziobem na mieliznę o miękkim dnie akwenu (piasek lub muł), gdzie nacisk gruntu musi rozłożyć się na względnie dużej powierzchni dna statku, praktycznie niemożliwe jest spowodowanie trwałych wgnieceń poszycia pomiędzy usztywnieniami/wiązarami o istotnych wartościach. W przypadku dna zawierającego usztywnienia podparte przez poprzeczne w stosunku do nich wiązary (np. barki usztywnione wzdłużnie) wystąpi wyczerpanie nośności granicznej tych usztywnień. Zjawisko to uniemożliwi przy tym przeciążenie kadłuba w warunkach zginania ogólnego. Wyczerpanie nośności granicznej może wymagać tak dużych nacisków dna (miękkie dno akwenu, duży obszar dna statku obciążonego naciskiem gruntu), że wcześniej złamią one barkę. Niemożliwe jest przy tym wywołanie wgnieceń o istotnych amplitudach poszycia pomiędzy wiązarami. W przypadku dna skalistego zniszczenie wiązarów dna wystąpi natomiast wcześniej, uniemożliwiając złamanie całego kadłuba.

Nr 202/E/05 – Analiza wytrzymałości ogólnej strefowej i lokalnej zaprojektowanej konstrukcji z aluminiowych paneli użebrowanych – uzupełnienie. Wobec sygnalizowanych w [4] problemów z zapewnieniem odpowiedniej wytrzymałości ram poprzecznych zaproponowano, aby dno, pokłady i burty opierały się na mocnych ściankach poprzecznych (pomiędzy kabinami, w odstępie 4,7 m) oraz wzdłużnych, tworzących korytarz ~ PS barki. Panele użebrowane mają odpowiednio dużą wytrzymałość lokalną, aby mogły być podparte w tak dużych odstępach. Problemem okazało się zapewnienie odpowiedniej wytrzymałości konstrukcji w rejonie obszernych pomieszczeń, gdzie nie można zastosować pionowych ścianek. W tych rejonach zaproponowano zastosowanie ram poprzecznych aluminiowych, o wysokości zaledwie 127 mm, o oryginalnej konstrukcji połączeń z panelami (patrz rysunek poniżej).

Odstęp ram może wynosić aż 4,7 m, ale w kierunku poprzecznym barki muszą być one podparte pilersami w odstępach ok. 2,0 m. Zastosowanie pilersów nie jest oczywiście korzystne ze względów funkcjonalnych, ale innej możliwości nie ma.

Nr 207/E/05 – Analiza sił i odkształceń w kadłubie podczas kontaktu z nabrzeżem oraz przeszkodą. Celem analiz było utworzenie modelu matematycznego zjawiska uderzenia 2- członowego zestawu pchanego o nabrzeże. Rozwiązanie tego modelu umożliwia wyznaczenie wartości siły reakcji nabrzeża i momentu wewnętrznego w połączeniu elastycznym barki z pchaczem.

Przyjęto następujące założenia upraszczające: układ porusza się ruchem płaskim (pominięto nurzania oraz kołysania boczne); oddziaływanie wody na barkę i pchacz jest scharakteryzowane wielkościami mas wody towarzyszącej, oszacowanych dla przypadku pływania odosobnionej barki i odosobnionego pchacza na wodzie o nieograniczonej głębokości (pominięte więc siły tłumienia hydrodynamicznego, sprzężenia hydrodynamiczne pomiędzy barką i pchaczem oraz wpływ bliskości nabrzeża na wielkości mas wody towarzyszącej); połączenie barki i pchacza zamodelowano przegubem sprężystym o liniowej sztywności C: Moment pary sił w przegubie przyjmuje wartość: – moment napięcia wstępnego, – kąt pomiędzy osiami wodnic barki i pchacza;

Ponadto: pominięto siłę tarcia pomiędzy nabrzeżem i barką podczas ślizgania się barki wzdłuż nabrzeża; układ porusza się przy wyłączonym urządzeniu napędowym pchacza. Równanie ruchu układu po uwzględnieniu więzów (warunek kontaktu barki z nabrzeżem) przyjmują postać:

Wyprowadzone równania ruchu są nieliniowe Wyprowadzone równania ruchu są nieliniowe. Rozwiązanie tych równań różniczkowych można uzyskać numerycznie – np. metodą Runge-Kutta czwartego rzędu. Znając wartości współrzędnych uogólnionych, prędkości i przyspieszeń w funkcji czasu oraz wartość siły N, możemy oszacować wartość momentu zginającego w barce przy jej zginaniu w płaszczyźnie poziomej oraz moment w połączeniu barki z pchaczem. Powyższe parametry służą do oceny bezpieczeństwa konstrukcji. Znajomość momentu zginającego pozwala wyznaczyć sumaryczne naprężenia w pokładzie i dnie przy burtach, od zginania ogólnego w płaszczyźnie pionowej i w płaszczyźnie poziomej.

Można przypuszczać, że przy wysokim poziomie naprężeń od zginania w płaszczyźnie pionowej dodatkowe zginanie w płaszczyźnie poziomej spowoduje płynięcie plastyczne lub wyboczenie wzdłużnych wiązań dna lub pokładu. Znajomość momentu przenoszonego przez połączenie barki z pchaczem pozwala ocenić wytrzymałość tego połączenia lub zaprojektować odpowiednio wytrzymałe połączenie dla założonej prędkości uderzenia i kąta pochylenia barki względem nabrzeża w chwili zderzenia.