Кренящий момент при статическом и динамическом давлении ветра

Давление ветра на судно распределяется неравномерно и зависит от высоты расположения данной части судна над уровнем моря, степе­ни ее обтекаемости и направления ветра по отношению к судну. На практике для упрощения расчетов принято считать, что давление ветра приводится к одной равнодействующей силе, равной произве­дению некоторого условного давления ветра ρ на площадь парусности Sп, т. е. на площадь проекции боковой поверхности судна на ДП. При этом условное давление ветра принимают по таблице, приводимой в Правилах Регистра СССР, в зависимости от категории судна (ограни­ченного или неограниченного плавания) и возвышения центра парус­ности, т. е. ЦТ площади Sп, над уровнем ватерлинии. Предполагают также, что равнодействующая давления ветра Ρ приложена в центре парусности.

Статическое давление ветра (рис. 2.36, а) вызовет дрейф судна, т. е. его движение в направлении, перпендикулярном ДП, с некоторой скоростью υ. При этом возникнут силы сопротивления воды. Положе­ние по высоте точки приложения их равнодействующей R зависит от формы обводов подводной части корпуса судна. С некоторым прибли­жением можно считать, что сила сопротивления воды R приложена на половине осадки судна. В таком случае при статическом давлении ветра кренящий момент равен

М_кр.ст = рS_п(z_п – d/2), (2.88)

где ρ - условное (расчетное) удельное давление ветра; z_п - аппликата центра парусности.

Рис. 2.36. Определение кренящего момента при статическом и динамическом давлении ветра ЦП — центр парусности

При динамическом давлении ветра, когда при налетевшем шквале сила давления ветра Ρ прикладывается к судну практически мгновен­но, силы сопротивления воды еще не успевают развиться, так как поступательному перемещению судна препятствуют силы инерции самого судна Р`_ин, равнодействующая которых приложена в ЦТ судна G, и сила инерции Р``_ин присоединенной массы воды, которую судно увлекает за собой.

Как показывают результаты исследований, можно принять, что точка приложения равнодействующей R_ин инерционных сил находится на уровне ватерлинии (рис. 2.36, б). Таким образом, кренящий момент от динамически приложенного давления ветра может быть найден по формуле

M_кр.дин = pS_п(z_п - d) (2.89)

Из сравнения формул (2.88) и (2.89) видно, что М_кр.дин < М_кр.ст.. Однако динамический кренящий момент более опасен для судна. Статистика аварий судов показывает, что относительно малые суда (рыболовные, спортивные и др.) нередко опрокидываются в результате налетевшего шквала ветра, тогда как постоянно действующий ветер, вызывающий только статический крен, не представляет для них опасности.

Требования Регистра СССР к остойчивости морских судов

В СССР требования к остойчивости эксплуатируемых, строящих­ся, а также капитально ремонтируемых и переоборудуемых судов регламентируются Правилами классификации и постройки морских судов (часть IV «Остойчивость») Регистра СССР.

Общие требования к остойчивости включают требования к так называемому критерию погоды, элементам диаграммы статической остойчивости, начальной метацентрической высоте, а также требова­ния учета обледенения.

Остойчивость судна считается достаточной по критерию погоды К, если соблюдено условие

К = М_опр/М_кр.дин ≥ 1.0, (2.90)

где М_опр - опрокидывающий момент, определяемый по изложенной выше методике с учетом качки судна; М_кр.дин - динамический креня­щий момент, определяемый по формуле (2.89).

Максимальное плечо диаграммы статической остойчивости должно быть не менее 0,25 м для судов длиной L ≤ 80 м и не менее 0,20 м для судов длиной L ≥ 105 м при угле θ_max = 30°. Для промежуточных значе­ний длин 80 < L < 105 м величина l_max определяется линейной интер­поляцией. Угол заката диаграммы статической остойчивости θ₃ должен быть не менее 60°.

Начальная метацентрическая высота при всех вариантах загрузки, за исключением варианта «судно порожнем», должна быть положи­тельной (h = 0).

Судно должно удовлетворять перечисленным выше требованиям при учете в диаграммах статической остойчивости и начальной метацентрической высоте поправок на влияние свободных поверхностей жидких грузов, определяемых по изложенной в Правилах методике. Некоторое снижение требований к элементам диаграмм статической остойчивости допускается в тех случаях, когда эти диаграммы по­строены с учетом обледенения, нормы которого также указаны в Пра­вилах. Если при построении диаграммы учтена масса льда согласно этим нормам, то угол заката диаграммы должен быть не менее 55°, а максимальное плечо (только для судов ограниченного района пла­вания) - не менее 0,2 м при крене не менее 25°.

Особые требования предъявляются к остойчивости пассажирских су­дов, лесовозов, контейнеровозов и судов, перевозящих насыпные грузы.

Начальная метацентрическая высота пассажирских судов должна быть такой, чтобы:

- при скоплении пассажиров на верхней доступной им палубе у од­ного борта угол крена был не более половины угла заливания[1] или угла, при котором палуба надводного борта входит в воду или оголяется скула, смотря по тому, какой угол меньше; во всяком слу­чае этот угол не должен превышать 10°;

- при скоплении пассажиров на верхней доступной им палубе у бор­та угол крена на установившейся циркуляции судна был не более 3/4 угла заливания либо угла, при котором палуба надводного борта входит в воду или скула выходит из воды, смотря по тому, какой угол меньше; во всяком случае этот угол не должен превышать 12°.

Исправленная (на влияние свободных поверхностей жидких гру­зов) начальная метацентрическая высота лесовозов с лесным грузом, размещенным в трюмах и на палубе, и с полными запасами должна быть не менее 0,1 м.

Остойчивость контейнеровозов, под которыми подразумеваются все суда, несущие контейнерный груз на палубе, должна быть такой, чтобы определенный по диаграмме статической остойчивости стати­ческий угол крена на установившейся циркуляции или угол крена при действии бокового ветра был не более половины угла, при котором палуба надводного борта входит в воду; во всяком случае угол крена не должен превышать 15°. Исправленная начальная метацентрическая высота таких судов должна быть не менее 0,2 м.

Требования к остойчивости судов, перевозящих зерно насыпью, из­ложены в Правилах перевозки зерна Регистра СССР. Исправленная начальная метацентрическая высота таких судов должна быть не менее 0,3м. Дополнительные требования к диаграмме статической остойчивости этих судов не предъявляются в следующих случаях:

- если свободная поверхность зерна в любом частично заполнен­ном помещении покрыта зерном в мешках, плотно уложенных на вы­соту не менее 1/16 ширины свободной поверхности зерна или 1,2м, в зависимости от того, что больше; вместо зерна в мешках может быть использован другой подходящий несмещаемый груз, уложенный на ту же высоту и оказывающий наповерхность зерна давление не менее 10 кПа (при этом должны быть выполнены содержащиеся в Правилах требования к покрытию поверхности зерна тканью или досками перед укладкой на нее груза;

- если свободная поверхность зерна в частично заполненном помещении укреплена настилом из досок, принайтовленным к бортам полосами или тросами, т. е. если применен так называемый стропинг.

Если же указанные требования не выполняются, то угол θ_gs ста­тического крена, вызванного расчетным смещением зерна, не должен превышать 12° для всех судов или угла входа палубы в воду, если он меньше 12°, для судов неограниченного района плавания. При этом угол крена судна определяется путем построения кривой кренящих плеч на диаграмме плеч статической остойчивости (рис. 2.37). Согласно Правилам эта кривая может быть аппроксимирована прямой, проходя­щей через точку А при угле крена θ = 0 с ординатой l_{g 0}, соответствую­щей суммарной поперечной составляющей кренящих моментов от расчетного смещения зерна во всех грузовых помещениях. Вторая точка В, через которую проводится прямолинейный график плеч кре­нящего момента, имеет при угле крена 40° ординату l _{g 40} = 0,8 l _{g 0}.

Рис. 2.37. Диаграмма статической ос­тойчивости судна, переводящего зер­новые грузы насыпью

Диаграмма статической остойчивости может быть построена при­ближенным способом, исходя из предположения, что ЦТ груза распо­лагается в центре объема каждого грузового помещения, либо уточ­ненным способом, исходя из фактического положения ЦТ зернового груза с учетом подпалубных пустот. В последнем случае при построе­нии диаграммы должна быть учтена вертикальная составляющая расчетного смещения зерна путем условного повышения ЦТ судна добавлением поправки z_gs. В Пра­вилах приводится методика рас­чета подпалубных пустот, а так­же суммарных поперечной l_g0 и вертикальной z_gs составляющих плеча кренящего момента от рас­четного смещения зерна.

Остаточная площадь l_gr диаг­раммы статической остойчивости между кривыми восстанавливаю­щих и кренящих плеч до угла крена θ_{max d}, соответствующего или максимальной разности меж­ду ординатами этих кривых, или 40°, или угла заливания θ_f (в зависимости от того, какой из них меньше) при всех условиях загрузки судна должна быть не менее 0,075 м·рад.

Дополнительные требования к остойчивости судов, предназначен­ных для перевозки незерновых навалочных грузов, содержатся в Пра­вилах безопасности перевозки незерновых навалочных грузов ММО СССР. Если установлено, что свободные поверхности данного груза обладают свойством смещения при качке судна на морском волнении, то начальная метацентрическая высота судна, исправленная на влия­ние свободных поверхностей жидких грузов, а также на влияние сме­щения поверхности груза в трюмах, должна быть не менее 0,7 м. Кроме того, угол статического крена, вызванного расчетным смещением гру­за в соответствии с указаниями Правил не должен превышать 12°, а ос­таточная площадь диаграммы статической остойчивости между кри­выми восстанавливающих и кренящих плеч должна быть не менее 0,12м·рад.

Требования к Информации об остойчивости судна для капитана

На каждое судно должна быть выдана согласованная с Регистром СССР Информация об остойчивости судна, содержащая следующие материалы:

- данные об остойчивости судна для типовых вариантов нагрузки, предусмотренных заранее;

- рекомендации в отношении мероприятий, улучшающих остой­чивость судна;

- указания, вспомогательные графики, таблицы и другие мате­риалы, служащие для оценки посадки и остойчивости судна при не­типовых, т. е. возможных в эксплуатации, но не предусмотренных заранее, вариантах нагрузки.

Суда Морского Флота СССР, построенные на отечественных заво­дах до 1979г., снабжены, как правило, Информациями об остойчи­вости, составленными применительно к типовой форме, изданной Регистром СССР в 1964г. В 1979г. ММФ СССР была издана Типовая информация об остойчивости и прочности морского судна (указания капитанам судов), на основании которой будут разрабатываться Информации об остойчивости для судов новой постройки. Следует иметь в виду также, что на ряде судов заграничной постройки имеются Информации, составленные соответствующими заводами-строителями и не отвечающие в полной мере принятой у нас типовой форме.

К числу содержащихся в Информации материалов, обеспечивающих возможность самостоятельного выполнения капитаном расчетов посад­ки и остойчивости судна при нетиповых случаях загрузки отно­сятся:

- данные по танкам и цистернам, используемым для размещения судовых запасов (топлива, масла, пресной воды), а также водяного балласта, необходимые для составления таблицы загрузки судна;

- данные по грузовым помещениям в виде номограмм (см. рис. 1.5), нанесенных на схематическом чертеже продольного разреза судна (рис. 2.38); эти данные также необходимы при составлении таб­лицы загрузки;

Рис. 2.38. Схема расположения грузов

- диаграмма контроля остойчивости, на которой нанесены пре­дельные кривые начальной метацентрической высоты по различным нормативным критериям, а также кривые вертикальных моментов дедвейта Μ_zw относительно ОП (рис. 2.39) в зависимости от дедвейта судна;

Рис. 2.39. Диаграмма контроля остойчивости

- диаграмма осадок носом и кормой (по маркам осадки или теоре­тических осадок на НП и КП) в виде кривых постоянных значений осадок носом и кормой, построенных в зависимости от дедвейта судна и статического момента дедвейта относительно плоскости мидель-шпангоута (рис. 2.40).

Рис. 2.40. Диаграмма осадок носом и кормой

Информация об остойчивости составляется проектной организа­цией или заводом-строителем судна по материалам опыта кренования.