Силовое взаимодействие при контакте судна с причалом

ШВАРТОВНЫЕ ОПЕРАЦИИ КРУПНОТОННАЖНЫХ СУДОВ

Силовое взаимодействие при контакте судна с причалом

Крупнотоннажные суда даже при движении с очень малыми скоростями обладают очень большой кинетической энергией, что создает реальную угрозу повреждения причала или борта судна в момент контакта. Поэтому причалы для швартовки таких судов оборудуются специальными амортизирующими устройствами в виде кранцев (док-фендеров различной формы), отбойных палов (стальных труб с площадками для навала), установленных на некотором расстоянии от стенки причала.

Кранцевая защита причалов должна обеспечить безаварийную швартовку судов, т.е. воспринимать нагрузку без риска повреждения корпуса судна и причала.

Для выполнения этого условия необходимо, чтобы кинетическая энергия навала швартующегося судна не превышала критического значения энергии деформации кранцевой защиты, т.е.

, (1.)

где W – кинетическая энергия судна;

А – энергия деформации кранцевой защиты;

δ – относительное перемещение судна (деформация кранцев, корпуса судна и причала).

Нагрузку, возникающую при контакте судна с причалом можно получить при решении уравнения:

, (2.)

где m – масса судна с присоединенной массой воды;

Р – контактная сила, как функция перемещения.

Интегрируя выражение 2 при заданных начальных условиях можем написать:

или , (3.)

где V – скорость движения судна в момент контакта с причалом (нормальная к линии причала).

Полученное равенство позволяет определить допустимую скорость навала судна на причал. Она будет равна:

.

Массу судна с присоединенной массой представим в виде:

, (4.)

где D – водоизмещение судна, т;

g – ускорение силы тяжести, g = 9,81 м/с²;

μ – коэффициент присоединенной массы воды при движении судна лагом.

Коэффициент присоединенной массы воды достигает значений сравнимых с водоизмещением судна и зависит от конструкции причала и соотношения глубины под килем (клиренса) и осадкой судна.

Приближенное значение коэффициента можно найти по формуле:

,

где d_ср – средняя осадка судна, м;

В – ширина судна, м.

С учетом выражения (3.4.) и коэффициента энергии навала формула (3.) может быть записана в виде:

, (5.)

где ψ – коэффициент энергии навала, определяемый по формуле:

,

где К₁ – коэффициент податливости корпуса судна при навале, ;

К₂ – коэффициент причала, зависящий от конструкции причала и кранцевой защиты; значения ψ даны в СНИПе 2.06.04 – 82 [19];

К₃ – коэффициент эксентриситета – угла подхода судна к лини причала (см. рис. 1.).

Рис. 1. Схема для определения коэффициента эксентриситета

Величина коэффициента К₃ определяется по формуле, приведенной в работе [18]:

,

где r – радиус вращения судна при допущении, что половина массы судна находится в точках m/2 на расстоянии r от центра тяжести G, r = ¼ L;

а – расстояние между точкой контакта и вектором скорости судна, м;

γ – угол подхода судна к причалу, град.

Допустимую скорость навала судна на причал в зависимости от энергоемкости кранцевой защиты найдем из выражений (1.) и (5.). Она будет определятся по формуле:

, (6.)

где А – энергоемкость кранцевой защиты, кНм;

Определение допустимой скорости навала на причал обеспечивает безопасность причала, но не борт судна. Поэтому необходимо определить силу навала на причал при допустимой скорости, чтобы возникающая при навале нагрузка не превысила допустимую нагрузку на борт судна.

Силу навала на причал найдем по формуле:

, (7.)

где t – время навала (деформация кранца), t = 1-2 с.

В портах, где причалы оборудуются кранцевой защитой для приема крупнотоннажных судов у портовой администрации должны быть механические характеристики кранцев, по которым легко определяется нагрузка на причал, а соответственно и на борт судна.

Механические характеристики крайних отбойных палов (свай) причала № 1 нефтегавани «Шесхарис» показаны на рис. 2. По техническим условиям деформация отбойных палов не должна превышать половину предельной, т.е. один метр. Ключ, изображенный на диаграмме механических характеристик показывает, что допустимая кинетическая энергия навала не должна превышать 800 кНм и сила навала соответственно 1650 кН.

Предельные и допустимые нагрузки на борт морских судов установлены Регистром России в «Нормах прочности морских судов». Для крупнотоннажных судов от 150 до 300 м длиной предельные нагрузки находятся в диапазоне от 580 кН/м² до 1220 кН/м², допустимые нагрузки в пределах от 310 кН/м² до 440 кН/м².

Следовательно, нагрузка на борт швартующегося судна будет зависеть от площади контакта с причалом (кранцами).

Рассчитанную или полученную из механических характеристик силу навала следует поделить на площадь соприкосновения и получить нагрузку на один квадратный метр борта, т.е.

,

где F_н – площадь контакта судна с кранцем, м²;

q_доп – допустимая нагрузка на единицу площади бортовой обшивки судна, кН/м²;

q_δ – фактическая нагрузка на единицу площади бортовой обшивки судна, кН/м².

Площадь кранцевой подушки рассматриваемого выше отбойного пала равна F_н = 8 м². Следовательно, предельная нагрузка на борт судна, возникающая при навале судна на отбойный пал

значительно меньше допустимой, установленной Регистром России.

Нагрузка (Рн), кН		Кинетическая энергия (W), кНм
	Деформация (δ), м

Рис. 2 Механические характеристики крайних отбойных палов

1 – зависимость нагрузка-деформация отбоев ТС-200; 2 – то же для отбойной сваи; 3 – суммарная зависимость нагрузка-деформация для пала; 4 – зависимость энергия-деформация для пала в целом.

Изложенное силовое взаимодействие между судном и причалом относятся к швартовке, когда судно имеет простое поступательное движение, когда все точки его имеют одинаковую скорость и в одном направлении.

В практике швартовки перемещение судна до контакта с кранцами и после него на протяженности всего процесса постановки к причалу является сложным и включают в себя поступательное и вращательное движение.