Постройка малых судов из армоцемента. Часть 1.


1. ВВЕДЕНИЕ. Итальянец профес¬сор П. Л. Нерви впервые продемонстрировал возможности армоцемента для постройки малых судов более 30 лет назад, однако только в последние 15 лет этот материал заинтересовал судостроителей, в первую очередь — в ряде относительно малоразвитых стран. Можно, например, отметить ряд причин, по которым, несмотря на недоверие к этому новому материалу, армоцемент получил развитие у нас—в Новой Зеландии.

 

Листовая Сталь, как и составляющие стеклопластика, импортируются из Австралии и Японии, высококачественная древесина становится все более труднодоступной. Высококачественные клеи, крепеж и водостойкая фанера настолько дороги, что постройка деревянного судна уже не по средствам любителю со средним достатком. В то же время развито производство цемента, поскольку железобетон используется исключительно широко. Проволока, арматурные стержни и сетка не только импортируются, но вырабатываются уже и на своих заводах.

 

Эти факторы и обусловили как развитие любительского армоцементного судостроения, так и соответствующую специализацию ряда верфей. Уже накопившие известный опыт новозеландские судостроители нередко разрабатывают проекты малых судов разнообразного назначения для других стран.

 

В конце 60-х годов началась широкая кампания по пропаганде армоцемента как нового дешевого, технологичного и даже легкого материала. Вышло несколько книг, было опубликовано множество статей в яхтенных журналах, были разработаны буквально тысячи проектов, образованы любительские ассоциации. Однако практические результаты слишком часто оказывались неудачными. Конструкторы-профессионалы брались за разработку армоцементных судов, а верфи за их постройку, не имея практически никакого опыта.

 

По окончании постройки выяснялось, что вес судна намного превышает проектный, краска не пристает к цементу, корпус недостаточно жесткий и подвержен сильной вибрации. Особенно много неудач приходилось на долю самодеятельных судостроителей: их невзрачные суда зачастую ломались при снятии со стапеля и спуске на воду, терпели аварии во время первых же испытательных рейсов.

 

Неизбежно последовала соответствующая реакция специалистов. В 1972—1973 гг. появилось не менее десятка авторитетных статей, в которых осуждалось безответственное превознесение достоинств армоцемента. Эти статьи содержали много правды и объективно были необходимы, чтобы привлечь внимание к еще нерешенным вопросам, но все же выводы авторов часто оказывались слишком пессимистичными. (Подобные статьи печатались также и на сравнимых начальных стадиях освоения всех других новых материалов: считались же непреодолимыми препятствиями расслоение фанеры, трещины сварных швов, коррозия алюминиевых сплавов, воздействие солнца на стеклопластик). При освоении любой новой технологии закономерен этап тщательного изучения всех положительных и отрицательных уроков, отбора лучших материалов, отработки приемов. Армоцемент не является исключением!

 

В настоящее время налицо устойчивый интерес к армоцементному судостроению, особенно к постройке малых судов для эксплуатации в условиях тропического климата. Недавние успехи в создании более эластичной и трещиностойкой формы армоцемента позволяют надеяться, что в будущем этот материал будет еще более успешно конкурировать со сталью, чем в настоящее время. То, что армоцементное судно может быть построено из доступных материалов и с использованием неквалифицированной рабочей силы, также в ряде случаев обусловливает обращение к армоцементу. Обширные программы по развитию армоцементного судостроения существуют в Индии, на Кубе, в Бангладеш, КНР, Индонезии. Центры армоцементного судостроения уже работают в США и Канаде, в Австралии и на островах Тихого океана.

 

2. ПРЕИМУЩЕСТВА И НЕДОСТАТКИ. Выбор материала редко делается на основе только одного рационального анализа. Не менее, чем чисто экономические или инженерные соображения, важны имеющийся опыт и личное отношение к тому или иному материалу самого строителя. Все, что написано ниже, не должно ни разочаровать энтузиастов, ни вдохнуть оптимизм в скептиков: мы считаем, что важно дать реалистическое понимание преимуществ и недостатков нового материала.

 

Нельзя слепо руководствоваться мнением, что трудоемкость армоцементного судостроения обязательно ниже какого-то сравнимого уровня: слишком многое зависит от применяемых методов и опыта. Один строитель завершает корпус полностью за то время, в течение которого другой успевает лишь связать арматуру.

 

И неудивительно, что одни верфи преуспевают в получении заказов, а другие оказываются не в состоянии конкурировать с предприятиями, спользующими традиционные материалы.

 

Уровень квалификации, требующийся от строителя судна из армоцемента, действительно, сравнительно низок. Разумеется, требуется определенный опыт, чтобы, например, правильно выполнить плазовую разбивку или выставить лекала. Однако, как показывает практика, эти чисто судостроительные премудрости удается освоить довольно быстро. (Другое дело — сложные специальности деревообделочника-шлюпочника или слесаря-судосборщика, усовершенствоваться в которых можно только после длительной практики!)

 

Большинство работ при постройке армоцементного корпуса может выполняться рабочими без специальной подготовки: это Монтаж арматуры, связывание, выравнивание и уплотнение пакета сетки и т. п. Однако квалифицированный труд необходим по крайней мере на двух этапах: при сварке арматуры закладки — киля, фор- и ахтерштевней и омоноличивании арматуры раствором.

 

Следует иметь в виду, что во всех случаях от рабочих требуется ясное понимание задачи: перед началом каждого нового этапа необходим подробный инструктаж, каким бы простым ни казалось дело. И второе. Трудоемкость постройки корпуса обычно составляет лишь от 1/5 до 1/3 общей трудоемкости постройки судна (в зависимости от сложности проекта и того, из какого материала выполняются надстройки, цистерны).

 

Наибольшие расходы строитель несет при оборудовании и достройке судна, когда поневоле приходится привлекать высококвалифицированных специалистов для монтажа механизмов, обстройки кают, шитья парусов и т. п. Так что для верфи возможность снижения квалификации привлекаемых для постройки корпуса рабочих далеко не всегда имеет действительно первостепенное значение.

 

Армоцемент имеет репутацию дешевого материала, хотя не менее важна практическая доступность тех или иных его составляющих. И здесь все зависит от конкретных возможностей и конкретного проекта. Полученная в результате применения армоцемента экономия, равная 25% стоимости корпуса, составляющей, скажем, 20% стоимости полностью оборудованного судна, дает только 5% экономии общей стоимости! Строить дешевое судно и строить дешевый корпус — это отнюдь не одно и то же.

 

Необходимо провести идею снижения стоимости и при разработке всех чертежей и при разработке технологии. (Любопытно, что это очевидное положение в высокоразвитых странах противоречит наметившейся тенденции строить прогулочные суда из дорогих материалов и. оснащать их все более дорогим оборудованием, объясняющейся скорее модой, чем функциональной необходимостью.)

 

                                                               Рис. 1. Зависимость деформации (прогиб f) пластины от нагрузки W.

 

Точка А—начало образования трещин в монолите; В—начало текучести стальной арматуры; С—полное разрушение пластины. 1—сетка из обычной углеродистой стали; 2—армирующая сетка из высокопрочной стали.

                           Рис. 2. Эффект действия нагрузки и последующего ее снятия в области упругих деформаций диаграммы (в зоне до точки А).

 

1—кривая первоначальной нагрузки; 2—кривая разгрузки и действия всех последующих

                         Рис. 3. Теоретический чертеж армоцементной яхты конструкции Б. В. Донована. Длина—12,2 м; ширина—3,5 м; осадка —1,8 м.

                                                  Рис. 4. Сравнение равнопрочных элементов корпуса яхты, выполненных из различных материалов:

 

а — дерево; б — стеклопластик; в — сталь; г — ж — армоцемент.

 

Для ряда слаборазвитых стран важно то, что постройка армоцементных судов возможна вдали от промышленных центров и даже прямо на берегу — без какой-либо защиты от непогоды. Другой фактор, особенно важный для самодеятельных судостроителей,— это возможность обойтись без дорогостоящих механических средств, таких, как гильотины, подъемные краны или деревообделочные станки. Работа в основном, вплоть до стадии омоноличивания корпуса, легко выполняется вручную.

 

Если и есть «слабое место» в армоцементном судостроении, то это огромная ответственность решающего этапа, когда омоноличиванием подводится итог всем, иногда очень значительным затратам труда. В этот день тщательность работы является особо важным требованием. Хотя существуют различные технологические методы постройки, обычно рекомендуется наносить раствор на арматуру за один прием, а корпус не разрешается «тревожить» несколько дней после омоноличивания; уход же за корпусом должен начинаться вскоре после нанесения раствора и продолжаться без перерыва.

 

Однако и эти требования не абсолютны: корпус иногда омоноличивают в течение нескольких дней; гидрация цемента, т. е. поглощение влаги при затвердевании, будет продолжаться, если даже уход за обшивкой (увлажнение) прерван. Важно подчеркнуть, что на этой стадии чаще всего допускаются ошибки, которые в некоторых случаях трудно исправимы или даже неисправимы.

 

Армоцемент не страдает ни от коррозии заклепок или гвоздей, ни от действия солнечных лучей либо древоточцев. Нет проблем, связанных со ржавлением или гальванической коррозией арматуры. Армоцемент не горит и не получает ощутимых повреждений от огня. Его прочность не уменьшается с течением времени, а может даже несколько возрастать с продолжением гидрации. Нет трещинообразования, связанного с набуханием и высыханием; мелкие трещины «самозалечиваются», если среда позволяет продолжаться химическому процессу.

 

В случае повреждения ремонт может быть выполнен быстро и простыми средствами; временный ремонт можно сделать даже под водой. В большинстве случаев повреждения носят местный характер, так что ремонт требуется только на ограниченной площади в зоне удара. Армоцементный корпус избавлен от протекающих швов, имеет более высокие термоизоляционные свойства и меньше передает шум и вибрацию, чем металлические корпуса.

 

Недостатки материала могут быть кратко сформулированы так.

 

1) Армоцемент тяжелее стали; если работа выполняется недостаточно тщательно, армоцементный корпус получается намного тяжелее стального.

 

2)Если корпус строится на реечном болване или на отдельно стоящих лекалах, лицевая поверхность обшивки выходит грубой — неровной, а когда строитель сглаживает неровности дополнительным количеством раствора, вес корпуса увеличивается еще больше.

 

3)Материал склонен к образованию трещин, истиранию и откалыванию при небрежной эксплуатации;

 

это может привести к ржавлению арматуры (применением соответствующей защиты в виде привальных брусьев, кранцев и т. п. указанный недостаток вполне устраним).

 

4)При неправильной технологии постройки на поверхности армоцемента могут появиться пятна ржавчины — арматура корродирует. Это усложняется тем, что довольно часто повреждается защитный слой краски. Наконец, практически невозможно оценить качество омоноличивания, т.е. определить — правильно или нет построен корпус. Так же трудно установить действительное состояние арматуры; ранние стадии ее разрушения не меют внешних признаков.

 

Контроль в процессе постройки армоцементного корпуса исключительно важен; на верфях необходима выдача сертификата, который удостоверял бы высокое качество работы.

 

3. ХАРАКТЕРИСТИКИ АРМОЦЕМЕНТА.

 

Армоцемент — разновидность железобетона, характеризующаяся высокой степенью армирования при высокой дисперсности арматуры, состоящей из большого числа тонких проволочек сетки (а не из нескольких толстых стержней, как в железобетоне). Армоцемент, в отличие от классического железобетона, может быть использован для изготовления тонкостенных прочных конструкций.

 

Сварная сетка с квадратной ячейкой — отличный армирующий материал.

 

Сетка изготавливается из высокопрочной проволоки и имеет равную прочность в продольном и в поперечном направлениях. Еe недостаток — сложность укладки на криволинейные поверхности. Арматура в армоцементе выполняет несколько назначений.

 

Очень важно, что она препятствует возникновению и ограничивает распространение трещин, благодаря чему армоцементные корпуса остаются водонепроницаемыми даже под действием значительных нагрузок или термических напряжений при охлаждении или нагреве. В зависимости от назначения конструкции арматура может служить в первую очередь упрочняющим элементом или главным образом средством против образования местных трещин, либо даже просто формообразующим «переплетным» материалом, удерживающим раствор во время омоноличи-вания.

 

В табл. 1 приводятся некоторые характеристики армоцемента в сравнении с эквивалентными сечениями связей корпуса, выполненных из стали, стеклопластика или дерева. Рассмотрение характеристик материала позволит читателю определить, какие конструктивные детали наиболее важны с точки зрения возможных эксплуатационных повреждений.

 

Сопротивление сжатию. Определяется прежде всего прочностью монолита (цемента) и геометрической формой пластины, поддерживаемой набором. Для целей сравнения максимальных нагрузок приводимые разрушающие напряжения при сжатии умножаются на площадь поперечного сечения пластины. Авторы, к слову сказать, никогда не наблюдали разрушения армоцементных корпусных конструкций от сжатия в чистом виде.

 

Прочность на разрыв. Определяется содержанием стальной арматуры в поперечном сечении детали (сам монолит дает трещины уже при сравнительно низких напряжениях). Для целей сравнения предельная нагрузка может быть найдена как произведение разрывного напряжения стали на площадь действующих стержней или проволок арматуры.

 

Разрывные разрушения довольно часто происходят как при недостаточном количестве арматуры, ориентированной в направлении действующих усилий, так и при недостаточной ее прочности на разрыв. Более распространенным явлением, чем разрыв арматуры, оказывается текучесть стали, вызывающая образование тре¬щин в монолите; через трещины же к стали проникает вода и развивается разрушающая ее коррозия.

 

Прочность на изгиб и ударная стойкость. Напряжения изгиба (в чистом виде или совместно с другими, меньшими напряжениями) также нередко вызывают разрушения конструкций в неправильно спроектированных или построенных корпусах, либо на судах, подвергшихся опасным нагрузкам при аварии, например посадке на мель.

 

Трещины от изгибных напряжений чаще всего появляются в соединении борта и палубы (при отсутствии скругления или книц); в районе перехода обшивки днища в киль (если флоры оканчиваются ниже перегиба шпангоутов); в плоских неподкрепленных конструкциях, подвергающихся периодическому изгибу и усталостным напряжениям; в неподкрепленных вогнутых, если смотреть с наружной стороны корпуса, районах обшивки.

 

На изгибную прочность армоцементных корпусов оказывают наиболее существенное влияние: тип и ориентация армирующее сетки;

 

предпочтительно, чтобы сетка имела равную прочность во всех направлениях;

 

насыщенность арматурой, характеризуемая отношением объема арматуры к объему армоцемента (5% —допустимый минимум);

 

дисперсность арматуры, т. е. степень ее распределения по объему конструкции;

 

еще раз подчеркнем, что множество тонких проволочек обеспечивает и лучшую стойкость против трещин, чем малое число толстых стержней (при том же количестве стали), и лучшее восприятие усилий всем сечением конструкции (связь между толстыми стержнями и окружающим их монолитом вообще оказывается недостаточной для того, чтобы эффективно нагрузить арматуру);

 

разрывная прочность проволоки и стержней; применение высокопрочной проволоки в ряде случаев оказывается выгоднее; расположение арматуры в сечении детали; расположение проволок вблизи поверхностей обеспечивает более эффективную работу конструкции при изгибе.

 

Важно правильно представлять себе картину работы и разрушения армоцементных конструкций. На рис. 1 показана типичная (упрощенная) зависимость деформации от нагрузки при изгибе тонкой армоцементной пластины. При сравнительно небольшой нагрузке, соответствующей точке А, монолит начинает давать трещины на стороне растяжения, эти трещины становятся все глубже, а проволочки арматуры воспринимают на себя все большую нагрузку.

 

Вплоть до точки В повреждения поперечного сечения пластины нет, хотя могут быть некоторые различия в виде кривой, поскольку пластина уже треснула (эта зона кривой показана на рис. 2). В точке В напряжения в проволоке достигают предела текучести; после этого деформации возрастают гораздо быстрее, трещины распространяются глубже и открываются шире, пока в точке С напряжения в арматуре не достигнут разрушающего значения, пластина сломается.

 

Заштрихованная площадь, обозначенная цифрой I, характеризует плотность пластины, или ее способность поглощать ударную энергию до начала разрушения. Повреждения обшивки судов при столкновениях довольно распространены, так что именно эта характеристика практически очень важна.

 

Площадь диаграммы, обозначенная цифрой II, характеризует количество энергии, требующейся для того, чтобы развить повреждение до полного разрушения. В области от точки В до точки С появляется остаточная деформация, т. е. трещины после снятия нагрузки не закроются, после нагрузок выше уровня В потребуется ремонт. Очевидно, в реальной конструкции рабочие напряжения не должны превышать значения предела текучести стали.

 

На том же рис. 1 сравниваются диаграммы двух пластин, армированных сетками из сталей, отличающихся по прочности. Видно, что площадь участка поглощения удара I для сетки из высокопрочной проволоки больше, чем для сетки из обычной углеродистой стали, а площадь участка II — меньше (т. е. чтобы трещины в области рабочих напряжений не раскрывались чрезмерно, необходима большая поверхность проволоки).

 

В табл. 2 приводятся данные по теоретической прочности на изгиб для точки В (предел текучести) и точки С (предел прочности) монолита и армирующей сетки нескольких типов, изготовленной из проволоки разной прочности.

 

Следует заметить, что величина предельной нагрузки на сжатие монолита для характеристики сопротивления пластины изгибу сравнительно неважна (выше некоторого минимального значения). Тот факт, что прочность монолита не является критической, возможно, и объясняет (в большой степени) почему иногда армоцементные корпуса эксплуатируются успешно даже при заведомо низком качестве изготовления: материал почти всегда недогружен, сталь арматуры на стороне растяжения долго течет, прежде чем напряжения на стороне сжатия достигнут разрушающего для монолита значения.

 

Тем не менее подчеркнем, что высокое качество монолита — цемента — во всех случаях желательно для получения необходимой водонепроницаемости, сопротивления истиранию и прочности обшивки при работе на сдвиг (перпендикулярно ее поверхности).

 

Динамический удар. Необходимо различать динамическую точечную нагрузку, приложенную нормально к сечению (вызывающую сдвиг, прокол материала) и ранее упомянутое поглощение энергии удара при изгибе пластины. Точечная нагрузка, могущая вызвать повреждение корпуса, — случай, более типичный для рабочих судов, чем для прогулочных катеров и яхт.

 

Те же факторы, которые обеспечивают прочность пластины при работе на изгиб, важны и для обеспечения эффективности ее работы при динамическом ударе. Это толщина сечения, прочность проволоки, использование на стороне растяжения покрытия из материала с высокой прочностью, подкрепление панели связями набора и различными вспомогательными конструкциями (например, стенками цистерн из стеклопластика, стали и т. п.).

 

Максимальная теоретическая прочность (и соответственно — минимальный вес), доступность и приемлемая цена — это отнюдь не все требования, предъявляемые к выбранным материалам и конструкциям. Не менее важны технологические соображения. Два примера показывают сущность подобных чисто практических соображений.

 

Стержни (прутки) являются заведомо менее эффективным армирующим материалом, чем сетка, однако их приходится использовать (в комбинации с сеткой) в качестве оформителей обводов. Таким образом, стержни арматуры выполняют самостоятельную функцию, отличную от их роли в обеспечении прочности конструкции.

 

Сетка с очень мелкой ячейкой теоретически гарантирует значительно большую прочность конструкции, однако пакет такой сетки трудно, а то и невозможно пропитать раствором при омоноличивании; получающиеся пустоты на практике приведут к падению прочности, неизбежно вызовут коррозию.

 

Первым этапом постройки армоцементного корпуса является изготовление формы — чаще всего пуансона (болвана) в виде набора лекал, которые могут стать частью конструкции судна или могут быть удалены после омоноличивания. На форме монтируется арматура, затем арматуру пропитывают цементно-песчаным раствором.

 

В пределах этой основной схемы известно множество вариантов. Одни, например, строят корпуса с часто поставленными шпангоутами, другие идут на увеличение толщины обшивки и обходятся минимальным числом внутренних подкреплений.

 

IV. АРМОЦЕМЕНТ В СРАВНЕНИИ С ДРУГИМИ МАТЕРИАЛАМИ.

 

Конструкция со шпангоутами. Сравним равнопрочные конструкции, выполненные из различных материалов. В качестве основы рассмотрим узлы корпуса 12,2-метровой парусно-моторной яхты, теоретический чертеж которой приведен на рис. 3. Типичные сечения связей при поперечной системе набора по правилам Английского Ллойда представлены на рис. 4, как и различные варианты армоцементной конструкции с квадратной либо шестиугольной («птичьей» — изготовляемой для птицеферм) армирующей сеткой.

 

Расстояние между шпангоутами армоцементного корпуса может показаться чрезмерным, но подобная ситуация обычна при постройке на устанавливаемых внутри корпуса лекалах; редко поставленные шпангоуты адекватно определяют обводы яхты. Если ставить шпангоуты чаще, намного возрастает трудоемкость постройки (затраты как на изготовление самих шпангоутов, так и установку их на стапель, крепление к ним сетки и омоноличивание).

 

Основанием для выбора шпации иногда служат такие соображения, как необходимость размещения спальных мест в пределах целого количества шпаций или заданное расстояние между переборками. Армоцементные шпангоуты, показанные на рис. 4, нельзя назвать высокоэффективными с конструктивной точки зрения: нет поясков на шпангоутах, шпангоуты переходят в обшивку без скругления — не плавно (около них создается концентрация напряжений при изгибе обшивки).

 

Тем не менее такие «плоские» шпангоуты применяют очень часто: их не только легче изготовить, но и можно заказать где-либо на заводе в виде шпангоутных рамок, использовать которые могут даже любители, находящиеся вдали от основного производства; к подобным шпангоутам легко крепить поперечные переборки или детали обстройки.

 

Узел типа «г» имеет недостаточное армирование и приводится в качестве простейшей конструкции с минимальным числом стрингеров сравнительно большого диаметра (около 6 мм) и армированием 8 слоями «птичьей» сетки (по 4 с обеих сторон стрингеров). Узлы типа «д» отличаются тем, что применены прутки вдвое меньшего диаметра, направленные как вдоль, так и поперек корпуса. И эта схема приведена только для того, чтобы дать представление о способах, используемых с очевидным успехом.

 

Для изготовления корпусов с узлами типа «е» используются прутки диаметром 5 мм и 6 слоев высокопрочной сварной сетки из проволоки 0 1 мм с квадратной ячейкой 12,5 мм. При армировании по схеме «ж» применяют вырабатываемую в Новой Зеландии плетеную «объемную» сетку Уотсона, укладываемую на шпангоуты без установки стрингеров, что дает явную экономию времени. Последние две схемы широко распространены и сравнимы с конструкциями из других материалов.

 

Подчеркнем, что практически те же схемы армирования используются и в конструкциях, подкрепленных намного более частым набором из шпангоутов, деревянных или пенопластовых стрингеров и т. п.

 

Из приведенных данных можно сделать заключение, что сравнительно просто и дешево можно построить армоцементный корпус с достаточной местной прочностью, но вес его получится большим — сравнимым лишь с весом стального корпуса с традиционным набором. Если от армоцементной конструкции требуется высокая эффективность, необходимо использовать специальную технолоию и специальные исходные материалы.

 

Структура обшивки. Важна возможность превратить большую часть внешней нагрузки в напряжения, возникающие в монолитной обшивке, а не в шпангоутах и стрингерах набора; это для армоцемента тем более предпочтительно, если основная нагрузка становится сжимающей. (Армоцемент лучше воспринимает такую нагрузку благодаря отсутствию швов, достаточной толщине сечения и высокому пределу прочности на сжатие.)

 

Способность наружной обшивки воспринимать изгибающий момент можно характеризовать произведением модуля сечения обшивки на максимальные напряжения изгиба. В табл. 3 приведены сравнительные данные по несущей способности обшивки из разных материалов. Стеклопластик наиболее эффективен; прочность армоцементной обшивки на втором месте.

 

Сталь и армоцемент в данном случае сравнимы; сталь оказывается выгоднее, если используются высокопрочные сплавы или для армоцемента применяется сетка с низкой прочностью. Таким образом, качественный армоцемент в общем сравним со сталью, но уступает стеклопластику.

 

И. Ц. Bayx, Г. Л. Boyэн.

 

Источник : «Катера и яхты» №5 (69) сентябрь-октябрь 1977г

 

Оставить комментарий

Комментарии: 4
  • #1

    rytuał miłosny (Вторник, 11 Апрель 2017 01:00)

    rytuał miłosny

  • #2

    anal granny (Четверг, 13 Апрель 2017 13:19)

    bes porn

  • #3

    Cialis 100mg (Пятница, 14 Июль 2017 13:57)

    Suhagra

  • #4

    kamagra (Воскресенье, 13 Август 2017 00:49)

    anal double penetration