Прайс-лист

Плавучесть понтона: от чего зависит и как оценить нагрузку

плавучесть понтона

Что такое плавучесть простыми словами

Понтон держится на воде благодаря двум силам: тяжести, которая тянет вниз, и выталкивающей силе, которая толкает вверх. Пока они равны, конструкция плавает. Архимед описал эту зависимость еще в третьем веке до нашей эры, и с тех пор формула не изменилась: сила плавучести равна весу вытесненной воды. Пишется формула так:

F = ρ · g · V

где ρ – плотность пресной воды 1000 кг/м³, g – ускорение свободного падения 9,81 м/с², V – объем погруженной части. Именно этот объем называют объемным водоизмещением.

Весовое водоизмещение – это уже не объем, а масса всей конструкции вместе с грузом, выраженная в килограммах. Оно численно равно массе вытесненной воды. У прямоугольного блока коэффициент полноты равен единице, и объем считается простым умножением длины на ширину и осадку. У трубных поплавков полнота сечения около 0,785, а, например, у самоходного хаусбота, который рассматривается по условиям плавучести судна, объемное водоизмещение судна определяется по обводам корпуса, где коэффициент полноты судна лежит между этими значениями.

В приведенных ниже примерах (пешеходный мостик, площадка под баню и основание под хаусбот) мы посчитаем массу вытесненной воды, численно равную в килограммах силе плавучести. Для простоты восприятия берем условные блоки с конкретными габаритами и массами, не указывая тип материала и форму – цифры здесь нужны только для иллюстрации методики расчета. Подробнее о видах понтонов читайте в отдельной статье.

Запас плавучести и осадка

Грузить понтон до верхней кромки нельзя: между рабочей ватерлинией и палубой должен оставаться надводный борт, не дающий волне перехлестнуть через край. Практическое правило гласит: рабочую нагрузку считают при осадке в 80% высоты борта, верхние 20% остаются резервом. Коэффициент плавучести при такой ватерлинии равен 0,2 – пятая часть объема работает как защита от волны и неравномерной загрузки.

схема осадки понтона

Хватит ли пятой части объема, зависит от волнения. По правилу удвоенной высоты волны при волне полметра понадобился бы метр сухого борта, чего у причальных понтонов обычно не бывает. Поэтому на открытых акваториях рабочую осадку снижают до 60-70% высоты борта, жертвуя грузоподъемностью ради сухой палубы. На спокойном закрытом водоеме с волной до 0,1 м обходятся рабочим бортом около 120 мм – наши три примера считаются именно для такого водоема.

Осадка определяет и комфорт ходьбы по причалу. Мостик с надводным бортом 8 см под двумя людьми идет ровно, площадка под баню при рабочей осадке 48 см уже заметно раскачивается шагом, а хаусбот с бортом 16 см требует аккуратной швартовки, чтобы не черпать воду кормой.

осадка понтона

Примеры расчета

Для простоты расчета пешеходного мостика возьмем абстрактный блок размером 2,0×1,0×0,4 м и массой 60 кг. Осадка ничем не нагруженного понтонного модуля определяется делением массы на площадь ватерлинии и плотность воды. Для нашего примера это: 60 / (2 м² · 1000 кг/м³) = 0,03 м. Рабочая осадка по правилу восьмидесяти процентов составляет 0,32 м, водоизмещение при ней 2 · 1 · 0,32 · 1000 = 640 кг. Рабочая нагрузка равна водоизмещению минус собственный вес: 640 — 60 = 580 кг.

мост из модульных понтонов

Площадка под баню – условный блок 3,0×2,0×0,6 м массой 210 кг. Порожним, то есть пустым, он сидит в воде на 3,5 см, рабочая осадка 0,48 м дает водоизмещение 3 · 2 · 0,48 · 1000 = 2880 кг, и на полезную нагрузку остается 2880 — 210 = 2670 кг. Баня-бочка с печью около 2000 кг плюс трое по 100 кг оставляют 370 кг на дрова и запас. Если бы площадку собирали из блоков, как в примере для мостика, их число было бы равно суммарной нагрузке, деленной на рабочий ход блока и умноженной на коэффициент 1,25 запаса на неравномерность. Полученное значение округляется вверх: 2300 / 580 · 1,25 ≈ 5 штук. Мы берем для примера некие блоки в единичном количестве для простоты понимания расчета, но на практике модули для плавучего основания объединяются в единую конструкцию в зависимости от габаритов сооружения, которое требуется удержать на плаву.

сауна на воде

Для иллюстрации расчета основания под дом на воде (хаусбот) возьмем блок с габаритами 6,0×2,5×0,8 м и массой 480 кг. Порожняя осадка около 3 см, рабочая 0,64 м, водоизмещение 6 · 2,5 · 0,64 · 1000=9600 кг, рабочая нагрузка 9600 — 480 = 9120 кг – стены, кровля, мебель, запасы воды и топлива. Для самоходного хаусбота это уже весовое водоизмещение судна в миниатюре, и проверяют его по тому же равенству массы вытесненной воды и массы корпуса. Все три числа получены в рамках примера расчета с конкретными допущениями, в реальном проекте подставляют данные из спецификации.

плавучие дома

Распределение нагрузки, крен и дифферент

Равномерная загрузка – идеализация. Люди собираются у одного борта, печь стоит не по центру, якорная лебедка смещена к носу хаусбота – появляются крен и дифферент. Дифферент на нос мостика возникает, когда трое останавливаются на краю пролета: носовой блок проседает сверх рабочей осадки, а кормовой всплывает. Отрицательная плавучесть отсека, набравшего воду, тянет конструкцию вниз, и соседние секции компенсируют потерю до порога затопления.

Начальная остойчивость зависит прежде всего от ширины блока и высоты центра тяжести. Ширина входит в расчет в кубе, поэтому даже небольшое ее увеличение резко повышает устойчивость. У мостика шириной 1 м метацентрическая высота мала, и два человека на одном краю дают заметный крен. У хаусбота шириной 2,5 м тот же сдвиг массы кренит корпус всего на пару градусов – качка плавная. Площадка под баню шириной 2 м занимает промежуточное положение: смещенная к борту печь вызывает небольшой крен, но не критичный.

Вторая проблема – высокая надстройка. Центр тяжести хаусбота с жилой палубой и крышей поднимается выше, и даже при большой ширине блока остойчивость может стать недостаточной. Проектировщики решают это либо утяжелением нижней части корпуса, либо увеличением осадки за счет более глубоких поплавков. В нашем примере хаусбот имеет рабочую осадку 64 см при высоте борта 80 см – компромисс между полезным объемом внутри и устойчивостью на волне.

якоря у плавдачи

Из-за чего расчет не сходится на практике

Формула дает чистый ответ, объект добавляет неучтенные килограммы. Намокший наполнитель прибавляет к массе пустого блока несколько процентов, вода в негерметичном отсеке съедает объем и создает ту самую отрицательную плавучесть, о которой говорилось выше, обрастание днища за сезон дает несколько килограммов на квадратный метр, наледь зимой нагружает борта сверху. Забытые перила, трап и кнехты мостика добавляют 20-40 кг – до семи процентов его рабочих 580 кг.

Вторая группа расхождений – динамика, не входящая в статический расчет плавучести понтона. Человек – это не только 60-100 кг массы, но и удар при шаге; швартуемое судно дергает причал на волне; проходящий катер поднимает волну, на которую запасена лишь пятая часть борта. В примере с баней хозяин поставил печь с камнями на 120 кг сверх прикидки: осадка выросла на 2 см, коэффициент плавучести упал с 0,2 до 0,17, и волна от катера стала перехлестывать через край.

Третья группа – расхождение паспорта и факта. Толщина стенки отличается от заявленной, крепеж и кабель-каналы не взвешены, а погрешность рулетки на шести метрах корпуса хаусбота меняет объемное водоизмещение примерно на сотню килограммов, поэтому любую прикидку сверяют с натурой.

Модули плавучести и поплавки

Когда расчет показал нехватку объема, конструкцию не обязательно переделывать: снизу или по бортам крепят дополнительные модули плавучести. Если площадку под баню из второго примера поставить не на сплошной блок, а на две трубы диаметром 0,8 м и длиной 3 м, то при осадке 70% диаметра они вытеснят около 2,25 м³ воды. Это дает порядка 2250 кг подъемной силы, что близко к блочному варианту, но круглое сечение все же теряет полезный объем в углах прямоугольного габарита. Площадке под баню добавляют третий поплавок по продольной оси – это приблизительно плюс 1,1 м³ объемного водоизмещения и одновременный рост начальной остойчивости за счет увеличения ширины системы.

баня на стальном понтоне

Хаусбот с дифферентом на нос от лебедки компенсируют кормовым модулем либо переносом балласта; выбор между добавлением объема и перераспределением массы зависит от места под кормовым свесом и от обводов корпуса.

дом на стальных понтонах

Модули полезны и в качестве аварийного резерва: если один отсек потерял герметичность, соседние модули компенсируют потерю объема и не дают конструкции затонуть до прихода ремонтной бригады. Это особенно важно для хаусботов, эксплуатируемых вдали от берега, они должны сохранять условия плавучести судна даже при частичном затоплении.

Понтонные модули
Скидка -5%
Первоначальная цена составляла 4 880₽.Текущая цена: 4 636₽.

Как проверить свои первичные расчеты

Перед обращением к инженеру достаточно трех замеров на объекте. Рулеткой снимают габариты блока – длину, ширину, высоту борта и шаг каркаса в метрах с точностью до сантиметра. Рейкой, прижатой к борту в безветрие, измеряют фактическую осадку и надводный борт. Затем записывают суммарную нагрузку на понтоне: настил, ограждение, оборудование, люди и запасы, хотя бы укрупненно, с нормой 100 кг на человека.

Эти три числа – геометрия, фактическая осадка, суммарная нагрузка – позволяют за один проход пересчитать объемное водоизмещение и сравнить его с полным объемом блока. Расхождение фактической осадки с расчетной свыше 15-20% указывает на неучтенный фактор – воду в отсеке, намокший утеплитель, лишний груз или неучтенный крепеж. Отправив замеры и фотографию ватерлинии, получают проверку расчета плавучести понтона без выезда специалиста; инженер сверит весовое водоизмещение с паспортным и назовет фактический коэффициент плавучести.

Поделиться с друзьями
Купить плавучий понтон для причала в Самаре
Добавить комментарий