Проектирование конструкций деревянных яхт. Анатолий Кузнецов

Все привыкли относиться к Правилам Английского Ллойда, изданным в середине прошлого века для деревянных и композитных конструкций малых судов, как к истине в последней инстанции (в русском переводе издано МП «Паруса России» в 1993 г. под названием «Правила и технические нормы классификации яхт и малых судов. Часть 2 – Конструкция корпуса. Глава 4 – Дерево и композиты. Регистр судоходства Ллойда. Отделение яхт и малых судов».

Безусловно, огромная аналитическая работа, проведенная при создании этих Правил заслуживает бесконечного уважения. Практически все классификационные общества содержат эти нормативы в качестве базовых, не меняя ни одного из пунктов требований. Фактически эти требования стали своего рода «библией» для проектантов малого деревянного флота.

Никто не сможет сказать, что приводимые в этих Правилах нормативы прочности и жесткости деревянных конструкций малых судов (до 24 м длиной) недостаточны или завышены. При этом следует соотносить требования Правил и уровень технологий сборки доступных на момент их создания. Основное отличие в их применении в современных условиях заключается в возможности использования клеевых соединений с гарантированной прочностью.

Рассматриваемые Правила ориентированы на обеспечение прочности соединений посредством механических креплений (болты, шурупы, заклепки), а клеевые соединения рассматриваются, скорее, как средство герметизации, т.е. недоверие к клеевым соединениям выражено в требованиях однозначно. Недоверие естественное: Правила обобщали многовековой опыт проектирования деревянных конструкций без учета появления качественных долгоживущих синтетических клеев. В настоящее время технологии соединения деревянных конструкций существенно изменились. Никого не удивляет, что при применении качественных эпоксидных клеев разрушение при испытаниях образцов происходит «по живому», т.е. разрушается древесина, а не клеевое соединение. Происходит это из-за того, что клеевой компаунд, проникая в поры древесины на глубину более 5 мм, создает полимерную структуру, более прочную, чем массив древесины. В этом есть и положительные и отрицательные моменты с точки зрения проектирования деревянных конструкций в современных условиях.

Оставим в стороне требования иных национальных правил, местами отличающихся существенной неадекватностью, и будем считать, что в соответствии с принятием документа «О порядке введения в действие технического регламента Таможенного союза «О безопасности маломерных судов» (ТР ТС 026/2012)», требования к рассматриваемым объектам приблизятся к международным, пусть и не сразу. Следовательно, при проектировании можно ориентироваться с одной стороны на нормативы европейских стандартов группы ISO Small Craft, вежливо умалчивающих свое признание рассматриваемых Правил, с другой стороны – принимать требования данной группы стандартов о корректировке параметров конструкций, регламентированных Регистром Ллойда. Причины, по которым указанная группа стандартов признает, но оставляет в стороне вопрос «детального регламентирования» конструкций достаточно просты: деревянные суда – это «штучный продукт», в отличие от пластиковых, стальных и алюминиевых.

Выбор концепции проектирования
В сложившихся условиях при проектировании судовых конструкций для диапазона скоростей хода, рассматриваемого Правилами, необходима компиляция требований Правил и стандартов группы ISO Small Craft.
Соответственно возникает вопрос – что и откуда принимать? Конструктивные решения должны беспрепятственно приниматься контролирующими структурами, уважающими Правила RL и стандарты ISO Small Craft.

Соображения могут быть следующие:
- напрямую рекомендации Правил RL применимы только при поперечной системе набора;
- требования применимости сортов древесины для отдельных конструкций неоспоримы, но могут быть расширены, поскольку охват спектра пород древесины Правилами неполон;
- сечения продольных связей и конструктивные узлы их соединений (киль, форштевень, ахтерштевень, привальные брусья, скуловые стрингеры, карлингсы) следует принимать по нормативам Правил;
- шпангоуты и флоры, размеры которых принимаются по требованиям Правил, в большинстве случаев не требуют корректировки с учетом стандартов группы ISO Small Craft;
- схемы набора с гнутыми деревянными шпангоутами, натесными и их комбинациям следует оставить истории – оптимальной в современных условиях является схема с замкнутыми рамами, состоящими из ламинированных связей: шпангоуты, флор, бимс;
- размеры бимсов, определяемые по требованиям Правил могут оказаться завышенными, т.к. не учитывают наличие карлингсов; в случае существенного завышения сечений шпангоутов следует обратиться к схеме определения размеров бимсов по стандартам ISO Small Craft;
- толщина реечной однослойной наружной обшивки «вгладь», регламентируемая Правилами, является неоспоримой независимо от способов соединения поясьев;
- многослойные ламинированные варианты обшивки требуют обоснования по нормативам стандартов ISO Small Craft, прежде всего потому, что Правила не предусматривают межслоевую переклейку;
- толщина фанерной обшивки, определяемая в соответствии с требованиями Правил, обычно завышена по сравнению с требованиями ISO Small Craft;
- при определении размеров палубных настилов следует ориентироваться на требования ISO Small Craft, поскольку современные конструктивные решения существенно отличаются от схем, рассматриваемых Правилами;
- варианты использования крепежа в соединениях обшивки с набором, кромок обшивок и настилов, слоев обшивки между собой, регламентированные Правилами, не предусматривают надежной склейки и при применении современных технологий сборки избыточны (альтернативные варианты могут обосновываться расчетами по существующим методикам).
- при применении продольной системы набора лучше использовать рекомендации ISO Small Craft для определения размеров продольных ребер жесткости, шпангоутов, флоров, бимсов, но для основных продольных связей (элементы закладки, привальные брусья, клямсы) можно использовать рекомендации Правил, а скуловые стрингеры в данном случае можно игнорировать.

О ВЛИЯНИИ СОВРЕМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ НА ПРОЧНОСТЬ И ДОЛГОВЕЧНОСТЬ ДЕРЕВЯННОЙ ОБШИВКИ.

Почему старые деревянные яхты живут так долго?
25 лет назад мне пришлось видеть в Сеуте деревянную парусную шхуну длиной 32 м в возрасте 110 лет, прожившую без капитальных ремонтов. Я уверен, что и сейчас она в строю. Дубовый набор, тиковые обшивки и настилы. На момент встречи с этим судном ни один пояс обшивки, кроме получивших механические повреждения, заменен не был. Конечно, для деревянного судна очень важен уход, но никакой уход не обеспечит такой долгой жизни, если не подкреплен верными конструктивными решениями. Никто не возразит против аксиомы «жива деревянная обшивка – живо судно». Тик – тиком, но причины долгожительства не только в нем.
Особенность деревянной обшивки – в способности ее элементов менять свои размеры: набухать при увеличении влажности и усыхать при ее уменьшении. Общеизвестна необходимость «замачивать» яхту с реечной обшивкой после зимней стоянки и ремонта. При этом ликвидация шпатлевкой щелей, возникших в результате «рассыхания», приводят к короблению обшивки. Если используются «мягкие» варианты шпатлевки (типа масляной или герметиков), то ее выдавливание все равно приводит к необходимости дополнительной обработки наружной обшивки. Попытки намертво скрепить поясья между собой ведут к разрывам реечной обшивки «по живому» и необходимости их замены с течением времени. Аналогичные неприятности свойственны и многослойным вариантам обшивки.
Конструктивные меры, применяемые во избежание этих неприятностей, сводятся к трем вариантам конструктива наружной обшивки:
- Вариант, рекомендуемый Правилами (рис. 1).

Рис.1 Классическая однослойная реечная обшивка, выполненная по требованиям Правил RL. Сквозные крепления к набору и скрепление поясьев между собой крепежом в шпации.

Соединение поясьев происходит по выпуклой и вогнутой кромкам. При этом точечные крепления к набору шурупами или заклепками допускают угловые перемещения поясьев относительно точек крепления при изменении их размеров. И в случае бесклеевого (механического) крепления поясьев друг к другу, и в случае применение резорциновых клеев податливость соединения достаточна для предотвращения опасности разрыва реек «по живому». Недостатком бесклеевого соединения является необходимость предсезонного «замачивания» судна. Вариант широко применяемый, рекомендуемый, проверенный практикой.

По этой же схеме Правила предлагают применение двухслойной реечной обшивки:
- с горизонтальным расположением реек и перекрытием пазов;
- с двумя диагональными слоями;
- с внутренним диагональным и наружным продольным слоем (рис.2).

Рис.2 Классическая двухслойная реечная обшивка, выполненная по требованиям Правил RL. Сквозные крепления к набору и скрепления поясьев между собой крепежом в шпации с межслойной прокладкой из ткани, пропитанной натуральной олифой.

Наружный, более толстый слой, является несущим, а внутренний – уплотняющим (с учетом требования наличия между ними тканевой прокладки, пропитанной натуральной олифой). Эффект рассыхания в этом случае нивелируется, а все преимущества, свойственные однослойной обшивке, сохраняются полностью.

- Вариант «элитный». Применялся в конце позапрошлого века и начале прошлого при строительстве крупных яхт из качественных пород древесины, например «Орион» (Николаев), «Альбатрос» (Бердянск, обе получены по репарации).

Соединение поясьев производится так же, как и в первом случае, но склейка не производится, а в стыкуемых кромках поясьев делается продольная радиальная выборка. В образовавшуюся цилиндрическую продольную канавку укладывается шнур из натурального шелка, пропитанный льняной олифой. Этот дорогой вариант обеспечивает необходимую податливость, одновременно герметизируя пазы независимо от влажности поясьев обшивки (рис.3).

Рис.3 Элитная однослойная реечная обшивка. Сквозные крепления к набору и скрепления поясьев между собой крепежом в шпации с укладкой шелкового шнура, пропитанного натуральной олифой.

- Вариант многослойной диагональной обшивки в основном применялся при строительстве скоростных судов (яхты, торпедные катера).
Многослойная (2-3 слоя) реечная или из полос бакелизированной фанеры обшивка крепилась послойно механическим крепежом (шурупы, заклепки) к набору и скреплялась междуслойно. Между слоями прокладывалась ткань, пропитанная натуральной олифой или свинцовым суриком (по схеме рис.2). Податливость соединений и герметичность достаточны для обеспечения нужного уровня долговечности.

Почему эти проверенные рецепты нам не подходят?

То, что надежно, проверено веками – очень дорого и, к сожалению, несовместимо с современными клеями. При применении эпоксидных или полиэфирных клеев обшивка по варианту 1 превращается в оболочку, ничем не отличающуюся от клееной реечной обшивки с плоскими прималковаными кромками. Эта «скорлупа» будет иметь слабые звенья в зонах локальных дефектов реек, при рассыхании обшивку будет рвать со всеми вытекающими последствиями. Не спасет и оклейка стеклопластиком в два слоя, его порвет тоже. Варианты 2 и 3 могут без ущерба применяться с проклейкой только по набору, но количество и стоимость крепежа и материалов будут приводить в ужас.

Следовательно, при проектировании необходимо сохранить то, что проверено веками, и адаптировать к современным материалам и технологиям.

Некоторые рекомендации из современной практики
Оставим за кадром технологии Speed Strip. Мало еще времени прошло, да и деревянными эти конструкции назвать сложно. Будем ближе к классике. Чего бы мы не придумывали, набор останется набором, а вариантов конструкции обшивки всего четыре:
1) однослойная реечная обшивка «вгладь»;
2) многослойная реечная обшивка (2-3 слоя) с продольным расположением поясьев и перекройкой пазов;
3) многослойная реечная обшивка с диагональным расположением поясьев или диагонально-продольная;
4) многослойная ламинированная обшивка из полос шпона.

Набор:
- Качественные балки набора, особенно при больших размерах сечений, можно получить только применением технологии ламинирования. Следует помнить, что балка, склеенная из нескольких реек, жестче, надежнее и менее подвержена влияниям изменения влажности, чем цельная. Чем больше размер цельной деревянной детали, тем больше вероятность появления трещин в процессе эксплуатации. Попилите на части и склейте. Кроме того, неоспоримы преимущества ламинирования шпангоутов двойной толщины с последующим их роспуском. В этом случае получается идеально симметричный корпус.
Кроме того, криволинейные балки, например килевой брус, при постройке корпуса «вверх килем» можно ламинировать на установленных шпангоутных рамах практически в чистый размер.

Однослойная реечная обшивка вгладь:
- Клинкерную обшивку применять не рекомендуем. Если уже без этого никак, тогда пробуйте. Индивидуальная профилировка и подгонка каждого пояса обшивки, высокие требования к точности исполнения и качеству древесины могут окупиться только при серийном производстве при наличии соответствующей оснастки и изготовлении шаблонов на каждый пояс.
Для гладкой обшивки применение радиальных выборок, рекомендованных Правилами, при современных технологиях теряет целесообразность. Склейка малкованых кромок поясьев гораздо технологичнее. Основной недостаток такой оболочки – разрывы «по живому» при усыхании – существенно зависит от общих размеров склеенной оболочки и может быть преодолен введением демпфирующих пазов через несколько поясьев клееной обшивки (4-5). В демпфирующем пазу склейка заменяется заполнением эластичным герметиком (Sikaflex, Emfi или аналогичные).

Многослойная реечная обшивка:
- Применение схем многослойной реечной обшивки по рекомендациям Правил нецелесообразно по указанным выше причинам.
Современные технологии сборки и склейки позволяют создать практически герметичные и неподверженные последствиям рассыхания многослойные реечные оболочки, не нуждающиеся во введении демпферных элементов. Исследования образцов и контроль в процессе сборки корпусов деревянных яхт, проведенные в Херсоне на верфи Lagoon Royal, показали, что при применении эпоксидных клеев West System c жестким контролем предписанной схемы применения пропитка поясьев обшивки компаундом происходит на глубину до 10 мм. Технологическая толщина реек из условия жесткости на изгиб и возможностей укладки по кривизне без разрушения – меньше 20 мм, образуется практически монолитная оболочка. Толщина реек и количество слоев являются технологическими параметрами. Механический крепеж применяется для крепления обшивки к набору, а межслойный отсутствует.

Многослойная ламинированная обшивка из полос шпона:
- Все особенности, присущие многослойной реечной обшивке, в данном случае присутствуют в полном объеме. Но существует нюанс, связанный с малой изгибной жесткостью материала, который может вызвать локальные «непроклеи». В результате может возникнуть водотечность обшивки по извилистым каналам внутри оболочки. Ликвидировать такую водотечность крайне сложно (пример – польские «Таурусы» постройки 70-х). Рассматриваемый метод формирования обшивки гарантирует ее хорошую прочность и жесткость, но требует высокой культуры производства и наличие соответствующей оснастки, включая вакуумные покрывала.

Рис.4 Укладка диагональной реечной трехслойной обшивки. Проект ДГ «АЛА» НКИ 103 «Лагуна», постройка «Lagoon Royal»

Рис.5 Трехслойная реечная обшивка с продольным расположением поясьев и перекроем пазов. Наружный слой толщиной 8 мм установлен только на клею. Проект ДГ «АЛА» НКИ 102 «Ностальгия», постройка «Lagoon Royal».

Рис.6 Ламинирование элементов закладки на шпангоутных рамах. Проект ДГ «АЛА» НКИ 103 «Лагуна», постройка «Lagoon Royal»

Анатолий Кузнецов