При проектировании сетных ограждений необходимо учитывать нагрузки, которые делятся на статические и динамические. Статические нагрузки включают вес сооружения (сеть, опоры и другие элементы конструкции), а также дополнительные нагрузки, связанные с уходом и эксплуатацией. Динамические нагрузки возникают под действием сил ветра над поверхностью воды, волн на поверхности раздела между воздухом и водой и течений (особенно приливных). Могут возникнуть и дополнительные динамические-нагрузки из-за собирающегося у сооружения плавающего мусора и обломков, столкновения с катерами и лодками или крупными хищниками (например, акулами). Помимо действия этих основных сил прочность любого сооружения в пресной или морской воде изменяется под действием коррозии и обрастания, а также размыва дна.
Статические нагрузки в определенной степени зависят от характера конструкции. Коррозия со временем снижает статические нагрузки, в то время как обрастание может значительно их увеличить за сравнительно короткий срок. В табл. 12.2 показано влияние обрастания на статический вес сетей различного типа.
Динамические нагрузки зависят от гидрологических и метеорологических условий в районе работ. Интенсивность обрастания, а в меньшей степени и интенсивность коррозии также зависят от района работ. Поскольку динамические нагрузки (включая дополнительные нагрузки в результате обрастания) часто значительно превышают статические, проектирование сетных сооружений требует тщательного изучения гидрологических, метеорологических и гидробиологических характеристик конкретного района. Данные о скоростях ветра, высоте волн, приливах и отливах и некоторую другую информацию можно получить из таблиц, так как расчетные данные по этим параметрам являются статистическими. Например, для определения высоты сетного ограждения над уровнем полной воды необходимы данные по максимальной высоте волн, ожидаемой в течение всего срока службы сооружения. Эти данные зависят от разгона волн перед проектируемым сооружением и ожидаемой скорости ветра. Данные по ожидаемой скорости ветра имеются в виде интервалов повторяемости (например, ветер скоростью 160 км/ч наблюдается на участке А один раз в 100 лет, а ветер скоростью 120 км/ч — один раз в 10 лет). Ожидаемый интервал повторяемости можно определить статистическими методами по результатам многолетних наблюдений.
Интенсивность обрастания также можно определить методами статистики, но обрастание в значительной мере зависит от конкретного участка, поэтому прогноз обрастания требует наблюдений на этом участке. Из-за отсутствия истории таких наблюдений на конкретных участках эти данные обычно можно получить только опытным путем. Другие факторы, например течения, также часто подвержены значительным местным и сезонным колебаниям. Все это свидетельствует о необходимости тщательного анализа всех данных по конкретному участку до начала проектирования сооружения.
Сила ветра
Ветровую нагрузку испытывают все части сетного сооружения, находящиеся над поверхностью воды. Особенно значительную ветровую нагрузку испытывают мелкоячейные сети. Максимальных величин эта нагрузка достигает при отливе. Ветровую нагрузку испытывают также понтоны и другие устройства, удерживающие сетные сооружения на плаву.
Важной величиной при расчете сооружения является ожидаемая максимальная скорость ветра. Поскольку такой скорости ветер обычно достигает при порывах, в расчетах нельзя использовать среднюю скорость ветра. Ван Бовен (Van Boven, 1968) вывел уравнение для определения ветровой нагрузки на сплошное сооружение:
где Fw — сила ветра, Н; А — площадь проекции сети на плоскость, перпендикулярную направлению ветра, м2; v — скорость ветра, м/с.
Уравнение (12.4) позволяет определить силу ветра, действующую на сплошную конструкцию, например пенопластовый поплавок или пустую стальную бочку.
Сеть не является сплошным материалом, и поэтому уравнение (12.4) к ней неприменимо. В работе Милна (Milne, 1970) приведено уравнение, полученное японскими учеными (Tamura and Yamada, 1963) на основании проведенных ими опытов с рыболовной сетью в аэродинамической трубе:
тде Fw — сила ветра, Н; А — площадь проекций сети на плоскость, перпендикулярную направлению ветра, м2; v — скорость ветра, м/с.
Милн (Milne, 1970) критикует уравнение (12.5) на том основании, что оно не учитывает размеров ячеи и типа сетного полотна. При одном и том же диаметре нити более крупная ячея будет иметь меньшую площадь. Милн (1970, 1972) приводит данные в поддержку своих доводов. Его данные показывают, что уравнение (12.5) подходит для ульстроновой сети с ячеей 25 мм, плетеной сети из пластабонда с ячеей 25 мм и гальванизированной сварной сети с ячеей 25 мм при скоростях ветра от 20 до 60 м/с, но дает значительно завышенные значения для нейлоновой сети с ячеей 25 мм, курленовых сетей с ячеей 25 мм и гальванизированной сварной сети с ячеей 75 мм. Например, удельная ветровая нагрузка при скорости 50 м/с, рассчитанная по уравнению (12.5), составляет около 440 м2. Однако измеренная удельная ветровая нагрузка, действующая на 25-миллиметровую нейлоновую ячею, равна 380 Па, на 75-миллиметровую гальванизированную сварную ячею — 170 Па. Милн (1970) не указывает, является ли площадь проекции одной и той же для всех этих материалов.
Поскольку уравнение (12.5) не учитывает типа и размера ячеи, Милн (1970) предлагает использовать другую зависимость, выве-денную Панкхерстом и Холдером (Pankhurst and Holder, 1952). Это уравнение было получено на основании опытов, проведенных в аэродинамической трубе для оценки сопротивления тонкой металлической сетки.
где Pw — давление ветра, Па; ρ — плотность воздуха, кг/м3; v — скорость воздуха, м/с; К — коэффициент сопротивления, равный (1—В)/В2; В — коэффициент заполнения аэродинамической трубы, равный (1—d/L2); d — диаметр нити, м; L — номинальный размер ячеи, м.
Хотя уравнение (12.6) позволяет учитывать размер ячеи и диаметр нити, его нельзя считать полностью удовлетворительным, так как эффект обрастания можно учесть только введением поправки в диаметр нити.
Уравнение (12.5) можно использовать только при ячее 25 мм и более. Расчетных формул для ячеи менее 25 мм, по-видимому не существует. При расчетах для ячеи 25 мм можно использовать кривые Милна (1970) для необросших сетей. Другого, более удовлетворительного метода учета эффекта обрастания на силу ветра, чем тот, который предусмотрен уравнением (12.6), по-видимому, не существует. Расчет ветровых нагрузок на сетные сооружения требует дополнительных обширных исследований.
Сила волн
Как и в случае силы ветра, расчет силы волн, действующей на сетное ограждение, должен быть основан на самой большой (т. е. самой высокой) волне, ожидаемой (с малой вероятностью) в течение расчетного срока службы сооружения. Высота волны зависит от среднечасовой скорости ветра, длины разгона и глубины. Рассчитать высоту и период волны можно с помощью данных по ожидаемой скорости ветра, длине разгона и карты глубин (Shore Protection Planning and Design, 1966). Для открытых береговых участков следует использовать высоту волны на глубине, а для защитных участков в реках или заливах можно брать для расчета высоту волны на мелководье (Milne, 1970). В некоторых районах важно учитывать ширину разгона; поскольку она может уменьшать максимальную высоту волны. Более подробно этот вопрос рассмотрен в работе Сэвилла (Saville, 1954).
Сила волн, действующая на сетное сооружение, зависит от орбитальной скорости частиц воды в волне (Milne, 1970). Орбитальная скорость частиц воды в свою очередь зависит от периода волны tp, ее длины λ и глубины воды d. Милн (1970), используя теорию Стокса в изложении Вигеля (Wiegel, 1965), построил график зависимости между высотой волны, глубиной воды, периодом волны и максимальной горизонтальной орбитальной скоростью частиц в волне (рис. 12.24). Максимальная вертикальная орбитальная скорость составляет около 82,5% максимальной горизонтальной скорости, показанной на рис. 12.24.
Тамура и Ямада (Tamura and Jamada, 1963) вывели уравнения зависимости между горизонтальной и вертикальной силами волн, действующими на сетное сооружение, и горизонтальным и вертикальным движением молекул воды:
где Fh — горизонтальная сила; Fv — вертикальная сила; vh — максимальная горизонтальная скорость частицы воды в волне; vv — максимальная вертикальная скорость частицы воды в волне.
Поскольку уравнения (12.7) и (12.8) не учитывают разницы в размере ячеи и материале сети, Милн (1970) предлагает использовать приводимые ниже уравнения сопротивления приливному течению, которые, по его мнению, дают более надежные результаты. Однако, поскольку обрастание и плавающие на поверхности обломки и мусор могут значительно изменить коэффициент сопротивления, этот фактор также следует принимать в расчет. Милн (Milne, 1970) показал, что сопротивление обросших сетей приливному течению может быть в 2 раза выше сопротивления таких же, но необросших сетей.
Сила течений
В большинстве случаев желательно, чтобы сетные ограждения хорошо промывались приливными течениями. Под действием воды, проходящей сквозь сеть, она, а также опоры или заякоривающие устройства испытывают нагрузки, которые также необходимо учитывать. Каваками (Kawakami, 1964) вывел уравнение для определения нагрузки на сеть, создаваемой потоком, направленным к ней под прямым углом:
где Fc — сила течения, действующая на сеть, Н; Cd —- коэффициент сопротивления ячеи (безразмерный); ρ — плотность воды, кг/м3; v — скорость течения, м/с; A — площадь проекции сети, равная 2ad, м2; а — номинальный размер ячеи, м; d — диаметр нити, м.
Милн (Milne, 1970) приводит следующие уравнения для вычисления С:
для узловой сети
для безузловой сети
где d и а — те же, что и в уравнении (12.9).
По уравнению (12.9) и уравнению (12.10) или (12.11) можно рассчитать силу действия течения на сетное ограждение (необросшее). Силу действия течения можно также рассчитать и для обросшей сети путем введения соответствующей поправки на обрастание в значения d и а. С помощью табл. 12.3 и уравнения (12.9) можно определить воздействие обрастания на сеть, находившуюся в морской воде в течение одного месяца. Например, сила действия течения скоростью 1 м/с на нейлоновую сеть с ячеей 2,50 см составляет 0,42 Н на ячею для необросшей сети и 5,1 Н на ячею для сети, находившейся в морской воде в течение месяца. Таким образом, обрастание в течение месяца увеличило силу действия течения на сеть в 12 раз.
Эксплуатация
Сетные ограждения могут получать повреждения от плавающих обломков, крупных хищников (например, акул) и т. п. Поскольку даже сравнительно небольшое отверстие в ограждении означает потерю почти всей рыбы, целесообразно с наружной стороны рыбоудерживающего ограждения устраивать еще одно более крупноячейное ограждение, но так, чтобы эти две сети не терлись одна о другую, в противном случае либо одна из них, либо обе получат повреждения в результате перетирания.
При ограждении больших участков необходимо предусмотреть возможность доступа в них небольших лодок. Это осуществляют либо подъемом и перенесением лодки через сеть, либо путем устройства в сети двухсекционного прохода для лодки.
Все сети требуют периодической чистки и ремонта. При проектировании следует решить, будут ли эти работы выполнять водолазы или потребуется вынимать сетные секции из воды. Если будет принято решение вынимать секции из воды для чистки и ремонта, следует предусмотреть способы предотвращения выхода рыбы из ограждения. Кроме того, секции должны быть достаточно небольшими для работы с ними с помощью имеющейся техники. Вес вынимаемой из воды секции будет складываться из веса чистой пластины и веса обрастания.
Проектные расчеты
Выше при рассмотрении статических нагрузок и нагрузок на сетное ограждение под действием ветра, волн и течений каждая нагрузка рассчитывалась отдельно, но следует помнить, что все эти нагрузки могут действовать одновременно. Таким образом, проектируемое сооружение должно выдерживать сумму всех нагрузок, и в расчете принимается, что все силы действуют одновременно в одном направлении. При использовании двух сетей нагрузка на опорные сооружения складывается из нагрузок двух сетей.
Определение допустимого напряжения для сетей не является таким простым, как, например, в случае со стальной балкой. Прочность сети зависит от типа и размера нити, конструкции ячеи (размер, с узлом или без узла и т. д.), состояния сети (сырая или сухая), а для некоторых синтетических материалов и от того, как долго сеть находилась под действием солнечного света. Учитывается также удлинение материала.
Обсуждение характеристик различных сетных материалов, их номенклатуры и свойств выходит за рамки данной книги. Более подробную информацию можно найти в книге «Современные орудия рыболовства» (Modern Fishing Gear of the World, V 2, 1964). Данные о прочности сетей, удлинении и т. д. можно получить у поставщика или изготовителя.
Шимозаки (Shimozaki, 1964) рекомендует безузловое сетное полотно для фиксированных сетей. Материал должен обладать высоким сопротивлением солнечному свету и выветриванию и обеспечивать достаточную прочность. Сеть с удельным весом более 1 будет тонуть, что для фиксированных сетей является положительным свойством. Важным соображением является также стоимость. Шимозаки (Shimozaki, 1964) рекомендует сетное полотно из поливинилиденхлорида или винилхлорида. Можно применять также сети, изготовленные на основе поливинилового спирта, но они имеют слабую устойчивость к климатическим воздействиям и низкий удельный вес. Полиэтилен также находит лишь ограниченное применение из-за низкого удельного веса. Не удовлетворяет требованиям, предъявляемым к сетным ограждениям, и нейлон из-за своего небольшого удельного веса, слабой светоустойчивости и высокой стоимости.