Comment concevoir une quille de navire en béton armé?

Je construis un petit bateau (ou très grand voilier) qui aura un lest en béton à la base de la quille. Je cherche à augmenter le poids du béton (lb / ft ³ ), mais je souhaite également maximiser la résistance à l'impact du béton pour résister aux fissures / bris si le bateau heurtait un rocher à la verticale, à cause des vagues.

Les dimensions simplifiées de la partie en béton de la quille seront de 11,5 "L x 18" P x 40 'L. Celles-ci seront essentiellement boulonnées au fond d’une quille en bois lamellé (sapin) de 11,5 "L x 12" D x 40 'L (dimensions simplifiées).

Comment puis-je déterminer la meilleure recette concrète et le meilleur schéma de renforcement pour cet usage particulier?

J'ai besoin de déterminer:

taille optimale des barres d'armature à utiliser;
taille (s) optimale (s) de l'agrégat;
combien de parties de ciment, de sable et d'agrégats à mélanger;
et la quantité optimale de barres d'armature à inclure.

En général, plus c'est lourd, mieux c'est; Je ne cherche pas à alléger le béton. Je sais que les recettes concrètes sont un sujet à part entière; ce dont j'ai besoin, c'est d'une recette pour commencer qui produira un béton résistant et lourd qui résiste à la fissuration due à un impact violent. Le bateau déplacera 100 tonnes d'eau brute et peut être soumis à des vagues d'une hauteur allant d'environ 6 'de la crête au creux dans les zones où il existe un danger improbable et possible de heurter des obstacles sous-marins. Il n'a pas besoin de supporter d'être martelé de façon continue, mais le support est touché, disons 5 fois plus que sa durée de vie prévue est d'environ 20 ans (juste pour vous donner une idée de la rareté). Je ne prévois pas de toucher le fond, mais cela peut arriver et ce, malgré toutes les précautions prises.

reinforced-concrete marine-engineering ships

— Escoce
source

Un élément d'information important est ce que l'on entend par "frapper fort". Quelle serait la hauteur de la chute ou quelle serait la vitesse verticale du bateau au moment de l'impact?

— Wasabi

@Wasabi Ne recherchant pas de solutions indestructibles, ni de solutions ciblant un PSI spécifique de force d'impact, de ductilité ou autre, je cherche simplement à déterminer quelle taille et quelle quantité de barres d'armature et de recette de béton fourniraient la résistance maximale du béton jusqu'à la résistance aux chocs va. J'imagine que techniquement, toutes les barres avec du ciment comme liant seraient "les plus solides", mais la minceur du ciment ne perdrait-elle pas sa force de liaison et serait donc contre-productive? Alors, quelle est la bonne quantité de barres d'armature? Dites 1x barre d'un demi-pouce par pouce carré (vue visible) ou quoi?

— Escoce

La question reste trop large. Les mélanges de béton constituent un vaste sujet en soi, qui dépend fortement de la situation. Outre la question de l'impact, qui n'a pas encore été quantifiée, il y a aussi la question de l'oxydation de la barre. Si l'acier est immergé de manière permanente, ce ne sera pas un problème, mais si vous avez l'intention de le faire par temps agité (comme le suggère peut-être votre inquiétude au sujet des chutes verticales dues aux vagues), alors il faut prendre en compte un autre facteur.

— Wasabi

Vous pouvez le considérer comme immergé en permanence. Ce sera 5 pieds sous la surface pendant que le bateau est au repos et je ne pensais pas que la quille sortirait de l'eau sauf dans des circonstances extrêmes. Je sais que les recettes concrètes sont un sujet à part entière et c'est pourquoi je demande à un groupe d'ingénieurs de me donner une recette qui produira un béton fort et lourd qui résiste aux fissures causées par un impact important. Nous ne la réduisons pas avec un marteau. Parler d'un bateau qui déplace 100 tonnes d'eau brute soulevées et larguées par une onde de mer normale de 6 pieds d'amplitude

— Escoce

Je suis d'accord avec Wasabi en principe que l'énoncé du problème semble trop large dans sa forme actuelle. Je pense qu'avec un peu de recherche, vous serez en mesure de trouver un bon mélange / recette de béton marin à utiliser. Compte tenu de cette recette, le problème du renforcement est toujours riche et intéressant.

— Air

Vous avez l’intention de plonger une section rectangulaire en béton dans un environnement assez corrosif (eau de mer). La section est de 11,5 "de large et 18" de profondeur. Au cours des 20 années de vie du bateau, vous prévoyez 6 événements à impact important.

La quille en béton est conçue pour servir de poutre qui répartit la charge d'impact de manière uniforme sur la coque en bois lamellé de telle sorte que la coque ne subisse aucun dommage. Cela signifie que sous l'effet d'un choc maximal, la poutre en béton (quille) ne peut dévier que de manière limitée, avant qu'elle n'endommage les points où elle est fixée au bateau ou le bateau lui-même. Cette flèche est fonction de la charge, de la géométrie et de la conception du faisceau. La poutre nécessitera de l'acier de construction (la quantité peut être calculée en fonction des charges d'impact maximales).

L'acier mentionné ci-dessus doit être protégé pour éviter la corrosion. Cela signifie qu'il doit être encastré dans min. 2 "de béton. En cas d’impact, cette couche de béton sera très probablement compromise en raison de l’éclatement du béton à cause de l’impact. Peu importe ce que vous ferez, vous aurez une charge de 100 tonnes tombant de 6 pieds sur une très petite Il s’agit de gros briseurs utilisés pour démolir les bâtiments en béton. Une fois que l’acier est exposé, de la rouille se formera et entraînera un éclatement supplémentaire du béton.

La seule solution durable consiste à prendre un tube en acier de 16-17 "avec une épaisseur de paroi assez généreuse et à le remplir de béton pour obtenir le ballast. Ainsi, votre quille résiste aux chocs et vous disposez d'une longue poutre qui répartit la charge de manière uniforme. à votre coque en bois.

— NamSandStorm
source

Je ne pense pas qu'il y ait vraiment beaucoup de risque de corrosion, en fait. Dans les commentaires sous le PO, ils indiquent que le béton sera toujours submergé (sauf par temps orageux, où il pourrait être momentanément exposé pendant quelques secondes à la fois). Et sans exposition à l'air, l'oxydation ne se produira pas.

— Wasabi

@Wasabi, la chimie de l'eau de mer est un corrosif pour la plupart des types de ciment ordinaires. Cela signifie que la pâte de ciment se corrode chimiquement sur une période donnée. Tant que l'environnement autour du renforcement restera alcalin, tout ira bien. Dès que le béton est compromis, vous avez un scénario où l'acier est exposé et vous vous retrouvez avec de l'acier nu, non protégé. Ce serait à l'état immergé la plupart du temps, donc moins exposé à l'oxygène que dans l'atmosphère, le processus de corrosion est donc retardé.

— NamSandStorm

@NamSandStorm, vous ne comprenez pas vraiment l'essentiel de la question. Le béton n'est pas destiné à protéger la quille en bois. Bien que cela ait cette heureuse conséquence, il est secondaire. Il vise simplement à fournir du lest, c’est-à-dire qu’en termes nautiques, un poids mort au fond de la quille produira quelques effets en abaissant le centre de gravité afin de maintenir le bateau à la verticale et donc de flotter et de se déplacer plus rapidement dans l’eau. Je veux simplement une recette concrète qui fournira le lest en béton de quille le plus durable. Le poids n'est pas un problème, en fait, plus lourd est meilleur dans ce cas.

— Escoce

Ne vous inquiétez pas des effets de l'eau de mer. Je sais très bien ce que c'est, ce que ça fait et comment minimiser les effets de la corrosion galvanique et de l'oxydation. Ce n’est pas le problème, c’est la meilleure recette pour le béton qui soit plus durable et résistante aux impacts.

— Escoce

Le terme approprié pour «recette concrète» est la conception d'un mélange de béton. C'est un aspect de l'ingénierie structurelle. Le béton est résistant à la compression mais faible en tension et en flexion, quelle que soit la conception du mélange. Ainsi, quoi qu’il arrive à un élément en béton, il sera soumis à une combinaison de tension, de compression, de flexion et de cisaillement. La raison pour laquelle nous fournissons de l'acier est d'atténuer les faiblesses du béton. Donc, votre approche consistant à simplement coller du béton de masse avec de l'acier ne fonctionnera pas, mais vous ne corrigez pas les faiblesses du béton. Un béton fibré peut toutefois fonctionner.

— NamSandStorm