Расчет ледовой нагрузки на коническую опору

 

Литература

1. Лосет С., Шхинек К, Гудместад О., Хойланд К.Воздействие льда на морские и береговые сооружения. СПб, М.,Краснодар: Лань, 2010, 272 с.
2. Алексеев Ю.Н., Астафьев В.Н., Литонов О.Е., Мансуров М.Р., Панов В.В., Трусков П.А. Ледотехнические аспекты освоения морских месторождений нефти и газа. СПб.:Гидрометеоиздат, 2001, 360 с.

 

Общие пояснения

Наряду с одиночными опорами с вертикальной стенкой конические конструкции также являются наиболее распространенным типом морских инженерных сооружений. Частое применение конических конструкций или конических элементов конструкции при проектировании ледостойких сооружений объясняется стремлением проектанта снизить глобальную ледовую нагрузку на сооружение благодаря использованию наиболее эффективного способа изгибного разрушения ледяного покрова.

В практике создания морских ледостойких сооружений используется конусные конструкции, ломающие лед изгибом вниз или вверх. Разрушение ледяного покрова изгибом вниз приводит к более низкому уровню глобальной ледовой нагрузки. Снижение нагрузки достигается благодаря меньшим затратам энергии на последующий поворот и притапливание отломанной льдины. В этом случае процессам поворота и притапливания препятствует только сила плавучести льдины. К сожалению, использование конусных конструкций, ломающих лед вниз, возможно только при достаточно большой глубине акватории, на которой установлено сооружение. Использование таких конусных конструкций на мелководных участках приводит к забиванию льдом пространства под конструкцией и, как следствие, увеличению уровня глобальной ледовой нагрузки.

На мелководных участках континентального шельфа обычно устанавливаются конусные конструкции, ломающие лед снизу вверх. Примером такой конструкции может служить отгрузочный нефтяной терминал «Варандей» (рис. 6.1).

 

а)

б)

 

Рис. 6.1 Отгрузочный терминал на Варандее.

а) Модельные испытания; б) работа в натурных условиях

 

На такие конические конструкции уровень ледовой нагрузки несколько выше из-за того, что обломанные льдины поворачиваются на воздухе, при этом энергия тратится на преодоление веса льдины.

 

Методика выполнения работы

Нагрузка от ровного льда

Ниже излагается методика расчета глобальной ледовой нагрузки на конические сооружения, предложенная Ральстоном. Эта методика рекомендуется многими руководствами, в том числе Российским морским регистром судоходства и ISODIS 19906.

В соответствии с этой методикой глобальная горизонтальная F_x и вертикальная F_z составляющие нагрузки от ровного или наслоенного льда на платформы с расширяющимися вниз коническими бортами (колоннами)рис.6.2, или на вертикальные платформы с расширяющимися вниз коническими вставками, или на многоугольные в плане сооружения с аналогичными наклонными расширяющимися вниз коническими вставкамиопределяют по формулам:

 

 

		h3
	hb

 

 

Рис.6.2 Платформа с расширяющимися вниз коническими бортами.

 

(6.1)

, (6.2)

, (6.3)

где σ_f– прочность льда на изгиб; - плотность воды; D – диаметр конуса на уровне ватерлинии; D_b - диаметр конуса на высоте , h₃ - верхняя отметка конической части платформы; h_m - максимально возможная высота наползания льда на платформу, приближенно определяемая по формуле:

, (6.4)

(6.5)

где - угол наклона борта к горизонту; параметр - характерная длина при изгибе ледяной пластины; – модуль упругости ровного или наслоенного льда; n = 0,3 - коэффициент Пуассона льда; - толщина ледяных обломков на поверхности конуса; n ₁ - пористость ледяных обломков на поверхности сооружения (при отсутствии данных можно принимать n₁ = 0.6); K_v – коэффициент, зависящий от скорости дрейфа льдов, вычисляемый по формуле:

 

, (6.6)

 

А ₁, А ₂ , А ₃, А ₄, В ₁, В ₂ – коэффициенты, значения которых приведены на рис.6.3– 6.7.

Рис.6.3 - Значения коэффициентов А ₁, А ₂

 

 

Рис.6.4 - Значения коэффициента А ₃ взависимости от угла наклона борта при различных коэффициентах его трения (f) со льдом.

 

 

Рисунок 6.5 - Значения коэффициента А ₄взависимости от угла наклона борта при различных коэффициентах его трения (f) со льдом.

 

 

Рисунок 6.6 - Значения коэффициента В ₁взависимости от угла наклона борта при различных коэффициентах его трения (f) со льдом.

 

Рисунок 6.7 - Значения коэффициента В ₂взависимости от угла наклона борта при различных коэффициентах его трения (f) со льдом.

 

Примечание: При использовании формул (6.1) – (6.6) необходимо следить за размерностью используемых величин. Если прочность льда на изгиб принимается в МПа, плотность воды и льда должна измеряться в кт/м³, тогда результат расчета будет получен в МН. Если прочность измеряется в кПа, то, соответственно плотность в т/м³ и результат в кН. И наконец, прочность в Па, плотность в кг/м³, результат в Н.

 

Нагрузка от торосов

 

При взаимодействии торосистого образования с инженерным сооружением можно выделить два последовательно происходящих процесса. Первый процесс происходит на начальной стадии внедрения сооружения в торос. При этом киль тороса имеет большую ширину, а его часть, находящаяся в непосредственном контакте с сооружением, незначительную толщину. В этой ситуации происходит локальное разрушение тороса (рис.6.8).

Рис. 6.8

Локальное разрушение тороса

 

Глобальная горизонтальная нагрузка от киля тороса на одноопорную платформу с вертикальными бортами при локальном разрушении массы льда в подводной части тороса определяется по формуле.

, (6.7)

где ; ; - пористость киля тороса; - осадка киля тороса; - сцепление материала киля тороса, D – диаметр сооружения на уровне ватерлинии, м; φ_k – угол внутреннего трения киля тороса; - плотность воды.

При отсутствии каких-либо сведений зависимость сцепления от угла внутреннего трения киля тороса определяется в соответствии с данными рис. 6.9 или рассчитывается по формуле:

(6.8)

В этой формуле сцепление получается в кПа, угол внутреннего трения в градусах.

Угол внутреннего трения в киле тороса в первом приближении выбирается из диапазона 30 – 40⁰.

 

Рис.6.9 - Зависимость между сцеплением и углом внутреннего трения материала киля тороса.

 

Вычисляемая по формуле (6.7) нагрузка от локального разрушения киля тороса возрастает по мере внедрения сооружения в торос. Это возрастание происходит из-за увеличения, контактирующей с сооружением локальной толщины киля тороса , и продолжается то тех пор, пока внедрение не достигнет сечения с максимальной глубиной киля. Затем эта нагрузка начинает снижаться. Качественная зависимость величины усилия от величины внедрения сооружения в торос показана на рис. 6.10 (линия ).

 

Рис.6.10 Изменение усилий, необходимых для локального разрушения киля тороса и его глобального сдвига, в зависимости от глубины внедрения сооружения в торос

 

Сопротивление глобальному сдвигу тороса максимально на начальном этапе взаимодействия, а по мере внедрения сооружения в торос оно тороса уменьшается (рис. 6.10, линия ). В какой-то момент времени более выгодным оказывается разрушение тороса глобальным сдвигом (рис.6.11).

Нагрузка на сооружение при глобальномразрушении киля сдвигом имеет вид:

, (6.9)

где - ширина киля тороса перпендикулярно его фронту, м.

 

Рис. 6.11 Разрушение тороса глобальным сдвигом

 

Максимальное воздействие от тороса на сооружение возникает, как это следует из рис. 6.10, при некоторой величине внедрения, которая не превышает половины ширины киля тороса. Это максимальное значение силы можно рассчитать по следующей формуле:

(6.10)

Глобальная нагрузка от торосов на платформы с наклонными бортами определяется путем суммирования нагрузки от консолидированной части тороса и киля тороса. Глобальная нагрузка от консолидированного слоя тороса определяетсяпо формулам, приведенным в пункте (6.1) – (6.3), в которыевместо параметров ровного (наслоенного льда) поставляются параметры консолидированной части тороса. Глобальная нагрузка от киля тороса на платформы с наклонными бортами определяетсяпо формулам:

 

, (6.11)

 

где F_k определяют по ниже приведенной формулам (6.7), (6.9) и (6.10).

 

Исходные данные

Исходные данные для выполнения работы представлены в табл. 6.1, варианты 0 ¸ 9.

 

Таблица 6.1

Характеристика	Номер варианта
	Характеристики конуса (конусность вверх)
, м
h3, м
, град.
Коэфф. трения	0.1	0.15	0.2	0.25	0.3	0.1	0.15	0.2	0.25	0.3
Толщина льда	От 1 до 2,5 м, шаг 0,5 м
Скорость дрейфа, м/с	0,1; 1
, кПа
E,МПа
, кг/м3	1015/800
	Характеристики тороса
, м

Порядок выполнения работы

1. Рассчитать глобальную ледовую нагрузку на коническое сооружение. Построить на одном графике результаты расчетов в координатах «глобальная нагрузка – толщина льда. Сделать выводы.

2. Выполнить расчеты взаимодействия конического сооружения с торосом. Построить графики глобальной ледовой нагрузки от толщины льда и скорости дрейфа. Сделать выводы.

 

Составление отчета

В отчет по лабораторной работе входят построенные по результатам расчетов графики и анализ полученных результатов.

 

 

 

Расчетная работа № 7.