Расчет ледовой нагрузки на цилиндрическую вертикальную 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

Одним из распространенных видов морских инженерных сооружений, применяемых в ледовых условиях, является одиночная опора с вертикальной стенкой, например, цилиндрическая колонна. Одиночная опора может быть самостоятельным сооружением, как, например, ледостойкий маяк, или в качестве одного элемента(тов) входить в состав более крупного морского сооружения. Поэтому определение нагрузки на такой элемент является необходимым этапом при расчете глобальной ледовой нагрузки.

Впервые формула для расчета ледовой нагрузки на одиночную опору с вертикальной фронтальной стенкой была предложена во второй половине прошлого века в СССР К.Н.Коржавиным, на основании данных наблюдения за взаимодействием со льдом опор мостов. В дальнейшем эта формула неоднократно уточнялась различными отечественными и зарубежными исследователями.

Целью данной расчетной работы является выполнение расчетов глобальной ледовой нагрузки на сооружение с вертикальной стенкой по различным формулам, а также определение глобальной нагрузки на многоопорное сооружение, состоящее из вертикальных опор.

При выполнении расчетов принимается, что основной формой разрушения льда является прорезание опорой дрейфующего ледяного покрова, характеризующееся процессом интенсивного дробления льда в зоне контакта опоры со льдом.

Методика выполнения работы

Определение прочности льда на смятие

Предел прочности льда на сжатие определяется применительно к конкретному месторождению.Для определения прочностных свойств льда возможно использование косвенного метода определения этих величин по результатам измерения температуры и солености образцов льда.

В качестве расчетных величин следует использовать средние величины 1% обеспеченности, которые определяются применительно к конкретному району моря.

При отсутствии каких-либо сведений в качестве минимальных значений могут быть рекомендованы следующие:

− для платформ, эксплуатация которых возможна только в однолетнем льду, согласно табл. 5.1, а для платформ, эксплуатация которых возможна также в двухлетнем и/или многолетнем льду, по формуле:

= 1,55h^0,3 , (5.2)

где h– расчётная толщина льда, м, при h<2м предел прочности льда на сжатие определяется как приh=2м;

Таблица 5.1

Акватория	Каспийское море	Баренцево море	Охотское море	Балтийское море
Минимальный предел прочности льда на сжатие , МПа	1,4	1,0	1,5	1,3

Расчет по модифицированной формуле К.Н.Коржавина

Модифицированная формула К.Н.Коржавина записана в терминах «эффективное давление – номинальная площадь», в соответствии с ними глобальная нагрузка, МН, на одноопорную платформу с вертикальными бортами от ровного или наслоенного льда определяется по формуле:

, (5.3)

где - толщина ровного или наслоенного льда, м;

- ширина сооружения в направлении дрейфа льда, м;

- эффективное давление определяется с учетом площади контакта и скорости дрейфа льда:

, (5.4)

где - прочность льда на сжатие, МПа.

Значения коэффициентов, входящих в формулу

- коэффициент формы опоры, равный для сооружений прямоугольного поперечного сечения равен 1, для кругового поперечного сечения и многоугольного поперечного сечения опоры - 0.8.

- коэффициент контакта, зависящей от отношения диаметра конструкции к толщине льда и от площади контакта, которая определяется произведением диаметра сооружения D на толщину льда. Значение коэффициента приведены в таблице 5.2.

Таблица 5.2 – Значения коэффициента контакта

D/h D*h
	1.0	0.98	0.96	0.94	0.92
	0.97	0.95	0.92	0.91	0.89
	0.93	0.92	0.90	0.88	0.86
	0.91	0.90	0.87	0.86	0.84
	0.90	0.88	0.86	0.85	0.83
	0.89	0.87	0.85	0.83	0.81
	0.88	0.86	0.84	0.82	0.80

- коэффициент смятия, определяет увеличение контактного давления льда толщиной h на вертикальную опору с учетом масштабного эффекта и влияния обжатия. Значения этого коэффициента приведены в таблице 5.3.

Таблица 5.3 – Значения коэффициента смятия.

D/h	0.5
	3.5	2.8	2.3	2.0	1.6	1.2

При промежуточных значениях отношения D/h и Dh коэффициенты смятия и контакта определяются линейной интерполяцией.

- коэффициент скорости деформации, который вычисляется по следующей формуле:

(5.5)

Скорость деформации определяется следующими выражениями:

, при D/h<30, (5.6)

, при D/h>40, (5.7)

где - скорость дрейфа льда; - характерный размер сооружения.

При 30≤ D/h≥40 скорость деформации льда определяется линейной интерполяцией между значениями, рассчитанными по формулам (5.6) и (5.7).

Графическое изображение зависимости прочности на сжатие от скорости деформации, приведено на рисунке 5.1.

,МПа

Рис.5.1 – Зависимость прочности на сжатие от скорости деформации.

Эта зависимость может быть описана следующим выражением:

,

, (5.8)

,

После определения всех коэффициентов расчет глобальной нагрузки выполняется по формуле (5.3).

Примечание: при выполнении работы необходимо следить за величиной расчетной скорости деформации, если , то .

Расчет по формуле ISODIS 19906

В международном документе ISODIS 19906 для определения эффективного давления рекомендована следующая формула:

, (5.9)

где - коэффициент, отражающий локальные условия района расположения сооружения ( для арктических регионов и 1.8 для Балтийского моря).

Показатель степени при толщине льда определяется следующими выражениями в зависимости от толщины льда:

(5.10)

Расчет глобальной нагрузки выполняется по формуле (5.3).

Расчет многоопорного сооружения

Глобальная нагрузка при взаимодействии ровного или наслоенного безграничного льда с многоопорной платформой, содержащей в районе действия льда однорядную систему из nвертикальных цилиндрических колонн определяется по формуле:

; (5.11)

; (5.12)

, (5.13)

где n - количество опор; F_n - суммарная нагрузка на всю платформу; F₁ - нагрузка на одиночную колонну в тех же ледовых условиях, определяемая по формуле (5.3); - угол между направлением движения льда и нормалью к фронту сооружения;K₁ - коэффициент, учитывающий неоднородность свойств льда; K₂ - коэффициент, учитывающий взаимное влияние фронтальных колонн; L - Расстояние между центрами соседних колонн вдоль фронта м, D– диаметр колонн, м. (рис. 5.2)

Рис.5.2 – Однорядная система цилиндрических колонн.

Формулы (5.11 - 5.13) справедливы при L/D> 2.

Глобальная горизонтальная нагрузка при взаимодействии ровного или наслоенного безграничного льда с многоопорной платформой, содержащей в районе действия льда многорядную систему из n вертикальных цилиндрических колонн (рис.5.3), определяется по формуле:

; (5.14)

, (5.15)

где K₃ – коэффициент, учитывающий взаимное влияние колонн, а F₁, K₁- определяются так же, как в (5.11).

Рисунок 5.3. - Многоопорная платформа.

Исходные данные

Исходные данные для выполнения работы представлены в табл. 5.4, варианты 0 ¸ 9.

В работе рассматривать цилиндрические опоры.

Таблица 5.4

Характеристика	Номер варианта
Море	Кас.	Кар.	Бар.	Балт.	Кас.	Кар.	Бар.	Балт.	Кар.	Бар.
, м
Толщина льда	От 0,5 до 2,5 м, шаг 0,25 м
Скорость дрейфа, м/с	0,05; 0,1; 0,5; 1
Количество колонн в ряду
	2,5		3,5	2,5		3,5	2,5		3,5	3,5
, град.	От 0 до 900, шаг 300

Пояснения к таблице:

Кас. – Каспийское море; Кар. – Карское море; Бар. – Баренцево море; Балт. – Балтийское море.

Расчет для многоопорного сооружения провести для выделенных значений скорости дрейфа льда.

Порядок выполнения работы

3. Рассчитать глобальную ледовую нагрузку на одиночную опору по модифицированной формуле К.Н.Коржавина и ISODIS 19906. Построить на одном графике результаты расчетов в координатах «глобальная нагрузка – толщина льда. На графике нанести несколько расчетов по формуле Коржавина для различных скоростей дрейфа льда. Сравнить полученные результаты и сделать выводы.

4. Выполнить расчеты для многоопорного сооружения в предположении, что колонны расположены в один и два ряда. Построить графики глобальной ледовой нагрузки от толщины льда и скорости дрейфа для различных значений угла .

Составление отчета

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

Расчетная работа № 6.