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).

Расчет ледовой нагрузки на коническую опору - student2.ru а) Расчет ледовой нагрузки на коническую опору - student2.ru 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 Fx и вертикальная Fz 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:

Расчет ледовой нагрузки на коническую опору - student2.ru

       
   
h3
 
hb
 

Рис.6.2 Платформа с расширяющимися вниз коническими бортами.

Расчет ледовой нагрузки на коническую опору - student2.ru (6.1)

Расчет ледовой нагрузки на коническую опору - student2.ru , (6.2)

Расчет ледовой нагрузки на коническую опору - student2.ru , (6.3)

где σf– прочность льда на изгиб; Расчет ледовой нагрузки на коническую опору - student2.ru - плотность воды; D– диаметр конуса на уровне ватерлинии; Db - диаметр конуса на высоте Расчет ледовой нагрузки на коническую опору - student2.ru , h3- верхняя отметка конической части платформы;hm- максимально возможная высота наползания льда на платформу, приближенно определяемая по формуле:

Расчет ледовой нагрузки на коническую опору - student2.ru , (6.4)

Расчет ледовой нагрузки на коническую опору - student2.ru (6.5)

где Расчет ледовой нагрузки на коническую опору - student2.ru - угол наклона борта к горизонту; параметр Расчет ледовой нагрузки на коническую опору - student2.ru - характерная длина при изгибе ледяной пластины; Расчет ледовой нагрузки на коническую опору - student2.ru – модуль упругости ровного или наслоенного льда; n= 0,3 - коэффициент Пуассона льда; Расчет ледовой нагрузки на коническую опору - student2.ru - толщина ледяных обломков на поверхности конуса; n1 - пористость ледяных обломков на поверхности сооружения (при отсутствии данных можно принимать n1 = 0.6); Kv – коэффициент, зависящий от скорости дрейфа льдов, вычисляемый по формуле:

Расчет ледовой нагрузки на коническую опору - student2.ru , (6.6)

А1, А2 , А3, А4, В1, В2 – коэффициенты, значения которых приведены на рис.6.3– 6.7.

Расчет ледовой нагрузки на коническую опору - student2.ru

Рис.6.3 - Значения коэффициентов А1, А2

Расчет ледовой нагрузки на коническую опору - student2.ru

Рис.6.4 - Значения коэффициента А3 взависимости от угла наклона борта при различных коэффициентах его трения (f) со льдом.

Расчет ледовой нагрузки на коническую опору - student2.ru

Рисунок 6.5 - Значения коэффициента А4взависимости от угла наклона борта при различных коэффициентах его трения (f) со льдом.

Расчет ледовой нагрузки на коническую опору - student2.ru

Рисунок 6.6 - Значения коэффициента В1взависимости от угла наклона борта при различных коэффициентах его трения (f) со льдом.

Расчет ледовой нагрузки на коническую опору - student2.ru

Рисунок 6.7 - Значения коэффициента В2взависимости 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).

Расчет ледовой нагрузки на коническую опору - student2.ru

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.

Расчет ледовой нагрузки на коническую опору - student2.ru , (6.7)

где Расчет ледовой нагрузки на коническую опору - student2.ru ; Расчет ледовой нагрузки на коническую опору - student2.ru ; Расчет ледовой нагрузки на коническую опору - student2.ru - пористость киля тороса; Расчет ледовой нагрузки на коническую опору - student2.ru - осадка киля тороса; Расчет ледовой нагрузки на коническую опору - student2.ru - сцепление материала киля тороса, D – диаметр сооружения на уровне ватерлинии, м; φk– угол внутреннего трения киля тороса; Расчет ледовой нагрузки на коническую опору - student2.ru - 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:

Расчет ледовой нагрузки на коническую опору - student2.ru (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.

Расчет ледовой нагрузки на коническую опору - student2.ru

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 Расчет ледовой нагрузки на коническую опору - student2.ru , и продолжается то тех пор, пока внедрение не достигнет сечения с максимальной глубиной киля. Затем эта нагрузка начинает снижаться. Качественная зависимость величины усилия Расчет ледовой нагрузки на коническую опору - student2.ru от величины внедрения сооружения в торос показана на рис. 6.10 (линия Расчет ледовой нагрузки на коническую опору - student2.ru ).

Расчет ледовой нагрузки на коническую опору - student2.ru

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 Расчет ледовой нагрузки на коническую опору - student2.ru ). В какой-то момент времени более выгодным оказывается разрушение тороса глобальным сдвигом (рис.6.11).

Нагрузка на сооружение при глобальномразрушении киля сдвигом имеет вид:

Расчет ледовой нагрузки на коническую опору - student2.ru , (6.9)

где Расчет ледовой нагрузки на коническую опору - student2.ru - ширина киля тороса перпендикулярно его фронту, м.

Расчет ледовой нагрузки на коническую опору - student2.ru

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:

Расчет ледовой нагрузки на коническую опору - student2.ru (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:

Расчет ледовой нагрузки на коническую опору - student2.ru , (6.11)

где Fk 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)
Расчет ледовой нагрузки на коническую опору - student2.ru , м
h3, м
Расчет ледовой нагрузки на коническую опору - student2.ru , 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
Расчет ледовой нагрузки на коническую опору - student2.ru , кПа
E,МПа
Расчет ледовой нагрузки на коническую опору - student2.ru , кг/м3 1015/800
  Характеристики тороса
Расчет ледовой нагрузки на коническую опору - student2.ru , 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.

Наши рекомендации