Многоцикловое и истирающее воздействия дрейфующего ледяного покрова на морские гидротехнические сооружения (Режим нагружения сооружения ледяным покровом)

3. Режим нагружения сооружения ледяным покровом

3.1 Имитационная модель взаимодействия льда с опорой ГТС шельфа.

Для гидротехнических сооружений на замерзающих акваториях шельфа северных морей, как правило, определяющими являются ледовые нагрузки. Поэтому при проектировании МЛП необходимо располагать достоверными статистическими данными по характеристикам гидрологического и ледового режима акватории, к таким данным относятся: скорость и направление движения (дрейфа) ледяных полей, зависящая от скорости и направления ветра, а также морфологических особенностей берегов; толщина ледяных полей; размеры ледяных полей и их сплоченность; прочностные характеристики льда; режим колебания уровня и т.п. факторы.

В настоящее время для определения общей ледовой нагрузки на сооружения от ровных ледяных полей применяют формулы СНиП [  ]:

а) Сила от воздействия ледяного поля на отдельно стоящую опору с вертикальной передней гранью при прорезании ею льда:

,                                                              (3.1)

б) Сила от воздействия ледяного поля на отдельно стоящую опору с вертикальной передней гранью при остановке ледяного поля опорой:

,                                        (3.2)

где m – коэффициент формы опоры; v - скорость движения ледяного поля, м/с; А – площадь ледяного поля, м²; g -половина угла заострения передней грани опоры в плане, град; d – диаметр опоры, м; h_d – толщина льда, м.

в) Сила от воздействия остановившегося ледяного поля, навалившегося на сооружение при действии течения воды и ветра Fs, МН:

,                                            (3.3)

где  - напряжения трения, вызванное течением воды;  - нагрузка от воздействия течения воды на торец льдины;  - нагрузка, вызванная уклоном i поверхности потока;  - напряжение трения ветра, где v_max – максимальная скорость течения воды подо льдом, м/с; v_w,max – максима льная скорость ветра, м/с; L_m – средняя длина ледяного поля по направлению потока, м; i – уклон поверхности потока.

г) Сила удара льда о сооружение определяют по формуле [  ]:

,                                                       (3.4)

где ρ – плотность льда; R_b – прочность льда на смятие, R_b=kR_c, где R_c – прочность льда на одноосное сжатие, k=1,5 – коэффициент.

Точность определения ледовой нагрузки зависит от погрешностей определения значений входящих в нее параметров. Действующие в настоящее время нормы проектирования предусматривают расчет платформ на действие волн, льда и ветра, соответствующих максимуму нагрузки, наблюдаемому в данной акватории за 50 и 100 лет. Однако, данной информации не достаточно для расчета сооружений, например, на усталость. Накопление усталостных повреждений происходит даже при умеренном волнении, средней толщине льда и небольшой скорости ветра. Эти нагрузки действуют в течение значительного периода, а вызванные колебания сооружений могут быть достаточно высокочастотными.

Известно много случаев, когда аварийная ситуация возникала из-за того, что своевременно не удавалось заметить накопившуюся усталость материалов, трещины в важных узлах и деталях сооружения. Развитие трещин под действием циклических нагрузок - одна из основных причин исчерпания ресурса конструкций. Поэтому одной из важных задач теории надежности следует считать прогноз неисправностей (или разработка методов прогноза отказов.) Важно оценить, как велика опасность того, что в течение срока службы МЛП потребует ремонта, без осуществления которого нельзя эксплуатировать сооружение? Как предупредить возможность отказа сооружения на протяжении всего срока службы?

В связи с этим разработана методика расчета количества циклов и режима нагружения сооружения ледяным покровом с учетом изменчивости его параметров и особенностями взаимодействия льда с опорами ГТС шельфа.

Описание формирования ледовой нагрузки – это достаточно сложная задача. Наиболее достоверным является экспериментальный метод. Однако ледостойких сооружений на шельфе построено сравнительно мало, опыт эксплуатации их ограничен как временем, так и конкретными условиями района строительства. Кроме того, экспериментальный метод очень трудоемок и требует значительных затрат. Таким образом, целесообразно использовать теоретический подход для описания рассматриваемого процесса формирования режима нагружения.

Одним из таких недорогих, эффективных и оперативных методов оценки и анализа функционирования системы является метод имитационного моделирования. Наиболее полное исследование «общесистемных» проблем в нем получается в результате моделирования объектов большого масштаба на ЭВМ, имитируя поведение частей сложного объекта и их взаимодействие, с учетом влияния факторов окружающей среды. ЭВМ вычисляет любые характеристики объекта, предусмотренные программой исследования.

Метод имитационного моделирования позволяет решать задачи исключительной сложности. Исследуемая система может одновременно содержать элементы непрерывного и дискретного действия и быть подвержена влиянию многочисленных случайных факторов сложной природы и т.д. Этот метод не требует создания специальной аппаратуры для каждой новой задачи и позволяет легко изменить значение начальных параметров и параметров исследуемых систем. Метод имитационного моделирования подчас является единственным практически доступным методом исследования сложной системы, особенно на стадии ее проектирования.