Многоцикловое и истирающее воздействия дрейфующего ледяного покрова на морские гидротехнические сооружения (Расчет конструкции ледостойких оснований. Особенности имитационного моделирования)

2.2 Постановка задачи.

Для гидротехнических сооружений на замерзающих акваториях шельфа северных морей, как правило, определяющими являются ледовые нагрузки. Точность определения ледовых нагрузок непосредственно влияет на  надежность и экономичность технических решений морских ледостойких платформ.

Кроме того, не всегда удается учесть действительные условия взаимодействия льда с сооружением из-за недостаточного знания ледового режима. Поэтому следует отметить некоторую условность существующих рекомендаций по определению ледовых нагрузок на сооружения в СНиП [1], к тому же рекомендации по учету динамики сооружений и по воздействию льда на плавучие сооружения нормативные документы не содержат.

При проектировании гидротехнических сооружений, подверженных ледовым нагрузкам и воздействиям, надо иметь достоверные статистические данные по характеристикам гидрологического и ледового режима акватории, к таким данным относятся:

а) скорость и направление движения (дрейфа) ледяных полей, зависящая от скорости и направления ветра, а также морфологических особенностей берегов;

б) толщина ледяных полей;

в) размеры ледяных полей и их сплоченность;

г) прочностные характеристики льда (прочность, соленость, скорость деформации и т.п.);

д) режим колебания уровня и т.п. факторы.

Предполагается, что на первой стадии проектных разработок расчет конструкции ледостойких оснований будет осуществляться в соответствии с требованиями действующих норм. В связи с этим можно ожидать, что из-за неточного учета действительных условий их работы могут быть допущены погрешности в габаритных размерах сооружений, а также в размерах сечений несущих элементов.

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:

                                                               (1)

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

                                                     (2)

где m – коэффициент формы опоры, для круглых опор m=0,9; v - скорость движения ледяного поля, м/с; А – площадь ледяного поля, м²; g -половина угла заострения передней грани опоры в плане, град, для круглых опор tgg=1; b – 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)

где

, где v_max – максимальная скорость течения воды подо льдом, м/с; v_w,max – максимальная скорость ветра, м/с; L_m– средняя длина ледяного поля по направлению потока, м; i – уклон поверхности потока.

Точность определения ледовой нагрузки зависит от погрешностей 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 умеренной скорости ветра. Эти нагрузки действуют в течение значительного периода (в течение всего срока службы), а вызванные колебания сооружений могут быть достаточно высокочастотными.

Несомненно, 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 ледостойке основание потребует ремонта, без осуществления которого нельзя эксплуатировать сооружение? Как предупредить возможность отказа сооружения на протяжении всего срока службы?

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.

Как оценить надежность и качество единичного (уникального) сооружения? Статистические методы, которые обычно используются не пригодны, поскольку нет достаточного количества данных наблюдений. Значит следует искать другие методы. Поэтому автор предлагает новую модель расчета сооружений на усталость.

Несущую способность элементов конструкции по сопротивлению усталости при циклическом нагружении следует рассматривать в свете вероятностных представлений о возникновении разрушения и об уровне действующих переменных напряжений.

Постепенные отказы, связанные со старением и износом материалов, имеют важное значение при оценке и прогнозировании долговечности сооружений. Их зависимость от внешних нагрузок и свойств, применяемых материалов, по сравнению с внезапными отказами выражена более отчетливо.