Технические науки / 4.Транспорт

Ст.преп. Балашов М.Г., студ. Лопатнева А.Ю.

Севастопольский национальный технический университет, Украина

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЛЕДОВЫХ ОБРАЗОВАНИЙ

С ОСНОВАНИЯМИ МОРСКИХ СООРУЖЕНИЙ

Введение. При определении ледовых нагрузок обычно рассматриваются следующие виды взаимодействия льда с основанием морского сооружения: а) при изменении уровня воды (приливы и отливы) с условием смерзания льда с основанием; б) при подвижке ледового покрова и смерзании льда с основанием; в) при подвижке ледового покрова с отсутствием смерзания льда с основанием.

Первый вид не является характерным для шельфовых оснований, поскольку обычно они расположены в открытом море. Виды б) и в) могут трактоваться как одно, поскольку отличаются только в величине предсказываемой нагрузки.

При проектировании оснований учитывают глобальные и местные ледовые нагрузки. Глобальная нагрузка представляет суммарную нагрузку на основание и определяет общую устойчивость конструкции. Местная нагрузка действует на отдельные элементы конструкции и оказывает влияние на прочность конкретного элемента. Могут быть рассмотрены следующие принципы взаимодействия: ограниченного напряжения; ограниченного количества движения; ограниченной силы и раскалывание.

Термин "ограниченный" используется для обозначения определяющих параметров при расчете пиковых нагрузок на основание. Эти определяющие параметры, могут трактоваться на основе вероятностного подхода. Модель разрушения, соответствующая ограниченному напряжению, наиболее вероятна для реализации. Обычно лед разрушается от сжатия при взаимодействии с вертикальной передней гранью и от изгиба при взаимодействии с наклонными гранями основания.

Постановка задачи. Выявить характер взаимодействия ледовых образований с основаниями морских сооружений. Дать описание возможных принципов воздействия льда на основания.

Материалы исследования. Принцип ограниченного напряжения – подразумевает сжатие ледового покрова перед поверхностью основания. Согласно этому принципу, максимальная нагрузка возникает тогда, когда нормальное напряжение на поверхности сооружения достигает некоторого предела одновременно по всей площади контакта. В этом случае ледовая нагрузка с учетом некоторых дополнительных факторов определяется как

,

где – прочность льда на одноосное сжатие; D – диаметр основания; h – толщина льда, I – коэффициент внедрения; – коэффициент контакта; – коэффициент формы.

Это выражение основано на формуле Коржавина [1], который предположил, что коэффициент внедрения характеризует поле деформаций и напряжений вокруг основания, учитывает влияние сложного напряженного состояния на прочность. Коэффициент учитывает неполноту контакта между кромкой льда и основания, а коэффициент – форму поперечного сечения основания.

Такая методология может использоваться на начальных стадиях проектирования оснований, но измерения ледовой нагрузки в натурных условиях показали, что формула Коржавина существенно завышает величину действующей нагрузки. Она основана на данных измерений ледовой нагрузки на опоры мостов. Диаметр опор в несколько раз меньше характерных диаметров шельфовых оснований. Прочность льда существенно уменьшается с увеличением масштаба. Коржавин один из первых наблюдал масштабный эффект, но разброс данных был очень велик для окончательного заключения (рисунок 1).

1 – данные экспериментов Технического Центра Финляндии для образцов со сферическими порами; 2 – аналитическое решение; 3 – API RP 2N (1995); 4 – опыты Ли Циуна; 5 – опыты Франссона и Стейна; 6 – опыты Технического Центра Финляндии с образцами, включающими поры различной формы

и размеров

Рисунок 1 – Влияние пористости на прочность льда при одноосном сжатии

Обычно ледовые образования являются неоднородными. В частности, как показывает рисунок 2 в пределах полигона 160х160 м (сравнимого с размерами шельфового основания) прочность льда изменяется в несколько раз. То есть часть ледового покрова непосредственно находящаяся во взаимодействии с основанием может быть значительно менее прочной, чем другие части. Поэтому разрушение льда начинается с участков с меньшей прочностью, а это влечет как неполноту контакта, так и неодновременность разрушения.

Рисунок 2 – Распределение прочности на одноосное сжатие на участке

дрейфующего льда площадью 160х160 м

Первоначально гипотеза неодновременного разрушения была предложена Краем. Он предположил, что площадь контакта может быть разделена на несколько зон, по длине сопоставимых с толщиной льда, и что разрушение в каждой зоне может происходить независимо от других зон. Если это предположение верно, то

,

где – расчетное или пиковое давление в пределах n контактных зон; – среднее давление в одной зоне; n – число зон, n= D/4h. Давление определяется как нагрузка, деленная на площадь контакта.

Иные методы учета масштабного эффекта были предложены Бланше. Попытка обобщить множество экспериментальных данных была предпринята Сандерсоном.

Принцип ограниченного количества движения. Если кинетическая энергия ледового образования недостаточна для внедрения на глубину радиуса основания, то взаимодействие льда описывается согласно принципу ограниченного количества движения. Нагрузки в этом случае определяются из условия равенства начальной кинетической энергии, затраченной на разрушение при внедрении основания в лед. Поскольку это внедрение меньше радиуса основания, нагрузка меньше, чем энергия, соответствующая принципу ограниченного напряжения. Учет такого принципа необходим при вероятностном подходе к оценке ледовых нагрузок. Обычно масса, скорость и кинетическая энергия трактуются как случайные величины. Изучению данного принципа посвящено много исследований, особенно для случая взаимодействия прочного ледового покрова с основанием при его остановке. Анализ воздействия торосов на основание показывает, что иногда торосы могут останавливаться перед сооружением после небольшого прорезания.

Принцип ограниченной силы может реализовываться при навале мощного ледового поля на основание, когда оно останавливается и на него передается нагрузка от разрушающегося следующего позади более тонкого дрейфующего льда. В этом случае нагрузка на основание определяется давлением ветра и течения на ледовое образование и движущей силой дрейфующего льда, подпирающего его сзади. При такой форме взаимодействия ледовое образование может собирать нагрузки от окружающего льда и передавать на основание. Если нагрузки недостаточно и окружающий лед слабее льда, остановившегося перед основанием, позади последнего будут формироваться торосы.

Раскалывание. Если размеры ледового образования достаточно малы, то после небольшого внедрения может произойти раскалывание ледового покрова на несколько частей, вызывающее малые нагрузки. Скорость движения ледовых образований оказывает существенное влияние на нагрузку, также как и на весь процесс взаимодействия. Лабораторные исследования, проведенные Карной и Соди [2] показали, что при малых скоростях внедрения разрушение происходит приблизительно одновременно вдоль всей площади контакта. Неодновременное разрушение льда наблюдается при больших скоростях движения.

Заключение. Дано описание принципов взаимодействия ледовых образований с основаниями морскими сооружениями. В дальнейшем планируется рассмотреть вопрос о формах оснований морских сооружений в районе переменной ватерлинии.

Литература:

1. Воздействие льда на инженерные сооружения / Под ред. К.Н.Коржавина. – СПб. отд. АН СССР, 1962.– 245 с.

2. Доусон Т. Проектирование сооружений морского шельфа. Пер. с англ. – Л: Судостроение, 1986, 288с.

3. Морские гидротехнические сооружения на континентальном шельфе:Учеб./Г.В. Симаков, К.Н. Шхинек, В.А. Смелов и др. – Л.: Судостроение, 1989. – с.328, ил.