CC BY
31[10] Постнов В.А. Численные методы расчета судовых конструкций./ Постов В. А. - Л.: Судостроение, 1977.
[11] Указания по проектированию причальных набережных. СН РФ - 54.185. Гипроречтранс -М.: 1987.
CALCULATIONS OF PORT CONSTRUCTION BY A METHOD OF FINITE ELEMENTS, REALIZED IN THE PROGRAM ANSYS
N. V. Kochkurova
The research stressed and deformed condition of port constructions with the help of the program ANSYS, based on a method of finite elements is considered.
УДК 627.33
Н. В. Кочкуроеа, к. т. п., доцент, ВГАВТ.
603600, Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5.
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ КОРРОЗИИ КОНСТРУКЦИИ НА НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ ПОРТОВЫХ ПРИЧАЛЬНЫХ СООРУЖЕНИЙ ИЗ МЕТАЛЛИЧЕСКОГО ШПУНТА
В статье рассматриваются результаты исследования напряженно-деформированного состояния портовых причальных сооружений с учетом влияния коррозионного износа металлического шпунта. Исследования выполняются с помощью программы АЫБУБ, основанной на методе конечных элементов.
Металл стальных конструкций шпунтовой набережной при определенного рода неблагоприятных воздействиях окружающей среды и режиме эксплуатации подвергается коррозии. Коррозия может служить причиной аварии портовых сооружений. Большинство причальных сооружений в портах наиболее крупного Волжского бассейна построено из стали. Такие речные порты, как Казанский, Ярославский, Ульяновский, Рыбинский, Саратовский и ряд других, имеют причальный фронт, на всем протяжении застроенный стальными набережными больверкового типа.
К факторам, вызывающим коррозию, относят агрессивные воздействия грунтовых вод и воды на акваториях, особенно в зонах переменного уровня и заплеска воды, воздействие перерабатываемых на причалах химических грузов, влияние блуждающих токов и токов утечки.
По механизму протекания коррозионного процесса различают химическую и электрохимическую коррозии металла. Второй вид коррозии часто наблюдается у конструкций, погруженных в морскую и пресную воду или во влажный грунт. В условиях жаркого климата наблюдается биокоррозия стали - электрохимическое разрушение, протекающее при участии микроорганизмов.
В зависимости от влажности атмосферы, где находится металл, различают коррозию: сухую; влажную; мокрую.
Для транспортных гидротехнических сооружений важное значение имеет то обстоятельство, что скорость мокрой коррозии понижается с увеличением толщины слоя влаги вследствие затруднения диффузии кислорода к металлу. При значительной
утолщении слоя влаги скорость коррозии практически не изменяется, так как толщина эффективного диффузионного слоя остается постоянной. В этом случае мокрая коррозия соответствует коррозии стали при ее полном погружении. Металлоконструкции портовых гидротехнических сооружений в нормальных условиях при отсутствии специальных требований должны обладать коррозионной стойкостью в 3 балла, что соответствует интенсивности коррозии, равной 0,01- 0,05мм/год.
Техническое состояние современных портовых сооружений с годами значительно ухудшается. При эксплуатации сооружений наблюдается несоответствие периодичности освидетельствования портовых сооружений и определения их технического состояния существующим требованиям «Правил технической эксплуатации» [1]. В ряде случаев не соблюдаются нормы эксплуатационных нагрузок, а также нормы по оценке повреждений отдельных частей конструкции сооружения.
Например, при техническом обследовании в 1999 г. порта Левшино в г. Перми на р. Каме выявлены множественные повреждения металлических шпунтовых свай причального сооружения. Наблюдения показали наличие большого количества вмятин и трещин шпунта от ударов судов ниже отбойного устройства, расхождение шпунтин в замках или отсутствие замков между шпунтинами, повреждение шпунтовых свай в местах отсутствия шапочного бруса вследствие ударов, а также коррозия шпунтовых свай. Оценка коррозии стальных конструкций показала преобладание сплошной коррозии шпунта, а также наличие язвенной коррозии на поверхности шпунтовых свай. Средняя глубина коррозии составляла 0.25мм, и эта величина имеет тенденцию к увеличению.
Рядом ученых проводились исследования влияния коррозии на несущую способность сооружения. Например, Пивон Ю. И. исследовал процессы коррозии на стальных причальных сооружениях Сибири. Он выявил, что характер коррозионного износа металлических больверков в Сибири отличается от подобных сооружений в европейской части. Наибольшая интенсивность коррозии происходит с внутренней стороны шпунтовых свай. Это обусловливается воздействием солнечной радиации и знакопеременных температур (особенно в осенне-летний период). При этом происходит конденсация влаги на внутренней поверхности шпунта с прогрессированием во времени. В результате антикоррозионное покрытие не только перестает выполнять свои прямые функции, но наоборот, является как бы преградой, препятствующей уменьшению влажности на границе шпунт-грунт [2, 3].
Таким образом выявить фактическую степень поражения металла коррозионными процессами можно, только проводя натурные измерения величины коррозии. Однако, если иметь данные о скорости коррозии, можно проводить прогнозы ее влияния на изменение толщины конструкции и ее несущей способности. В настоящее время существуют способы определения несущей способности сооружения, описанные в нормах, но современное развитие науки и техники позволяет разрабатывать новые методы.
Исследование напряженно-деформированного состояния причальных портовых сооружений и определение несущей способности сооружения из металлического шпунта можно выполнять с помощью имитационного моделирования. При этом исследуется реальный процесс работы причального сооружения в заданных эксплуатационных условиях.
В данной работе рассматривается один из методов имитационного математического моделирования - метод конечных элементов (МКЭ), на котором основан компьютерный программный продукт АИБУЗ, предназначенный для инженерного анализа любых, в том числе и пространственных конструкций.
Совокупность программы А^УБ и МКЭ позволяет создавать более точные расчетные схемы, по сравнению с упрощенными физическими моделями, которые использовались ранее для проверки представлений ученых о работе той или иной конструкции. Кроме того, развитие вычислительной техники и численных методов расче-
та механики деформируемых тел дает возможность решения более сложных задач с учетом многочисленных случайных воздействий. Это позволяет оценить не только локальную прочность всего сооружения, но и взаимное влияние отдельных элементов конструкции друг на друга. Новые методы расчета позволяют более полно учесть реальные условия работы конструкций в отношении закона и характера действия внешних нагрузок, граничных условий геометрических размеров, реологических свойств материалов, температурных факторов и т.п.
Математическая модель металлической шпунтовой набережной представляет собой совокупность дискретных областей (элементов), связанных между собой в конечном числе точек (узлов). Основными неизвестными являются степени свободы узлов конечно-элементной модели.
Физическая модель представляет собой (рис. 1) систему, включающую следующие элементы: тонкую металлическую стенку (шпунт), грунт основания и засыпки, анкерную плиту и анкерную тягу, к которым применялась концепция сплошности среды, то есть рассматривалось все пространство как непрерывное.
Грунт основания
Рис. 1. Физическая модель причальной набережной
Первым этапом создания модели конструкции в АЫЭУЗ является создание ее твердотельного аналога с помощью простейших геометрических фигур, описывающих заданную область (рис. 2).
Шпунт
Грунт засыпки
Рис. 2. Твердотельная модель
Рис. 3. Конечно-элементная сетка
После построения твердотельной модели создается ее конечно-элементный аналог (рис. 3), т.е. сетка узлов и элементов. Вся расчетная область исследуемой имитационной модели должна быть разбита конечными элементами, связанными друг с другом и образующими конечно-элементную сетку. Получаемое конечно-элементное пространство является расчетным аналогом исследуемого сооружения. Описание расчетной области тем или иным конечным элементом зависит от ее геометрических параметров. Например, для отображения объемной области используется твердотельный трехмерный конечный элемент с восемью или двадцатью узлами. Для обрисовки стержневых элементов используются двумерные стержневые конечные элементы с двумя узлами и т. д.
Для моделирования шпунта применяется твердотельный конечный элемент Solid45 (рис. 4) с восемью узлами, имеющий 24 степени свободы - по три степени свободы в каждом узле. При моделировании сложных геометрических областей элемент может преобразовываться в четырехузловой тетраэдр.
Твердотельный конечный элемент Solid 45 также используется для описания области взаимодействия анкерной плиты и фунта.
Анкерная тяга моделируется стержневым конечным элементом Link8 (рис. 5), который имеет два узла с тремя степенями свободы (Ux, Uy, Uz) в каждом узле.
Р
О
Z
М
X
/ у Координатная система элемента
координатная
система
Рис 4. Конечный элемент Solid 45
Z
L
Рис. 5. Стержневой конечный элемент Link8
Исследования влияния толщины шпунта на его прочностные характеристики проводилось по описанной методике методом конечных элементов с помощью программы Доя создания расчетной модели за основной рабочий элемент конструк-
ции выбран шпунт Ларсен 5. В процессе исследования изменялась толщина шпунта «в» от 21 до 5 мм (рис. 6). С учетом этого изменения максимальная величина коррозии принималась 16 мм.
Рис. 6. Схема к исследованию влияния толщины шпунта на его прочность
На поверхность грунта приложена равномерно-распределенная нагрузка в виде давления, составляющая 40 кН/м2.
В результате проведенного исследования были получены значения горизонтальных перемещений и напряжений в узлах конечно-элементной модели. Картина напряженно-деформированного состояния расчетной модели приведена на рис. 7.
а) б)
Рис. 7. Напряженно-деформированное состояние исследуемой модели: а - перемещения конструкции; б - напряжения в конструкции
Графические зависимости результатов исследований напряженно-деформированного состояния конструкции причальной набережной в зависимости от величины коррозии и изменения толщины шпунта приведены в виде графических зависимостей на рис. 8, 9.
Задача решалась в упругой постановке не только для металлических конструкций, но и для грунта основания и засыпки. Это объясняет относительно небольшие значения полученных величин горизонтальных смещений и напряжений, возникающих в конструкции под действием нагрузки.
-верха —■—пролета — - точки анкеровки
Величина коррозии, мм Рис. 8. Зависимость изменения смешений шпунта от величины коррозии
Величина коррозии, мм Рис. 9. Зависимость изменения напряжений в точке крепления анкера от величины коррозии
По зависимости (рис. 8) видно, что с увеличением величины коррозии шпунта горизонтальное смещение верха стенки увеличивается от 1,66 мм до 3 мм, а смещение пролета от 3,3мм до 4мм. Происходит смещение шпунта на уровне анкеровки, за счет чего растягивается анкерная тяга, и незначительный поворот шпунта относительно узла крепления анкера. Напряжение в зоне примыкания анкера к шпунту в среднем равно 26 МПа и с увеличением толщины шпунта уменьшается (рис. 9). Максимальное горизонтальное смещение наблюдается в пролете в 3,0м над дном и составляет 3,99 мм. Наибольшие горизонтальные смещения верха шпунта составляют 3,01 мм.
Исследования показали, что с ростом величины коррозии шпунта возрастают деформационные характеристики конструкции причала. Это значит, что в процессе эксплуатации причальных сооружений необходимо периодически проводить дефектацию конструктивных элементов и в зависимости от этого назначать допустимую нагрузку на причальный фронт.
Список литературы
[1] Правила технической эксплуатации портовых сооружений. Министерство речного флота РСФСР. - Л.: Транспорт, 1986.
[2] Пивон Ю.И. Итоги работы по выявлению резервов несущей способности причальных набережных портов Ленского пароходства // Высокоэффективное использование резервов пропускной способности существующих транспортных гидротехнических сооружений / Пивон Ю.И. -Новосибирск: 1987.-С. 11-15.
[3] Пивон Ю.И. Эксплуатационная надежность существующих причалов в условиях Сибири. Автореф. дисс. на соиск. ученой степени канд. техн. наук / Пивон Ю.И. - Новосибирск: 2000.
RESEARCH OF INFLUENCE OF CORROSION OF A CONSTRUCTION ON THE STRESSED AND DEFORMED CONDITION OF PORT BERTHING STRUCTURES FROM METAL SPUNT
N. V. Kochkurova
The results of a research of the stressed and deformed of port berthing constructions with calculation of influence of corrosion deterioration metal spunt are considered in the article.
The researches are carried out with the help of the program ANSYS, based on a method of finite elements.
УДК [626.4:691.32:]:624.42
В. П. Куликов, к. т. н., доцент.
Р. П. Лобанцев, аспирант.
А. М. Палеес, аспирант-стажер, ВГАВТ.
603600, Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5.
ИССЛЕДОВАНИЕ МОРОЗОУСТОЙЧИВОСТИ БЕТОНА СТЕНОК РЕЗЕРВУАРА ШЛЮЗОВОЙ КАМЕРЫ В ЭКЕРСМЮЛЕНЕ НА МАЙН - ДУНАЙ - КАНАЛЕ
Рассматривается математическая модель разрушения бетона морозом, включающая совместное решение уравнений тепло- и массопереноса в тонкостенных напорных элементах гидротехнических сооружений. Определяется величина давления воды вытесняемой льдом в порах промерзающего бетона, определяется напряженное и деформированное состояние материала конструктивного элемента при наличии поро-вого давления влаги. Бетон считается морозоустойчивым при условии, если расчетная величина деформации растяжения бетона не превышает его предельной растяжимости.
Расчетом установлена возможность разрушения бетона морозом в стенках резервуара шлюзовой камеры в Экерсмюлене на Майн -Дунай - Канале на глубину 30 см.
Принятые обозначения
Символ Единица измерения Наименование величин
1 2 3
х, у, Z м Ортогональные декартовы координаты
t с Время
9 К Температура
Н м Напор воды
Р МПа Поровое давление
V м/с Средняя скорость фильтрации воды в бетоне
