CC BY
41
ВЕСТНИК 1/2012
УДК 69.059.2:551.524.37
Т.Э. Уварова, Е.Е. Помников
ФГАОУВПО «ДВФУ»
УЧЕТ ПЛАНОВО-ВЫСОТНОЙ ИЗМЕНЧИВОСТИ ИСТИРАЮЩЕГО ВОЗДЕЙСТВИЯ ЛЕДЯНОГО ПОКРОВА НА МОРСКИЕ ИНЖЕНЕРНЫЕ СООРУЖЕНИЯ
Рассмотрена проблема расчета величины истирающего воздействия ледяного покрова на морские ледостойкие платформы с учетом колебания уровня моря и планово-высотной неоднородности ледяного покрова.
Ключевые слова: ледовая абразия, неоднородность ледяного покрова, сооружение континентального шельфа.
Введение. Основным фактором, влияющим на условия эксплуатации и надежности гидротехнических сооружений, расположенных в районах с суровыми ледовыми условиями, является ледовый режим морской акватории в районе строительства и, как следствие, ледовые нагрузки и воздействия на сооружение, особое внимание в последние годы уделяется истирающему воздействию льда.
Величина ледовой абразии зависит от множества факторов, основными из которых являются: контактное давление, длина пути истирания и сопротивление материала ледовой абразии [1—3].
Для расчета и прогноза ледовой абразии материала конструкции предлагается методика расчета величины истирания с учетом вероятностных характеристик входных параметров. Особое внимание уделяется зоне взаимодействия ледяной плиты с сооружением. Разрабатываемая программа по истиранию элементов конструкции ледяным покровом с учетом колебания уровня позволяет выявить наиболее неблагоприятный уровень действия ледовой нагрузки и, как следствие, оптимизировать конструкцию ледозащитного пояса, либо разработать местное усиление бетонного основания, используя высокопрочный бетон.
Постановка задачи. Строительство морских инженерных сооружений на акваториях замерзающих морей вызывает необходимость всестороннего учета воздействий льда. Морские сооружения испытывают влияние от истирающего воздействия ледяного покрова в зоне переменного уровня моря.
Как известно, абразия зависит от длины пути взаимодействия ледяного покрова, оказывающего истирающее воздействие на корпус сооружения I и контактного давления в процессе скольжения поверхности ледяного образования в зоне контакта а [1—3]. Данные параметры могут быть рассчитаны на основе программы, разработанной А.Т. Беккером, Т.Э. Уваровой, С.Д. Ким [4].
Случайный характер всех составляющих изменчивости колебания уровня ведет к необходимости использовать вероятностные методы оценки получения исходных данных и по величине колебания уровня, поэтому гистограмма колебания уровня моря вводится в программу расчета ледовой абразии наряду с другими данными, влияющими на степень истирания конструкции.
При назначении зоны сооружения, подверженной истирающему воздействию ледяных образований в конкретной акватории, необходимо учитывать следующие наиболее важные факторы:
колебания уровня моря; направление дрейфа льда;
изменчивость толщины дрейфующих ледяных образований;
46
© Уварова Т.Э., Помников Е.Е., 2011
изменчивость температуры воздуха и прочности ледяного покрова; механизм разрушения ледяного образования на контакте с сооружением; эффект затенения от действия ледовой нагрузки;
ориентацию сооружения по отношению к сторонам света на месте установки. Математическая модель учета планово-высотной изменчивости ледовых воздействий. Истирающее воздействие ледяного покрова является сложным процессом, параметры которого трудно поддаются количественной оценке, что является следствием изменчивости взаимодействия ледяного образования с сооружением.
На планово-высотную изменчивость ледовых воздействий оказывают влияние следующие параметры:
по высоте: колебание уровня 2 и толщина ледяного образования к (модель разрушения льда к\);
в плане: направление дрейфа льда (румб, определяемый по розе скоростей дрейфа гитЬ и соответствующая ему скорость дрейфа льда V); эффект затенения от действия ледовой нагрузки; распределение контактного давления в плане (о = /(а), где а — угол между румбом и расчетной точкой на опоре);
неоднородность свойств льда: распределение температуры льда по толщине к, Т = /(к), которое влияет на прочность льда Я и как следствие на ледовую нагрузку ¥;
расчетные параметры: длина пути взаимодействия X и длина зоны контакта (размеры ледяных образований В);
Глубина истирания материала сооружения является функцией времени. Поэтому расчетные параметры истирающего воздействия ледяного покрова необходимо накапливать за каждый шаг расчета, что является с математической точки зрения матрицей огромного числа данных.
С целью усовершенствования алгоритма вывода расчетных параметров и для учета планово-высотной изменчивости действия ледовой нагрузки все сооружение предварительно разбивается на ячейки (рис. 1), в которых накапливаются расчетные пара метры ледовой нагрузки и ледовой абразии.
При этом все сооружение помещается в систему отсчета (рис. 2), где любой расчетный параметр в любой точке контактной зоны является функцией двух переменных, например для глубины ледовой абразии можно записать:
д = / (Фк, к), (1)
где фк — угол привязки расчетной точки к системе отсчета; к — привязка расчетной точки по высоте к системе отсчета.
Рис. 1. Расчетная схема сооружения Рис. 2. Система отсчета
Границы зоны контакта определяются в зависимости от следующих факторов, влияющих на величину ледовой абразии:
ВЕСТНИК МГСУ
1/2012
направления скорости дрейфа льда гытЪ и эффекта затенения от действия ледовой нагрузки [5] (рис. 3);
расчетного положения уровня моря 2 и толщины ледяного образования к (рис. 4); модели разрушения ледяной плиты перед сооружением к\ (рис. 4); длины зоны контакта являющейся расчетной величиной, которая зависит от размеров ледяных образований Б.
V ражшй- жщрш ■ 1
-Н|-1- 1 | ; Т Ш п
ьадд Л г
Рис. 3. Эффект затенения от действия ледовой нагрузки [5]
Рис. 4. Границы зоны контакта по высоте
Границы зоны контакта определяются на каждом шаге расчета и накладываются на сетку ячеек (кластеров) сооружения, которые обеспечивают хранение и накопление расчетных данных.
Предложенная модель учета планово-высотной неоднородности ледовых воздействий является структурной оболочкой программы расчета. Модель позволяет определить все расчетные параметры ледовой абразии в любой точке зоны истирания сооружения.
Таким образом, пошаговый метод расчета, используемый в математических моделях формирования ледовых нагрузок, интегрирует ледовые воздействия, а математическая модель расчета глубины ледовой абразии и модель учета планово-высотной неоднородности ледовых воздействий позволяет сформировать «поверхность» глубины ледовой абразии (рис. 5).
На основе предложенной модели предлагается следующий метод накопления результатов расчета.
1. Предварительно все сооружение разбивается на кластеры и формируется система отсчета.
2. Осуществляется привязка системы отсчета к плановой ориентации сооружения по отношению к сторонам света и выбирается расчетное направление скорости дрейфа льда, при этом в расчете не рассматривается зона затенения.
3. Рассчитываются параметры ледовой нагрузки, которые являются исходными данными для расчета глубины ледовой абразии.
4. Определяются границы зоны контакта, которые накладываются на сетку кластеров сооружения.
5. Рассчитываются параметры ледовой абразии для всех кластеров зоны контакта и сохраняются в расчетных кластерах.
6. Результаты расчета на каждом шаге накапливаются в кластерах сооружения.
7. Результатом расчета является суммарная глубина ледовой абразии каждого кластера сооружения.
Рис. 5. Объемное изображение ледовой абразии корпуса конструкции в зоне истирания, вид с ЮВ
48
ISSN 1997-0935. УвзШк MGSU. 2012. № 1
Разработанная оригинальная методика расчета, хранения и накопления данных, позволяет оценить глубину ледовой абразии в любой точке зоны сооружения дрейфующим ледяным покровом с учетом планово-высотной неоднородности ледовых воздействий и построить 3D поверхность распределения глубины ледовой абразии по всей зоне истирания сооружения.
На основе разработанного алгоритма расчета была написана программа «Ice-StrIn» (Ice Structure Interaction). Расчетный комплекс «IceStrIn» позволяет выполнять расчеты глубины ледовой абразии в плане и по высоте в зоне истирания в любых естественных условиях. При небольшой модернизации расчетный комплекс может использоваться для расчета различных типов конструкций (наклонные опоры, протяженные сооружения).
Заключение. Некорректность определения ледовых воздействий на сооружения может привести к негативным последствиям. Завышение расчетной ледовой нагрузки приводит к неэффективному использованию финансовых средств, затрачиваемых на возведение капитальных сооружений, а занижение может явиться причиной нарушения работоспособности конструкции и возникновения экономического ущерба. Методика позволяет определить истирающее воздействие ледяного покрова на сооружение с учетом его дрейфа со всех сторон, что дает возможность получить общую картину глубины абразии по всей поверхности в плане и по высоте в контактной зоне.
Библиографический список
1. Itoh Y., Tanaka Y., Delgado A. and Saeki H. Abrasion Mode of a Circular Cylindrical Concrete Structure Due to sea Ice Movement // Proc. of the 5th Int. Offshore and Polar Eng. Conference (ISOPE), Hague, Netherlands, 1995. Pp. 381—388.
2. Itoh Y., Tanaka Y. and Saeki H. Estimation Method for Abrasion of Concrete Structures Due to Sea Ice Movement, Proc. of 4th Int. Offshore and Polar Eng. Conference, Osaka, Japan, 1994. Pp. 545—552.
3. Saeki H., Takeuchi T., Yoshida A., Asai Y and Suenaga E.L. Abrasion Test for Concrete Due to Sea Ice // Proc. of Port and Ocean Eng. under Arctic Conditions Conference (POAC), Fairbanks, Alaska, 1987.
4. Bekker A.T., Uvarova T.E., Kim S.D. Numerical Simulation of the Process of Interaction between Drifting Ice Fields and Structure Support // Proc. of the 6th Int. Offshore and Polar Eng. Conf. (ISOPE) Pacific/Asia Offshore Mechanics Symposium (PACOMS), Vladivostok, Russia, 2004. Pp. 123—128.
5. Barker A., Timco G., Sayed M. and Wright B.D. Numerical Simulation of the "Kulluk" In Pack Ice Conditions // Proc. of 15th International Symposium on Ice (IAHR), Gdansk, Poland, 2000, vol. 1, Pp. 165—171.
Поступила в редакцию в декабре 2011 г.
Об авторах: Уварова Татьяна Эриковна — кандидат технических наук, доцент кафедры гидротехники, теории зданий и сооружений, Инженерная школа, Дальневосточный федеральный университет, 690014, г. Владивосток, пр. Красного Знамени, 66, каб. 407, 8-(423)-245-16-18, [email protected];
Помников Егор Евгеньевич — аспирант кафедры гидротехники, теории зданий и сооружений, Инженерная школа, Дальневосточный федеральный университет, 690014, г. Владивосток, пр. Красного Знамени, 66, каб. 407, 8-(423)-245-16-18, [email protected].
Для цитирования: Уварова Т.Э., Помников Е.Е. Учет планово-высотной изменчивости истирающего воздействия ледяного покрова на морские инженерные сооружения // Вестник МГСУ. 2012. № 1. С. 46—50.
BECTHMK 1/2012
T.E. Uvarova, E.E. Pomnikov
ACCOUNT OF PLANE-HEIGHT CHANGES OF ABRASION ACTION OF ICE COVER ON OFFSHORE STRUCTURES
The paper presents the consideration of calculation problem of abrasion action of ice cover on offshore ice-resistant platforms accounting for water level changes and plane-height heterogeneity of ice cover.
Key words: ice abrasion, ice load, heterogeneity of ice cover, offshore structural.
References
1. Itoh Y., Tanaka Y., Delgado A. and Saeki H. Abrasion Mode of a Circular Cylindrical Concrete Structure Due to sea Ice Movement. Proc. of the 5th Int. Offshore and Polar Eng. Conference (ISOPE), Hague, Netherlands, 1995. Pp. 381—388.
2. Itoh Y., Tanaka Y. and Saeki H. Estimation Method for Abrasion of Concrete Structures Due to Sea Ice Movement. Proc. of 4th Int. Offshore and Polar Eng. Conference, Osaka, Japan, 1994. Pp. 545—552.
3. Saeki H., Takeuchi T., Yoshida A., Asai Y. and Suenaga E.L. Abrasion Test for Concrete Due to Sea Ice. Proc. of Port and Ocean Eng. under Arctic Conditions Conference (POAC), Fairbanks, Alaska, 1987.
4. Bekker A.T., Uvarova T.E., Kim S.D. Numerical Simulation of the Process of Interaction between Drifting Ice Fields and Structure Support. Proc. of the 6th Int. Offshore and Polar Eng. Conf. (ISOPE) Pacific / Asia Offshore Mechanics Symposium (PACOMS), Vladivostok, Russia, 2004. Pp. 123—128.
5. Barker A., Timco G., Sayed M. and Wright B.D. Numerical Simulation of the "Kulluk" In Pack Ice Conditions. Proc. of 15th International Symposium on Ice (IAHR), Gdansk, Poland, 2000, vol. 1, Pp. 165—171.
A b o u t a u t h o r s: Uvarova Tatyana Erikovna — PhD., Associated Professor, Dept. Offshore and Structural Mechanics, School of Engineering, Far Eastern Federal University, of. 407, 66, Krasnogo Znameni av., Vladivostok, Russia, 690014, +7-(423)-245-16-18, [email protected];
Pomnikov Egor Evgenevich — post-graduate student, Dept. Offshore and Structural Mechanics, School of Engineering, Far Eastern Federal University, 407, 66, Krasnogo znameni av., Vladivostok, Russia, 690014, +7-(423)-245-16-18, [email protected].
F o r c i t a t i o n: Uvarova T.E., Pomnikov E.E. Uchet planovo-vysotnoj izmenchivosti istirajuwego voz-dejstvija ledjanogo pokrova na morskie inzhenernye sooruzhenija [Account of plane-height changes of abrasion action of ice cover on offshore structures]. Vestnik MGSU [Proceedings of the Moscow State University of Civil Engineering], 2012, no 1, Pp. 46—50.
50
ISSN 1997-0935. Vestnik MGSU. 2012. № 1
