1. Нагрузки от ровного льда на сооружения с наклонными гранями

Е.А.Ким (4 курс, каф. МВТС), К.Н.Шхинек, д.ф.-м.н., проф.» Сравнение методов Кросдеила и Ралстона по вычислению горизонтальной составляющей ледовой нагрузки на сооружения откосного профиля», 2007. [4]

В данной работе рассматривается ледовая нагрузка ровного льда на сооружения с наклонными гранями, при которых лёд разрушается преимущественно преодолевая свой предел прочности на изгиб. Величина нагрузки на сооружение больше зависит от собственного веса обломков льда на своих гранях.

Цели данной работы состоят в том, чтобы:

• уточнить на каком из параметров, входящих в формулу для определения ледовой нагрузки следует концентрировать больше внимания;

• сопоставить метод, предложенный К.Р.Кросдеилом и метод Т.Д.Ралстона;

• уточнить, в каком случае важна двухмерность, а в каком – трехмерный эффект.

В качестве возможных пределов изменения параметров были приняты: ширина сооружения D = 30-100 м, коэффициент трения льда с поверхностью сооружения μs = 0,1-0,3; прочность льда на изгиб σf = 300-800 кПа; толщина льда h = 0,5-3; м коэффициент трения льда μi = 0,2-0,4; модуль упругости льда E = 1-5 ГПа, высота обломков льда hr = 3-12 м; максимально возможная высота наползания льда на сооружение hf = 3-12 м; угол наклона обломков к горизонтали θ = 20-30°.

Проведенные численные эксперименты показывают, что основное влияние на значение горизонтальной составляющей силы, полученной по Кросдеилу, оказывают h, D, hr, μs, θ. Наибольше влияние на значение горизонтальной составляющей нагрузки, вычисленной по методу Ралстона, оказывают h, D. Чуть меньшее, но тоже значительное влияние оказывают σf и hf.

На основе всех проведенных вычислений были сделаны следующие выводы:

1. При оценке горизонтальной составляющей нагрузки по методу К.Р.Кросдеила следует особое внимание уделять толщине льда, ширине сооружения, высоте обломков льда, наползающих на структуру, коэффициенту трения льда с поверхностью сооружения, углу, который составляют обломки льда с горизонталью, а по Т.Д.Ралстону – ширине сооружения и толщине льда.

2. Необходимо ограничить область применения этих методов.

3. При расчете ледовой нагрузки следует учитывать физику взаимодействия сооружения с ледовым полем.

Ли Лян (асп., каф. ГТС), К.Н.Шхинек, д.ф.-м.н., проф. «Взаимодействие льда с наклонными гидротехническими сооружениями», 2012. [3]

Рассматривается ледовая нагрузка на сооружение с наклонными гранями. Лёд рассматривается как балка на гидравлическом (упругом) основании, находящаяся под действием сил плавучести и толкающей силы окружающего льда с одной стороны, и силы реакции сооружения и находящихся на его поверхности обломков с другой стороны.

Используется программный комплекс LS-DYNA. Входные параметры: уклон стенок сооружения, длина ледовой балки (расстояние от шарнира до шарнира), толщина ледовой балки. Результаты моделирования свидетельствуют о том, что принятые методики недооценивают предельный несущий момент и нагрузки на сооружения могут вырасти до 1,5-1,7 раз.

Е.Д.Игнатьева (4 курс, каф. ГТС), А.С.Большев, д.т.н., проф. «Сопоставление статического и динамического расчёта нагрузок от ровного льда на морские сооружения конусной формы», 2011. [2]

В настоящее время, для расчёта нагрузок от ровного льда на морские сооружения конусной формы по нормам используют статический метод расчёта.

Цель работы – определить принципиальные различия между статическим методом расчёта по нормам и динамическим методом расчёта, с помощью программного комплекса, созданного в СПбГПУ.

Статический расчёт ледовых нагрузок может производиться по многим методикам. Наиболее известной является методика, рекомендованная Международными нормами ISO 19906. В данной работе выполнен расчёт по нормам ISO 19906 для плавучего сооружения платформенного типа с конусной вставкой.

С помощью этого метода используется модель, основным допущением в которой является то, что сооружение рассматривается, как условно неподвижное, а за расчетную нагрузку принимается максимальное значение, возникающее в момент наибольшего изгиба льдины и возникновения трещины. Ледовая нагрузка при этом считается условно постоянной. В результате взаимодействия льда с заякоренным сооружением возникает опасность обрыва якорных связей или местных повреждений обшивки ледового пояса. Для стационарных морских сооружений – возникает опасность опрокидывания сооружения, сдвига сооружения по грунту, а также местных повреждений корпуса.

В основе динамического метода лежит совместное интегрирование уравнений движения льда и заякоренного сооружения сопровождаемое вычислением контактных сил изменяющихся во времени. Динамический метод реализован в программном комплексе Anchored Structures разработанном на кафедре ГТС СПбГПУ.

Анализ характера временной зависимости показывает, что нагрузка модулируется двумя временными процессами: относительно низкочастотными колебаниями заякоренного сооружения и высокочастотными пиками определяемыми возникновением ледовых трещин. Понятно, что статический подход, использованный в нормах ISO 19906, не может учесть развитие подобных процессов. Основные опасности – обрыв якорных связей, потеря устойчивости, подвижки по грунтовому основанию, локальная потеря прочности материала будут связаны с длительным воздействием льда на корпус сооружения, а значит со средними значениями ледовой нагрузки. На этом основании можно сделать вывод о значительном завышении оценок ледовых нагрузок получаемых по нормам ISO 19906, а значит о завышенной металлоемкости и стоимости проектируемых с его помощью объектов.

П.В.Беляев (4 курс, каф. МВТС), К.Н.Шхинек, д.ф.-м.н., проф. «Воздействие ледовых обломков на райзер». [5]

В этой работе рассматривается воздействие ледовых обломков на плавучие райзеры, решается задача внецентренного удара льдины о райзер, даётся оценка среднего значения нагрузки, с учетом вероятности того, что удар может произойти в любой точке фронтальной стороны льдины.

Задача решается аналитически с помощью дифференцирования уравнения движения системы льдины и райзера. Находится выражение для математического ожидания коэффициента влияния поворота.

Из анализа графиков значений коэффициента влияния поворота делается вывод о том, что нагрузка снижается по сравнению с нагрузкой от центрального удара: в случае линейной зависимости усилия со стороны райзера Р от смещения z: P = cz на 12-33%, в случае зависимости усилия со стороны райзера: P = czm на 17-44%. Расчет райзера на центральный удар с ледовыми обломками приводит к завышенным значениям нагрузок.