2. Нагрузки от ровного льда на сооружения с вертикальными гранями

А.Ю.Погорелова (4 курс, каф. ГТС), К.Н.Шхинек, д.ф.-м.н., проф. «Влияние забивки пространства льдом между опорами на ледовые нагрузки», 2010. [1]

Рассматривается нагрузка от ровного льда на четырёхопорное сооружение. Для решения данной проблемы была использована программа, основанная на методе дискретных элементов.

Согласно международным стандартам ISO, если отношение L/D > 5÷6 (где L – расстояние между центрами опор, D – диаметр опоры), то пространство не забивается льдом, если L/D < 5, то возможна забивка, но не известны нагрузки, их увеличение.

Исходные данные для моделирования: расстояние между центрами опор L = 100 м, пористость льда n = 0,2, диаметр частиц dmin = 5 м, dmax = 10 м, диаметры опор D = 10 м, D = 20 м, D = 30 м для каждого случая соответственно и угол атаки α = 0°, α = 30°, α = 45°. Для каждого случая было проведено по 6 опытов при наличии и отсутствии забивки льда между опорами соответственно.

При D = 20 м и α = 30° был определен наименьший разброс в доверительном интервале: 0,51 < F < 0,52 МН без забивки и 0,67 < Fзаб < 0,68 МН с забивкой. Численно наибольшие нагрузки наблюдались в случае D = 30 м и α = 0° с забивкой и находились в доверительном интервале 0,84 < Fзаб < 0,88 МН, наименьшие нагрузки при D = 10 м и α = 0° без забивки со значением 0,36 < F < 0,38 МН.

В результате было получено следующее распределение нагрузок для всего сооружения в целом:

• при L/D = 10, α = 0°, 30°, 45° отношение равняется Fзаб/F =1,4;

• при L/D = 5, α = 0° и Fзаб/F =1,56, α = 30° и Fзаб/F =1,32, α = 45° и Fзаб/F =1,47;

• при L/D = 3,33, α = 0° и Fзаб/F =1,6, α = 30° и Fзаб/F =1,4, α = 45° и Fзаб/F =1,5.

Д.А.Шарапов (асп., каф. ГТС), К.Н.Шхинек д.ф.-м.н., проф. «Вмерзание в лёд и ледовые нагрузки», 2011. [2]

В данной работе рассматривается горизонтальное воздействие льда на вертикальную цилиндрическую опору. Для определения влияния вмерзания на нагрузку были рассмотрены три задачи: оценки размеров «воротников» в зависимости от температурного режима в воздухе и внутри сооружения (термодинамическая задача); влияние воротников на нагрузку при рассмотрении взаимодействия лёд/сооружение в вертикальной плоскости (задача механики твердого тела); комплексная оценка влияния воротников (задача механики твердого тела).

Для решения проблем использовались три различные численные конечно-элементные и конечно-разностные программы.

При последующих подвижках ледяного поля наличие воротника может заметно увеличить нагрузку как по сравнению с нагрузкой на не вмёрзшее в лёд движущее поле (на 170-50%) так и на вмерзшее сооружение без воротника (на 12-50%).

Степень изменения нагрузки при вмерзании сооружения в лёд существенно зависит от отношения диаметра сооружения к толщине льда, – чем шире сооружение, тем меньше воротники влияют на действующие на него нагрузки. Этот результат существенно отличается от приводимых в СНиП 2.04-06 87* и ВСН-41-88.

3. Нагрузки от ледовых торосов

О.А.Рябинкина (6 курс, каф. МВТС), К.Н.Шхинек, д.ф.-м.н., проф. «Взаимодействие киля тороса с морским дном», 2007.

Задача этой работы состояла в создании модели ледовых образований, позволяющие оценить нагрузку с учётом формы киля тороса и возможностью разрушения киля в процессе пропахивания.

Расчет устойчивости проводится в предположении о кругло-цилиндрической поверхности скольжения. Рассматривается случай плоской задачи для внедренного в грунт тороса с килем треугольной формы. На выделенный радиусом массив грунта будут действовать следующие силы: активная сила воды, активное давление тороса, силы трения, собственный вес и силы противодавления.

Записываются уравнения равновесия: уравнение моментов и уравнение сил. Связь между нормальными и касательными напряжениями определяется зависимостью Кулона.

Была найдена безопасная глубина для торосов различной, т.е. глубина внедрения киля ледового торосистого образования, при которой киль сравнительно безопасен для морских подводных трубопроводов. Для торосов 0,5, 0,90, 0,95, 0,99 % обеспеченности безопасная глубина варьируется в пределах 6,47, 9,16, 10,04 и 11,98 м.

А.М.Вакуленко (асп., каф. ГТС), А.С.Большев, д.т.н., проф. «Моделирование разрушения киля тороса при взаимодействии с шельфовыми сооружениями в пк Plaxis 2D и сравнении результатов численного и аналитического расчёта», 2012. [3]

Рассматривается ледовая нагрузка от торосов. Объект взаимодействия – сооружения произвольной формы. Лёд задаётся с помощью двух параметров: сцепления и угла внутреннего трения. Модель льда совпадает с моделью Мора-Кулона для грунтов. Методика расчётов – детерминистическая, с заданными параметрами торосов.

Расчёты в программном комплексе Plaxis 2D выполняются с помощью метода конечных элементов. Результаты были сравнены с результатами определения нагрузок по формулам:

• Долгополова и др. 1975 г.

• Croasdale и др. 1994 г.

• СНиП 2.06.04-82* с изм. 2003 г.

• ISO/FDIS 19906 от 2010 г.

• К.Н.Шхинека (СПбГПУ)

И.В.Родионов (5 курс, каф. ГТС), К.Н.Шхинек, д.ф.-м.н., проф. «Воздействие киля тороса на сооружения шельфа», 2011. [2]

Объектом исследования в данной работе является воздействие тороса на сооружение с наклонной и вертикальной стеной.

В данной работе использовано два метода по определению нагрузки на сооружение, статический и динамический. Методы основаны на теории предельного равновесия Кулона-Мора. Для динамического метода была разработана программа TEMPLATE на кафедре ГТС, СПбГПУ, под руководством д.ф.-м.н. К.Н. Шхинека.

Расчет нагрузки от киля состоит в использовании методов механики грунтов для среды со сцеплением и внутренним трением. Нагрузка, соответствующая пассивному давлению, как правило, больше соответствующей активному.

В данной работе решен вопрос по определению нагрузки на стены гидротехнических сооружений. Найдены зависимости величины нагрузки на стену, от её наклона, от углов внутреннего трения ледяного материала, и от углов трения между килем тороса и стенкой сооружения. Были рассмотрены и сравнены два метода по определению нагрузки на вертикальную стену: расчёт в программе по модифицированному методу Кулона-Мора сравнивался со статическим методом предельного равновесия.

И.В.Родионов (4 курс, каф. ГТС), К.Н.Шхинек, д.ф.-м.н., проф. «Исследование воздействия дрейфующих торосов на морское дно, на разных глубинах», 2010. [1]

Рассматривается нагрузка от ледовых торосов на заглубленные трубопроводы. Целью работы является определение величины заглубления тороса в грунт, под действием различных толкающих сил, на разных глубинах.

Для достижения данной цели были проведены расчеты на глубинах 20, 15, 10 и 5 м. Торос рассматривался, как неразрушающееся тело с пористой структурой. Его размеры принимались в соответствии с рассматриваемыми глубинами. В решаемой задаче типом грунта выбран песок, дно рассмотрено, как упруго-пластичная среда.

Расчеты проводились в программе, разработанной на кафедре ГТС, под руководством К.Н.Шхинека. Программа основана на методах интегрирования в Лагранже-Эйлеровых координатах.

Таким образом, в работе получены и проанализированы необходимые данные по заглублению тороса в грунт при различных величинах движущей силы, на разных глубинах.