Нагрузки, ограниченные разрушением льда.

a. Введение. Нагрузка, получаемая в результате движения ледяного покрова, и взаимодействия с сооружением, ограничивается магнитудой нагрузки, необходимой для разрушения льда дроблением, изгибом, выпучиванием, раскалыванием, или их комбинацией.  В дальнейшем будут представлены методики определения нагрузок для разрушения ледяных покровов в вышеперечисленных моделях.

6-7

(1)    Важно рассмотреть магнитуду зоны, над которой действуют ледовые нагрузки. Общая нагрузка на всё строение важна для проектирования фундамента для противостояния сдвигу и опрокидыванию. Контактные усилия на небольшие участки, или локальные давления в зонах контакта важны для проектирования внутренних элементов конструкции и внешней оболочки сооружения.

(2)      Общая ледовая нагрузка F на строение шириной D связанная с разрушением ледяного покрова толщиной h, как показано на Рис. 6-2, выражена в значении эффективного давления p_e:

F = p_eDh                                                                                                                    (6-10)

Рис. 6-2.

Суммарная ледовая нагрузка F на сооружение шириной D связанная с разрушением ледяного покрова толщиной h.

(3)      Важно различать давление в зоне контакта, действующее на зону контакта льда и сооружения, и эффективное давление. Так как фактическая область контакта сооружения и ледяного поля либо равна, либо меньше чем номинальная область контакта (произведение толщины льда на ширину сооружения), то давление в зоне контакта или равно, или выше чем эффективное давление. Относительная скорость ледового поля относительно сооружения является важным фактором в определении режима разрушения льда, и площади контакта, и эффективного давления.

b. Разрушение дроблением.  Дробление льда – одна из общих моделей разрушения. Большая работа был выполнена для того, чтобы понять процесс, который происходит во время раздавливания льда и для определения нагрузок появляющихся в результате взаимодействия. Так как лёд существует в температурах, близких к его точке плавления, то его температура сильно сказывается на его свойствах. Лёд при низких температурах прочнее, и имеет более хрупкие характеристики. Лёд проползает при медленных низких величинах нагрузки, и разрушается хрупким образом при высоких величинах нагрузки. Сложное поведение льда зависит от температуры и скорости вдавливания. В проектировании необходимо бороться с обоими типами поведения льда.

6-8

(1)      Общие данные Эффективное давление зависит от режима дробления льда, который в свою очередь зависит от скорости вдавливания, или относительной скорости ледового образования относительно сооружения.

(a) При низкой скорости вдавливания, лед деформируется с медленной ползучестью, что вызывает полный контакт и равномерное давление по поверхности. В процессе взаимодействия с проявлением деформации ползучести льда об узкую поверхность сооружения, нагрузка между льдом и сооружением возрастает постепенно, достигает пика, и потом постепенно снижается, достигая 50-60% пикового значения без какой-либо структурной вибрации.

(b) При высокой скорости ледового вдавливания и в широкую, и в узкую поверхности сооружений, лёд разрушается последовательно в режиме хрупкого разрушения, выражающимся в неодновременном частичном контакте и в неравномерном давлении на зону контакта. При этом режиме раздавливания, разница нагрузок на маленькие участки большой ширины строения велика, но суммирование этих нагрузок по всей ширине строения усредняет локальные нагрузки, что выражается в меньшей разнице общей ледовой нагрузки на все сооружение (Край (1998), Содхи (2001)). В течение продолжительного хрупкого разрушения, сооружение не отвечает на быстрые перепады действующих нагрузок, и его вибрация невелика, потому что она отражает постоянное значение ответной реакции на среднюю нагрузку.

(c) При средней скорости, взаимодействие между структурной деформацией и прибывающим льдом вызывает чередующиеся пластичное и хрупкое разрушение, в результате чего график ледовой нагрузки приобретает пилообразную форму. В течение каждого цикла периодического разрушения прибывающий лёд отклоняет сооружение в процессе пластичного разрушения, что повышает нагрузку взаимодействия. Когда ледяное поле разрушается при определенном уровне нагрузок, накопленная потенциальная энергия сооружения высвобождается чтобы вернуть сооружение в свое первоначальное положение, выражающееся в относительно высокой скорости хрупкого разрушения. Когда неустановившиеся колебания затухают, цикл повторяется, что как бы толкает сооружение на лед при разных скоростях и вызывает либо неустановившуюся, либо постоянную устойчивую вибрацию (Джефрис и Райт (1988), Содхи (1991, 1995, 2001)).

(d) Рисунок 6-3 показывает карту хрупкого разрушения льда в процессе взаимодействия с жесткими негнущимися и податливыми деформирующимися сооружениями. В процессе взаимодействия с жесткой конструкцией, лёд разрушается в пластичном и хрупком режиме, и происходит резкий переход при скорости вдавливания, приближающейся к 3 мм с^–1 (0.01 фут с^–1) (Содхи и др. (1998), Мастерсон, 1999). При ледовом взаимодействии с деформирующимся сооружением, наблюдаются пластичный и хрупкий режимы разрушения при низкой и высокой степени вдавливания соответственно. При усредненных скоростях вдавливания, лёд разрушается в чередующемся режиме пластичный-хрупкий в результате переменной степени вдавливания в кромку ледяного покрова. Поэтому, существуют два режима трансформации – пластичное в прерывистое и прерывистое в устойчивое хрупкое разрушение в процессе взаимодействия с деформируемыми сооружениями. Видео запись демонстрирует давление на границе взаимодействия в трех режимах разрушения льда (пластичная деформация, чередующееся пластичное-хрупкое и устойчивое хрупкое разрушение), ее можно посмотреть по ссылке:  www.crrel.usace.army.mil/permanent/ice_crushing.

6-9

Скорость вдавливания