Инерционно-массовая составляющая

(3.16)

где dm – дифференциал массы по объему МБУ; a_– суммарное ускорение.

Дополнительная гидростатическая составляющая

(3.17)

Отметим, что составляющие давления могут быть определены только после решения уравнения качки МБУ. Для фактического определения количественных значений этих составляющих необходимо знать параметры качки МБУ, в связи с чем составление решений уравнений качки МБУ является первым этапом при определении давлений. Сами эти уравнения могут быть получены из условия общей уравновешенности по главному вектору и главному моменту дополнительных усилий, обусловленных волновым давлением

Рассмотрим порядок получения АЧХ напряжений a_s_,_i (w). Как уже было отмечено, расчет НДС должен выполняться для распределений волновых давлений или погонных нагрузок в конкретные моменты времени. Гармонический процесс регулярного волнения, описываемый формулой (3.13), может быть представлен в виде

	(3.18)
(3.19)

где – косинусная составляющая волнового профиля; - синусная составляющая волнового профиля.

Любой процесс, обусловленный регулярным волнением (давления, Погонные нагрузки, качка, напряжения), также может быть представлен суммой косинусной и синусной составляющих. Амплитудное значение каждого процесса определяется зависимостью аналогичной (3.19). Итак, для получения АЧХ напряжений следует:

рассчитать косинусные и синусные составляющие волнового давления или погонных нагрузок при определенном значении круговой частоты волнения w;

определить НДС корпуса в виде косинусной и синусной составляющих, т. е. рассчитать косинусную и синусную составляющую напряжений

(3.20)

где s_i – компонент напряжения в i-й точке; – косинусная составляющая этого компонента; – синусная составляющая этого компонента;

найти амплитудное значение компонента напряжения в точках

(3.21)

Пункты 1–3 выполняются для ряда частот регулярного волнения, что позволяет построить АЧХ напряжений в требуемых точках конструкций корпуса.

Ледовые нагрузки

Моря, окружающие территорию Российской Федерации, являются замерзающими. В некоторых из них (например, Черном, Азовском) ледяной покров возникает не каждый год. В арктических морях лед образуется ежегодно, а на части площади акватории не тает даже летом. Даже в наиболее теплом из российских арктических морей – Баренцевом – лед достигает толщины более 1, 5 м. В отличие от ледяного покрова озер, морской лед редко бывает ровным на значительной площади. Вследствие взаимного перемещения ледяных полей по краям взаимодействующих льдин образуются торосы – навалы льда, общая высота которых (включая надводную и подводную части) может превышать 20 м. Обломки льда в торосах первоначально удерживаются только силами трения, тяжести и плавучести. С течением времени внутри тороса на уровне ватерлинии образуется консолидированный слой, представляющий собой прослойку монолитного льда переменной толщины при среднем значении толщины до 5 м и более. Как правило, именно воздействие на МБУ торосистого образования является при определении ледовых нагрузок расчетным сценарием, т. е. тем сценарием, при котором ледовые нагрузки будут наибольшими. Как показывает анализ, практически во всех случаях проектные ледовые нагрузки на МБУ, предназначенную для эксплуатации в Арктике, превышают значения всех остальных нагрузок (волновых, аэродинамических и др.). Поскольку 85 % разведанных запасов углеводородного сырья на континентальном шельфе России приходится на арктические моря, и более 10 % — на дальневосточные моря, для которых также характерны тяжелые ледовые условия, становится очевидной необходимость в надежных методах определения ледовых нагрузок на МБУ.

Одним из используемых в настоящее время способов исследования взаимодействия льда с конструкциями является проведение модельных испытаний. Такие эксперименты проводятся в специальных ледовых бассейнах, которые отличаются от традиционных гидродинамических бассейнов наличием систем охлаждения, позволяющих поддерживать температуру воздуха в помещении до -20 °С и ниже. При отрицательных температурах намораживается лед, называемый моделированным. Требования к этому льду вытекают из теории подобия, являющейся теоретической базой модельных испытаний и дающей соотношения, по которым результаты экспериментов могут быть пересчитаны на натуру. В частности, из этой теории вытекает, что предел прочности моделированного льда должен быть во столько раз меньше натурного льда такой же толщины, во сколько модель МБУ меньше натурного объекта. Таким образом, основные усилия исследователей при создании моделированного льда направлены на приготовление льда с пониженной по сравнению с натурным льдом прочностью. Для этого либо вместо воды используются растворы различных химических соединений, либо лед, по мере его нарастания, насыщается пузырьками воздуха или формируется из снежно-ледяной смеси. В некоторых случаях используются материалы, по своему химическому составу не имеющие ничего общего со льдом (например, воскоподобные массы, испытания с которыми можно проводить при комнатной температуре). Тем не менее, ни одна из существующих технологий не позволяет получить моделированный лед cо свойствами, в полной мере отвечающими требованиям теории подобия. По этой причине пересчет результатов модельных испытаний на натуру всегда сопровождается погрешностями, уровень которых практически невозможно проконтролировать.

В ходе экспериментов модель МБУ протаскивается сквозь поле моделированного льда или, что реже, поле льда надвигается на модель. Основными результатами опытов являются значения глобальных ледовых нагрузок (модельные испытания не позволяют определить локальные давления льда, необходимые для проектирования металлоконструкций корпуса). Дополнительной целью исследования может быть оценка геометрических характеристик навалов льда перед сооружением. Эта информация необходима, например, для назначения расстояния от уровня воды до верхнего строения МБУ, анализа условий швартовки судов у МБУ в ледовых условиях и решения ряда других задач.

Теоретические модели, заложенные в действующие российские нормативные документы по расчету ледовых нагрузок ВСН 41.88 и СНиП -2.06.04—82*, ориентированы на определение нагрузок от ровного льда. Во всех случаях лед рассматривается как пластина на упругом основании. Расчетные формулы имеют различный вид в зависимости от геометрии МБУ в районе ватерлинии. В частности, в соответствии с нормами горизонтальная нагрузка на отдельно стоящую вертикальную опору рассчитывается по следующей формуле:

(3.22)

где F_h_,_p — горизонтальная ледовая нагрузка, МН; т₁ — коэффициент, учитывающий форму опоры и принимаемый равным 1, 0 для круглых и многогранных опор и 1, 1 для прямоугольных; b — поперечный размер по фронту опоры на уровне действия льда, м; h — расчетная толщина ровного льда, принимаемая равной максимальной толщине льда 1 %-й обеспеченности, м; k_b - коэффициент смятия, зависящий от отношения b/h и варьирующийся в диапазоне от 1, 0 до 6, 0; R_c — предел прочности льда при сжатии, отнесенный ко всей толщине ледяного покрова (значение предела прочности составляет 1, 0...2, 5 МПа).

Если МБУ имеет несколько опорных колонн, то суммарная ледовая нагрузка на МБУ находится как произведение нагрузки на одиночную опору, определяемую по формуле (3.22), умноженную на количество опор и на меньший единицы редукционный коэффициент, рассчитываемый в зависимости от соотношения поперечного размера опор и расстояния между ними.

Нагрузки на опору конической формы определяются по следующим формулам:

(3.23)

где F_v_,_p и F_h_,_p – вертикальная и горизонтальная ледовые нагрузки, МН; k_с– коэффициент, зависящий от отношения b/h (b – диаметр опоры на уровне действия льда) и варьирующийся в диапазоне от 2, 0 до 3, 0; R_f – предел прочности льда при изгибе (значение предела прочности составляет 0, 2...0, 9 МПа); (b – угол наклона образующей конической опоры к горизонту; m – коэффициент трения льда по поверхности опоры.

В действующих российских нормативах общая нагрузка на МБУ от торосистого льда находится домножением нагрузки от ровного льда на коэффициент торосистости, меняющийся от 1, 3 до 2, 0 в зависимости от географического района, в котором будет эксплуатироваться МБУ. Однако более надежные результаты могут быть получены, если непосредственно анализировать взаимодействие тороса с сооружением.

Распространенным подходом к оценке локальных ледовых нагрузок на МБУ является использование зависимостей, в которых среднее давление льда в пределах зоны контакта сооружения со льдом р выражается как степенная функция площади этой зоны S, т. е. р = k_sSⁿ (n < 0). Значения параметров степенной функции подбираются таким образом, чтобы результирующая кривая являлась огибающей значений давлений, полученных в ходе экспериментов. При этом в один набор данных объединяются результаты самых разнообразных измерений: натурных измерений нагрузок на судовые конструкции (наибольший объем информации) и шельфовые сооружения, экспериментальных исследований взаимодействия со льдом инденторов различной формы и др. Таким образом, в зависимости от принятых к рассмотрению данных и закладываемых при построении огибающей границ доверительного интервала получаются разные рекомендации по выбору значений коэффициента k_S и показателя степени. В частности, в рекомендациях Американского института нефти [92]даются следующие расчетные формулы:

(3.24)

где p₂_s и р₃_s– давление льда, определяемое как огибающая, проведенная, соответственно, на два и на три стандартных отклонения выше линии регрессионной зависимости давления от площади, МПа; S – номинальная площадь контакта конструкции со льдом, м².

В заключение следует отметить, что существующие теоретические методы не позволяют надежно оценить ледовые нагрузки. В этом смысле показательным является факт, что нагрузки, рассчитанные по одинаковым исходным данным с помощью национальных нормативов различных стран и другим широко признанным методикам, различаются между собой в несколько раз. По этой причине как в России, так и за рубежом в настоящее время прилагаются усилия, Направленные на разработку более адекватных методов для расчета ледовых нагрузок на МБУ.

⇐ Предыдущая 1 234 5 6 7 8 Следующая ⇒