WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


 

На правах рукописи

Уварова  Татьяна  Эриковна

ВЕРОЯТНОСТНАЯ ОЦЕНКА ИСТИРАЮЩЕГО ВОЗДЕЙСТВИЯ ДРЕЙФУЮЩЕГО ЛЕДЯНОГО ПОКРОВА
НА МОРСКИЕ ГИДРОТЕХНИЧЕСКИЕ СООРУЖЕНИЯ

05.23.07 – Гидротехническое строительство

А В Т О Р Е Ф Е Р А Т

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Владивосток – 2012

Работа выполнена в Федеральном государственном автономном образовательном уч­реждении высшего профессионального образования «Дальневосточный федеральный университет» на кафедре гидротехники, теории зданий и сооружений.

Научный консультант:                Беккер Александр Тевьевич,

доктор технических наук, профессор, член-корреспон-
дент РААСН, заслуженный работник высшей школы РФ, директор инженерной школы ФГАОУ ВПО «Дальневосточный федеральный университет»

Официальные оппоненты:        Козлов Дмитрий Вячеславович,

доктор технических наук, профессор, ректор ФГБОУ
ВПО «Московский государственный университет природообустройства»

Шхинек Карл Натанович,

доктор физико-математических наук, заслуженный
деятель науки РФ, профессор кафедры гидротехническое строительство ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет»

Трусков Павел Анатольевич,

доктор технических наук, начальник управления  Сахалин Энерджи Инвестмент Компании, Лтд.

Ведущая организация: Открытое акционерное общество «Всероссийский научно-исследовательский институт гидротехники имени Б.Е. Веденеева» (ОАО «ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева»).

Защита состоится «10» декабря 2012 г. в 15-00 ч. на заседании диссертационного совета Д 220.045.02 в Московском государственном университете природообустройства по адресу: 127550, Москва, ул. Прянишникова 19, эл. адрес: mailbox@msuee.ru, ауд. 201/1.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Московского государст­венного университета природообустройства.

Автореферат разослан                                        «….…» ………...……….. 2012 года

Ученый секретарь

диссертационного совета,

кандидат техн. наук, доцент                                                 И.М. Евдокимова

Общая  характеристика  работы



Актуальность работы определяется наличием огромных запасов углеводородного сырья в акваториях Мирового океана, ростом потребности промышленности в данном типе ресурсов, что способствует развитию добычи полезных ископаемых на шельфе морей и океанов.

По прогнозной оценке, начальные извлекаемые ресурсы углеводородов на шельфе России достигают почти 100 млрд т условного топлива, в том числе 16,7 млрд т нефти и конденсата и около 78,8 трлн м3 газа, что соответствует 20?25 % общего объема мировых ресурсов углеводородов. Освоение морских месторождений нефти и газа на континентальном шельфе ледовитых морей является важнейшей народно-хозяйственной проблемой, определяющей развитие топливно-энергетического комплекса России.

Значительная часть шельфа России располагается в холодных морях Северного Ледовитого и Тихого океанов, которые характеризуются суровыми климатическими условиями и наличием дрейфующего ледяного покрова. В этих условиях морские гидротехнические и транспортные сооружения в течение длительного времени, а иногда и круглогодично, противостоят различным ледовым воздействиям. Одним из таких воздействий в акваториях с динамичным режимом дрейфа льда является ледовая абразия (истирающее воздействие льда).

При движении ледяных образований вдоль поверхности морских гидротехнических сооружений происходит эрозия поверхности – абразионное разрушение. При низких температурах ледяное образование имеет высокую прочность, при этом контактное давление в процессе хрупкого разрушения льда перед сооружением может быть в 3?5 раз больше прочности льда на одноосное сжатие (15,0?42,0 МПа). В этом случае кристаллы льда являются хорошим абразивом.

В результате циклического действия ледовой нагрузки поверхность сооружения, контактирующая со льдом, постепенно истирается. Для бетонных сооружений характерно ускорение коррозии бетона, что приводит к абразии цементного камня, потере крупного заполнителя и уменьшению прочности, а действие окружающей среды, обусловленное циклами замораживания-оттаивания, способствует постепенному ослаблению вяжущих и заполнителей поверхностного слоя и приводит к его разрушению.

Высокая степень изменчивости ледовых нагрузок и воздействий определяется случайным характером внешних условий, т.е. высокой динамичностью ледяного покрова, многообразием его форм и изменчивостью свойств морского льда как материала. Основные факторы, влияющие на величину ледовых нагрузок и воздействий, имеют случайную природу, а сами нагрузки и воздействия – ярко выраженный случайный характер.

В этих условиях критерии оценки надежности приобретают вероятностный характер, поэтому для изучения процесса взаимодействия ледяного покрова с сооружением должны быть использованы вероятностные методы, которые обеспечивают значительно более широкие возможности учета многообразных и сложных условий эксплуатации морских ледостойких платформ (МЛП). В настоящее время нет теоретического и экспериментально обоснованного решения задачи определения глубины ледовой абразии, что обосновано следующими причинами: недостаточным объемом натурных данных как по ледовой нагрузке, так и по ледовой абразии; многообразием и сложностью процессов разрушения ледяных образований при взаимодействии с сооружением; большим разбросом физико-механических характеристик льда, несогласованностью экспериментальных исследований на сопротивление материалов ледовой абразии и, как следствие, отсутствием в нормативной литературе требований, предъявляемых к износостойкости материала (бетон, металл, покрытия), подверженного ледовой абразии, и рекомендаций по формированию ледовых нагрузок с учетом истирающего воздействия льда.

В результате, например, морские ледостойкие платформы для Лунского и Пильтун-Астохского месторождений шельфа о. Сахалин были оборудованы специальными стальными ледозащитными приспособлениями в зоне действия ледовой нагрузки. Их основная функция – защитить бетон от истирающего воздействия ледяного покрова. Однако не все ледозащитные приспособления могут противостоять ледовым воздействиям в условиях высокой динамики дрейфа ледяного покрова, максимальной изменчивости его морфометрических параметров и прочностных свойств. Все эти факторы способствовали разрушению ледозащитных приспособлений, установленных на платформе ПА-А и на платформе ПA-Б Пильтун-Астохского месторождения на шельфе о. Сахалин.

МЛП являются ответственными сооружениями и должны обеспечивать защиту персонала, дорогостоящего оборудования и технических средств, а также экологическую безопасность региона в течение всего срока эксплуатации. Для обеспечения безопасности эксплуатации МЛП от истирающих ледовых воздействий необходимо определять максимальную глубину ледовой абразии за весь срок их эксплуатации. Это возможно достичь путем разработки и совершенствования методов физического и математического моделирования условий работы сооружений, подверженных истирающему воздействию ледяного покрова, и путем разработки научных основ расчетного обоснования проектных решений ледозащитных приспособлений МЛП. Таким образом, разработка методики расчета глубины ледовой абразии и на ее основе проектирование ледозащитных элементов морских ледостойких платформ являются актуальной проблемой.

Цель диссертационной работы – разработка методики вероятностного расчета глубины ледовой абразии для обеспечения надежности и безопасности эксплуатации морских гидротехнических сооружений.

На основе результатов анализа современного состояния в области истирающего воздействия ледяного покрова на морские гидротехнические сооружения для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:

– разработать концептуальный подход к методам решения проблемы расчета ледовой абразии;

– математические модели процессов формирования ледовых нагрузок и воздействий от различных видов ледяных образований;

– требования к способу описания математической модели сопротивления материала ледовой абразии и метод ее получения;

– математическую модель расчета глубины ледовой абразии;

– методику планово-высотного распределения ледовых воздействий в опасной зоне истирания;

– методику верификации математических моделей формирования ледовых истирающих воздействий и расчета глубины ледовой абразии на основе натурных данных;

– методику расчета глубины ледовой абразии и дать рекомендации использования предлагаемой методики в проектной практике.

Методы исследования. В работе, наряду с обобщением и анализом литературных источников, использованы результаты натурных исследований ледового режима северо-восточного побережья о. Сахалин и Балтийского моря. Для построения моделей и гипотез широко использовался метод математического моделирования. Учитывая сложность рассматриваемых систем, применялись методы имитационного моделирования. Для экспериментальных исследований и численного моделирования использованы методы теории планирования экспериментов. При обработке экспериментальных данных и данных численного моделирования использовались методы теории вероятности и математической статистики.

Научная новизна работы состоит в том, что в ней впервые проведен комплекс исследований по изучению истирающего воздействия ледяного покрова, на основании которого разработаны:

– концептуальный подход к методам решения проблемы ледовой абразии;

– вероятностная имитационная модель описания ледового режима, разработанная на основе математических моделей процессов формирования ледовых нагрузок и воздействий, определяющих основные параметры, влияющие на ледовую абразию;

– методика учета изменчивости температуры и прочности льда по толщине ледяного покрова, реализованная в виде программы расчета «Прочность льда»;

– методика планово-высотного распределения ледовых воздействий в опасной зоне истирания, реализованная в виде программы для графической интерпретации результатов расчета «Construction 3D»;

– эмпирические модели интенсивности ледовой абразии бетона;

– методика верификации математических моделей ледовых истирающих воздействий на основе натурных данных;

– верифицированная методика расчета глубины ледовой абразии, реализованная в виде расчетно-программного комплекса «IceStrIn».

Практическое значение работы. Результаты работы использовались при проектировании ледозащитного пояса из износостойкого бетона для бетонного основания гравитационного типа (БОГТ) Аркутун-Даги, строящегося в рамках проекта «Сахалин-1».

Рекомендации по проектированию ледозащитного пояса использовались при изготовлении опытного образца в натуральную величину (рис. 1, а), что позволило отработать технологию изготовления опорных колонн БОГТ и применить ее на практике. Проект ледозащитного пояса из износостойкого бетона, выполненный на основе расчетных данных о глубине ледовой абразии по разработанной автором методике расчета, был внедрен при строительстве БОГТ месторождения Аркутун-Даги о. Сахалин (рис. 1, б).

а  б

Рис. 1. Ледозащитные приспособления для бетонного основания Аркутун-Даги:

а – опытный образец бетонного ледозащитного пояса; б – бетонный ледозащитный пояс

Результаты исследований могут быть использованы для проведения лабораторных испытаний различных строительных материалов на сопротивление ледовой абразии и для совершенствования нормативных документов по расчету гидротехнических сооружений на истирающее воздействие дрейфующего ледяного покрова.

Основные результаты работы, выносимые на защиту:

– концептуальный подход к методам решения проблемы ледовой абразии;

– вероятностная имитационная модель описания ледового режима, разработанная на основе математических моделей процессов формирования ледовых нагрузок и воздействий;

– методика учета изменчивости температуры и прочности льда по толщине ледяного покрова;

– методика планово-высотного распределения ледовых воздействий в опасной зоне истирания;

– методика расчета глубины ледовой абразии;

– методика верификации математических моделей ледовых истирающих воздействий.

Достоверность научных положений и рекомендаций обоснована общепринятыми апробированными исходными положениями, проведением спланированного полнофакторного эксперимента; использованием статистически представительских выборок натурных наблюдений; статистической достоверностью формулируемых положений, на основе которых выполняется построение эмпирических моделей; исследованием модели и соответствием результатов теоретических решений исследованиям других авторов; верификацией теоретических моделей по данным натурных исследований.

Результаты исследований использованы в отчете НПО «Гидротекс» «Ice abrasion test» документ №RUSD-HYY-J2-BR-37000, выполненном по заказу №RUSD-AEP-J2-KZ-SE116-0001 компании AkerSolutions LTD в рамках проекта «Sakhalin-1 Arkutun-Dagi GBS Project»; в научно-исследовательских отчетах по следующим темам: 2003–2012 «Разработка теоретических основ описания процессов формирования воздействий ледяного покрова на объекты береговой зоны», Рособразование; 2006–2008 и 2009–2010 «Проблемы, исследования и освоение ресурсов Мирового океана», Рособразование; 2006–2008 «Разработка вероятностных методов расчета ледовых нагрузок на основания нефтегазовых платформ на шельфе», Рособразование; 2006–2010 «Разработка методов вероятностного расчета стационарных оснований нефтегазопромысловых платформ на воздействие дрейфующих ледяных полей», РААСН ДальНИИС; 2009–2011 «Разработка методов вероятностного расчета экстремальных ледовых нагрузок для обеспечения безопасности объектов шельфа северных морей», МинОбрНауки; 2009–2011 «Проблемы, исследования и освоение ресурсов Мирового океана», МинОбрНауки; 2011 «Разработка концепции вероятностного описания ледяного покрова и его взаимодействия с береговой зоной», МинОбрНауки.

Апробация работы. Основные положения исследований докладывались и об­суждались на «International Offshore and Polar Engineering Conference» (ISOPE) в 2001, 2003–2005, 2009–2011 гг.; ISOPE (PACOMS) в 2004, 2010 гг.; «Asian and Pacific Coastal Engineering Conference» в 2001 г.; «International symposium on ok­hotsk sea & sea ice» (Mombetsu) в 2003, 2008 гг.; «Workshop on Icе abrasion concrete structures» в 2007 г.; «International Association of Hydraulic Engineering and Research» International Symposium on Ice (IAHR) в 2008, 2012 гг.; International Conference on «Port and Ocean Engineering under Arctic Conditions» (POAC) в 2003, 2005, 2007, 2009, 2011 гг.; International Congress on Durability of Concrete (ICDC) в 2012 г.; Международной научно-практической конференции-выставке «Тихоокеанский шельф» / «Pacific Offshore Conference» (РОС) в 2005, 2012 гг.; Международной конференции «Стихия. Строительство. Безопасность» в 2008 г.; Международной конференции «Российский арктический шельф» в 2011 г., на ежегодных конференциях «Вологдинские чтения»; ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ДВФУ и семинарах кафедры.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 59 научных работ, в том числе 1 монография, 4 свидетельства о государственной регистрации программы для ЭВМ (в соавторстве), выпущено более 40 научно-технических отчетов.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, за­ключения, списка использованных источников и 6 приложений. Она содержит 280 страниц текста, 189 рисунков, 24 таблицы, список литературы из 193 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ  РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель, задачи и новизна полученных результатов, приведена реализация и апробация работы. Дан краткий критический анализ состояния рассматриваемой проблемы.

В первой главе дан аналитический обзор исследований истирающего воздействия ледяного покрова на гидротехнические сооружения. Проблемой оценки интенсивности ледовой абразии гидротехнических сооружений на протяжении последних тридцати лет занимаются научные центры во всем мире (рис. 2).

Ледовая абразия конструкций морских инженерных сооружений оказывает зна­чительное влияние на их надежность. Степень абразии бетона может достигать 0,9?1,6 мм/год – по наблюдениям S. Huovinen; 0,2?11,6 мм/год – по исследованиям J. Janson на маяках в Балтийском море; 1,0?5,0 мм/год – по наблюдениям F. Hara.

В соответствии с долгосрочными исследованиями ледовой абразии выделяются следующие факторы, влияющие на степень ледовой абразии: интенсивность контактного давления; длина пути истирания поверхности сооружения в зоне контакта; прочность и температура льда; относительная скорость взаимодействия; сопротивление материала истирающему воздействию льда.

На основании натурных и экспериментальных исследований ледовой абразии предложены модели расчета глубины ледовой абразии, которые можно разделить на два типа:

– экспериментальные модели, которые основаны на статистической обработке экспериментальных данных исследований сопротивления материалов ледовой абразии, и направлены на выявление эмпирических зависимостей интенсивности ледовой абразии. Такого типа модели были разработаны H. Saeki с соавторами, J. Janson, Y. Itoh с соавторами, F. Hara с соавторами, M. Hanada с соавторами;





– теоретические модели, которые основаны на математических моделях расчета глубины ледовой абразии бетона. Такого типа модели были разработаны S. Huovinen и S. Jacobsen с соавторами.

Однако во всех предложенных моделях расчета глубины ледовой абразии в полной мере не решен вопрос количественной оценки длины пути истирания, относительной скорости взаимодействия и интенсивности контактного давления льда.

Кроме того, во всех предыдущих исследованиях не рассматривается комплексный подход к оценке глубины ледовой абразии, где совместно решается задача ледовых воздействий и сопротивления материалов истирающему воздействию льда. Данный подход был реализован в предлагаемой автором концепции расчета глубины ледовой абразии и методике расчета.

Во второй главе предлагаются концептуальный подход и методика расчета глубины ледовой абразии. Проблема ледовой абразии ОГТ может быть разделена на две части: проблема ледовых воздействий, вызывающих абразию, и проблема сопротивления материала конструкции истирающему воздействию.

Основной целью экспериментальных исследований являются испытание образцов материалов на сопротивление ледовой абразии и разработка эмпирической модели интенсивности истирания, в то время как для определения интенсивности контактного давления и длины пути взаимодействия разработана вероятностная имитационная модель формирования различных ледовых воздействий на морские инженерные сооружения (теоретические исследования). Таким образом, совместное использование теоретических моделей формирования ледовых воздействий и эмпирической модели интенсивности ледовой абразии позволяет создать методику расчета глубины ледовой абразии.

Вероятностная имитационная модель формирования ледовых воздействий на морские гидротехнические сооружения основана на численном формировании функции распределения параметров ледового режима и имитации всех возможных ситуаций сочетания значений входных параметров. В результате численного моделирования расчетных ситуаций определяются вероятностные характеристики ледовой нагрузки, интенсивности контактного напряжения, длины пути взаимодействия и глубины истирания материала корпуса конструкции за весь период эксплуатации сооружения.

При разработке модели были приняты следующие допущения, которые соответствуют современному уровню знаний о ледовых воздействиях на инженерные сооружения.

  1. 1. Ледяной покров представляет собой совокупность ледяных образований, рав­номерно распределенных по площади акватории, характеризующихся следующими параметрами: толщиной h, скоростью дрейфа по направлениям V, диаметром D, температурой T, сплоченностью N.
  2. 2. Параметры ледяного покрова являются независимыми случайными величинами и представлены в виде помесячных гистограмм распределения, построенных на основе многолетних рядов наблюдений в заданном районе морских акваторий.
  3. 3. Время расчетной ситуации, определяется по формуле

,                                 (1)

где Р(Vk), P(Dk), P(hk), P(Tk), P(Nk), P(Zk) – вероятности появления исходных параметров соответственно скорости дрейфа льда, размеров льдин, толщины и температуры льда, сплоченности и колебания уровня; ts – время расчетного месяца ледового сезона.

Окончательно время расчета определяется с учетом вероятности столкновения ледяных образований с сооружением в соответствии с формулой

,                                 (2)

где tk – время действия расчетной ситуации; d – диаметр сооружения; Dk – диаметр ледяного образования; L0 – начальное расстояние между ледяными образованиями.

  1. 4. Начальное расстояние между ледяными образованиями определяется следующим образом:

,                                         (3)

где Nk – сплоченность ледяного покрова, балл.

  1. 5. Разрушение ледяного поля толщиной h на контакте с сооружением происходит путем двустороннего скола (сдвига) ледяных треугольных призм. Второй и последующие сколы происходят при достижении вертикального размера контактной площади, равного

,                                       (4)

где h – толщина ледяного поля, м; a - эмпирический коэффициент, c–1; ' – эффективная скорость деформации льда в зоне его взаимодействия с опорой, с–1, определяемая по формуле: , где Vi – скорость взаимодействия ледяного образования с сооружением.

  1. 6. На процесс истирания материала корпуса конструкции ледяным покровом влияют различные формы ледяных образований. В соответствии с международной символикой для морских ледовых карт и номенклатурой морских льдов выделяются три основные группы возможных воздействий от движущихся ледяных образований на отдельно стоящие опоры в зависимости от их размеров:
  • – нагрузка от битого льда с размером ледяных образований Dk 4d;
  • – нагрузка от обломков ледяных полей  размерами 4d < Dk 500 м;
  • – нагрузка от ледяных полей размером Dk > 500 м.
  • 7. Область рассматриваемых ситуаций ледового режима для расчета ледовой абразии ограничена следующими пределами: толщина льда h > 0,3 м; сплоченность битого льда N > 6 баллов.

Для реализации задачи расчета глубины ледовой абразии были разработаны следующие математические модели:

  • формирования ледовых нагрузок и воздействий от ледяных полей;
  • формирования ледовых нагрузок и воздействий от обломков ледяных полей;
  • формирования ледовых нагрузок и воздействий от битого льда;
  • определения глубины ледовой абразии
  • планово-высотного распределения ледовых воздействий.

Математическая модель формирования ледовых нагрузок и воздействий от ледяных полей. Значение ледовой нагрузки при внедрении ледяных полей определяется по формуле СНиП 2.06.04-82*:

,                                         (51)

где m – коэффициент формы опоры; kb – коэффициент, зависящий от d/h1 и учитывающий пространственно-напряженное состояние ледяного поля; h1 – толщина ледяного поля, м, определенная в соответствии с формулой (4); Rk – прочность льда на одноосное сжатие, МПа; kv – коэффициент, определяемый в зависимости от ′ эффективной скорости деформации льда в зоне его взаимодействия с опорой, c–1.

  1. Значение ледовой нагрузки при остановке ледяных полей определяется по формуле СНиП 2.06.04-82*:

,                                  (6)

где Vi – скорость движения ледяного поля, м/с; А – максимальная площадь ледяного поля (или суммарная площадь нескольких ледяных полей), м2; γ – половина угла заострения передней грани опоры в плане на уровне действия льда, град.

  1. Сила от воздействия движущегося ледяного поля на сооружение, состоящее из системы вертикальных колонн, определяется по формуле СНиП 2.06.04-82*:

,                                         (7)

где nt – общее число колонн в сооружении; k1 и k2 – коэффициенты, определяемые по СНиП 2.06.04-82*.

Изменчивость температуры и прочности по толщине ледяного покрова учитывается при помощи разработанного для этих целей алгоритма и программы расчета.

Методика определения прочности ледяного покрова основана на методе послойного суммирования расчетных прочностей i-х слоев ледяного покрова в соответствии со СНиП 2.06.04-82* и позволяет учесть структуру льда и влияние температуры льда на прочностные характеристики ледяного покрова.

Основные прочностные характеристики льда при сжатии Rc, МПа, определяющие значение ледовой нагрузки, рассчитывают по формуле

,                                               (8)

где N – количество слоев одинаковой толщины, на которое разбивается (по толщине) ледяное поле, при этом N ? 3; Ci – среднее (арифметическое) значение максимального предела прочности льда при одноосном сжатии, МПа, в i-м слое при температуре Ti, Сi принимается по зависимости, полученной в соответствии со СНиП 2.06.04-82*.

Строение ледяного поля (по толщине) принимается из зернистого и волокнистого льда. Толщина зернистого слоя льда располагается в верхней части ледяного покрова и составляет 0,25h, а толщина слоя призматического или волокнистого льда – 0,75h.

Температура льда в i-м слое ледяного поля Ti, °С, распределяется по толщине льда по линейному закону и определяется по формуле

,                                         (9)

где Tb – температура льда на границе лед–вода, °С, определяемая по «Океанографическим таблицам» при заданном значении солености воды sw; zi – расстояние от границы лед–вода до середины i-го слоя в долях толщины ледяного поля; Tu – температура льда на границе воздух (или снег) – лед, °С, принимаемая равной среднесуточной температуре воздуха до момента наибольшего воздействия льда на сооружение при заданной толщине льда: 0,5 м – за 5 сут; 0,75 м – за 11 сут; 1,0 м – за 19 сут; 1,5 м – за 43 сут; 2,0 м – за 77 сут (рис. 3).

При отсутствии ежедневных данных о температуре воздуха используются поме­сячные гистограммы температуры, при этом принимается, что данная гистограмма соответствует середине месяца (например, для декабря это 15 число месяца, для января – 15, для февраля – 14, для марта – 15, для апреля – 15, для мая – 15) (рис. 4).

Порядок определения прочности ледяного покрова. Для заданной толщины ледяного образования h определяется расчетная дата температуры воздуха в соответствии с данными рис. 4. По расчетной дате принимается расчетная гистограмма температуры воздуха в соответствии с данными рис. 5.

Прочность i-го слоя льда Ci назначается в соответствии со СНиП 2.06.04-82* в зависимости от строения ледяного поля и температуры i-го слоя льда Ti. Общая прочность ледяного образования Rc  определяется по формуле (8) в зависимости от прочности i-х слоев ледяного покрова.

Рис. 3. Определение расчетной даты среднесуточной температуры воздуха

Рис. 4. Привязка помесячной гистограммы температуры воздуха к расчетной дате ледового сезона

Для описания кинематического процесса механического взаимодействия ледяных полей с сооружением и процесса разрушения ледяных полей на контакте с сооружением использовался дискретный подход. Основную трудность в расчете представляет определение времени и длины пути взаимодействия ледяного поля с МЛП. Для реализации этой задачи используются закон сохранения импульса и теорема об изменении кинетической энергии ледяного поля.

В данном случае вся кинетическая энергия льдины приравнивается к работе кон­тактной силы на пути внедрения опоры в ледяное поле. Согласно закону сохранения энергии, зависимость изменения скорости внедрения льда с учетом силы течения можно записать в виде

,                                 ( 10)

где Vi+1 – скорость льдины на следующем шаге, м/с; Vi – скорость льдины на i-м шаге, м/с; Mi – масса льдины на i-м шаге, кг; Мi+1 – масса льдины на следующем шаге, кг; Fi – ледовая сила, МН; Fw – сила трения от течения, МН.

Процесс внедрения может возобновиться при передаче импульса подошедшей льдины к блоку льда, стоящему перед сооружением. Согласно закону сохранения импульса, скорость блока льда определится из соотношения

,                                 (11)

где M0 – начальная масса ледяного поля, кг; Vk – скорость дрейфа льда, м/с.

Длина пути взаимодействия:

,                         (12)

где dxi – длина пути взаимодействия ледяного поля с опорой сооружения на i-м шаге расчета; dt – шаг моделирования по времени, с.

Ширина зоны контакта для ледяных полей принимается равной диаметру опоры: , тогда длина зоны контакта принимается равной длине дуги – .

Математическая модель формирования ледовых нагрузок и воздействий от обломков ледяных полей. Предполагается, что кинетической энергии ледяного образования достаточно для внедрения опоры в лед, тогда ледовая нагрузка определяется как сила от воздействия движущегося ледяного поля на сооружение, состоящее из системы вертикальных колонн и определяется по формуле (7).

Ширина зоны контакта принимается равной (как наиболее вероятная величина контактной зоны), тогда длина зоны контакта определится как длина дуги в соответствии со схемой на рис. 5 по формуле


Рис. 5. Схема расчета длины

зоны контакта

.                                                        (13)

Предлагается разделить расчет на две составляющие: взаимодействие обломков ледяных полей сплоченностью N < 9 и сплоченностью N > 9.

При взаимодействии обломков ледяных полей сплоченностью N < 9 все ледяные образования движутся с одинаковой скоростью Vk и равными расстояниями между ними L0, тогда длина пути взаимодействия определится по формуле:

,                       (14)

где tс – время действия расчетной ситуации с учетом вероятности столкновения, с; Vk – скорость дрейфа ледяного образования для k-й расчетной ситуации, м/с; kt – коэффициент, учитывающий уменьшение времени взаимодействия, определяемый по формуле

.                                 (15)

При сплоченности ледяных образований N > 9 длина пути взаимодействия определяется по формуле

.                               (16)

Математическая модель формирования ледовых нагрузок и воздействий от битого льда. При взаимодействии битого льда с сооружениями влияние многоопорности не учитывается, расчет выполняется для каждой опоры отдельно. При этом рассматриваются два расчетных случая: взаимодействие битого льда сплоченность N < 9 и сплоченностью N > 9.

При сплоченности битого льда N < 9 (т.е. между ледяными образованиями имеется чистая вода) ширина зоны контакта drb определяется подбором в зависимости от соотношения силы внедрения опоры МЛП в ледяное поле Fbp, рассчитанной по формуле (5), и силы остановки Fср – формула (6), рассчитанной для единичной зоны контакта (зона взаимодействия одного ледяного образования с сооружением).

На следующем шаге расчета ширина зоны контакта увеличивается за счет добавления в систему новых ледяных образований и возникновения силы обжатия F опоры сооружения. Это сила, возникающая за счет вытеснения ледяных образований опорой сооружения, при этом создается сжимающая боковая нагрузка в зоне контакта ледяных образований с сооружением, что увеличивает зону контакта.

Сила обжатия рассчитывается при условии, что свободное ледяное образование движется равноускоренно вдоль цилиндрической опоры сооружения по окружности радиусом Rφ в соответствии со схемой на рис. 6, и определяется из уравнения

.                               (17)

Рис. 6. Расчетная схема

Длина единичной зоны контакта определится как длина дуги при условии, что ширина единичной зоны контакта drb является ее хордой по формуле (рис. 7):

.       (18)

Если сплоченность битого льда N > 9 (т.е. наблюдается практически сплошной ледяной покров), контактное напряжение в ледяной плите при взаимодействии с опорой сооружения определяется в соответствии с API 1995:

,               (19)

где С – коэффициент сцепления, кПа; – угол внутреннего трения льда.

Ширина зоны контакта drb и длина единичной зоны контакта определяются подбором. Длина пути взаимодействия определяется по формуле (14).

Математическая модель определения глубины ледовой абразии. Контактное давление по длине зоны контакта dk распределено равномерно в соответствии с PSTS-5. Длина пути взаимодействия X, определенная по вероятностной имитационной модели формирования ледовых воздействий на сооружение и распределенная по длине зоны контакта dk по синусу, позволяет рассчитать длину пути истирания lk (длина пути скольжения ледяного поля относительно опоры сооружения):

,                                       (20)

где – это угол между румбом и точкой на опоре, для которой рассчитывается глубина истирания.

Таким образом, длина пути истирания определяется на каждом шаге расчета как dli(φ) = dx⋅sinφ, тогда относительная скорость взаимодействия пересчитывается по формуле

,                                                 (21)

где dli (φ) – длина пути истирания на каждом шаге расчета, – угловая координата расчетной точки; dt – шаг расчета по времени.

Для учета увеличения коэффициента трения при уменьшении относительной скорости взаимодействия в расчет вводится скоростной коэффициент абразии ka, который учитывает изменение интенсивности ледовой абразии в зависимости от относительной скорости взаимодействия. Расчетная зависимость для определения скоростного коэффициента абразии получена на основе эмпирической зависимости изменения коэффициента трения от относительной скорости взаимодействия, предложенной Н. Saeki с соавторами.

Контактное напряжение при его равномерном распределении определяется по формуле: , где F – сила взаимодействия ледяного образования с сооружением; h1 – толщина ледяного образования с учетом скола.

Методика планово-высотного распределения ледовых воздействий. На планово-высотную изменчивость ледовых воздействий оказывают влияние следующие параметры:

– по высоте – колебание уровня Z и толщина ледяного образования h (модель раз­рушения льда h1);

– в плане – направление дрейфа льда (румб, определяемый по розе скоростей дрейфа rumb, и соответствующая ему скорость дрейфа льда Vk); эффект затенения от действия ледовой нагрузки; распределение контактного давления в плане = f();

– неоднородность свойств льда – распределение температуры льда по толщине T = f(h), которое влияет на прочность льда R и, как следствие, на ледовую нагрузку F.

Глубина ледовой абразии является функцией времени, поэтому расчетные параметры истирающего воздействия ледяного покрова накапливаются за каждый шаг расчета, что является с математической точки зрения матрицей огромного числа данных. Для систематизации расчетных параметров разработан следующий алгоритм.

1. Предварительно все сооружение разбивается на кластеры, в которых накапливаются расчетные параметры ледовой нагрузки и ледовой абразии. Формируется система отсчета, где каждый расчетный параметр в любой точке контактной зоны является функцией двух переменных, например, для глубины ледовой абразии можно записать , где φh – угол привязки расчетной точки к системе отсчета; hz – привязка расчетной точки по высоте к системе отсчета.

2. Осуществляется привязка системы отсчета к плановой ориентации сооружения по отношению к сторонам света и выбирается расчетное направление скорости дрейфа льда.

3. Определяются границы зоны контакта, которые зависят от следующих факторов, влияющих на размеры опасной зоны истирания:

– ориентации сооружения на месте установки, направления скорости дрейфа льда rumb и эффекта затенения от действия ледовой нагрузки;

– расчетного положения уровня моря Z и толщины ледяного образования h;

– модели разрушения ледяной плиты перед сооружением h1;

– длины зоны контакта dk, которая зависит от размеров ледяных образований D и, как следствие, типа математической модели формирования ледовой нагрузки.

Границы зоны контакта определяются на каждом шаге расчета, разбиваются на равные участки Z и накладываются на сетку кластеров сооружения, где хранятся и накапливаются расчетные данные.

4. Рассчитываются параметры ледовой нагрузки и ледовой абразии для всех кластеров зоны контакта и сохраняются в расчетных кластерах.

5. Суммарная глубина ледовой абразии в каждом кластере сооружения является расчетной.

Предложенная методика планово-высотного распределения ледовых воздействий является структурной оболочкой программно-расчетного комплекса «IceStrIn», позволяет определить параметры ледовых истирающих воздействий в любой точке опасной зоны истирания и формирует «поверхность» ледовой абразии.

В третьей главе выполнено численное моделирование истирающего воздействия ледяного покрова.

Численное моделирование глубины ледовой абразии выполнялось для трех моделей механического взаимодействия ледяных образований с сооружением (битый лед, обломки ледяных полей, ледяные поля).

На среднюю глубину истирания влияют следующие параметры: h – толщина льда; D – диаметр ледяного образования; N – сплоченность; T – температура; V – скорость ледяного образования; Z – уровень моря. Общее функциональное уравнение средней глубины ледовой абразии для шести фундаментальных переменных имеет вид:

.                                       (22)

В соответствии с уравнением (22) были выполнены расчеты глубины ледовой абразии и длины пути истирания для каждой расчетной точки за 1 мес расчетного времени.

Численное моделирование интенсивности ледовой абразии, где , – это отношение глубины ледовой абразии d к длине пути истирания dL в каждой расчетной точке), при этом оценивается влияние входных параметров ледового режима на l.

Численное моделирование скорости ледовой абразии, где , – это максимальная средняя глубина ледовой абразии за 1 с расчетного времени в каждой расчетной точке.

Согласно теореме Букингема, функциональное уравнение средней скорости ледовой абразии модно записать в следующем виде:

,                                               (23)

где V – скорость дрейфа льда, м/с; D – диаметр ледяных образований, м; h – толщина ледяных образований, м;  N – сплоченность льда, балл; T – температура воздуха, °C; TW – температура морской воды, принимается равной –1,8 °C.

На основе проведенного корреляционного анализа в программе Statistica 8.0 были получены полиномиальные зависимости интенсивности ледовой абразии от диаметра ледяных образований и их скорости. Результаты численного эксперимента хорошо согласуются с исследованиями других авторов (H. Saeki, D. Fiorio, J. Janson, F. Hara), что подтверждает работоспособность программно-расчетного комплекса.

Для всех типов ледяных образований характерна тенденция уменьшения глубины ледовой абразии при увеличении размеров ледяных полей.

При низких скоростях движения ледяных полей глубина ледовой абразии незначительна, а скорость ледовой абразии увеличивается с понижением температуры, что обусловлено большими размерами ледяных полей, при этом наблюдаются случаи остановки ледяных полей, которые практически отсутствуют для других типов ледяных образований.

Для битого льда наблюдается увлечение ледовой абразии в области больших скоростей и сплоченности льда, что соответствует описанным ранее результатам натурных и экспериментальных исследований J. Janson.

Для всех типов ледяных образований при увеличении скорости дрейфа льда и размеров ледяных образований скорость абразии увеличивается, при этом с увеличением сплоченности и уменьшением скорости дрейфа льда абразия уменьшается.

Максимальная скорость ледовой абразии наблюдается при малых размерах ледяных образований (D = 1,0 м) и максимальной сплоченности льда, а минимальная скорость характерна для больших ледяных полей при минимальной сплоченности льда.

В четвертой главе предложена методика проведения верификации математических моделей ледовых истирающих воздействий. Методика основана на длительных (более 10 лет) натурных наблюдениях за гидрологическим, ледовым режимом и глубиной ледовой абразии реальных сооружений и включает следующие этапы исследований (рис. 7).

Рис. 7. Схема проведения верификации

1. Обработка данных длительных натурных наблюдений:

– за ледовым режимом района эксплуатации сооружения (толщина льда, размеры ледяных образований, сплоченность, скорость дрейфа льда) и приведение их к виду, необходимому для использования в программно-расчетном комплексе «IceStrIn»;

– за гидрологическим режимом и метеорологическими условиями района эксплуатации сооружения (колебания уровня моря, температура воздуха и толщина снежного покрова).

2. Обработка данных наблюдений за глубиной ледовой абразии сооружения за длительный период (более 10 лет).

3. Отбор образцов материала из тела сооружения в зоне воздействия льда.

4. Проведение лабораторных испытаний отобранных образцов материала на сопротивление ледовой абразии.

5. Статистическая обработка данных лабораторных испытаний и получение эмпирической модели интенсивности ледовой абразии.

6. Подготовка исходных данных о геометрических параметрах опоры сооружения, определение размеров опасной зоны истирания и уточнение граничных условий зоны контакта для ввода в математическую модель.

7. Проведение расчетов при помощи программно-расчетного комплекса «IceStrIn»

8. Сравнение результатов расчета глубины ледовой абразии с результатами натурных наблюдений, анализ результатов расчета и оценка адекватности математических моделей ледовых истирающих воздействий.

Для верификации математических моделей ледовых истирающих воздействий и разработанной методики расчета глубины ледовой абразии используются:

– результаты натурных наблюдений за абразией бетона маяков Raahe, Oulu2, Oulu3 в Ботническом заливе Балтийского моря после 40 лет эксплуатации;

– результаты экспериментальных исследований на ледовую абразию образцов бетона, выпиленных из кернов с этих маяков;

– результаты расчета глубины ледовой абразии с использованием программно-расчетного комплекса «IceStrIn» для условий Балтийского моря.

В четвертой главе даны рекомендации для проведения экспериментальных исследований.

  • Для испытаний необходима установка, основанная на принципе возвратно-поступательного движения, которая должна находиться в специальной морозильной камере, где имеется возможность изменять температуру воздуха. Установка должна обеспечивать возможность изменения контактного давления, относительной скорости взаимодействия и непрерывную фиксацию результатов испытаний; иметь устройство для удаления абразивов льда и материалов и предотвращать процессы таяния льда и образования наледи на поверхности испытуемых образцов. Она должна позволять испытывать различные строительные материалы как морским (соленым), так и пресным льдом.
  • Для создания условий эксперимента, максимально близких к натурным, необходимо обеспечить следующие параметры испытаний (M. Hanada, G. Hoff, Y. Itoh): температура льда T = –5 ? –10 °C; контактное давление = 0,5?3,0 MПa; соленость морского льда 3,0÷5,0 ‰.
  • С точки зрения износоустойчивости сооружения к ледовой абразии интенсивность абразии бетона следует определять в устойчивой области истирания, где интенсивность абразии стремится к постоянной величине независимо от используемого типа заполнителя или прочности бетона в соответствии с исследованиями M. Hanada,Y. Itoh, G. Hoff. Для достижения устойчивой области истирания достаточно 10 км длины пути взаимодействия.
  • Для устранения эффекта поверхностного износа, где интенсивность абразии достаточно велика, что способствует необоснованному увеличению интенсивности ледовой абразии, необходимо с поверхности образца предварительно снять около 1,0 см поверхностного слоя, чтобы перейти в устойчивую область истирания (M. Hanada, G. Hoff).
  • Обязательным условием испытаний образцов бетона на сопротивление ледовой абразии является предварительное проведение испытаний бетона на морозостойкость согласно данным S. Houvinen.
  • Интенсивность ледовой абразии является функцией двух параметров: температуры льда и контактного давления в соответствии с исследованиями H. Saeki, Y. Itoh и др.

Экспериментальные исследования проводились на специально разработанной установке на базе ледовой лаборатории компании ООО «НПО «Гидротекс» под руководством профессора А.Т. Беккера. Общий вид и основной состав конструкции установки показан на рис. 8, технические характеристики установки приведены в табл. 1.

Рис. 8. Установка для испытаний на ледовую абразию

Таблица 1

Технические характеристики

установки для исследования

ледовой абразии

Амплитуда

горизонтального

перемещения

2000 мм

Амплитуда

вертикального

перемещения

700 мм

Скорость

горизонтального

перемещения

(регулируемая)

0,2±0,2 м/c

Скорость

вертикального

перемещения

1,0÷5,0 мм/с

Усилие прижима образца

1,0÷10,0 кН

Методика проведения испытаний на сопротивление материалов ледовой абразии. Для поддержания температуры во время испытаний на заданном уровне вокруг установки для исследования ледовой абразии устраивается короб, обшитый теплоизоляцией, который предотвращает перемешивание воздуха вокруг установки. В короб помещена дополнительная холодильная установка, которая обеспечивает понижение температуры до –20 °С. В процессе исследований постоянно контролируется температура льда (для этого два датчика устанавливаются непосредственно в образец) и воздуха в коробе.

В процессе испытаний производятся постоянный контроль и регистрация силы прижима образца к ледяному блоку с помощью датчика силы № 53 фирмы Honeywell Sensotec.

Длина пути истирания измеряется путем фиксации количества циклов испытаний на абразионной установке автоматически с помощью счетчика. За один цикл принимается путь прохождения образца по ледяному блоку в одном направлении, который фиксируется в начале каждого испытания и изменяется в пределах от 1,0 до 1,4 м.

Для определения глубины истирания поверхность образца измеряется с помощью измерительной установки в 168 точках два раза – до испытаний и после. По результатам измерений строится поверхность истертой грани образца при помощи программы SURFER (рис. 9) для характерной области истирания размером 20?30 мм (рис. 10).

В результате лабораторных испытаний для каждого маяка получены эмпирические модели интенсивности ледовой абразии (рис. 11).

Для верификации теоретической модели был выполнен расчет глубины ледовой абразии для маяков по программе «IceStrIn» и гидрометеорологических условий Балтийского моря (рис. 12, табл. 2).

Рис. 9. Пример результата абразии поверхности бетонного образца

Рис. 10. Площадка измерений для образца бетона


Рис. 11. Интенсивность ледовой абразии в зависимости от температуры льда и контактного давления (маяк Raahe)

Рис. 12. Диаграмма глубины ледовой абразии

Таблица 2

Результаты расчета и наблюдаемая глубина ледовой абразии

Состав бетона

Raahe

Oulu2

Oulu3

Результаты эксперимента δср, мм/км

0,031

0,108

0,139

Расчетный уровень, м

–0,168

–0,189

–0,189

Расчетная абразия за 44 лет эксплуатации, мм

83

38

38

Натурные измерения абразии за 44 года, мм

80

46

47

Расчетные и наблюдаемые глубины ледовой абразии являются сопоставимыми величинами. При этом форма эпюры рассчитанной глубины ледовой абразии по высоте опасной зоны истирания практически совпадает с наблюдаемой в естественных условиях (рис. 12). На основании этих визуальных сопоставлений можно сделать вывод, что точность вычисления глубины ледовой абразии по разработанной методике расчета достаточно велика.

Корреляционный анализ двух выборок рассчитанных и измеренных значений ледовой абразии показал тесную связь между этими параметрами. Коэффициент корреляции по всей выборке значений составил 0,78±0,02, что подтверждает адекватность разработанных математических моделей ледовых воздействий, которые отражают главные явления и процессы, вызывающие ледовую абразию бетона. В свою очередь, эмпирические модели интенсивности ледовой абразии хорошо описывают сопротивление бетона ледовой абразии.

Разница между рассчитанными и измеренными значениями глубины ледовой абразии в среднем составляет 0,112±0,869 мм, при этом с вероятностью 68 % разница значений не превышает 1,0 мм.

Таким образом, предлагаемая в работе методика расчета глубины ледовой абразии может использоваться для оценки надежности БОГТ морских ледостойких платформ, а планово-высотное распределение ледовых воздействий обеспечивает возможность детальной проработки ледозащитных приспособлений и определения зоны мониторинга ледовых воздействий в натурных условиях.

В пятой главе в соответствии с предложенной концепцией ледовой абразии совместное использование эмпирической модели интенсивности ледовой абразии, полученной на основе лабораторных испытаний, и теоретической модели ледовых воздействий позволяет создать методику расчета глубины ледовой абразии, которая состоит из следующих этапов.

Сбор исходных данных по гидрометеорологическим условиям района строительства и приведение их к виду, необходимому для использования в программно-расчетном комплексе «IceStrIn»; сбор данных по конструкции сооружения и привязка их к месту установки. Определение планово-высотных размеров зоны, подверженной ледовой абразии.

Экспериментальные исследования. Выбор материала ледозащитного элемента (бетон, сталь) путем проведения лабораторных испытаний на сопротивление истирающему воздействию льда. Получение эмпирической модели интенсивности ледовой абразии.

Теоретические исследования. Численное моделирование ледовых нагрузок и воздействий, выполняемое на основе разработанной автором вероятностной имитационной модели формирования ледовых воздействий и модели расчета глубины ледовой абразии, в которой используется полученная эмпирическая модель интенсивности ледовой абразии. Результатом численного моделирования являются расчетные параметры ледовой нагрузки, длина пути взаимодействия, скорость взаимодействия, интенсивность давления на контакте "лед-сооружение" и глубина ледовой абразии.

Анализ результатов расчета и обоснование толщины ледозащитного приспособления. Разработка рекомендаций по использованию тестируемых материалов и конструкции ледозащиты.

Применение методики расчета показано на примере расчета глубины ледовой абразии IZ mix (бетон ледовой зоны) БОГТ месторождения Аркутун-Даги, строящегося в рамках проекта «Сахалин 1» для Aker Engineering and Technology.

В работе испытывались образцы бетона, предназначенного для возведения опорных колонн БОГТ Аркутун-Даги, и получена эмпирическая модель интенсивности ледовой абразии (рис. 13). Результаты расчета глубины ледовой абразии приведены на рис. 14.

IZ mix

Рис. 13. Интенсивность ледовой абразии в зависимости от температуры льда и контактного давления

Для БОГТ в соответствии с опытом их эксплуатации в ледовитых морях можно сделать вывод, что применение монолитных ледозащитных элементов из бетона повышенной износостойкости к ледовой абразии на современном этапе предпочтительнее, чем стальных ледозащитных приспособлений.

Ледозащитные приспособления из износостойкого бетона ОГТ должны удовлетворять следующим функциональным требованиям: обеспечение морозостойкости материала в зоне переменного уровня воды; сопротивление ледовой абразии, ударным нагрузкам от судов; восприятие температурных нагрузок.

Использование износостойкого бетона позволяет не только снизить ремонтные расходы и эксплуатационные затраты, связанные с обследованием бетона под облицовочными конструкциями, но и обеспечить безопасность и надежность, экологическую безопасность гидротехнических объектов при конкурентоспособной цене с соблюдением требований к таким бетонам по прочности, морозостойкости, водонепроницаемости и долговечности. При этом повышение надежности гидротехнических сооружений позволит избежать экологических ущербов в результате аварий и других техногенных катастроф.

Глубина ледовой абразии (мм)

Длина пути истирания (км)

Рис. 14. Результаты расчета глубины ледовой абразии

(Frb  – абразия от битого льда; Fbp  – абразия от ледяных полей; Σ – суммарная абразия)

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Выполненный аналитических обзор научных достижений в области ледовой абразии за последние 30 лет позволил:

– заявить, что интенсивность ледовой абразии является функцией двух параметров, температуры льда и контактного давления;

– выявить основные закономерности изменения интенсивности ледовой абразии и определить способ получения модели сопротивления материала ледовой абразии (глава 4);

– обосновать адекватность предложенных математических моделей путем сравнения с исследованиями других авторов;

– определить условия проведения лабораторных испытаний, разработать план экспериментальных исследований, назначить порядок подготовки образцов бетона к лабораторным испытаниям и порядок проведения самих испытаний, которые реализованы в виде методики лабораторных испытаний образцов материала на сопротивление ледовой абразии (глава 4).

2. На основе многолетних исследований ледовой абразии были определены основные факторы, влияющие на степень истирающего воздействия ледяного покрова (интенсивность контактного давления; длина пути истирания поверхности в зоне контакта; прочность и температура льда; относительная скорость взаимодействия; сопротивление материала истирающему воздействию льда), и предложен концептуальный подход к решению проблемы расчета глубины ледовой абразии, где экспериментальные исследования позволяют сформировать модель сопротивления материала ледовой абразии, а теоретические исследования разработать модели ледовых воздействий (глава 2).

3. Предложена вероятностная имитационная модель формирования ледовых воздействий на морские гидротехнические сооружения с учетом вероятности взаимодействия дрейфующих ледяных образований с сооружением (глава 2).

4. Разработаны алгоритм расчета прочности ледяного покрова с учетом изменения температуры по толщине льда и методика планово-высотного распределения ледовых воздействий в опасной зоне истирания, которые реализованы в виде программ расчета (Св-во № 2012610822, № 2011619024).

5. Предложена математическая модель расчета глубины ледовой абразии, разработанная на основе математических моделей формирования ледовых нагрузок и воздействий от различных типов ледяных образований (ледяные поля, обломки ледяных полей, битый лед), которая реализована в виде программно-расчетного комплекса «IceStrIn» (Св-во № 2011619023).

6. Численное исследование математических моделей позволило:

– выявить основные закономерности изменения глубины, интенсивности и скорости ледовой абразии (глава 3) и обосновать параметры численного моделирования (шаг расчета по времени и время расчетного периода);

– выполнить косвенную верификацию математических моделей ледовых воздействий (сравнения с аналитическими расчетными данными других авторов) и доказать, что разработанные математические модели являются работоспособными, отражают основные зависимости и тенденции процесса ледовой абразии, при этом полученные зависимости не противоречат основным положения исследований других авторов (глава 3);

– предложить полиномиальные зависимости интенсивности ледовой абразии для различных типов ледяных образований, которые могут использоваться для прогнозной оценки глубины ледовой абразии.

7. Предложена методика расчета глубины ледовой абразии (глава 5), которая может быть использована в проектной практике, способствует совершенствованию нормативной базы для проектирования ледозащитных приспособлений морских гидротехнических сооружений, эксплуатируемых в суровых ледовых условиях, и реализована в виде программно-расчетного комплекса «IceStrIn» (Св-во № 2011619023).

8. Разработана методика верификации математических моделей ледовых истирающих воздействий, которая предполагает использование длительных натурных наблюдений за ледовым режимом и его истирающим воздействием на реальные сооружения (глава 3, рис. 7).

9. Выполнены испытания образцов бетона (выпиленных из кернов с финских маяков) на сопротивление ледовой абразии, получены эмпирические модели интенсивности ледовой абразии бетона (рис. 11), которые использовались для расчета глубины абразии при помощи программно-расчетного комплекса «IceStrIn».

10. Выполнена прямая верификация математических моделей и в целом методики расчета глубины ледовой абразии (сравнение с натурными данными измерениями глубины ледовой абразии на маяках после 44 лет эксплуатации). Доказано, что предложенная методика расчета глубины ледовой абразии является адекватной, а математические модели ледовых истирающих воздействий хорошо отражают главные явления и процессы, вызывающие ледовую абразию бетона.

11. Выполнен расчет глубины ледовой абразии для условий северо-восточного шельфа о. Сахалин для БОГТ Аркутун-Даги за весь период эксплуатации сооружения (40 лет). Результаты расчета позволили обосновать толщину ледозащитного пояса из высокопрочного бетона. Результаты расчета использовались для принятия решение о конструкции ледозащитных приспособлений и непосредственно в строительстве БОГТ Аркутун-Даги, что подтверждено актами внедрения (Приложение 6).

12. В работе даны рекомендации по определению толщины ледозащитных приспособлений с использованием предлагаемой автором методики и программно-расчетного комплекса «IceStrIn» (глава 5).

Приведенные выводы свидетельствуют о том, что в рамках рассматриваемой диссертации на новом научном уровне решен комплекс вопросов, связанный с оценкой истирающего воздействия дрейфующего ледяного покрова на морские гидротехнические сооружения с экспериментальной оценкой сопротивления материалов ледовой абразии, что позволило разработать оригинальную методику вероятностного расчета глубины ледовой абразии, которая является единственно возможным способом решения проблемы прогнозной оценки глубины ледовой абразии за весь срок службы сооружения и, как следствие, решения проблемы конструирования бетонных ледозащитных приспособлений, что способствует освоению морских месторождений нефти и газа ледовитых морей.

Основное содержание диссертации опубликовано в 64 печатных работах, в том числе:

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

  1. Уварова Т.Э. Режим нагружения при взаимодействии ледяного поля с сооружением / Т.Э. Уварова // В мире научных открытий. Красноярск : Научно-инновационный центр, 2011. Т. 14, № 2. С. 29–32.
  2. Уварова Т.Э. Методика определения глубины ледовой абразии / Т.Э. Уварова // Научный журнал ГОУ ВПО «БрГУ» «Системы. Методы. Технологии». 2011. № 4(12). С. 46–52.
  3. Уварова Т.Э. Вероятностная имитационная модель взаимодействия ледяного покрова с сооружением / Т.Э. Уварова // Научный журнал ГОУ ВПО «БрГУ» «Системы. Методы. Технологии». 2011. № 4(12). С. 53–60.
  4. Уварова Т.Э. Оценка размеров зоны ледовой абразии / Т.Э. Уварова // Сборник научных трудов «Известия ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева». 2011. Т. 264. С. 130–136.
  5. Уварова Т.Э. Многоцикловое воздействие дрейфующего ледяного покрова на сооружения континентального шельфа / Т.Э. Уварова // Научно-технический журнал ФГБОУ ВПО «МГСУ» «Вестник МГСУ». 2012. № 1. С. 41–45.
  6. Уварова Т.Э. Учет планово-высотной изменчивости истирающего воздействия ледяного покрова на морские инженерные сооружения / Т.Э. Уварова, Е.Е. Помников // Научно-технический журнал ФГБОУ ВПО «МГСУ» «Вестник МГСУ». 2012. № 1. С. 46–50.
  7. Уварова Т.Э. Расчет глубины ледовой абразии для морских ледостойких платформ / Т.Э. Уварова, С.Д. Ким // Научный журнал «Научное обозрение». 2011. № 5. С. 287–293.
  8. Уварова Т.Э. Расчет количества циклов нагружения дрейфующим ледяным покровом / Т.Э. Уварова, С.Д. Ким // Научный журнал «Научное обозрение». 2011. № 5. С. 294–302.
  9. Уварова Т.Э. Сравнительный анализ истирающего воздействия дрейфующего ледяного покрова дальневосточных морей / Т.Э. Уварова // Научный, производственно-экономический журнал «Экономика строительства». 2012. № 3 (13). С. 71–78.
  10. Уварова Т.Э. Неоднородность ледяных полей / А.Т. Беккер, Ф.Э. Фарафонов, Т.Э. Уварова // Сборник научных трудов «Известия ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева» 2012. Т. 265. С. 91–100.

Публикации в изданиях, реферируемых базой Scopus и Web of Science

  1. Uvarova T.E. Load combination for offshore structures / A.T. Bekker, T.E. Uvarova, L.F. Shtanko // Proc. of the 4th International Offshore and Polar Engineering Conf. (ISOPE). Osaka, 1994. P. 517–520.
  2. Uvarova T.E. Interactive model of ice-structure interaction / A.T. Bekker, T.E. Uvarova, A.N. Chetyrbotsky // Proc. of the 8th International Offshore and Polar Engineering Conf. (ISOPE). Montreal, 1998. Vol. 2. P. 493–498.
  3. Uvarova T.E. The analysis of ice loads on Molikpaq for Sakhalin offshore conditions / A.T. Bekker, O.A. Komarova, T.E. Uvarova, A.N. Chetyrbotsky // Proc. of the 9th International Offshore and Polar Engineering Conf. (ISOPE). Montreal, 1999. Vol. 2. P. 559–568.
  4. Uvarova T.E. Model of ice plate failure on offshore structure contact / A.T. Bekker, T.E. Uvarova, O.A. Sabodash et al. // Proc. of the 1st Asian and Pacific Coastal Engineering Conf. (APACE 2001). Dalian, China, 2001. Vol. 1 and 2. P. 985–996.
  5. Uvarova T.E. Loading regime of ice-structure interaction / A.T. Bekker, T.E. Uvarova, S.D. Kim et al. // Proc. of the 11th International Offshore and Polar Engineering Conf. (ISOPE). Stavanger, Norway, 2001. Vol. 1. P. 761–769.
  6. Uvarova T.E. Abrasion effect of ice cover on supports of Hydraulic engineering structures in conditions of Sakhalin island shelf / A.T. Bekker, T.E. Uvarova, S.D. Kim // Proc. of the 13th International Offshore and Polar Engineering Conf.(ISOPE). Honolulu, Hawaii, 2003. Vol. 1. P. 473–475.
  7. Uvarova T.E. Model of mechanical ice-structure interaction for Sakhalin offshore conditions / A.T. Bekker, T.E. Uvarova, S.D. Kim // Proc. of the 14th International Offshore and Polar Engineering Conf. (ISOPE). Toulon, France, 2004. Vol. 1. P. 885–890.
  8. Uvarova T.E. Numerical Simulation of the Process of Interaction between Drifting Ice Fields and Structure Support / A.T. Bekker, T.E. Uvarova, S.D. Kim // Proc. of the 6th ISOPE Pacific/Asia Offshore Mechanics Symp. Vladivostok, Russia, 2004. P. 123–128.
  9. Uvarova T.E. Evaluation of area extent of structure body of marine engineering constructions suffering ice abrasion / A.T. Bekker, T.E. Uvarova, M.A. Slautenko // Proc. of the 19th IAHR International Symp. on Ice. Vancouver, British Columbia, Canada, 2008.
  10. Uvarova T.E. Physical and Mechanical Properties of Modeling Ice for Investigation of Abrasion Process on Ice-Resistant Offshore Platforms / A.T. Bekker, S.G. Gomolskiy, O.A. Sabodash, R.G. Kovalenko, T.E. Uvarova et al. // Proc. of the 20th International Offshore and Polar Engineering Conf. (ISOPE). Beijing, Chaina, 2010. P. 1231–1237.
  11. Uvarova T.E. The Registration of Temperature during Calculation of the Ice Abrasion / A.T. Bekker, T.E. Uvarova, E.E. Pomnikov // Proc. of the 9th ISOPE Pacific/Asia Offshore Mechanics Symp. Bussan, Korea, 2010. P. 226–229.
  12. Uvarova T.E. Experimental Study of Concrete Resistance to Ice Abrasion / A.T. Bekker, T.E. Uvarova, E.E. Pomnikov et al. // Proc. of the 21th International Offshore and Polar Engineering Conf. (ISOPE). Maui, Hawaii, 2011. P. 1044–1047.
  13. Uvarova T.E. Numerical Simulation of Ice Abrasion on Offshore Structures / A.T. Bekker, T.E. Uvarova, E.E. Pomnikov, G.R. Shamsutdinova // Proc. of the 21th IAHR Int. Symp. on Ice/ Dalian, China, 2012.

Монографии и учебные пособия

  1. Уварова Т.Э. Истирающее воздействие ледяного покрова на гидротехнические сооружения. Т. 1 : Аналитический обзор : монография / Т.Э. Уварова. Владивосток : МГУ, 2011. 120 с. ISBN 978-5-8343-0702-0.

Свидетельства о регистрации программ для ЭВМ

  1. Уварова Т.Э. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ. № 2012610822 Программа для определения распределения прочности и температуры льда с учетом пространственно-временной неоднородности (прочность льда) / А.Т. Беккер, Т.Э. Уварова, Е.Е. Помников. Заявка № 2011617042 от 21.09.11; зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 18.01.12.
  2. Уварова Т.Э. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ. № 2011619025 Взаимодействие льда с сооружением (IceStrIn 1.0 (Fatigue) / А.Т. Беккер, Т.Э. Уварова, Е.Е. Помников. Заявка № 2011617044 от 21.09.11; зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 18.11.11.
  3. Уварова Т.Э. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ. № 2011619023 Взаимодействие льда с сооружением (IceStrIn 2.0 (абразия) / А.Т. Беккер, Т.Э. Уварова, Е.Е. Помников. Заявка № 2011617041 от 21.09.11; зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 18.11.11.
  4. Уварова Т.Э. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ. № 2011619024 Программа для графической интерпретации результатов расчета (Construction 3D) / Т.Э. Уварова, Е.Е. Помников. Заявка № 2011617043 от 21.09.11; зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 18.11.11.

Публикации в других изданиях

  1. Uvarova T.E. Loading regime of ice-structure interaction / A.T. Bekker, T.E. Uvarova, S.D. Kim, A.N. Morozov // Proc. of the 14th Asian Technical Exchange and Advisory Meeting on Marine Structures / TEAM–2000. Vladivostok, Russia, 2000. P. 264–271.
  2. Уварова Т.Э. Анализ ледовых нагрузок на «Моликпак» для условий шельфа о. Сахалина / А.Т. Беккер, Т.Э. Уварова, О.А. Сабодаш и др. // Проблемы строительства и инженерной экологии Дальнего Востока : сб. науч. тр. «Архитектура и строительство». Владивосток, 2000. C. 98–106.
  3. Uvarova T.E. Abrasion effect of ice cover on supports of hydraulic engineering structures in conditions of Sakhalin island shelf / A.T. Bekker, T.E. Uvarova, V.I. Seliverstov et al. // Proc. of the 18th International symp. on okhotsk sea & sea ice. Mombetsu, Hokkaido, Japan, 2003.
  4. Уварова Т.Э. Исследование истирающего воздействия ледяного покрова на опоры гидротехнических сооружений в условиях шельфа о. Сахалин / А.Т. Беккер, Т.Э. Уварова, С.Д. Ким // Тр. ДВГТУ. 2004. № 137. C. 35–40.
  5. Уварова Т.Э. Развитие имитационной модели взаимодействия ледяного поля с морскими ледостойкими платформами / А.Т. Беккер, Т.Э. Уварова, М.А. Слаутенко // Сб. тр. междунар. конф. «Стихия. Строительство. Безопасность». Владивосток, 2008. С. 49–54.
  6. Уварова Т.Э. Расчет усталостной прочности элемента конструкции от действия ледовой нагрузки / А.Т. Беккер, Т.Э. Уварова, Е.Е. Помников // Сб. тр. междунар. конф. «Стихия. Строительство. Безопасность». Владивосток, 2008. С. 246–251.
  7. Uvarova T.E. Fatigue strength analysis of structural elements under ice condition / A.T. Bekker, T.E. Uvarova, E.E. Pomnikov // Proc. of the 20th Conf. on Port and Ocean Engineering under Arctic Condition (POAC 09). Lulea, Sweden, 2009.
  8. Уварова Т.Э. Физические и механические свойства модельного льда для исследования абразии морских нефтегазовых платформ / А.Т. Беккер, С.Г. Гомольский, О.А. Сабодаш, Р.Г. Коваленко, Т.Э. Уварова, Е.Е. Помников // Сб. матер. науч. конф. «Вологдинские чтения» «Архитектура и строительство». Владивосток : ДВГТУ, 2010. С. 177–189.
  9. Uvarova T.E. Calculation of Ice Abrasion for the Lighthouses Installed in the Gulf of Bothnia / A.T. Bekker, T.E. Uvarova, E.E. Pomnikov // Proc. of the 21th Conf. on Port and Ocean Engineering under Arctic Condition (POAC 11). Montreal, Canada, 2011.
  10. Уварова Т.Э. Оценка опасности ледовой абразии морских платформ в дальневосточных морях / А.Т. Беккер, С. Якобсен, Т.Э. Уварова и др. // Сб. тр. междунар. конф. «Российский арктический шельф». СПб., 2011.
  11. Uvarova T.E. Concrete Ice Abrasion due to Ice-indentation Pore Pressure / S. Jacobsen, K. Hoiseth, A. Bekker, T. Uvarova et al. // Proc. of the 1th International Congress on Durability of Concrete (ICDC–2012). Trondheim, Norway, 2012.

Татьяна Эриковна Уварова

ВЕРОЯТНОСТНАЯ ОЦЕНКА ИСТИРАЮЩЕГО ВОЗДЕЙСТВИЯ
ДРЕЙФУЮЩЕГО ЛЕДЯНОГО ПОКРОВА
НА МОРСКИЕ ГИДРОТЕХНИЧЕСКИЕ СООРУЖЕНИЯ

АВТОРЕФЕРАТ

Подписано к печати ………………….  Усл. пл. 2,25, уч.-изд.л. 1,9

Формат 60*84/16  Тираж 200 Заказ …………

Издано ДВФУ г. Владивосток, ул. Пушкинская, 10

Отпечатано в типографии № 2 ИПК ДВФУ, 690990 г. Владивосток, ул. Пушкинская, 10

 





© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.