Исследуемые характеристики льда, необходимые для определения ледовых нагрузок

ГИДРАВЛИКА. ИНЖЕНЕРНАЯ ГИДРОЛОГИЯ. ГИДРОТЕХНИЧЕСКОЕ СТРОИТЕЛЬСТВО

УДК 624.042.43

В.А. Политько, И.Г. Кантаржи

НИУМГСУ

ИССЛЕДУЕМЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЛЬДА, НЕОБХОДИМЫЕ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЛЕДОВЫХ НАГРУЗОК

Для определения ледовых нагрузок на морские нефтегазовые гидротехнические сооружения требуется в качестве исходных данных различная ледовая информация. Предпринята попытка проанализировать различные источники, в т.ч. нормативные, на предмет сбора ледовой информации, необходимой и достаточной для проведения расчетов ледовых нагрузок. Приведены основные этапы планирования сбора ледовой информации, перечень основных ледовых характеристик и параметров, современные методы наблюдений и прямых измерений характеристик льда, а также направления, по которым ведется обработка данных полевых испытаний физико-механических свойств льда. Особое внимание уделено вопросам анизотропии льда, оценке интегральной прочности ледяного поля, а также изменчивости гидрометеорологических условий.

Ключевые слова: ледовые характеристики, сбор ледовой информации, методы наблюдений, обработка данных, полевые испытания, анизотропия льда, интегральная прочность ледяного поля, изменчивость гидрометеорологических условий

В XX в. начались первые исследования Арктики советскими учеными. В то время была создана сеть полярных метеостанций, благодаря которым на сегодняшний день, по некоторым гидрометеорологическим данным, в т.ч. ледовым, имеется достаточно длинный ряд статистической информации. В последнее время, в связи с возросшим интересом к восстановлению Северного морского пути и началу освоения нефтегазовых месторождений арктического шельфа, активизировался процесс сбора гидрометеорологической информации как исходных данных для проектирования ледостойких морских сооружений и планирования морских операций [1]. На данный момент нет единой общепризнанной методологии для определения ледовых нагрузок и задания основных параметров льда, в связи с чем возникает вопрос о тех параметрах льда, которые необходимо исследовать.

Итак, для качественной оценки воздействия льда на морское нефтегазовое гидротехническое сооружение (МНГС) требуется различная ледовая информация, характерная для конкретного района. В течение нескольких последних десятилетий было проведено большое количество исследований по сбору данных о льдах в ключевых арктических районах. Результаты исследований опубликованы в многочисленных научных журналах и сборниках различных конференций. В приложении к международному стандарту ISO 19906 [2] так же представлена некоторая информация о ключевых параметрах льда для основных акваторий.

Тем не менее при проведении анализа воздействия льда на МНГС, а также при планировании транспортной и эксплуатационной деятельности, особенно для новых районов, имеющейся информации о льдах может быть недостаточно, и в таком случае требуется сбор дополнительной информации при помощи полевых экспедиций или удаленных спутниковых средств сбора информации. Сбор необходимой ледовой информации может быть мероприятием достаточно дорогостоящим и потенциально весьма опасным, особенно когда организуется полевая экспедиция в отдаленные районы с тяжелыми ледовыми условиями. Таким образом, крайне важным является вопрос планирования сбора ледовой информации.

При планировании мероприятий по сбору ледовой информации важны следующие шаги [3]: 1) оценка и сравнение актуальных методик определения ледовых нагрузок на МНГС [4], разработка технических условий (ТУ) для определения ледовых нагрузок для конкретного района со своими ледовыми условиями, рассмотрение всех возможных сценариев ледовых воздействий на МНГС и, как следствие, составление перечня необходимых исходных данных;

2) изучение имеющихся общедоступных статистических архивных данных по льду для конкретного района и определение отсутствующей информации;

3) оценка того, насколько физико-механические параметры льда (например, прочность киля тороса), полученные в схожих климатических районах, могут использоваться для расчетов; 4) оценка того, насколько лабораторные тесты льда могут заменить проведение полевых испытаний.

Таким образом, путем предварительной оценки можно составить перечень исходных данных, необходимых для определения ледовых нагрузок, а также перечень тех параметров, которые требуют исследования (желательно в приоритетном порядке), а также правильно построить программу ледовых изысканий.

Согласно ISO 19906 [2], в случае отсутствия данных по ледовым параметрам для рассматриваемого района, в целях предварительных расчетов при помощи численного и статистического моделирования могут быть экстраполированы результаты исследований ледовых параметров, выполненных в районах со схожими климатическими, гидрологическими и ледовыми условиями [5, 6].

Основной перечень исследуемых параметров ледяного покрова для различных стадий освоения шельфовых районов определен нормативными документами СП-11-114—2004 [7] и ISO 19906 [2], однако может быть существенно расширен в соответствии с требованиями организаций, осуществляющих проектирование МНГС.

Согласно СП-11-114—2004 [7], в комплекс ледовых наблюдений необходимо включать определение следующих характеристик: 1) фаз ледового режима; 2) морфометрических параметров и внутренней структуры ледяного покрова и торосов; 3) динамических характеристик ледяного покрова (скорости и роз дрейфа льда) и пространственного распределения ледяных образований;

4) физико-механических свойств льда; 5) характеристик погоды (температуры воздуха, скорости и направления ветра и др.) и водных масс (температуры и солености воды, скорости течений, изменчивости уровня).

Дополнительным важным моментом является исследование возможности появления в акватории айсбергов, их морфологических и динамических параметров.

При проведении ледовых наблюдений определяют даты следующих фаз ледового режима: первого появления льда; устойчивого появления льда; первого появления припая; начала устойчивого образования припая; начала весеннего взлома или первой весенней подвижки припая; окончательного разрушения припая; окончательного очищения акватории ото льдов.

Для получения морфометрических характеристик дрейфующего льда и припая в состав работ включают определение границ дрейфующего льда и припая, сплоченности, возраста, торосистости льда, размеров льдин, толщины ровного льда, толщины снега на льду, протяженности припая, ее изменения, включая острова припая, положения, количества и размеров стамух и др.

При определении характеристик торосов и стамух определяются также следующие параметры ледяных образований: высота паруса, осадка киля, толщина консолидированного слоя льда, геометрия киля, толщина окружающего ровного льда, размеры пустот в толще ледяных образований, размеры ледяных блоков, образующих торос или стамуху, горизонтальные размеры ледяного образования, расстояние между торосами или их частота.

К современным методам наблюдений за морфометрическими характеристиками ледяного покрова следует в первую очередь отнести методы сбора информации с помощью снимков искусственных спутников Земли различного расширения, аэрофотосъемки ледяных полей и айсбергов, лазерного профилирования верхней поверхности льда, радиолокационного зондирования ледников и айсбергов, сонарной съемки нижней поверхности ледяных полей и айсбергов. Данные методы позволяют получить информацию в цифровом виде (сплоченность льда, размеры полей, высота парусов торосов, осадка килей, частота гряд торосов и т.д.) на значительных площадях в короткие промежутки времени. Методы прямых измерений параметров ледяного покрова, такие как топографическая съемка гряд торосов, сквозное бурение ровного и деформированного льда, позволяют, с одной стороны, верифицировать данные дистанционных измерений, с другой, получить представление о внутренней структуре ледяного покрова [8—10].

Определение динамических характеристик ледяного покрова (скорости и направления дрейфа ледяных полей и айсбергов) выполняется, как правило, при помощи высокоточной спутниковой навигационной системы путем определения географических координат льдины или айсберга через равностоящие интервалы времени [9].

В отчетах об исследованиях ААНИИ [11] говорится, что по данным автоматических дрейфующих буев в Северном Ледовитом океане установлены структурные элементы крупномасштабного поля дрейфа льда. В поле дрейфа обнаружены зоны повышенных и пониженных скоростей, зоны вихревых и грибовидных движений. Вихревые движения льдов установлены в основном в зонах редких и разреженных льдов или на границах между сплоченными и разреженными льдами.

1-1-1-1-[  I

38,4 38,8 39,2 39,6

Долгота

Рис. 1. Траектория дрейфа айсберга с отметками позиции за период 08—10.08.90 [12]

На рис. 1 показана траектория дрейфа с ежечасными отметками позиции айсберга по данным, переданным в ААНИИ в рамках программы SNOP (Sovi-et-Norvegian Oceanographic Programme, 1988—1992) [12].

Видно, что дрейф имеет сложный характер, представляющий сумму поступательного и кругового движения. Мезомасштабные круговые перемещения айсбергов представляют большую угрозу для сооружений на шельфе, так как в данном случае айсберг следует рассматривать не как материальную точку с характерными размерами айсберга, а как объект, имеющий размеры суточной циркуляции айсберга. Данное обстоятельство, очевидно, приводит к увеличению вероятности столкновения айсберга с объектом и требует специального исследования.

Как природный материал лед относится к классу твердых тел и характеризуется рядом классических параметров, таких как модуль упругости Е, предельные значения прочности на сжатие R , изгиб R и др. На прочностные

с J

свойства морского льда существенное влияние оказывают соленость S и температура Т, а также скорость деформации льда. Лед является кристаллическим твердым телом. Ориентация, размеры и форма кристаллов влияют на прочностные характеристики льда, делая его анизотропным телом [13—15].

Торосистые образования характеризуются интегральной прочностью каждой из частей тороса, которая зависит от прочности обломков льда, слагающих соответствующую часть тороса, от пористости, силы сцепления между обломками льда и углом внутреннего трения ф.

Для расчета ледовых воздействий на МНГС в зависимости от сценария воздействия может потребоваться знание следующих физических и механических свойств льда [2, 7, 16]:

физические свойства: температура льда, соленость льда, пористость и объем рассола во льду, удельный вес, плотность, коэффициент трения между льдом и другими материалами, коэффициент температурного расширения, упругие и пластические свойства, в т.ч. модуль упругости;

механические свойства: прочность на сжатие (одноосное, а также при двух- и трехосном напряженно-деформированном состоянии), анизотропия прочностных свойств льда на сжатие, прочность на растяжение, прочность на изгиб, прочность на сдвиг и сцепление фрагментированного льда (актуально, например, для торосов), ударная вязкость.

ВЕСТНИК

МГСУ-

12/2015

Важной характеристикой ледяного поля, требующей особого изучения, является анизотропия прочностных свойств морского льда как по площади ледяного поля, так и по толщине. Полигонные съемки, проведенные в период 1988—1995 гг. на шельфе Сахалина В.П. Афанасьевым [17], привели к следующим основным выводам:

наблюдается изменчивость структурных особенностей по толщине ледяного поля, что приводит к изменению прочности льда в 1,5...3 раза;

коэффициент анизотропии, т.е. отношение прочности льда при испытании параллельно структурным элементам к прочности льда при испытании перпендикулярно структурным элементам, изменяется в диапазонах 0,36...0,59 и 0,42...0,65 для дрейфующего льда и припая соответственно;

участки льда с максимальной прочностью занимают 10...20 % исследуемой прочности и не являются определяющими;

толщина льда в пределах полигона отличается на 20...40 см от ее среднего значения.

При определении ледовых нагрузок эти результаты дают основания принимать нормативную прочность льда на сжатие с учетом понижающего коэффициента, учитывающего анизотропию льда.

В качестве примера пространственной изменчивости локальной прочности льда на рис. 2 приведены результаты испытаний, выполненных институтом ААНИИ [8] с помощью зонд-интентора на полигоне размером 140x140 м.

Другой не менее важной характеристикой льда является его прочность на сжатие. Прочность небольших образцов льда на сжатие как функция зависимости от пористости, температуры и солености достаточно хорошо изучена и с достаточно высокой долей вероятности может быть определена по таблицам, представленным в СП 38.13330.2012 [18], либо с помощью эмпирических формул из ISO 19906 [2].

Тем не менее данные о прочности небольших образцов льда могут иметь ограниченную ценность при определении ледовых нагрузок, так как доминирующим механизмом разрушения ледяного поля при его взаимодействии с сооружением является процесс образования, роста и распространения микро- и макротрещин. Образно говоря, прочность ледяных полей может быть во много раз меньше прочности небольших отдельных образцов льда, определенных в лабораторных и натурных условиях. Соответственно, при оценке ледовых воздействий на морские сооружения необходимо учитывать «масштабный эффект» и определять интегральную прочность всего ледяного поля. С этой целью в последние годы в перечень выполняемых полевых

Рис. 2. Пространственная изменчивость, МПа, локальной прочности льда на полигоне 140x140 м [8]

исследований были добавлены крупномасштабные исследования прочности льда при сжатии и взаимодействии с интентером, так как в крупномасштабных экспериментах результаты отражают свойства и характеристики льда, реализующиеся при его деформировании и разрушении в естественных условиях [2, 3, 7, 19, 20].

Натурные данные об интегральной прочности льда получают также при определении среднего давления ледяных полей на широкие конструкции при помощи датчиков давления, установленных на поверхности конструкций в местах прямого воздействия льда. Перечень источников, где представлены результаты измерений интегральной прочности льда в натурных условиях при воздействии льда на сооружение, приведены в [3].

В международном стандарте ISO 19906 [2] для определения глобальных и локальных ледовых нагрузок на морские сооружения вообще не требуются исходные данные о прочности образцов льда. Эмпирическая формула для нахождения среднего давления льда на морское сооружение имеет вид pG = CRhn-mbm. Она имеет коэффициент прочности CR, который отличается численно для различных районов. При этом CR предлагается принимать равным 2,8 для арктических районов, 2,4 — для субарктических и 1,8 — для других районов с ледовой обстановкой, включая Балтику.

Обработка данных полевых испытаний физико-механических свойств льда ведется, как правило, по нескольким направлениям [10]:

традиционный статистический анализ, целью которого является определение основных статистических характеристик исследуемых величин (средних значений, стандартных отклонений и т.п.), построение законов распределения и установление корреляционных связей между величинами;

оценка прочностных характеристик льда малой повторяемости. Важность этого вида анализа обусловлена тем, что основной интерес представляют максимальные значения прочности льда малой обеспеченности, необходимые в качестве исходных данных для проектирования. С этой целью по полевым данным устанавливаются регрессивные зависимости, связывающие пределы прочности льда при сжатии и изгибе и его температуру, соленость и плотность;

совершенствование методов расчета ледовых нагрузок на сооружения. В этом плане особую ценность представляют результаты крупномасштабных испытаний прочности льда. Основным «инструментом» анализа являются разрабатываемые конечно-элементные модели деформирования и разрушения льда в таких испытаниях. Сопоставление результатов численного моделирования с данными фактических измерений в крупномасштабных испытаниях является основой для совершенствования моделей взаимодействия льда с сооружением.

Отдельным важным моментом, который требует системного анализа, является изменчивость гидрометеорологических условий. Реальное состояние циркуляции в атмосфере, метеорологические и ледовые условия каждого конкретного года могут существенно отличаться друг от друга и от среднего многолетнего состояния (нормы). Развитие процессов каждого года указывает на существование большого числа вариантов конкретных реализаций общей циркуляции атмосферы [11, 21—24].

Согласно исследованиям ААНИИ [4] прослеживается цикличность температурных аномалий (цикл около 60 лет, рис. 3). Так, в 1900 и 1970-х гг. арктический антициклон имел весьма большую повторяемость и, по существу, определял характер всех процессов высоких широт, в т.ч. ледовых. В дальнейшем его активность от года к году заметно уменьшалась. Тем не менее в последние 10 лет наблюдаются повышенные аномалии положительных температур, причины которых до конца не изучены. В то же время специалисты института ААНИИ предполагают, что с учетом естественного 60-летнего цикла колебаний циркуляции атмосферы и метеорологического режима следует ожидать тенденцию к понижению температурного фона с переходом от положительных аномалий температуры к отрицательным, что также скажется и на ледови-тости северных морей.

Рис. 3. График аномалий температуры воздуха в широтном поясе 70...85 с.ш. (1891—2013 гг.) [24]

Выводы. Представлены основные шаги, необходимые при планировании сбора ледовой информации, перечень основных исследуемых ледовых характеристик, современные методы наблюдений и прямых измерений характеристик льда, а также направления, по которым ведется обработка данных полевых испытаний физико-механических свойств льда.

Особое внимание уделено вопросу анизотропии льда. Результат анализа говорит о том, что лед обладает высокой степенью пространственной анизотропии и что участки льда с максимальной прочностью занимают 10...20 % исследуемой прочности и не являются определяющими при взаимодействии с конструкциями большого диаметра. Эти результаты дают основания для выбора в качестве нормативных показателей наиболее вероятного значения прочности льда (а не максимального) на одноосное сжатие при детерминистических расчетах ледовых нагрузок.

Еще одним важным моментом является определение интегральной прочности ледяных полей. Прочность ледяных полей может быть во много раз меньше прочности небольших образцов льда на сжатие, так как доминирующим механизмом разрушения ледяного поля при его взаимодействии с сооружением является процесс образования, роста и распространения микро- и ма-

кротрещин. С этой целью в последние годы в перечень выполняемых полевых исследований были добавлены крупномасштабные исследования прочности льда при сжатии.

В статье уделено внимание изменчивости гидрометеорологических условий. Отмечены повышенные аномалии положительных температур в последние годы, а также сделано предположение о том, что с учетом естественного 60-летнего цикла колебаний циркуляции атмосферы и метеорологического режима следует ожидать тенденцию к понижению температурного фона с переходом от положительных аномалий температуры к отрицательным, что должно иметь влияние и на ледовитость северных морей.

Библиографический список

1. Атлас гидрометеорологических и ледовых условий морей российской Арктики: обобщение фондовых материалов и результаты экспедиционных исследований ООО «Арктический научно-проектный центр шельфовых разработок» в 2012—2014 гг. М. : Нефтяное хозяйство, 2015. 128 с.

2. ISO 19906. Petroleum and natural gas industries — Arctic offshore structures / International Organization of Standardization. 1st edition. 2010. 474 p.

3. Palmer A., Croasdale K. Arctic offshore engineering // World Scientific Publishing Co. Pte. Ltd., 2013. 372 p.

4. Политько В.А., Кантаржи И.Г. Особенности ледовых условий и ледовых нагрузок на шельфовые сооружения в Северном Каспии // Обеспечение гидрометеорологической и экологической безопасности морской деятельности : сб. тр. Междунар. науч.-практ. конф. (г. Астрахань, 16—17 октября 2015 г.). Астрахань : КАСПКОМ, 2015. С. 133—135.

5. Кантаржи И.Г., Мадерич В.С., Кошебуцкий В.И. Определение характеристик льда для морского гидротехнического строительства // Гидротехническое строительство. 2015. № 6. С. 45—54.

6. Кантаржи И., Мадерич В., Кошебуцкий В., Козий Л. Численное моделирование льда для целей гидротехнического строительства в условиях ледовой нагрузки // Инновационные материалы и технологии для строительства в экстремальных климатических условиях : материалы I Всеросс. науч.-техн. конф. с междунар. участием (г. Архангельск, 2—4 декабря 2014 г.). Архангельск : САФУ 2014. С. 18—27.

7. СП 11-114—2004. Инженерные изыскания на континентальном шельфе для строительства морских нефтегазопромысловых сооружений. М. : ФГУП «ПНИИС», 2004. 109 с.

8. Смирнов В.Н., Шушлебин А.И., Ковалев С.М., Шейкин И.Б. Методическое пособие по изучению физико-механических характеристик ледяных образований как исходных данных для расчета ледовых нагрузок на берега, дно и морские сооружения. СПб. : ААНИИ, 2011. 179 с.

9. Данилов А.И., Зубакин Г.К. Ледовые исследования и изыскания в районе Штокманского ГКМ (некоторые итоги и перспективы) // Труды ААНИИ. Комплексные исследования и изыскания ледовых и гидрометеорологических явлений и процессов в Баренцевом море : сб. ст. / под ред. Г.К. Зубакина, А.А. Дементьева. СПб. : ААНИИ, 2009. Т. 450. С. 5—6.

10. Зубакин Г.К., Гудошников Ю.П., Дмитриев Н.Е., Наумов А.К., Степанов И.В. Технология сбора и анализа данных о ледяном покрове шельфовых районов Арктических морей // Труды ААНИИ. Комплексные исследования и изыскания ледовых и гидрометеорологических явлений и процессов на Арктическом шельфе : сб. ст. / под ред. Г.К. Зубакина. СПб. : Гидрометеоиздат, Т. 449. 2004. С. 196—210.

11. Панфилов А.А. О вихревых движениях сплоченных льдов в осенне-зимний период // Труды ААНИИ. Исследования ледяного покрова Северного Ледовитого океана : сб. науч. тр. / под ред. С.М. Лосева. СПб. : Гидрометеоиздат, 1995. Т. 435. С. 62—67.

12. Наумов А.К. Распределение айсбергов в районе Штокмановского газокон-денсатного месторождения и оценки столкновения айсбергов с платформой // Труды ААНИИ. Комплексные исследования и изыскания ледовых и гидрометеорологических явлений и процессов на Арктическом шельфе : сб. ст. / под ред. Г.К. Зубакина. СПб. : Гидрометеоиздат, 2004. Т. 449. С. 140—152.

13. Рогачко С.И., Шунько Н.В. Защита подводных коммуникаций от силового воздействия килевой части тороса // Вестник МГСУ 2011. № 5. С. 54—57.

14. Симаков Г.В., Шхинек К.Н. Морские гидротехнические сооружения на континентальном шельфе. Л. : Судостроение, 1989. 358 с.

15. Fransson L. Ice handbook for engineers. Lulea University of Technology, 2009.

16. API RP 2N. Recommended practice for planning, designing, and constructing structures and pipelines for arctic conditions. 2nd edition. American Petroleum Institute (API). 1995. 98 p.

17. Алексеев Ю.Н., Афанасьев В.П., Литонов О.Е., Мансуров М.Н., Панов В.В., Трусков П.А. Ледотехнические аспекты освоения морских месторождений нефти и газа / под ред. О.Е. Литонова, В.В. Панова. СПб. : Гидрометеоиздат, 2001. 360 с.

18. СП 38.13330.2012. Нагрузки и воздействия на гидротехнические сооружения (волновые, ледовые и от судов). Актуализированная редакция СНиП 2.06.04—82* / Минрегион России. М., 2012. 112 с.

19. Taylor R., Frederking R. The nature of high pressure zones in compressive ice failure // Proc. 19th IAHR International Symposium on Ice. 2008.

20. Timco G. Why does the ice fail the way it does? // Proc. 19th IAHR International Symposium on Ice. 2008.

21. Иванов В.В., Лебедев А.А. Ведущие закономерности изменчивости синоптических и ледовых условий в северо-восточной части Баренцева моря в начале XXI столетия // Труды ААНИИ. Комплексные исследования и изыскания ледовых и гидрометеорологических явлений и процессов в Баренцевом море : сб. ст. / под ред. Г.К. Зубакина, А.А. Дементьева. СПб. : ААНИИ, 2009. Т. 450. С. 7—15.

22. Дмитриев А.А., Белязо В.А. Многолетняя изменчивость атмосферных процессов Тихого океана и прилегающих к нему регионов Арктики и Антарктики и факторы ее определяющие // Труды ААНИИ. Комплексные исследования и изыскания ледовых и гидрометеорологических явлений и процессов в Баренцевом море : сб. ст. / под ред. Г.К. Зубакина, А.А. Дементьева. СПб. : ААНИИ, 2009. Т. 450. С. 222—240.

23. ДмитриевН.Е., ЗубакинГ.К., БоковВ.Н., ВойновГ.Н. Внутрисуточная изменчивость ветра, дрейфа льда и течений в Печорском море // Труды ААНИИ. Комплексные исследования и изыскания ледовых и гидрометеорологических явлений и процессов на Арктическом шельфе : сб. ст. / под ред. Г.К. Зубакина. СПб. : Гидрометеоиздат, 2004. Т. 449. С. 24—42.

24. Обзор гидрометеорологических процессов в Северном Ледовитом океане. 2013 / под ред. И.Е. Фролова. СПб. : ААНИИ, 2013. 118 с.

Поступила в редакцию в ноябре 2015 г.

Об авторах: Политько Валентин Александрович — аспирант кафедры гидротехнического строительства, Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет (НИУ МГСУ), 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, politko@mail.ru;

Кантаржи Игорь Григорьевич — доктор технических наук, профессор кафедры гидротехнического строительства, Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет (НИУ МГСУ), 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, politko@mail.ru.

Для цитирования: Политько В.А., Кантаржи И.Г. Исследуемые характеристики льда, необходимые для определения ледовых нагрузок // Вестник МГСУ 2015. № 12. С. 106—117.

V.A. Polit'ko, I.G. Kantarzhi

CHARACTERISTICS OF ICE, NEEDED FOR ICE LOADINGS DETERMINATION

In order to determine ice loads on the offshore oil and gas structures different ice information is required as an input data. At the present moment there is no unified generally recognized methodology for estimating ice loads and set the main ice parameters. In this relation there appears a question of the ice parameters which need to be investigated.

The article attempts to analyze a variety of sources, including standards, on the subject of collection of ice information, required and sufficient for the calculation of ice loads. The article presents the basic steps in the planning of ice information collection, the list of main characteristics and parameters of ice, modern methods of observations and direct measurements of the ice, as well as the ways in which the field tests data of physical and mechanical properties of ice is processed. Particular attention is paid to the anisotropy of ice, integrated assessment of the strength of the ice field, as well as the variability of meteorological conditions.

Key words: ice characteristics, gathering ice information, methods of observation, data processing, field tests, anisotropy of ice, integral strength of ice field, variability of meteorological conditions

References

1. Atlas gidrometeorologicheskikh i ledovykh usloviy morey rossiyskoy Arktiki: obobsh-chenie fondovykh materialov i rezul'taty ekspeditsionnykh issledovaniy OOO «Arkticheskiy Nauchno-proektnyy tsentr shel'fovykh razrabotok» v 2012—2014 gg. [Atlas of Hydrometeoro-logical and Ice Conditions of the Seas of Russian Arctic Region]. Moscow, Neftyanoe khozy-aystvo Publ., 2015, 128 p.

2. ISO 19906. Petroleum and Natural Gas Industries — Arctic Offshore Structures. International Organization of Standardization. 1st edition. 2010, 474 p.

3. Palmer A., Croasdale K. Arctic Offshore Engineering. World Scientific Publishing Co. Pte. Ltd., 2013, 372 p.

4. Polit'ko V.A., Kantarzhi I.G. Osobennosti ledovykh usloviy i ledovykh nagruzok na shel'fovye sooruzheniya v Severnom Kaspii [Features of Ice Conditions and Ice Loads on Shelf Constructions in North Caspian]. Obespechenie gidrometeorologicheskoy i ekologicheskoy bezopasnosti: sbornik trudov Mezhdunarodnoy nauchno-prakticheskoy konferentsii (16—17 oktyabrya 2015 g., g. Astrakhan') [Providing Hydrometeorological and Ecological Safety : Collection of Works of the International Science and Practice Conference (16—17 October, 2015, Astrakhan)]. Astrakhan, Rosgidromet Publ., 2015, pp. 133—135. (In Russian).

5. Kantarzhi I.G., Maderich V.S., Koshebutskiy V.I. Opredelenie kharakteristik l'da dlya morskogo gidrotekhnicheskogo stroitel'stva [Defining Ice Characteristics for Sea Hydrotechni-cal Construction]. Gidrotekhnicheskoe stroitel'stvo [Hydrotechnical Construction]. 2015, no. 6, pp. 45—54.

6. Kantarzhi I., Maderich V., Koshebutskiy V., Koziy L. Chislennoe modelirovanie l'da dlya tseley gidrotekhnicheskogo stroitel'stva v usloviyakh ledovoy nagruzki [Numerical Modeling of Ice with the Aim of Hydrotechnical Construction in the Conditions of Ice Load]. Innovatsion-nye materialy i tekhnologii dlya stroitel'stva v ekstremal'nykh klimaticheskikh usloviyakh : ma-terialy I Vserossiyskoy nauchno-tekhnicheskoy konferentsii s mezhdunarodnym uchastiem

7. SP11-114—2004. Inzhenernyeizyskaniya na kontinental'nom shel'fe dlya stroitel'stva morskikh neftegazopromyslovykh sooruzheniy [Specifications SP 11-114—2004. Engineering Researches on a Continental Shelf for Construction of Offshore Oil and Gas Hydrotech-nical Facilities]. Moscow, FGUP «PNIIS» Publ., 2004, 109 p.

8. Smirnov V.N., Shushlebin A.I., Kovalev S.M., Sheykin I.B. Metodicheskoe posobie po izucheniyu fiziko-mekhanicheskikh kharakteristik ledyanykh obrazovaniy kak iskhodnykh dannykh dlya rascheta ledovykh nagruzok na berega, dno i morskie sooruzheniya [Guidance Manual for Studying Physical and Mathematical Features of Ice Bodies as Initial Data for Calculating Ice Loads on Shores, Bottom and Offshore Structures]. Saint Petersburg, AANII Publ., 2011, 179 p.

9. Danilov A.I., Zubakin G.K. Ledovye issledovaniya i izyskaniya v rayone Shtok-manovskogo GKM

10. Zubakin G.K., Gudoshnikov Yu.P., Dmitriev N.E., Naumov A.K., Stepanov I.V. Tekh-nologiya sbora i analiza dannykh o ledyanom pokrove shel'fovykh rayonov Arkticheskikh morey [Technology of Gathering and Analyzing the Data on Ice Sheet of Shelf Regions of Arktic Seas]. Trudy AANII. Kompleksnye issledovaniya i izyskaniya ledovykh i gidrometeorologicheskikh yavleniy i protsessov na Arkticheskom shel'fe: sbornik statey [Works of the State Research Center "Arctic and Antarctic Research Institute". Complex Investigations and Researches of Ice and Hydrometeorological Phenomena and Processes on Arctic Shelf : Collection of Articles]. Saint Petersburg, Gidrometeoizdat Publ., vol. 449, 2004, pp. 196—210.

11. Panfilov A.A. O vikhrevykh dvizheniyakh splochennykh l'dov v osenne-zimniy period [On Rotational Motion of Close Ice in Autumn and Winter Period]. Trudy AANII. Issledovaniya ledyanogo pokrova Severnogo Ledovitogo okeana : sbornik nauchnykh trudov [Works of the State Research Center "Arctic and Antarctic Research Institute". Investigation of the Ice Sheet of the Arctic Ocean : Collection of Scientific Works]. Saint Petersburg, Gidrometeoizdat Publ., 1995, vol. 435, pp. 62—67.

12. Naumov A.K. Raspredelenie aysbergov v rayone Shtokmanovskogo gazokonden-satnogo mestorozhdeniya i otsenki stolknoveniya aysbergov s platformoy [Distribution of Icebergs in the Area of of Shtokmanovsky Gas Condensate Field and Estimation of Icebergs' Collision with the Platform]. Trudy AANII. Kompleksnye issledovaniya i izyskaniya ledovykh i gidrometeorologicheskikh yavleniy i protsessov na Arkticheskom shel'fe : sbornik statey [Works of the State Research Center "Arctic and Antarctic Research Institute". Complex Investigations and Researches of Ice and Hydrometeorological Phenomena and Processes on Arctic Shelf : Collection of Articles]. Saint Petersburg, Gidrometeoizdat Publ., 2004, vol. 449, pp. 140—152.

13. Rogachko S.I., Shun'ko N.V. Zashchita podvodnykh kommunikatsiy ot silovogo voz-deystviya kilevoy chasti torosa [Protection of Underwater Utility Lines from the Force Impact of the Sole Piece of Ice Block]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2011, no. 5, pp. 54—57.

14. Simakov G.V., Shkhinek K.N., Semenov V.A., Marchenko D.V., Khrapatyy N.G. Morskie gidrotekhnicheskie sooruzheniya na kontinental'nom shel'fe [Offshore Hydrotechnical Structures on Continental Shelf]. Saint Petersburg, Sudostroenie Publ., 1989, 358 p. (In Russian).

15. Fransson L. Ice Handbook for Engineers. Lulea University of Technology, 2009.

16. API RP 2N. Recommended Practice for Planning, Designing, and Constructing Structures and Pipelines for Arctic Conditions. 2nd edition. American Petroleum Institute (API). 1995, 98 p.

17. Alekseev Yu.N., Afanas'ev V.P., Litonov O.E., Maisurov M.N., Panov V.V., Truskov P.A. Ledotekhnicheskie aspekty osvoeniya morskikh mestorozhdeniy nefti i gaza [Ice Technical Aspects of Developing Sea Deposits of Oil and Gas]. Saint Petersburg, Gidrometeoizdat Publ., 2001, 360 p. (In Russian).

18. SP 38.13330.2012. Nagruzki i vozdeystviya na gidrotekhnicheskie sooruzheniya

19. Taylor R., Frederking R. The Nature of High Pressure Zones in Compressive Ice Failure. Proc. 19th IAHR International Symposium on Ice. 2008.

20. Timco G. Why Does the Ice Fail the Way It Does? Proc. 19th IAHR International Symposium on Ice. 2008.

21. Ivanov V.V., Lebedev A.A. Vedushchie zakonomernosti izmenchivosti sinopticheskikh i ledovykh usloviy v severo-vostochnoy chasti Barentseva morya v nachale XXI stoletiya [Leading Regularities of the Variability of Synaptic and Ice Conditions in North-East Part of Barents Sea in the Beginning of the 21st Century]. TrudyAANII. Kompleksnye issledovaniya i izyskani-ya ledovykh i gidrometeorologicheskikh yavleniy i protsessov v Barentsevom more : sbornik statey [Works of the State Research Center "Arctic and Antarctic Research Institute". Complex Investigations and Researches of Ice and Hydrometeorological Phenomena and Processes in Barents Sea]. Saint Petersburg, AANII Publ., 2009, vol. 450, pp. 7—15.

22. Dmitriev A.A., Belyazo V.A. Mnogoletnyaya izmenchivost' atmosfernykh protsessov Tikhogo okeana i prilegayushchikh k nemu regionov Arktiki i Antarktiki i faktory ee oprede-lyayushchie [Longstanding Changes of Atmospheric Processes of the Pacific Ocean and Surrounding Areas of Arctic and Antarctic Regions and Factors Influencing it]. Trudy AANII. Kompleksnye issledovaniya i izyskaniya ledovykh i gidrometeorologicheskikh yavleniy i protsessov v Barentsevom more : sbornik statey [Works of the State Research Center "Arctic and Antarctic Research Institute". Complex Investigations and Researches of Ice and Hydro-meteorological Phenomena and Processes in Barents Sea]. Saint Petersburg, AANII Publ., 2009, vol. 450, pp. 222—240.

23. Dmitriev N.E., Zubakin G.K., Bokov V.N., Voynov G.N. Vnutrisutochnaya izmenchivost' vetra, dreyfa l'da i techeniy v Pechorskom more [Diurnal Changes of the Wind, Ice and Stream Drift in Pechora Sea]. Trudy AANII. Kompleksnye issledovaniya i izyskaniya ledovykh i gidrometeorologicheskikh yavleniy i protsessov na Arkticheskom shel'fe : sbornik statey [Works of the State Research Center "Arctic and Antarctic Research Institute". Complex Investigations and Researches of Ice and Hydrometeorological Phenomena and Processes on Arctic Shelf : Collection of Articles]. Saint Petersburg, Gidrometeoizdat Publ., 2004, vol. 449, pp. 24—42.

24. Frolov I.E., editor. Obzor gidrometeorologicheskikh protsessov v Severnom Ledo-vitom okeane [Review of Hydrometeorological Processes in the Arctic Ocean]. 2013. Saint Petersburg, AANII Publ., 2013, 118 p.

About the authors: Polit'ko Valentin Aleksandrovich — postgraduate student, Department of Hydraulic Engineering, Moscow State University of Civil Engineering (National Research University) (MGSU), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; politko@mail.ru;

Kantarzhi Igor' Grigor'evich — Doctor of Technical Sciences, Professor, Department of Hydraulic Engineering, Moscow State University of Civil Engineering (National Research University) (MGSU), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; polit-ko@mail.ru.

For citation: Polit'ko V.A., Kantarzhi I.G. Issleduemye kharakteristiki l'da, neobkhodimye dlya opredeleniya ledovykh nagruzok [Characteristics of Ice, Needed for Ice Loadings Determination]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2014, no. 12, pp. 106—117.