Нормативные методики расчета глобальной ледовой нагрузки

ВЕСТНИК 10/2012

УДК 624.042.4

Т.Э. Уварова, Е.Е. Помников, Г.Р. Шамсутдинова, А.С. Наркевич, В.В. Проценко

ФГАОУ ВПО «ДВФУ»

НОРМАТИВНЫЕ МЕТОДИКИ РАСЧЕТА ГЛОБАЛЬНОЙ ЛЕДОВОЙ НАГРУЗКИ

Наличие огромных запасов углеводородного сырья в акваториях мирового океана, рост потребности промышленности в данном типе ресурсов способствует развитию добычи полезных ископаемых на шельфе морей и океанов. Большая часть шельфа РФ относится к районам замерзающих морей, поэтому определение ледовых нагрузок составляет важную проблему. Определение ледовых нагрузок, действующих на сооружения шельфа, составляет важную задачу. Существенное снижение затрат на строительство может быть достигнуто за счет рационального проектирования, что предполагает необходимость разработки простых и надежных методов расчета. Предпринята попытка обобщения основных нормативных методик расчета ледовой нагрузки и приведение их в удобную для программирования форму.

Ключевые слова: ледовая нагрузка, нормы, шельфовые сооружения.

Площадь морского шельфа у берегов России составляет 21 % от площади шельфа Мирового океана (6,2 млн км2). Около 70 % этой площади перспективно с точки зрения добычи полезных ископаемых, в первую очередь, нефти и газа, что составляет 4 млн км2 и соизмеримо с площадью нефтегазовых месторождений на суше России (6 млн км2) [1].

Целью работы является аналитическое сравнение применимости различных нормативных методик расчета ледовой нагрузки для оценки глубины ледовой абразии.

В работе приведен обзор нормативных методик расчета ледовой нагрузки, выявлены основные факторы, влияющие на ее величину, разработана упрощенная методика формирования глобальной (нормативной) ледовой нагрузки.

Постановка задачи. Суровые ледовые условия в акваториях для освоения месторождений углеводородов требуют создания ледостойких сооружений. Обеспечение надежности таких сооружений возможно только при решении проблемы достоверного определения ледовых нагрузок.

Сложность характера взаимодействия льда с сооружением, а также особенности физико-механических свойств льда привели к тому, что в настоящее время практически для всех случаев отсутствуют строгие теоретические решения, позволяющие достаточно точно определять ледовые нагрузки. Главными параметрами, определяющими величину нагрузки при взаимодействии поля с сооружением, являются: структура, физико-механические свойства льда; отношение диаметра опоры к толщине льда; условия контакта ледяного поля и сооружения; скорости движения ледяного поля.

На данный момент существует множество нормативных документов (ВСН [2], СНиП [3], СТО Газпром [4], API [5], CAN/CSA [6], DNV [7], Elforsk rapport 09:55 [8], LG [9], ISO [10], EM [11]), в которых определяется расчетное значение ледовой нагрузки.

На основе проведенного анализа нормативных источников можно заключить, что зарубежные нормы значительно отличаются от российских, а российские государственные нормы — от ведомственных. Отличие этих методик демонстрирует отсутствие в настоящее время обобщающего решения задачи по расчету нагрузок от морского льда на вертикальные сооружения.

Проектирование и конструирование строительных систем. Проблемы механики в строительстве УЕ5ТЫ1К

_мвви

Оптимизация нормативных методик расчета глобальной ледовой нагрузки. Для упрощения расчета ледовой нагрузки были математически оптимизированы нормативные методики расчета. В расчетных формулах используются следующие условные обозначения: Я — прочность льда на одноосное сжатие, МПа; ё — ширина опоры сооружения по фронту действия льда, м; И — толщина ровного ледяного поля, м; V— скорость движения ледяного поля, м/с.

ВСН 41.88. Ледовые нагрузки рассчитываются при скорости дрейфа ледяных полей менее 0,5 м/с. Сила от воздействия движущихся ледяных полей на сооружение, МН, в зависимости от фактора ё/И рассчитывается по формуле ^ = ЯёИ при ё / И > 30;

^ = 6,106 Яс10'43Ь1'51 при ё / И < 30.

СНиП 2.06.04—82 *. Силу от воздействия ледяного поля на отдельно стоящую опору, с передней гранью в виде полуциркульного очертания .Р, МН, рекомендуется определять в зависимости от фактора ё/И и относительной скорости деформации льда: При ё/И < 30

FCp =0,04 Vhi

FCiP =0,04 Vh,

9,035AR Г 4008V

0,26

- + 0,098

9,035AR Г 500V

'

0,26

- + 0.

при

при

V /4d = 10 7...5 -105;

V/4d = 5 10 5...10 4;

Fc,p = 0,04 Vh

Fc,p =0,04 Vh,

9,035AR

'

0,26

9,035AR Г 16,8625V

]

0,26

при

Fc,p = 0,04 Vh-yj2,71 AR (d / h)-0,26 При d/h > 30

Fc, p =0,04 Vh./3,42 AR

8016V

+ 0,098

при

V/4d = 10 4...5-10"4;

V /4d = 10 7...5 -105;

+ 0,928 | при V/4d = 5-10 4...10 2; при V/4d > 10~2;

Fc, p =0,04 Vh. /3,42 AR

Fc, p = 0,04 VhJ 3,42 AR

1000V

+ 0,

c, p

при V /4d = 5-10 5...10 4;

при V/4d = 10 4...5-10"4;

33 725V

F_ =0,04Vh.|3,42AR|--^-+ 0,928 | при

при

V /4d > 10 .

V /4d = 10 7...10 5;

V /4d = 5-104...102:

р = 0,04УЪ

При этом сила ¥с не может быть больше силы Гь, МН, определяемой по формулам:

при ё/И < 30 С'Р

ЕЪр р =3,29 ЯИ1,26^74 (4008^ + 0,098) при *Ъ, =3,29 Як1,26 ё0'74 (500 ^¿ + 0,8) при

V /4d = 5 -10 5...10 4;

Fb p = 3,29 Rh1,26 d°,74

при V /4d = 10 4...10 2;

ВЕСТНИК

10/2012

Fb,p = 3,29RhU6d0,74 (-16,8625V/d + 0,928) при

F6,p = 0,987 ДА1'26d°'74 при d/h > 30

Fb,p = 1,245 Rhd

Fb,p = 1,245 Rhd

при

при при при при при

V /4d = 5-10-4...10-

V /4d > 10-2;

V /4d = 10-7...5 -10-5;

V /4d = 5-10-5...10-4;

V /4d = 10-4...5 -10-4;

V /4d = 5-10-4...10-2;

V /4d > 10-2.

¥ь,р = 1,245 ЯМ (-67,45 V Ш + 0,098) ^ = 0,374 Ш

СТО Газпром 2-3.7-29—2005. Нагрузка от воздействия ледяных образований на стационарные вертикальные сооружения, МН, в зависимости от фактора d/h рассчитывается по формуле

¥ = 1,5 ¿к.

ЕМ 1110-2-1612. Ледовая нагрузка, действующая на сооружение при пластической деформации льда е = 10Л.10"4 с-1, МН, рассчитывается по формуле

F = 21,71 Rd0•вshV0•32.

При хрупком разрушении льда ледовая нагрузка, МН, в зависимости от фактора dh рассчитывается по формуле

F = 8,1 при 0,1 м2 < dh < 29 м2;

F = 1,5 Ad 45d / h +1

при dh > 29 м2.

APIRP*2N—95. Ледовая нагрузка, МН, в зависимости от фактора dh рассчитывается по формуле

F = 8,1 Vdh при 0,1 м2 < dh < 29 м2;

F = 1,5 hd при dh > 29 м2.

CAN/CSA-S471—04. Ледовая нагрузка от действия ледяных полей, МН, в зависимости от фактора d/h рассчитывается по формуле

F = 1,5 (dh)0,6

0,826

F = 1,5 dh-

F = 24,8 d°'36h1'466 , 0,826

при при при

d / h < 10; 10 < d / h > 80; 80 < d / h <1000;

F = 0,3 dh°,826 при d / h > 1000.

ISO/CD 19906. Глобальная ледовая нагрузка на сооружение, МН, в зависимости от толщины ледяного поля определяется по формуле

F = 1,77 d°,84h°,66+h/5> F = 1,77 d°,84h°,86 F = 2,84 d°,84h°,86

при при

h < 1; 1 < h < 1,5;

при

h > 1,5.

Elforsk rapport 09:55. Ледовая нагрузка от действия ледяных полей, МН, в зависимости от фактора h/d рассчитывается по формуле

F = 0,45 dhR45h / d +1

+1 при

h / d < 1;

Проектирование и конструирование строительных систем. Проблемы механики в строительстве VESTNIK

_MGSU

F = 1,125 dhR при h / d > 1.

Danish Standard 410. Ледовая нагрузка, МН, в зависимости от фактора d/h рассчитывается по формуле

^ = 11 +-М при а / h < 9;

^ 1 + а / h) ^

^ = Rd

^ = Rdh при а /h > 15.

ОЬ 2005, ИУ-РаН 6. Сила от воздействия дрейфующего ледяного поля, МН, рассчитывается по формуле

^ = 0,36 а°,5и1,^.

В зависимости от типа разрушения льда ледовую нагрузку, МН, рассчитывают по формуле:

при хрупком разрушении е > 10~3 с-1

^ = 0,564 а0'5^'^;

при пластическом разрушении е < 10~3 с-1

^ = 0,793 а0'5^'^.

В зависимости от фактора ледовую нагрузку, МН, при а < 5 рассчитывают по формуле:

^ = 0,63 dИR^Í5hГd+\ при 6 > а / h >1;

^ = dR

Выводы. Для нормативного расчета воздействия льда в настоящее время используют два подхода к составлению структурной зависимости определения ледовой нагрузки [1]: с использованием дифференцированных коэффициентов-параметров и с введением в расчет эффективного давления льда как обобщенного параметра. Первый развивался при решении задач определения нагрузок на опоры небольшой ширины и малой вариации расчетных толщин льда (опоры мостов, быки плотин, маяки) при сравнительно небольшом наборе расчетных параметров, имеющих ясный физический смысл, а методика расчета по существу определялась значением величины отношения ширины сооружения к толщине ледяного поля. Применение в этих случаях метода с использованием дифференцированных коэффициентов-параметров потребовало бы введения сложного комплекса расчетных коэффициентов, зависящих не только от БМ, но и от толщины ледяного поля h и площади Dh. С увеличением объема данных натурных измерений давления льда на сооружения шельфа в практику расчета был введен метод эффективного давления, который повысил надежность методики определения нагрузки в морских условиях. Тем не менее, метод с использованием дифференцированных коэффициентов для расчета нагрузок на опоры малого и среднего диаметра является основным, так как проверен многолетней практикой.

Библиографический список

1. Морская база углеводородного сырья России и перспективы ее освоения / Ю.Н. Григо-ренко, Л.С. Маргулис, Ю.Н. Новиков, Ю.С. Соболев // Нефтегазовая геология. Теория и практика. 2007. Т. 2. Режим доступа: www.ngtp.rU/rub/4/002.pdf. Дата обращения: 12.06.2012.

2. ВСН 41—88. Ведомственные строительные нормы (экспериментальные) проектирования ледостойких стационарных платформ. М., 1988.

3. СНиП 2.06.04—82*. Нагрузки и воздействия на гидротехнические сооружения (волновые, ледовые и от судов). М., 1995.

4. СТО Газпром 2-3.7-29—2005. Расчет ледовых нагрузок на ледостойкую стационарную платформу. М., 2005.

ВЕСТНИК 10/2012

5. API RP 2N. Recommended practice for planning, designing and constructing structures and pipelines for Arctic conditions // Amer: Petroleum Inst. Bulletin. Dallas, 1995.

6. CAN/CSA-S471—92. General Requirements, Design Criteria, Environment, Loads. National Standard of Canada, 2004.

7. Danish Standard 410. Code of Practice for Loads for the Design of Structures. 1998.

8. L. Fransson, L. Bergdahl. Recommendations for design of offshore foundations exposed to ice loads: Elforsk rapport 09:55. April, 2009. 43 p.

9. Germanischer Lloyd. Oil and Gas GmbH: General Terms and Conditions. Hamburg, 2005.

10. ISO/CD 19906. Petroleum and Natural Gas Industries — Arctic Offshore Structures.

11. US Army Corps of Engineers. Engineering and Design-Ice Engineering. USACE Engineer Manual EM 1110-2-1612, 2006.

Поступила в редакцию в июле 2012 г.

Об авторах: Уварова Татьяна Эриковна — кандидат технических наук, доцент кафедры гидротехники, теории зданий и сооружений, ФГАОУ ВПО «Дальневосточный федеральный университет» (ФГАОУ ВПО «ДВФУ»), 690014, г. Владивосток, пр. Красного Знамени, д. 66, каб. 407, 8(423)245-08-90, searay@yandex.ru;

Помников Егор Евгеньевич — аспирант кафедры гидротехники, теории зданий и сооружений, ФГАОУ ВПО «Дальневосточный федеральный университет» (ФГАОУ ВПО «ДВФУ»), 690014, г. Владивосток, пр. Красного Знамени, д. 66, каб. 407, 8(423)245-08-90, epomnikov@gmail.com;

Шамсутдинова Гюзель Радиковна — магистрант кафедры гидротехники, теории зданий и сооружений, ФГАОУ ВПО «Дальневосточный федеральный университет» (ФГАОУ ВПО «ДВФУ»), 690014, г. Владивосток, пр. Красного Знамени, д. 66, каб. 407, 8(423)245-08-90, quzeli_ka@mail.ru;

Наркевич Анастасия Сергеевна — магистрант кафедры гидротехники, теории зданий и сооружений, ФГАОУ ВПО «Дальневосточный федеральный университет» (ФГАОУ ВПО «ДВФУ»), 690014, г. Владивосток, пр. Красного Знамени, д. 66, каб. 407, 8(423)245-08-90, narkonasty13@mail.ru;

Проценко Виктория Владимировна — ассистент кафедры гидротехники, теории зданий и сооружений, ФГАОУ ВПО «Дальневосточный федеральный университет» (ФГАОУ ВПО «ДВФУ»), 690014 г. Владивосток, пр. Красного Знамени, д. 66, каб. 407, 8(423)245-08-90, witchvik@mail.ru.

Для цитирования: Нормативные методики расчета глобальной ледовой нагрузки / Т. Э. Уварова, Е.Е. Помников, Г.Р. Шамсутдинова, А.С. Наркевич, В.В. Проценко // Вестник МГСУ. 2012. № 10. С. 122—127.

T.E. Uvarova, E.E. Pomnikov, G.R. Shamsutdinova, A.S. Narkevich, V.V. Protsenko

NORMATIVE PROCEDURES OF GLOBAL ICE LOAD CALCULATION

The authors argue that the availability of substantial hydrocarbon reserves in the waters of oceans and growing needs for this type of resources boosts the development of mining operations in the shelves of seas and oceans. The majority of continental shelves of the Russian Federation are located in the areas of freezing seas; therefore, the calculation of ice loads is an important issue. Analysis of ice loads that the offshore structures are exposed to represents a major problem. A significant reduction in the construction costs is attainable through rational design that contemplates a pressing need for simple and reliable methods of calculation. The paper represents an attempt to consolidate and analyze the main normative procedures that govern the calculation of ice loads, and to present them in the form that may be easily processed by the software.

Key words: ice, load, norm, offshore, structure.

References

1. Grigorenko Yu.N., Margulis L.S., Novikov Yu.N., Sobolev Yu.S. Morskaya baza uglevodorodnogo syr'ya Rossii i perspektivy ee osvoeniya [Offshore Deposits of Hydrocarbon Resources of Russia and

Проектирование и конструирование строительных систем. Проблемы механики в строительстве УЕ5ТЫ1К

_мвви

Prospects for Their Assimilation]. Neftegazovaya geologiya. Teoriya i praktika. [Geology of Oil and Gas. Theory and Practice]. 2007, vol. 2. Available at: www.ngtp.ru/rub/4/002.pdf. Date of access: 12.06.2012.

2. VSN 41—88. Vedomstvennye stroitel'nye normy (eksperimental'nye) proektirovaniya ledos-toykikh statsionarnykh platform [VSN 41-88. Industrial (Experimental) Construction Norms of Design of Offshore Ice-resistant Fixed Platforms]. Moscow, 1988.

3. SNiP 2.06.04—82*. Nagruzki i vozdeystviya na gidrotekhnicheskie sooruzheniya (volnovye, le-dovye i ot sudov). [Construction Norms and Regulations. Loads and Actions on Hydraulic Engineering Structures (Waves, Ice, and Vessels)]. Moscow, 1995.

4. STO Gazprom 2-3.7-29—2005. Raschetledovykh nagruzokna ledostoykuyu statsionarnuyuplat-formu. [Standard of Organizations. Gasprom. 2-3.7-29—2005. Calculation of Ice Loads on Ice-resistant Fixed Platforms]. Moscow, 2005.

5. API RP 2N. Recommended Practice for Planning, Designing and Constructing Structures and Pipelines for Arctic Conditions. Amer. Petroleum Inst. Bulletin. Dallas, 1995.

6. CAN/CSA-S471—92. General Requirements, Design Criteria, Environment, Loads. National Standard of Canada, 2004.

7. Danish Standard 410. Code of Practice for Loads for the Design of Structures. 1998.

8. L. Fransson, L. Bergdahl. Recommendations for Design of Offshore Foundations Exposed to Ice Loads. Elforsk rapport 09:55. April 2009, 43 p.

9. Germanischer Lloyd. Oil and Gas GmbH: General Terms and Conditions. Hamburg, 2005.

10. ISO/CD 19906. Petroleum and Natural Gas Industries - Arctic Offshore Structures.

11. US Army Corps of Engineers. Engineering and Design-Ice Engineering. USACE Engineer Manual EM 1110-2-1612, 2006.

About the authors: Uvarova Tat'yana Erikovna — Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Department of Hydraulic Engineering, Theory of Buildings and Structures, School of Engineering, Far Eastern Federal University (DVFU), Office 407, 66 prospect Krasnogo Znameni, Vladivostok, 690014, Russian Federation; searay@yandex.ru; +7 (423) 245-16-18;

Pomnikov Egor Evgen'evich — postgraduate student, Department of Hydraulic Engineering, Theory of Buildings and Structures, School of Engineering, Far Eastern Federal University (DVFU), Office 407, 66 prospect Krasnogo Znameni, Vladivostok, 690014, Russian Federation; pomnikov.ee@e.dvfu.ru; +7 (423) 245-16-18.

Shamsutdinova Gyuzel' Radikovna — master student, Department of Hydraulic Engineering, Theory of Buildings and Structures, School of Engineering, Far Eastern Federal University (DVFU), Office 407, 66 prospect Krasnogo Znameni, Vladivostok, 690014, Russian Federation; quzeli_ka@mail. ru; +7 (423) 245-08-90;

Narkevich Anastasiya Sergeevna — master student, Department of Hydraulic Engineering, Theory of Buildings and Structures, School of Engineering, Far Eastern Federal University (DVFU), Office 407, 66 prospect Krasnogo Znameni, Vladivostok, 690014, Russian Federation; narkonasty13@mail.ru; +7 (423) 245-08-90;

Protsenko Viktoriya Vladimirovna — Assistant Lecturer, Department of Hydraulic Engineering, Theory of Buildings and Structures, School of Engineering, Far Eastern Federal University (DVFU), Office 407, 66 prospect Krasnogo Znameni, Vladivostok, 690014, Russian Federation; witchvik@mail. ru; +7 (423) 245-08-90.

For citation: Uvarova T.E., Pomnikov E.E., Shamsutdinova G.R., Narkevich A.S., Protsenko V.V. Normativnye metodiki rascheta global'noy ledovoy nagruzki [Normative Procedures of Global Ice Load Calculation]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2012, no. 10, pp. 122—127.