Сравнительный анализ глобальных ледовых нагрузок на конструкции инженерных сооружений Сахалинского шельфа

УДК 627.21

© О. А. Сабодаш, Е.К. Борисов, 2014

СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ГЛОБАЛЬНЫХ ЛЕДОВЫХ НАГРУЗОК НА КОНСТРУКЦИИ ИНЖЕНЕРНЫХ СООРУЖЕНИЙ САХАЛИНСКОГО ШЕЛЬФА

Постановка задачи вызвана тем, что на сегодняшний день не существует единого теоретического подхода к выбору нормативных значений параметров ледяного покрова и ледовых нагрузок. По мнению авторов, это обусловлено высокой степенью пространственно-временной изменчивостью и неоднородностью ледяного покрова в акваториях нефтегазовых месторождений, разнообразием свойств морского льда при взаимодействии с конструкциями, а также несовершенством принятых в нормах различных стран расчетных моделей ледовой нагрузки. Сравнительный анализ ледовых нагрузок от ровных ледяных полей и торосистых образований на различные типы конструкций ледостойких оснований гравитационного типа на примере шельфа Охотского моря по методикам и рекомендациям различных норм проектирования выявил необходимость дальнейшего совершенствования теоретических и экспериментальных исследований, включая разработку численных и нейросетевых моделей ледовых нагрузок.

Ключевые слова: ледовые нагрузки, Сахалинский шельф, ровные ледяные поля, торосы, ледяной покров, нормирование, анализ.

При проектировании ледостойких сооружений различают глобальные и локальные (местные) ледовые нагрузки [11]. Глобальная нагрузка представляет суммарную нагрузку на сооружение и определяет общую устойчивость и общую прочность конструкции. Глобальные нагрузки делятся на горизонтальные и вертикальные. Расчет сооружений на действие локального давления льда играет важную роль в обеспечении прочности отдельных элементов конструкции платформы, в частности, местной прочности внешней обшивки и элементов подкрепляющего набора конструкции.

Глобальные нагрузки состоят из постоянной и переменной частей. Глобальные нагрузки могут быть статическими и динамическими. Определение глобальных нагрузок является основой экстремальных и усталостных оценок.

При определении квазистатической глобальной ледовой нагрузки на опоры стационарных ледостойких сооружений рекомендуется рассматривать воздействия [5]:

— от ровных ледяных полей;

— от дрейфующих торосов и айсбергов, а также ледяных островов;

— от наслоенного льда.

Проблема нормирования ледовых нагрузок на сооружения возникла в 60-е годы XX века в связи с исследованиями взаимодействия речного льда с различными гидротехническими сооружениями, а также проектированием маяков в Ботническом заливе. В связи с этим были разработаны нормы проектирования таких сооружений, в которых более обоснованно оценивались многие факторы, влияющие на ледовые нагрузки при взаимодействии льда с сооружениями. В основу расчета шельфовой конструкции была изначально заложена концепция предельных состояний, которая используется и по настоящее время практически во всех нормах.

Существующие нормативные документы США [4] и Канады [6], а также некоторых других стран [9], основываются на опыте проектирования и эксплуатации стационарных платформ для климатических условий залива Кука, моря Бофорта, Ботнического и Бохайского заливов, где применялись платформы свайного типа и гравитационные конструкции [11]. Российские стандарты [1-3] также не учитывают в полной мере специфику ледовых условий арктического шельфа, в частности при оценках ледовых нагрузок от торосов, локального, динамического и истирающего воздействия льда.

В мировой практике на сегодняшний день не существует единого подхода к выбору нормативных значений параметров ледяного покрова и ледовых нагрузок. Некоторые исследователи предлагают в качестве расчетных принимать максимально возможные из имеющегося ряда наблюдений значения. Другие рекомендуют вводить в расчет наиболее вероятные значения. При проектировании конструкций для морских условий в настоящее время чаще всего используются вероятностно-статистические методы определения расчетных параметров ледяного покрова и нагрузок [11].

Большие расхождения в значениях расчетных ледовых нагрузок, определенных по существующим методикам различными исследователями [5, 7, 8, 10, 12, 13], обусловлены высокой степенью пространственно-временной изменчивостью и неоднородностью ледяного покрова, разнообразием свойств морского льда при взаимодействии с конструкциями, а также несовершенством принятых в нормах расчетных моделей ледовой нагрузки. Тем не менее, в последнее десятилетие отмечается значительный прогресс в совершенствовании расчетных методик оценки параметров ледового режима и ледовых нагрузок, действующих на сооружение [8].

Решение этой проблемы требует постановки широкого комплекса экспериментальных исследований ледового режима с целью определения наиболее вероятного диапазона и характера изменчивости функциональных параметров, обуславливающих величину и характер нагрузок в течение ледового периода, а так же особенностей состояния системы «лед-сооружение» в конкретном физико-географическом районе.

Ледовый режим северо-восточного шельфа Сахалина является одним из самых тяжелых в южной части Охотского моря. В суровые зимы максимальные величины толщины льда достигают 90-160 см, максимальные значения скорости дрейфа льда достигают 74-110 см/с, при этом особенностью дрейфа льда является его реверсивный характер вблизи берегов и в районе морских месторождений [5].

Акватории в районах месторождений характеризуются постоянной деформацией ледяного покрова, сопровождающейся торосообразованием и разрушением ледяных полей. Высота паруса торосов в отдельных районах достигает 1,5^3,0 м, ширина киля составляет порядка 60м, а максимальная глубина киля тороса находится в диапазоне 20^25 м.

Анализ ледовой обстановки на шельфе о. Сахалин показывает, что наиболее опасными с точки зрения уровня ледовых нагрузок являются [5]:

• ровные ледяные поля;

• наслоенный лед;

• однолетние торосы;

• всплывшие стамухи и обломки стамух.

При определении глобальной ледовой нагрузки на одиночные вертикальные опоры шельфовых сооружений Охотского моря рассматриваются сценарии воздействия ровных ледяных полей и торосов по рекомендациям различных нормативных методик, а также вероятностной модели, приведенной в работе [5]. Для анализа были взяты нормы проектирования Российской Федерации [1-3], Канады [6], США [4] и Международный стандарт [9].

Расчет ледовых нагрузок от ровных ледяных полей

Ледовые нагрузки на платформу «Моликпак»

Платформа «Моликпак» (ПА-А), установленная на месторождении Пильтун-Астохское в 1998 г., представляет собой модернизированную буровую платформу ледового класса со следующими характеристиками: размеры основания 111 м x 111 м; масса 37523 т; глубина воды у сооружения 30 м.

Статистические характеристики изменчивости различных параметров ледяного покрова для различных месторождений были взяты на основании многолетних рядов наблюдений, полученных различными исследователями за период 80-х-90-х годов на шельфе Охотского моря. Моделирование расчетных параметров ледового режима осуществлялось методом Монте-Карло на основе имеющихся долговременных вероятностных распределений.

В табл. 1 представлены сопоставительные вычисления значений ледовых нагрузок на платформу «Моликпак» от ровных ледяных полей, выполненные по различным нормативным документам и методикам.

На рис. 1 представлена диаграмма максимальных значений ледовых нагрузок от ровных ледяных полей, выполненных по различным методикам и исследованиям. На этом же рисунке нанесены результаты натурных наблюдений за давлением ровного льда на платформу «Моликпак», а также проектные значения ледовой нагрузки для этой платформы.

Ледовые нагрузки на платформу «Беркут»

Ледостойкая стационарная платформа «Беркут» для Аркутун-Дагинского месторождения (проект «Сахалин-1») представляет собой железобетонное четырехопорное основание гравитационного типа (ЖОГТ), установленное в 2012 году на месторождении на глубине 33,6 м и рассчитанное на плановый срок службы 40 лет.

Таблица 1

Результаты расчета нагрузок от ровных ледяных полей на платформу «Моликпак»

Характеристика Нормы

СНиП [31 ВСН [11 АР1 [41 С8А [61 КО [91 Регистр [21

Минимальное 20,003 0,003 0,002 0,002 99,629 337,301

значение ряда

Максимальное 444,198 1228,824 439,977 292,493 267,273 549,634

значение ряда

Среднее значе- 73,252 264,916 205,540 126,757 165,204 508,799

ние ряда

Стандартное 56,953 185,758 106,853 81,342 61,872 21,330

отклонение

Рис. 1. Диаграмма максимальных значений ледовых нагрузок (МН) на платформу «Моликпак» по различным нормам и методикам

1228.82

В табл. 2 представлены сопоставительные вычисления значений ледовых нагрузок на многоопорное сооружение (платформа Аркутун-Даги) от ровных ледяных полей, выполненные по различным методикам. На рис. 2 представлена диаграмма максимальных значений ледовых нагрузок от ровных ледяных полей по различным нормативным расчетам. На этом же рисунке нанесены проектные значения нагрузки для платформы.

Таблица 2

Результаты расчета нагрузок от ровных ледяных полей на платформу «Беркут»

Характеристика Нормы

СНиП [31 ВСН [11 АР1 [41 С8А [61 КО [91

Минимальное значе- 0,010 0,014 8,802 2,311 10,690

ние ряда

Максимальное значе- 394,714 833,250 303,450 215,202 121,019

ние ряда

Среднее значение ряда 4,850 108,702 84,026 42,112 42,721

Стандартное отклоне- 15,450 119,994 78,288 52,879 28,993

ние

Рис. 2. Диаграмма максимальных значений нагрузки (МН) на платформу «Беркут»» по различным нормам и методикам.

Анализ результатов расчетов

Сопоставительные расчеты показывают, что имеется значительный разброс между величинами нагрузок, рассчитанных по различным методам. Так, отношение между максимальными значениями нагрузок по различным нормативным документам для

ровного льда составило приблизительно 4,6 раза для широкого сооружения и 7,0 раз для многоопорного сооружения. Расхождение между максимальными и проектными значениями ледовой нагрузки составило приблизительно 100% для широкого сооружения и 130% — для многоопорного сооружения. В целом необходимо отметить, что глобальные ледовые нагрузки от ровных ледяных полей, определенные по нормам СНиП [2], ВСН [1] и Морского Регистра [2] во всех случаях превышают значения нагрузок, определенных по нормам API [4], CSA [6] и ISO [9].

Первая причина расхождения результатов в разнообразных методиках - это различный подход к оценке основных факторов, влияющих на величину ледовой нагрузки. Другой причиной, объясняющей разброс, является принятая математическая модель, или метод оценки нагрузки, который зависит в основном от типа ледяного образования и сценария взаимодействия льда с конструкцией.

В рекомендациях СНиП [2], ВСН [1] Морского Регистра [2] рассматривается воздействие на сооружение двух типов ледяных образований: ровных ледяных полей и торосов. Влияние основных параметров учитывается в расчетных зависимостях по определению ледовой нагрузки как непосредственным путем, так и косвенно системой коэффициентов, таких как коэффициент формы опоры, коэффициент смятия, учитывающий пространственное напряженное состояние ледяного поля, коэффициент скорости.

Необходимо отметить, что между этими нормами существует значительное отличие при назначении величин каждого этих коэффициентов. Например, коэффициент смятия в ВСН [1] превышает значения такого же коэффициента в СНиП [2] в 1,5^2,0 раза. С учетом вышеуказанных факторов ледовые нагрузки на широкое и многоопорное сооружения с вертикальными гранями по ВСН [1] значительно превосходят значения по всем другим нормам.

В Морском Регистре [2], в отличие от других документов, впервые производится учет пространственно-временной изменчивости толщины льда путем введения коэффициента масштаба распределения толщины, однако все остальные коэффициенты существенно не отличаются по значениям от рекомендаций СНиП [3]. В связи с этим анализ величин ледовых нагрузок, рас-

считанных по этим нормам, показывает незначительное расхождение со значениями, полученными по СНиП [3].

В некоторых нормативных источниках апробирована практика введения в расчетные зависимости для определения ледовой нагрузки данных натурных исследований давления льда на реальные сооружения. Так, в нормах API [4] приведена эмпирическая зависимость для определения ледовой нагрузки на широкое сооружение, в которой давление льда рассчитывается c использованием данных натурных исследований реальных сооружений в зависимости от площади контакта льда и сооружения. Тем не менее, результаты расчета ледовой нагрузки по API [4] как на широкое сооружение, так и на многоопорное, имеют неплохое согласование с рекомендациями СНиП [3].

В нормах CSA [6] при оценке глобальной ледовой нагрузки на вертикальную опору сооружения также принята система коэффициентов, как и в российских нормах. Однако эти коэффициенты, кроме учета влияния толщины льда и параметра D/h на величину ледовой нагрузки, назначаются еще и в зависимости от степени суровости ледовых условий по географическим зонам распространения льда. Как результат, ледовые нагрузки по CSA имеют наиболее низкие значения по сравнению со всеми остальными методиками и рекомендациями. Методика расчета ледовых нагрузок по рекомендациям ISO [9] очень близка к нормам CSA [6], в связи с чем получились практические одинаковые значения нагрузок по этим двум документам.

Отдельно необходимо отметить расчет ледовых нагрузок от ровных ледяных полей по вероятностной модели Bekker A. и др. [5]. Отличие в результатах расчета ледовых нагрузок на «Молик-пак» связано с более детальным учетом изменчивости ледового режима путем имитационного моделирования всех возможных расчетных ситуаций по оригинальной методике авторов статьи, хотя при этом методика детерминистического расчета ледовых нагрузок на «Моликпак» основывалась на рекомендациях СНиП [3].

В целом ледовые нагрузки от ровных ледяных полей на широкое сооружение типа «Моликпак», рассчитанные по СНиП [3], API [4], Морскому Регистру [2] по своим значениям имеют незначительные расхождения между собой и проектными данными. Нагрузки, рассчитанные по нормам CSA [6] и ISO [9], имеют не-

сколько заниженное значение, что объясняется наличием большого количества коэффициентов, полученных эмпирическим путем, которые могут не охватывать особенности ледового режима Охотского моря.

Особенности взаимодействия ледяного покрова с многоопорными сооружениями заключаются в характере разрушения льда и напряженно-деформированного состояния ледяного покрова. На величину ледовых нагрузок на каждую опору и в целом на сооружение оказывает влияние количество опор, взаимное расположение и геометрия опор, расстояние между опорами, ориентация направления движения ледяного поля относительно фронта сооружения и некоторые другие факторы [11].

В некоторых нормах, таких как ВСН [1]; СНиП [3], суммарная ледовая нагрузка на конструкцию зависит от количества опор и их взаимного влияния, пространственной неоднородности льда и направления его движения, а также неполноты соприкасания между льдом и одной опорой. Вышеперечисленные факторы учитываются в расчетной зависимости по определению ледовой нагрузки системой коэффициентов, при этом имеется существенное отличие в значениях этих коэффициентов по СНиП [3] и ВСН [1], что и обусловливает большую разницу в величине ледовой нагрузки по этим нормам.

Согласно нормам ISO [9], расчетное значение горизонтальной ледовой нагрузки на многоопорную конструкцию, также как и в вышеперечисленных нормах, зависит от количества опор и их взаимного влияния в сооружении. Однако в этом нормативном документе путем введения понижающих коэффициентов рассматривается два важных фактора: неодновременное достижение пиковых нагрузок на различных колоннах и забивание льдом пространства между опорами на максимальную ширину преграды, создаваемой опорами. В связи с этим глобальные нагрузки на сооружение, определенные по ISO [9], имеют наиболее низкие значения по сравнению со всеми другими нормами. В целом необходимо отметить, что неодновременное достижение пиковых нагрузок на различных колоннах совершенно не учитывается большинством норм, кроме ISO [9].

Нормами API [4] при проектировании многоопорных сооружений рекомендуется назначить достаточное расстояние между

опорами в предположении их независимой работы. В нормативном документе API [4] отмечается, что для учета фактора взаимовлияния опор требуются дополнительные экспериментальные исследования и натурные наблюдения на существующих платформах. Поэтому рекомендуется нагрузки от ровного ледяного покрова определять как на отдельно стоящую опору в соответствии с принятыми в этих нормах методиками.

Анализ результатов расчетов показывает, что ледовые нагрузки по API [4] близки по своим значениям к расчетам по СНиП [3] и глобальной проектной нагрузке, рассчитанной для этого сооружения в предположении забивки льдом пространства между колоннами.

В нормах CSA [6] нет указаний по расчету ледовой нагрузки от ровных ледяных полей на многоопорное сооружение, вследствие чего в главе получены значения ледовых нагрузок на каждую опору по методике, принятой в CSA [6] для одиночного сооружения с вертикальной гранью. Как видно из рис. 2, результаты расчетов неплохо согласуются со значениями проектной ледовой нагрузки на отдельную колонну ледостойкой платформы «Беркут» [5].

Расчет ледовой нагрузки от торосистых образований Ледовая нагрузка на платформу «Моликпак» В табл. 3 представлены сопоставительные вычисления значений ледовых нагрузок на широкое сооружение от торосистых образований, выполненных по различным методикам. На рис. 3 приведена диаграмма максимальных значений ледовых нагрузок от торосистых образований по различным нормативным расчетам, и модели Bekker A. и др. [5]. На этом же рисунке нанесены результаты данных натурных наблюдений давления торосистого льда на платформу «Моликпак», а также проектные значения нагрузки для этой платформы.

Ледовые нагрузки на платформу «Беркут» Расчет ледовых нагрузок от торосов выполнен по рекомендациям Морского Регистра [2], СНиП [3] и ВСН [1], остальные нормативные документы не содержат методик определения нагрузок от торосистых образований на многоопорные сооружения. Максимальное значение ледовой нагрузки от торосов составило: по Морскому Регистру [2] - 210 МН; по ВСН [1] - 1670 МН; по СНиП [3] - 790 МН.

Таблица 3

Результаты расчета нагрузок от торосов на платформу «Моликпак»

Характе- Нормы

ристика СНиП [3] ВСН [1] АР1 [4] С8А [6] КО [9] Регистр [2]

Минимальное 40,00 0,004 0,060 — 31,656 425,674

значение ряда

Максималь- 888,397 1843,236 46,275 — 681,024 1252,129

ное значение

ряда

Среднее зна- 146,503 397,375 7,552 — 286,975 758,269

чение ряда

Стандартное 113,906 278,637 6,108 — 139,214 211,217

отклонение

Рис. 3. Диаграмма максимальные значений нагрузки (МН) на платформу «Моликпак» по различным нормам и методикам.

Анализ результатов расчетов

Сопоставительные расчеты показывают, что имеется значительная разница между результатами нагрузок, рассчитанных по различным методам (рис. 3). Так, отношение между максимальными значениями нагрузок по различным нормативным документам для торосистого льда составило приблизительно 15 для

широкого сооружения. При этом ледовые нагрузки по API [4], которые имеют наиболее низкие значения, не учитывались в сравнении, так как по этим нормам необходимо проведение дополнительных исследований. По многоопорным сооружениям выполнить подобное сравнение вообще проблематично в связи с отсутствием в большинстве норм каких-либо рекомендаций по расчету ледовой нагрузки от торосов.

Большое расхождение в значениях ледовых нагрузок от торосов связано с особенностями этих ледяных образований и различными подходами в методологии оценки ледовых нагрузок от торосистых образований, принятых в различных нормах проектирования.

В нормах API [4] и ISO [9] нагрузка от торосов на вертикальную преграду представляется в виде независимых слагаемых - нагрузок от консолидированной части как от ледяной плиты, подводной части (киля) и надводной части тороса (паруса) как сыпуче-связанной среды Мора-Кулона. При этом в нормах ISO [9] нагрузкой от паруса тороса пренебрегается ввиду ее несущественного влияния на максимальное глобальное значение нагрузки.

Такой подход в настоящее время достаточно обоснован и подтверждается наблюдениями за воздействием торосистых образований на реальные сооружения, а также крупномасштабными экспериментами в ледовых бассейнах. Однако при оценке сопротивления подводной части в нормах API [4], в отличие от норм ISO [9], не учитывается как трехмерный характер взаимодействия, так и дополнительное нагромождение обломков перед опорой в процессе взаимодействия, что существенно занижает расчетную нагрузку от киля тороса, и как следствие, общую нагрузку на сооружение (рис. 3).

Для расчета нагрузок от консолидированной части тороса многими нормативными документами рекомендуется использовать методики, разработанные ими для ровного льда. Поскольку в большинстве норм принято, что основная часть ледовой нагрузки определяется разрушением у сооружения консолидированного слоя тороса, следует предположить, что причины большого разброса в результатах расчетов аналогичны указанным для случая ровного льда.

В нормативных документах СНиП [3]; ВСН [1] и Морского Регистра [2] учет торосистости льда производится умножением значений нагрузок от ровного льда на коэффициент торосистости, зависящий от географического района расположения акватории. Анализ результатов расчета (рис. 3) показывает, что значения ледовых нагрузок по этим нормам с использованием коэффициента торосистости значительно увеличивает нагрузку на сооружение по сравнению со всеми другими нормативными методиками.

В целом анализ результатов расчетов ледовых нагрузок от торосов на различные типы конструкций ледостойких оснований показывает, что для уточнения и совершенствования нормативных методик необходимо дальнейшее всестороннее изучение морфометрических характеристик торосистых образований, прочностных свойств их элементов и механизма их воздействия на сооружение в реальных условиях акваторий обустройства месторождений.

Краткое обсуждение результатов расчета ледовых нагрузок от ровных ледяных полей и от торосов на конструкции широких и многоопорных сооружений приведено в табл. 4 и 5.

Выводы

Сопоставительные расчеты ледовых нагрузок от ровных ледяных полей и от торосов на различные конструкции шельфовых сооружений для условий Сахалина по методикам и рекомендациям различных действующих нормативных документов, натурным и проектным данным показывают широкий диапазон изменения ледовой нагрузки. Этот разброс вызван существующим на сегодняшний день различным подходом к оценке основных факторов, влияющих на величину ледовой нагрузки, а также различными моделями оценки нагрузки.

Сопоставительный анализ расчетов показывает, что по нормативным документам СНиП [3]; ВСН [1] и Морского Регистра [2], а также вероятностной модели Беккег А. и др. [12,13] ледовые нагрузки были значительно выше величин, полученных по всем остальным методикам. Тем не менее, применение расчетных зависимостей по определению ледовой нагрузки в этих нормах является более обоснованным для специфических тяжелых ледовых условий Охотского моря.

2 Таблица 4

Обсуждение теоретических результатов расчета нагрузок от ровных ледяных полей

Нормы Комментарии

СНиП [3], ВСН[1], Морской Регистр [2] ОБЩАЯ ТЕНДЕНЦИЯ РАСЧЕТА НАГРУЗОК В ДАННОЙ ГРУППЕ НОРМ: В целом нагрузки в этой группе имеют неплохое согласование по значениям (кроме ВСН), что объясняется идентичным подходом к методике расчета нагрузок на основе различных коэффициентов. РАЗЛИЧИЯ В НАГРУЗКАХ МЕЖДУ НОРМАМИ: Основное различие связано с величиной коэффициента внедрения kb. Значения этого коэффициента в СНиПе и Морском Регистре получены на основе представительных данных многолетних натурных исследований целого ряда авторов в различных акваториях и более обоснованы. Нагрузки по ВСН сильно завышены в связи с необоснованно большими значениями коэффициента внедрения kb, рекомендуемого этими нормами. Согласно ВСН, это предельно возможное значение нагрузки из всех имеющихся рекомендаций для широкого и многоопорного сооружений. В Морском регистре отсутствуют рекомендации по расчету ледовой нагрузки от ровных ледяных полей на многоопорное сооружение.

API [4], CSA [6], ISO [9] ОБЩАЯ ТЕНДЕНЦИЯ РАСЧЕТА НАГРУЗОК В ДАННОЙ ГРУППЕ НОРМ: В целом нагрузки в этой группе имеют неплохое согласование по значениям. Эти нормы рекомендуют более реалистические нагрузки от ровных ледяных полей, чем в предыдущей группе норм. Это связано с тем, что в расчетных зависимостях учитываются фактические данные натурных измерений давления льда на существующих сооружениях. ОБЩИЕ НЕДОСТАТКИ ПОДХОДА В ДАННОЙ ГРУППЕ НОРМ: Эмпирические коэффициенты, зависящие от типа сооружения и W/h, назначены по зонам в зависимости от суровости ледовых условий моря Боффорта. Непосредственное применение этих коэффициентов без учета специфики ледовых условий Охотского моря может привести к заниженным оценкам нагрузки в этом регионе.

API [4], CSA [6], ISO [9] РАЗЛИЧИЯ В НАГРУЗКАХ МЕЖДУ НОРМАМИ: Нагрузки по ISO и CSA имеют более низкие значения для двух типов сооружений, чем по API, что объясняется более детальным учетом различных факторов путем эмпирических коэффициентов. нагрузки по API рассчитаны на основе натурных данных по давлению льда, без учета коэффициентов, что приводит к более реалистичным результатам.

Натурные данные [13] Небольшие значения нагрузок связаны, скорее всего, с очень малым (по сравнению со сроком службы сооружения) промежутком времени реальных измерений давления льда на корпус платформы «Молик-пак» [13]. Для многоопорных сооружений подобные исследования вообще никогда не проводились в данном регионе Сахалинского шельфа.

ВЫВОД: В целом, несмотря на разницу в теоретических подходах, отличие между этими двумя группами норм по значениям нагрузок несущественное: для широкого сооружения 100%, для многоопорного сооружения 130%.

Таблица 5

Обсуждение теоретических результатов расчета ледовыгх нагрузок от торосистыгх образований

Нормы Комментарии

СНиП [3], ВСН[1], Морской Регистр [2] ОБЩАЯ ТЕНДЕНЦИЯ РАСЧЕТА НАГРУЗОК ОТ ТОРОСОВ В ДАННОЙ ГРУППЕ НОРМ: Во всех нормах есть рекомендации по расчету нагрузок от торосов на широкие и многоопорные сооружения. В целом в этой группе значения нагрузок существенно завышены, что объясняется объективными недостатками метода расчета на основе коэффициента торосистости, на который умножается нагрузка от ровного ледяного поля. ОБЩИЕ НЕДОСТАТКИ ПОДХОДА В ДАННОЙ ГРУППЕ НОРМ: значения коэффициента торосистости в зависимости от географического расположения моря недостаточно обоснованы; при расчете нагрузки не учитываются особенности строения торосистых образований, различие в свойствах их составных частей и специфики процесса разрушения каждой части в отдельности.

2 Окончание табл. 5

к>

Нормы Комментарии

РАЗЛИЧИЯ В НАГРУЗКАХ МЕЖДУ НОРМАМИ: Нагрузки по ВСН завышены в связи с общей тенденцией завышения нагрузки от ровного льда по этим нормам. Нагрузки на многоопорное сооружение по Морскому Регистру более реалистичны в этой группе норм, т. к. в расчетной зависимости учитывается толщина наслоенного льда.

API [4], CSA [6], ISO [9] ОБЩАЯ ТЕНДЕНЦИЯ РАСЧЕТА НАГРУЗОК ОТ ТОРОСОВ В ДАННОЙ ГРУППЕ НОРМ: более реалистические нагрузки от торосов, т.к. в расчетных зависимостях учитываются геометрические и физико-механические параметры торосистых образований. ОБЩИЕ НЕДОСТАТКИ ПОДХОДА В ДАННОЙ ГРУППЕ НОРМ: Нет рекомендаций по расчету нагрузок от торосов на многоопорные сооружения; В CSA отсутствуют конкретные рекомендации по расчету ледовых нагрузок от торосов на широкие сооружения, при этом предлагается использовать численные модели ряда авторов. РАЗЛИЧИЯ В НАГРУЗКАХ МЕЖДУ НОРМАМИ: в API киль тороса рассматривается вместе с консолидированной частью как единое целое, при этом принята модель разрушения подводной части тороса как сыпуче-связанной среды Кулона-Мора. Такой подход не соответствует физическим свойствам и механике разрушения консолидированного слоя, что приводит к необоснованно низким значениям нагрузки;

API [4], CSA [6], ISO [9] В ISO нагрузкой от паруса пренебрегается, однако нагрузки от киля тороса и консолидированной части рассмотрены по отдельности, в соответствии с существующими объективными различиями в свойствах этих частей. Поэтому нагрузки по ISO можно

считать более реалистичными, чем по всем другим нормам. Дальнейшее накопление статистических данных по свойствам торосистого льда позволит более точно назначать нагрузку по этим нормам.

Модель Bekker A. и др. [5] В имитационной модели общая нагрузка от тороса рассматривается как сумма всех трех составных частей с различными свойствами, при этом учитываются специфические особенности механики разрушения каждой из этих частей. Поэтому нагрузки от торосов по модели авторов находятся в более реалистичном диапазоне, близко к ISO [9].

Натурные данные [13] Небольшие значения нагрузок от торосистого льда связаны, скорее всего, с очень малым (по сравнению с сроком службы сооружения) промежутком времени реальных измерений давления льда на корпус платформы «Моликпак» [13]. Для многоопорных сооружений подобные исследования вообще никогда не проводились в данном регионе.

ВЫВОД: Сравнительный анализ показал, что существует значительная разница между результатами расчета ледовых нагрузок от торосов, вычисленных по различным нормам: для широкого сооружения приблизительно 1300%, для многоопорного сооружения 300%. Половина норм не имеет рекомендаций по расчету нагрузок от торосов на многоопорные сооружения.

к»

Воздействия торосистых ледяных образований на морские гидротехнические сооружения шельфа представляют наибольшую опасность. В целом необходимо отметить, что ледовые нагрузки от торосов имеют небольшое расхождение по различным нормам, кроме рекомендаций API [4]. Это объясняется введением в некоторые нормы недостаточно обоснованных значений коэффициента торосистости, что приводит к завышению нагрузки по сравнению с проектными данными по платформам и реально измеренному ледовым давлению.

Сопоставление ледовых нагрузок на многоопорные сооружения свидетельствует, что значения нагрузок, определенные по рекомендациям СНиП [3]; ВСН [1] и Морского Регистра [2], оказываются значительно выше по сравнению с нагрузками по всем другим методикам.

Анализ действующих нормативных документов по определению ледовых нагрузок на сооружения в целом показал, что все существующие методики требуют серьезного совершенствования, при этом необходимо проведение дальнейших экспериментальных, теоретических исследований и натурных измерений на построенных ледостой-ких сооружениях шельфа.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. ВСН 41.88. Проектирование ледостойких стационарных платформ. — М.: ВНИПИморнефтегаз Миннефтепрома СССР, 1988.

2. Правила классификации, постройки и оборудования плавучих буровых установок (ПБУ) и морских стационарных платформ (МСП). - СПб: Изд-во Морского Регистра, 2008.

3. СНиП 2.06.04-82*. Нагрузки и воздействия на гидротехнические сооружения (волновые, ледовые и от судов). — М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1989.

4. API RP 2N. Recommended Practice for Planning, Designing and Constructing Structures and pipelines for Arctic Conditions. Second Edition, December 1, 1995. American Petroleum Institute, Washington, DC 20005.

5. Bekker A., Sabodash O., andKochev A. Analysis of Ice Loads on Offshore Structures for Okhotsk Sea Oil&Gas Fields // Proc. 30th Int. Conf. on Ocean, Offshore and Arctic Engineering (0MAE-2011), Rotterdam, 2011, Vol.I, pp.439-448.

6. CAN/CSA S471-04. General Requirements, Design Criteria, the Environment and Loads. Published as a National Standard of Canada in 2004 by the Canadian Standards Association, 5060 Spectrum Way, Suite 100, Mississauga, Ontario, Canada L4W 5N6.

7. Comparison of International Codes for Ice Loads on Offshore Structures. PERD/CHC Report 11-20. Project 142211. Sandwell Engineering Inc., Vancouver, Canada 1998.

8. Frederking, R. Review of Standards for Ice Forces on Port Structures Cold Regions Engineering 2012: Sustainable Infrastructure Development in a Changing Cold Environment © ASCE 2012, pp 725-734.

9. ISO/FDIS 19906:2010(E). Petroleum and Natural Gas Industries - Arctic Offshore Structures. Final Draft. International Organisation for Standardization, ISO TC 67/SC 7, 2010.

10. Maattanen, M., and Lilja, V. Comparison of Existing Ice Load Design Recommendations. EU-Project STANDICE, Report No. TREN/04/FP6EN/ S07.31041/503721, 2005.

11. Palmer, A., and Croasdale, K. Arctic Offshore Engineering. Published by World Scientific Publishing Co. Pte. Ltd? 2012.

12. Shkhinek K., Blanchet D., Croasdale K., Matskevitch D., andBhat B.U. Comparison of the Russian and Foreign Codes and Methods for Global Load Estimations // Proc. 13th Int. Conf. on Ocean, Offshore and Arctic Engineering (OMAE-1994), 1994, Vol. 4, pp. 75 — 82.

13. Timco, G., and Croasdale, K. How Well Can We Predict Ice Loads? // Proc. 18th Int. Symp. on Ice, IAHR'06, Sapporo, 2006, Vol. 1, pp.167-174.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Сабодаш Ольга Алексеевна - ккндидат технических наук, доцент, доцент кафедры гидротехники, теории зданий и сооружений Инженерной школы ДВФУ, olga_sab67@mail.ru

Борисов Евгений Константинович - доктор технических наук, профессор, профессор кафедры механики и математического моделирования Инженерной школы ДВФУ, e-mail: ekborisov@rambler.ru

UDC 627.21

COMPARATIVE ANALYSIS OF THE GLOBAL ICE LOADS ON STRUCTURES ENGINEERING STRUCTURES OF THE SAKHALIN SHELF

Sabodash O.A., PhD, associate professor of Offshore and Structural Mechanics Department of the School of Engineering of FEFU, e-mail: olga_sab67@mail.ru, Russia,

Borisov E.K., Doc., professor, Mechanic and mathematic modeling department, Engineering school, FEFU, e-mail: ekborisov@rambler.ru, Russia.

The author made a comparative analysis of global ice loads on wide structure and multi-legged structure in the ice conditions of the Sea of Okhotsk according to the procedures and guidelines from different Codes. The comparative analysis shows that there is a significant difference between ice loads calculated under different methods. Analysis of the existing standards in part of calculation of ice loads on structures showed, as a whole, that the procedures and techniques require a serious improvement, and it is necessary to carry out further experimental and theoretical investigations including full-scale measurements on the existing offshore structures.

Key words: ice loads, Sakhalin offshore, level ice fields, hummocks, design codes, analysis.

REFERENCES

1. VSN 41.88. Proektirovanie ledostojkih stacionarnyh platform. Moscow: VNIPI-morneftegaz Minnefteproma SSSR, 1988.

2. Pravila klassifikacii, postrojki i oborudovanija plavuchih burovyh ustanovok (PBU) i morskih stacionarnyh platform (MSP). SPb: Izd-vo Morskogo Registra, 2008.

3. SNiP 2.06.04-82*. Nagruzki i vozdejstvija na gidrotehnicheskie sooruzhenija (vol-novye, ledovye i ot sudov). Moscow: CITP Gosstroja SSSR, 1989.