автореферат диссертации по строительству, 05.23.17, диссертация на тему:Методика определения количества циклов и режима нагружения сооружения дрейфующим ледяным покровом

99

5

/

о

гС

п

О

/V к,-'

Дальневосточный государственный технический университет

На правах рукописи УДК 627.88:551.32

УВАРОВА

Татьяна Эриковна

МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЛИЧЕСТВА ЦИКЛОВ И РЕЖИМА НАГРУЖЕНИЯ СООРУЖЕНИЯ ДРЕЙФУЮЩИМ ЛЕДЯНЫМ

ПОКРОВОМ.

Специальность 05.23.17 Строительная механика

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор

Александр Тевьевич Беккер

Владивосток 1999

СОДЕРЖАНИЕ

("'тг

ВВЕДЕНИЕ................................................................... 4

ВОЗДЕЙСТВИЕ ЛЕДЯНОГО ПОКРОВА НА ИНЖЕНЕРНЫЕ СООРУЖЕНИЯ КОНТИНЕНТАЛЬНОГО ШЕЛЬФА

1.1. Проектирование морских гидротехнических сооружений на усталость...................................................................... 11

111 ТГ лнг>ттлгттдт?нтл^ гЬгупа/гъ.т пр rrr»ptr»mirmv гтл nnaxpvmmtrgcfmy

А.*. Л. * » W 1 Д W ■ ' ' * li Ul'l W / V' i_< - ■ ■ ■ > ■ * ж W * *—' * X л Ж. • , V • 1 . » ■ I I Л '^-W'VJI.V

г^пглтгл-римтд рпнтинритат.нлгл тттр>пт.гЬя 1 1

vu v/^ J /llV^Jll АЛЛ AWA^AlXll VX1 X VW ЖЛ/iA VA V/ J-X-l Vi/^i^^/V«........................................A *

1.1.2. Надежность инженерных сооружений и оценка усталостной прочности материала конструкции................................. 15

1.2. Описание ледового режима морских акваторий...................... 22

1.2.1. Модели ледового режима........................................... 23

1.2.2. Учет размеров льдин в моделях ледяного покрова............ 27

1.3. Методы описания воздействий ледяного покрова на

сооружения шельсЬа......................................................... 33

1.3.1. Модели ледовой нагрузки.......................................... 33

1.3.2. Модели разрушения ледяных полей опооой с о опу же н и я 40

1 A rmrottm si -»■•'• ^ ^ ............................................................................... *

2. И МИТ АТТИОЧЧ А Я МОДЕЛЬ ФОРМИРОВ АНИЯ РЕЖИМА

НАГРУЖЕНИЯ СООРУЖЕНИЯ ЛЕДЯНЫМ ПОКРОВОМ 2.1. Постановка задачи 54

• j—J • J. &J 1Г Ор И' i 11 J) 01 р IVi М i)I р 3 СЧ v i. м

функционирования системы

ттрттаргяя ггпитя — пгтпля гргипптрунииег.глго cn^nviirefrwir 74

1 д. лл л. v4~r * iav д.«х л V«- v/жж v/jj t-л. д. х V/i хххх & i w x v V w j /xi Wi £ Л-J X ............ / w-

2.3. Выводы 78

q ТЛГГ ТТТГ TT/^iO Л ГТГЛТС ТПГТРВД /ГТ;ГЦТ/ГТ>0"С> л ххцг^т* л лг\ ттс ттт*

МЕХАНИЧЕСКОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЛЬДА С ОПОРОЙ МЛП

3.1. План эксперимента.......................................................... 79

расчетов и их анализ........................................ 82

3.3. Выводы........................................................................ 85

4. ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ РЕЖИМА НАГРУЖЕНИЯ СООРУЖЕНИЯ ЛЕДЯНЫМ ПОКРОВОМ

4.1. Характеристика ледового режима северо-восточного шельфа о.

Г1 ятя пин 86

4.2. Исследование вероятностной модели формирования ледовой нагрз'зки................................................................................................................................................90

4.2.1. Исходные данные........................................................................................................90

4.2.2. Анализ результатов исследований..............................................................94

4.3. Практическое применения результатов расчета (расчет конструкции на усталостную прочность)........................................96

4.3.1. Определение предела выносливости материала

конструкции....................................................................................................................................97

4.3.2. Определение геометрических характеристик сечения

МЛП........................................................................................................................................................99

4.3.3. Схематизация экс п л у &тсщи онн о й нагруженности сооружения......................................................................................................................................99

А 1 А "Ч^отяппгтнгяа ттпттнпгтт, тггтстп\,'т<и1ли 101

■ • W < I ч V- V i. Uv JLV V А. X Л. ij^ AAA W * А/ AW AAV A XVJJ^i г 11 , ............. .............. A V A

4.3.5. Расчет фикции распределения ресурса конструкции..............104

4.3.6. Расчет и обеспечение надежности по к^итесию

1" " ' * 1 ' *v' ** * * I* *v*

усталостного юазо'^шения ..... 109

4.4. Выводы................................................................................................................................................109

ЗАКЛЮЧЕНИЕ............................................................................................................................111

ЛИТЕРАТУРА..............................................................................................................................113

ПРИЛОЖЕНИЕ 1....................................................................................................................121

ПРИЛОЖЕНИЕ 2....................................................................................................................133

ПРИЛОЖЕНИЕ 3....................................................................................................................140

ПРИЛОЖЕНИЕ 4....................................................................................................................156

ВВЕДЕНИЕ.

Постепенное истощение запасов нефти и газа в районах их традиционной добычи обуславливает необходимость удовлетворения энергетических запасов страны за счет разработки нефтегазовых месторождений на континентальном шельфе, свыше 70% которого являются перспективными для освоения. По данным геологоразведочных работ 85% общего нефтегазового потенциала российского шельфа принадлежит кедрам арктических морей и 14% дальневосточных. Освоение нефтегазовых месторождений шельфа северных морей в значительной степени осложняется наличием ледяного покрова. X зр з.ктср лсдо в ы х ус Л О ВПК та-

глтту т>от?лило /\ттгл£* ттоттдрт лпллл^ч ^тилттт^^т^ттм лтг\лтттлтт1.лт¥15> гт Т/*От/- г» ттл ттлтвтхр 1х*1Л ^айиПОхЗ х сИацпй, V 1 ч^лЪч^ х1>са лил vлv/дvlJЗЙCJ

технические решения нефтегазопромысловых сооружений. В подобных условиях

аом^лттро ггоплпр^ивигтл* лттала^чаи* ААРАоима \|аг»тЛТ\А»1гтт|аитт стрпстотла отплитапг. Пааич/ЛС^ ч^ч/о^/^ахИл 1*1 а ^^^уху/ц^хахтага ух£>л/1\*/ х v-/! 1. х ч^хГ»

ство ле достой ких гидротехнических сооружений (ГТС), в частности, морских ле-достойких платформ (МЛП).

Основным фактором, влияющим на условия эксплуатации и надежности МЛП, является ледовый режим морской акватории в районе строительства и, как следствие, ледовые нагрузки и воздействия на сооружение. Поэтому обоснованное определение ледовых нагрузок, действующих на сооружения шельфа, является чрезвычайно важной народнохозяйственной проблемой. С одной стороны их занижение может привести к значительному материальному и экономическому ущербу, а с другой - их завышение вызывает удорожание сооружения и резкое снижение рентабельности разработки месторождения.

Современные МЛП обладают большой капитальностью и материалоемкостью, а аварии на этих сооружениях могут вызвать серьезные последствия для людей и окружающей среды, в связи с чем к ним предъявляются повышенные требования по надежности.

Действующие в нзстоящбс время нормы проектирования составлены на основе концепции предельных состояний, которая не позволяет полностью учесть случайную природу ледовых нагрузок и воздействий на МЛП. В них практически отсутствуют рекомендации по определению функций распределения параметров ледового режима морских акваторий, используемые для оценки надежности МЛП.

Исследованиями установлено, что ледовые воздействия создают опасные динамические режимы нагружения конструкций сооружения, действующие в течение значительного периода. При этом возникает сложный динамический процесс колебания конструкции, параметры которого зависят не только от свойств льда, ко и от характеристик самого сооружения. Как показывают эксперименты, нагрузка на сооружение при хрупком разрушении льда носит циклический харак-

тер, что способствует образованию необратимых деформаций и повреждений. Поэтому есть опасность потери несущей способности конструкции за счет накопления усталостных повреждений в опасных сечениях от сравнительно умеренных нагрузок большой повторяемости, и задача оценки надежности с позиции постепенного отказа (аварии от усталостного разрушения) становится актуальной.

В свою очередь, эффективность применения вероятностных методов расчета на усталость связана с тем, что на основе учета рассеяния характеристик прочности и нагруженности, они позволяют рассчитать функцию распределения ресурса конструкции до возникновения усталостной трещины даже на стадии проектирования.

В нормативной литературе практически отсутствуют рекомендации по прогнозу режима нагружения сооружений дрейфующим ледяным покровом для оценки надежности сооружений с позиции возникновения постепенного отказа. Кроме того, недостаточно изучены сами процессы взаимодействия ледяных образований с конструкциями морских ГТС, закономерности изменения ледовых нагрузок и возможные расчетные случаи.

Таким образом, проблема определения ледовых нагрузок и воздействий с учетом их вероятностной природы является актуальной.

Целью работы является разработка методики вероятностного расчета количества циклов и режима нагружения сооружения дрейфующим ледяным покровом, для оценки наде шести конструкций с позиции постепенного отказа.

Основными задачами исследований были: » разработка вероятностной модели формирования ледовой нагрузки от ровных ледяных полей;

* разработка имитационной модели механического взаимодействия ледяного покрова с опорами МЛП,

* разработка алгоритма и программы расчета на ЭВМ;

® численные исследования разработанных матехматических моделей.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Содержит 125страниц текста, 35 рисунков, 11 таблиц, список литературы из 132 наименований и приложения на 45 страницах.

В первой главе дан краткий анализ конструктивных решений МЛП, запроектированных для акваторий с тяжелым ледовым режихмом, рассмотрен широкий круг вопросов, связанных с проектированием гидротехнических сооружений на усталость. Выполнен анализ литературы по методам описания воздействия льда на опоры МЛП. Также приведены некоторые модели описания ледового режима морских акваторий и модели разрушения льда при его взаимодействии с опорой

МЛ П. Кроме того, даны основные определения и понятия, необходимые для расчета усталостной прочности конструкции и рассмотрен принцип оценки надежности сооружения с позиции постепенного (усталостного) отказа.

В отличие от внезапных отказов, которые возникают от максимальных нагрузок редкой повторяемости (например, от торосов, что приводит к авариям от превышения нагрузки над несущей способностью сооружения), постепенный отказ возможен от так называемого усталостного разрушения элементов конструкции. Накопление усталостных повреждений в опасных сечениях конструкции происходит даже при умеренных значениях напряжений, соответственно, внешних нагрузок, многократно повторяющихся в течение длительного периода, например, от ровного ледяного покрова.

Процесс формирования ледовых воздействий на сооружения в значительной степени определяется механизмом разрушения ледяного покрова в зоне контакта, который влияет на динамические характеристики процесса взаимодействия ледяного поля и сооружения: значения ледовых нагрузок и частоту их разрушения.

Поэтому в работе дан краткий обзор моделей разрушения льда на контакте с сооружением. При воздействии ледяных полей на сооружения вертикального профиля часто отмечается разрушение льда путем скола или сдвига некоторых фрагментов. Именно в этом случае наблюдается циклический характер изменения ледовой нагрузки, что создает опасный режим нагружения сооружения и его элементов с точки зрения оталостных повреждений в материале конструкции. Для целей усталостного расчета конструкций МЛП большое значение имеет учет циклического изменения ледовой нагрузки, которое возникает при хрупком характере разрушения ледяных полей на контакте с сооружением. Расчеты на усталость выполняют на основе определенной информации о характеристиках режима нагружения конструкций: количестве циклов нагружения, уровней нагрузок (режима нагружения). В случае вероятностной постановки и оценки надежности сооружений необходимы вероятностные характеристики распределений параметров режима нагружения.

Во второй главе изложена математическая постановка задача имитационного моделирования формирования режима нагружения сооружения ледяным покровом.

Точность определения ледовых нагрузок непосредственно влияет на надежность и экономичность технических решений МЛП. Формирование ледовой нагрузки достаточно сложная задача. Наиболее достоверными является экспериментальный метод. Однако ледостойких сооружений на шельфе построено сравнительно мало, опыт эксплуатации их ограничен как временем, так и конкретными условиями района строительства. Кроме того, экспериментальный метод очень

трудоемок и требует значительных затрат. Таким образом, целесообразно использовать теоретический подход для описания рассматриваемого процесса формирования режима нагружения.

На основе принятых допущений автором разработана вероятностная модель формирования ледовой нагрузки, предназначенная для расчета количества циклов и режима нагружения сооружения ледяным покровом. Модель основана на численном моделировании функции распределения параметров ледового режима и имитации всех возможных ситуаций, характеризуемых случайным сочетанием значений входных параметров. В результате численного моделирования и имитации всех расчетных ситуаций за весь период эксплуатации МЛП определяются вероятностные характеристики ледовой нагрузки и количества циклов нагружения.

В третьей главе приведены результаты численных исследований имитационной модели механического взаимодействия дрейфующих ледяных полей с МЛП, выполненные с использованием рекомендаций по планированию эксперимента. В работе использовался метод полнофакторного эксперимента, где анализ размерностей позволил добиться компактности плана эксперимента без потери общности и контроля. После математической обработки по программе «Планирование эксперимента» была получена полиномиальная модель для количества циклов нагружения.

В четвертой главе ы ¿¡ведены результаты численного моделирования режима нагружения сооружения ледяным покровом, дан анализ результатов и выполнен пример расчета сооружения на усталостную прочность конструкции.

Исследования функционирования разработанной вероятностной имитационной модели процесса взаимодействия дрейфующих ледяных полей с МЛП были выполнены по двум направлениям:

-исследование влияния размеров сооружения на процесс формирования количества циклов и режима нагружения сооружения;

-исследование формирования ледовой нагрузки и режима нагружения в плане. Численное моделирование проводилось для конкретного объекта - модернизированной ледостойкой платформы «Моликпак», которая в рамках проекта «Сахалин-2» установлена на одном из месторождений шельфа о. Сахалин на глубине 30 м.

В результате расчетов получены: режимы нагружения МЛП Р=^п) распределения ледовой нагрузки Б, количества циклов нагружения п, времени прореза-ния г, помимо этого для ледостойкой платформы «Моликпак» получены роза количества циклов нагружения, роза ледовой нагрузки, роза режима нагружения и роза суммарного количества циклов нагружения.

Таким образом, имитационная вероятностная модель процесса взаимодействия дрейфующего ледяного покрова с МЛП, реализована в форме программы на компьютере и позволяет определить основные параметры режима нагружения сооружения и его вероятностные характеристики.

В качестве подтверждения работоспособности предлагаемой в работе методики расчета количества циклов нагружения был выполнен пример расчета. В результате расчета построена функция распределения ресурса конструкции, выражающая связь между ресурсом (Ь) и вероятностью разрушения(СО, которая позволяет определить срок службы сооружения и планировать режим его эксплуатации.

Научная новизна работы заключается в следующем.

• Предложена оригинальная методика определения количества циклов и режима нагружения сооружения дрейфующим ледяным покровом, основанная на результатах натурных наблюдений.

• Выполнена общая вероятностная постановка проблемы моделирования ледяного покрова на морские ГТС, которая позволяет учесть вероятностные характеристики входных параметров, таких как толщина, скорость, прочность льда и т.п., и обосновано применение для этих целей метода имитационного моделирования.

• В рамках предложенной методики определения количества циклов и режима нагружения разработаны две модели: общая вероятностная модель формирования ледовой нагрузки и имитационная модель механического взаимодействия дрейфующего ледяного покрова с опорами МЛП, которые реализованы в форме компьютерной программы.

• На основе анализа численных экспериментов, выполненных с использованием рекомендаций по планированию эксперимента, была получена полиномиальная модель для количества циклов нагружения, которая может быть использована на предварительных стадиях проектирования.

Практическое значение работы. Результаты исследований могут быть использованы при проектировании морских ГТС на акваториях замерзающих морей:

• для определения режима нагружения МЛП ледяным покровом и оценки усталостной прочности;

• для определения вероятностных характеристик ледовой нагрузки и количества циклов нагружения;

• для определения функции распределения ресурса конструкции, выражающей связь м�