автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Напряженно-деформированное состояние элементов железобетонных конструкций морских нефтегазопромысловых сооружений с учетом климатических колебаний температуры

РГ5 СО

2 2 ¡ЙбСКОЗШа! ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ кшшЕгаочзтро;д,Ш1ЬннП шзтитут Ш.В.ВЛСУЙБШПЕВА

На прагал руксгшоп

кИРЗМЗ ШЯТ ЮСйа ОШ

НАПРЙШНО-ДЁЙОРШРОВАННОЙ СОСТОШИл ЗЛШЕНТОВ ШкЗОБМШШХ, КОНСТРУКЦИЙ кОРСШ ШТ£ГШ)ПРОШтШ ■ СООРУШШ С УЧЕТОК КША1ИЧШШ КОЛШШЯ ТШШРАЗУРЫ

Специальность 05.23.01 -Строителю« конструкция, эда1шя и сооружения

АВТОРЙйЁРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата техничаских наук

МОСКВА 1993г.

Работа выполнена в Московской ордена Трудового Красного знаыени иияэнерно-строителыюм институте ии.В.в.Цуйбышгва.

Научные' руководителя - доктор технических наук, профессор

О.В.ЛУЖИН

доктор технических наук, профессор

в.о.адмазов

Официальные оппоненты - доктор технических наук Е.Н. ЩЕРБАКОВ

кандидат технических наук, доцент А.Н.ЛЕОНТЬЕВ Ведущая организация - ВНИПИаорнефтегаз

Защита состоится © ОАцхЛ>Х\ 1993г. к /5" часов на заседании специализированного совета К 053.11.01 цри Московском инженерно-строительной институте иы.В.В.Куйбышева по адресу: г.Москва, Шлюзовая наб., д.8, суд. 412.

С диссертацией поено ознакомиться в библиотеке института. Просив Вас принять участие и направить Ваш отзыв по адресу: 129337, ьосква, Ярославское шоссе, д.26, ШСИ ш.В.В.Куйбюсава, Ученый Совет.

Автореферат разослан 6 МЛХЖЛИу<2 1993г.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ СПЕЩШШЗИР0ВАНН0Г0 СОВЕТА . КАНДВДАТ ТЕХНИЧЕСКИХ НАУК

доцент э.в.йииионов

ОЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА PABOEJ

Актуальность тали. Освоение ресурсов нефтегазоносных.районов на сущи и на шельфа замерзающих иорэй з настоящее вреыя становится одним из главных перспективных источников развития топлшю-знер-гзтитаской базы Содружества Независимых государств (СНГ). Решение э''оП задачи на норе требует разработки и строительства экономически аффективных гидротехничесаих сооружений, способных ycneimo работать в суровых климатических условиях.

В СНГ ведутся разведка и добыча нефти и газа на Каспийском, Азовском, Черном, Балтийском, Карском, Охотской и других морях. СНГ обладает самым обширный в мире шельфом с площадью свыше б ылн.км^ до изобаты 200м. Перспективная в нефтегазоносной отноиз-нии площадь акватории составляет 4,9 млн.ки^, причем основная часть эт^й территории относится к шельфам замерзающих ыорей. Для ее освоения необходимо построить иного стационарных платформ с учзтой специфических особенностей каздого из ыорей.

Планирование работ по морской нефтегазодобыче и выбор типа нефтегазопромыслового сооругения находится в прямой зависимости от степени изученности природных условий каздого конкретного района, намеченного к освоению. Для замерзающих ыорей с суровыми климатическими условиями необходимо рассматривать в проектных разработках различные конструкции лэдостойких морских нефтегазопро-мысловых гидротехнических сооружений Ш1ГС) из металла, железобетона или комбинированные.

Рассматривая особенности возведения железобетонных нефтедобывающих платформ, нельзя не отметить, чго в каком бы направлении не шло дальнейшее разситие их строительства, yrs сегодня можно констатировать тот факт, что построенные за последние десятилетия желэзобетонные нефтедобывающие платформы в Северном море являются крупнейшим техническим достижением XX века.

U существующих нормативных документах: СНиП 2.06.08-87, ВСН 41.Ь8 по определзнию внешних нагрузок на такие сооружения не содераится достаточно убедительных рекомендаций по расчету напря-женно-дефор^нрованного состояния сооружений при температурных воздействиях. Для этого требуется разработать рекомендации, учитывающие специфику эксплуатации же лез обе тонных конструкций ШГС для шельфа северных и дальневосточных ыорей. Объективный учет температурного воздействия при проектировании MHFC посболит увеличить их долговечность.

Цвдьр диссертационной работы является:

- разработка метода анализа температурных воздействий на основе использования современных концепций теории вероятности, матеаа- ! тичес'кой статистики в теории случайных функций; 1

- разработка иотода вцонки нахфязанио-деформировакного состояния Еспытиааемых образцов на совместное силовое и температурной боа-, дзйстиш дри переиэшюы водонасщошга;

- разработка методики изучения долговечности бетона црн высокой ! уровне нагрувения в условиях циклического замораживания и оттая-ваиия.

Адтор аащкщ&ет:

- рзэу.з»тата анаялза температурных nojafi зоздуха для различите . регионов страны с суровой кдиатичзскими усаэвшаги;

- результаты ввегориментальных исследований, направгзшпа» на оценку надоглосги педззобатоита олеаенгов конструкций, работьсцих

в моральных условиях (НУ) и а реакмах цнв.В1чаского закорезшвшил и оттаивания (ЦЗО) • о такта гшоланкз характеристик tue «ьпря^ен- ; ио-деформировгшого состояния в црочностн;

- рекомендации по уточнгниэ растаю конструкций континентального езлафа, работающее п тя&злых клаыатичэских условиях и модз~лрогг-гшя гемларатурних зоадойсгзцй нз них.

Научную новизну ртбога составлтаз: . '

- создание новой ыагеиатшвекой модели теушратургшх воздайствяй, пзегрознной на баго испо&зойышя теории сдучайных цроцсссоа;

- разработка эксперашшгалытй установки, исподьзуелой в soмодальной кгхаре, для построения даагр:^ дзфоринрования &злззоботошдл: l^.oiiohtod в услшнзх различного Елагсяасшрная батона, как в нор-шда&х условиях, так и в цайачзеюял заиорааззанли и отганааика;

- йодучеше иоеых ргзультатоц, возводящих еоеыситъ Падганость раечзта сохэвоботовдых коа£5рукцай для г.онтш12итальиого взлиза,. работающих', в TnaeJüix тешюратурнаг условиях.

ГЬпктичзскоо оначзиио паботи:

- разработаны рекоцацдгцам по определенна температурных töoßsüCT-eiiü для статически шоцредолхшх одазентов Езлзаобетоинлх сооружений при изменении seimapaigrpa' воздуха с парзходся чзрзз ноль .градуса;

- разработаны рокоаеудацан. по ецредзлгшю' нащшошШ в бггоыо, дсХорааций и црочиости .стат;ге-;скц изоцродолалг: oiiüausos при соииоякш силосом н гсадоратурлом (от +15°С до -50°С) соодзйстйл.

Внедрение результатов работы. Результаты исследований использованы при, составлении нормативных документов, а такгэ в практике расчетов, проектирования и возва-дзния гелззобетонных сооружений в тяжелых климатических условиях.

Апробация работы и публтации. Основные результаты работы были доложены и обсуждены на 1У научно-технической конференции Шельф-€6 и опубликованы в научно-техни-ческо«. журнале.

Объем работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 70 наименований и 3 приложений, содержит 194 страницы, из них 96 страниц машинописного текста, 49 рисунков, 28 таблиц, приложения на 63 страницах.

СОДМШ РАБОТЫ

Первая глава посвящена анал«зу состояния проблемы, степени ее изученности, обосновании задач н целей исследований.

Рациональность и экономичность освоения морских нефтегазоносных месторождений зависит от точности расчета нефтегазопроьысловых гидротехнических сооружений. В морях с суровыми климатическими условиями особую значимость приобретают расчеты сооружений из железобетона на температурные воздействия. Наиболее неблагоприятной зоной опорной части морских сооружений является зона переменного уровня воды. В 'зиьниГ! период года эта зона в течении одних суток испытывает знакопеременные температурные воздействия. Размер этой зоны зависит от суточного колебания уровня воды, вызванного приливами и отливали. Их интенсивность определяется широтой района строительства. На величину изменения уровня воды влияют также сгонно-нагоннь,е явления, определяемые географическими условиями.

Работу сооружений в таких сложных уровнях необходимо оценивать соответствующими расчетами, которые должны учитывать влияние влажностно-темпаратурных иоздействий на физико-ыеханические свойства бетона и арматуры.

В нормативно», документе СНи11 2.Оо.08-87 расчет железобетонных конструкций на температурные воздействия осуществляется с помощью коэффициентов, зависящих от условия работы конструкций с учетом ь.аксиыальной й минимальной температуры воздуха в году в районе строительства. При отсутствии данн'^ натурных наблюдений можно использовать рекомендации государственной гидрометеорологической службы,

содержащихся в СНиП 2.01.01-82. Однако эти рекомендации неприемлемы для расчета железобетонных конструкций , подверженных тем-пературно-влахностным воздействиям.

Работы, выполненные В.О.Алыазовым и его учениками по исследованию климатического воздействия на элементы железобетонных конструкций, позволили разработать рекомендации, которые были включены в ведомственный нормативный документ ЁСН 41.88 Миннефтепроыа.

Проблему обеспечения морозостойкости бетона и железобетона при воздействии знакопеременных температур в настоящее время можно решить следующими путями:

- разработкой составов бетонной смеси, отвечающей необходимым требованиям морозостойкости с использованием цри этом поверхностно активных добавок различного вида и обеспечением оптимальных условий приготовления и твердения бетона;

- совершенствованием расчета бетонных и железобетонных конструкций с учетом температурно-влажностных условий их эксплуатации.

Отмечено, что различные гипотезы о причинах разрушения материалов цри совместном действии воды и мороза является:

- гипотеза об общем кристализационнсш давлении льда в порах бетона, предложенная Р.Коляинсом;

- гипотеза о гидравлическом давлении, предложенная Т.и.Науэрсоы;

- гипотеза о давлении дополнительного кристаллольдообразования в капилярних порах, предложенная Т.С.Иауэрсом;

- гипотеза о гидростатическом давлении воды, замерзающей в порах и капиллярах цементного камня, предложенная Н.А.Цитовичем;

- гипотеза гидростатического давления, развивающегося в замерзающей воде, предложенная Г.I'.Ефремовым.

Из всех перечисленных выве гипотез, объясняющих причины разрушения бетона при однократном замораживании, наиболее видное место занимает гипотеза гидравлического давления Г.Ц.Иауэрса.

В работах А.А.Гончарова, В.и.Гладкова, Б.ы.Москвина, А.м.Подвального, Ь.Л.Грановского, В.О.Алыазова, Г.Ф.мыаава, и.Ь.Старчен-ко изучались факторы, влияющие на напряженно деформированное состояние бетонов различных конструкций при циклическом замораживании и оттаивании. Установлено, что напряженно- деформированное состояние гидротехнического бетона с добавками при высоком уровне нигружения и при Щи не изучены. Установлено, что для оценки напряженно-деформированного состояния гидротехнических сооружений,

эксп^уагируеаых э сложных климатических условиях, наиболее подходящей является комбинированная теория упруго-ползучего тела.

В связи с этим в настоящей работе были поставлены следующие основнсз задачи:

- изучение природно-климатических условий в районах предполагаемого строительства ледостойких 4ШГС;

- экспериментальное изучение изменения прочностных и деформатив-ных свойств бетона для UHTC под влиянием ЦЗО в условиях длительного нагружения;

- разработка математической модели, описывающей изменение климатических колебаний температуры воздуха;

- на основе этой модели установление связи между природными и лабораторными циклами замораживаний и оттаиваний.

Во второй главе описана обработка банка исходных данных по гидрометеорологической и ледовой обстановке в районах предполагаемого строительства. В результате исследований установлено, что наличие ладового покрова, даже дрейфующего, исключает развитие ветровых волн и тем самым защищает опорную часть сооружения от резких температурных колебаний и от штормового обледензния. Процесс обледенения надводной части сооружений.уменьшает температурный градиент. Колебания уровня води, особенно в ливных морях, представляют собой особую опасность для опорной части сооружений в зоне переменного уровня. Величина этой зоны с учетом сгонно-нагонних явлений может достигать З.сИв открытом море. Так как основное влияние на изменение уровня воды оказывают приливно-от-ливные явления, которые в основном имеют суточный характер , то в течение суток в этой зоне происходит переход температуры через ноль. Диапазон температурного перепада при этом в зимнее время находится в пределах от +2°С (температура воды) до отрицательных температур воздуха.

IIa основании анализа данных натурных наблюдений установлено, что в Охотском море количество дней, при которых температура воз-духи знакопереиенна, составляет примерно 50 в году. (Рис.1). Это обстоятельство необходимо учитывать при разработке методики проведения лабораторных исследований по определено напряженно-деформированного состояния железобетонных конструкций.

ha основании анал!за экспериментальных данных для условий Охотского шопя установлены значйния расчетных абсолютах минимальных температур с учетом экспоненциального закона.распределения

IG .04 20.04 30.04 10.05 20.05 30.05 05.10 15.10 25.10 04.11

Рис.1. Результаты расчета осредаенного процесса.

с параметрами: математическое ожидание ^ъ ~ -2,44°С, дисперсия ^'=4,57а?С)2 и стандарт = 2,13962°С. Установлю также, что закон расцрздегания числа эффективных цикла в за год подчиняется равномерному закону распределяй« с параметрами: математическое ожидание Я-=50 и стандарт 6,11 (рис 2, 3). Кроме того устсноахзна теоретическая фуакция обеспеченности расчетных абсо-лзтных значений отрицательных температур и числа эффективных ЦИКЛОВ.

В третьей главе описана методика экспериментальных исследований. В качестве опытных образцов были приняты призмы с размерами 10x10x40 си и 30:30x120 си, а также куб со сторонами 10 си. Батон для изготовления образцов состоял из с идущих компонентов:

- щебень гранитный крупностью 5...15 мы;

- песок кварцевый речной с модулем : крупости 2,88;

- цемент плотностью 360 яг/и3;

- добавки: СНВ и ССБ;

- цеиэит; песок; щебень - I; 1,72; 3,47;

- СНВ 0,00755 (от массы цемента);

- ССБ 0,15Я(от массы цемента);

- В/Ц 0,4 (водоцеьантнов отношение).

В течение 28 суток образцы хранилась во влажных опилках,, затеи при тглпературе 1Б±5°С в производственных условиях с относите ль е;ой зл?лиос?ьа воздуха 60.. .63?. Поскольку в экспериментах нзмэрснке дефорлсций Сылэ намечено осуществлять с помощью индикаторов часового типа с ценой делания 0,001 ми и 0,01 мы, а также с помощью тенгорззнстороз с базой 50 иа, то после набора образцами 40% прочности на них наклеивались закладные устройства с ин-эарныгги пружинами и текзореэисторами. Гензорезнсторы распаивались по по-фностовой схсне и изолировалась эпоксидный ноыпеуидои.

Испытание образцов проводилось в термобаровакуумной камере заводского изготозления ТВУ-6000 объемом 8м3, позволяющей достигать температуры -70°С. Кзыера установлена в отраслевой научно-исслздозательской лаборатории морских нефтегазощ>оыысл)вых гидротехнических сооружений (ОНИЛ ЫНГС) ШЮЙ им.В.В.Цуйбысева (Рис.4).

С целью определения длительной деформации под воздействием сжимающей нагрузки в нормальных условиях и в условиях циклического земоражязания и.оттаивания бетона при одноосном напряженном состоянии использовались два типа установки. Эти установки состояли из металлической сборно-разборной рамы, пружины, гаек и стоек.

Кроме этого в процессе экспериментов необходимо было произво-

0,134

о I 'г 3 45 С 7 8 К( число лет)

(23 - Экспериментальная ; '

ЕЭ - теоретическая. Гис. 2. Оршишшо эшшричоскои и теоротичоскок плотности

расгродолоиия Э::»ектявшсс циклов ь период 1976... 19'

Н«)

Рис. 3.

Сравнение эмпирической и теоретической функции распределения эффективных циклов в персод 1976...1977 г.г.

-Pi.c.4. Общтй met. &KcnefiHMefnajt&náti:tft,rati№ai nprti^O.

и и

<3

о . о о

U о

ti* <2

о о

о-

s Й

II ÍJ

о -

ч

о Я

H

« о

о и

4 о

Я

fr1 Cl i Л о

'3:

о а »о

œ

о

3

о

s

о о и

Б

О

ъ

и <<

<3

о о ч

О <J

а

CÄ о

и о

H о

0 »з-К L* а о

W О А5

01 M • «<

ö »-3

>CJ to

u M

Ol •

о О

u st >»< о p. ti

К Й

Cl <:

'J y ti

u ta

ТЧ Я

" tí g

о

й У 8 S

я

гх

о о •a cv о

гз о

у SJ

J3 Я о

ги и

и ■ о

У -d

И Í»

u а

a's

о

i

s

ч

я

u

t> <5^

к a о

™ 9

о о « —

о

У €

о о о я

tJ ^

р: о

>з

&

К и И о

£э ^ И S3

а о я о гс a а а и

§ s

о о

S 3

»

g У

о § 2

а а

ií ?

a ií

К ï»

& о u

s

12 -Л

S »

<а о » ся .1

»d u с л

13 -S ИЗ -3 -fH Ш -S -S s

ооооооооо

8'8й0-йВВВ0

в О" M » о

ооооооооо

«р OD Ol -л о <2 О Ol О ¿»www to hi

н н н и н и w

<icI8SSo8S8

Ei q p ^ ci ^

В g g gl

ВЙ

о

о «• «

s

О о о о

о» s о g

H W H H

8888

88

нннооивно ООО-» о- о» » - " ^Э » « Ol

8 g 8 ° в g s g °

о о

0 О О О «0

1 gl gl'

ооооооооо слоослооослсл

П X о о гч о н о я S S Î* i * u U a h a

s a а а а сч • • • ' » •

ы Li

ооооооооо

$

Cl

(Л w о

s a к г:

о t» u u 4 4 4 4

*d

»

В

s

la u м a a

£ и

о о о о

GJ

бетона в условиях ЦЗО. Выявлены закономерности снижения модуля упругости и прочности бетона в зависимости от количества ЦЗО.

Выявлгна зависимость характера разрушения образцов от уровня нагружения в условиях ЩЮ. Оказалось, что при уровне нагружения

V 0,75 образцы разрушатся хрупко, тогда как при нормальных условиях при данном уровне нагружения образцы не разрушались.

В четвертой главе приведены результаты экспериментально-теоретиче скнх исследований эффективных циклов, позволяющих прогнозировать поведение бетона на основе моделирования натурного процесса. Переход от лабораторных условий к природно-климатическим условиям осуществлен с помощью коэффициентов условий работы ( ь ) и условий работы в упругой стадии ( ^ ^ ).

Установлено, что число лабораторных циклов (Су) ложно найти

следующим образом:

- г■

где: С рас. - расчетное число эффективных циклов за срок эксп^а-( тации;

■Ьц«*-. - расчетная отрицательная те.«;пература воздуха для , эффективных циклов;

"Ь^. - минимальная температура равная -Ь0сС при использовании ускоренного ыетода испытаний бетона на морозостойкость; •„ .

<гу - коэффициент, зависящий от »¿арки бетона по ы.ороэа-стойкости. .

Таким образом ^в практических расчетах при сроке службы ледо-стойких иНГС,равному пятидесяти годал- для региона Охотского ьоря, в зависимости от морозостойкости бетона «южно определять числа лабораторных ЦЗО. С поыощью коэффициента Т^ и Ае,выявлено влияние уровня нагружения образцов на прочность и и о пуль упругости бетоца.

Опытами установлено, что воздействие ЦЗО приводит к увеличению деформаций ползучести одноосно нагруженного бетона по сравнению с деформациями в нормальных урловиях.

Эксперименты показали, что увеличение уровня нагружения не приводил к пропорциональному возрастанию деформации ползучести, зависимость величины ползучести бетона от ¿¡еры ползучести, предложенная С.В.Александровским, справедлив лишь при низких и сред-

них уровнях нагруаенля бетонных образцов.

ОСНОВНЫЕ выводи-

I. На основания анализа суточных колебаний темпераутры воздуха в регионах с суровыми климатическими условиями выявлены наиболее опасные сочетания воздействия ЦЗО и предложена расчетная модель эффективных циклов в лабораторных условиях,

" 2. Разработана методика определения напряяеняо-деформиро-ванного состояния образцов при осбоишетрячном силовом и температурном воздействиях,, отличающаяся от известных тем, что в качестве основы принята характеристика эффективных циклов в природных условиях.

3. На основания экспериментальных исследований предложены методы определения водопоглощондя при совместных силовом и температурном воздействиях.

4. Впервые исследовано напряженно-деформированное состояние образцов при высоком уровне нагруженяй в условиях ЦЗО и НУ. В результате чего выявлено, что при % 0,75 образцы внезапно, разрушались в условиях ЦЗО. ^

5. Приведены исследования деструктивных процессов в бетоне на основании обобщения результатов определения измерений прочностных и деборматлвных свойств бетонных образцов, подвергнутых воздействии ЦЗО. При этом уменьшение прочности испытуемых образцов контролировалось с помощью ультразвука.

6. В условиях ЦЗО наблюдались длительная деформация и ползучесть бетона, вызванная тем, что при. фазовых переходах ЦЗО возш-.кают дополнительные напряжения, которые распространяются по всему объему. Эти дополнительные напряжения значительно отличаются от начальных особенно после водопогл'ощения.

7. Еа основания анализа проведенных исследований для новой редакции Ведомственного нормативного документа сформулированы • предложения по расчету напрязкенно-деформированного состояния ле-достойких ШГС из железобетона.

Основные положения диссертации, опубликованы в работах:

Т.-Мирзаев В.Ю., Исраалов A.A. Разработка метода расчета показателей колебания температуры воздуха для проектирования морских нефгегазопромысловых сооруаениС.-докл. 1У научно-техия-ческой конференции молодых ученых и специалистов "Шельф-86", Баку, 1966, Я 12.

2. Ыирзаев В.Ю. Напрякенно-деформарованное состояние морских неф-тегазопромысловых гидротехнических сооружение из железобетона с учетом климатических колебаний температуры воздуха. Экопресс-шформация ВНШОЭНГ, Ы., 1992.

Оодомно в печать $4,02.93 Формат 60х64А/16 Печать офс, И-4Я Объем I у^-издоЯ. ТЛОО Заказ// Бесплатно