Вероятностная оценка истирающего воздействия дрейфующего ледяного покрова на морские гидротехнические сооружения (03.09.2012)

Автор: Уварова Татьяна Эриковна

– математические модели процессов формирования ледовых нагрузок и воздействий от различных видов ледяных образований;

– требования к способу описания математической модели сопротивления материала ледовой абразии и метод ее получения;

– математическую модель расчета глубины ледовой абразии;

– методику планово-высотного распределения ледовых воздействий в опасной зоне истирания;

– методику верификации математических моделей формирования ледовых истирающих воздействий и расчета глубины ледовой абразии на основе натурных данных;

– методику расчета глубины ледовой абразии и дать рекомендации использования предлагаемой методики в проектной практике.

Методы исследования. В работе, наряду с обобщением и анализом литературных источников, использованы результаты натурных исследований ледового режима северо-восточного побережья о. Сахалин и Балтийского моря. Для построения моделей и гипотез широко использовался метод математического моделирования. Учитывая сложность рассматриваемых систем, применялись методы имитационного моделирования. Для экспериментальных исследований и численного моделирования использованы методы теории планирования экспериментов. При обработке экспериментальных данных и данных численного моделирования использовались методы теории вероятности и математической статистики.

Научная новизна работы состоит в том, что в ней впервые проведен комплекс исследований по изучению истирающего воздействия ледяного покрова, на основании которого разработаны:

– концептуальный подход к методам решения проблемы ледовой абразии;

– вероятностная имитационная модель описания ледового режима, разработанная на основе математических моделей процессов формирования ледовых нагрузок и воздействий, определяющих основные параметры, влияющие на ледовую абразию;

– методика учета изменчивости температуры и прочности льда по толщине ледяного покрова, реализованная в виде программы расчета «Прочность льда»;

– методика планово-высотного распределения ледовых воздействий в опасной зоне истирания, реализованная в виде программы для графической интерпретации результатов расчета «Construction 3D»;

– эмпирические модели интенсивности ледовой абразии бетона;

– методика верификации математических моделей ледовых истирающих воздействий на основе натурных данных;

– верифицированная методика расчета глубины ледовой абразии, реализованная в виде расчетно-программного комплекса «IceStrIn».

Практическое значение работы. Результаты работы использовались при проектировании ледозащитного пояса из износостойкого бетона для бетонного основания гравитационного типа (БОГТ) Аркутун-Даги, строящегося в рамках проекта «Сахалин-1».

Рекомендации по проектированию ледозащитного пояса использовались при изготовлении опытного образца в натуральную величину (рис. 1, а), что позволило отработать технологию изготовления опорных колонн БОГТ и применить ее на практике. Проект ледозащитного пояса из износостойкого бетона, выполненный на основе расчетных данных о глубине ледовой абразии по разработанной автором методике расчета, был внедрен при строительстве БОГТ месторождения Аркутун-Даги о. Сахалин (рис. 1, б).

Рис. 1. Ледозащитные приспособления для бетонного основания Аркутун-Даги:

а – опытный образец бетонного ледозащитного пояса; б – бетонный ледозащитный пояс

Результаты исследований могут быть использованы для проведения лабораторных испытаний различных строительных материалов на сопротивление ледовой абразии и для совершенствования нормативных документов по расчету гидротехнических сооружений на истирающее воздействие дрейфующего ледяного покрова.

Основные результаты работы, выносимые на защиту:

– концептуальный подход к методам решения проблемы ледовой абразии;

– вероятностная имитационная модель описания ледового режима, разработанная на основе математических моделей процессов формирования ледовых нагрузок и воздействий;

– методика учета изменчивости температуры и прочности льда по толщине ледяного покрова;

– методика планово-высотного распределения ледовых воздействий в опасной зоне истирания;

– методика расчета глубины ледовой абразии;

– методика верификации математических моделей ледовых истирающих воздействий.

Достоверность научных положений и рекомендаций обоснована общепринятыми апробированными исходными положениями, проведением спланированного полнофакторного эксперимента; использованием статистически представительских выборок натурных наблюдений; статистической достоверностью формулируемых положений, на основе которых выполняется построение эмпирических моделей; исследованием модели и соответствием результатов теоретических решений исследованиям других авторов; верификацией теоретических моделей по данным натурных исследований.

Результаты исследований использованы в отчете НПО «Гидротекс» «Ice abrasion test» документ №RUSD-HYY-J2-BR-37000, выполненном по заказу №RUSD-AEP-J2-KZ-SE116-0001 компании AkerSolutions LTD в рамках проекта «Sakhalin-1 Arkutun-Dagi GBS Project»; в научно-исследовательских отчетах по следующим темам: 2003–2012 «Разработка теоретических основ описания процессов формирования воздействий ледяного покрова на объекты береговой зоны», Рособразование; 2006–2008 и 2009–2010 «Проблемы, исследования и освоение ресурсов Мирового океана», Рособразование; 2006–2008 «Разработка вероятностных методов расчета ледовых нагрузок на основания нефтегазовых платформ на шельфе», Рособразование; 2006–2010 «Разработка методов вероятностного расчета стационарных оснований нефтегазопромысловых платформ на воздействие дрейфующих ледяных полей», РААСН ДальНИИС; 2009–2011 «Разработка методов вероятностного расчета экстремальных ледовых нагрузок для обеспечения безопасности объектов шельфа северных морей», МинОбрНауки; 2009–2011 «Проблемы, исследования и освоение ресурсов Мирового океана», МинОбрНауки; 2011 «Разработка концепции вероятностного описания ледяного покрова и его взаимодействия с береговой зоной», МинОбрНауки.

Апробация работы. Основные положения исследований докладывались и обсуждались на «International Offshore and Polar Engineering Conference» (ISOPE) в 2001, 2003–2005, 2009–2011 гг.; ISOPE (PACOMS) в 2004, 2010 гг.; «Asian and Pacific Coastal Engineering Conference» в 2001 г.; «International symposium on okhotsk sea & sea ice» (Mombetsu) в 2003, 2008 гг.; «Workshop on Icе abrasion concrete structures» в 2007 г.; «International Association of Hydraulic Engineering and Research» International Symposium on Ice (IAHR) в 2008, 2012 гг.; International Conference on «Port and Ocean Engineering under Arctic Conditions» (POAC) в 2003, 2005, 2007, 2009, 2011 гг.; International Congress on Durability of Concrete (ICDC) в 2012 г.; Международной научно-практической конференции-выставке «Тихоокеанский шельф» / «Pacific Offshore Conference» (РОС) в 2005, 2012 гг.; Международной конференции «Стихия. Строительство. Безопасность» в 2008 г.; Международной конференции «Российский арктический шельф» в 2011 г., на ежегодных конференциях «Вологдинские чтения»; ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ДВФУ и семинарах кафедры.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 59 научных работ, в том числе 1 монография, 4 свидетельства о государственной регистрации программы для ЭВМ (в соавторстве), выпущено более 40 научно-технических отчетов.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка использованных источников и 6 приложений. Она содержит 280 страниц текста, 189 рисунков, 24 таблицы, список литературы из 193 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель, задачи и новизна полученных результатов, приведена реализация и апробация работы. Дан краткий критический анализ состояния рассматриваемой проблемы.

В первой главе дан аналитический обзор исследований истирающего воздействия ледяного покрова на гидротехнические сооружения. Проблемой оценки интенсивности ледовой абразии гидротехнических сооружений на протяжении последних тридцати лет занимаются научные центры во всем мире (рис. 2).

Ледовая абразия конструкций морских инженерных сооружений оказывает значительное влияние на их надежность. Степень абразии бетона может достигать 0,9/1,6 мм/год – по наблюдениям S. Huovinen; 0,2/11,6 мм/год – по исследованиям J. Janson на маяках в Балтийском море; 1,0/5,0 мм/год – по наблюдениям F. Hara.

В соответствии с долгосрочными исследованиями ледовой абразии выделяются следующие факторы, влияющие на степень ледовой абразии: интенсивность контактного давления; длина пути истирания поверхности сооружения в зоне контакта; прочность и температура льда; относительная скорость взаимодействия; сопротивление материала истирающему воздействию льда.

На основании натурных и экспериментальных исследований ледовой абразии предложены модели расчета глубины ледовой абразии, которые можно разделить на два типа:

– экспериментальные модели, которые основаны на статистической обработке экспериментальных данных исследований сопротивления материалов ледовой абразии, и направлены на выявление эмпирических зависимостей интенсивности ледовой абразии. Такого типа модели были разработаны H. Saeki с соавторами, J. Janson, Y. Itoh с соавторами, F. Hara с соавторами, M. Hanada с соавторами;

– теоретические модели, которые основаны на математических моделях расчета глубины ледовой абразии бетона. Такого типа модели были разработаны S. Huovinen и S. Jacobsen с соавторами.


загрузка...