Как совершенствуются методы оценки ледовых воздействий на сооружения Арктики
Недостающие пробелы в существующих методах оценки воздействия льда на сооружения в Арктическом регионе заполнили в Санкт-Петербургском политехническом университете Петра Великого. Ученые скорректировали рекомендации для учета нагрузок при термическом расширении льда и нагрузок на многоопорные сооружения. В условиях Арктики ледовая нагрузка является наиболее критическим фактором, который следует учитывать при строительстве надежных и безопасных сооружений, поскольку большая ледовая нагрузка может повредить или разрушить гидротехнические сооружения, отметили специалисты.
Проведение испытаний образца льда (керна) на сжатие. Для определения одноосной прочности льда проводят эксперименты на сжатие в специальных прессах. Мобильные переносные установки имеют ряд преимуществ, так как позволяют проводить эксперименты в полевых условиях и тем самым получаемая прочность льда максимально приближена к фактической, потому что свойства образца не успевают существенно измениться
Исследования ледовых нагрузок на инженерные сооружения в Арктике является ключевым для обеспечения их безопасности и долговечности. Одним из важнейших факторов, влияющих на стоимость и надежность гидротехнических объектов в этом регионе, является воздействие льда. Нагрузки от льда опасны тем, что они принимают самые разные формы, и часто очень большие, то есть кратно больше всех других воздействий внешней среды. Конечно, можно запроектировать сооружения с гигантским запасом прочности, но тогда стоимость сооружения вырастет многократно. Ученые петербургского Политеха изучают и совершенствуют методы оценки ледовых воздействий на сооружения Арктики.
Как отмечают специалисты в области изучения ледовых воздействий, для разных типов сооружений различные нормативные документы имеют различную юридическую силу: некоторые носят обязательный характер, а некоторые — рекомендательный. Для оценки льда при строительстве стационарных сооружений, например, нефтяных стационарных платформ Арктики, используют целый ряд разных документов, в том числе свод правил «Нагрузки и воздействия на гидротехнические сооружения (волновые, ледовые и от судов)». Свод правил регулярно обновляется, так как учеными все время открываются и совершенствуются расчетные зависимости как на основании данных, полученных опытным путем, так и на основании глобальных теоретических изысканий. Петербургские ученые тщательно изучили все формулы и методики расчета нагрузок от льда в принятых нормах и сформулировали ряд предложений по их улучшению.
«Морской лед — очень коварный анизотропный материал, так как он может разрушаться и хрупко, и пластично и принимать очень много форм. Самый известный случай трагичного взаимодействия льда с объектом — это крушение “Титаника” после столкновения с айсбергом, однако существуют не настолько явные, но не менее опасные воздействия льда на возведенные человеком сооружения. Это и нагромождение обломков льда, и обмерзание и вмерзание сооружений, и многие другие как динамические, так и статические воздействия льда на построенные и строящиеся объекты Арктики. Так, например, известны случаи сильной вибрации шельфовых платформ из-за льда, мешающие их нормальной эксплуатации»,— пояснил заведующий лабораторией фундаментальных основ ледотехнических исследований Передовой инженерной школы «Цифровой инжиниринг» СПбПУ, кандидат технических наук Дмитрий Шарапов.
Керн льда, полученный в ходе бурения. Одноосную прочность льда определяют с использованием кернов, получаемых при бурении. Структура керна меняется по толщине льда, то есть разные слои льда могут иметь разные свойства и прочность. При большой толщине ледового покрова эксперименты необходимо проводить для образцов, добытых с разных глубин
Ученые предложили новый метод расчета ледовых нагрузок на ряды свай, при этом используя как теоретические подходы, так и экспериментальные данные арктических экспедиций. С помощью цифрового моделирования специалисты выполнили расчеты для типовой конструкции свайного основания, включающей несколько рядов свай. Ученые определили, с какой скоростью и силой ледовый покров должен столкнуться со сваями, чтобы повредить сооружение. При этом учитывалось влияние прорезания ледового покрова рядами свай. Специалисты определили, что нагрузка от воздействия небольшого ледового поля на сооружение может быть полностью поглощена только одной угловой сваей, при этом ледовое поле разрушится и не окажет значимого влияния на последующие сваи. Учет неодновременности нагружения различных свай при прорезании льда может быть учтен на этапе проектирования, тем самым может быть достигнута экономия средств при сохранении высокого уровня надежности сооружения.
Также полученные петербургскими учеными данные подтверждают, что хрупкое дробление льда, которое преобладает при скоростях дрейфа льда, превышающих 0,1 м/с, не приводит к максимальным ледовым нагрузкам. Максимальные же нагрузки возникают при скорости движения льда в диапазоне 0,003–0,1 м/с. Специалисты дали конкретные рекомендации инженерам, проектирующим подверженные воздействию льда конструкции в Арктике.
«Практическая значимость нашей работы заключается в подробном исследовании разнообразных сценариев воздействия льда на сооружения в Арктическом регионе. Самостоятельно инженеру сложно погрузиться во все особенности расчета нагрузок от льда, а опираясь на проделанную нами работу, специалисты смогут перепроверить конкретные расчеты»,— отметил Дмитрий Шарапов.
Пример цифровой конечно-элементной модели гидротехнического сооружения в Арктике. Для инженерных расчетов создаются цифровые модели сооружений, которые учитывают многие особенности реального объекта. Ледовые нагрузки могут быть приложены внутри цифровой модели сооружения, тем самым может быть оценена его способность сопротивляться льду
Сейчас специалисты занимаются разработкой новых полностью вероятностных подходов к определению ледовых воздействий и созданием новых усовершенствованных численных моделей, позволяющих рассматривать разрушения льда в динамике, то есть они позволят в реальном времени наблюдать образование трещин в льдине, ее раскол, а также рассчитывать, какие нагрузки при деформации ледового поля передаются сооружению. Все это позволит точнее определять коэффициенты запаса прочности построек в Арктике.
