Диссертация (1141536), страница 10
Текст из файла (страница 10)
В ISO формула (2.8) используется как для определениямаксимальных нагрузок на узкие одноопорные сооружения, так и на широкие.Согласно исследованиям Мастерсона и Ян Дэ Валема [77] оба подхода не имеютфундаментальных отличий. Расчетные формулы в обоих случаях используют прочностныехарактеристики льда и учитывают масштабный эффект ледовой нагрузки.
Единственным53условием достоверности определения ледовых нагрузок по обоим методикам являетсяуточнение ледовых параметров на основе местных климатических условий и данныхкрупномасштабных натурных измерений ледовых нагрузок.Определение ледовой нагрузки от ровного ледового поля на многоопорные сооруженияПотенциальным преимуществом многоопорных сооружений является оптимизацияволновых и ледовых нагрузок (в сторону уменьшения). Недостатком является возможностьсмерзания льда внутри пространства между опорами, что может увеличить площадьвоздействия льда на сооружение [21]. Еще одним недостатком является возможность появлениякрутящего момента при воздействии льда в большей степени на одну из опор, что необходимоучитывать при проектировании.Все нормативные документы сходятся в методике определения ледовых нагрузок намногоопорные сооружения, руководствуясь следующим принципом:Суммарная нагрузка = макс.
нагрузка на 1 опору × кол-во опор × понижающий коэф.По СП 38.13330.2012 нагрузку от воздействия ровного ледового поля на сооружение,состоящее из системы вертикальных опор, , МН, определяют по формуле: = 1 2 1(2.9)гдеnt– общее количество опор сооружения;1 - ледовая нагрузка на одну опору;1 – коэффициент неодновременного действия максимальных нагрузок на опоры;2 – коэффициент взаимовлияния опор, принимаемый в зависимости от расстояния всвету между опорами.При этом рекомендуется коэффициенты К1 и К2 уточнять для каждого рассматриваемогорайона на основе модельных испытаний и численного моделирования [19].Среди эффектов, которые не учитываются в СП 38.13330.2012, но которые необходиморассматривать, это возможность затора ледовой массы между опорами и его влияние наледовую нагрузку.54Локальные ледовые нагрузкиЛокальные участки сооружения, подверженные прямому воздействию льда, испытываютбольшее ледовое давление, чем давление, осредненное к общей площади зоны контакта льда ссооружением, которое принимается для определения глобальной ледовой нагрузки.Большое количество экспериментов, проведенных в лабораторных и натурных условиях,показывают, что локальное давление на площадь зоны контакта до 1м2 может достигать 9 МПа,на площадь 1-1.5 м2 –до 4 МПа, на площадь до 3 м2 – давление около 2МПа.Выводы по Главе 2Анализируя методики определения ледовых нагрузок при прорезании льда опорой отровных ледовых полей по СП 38.13330.2012 вместе с международными стандартами, в первуюочередь с ISO 19906 (2010), и с данными натурных измерений ледовых воздействий можносделать вывод, что фундаментальных отличий между СП 38.13330.2012 и ISO 19906 нет.Расчетные формулы во всех стандартах используют прочностные характеристики льда иучитывают масштабный эффект ледового воздействия, правильное определение которыхявляется наиболее важным с точки зрения корректности определения ледовых нагрузок.Методика определения ледовых нагрузок от ледового поля по СП 38.13330.2012 являетсядостаточно гибкой в плане определения величины ледовой нагрузки, так ее формулы содержатряд частных коэффициентов, учитывающих различные факторы, такие как:- скорость деформирования льда;- форму опоры в плане;- площадь ледового поля;- отношение ширины опоры к толщине льда.Тем не менее, среди основных положений СП 38.13330.2012 в области определенияледовых нагрузок, которые стоит усовершенствовать с целью более корректного определениявеличины нагрузки, можно выделить следующие:- уточнить базовые общие расчетные положения с целью гармонизации российскихстроительных норм с ведущими зарубежными нормами, а также с учетом современного уровняразвития науки в области ледотехники, накопленного опыта реализации арктических проектови данных крупномасштабных натурных измерений ледовых воздействий;- на базе имеющих многочисленных данных натурных и лабораторных испытанийтребуется уточнить учет масштабного эффекта ледовой нагрузки в формулах по определениюнагрузки от дрейфующего ровного льда на одноопорные и протяженные сооружения;55- требуется доработать расчетные положения по определению ледовых нагрузок намногоопорные сооружения, в том числе с учетом затора ледовой массы между опорами.56Глава 3.
Численное моделирование ледовых воздействий на гидротехническиесооружения и верификация результатов моделирования3.1. Общий обзор возможности моделирования ледовых воздействий при помощи МКЭЧисленное моделирование ледовых воздействий на гидротехнические сооруженияявляется достаточно новым исследовательским направлением.
Моделирование хрупкогоразрушения с переходом льда из сплошной среды в дискретную, учет пространственнойанизотропии льда, зон высокого давления в области контакта с сооружением, учет внешних ивнутренних факторов, влияющих на ледовую нагрузку (более подробно в [31]) – все этипризнаки, присущие сложному поведению льда при его контакте с сооружением, представляютсобой определенный вызов компьютерному моделированию и на данный момент не существуетмоделей, способных в полной мере учесть всю специфику ледового воздействия.Тем не менее, практически с самого начала активного развития компьютерныхтехнологий,предпринимаютсяпопыткииразрабатываютсямоделидлячисленногомоделирования ледовых воздействий (Ахмед Дерраджи, 2005 [78]; Санд, 2008 [36]; Гютнер,2009 [79]; Лозе, 2012 [80]; Шхинек, 2014 [81], и др.). В разработке численных моделей особыйинтерес представляет метод конечных элементов – инструмент, который позволяет решатьмногие задачи динамики и статики.
Моделирование производят в ANSYS, LS-DYNA, ABAQUSи других доступных коммерческих программах.Как полагают многие исследователи, нелинейное конечно-элементное моделирование современем может развиться в надежный инструмент для моделирования и достоверной оценкиледовых воздействий на гидротехнические сооружения [54, 82, 83].На рисунке 3.1 представлена общая схема численного моделирования льда поднагрузкой, составленная на основе различных литературных источников последних лет,осветивших проблематику численного моделирования льда.Как известно, предельное воздействие ледового поля на сооружение ограниченопрочностью льда.
Максимальные ледовые нагрузки происходят, когда во льду появляютсякритические напряжение и он начинает разрушаться. Моделируя лед и ледовое воздействие,необходимо задать критерии его разрушения и смоделировать сам процесс разрушения льда.Таким образом, численное моделирование ледовых воздействий на гидротехническиесооружения возможно при условии, что определены два основных фактора [84, 85]:1)Определенамодельматериала(льда),характеризующаяегонапряженно-деформированное состояние при заданных нагрузках, и заданы критерии его разрушения;572)Определен алгоритм численного моделирования льда (в том числе определен способмоделирования хрупкого разрушения льда).Модель можно рассматривать как некую закономерность, а алгоритм численногомоделирования как инструмент для соблюдения этой закономерности [85].ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЛЬДА ПОД НАГРУЗКОЙАЛГОРИТМ ЧИСЛЕННОГОМОДЕЛИРОВАИЯ ЛЬДАМОДЕЛЬ ЛЬДАЗАКОН НАПРЯЖЕННОДЕФОРМИРОВАННОГОСОСТОЯНИЯ ЛЬДА ПОДНАГРУЗКОЙЛЕД КАКДИСКРЕТНОЕ ТЕЛОМЕТОДДИСКРЕТНЫХЭЛЕМЕНТОВКРИТЕРИЙРАЗРУШЕНИЯ ЛЬДАЛЕД КАКСПЛОШНОЕ ТЕЛОМОДЕЛЬУДАЛЕНИЯЭЛЕМЕНТОВМОДЕЛЬСВЯЗЫВАЮЩИХЭЛЕМЕНТОВУЧЕТГИДРОДИНАМИЧЕСКИХЭФФЕКТОВВОДА В ВИДЕ УПРУГОГООСНОВАНИЯВОДА В ВИДЕ КОНЕЧНОЭЛЕМЕНТНОЙ ЭЙЛЕРОВСКОЙМОДЕЛИРисунок 3.1 - Общая схема численного моделирования льдаВ целях численного моделирования различают два основных фундаментальных подходак рассмотрению льда как:- дискретного тела, состоящего из большого числа отдельных элементов.- твердого сплошного тела.При помощи первого подхода можно моделировать ледовые образования, состоящие изледовых обломков, например, киль тороса либо поле ледовых обломков.
В данном методевзаимодействие отдельных ледовых блоков моделируется при помощи таких моделей, какпружины и демпферы (рисунок 3.2). Разрушение происходит, когда удлинение пружиныбольше предельного:если | − | > ∆ → пружина удаляется(3.1)58узел jузел iРисунок 3.2 - Модель контакта двух ледовых обломков, при рассмотрении льдакак дискретного материала [86]Ровное ледовое поле, как правило, рассматривается в качестве твердого сплошного тела.В таких программных комплексах как ANSYS, LS-Dyna, Abaqus разрушение ледового поля привзаимодействии с сооружением можно смоделировать при помощи двух доступных моделей:1)Модель Связующих Элементов (Cohesive element method).2)Модель Удаления Элементов (Element Erosion technique).Использование Модели Связующих Элементов (Cohesive element method) для изученияпроцесса хрупкого разрушения льда было впервые предложено исследователями J.Dempsey иS.Mulmule, 1998 [87].
Многие исследователи с тех пор использовали данный метод в целяхчисленного моделирования ледовых динамических и статических воздействий на морскиесооружения (Гютнер [88], Конук [89], Шхинек [81], Ли Лян [90] и др.). В данной моделиледовое поле строится из отдельных объемных элементов. Между объемными элементамипомещаются связующие элементы нулевой толщины (рисунок 3.3), которые имитируютповедение трещин и подчиняются закону тяги-деформаций.
В качестве этого закона обычноприменяют закон Твергаарда и Хатчинсона [91], который описывает процесс зарождениятрещины в упруго-пластическом твердом теле и последующий процесс ее постепенногораскрытия. Объемным элементам модели назначают свойства вязко-пластического илихрупкогоматериала.Анизотропияльдаучитываетсяпутемназначенияхарактеристик вертикальным и горизонтальным связующим элементам.СвязующиеэлементыОбъемныеэлементыРисунок 3.3 - Модель связных элементовразличных59Модель Удаления Элементов (Element Erosion technique) является наиболее простой ичасто употребляемой.
В программе ANSYS ледовое поле моделируется как сплошное тело, емуназначается определенная модель, характеризующая его напряженно-деформированноесостояние при заданных нагрузках, и критерий разрушения. Когда под действием внешних силнаступает предельное состояние отдельных элементов ледового поля, они автоматическиудаляются из модели (им автоматически присваивается нулевая жесткость). Таким образом, подразрушением льда в данной модели принимается раздавливание или разрыв отдельныхструктурных элементов ледового поля.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
