microbik.ru
1 2 ... 238 239
ИНЖЕНЕРНО-СТРОИТЕЛЬНЫЙ ФАКУЛЬТЕТ 
 
СЕКЦИЯ «МОРСКОЕ И ВОДНОТРАНСПОРТНОЕ СТРОИТЕЛЬСТВО» 
 
 
УДК 627 
А.М.Вакуленко (асп., каф. ГТС), А.С.Большев, д.т.н., проф. 
 
МОДЕЛИРОВАНИЕ РАЗРУШЕНИЯ КИЛЯ ТОРОСА  
ПРИ ВЗАИМОДЕЙСТВИИ С ШЕЛЬФОВЫМИ СООРУЖЕНИЯМИ В ПК PLAXIS 2D  
И СРАВНЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ЧИСЛЕННОГО И АНАЛИТИЧЕСКОГО РАСЧЕТА 
 
В  последнее  время  Арктика  стала  важным  местом  для  решения  технических  задач.  В 
первую  очередь  это  обусловлено  открытием  больших  запасов  нефти  и  газа,  которые 
находятся  на  шельфе,  характерной  особенностью  которого  является  наличие  ледяного 
покрова.  Наиболее  часто  встречающаяся  опасность  (риск),  представляющая  угрозу  для 
шельфовых  сооружений  –  это  взаимодействие  с  ледовыми  образованиями,  особенно  с 
однолетними торосами. Торосы постоянно перемещаются под действием ветра и течения и 
оказывают  значительные  нагрузки  на  шельфовые  сооружения.  Так  же  торосы  существенно 
препятствуют навигации в регионах покрытых льдом, рыскают и пропахивают морское дно 
на  мелководье,  что  в  свою  очередь  ведет  к  существенным  затратам  при  проектировании 
шельфовых сооружений. Торос принято разделять на три части: парус, консолидированный 
слой и киль тороса. Существующие методы расчета сил от воздействия льда на сооружение в 
основном  представляют  собой  эмпирические  и  полуэмпирические  формулы.  Эти  методы 
расчета  обладают  рядом  недостатков,  когда  сооружения  подвергаются  атипичным  или 
нехарактерным  ледовым  условиям,  либо  когда  внедряют  конструкции  новой  формы. 
Необходимо  отметить,  что  во  всех  существующих  российских  и  зарубежных  нормативных 
документах  отсутствуют  методы  расчета  нагрузки  при  взаимодействии  киля  тороса  с 
наклонными сооружениями. 
Цель настоящей работы – разработка методологии численного расчета в программном 
комплексе PLAXIS 2D разрушающей нагрузки от воздействия киля тороса с сооружениями 
произвольной формы и сравнение с существующими аналитическими решениями. 
По результатам наблюдений разрушение в результате сдвига является доминирующей 
моделью  разрушения  неконсолидированных  или  частично  консолидированных  обломков 
льда.  Обломки  льда  представляют  собой  зернистый  материал,  состоящий  из  беспорядочно 
ориентированных  обломков,  схожих  с  грунтом,  поэтому  для  его  описания  используют 
модель Мора-Кулона с прочностью на сдвиг () [1]. Сцепление (c), угол внутреннего трения 
()  и  эффективное  нормальное  давление  ()  это  параметры,  контролирующие  прочность  на 
сдвиг неконсолидированных или частично консолидированных слоев, согласно формуле: 
    
tg . 
 
 
 
 
 
(1) 
Использование  метода  конечных  элементов  может  уменьшить  часть  недостатков, 
связанных  с  эмпирическими  методами  расчета.  В  частности,  метод  конечных  элементов 
может быть эффективно использован для изучения влияния граничных условий, геометрии и 
толщины  ледяного  образования  и  других  физико-механических  параметров.  Практическая 
ценность результатов численного моделирования зависит от нескольких факторов, а именно 
от точности континуальной модели льда и способа разрушения реальной системы ледяного 
образования перед сооружением.  
Для  верификации  численного  результата  полученного  в  ПК  PLAXIS  2D,  нагрузки  от 
киля тороса были рассчитаны по формулам Долгополова и др. 1975 г., Croasdale и др. 1994 г. 

 

[1], СНиП 2.06.04-82* с изм. 2003 года [2], ISO/FDIS 19906 от 2010 г. [3], методике, которую 
разработал К.Н.Шхинек (СПбГПУ).  
Механизм разрушения киля тороса в ПК PLAXIS 2D [4] моделируется в рамках теории 
сдвиговой  прочности  Кулона-Мора.  По  результатам  параметрической  оценки  –  наиболее 
важными  параметрами  при  моделировании  являются:  свойства  материала,  граничные 
условия, геометрия киля тороса и сооружения, а так же трение между льдом и сооружением.  
На  основании  выполненных  серийных  расчетов  взаимодействия  киля  тороса  с 
сооружениями в ПК PLAXIS 2D, рассчитаны напряженно-деформированное состояние киля 
тороса при взаимодействии с сооружением, определены максимальные силы от воздействия 
киля тороса и дано сравнение с аналитическими решениями. 
В  табл.  1  сопоставлены  результаты  расчетов  при  взаимодействии  с  вертикальными 
сооружениями,  при  различных  эффективных  ширинах  сооружения  (D)  с  коэффициентом 
трения между льдом и сооружением равным μ = 0,18. 
Таблица 1 
Сводная таблица результатов 
Максимальная горизонтальная нагрузка, МН

 
  Автор/документ 
D = 1 м 
D = 10 м 
D = 50 м 
D = 100 м 

Долгополов (1975) 
0,276 
1,104 
4,784 
9,383 

ISO/FDIS 19906 (2010) 
0,138 
0,966 
4,646 
9,245 

Croasdale (1994) 
0,156 
0,716 
3,206 
6,318 

СНиП 2.06.04-82* (изм. 2003) (μ = 0,18) 
0,074 
0,743 
3,716 
7,433 

Шхинек (μ = 0,18) 
0,090 
0,898 
4,489 
8,979 

PLAXIS 2D (μ = 0,18) 
0,078 
0,780 
3,900 
7,800 
 
Согласно  табл.  1,  результаты  численного  и  аналитического  решения,  а  именно  СНиП 
2.06.04-82* с изменениями 2003 года, методика, которую разработал К.Н.Шхинек (СПбГПУ), 
хорошо  корреспондируются  между  собой  для  вертикальных  сооружений  и  являются 
приемлемыми для расчета. 
Следует отметить, что нагрузка, полученная численным методом при взаимодействии с 
наклонными  сооружениями,  с  увеличением  угла  наклона  сооружения  уменьшается, 
достигает  намного  раньше  максимального  значения,  согласно  же  аналитической  формуле, 
которую  разработал  К.Н.Шхинек  (СПбГПУ),  с  увеличением  угла  наклона  сооружения 
нагрузка  увеличивается  линейно.  Такое  расхождение  в  результатах  аналитического  и 
численного  расчета  указывает  на  недостаточную  точность  понимания  процесса  механизма 
разрушения  на  контакте  киля  тороса  с  наклонными  сооружениями  и  требует  более 
тщательного анализа. 
В  результате  данной  работы  была  разработана  методология  моделирования 
взаимодействия киля тороса с шельфовыми сооружениями произвольной формы и наклона в 
ПК PLAXIS 2D; получены расчетные зависимости и даны рекомендации по использованию 
существующих аналитических методов расчета нагрузки от киля тороса на сооружения при 
локальном разрушении.  
 
ЛИТЕРАТУРА: 
1.  Brown T.G., El Seify M. A unified model for rubble ice load and behavior. PERD/CHC 5-119., 2005 – 
12. Mode of access: ftp://ftp2.chc.nrc.ca/CRTReports/PERD/Ice_Rubble_Model_05.pdf. 
2.  СНиП 2.06.04-82*. Нагрузки и воздействия на гидротехнические сооружения (волновые, ледовые 
и от судов) с изменениями 2003 г. 
3.  ISO/FDIS 19906:2010(E) Petroleum and natural gas industries – Arctic offshore structures. 
4.  PLAXIS. 2D, V.11. Руководство пользователя. 
 

 


следующая страница >>