Нагрузки и воздействия на гидротехнические сооружения

1. Ледовые нагрузки на гидротехнические сооружения

2.1 Основные расчетные положения

При проектировании речных и морских гидротехнических сооружений и мостов надлежит учитывать следующие ледовые нагрузки:

1. Динамическую нагрузку от ударов отдельно плывущих льдин;

2. Нагрузку от заторных и зажорных масс (динамическую);

3. Нагрузку от сплошного ледяного покрова при его термическом расширении (статическую);

4. Нагрузку, возникающую от навала ледяного поля на сооружение под влиянием ветра или течения (статическую);

5. Нагрузку, передающуюся примерзшим к сооружению ледяным покровом при колебаниях уровня воды (статическую);

6. Нагрузку, возникающую при трении льдин о поверхность сооружения (динамическую).

Ледовые нагрузки на гидротехнические сооружения должны определяться на основе статистических данных о гидрометеорологических и ледовых условиях в районе расположения сооружения, исходя из их ежегодной вероятности превышения (обеспеченности), устанавливаемых в зависимости от класса сооружений по таблице 14 п.7 СП 38.13330.2012. Нагрузки ото льда на сооружения определяются на период ледовых воздействий.

В число исходных данных по расчету ледовых нагрузок входят:

· характеристики геометрических размеров и форм рельефа ледяного покрова;

· толщина льда: средняя и максимальная;

· перепады температур, необходимые при расчете нагрузки от температурного расширения;

· максимальная и минимальная скорости подхода льда к сооружению;

· температура воздуха, необходимая для расчета прочности льда; скорость ветра.

Основными прочностными характеристиками ледяного покрова являются: пределы прочности льда при сжатии R_c и R_f изгибе.

Эти прочностные характеристики льда зависят от: структуры, температуры и солености льда, направления приложения нагрузки и местного смятия. Физико-механические свойства льда как материала, температура которого близка к точке плавления, изменяются в широких пределах при малейшем изменении внешних условий. Поэтому наиболее достоверными следует считать прочностные характеристики, полученные на основании испытаний образцов льда применительно к условиям строительства сооружения и характера его взаимодействия со льдом.

Исходные данные для расчета ледовых нагрузок следует назначать путем статистической обработки материалов натурных наблюдений в соответствии с ежегодной вероятностью превышения по классу сооружений. Такие данные предоставляются гидрологами. При отсутствии материалов натурных наблюдений ледовых условий за исходные данные принимаются значения параметров, полученные расчетом по гидрометеорологическим условиям местности, соответствующим заданной ежегодной вероятности превышения. В таких случаях также могут быть использованы отчеты прошлых лет; на некоторых гидрологических постах существуют программы прогнозирования, которые с той или иной вероятностью выдают данные, основанные на построении статистической модели ледовых условий в наблюдаемом районе.

При недостатке данных или невозможности определения некоторых характеристик льда и ледовых условий их значения можно определять согласно СП 38.13330.2012 п.7.4÷7.7.

Расчетную толщину ровного льда h следует принимать равной 0,8 от наибольшей за зимний период толщины с вероятностью превышения 1%. Принимают на основе анализа ледовой обстановки за многолетний период. При недостаточности исходных данных рекомендуется использовать для определения h региональные формулы. Метеорологические элементы, входящие в эти формулы, следует выбирать из ряда наблюдений, который не должен быть меньше 10 лет. (СН 76-66 п.2.1, АК 1258 §1 а))

Точку приложения равнодействующей ледовой нагрузки необходимо принимать ниже расчетного уровня воды на 0,3h. (СНиП 2.06.04-82 п.5.2)

В отдельные расчеты ледовых воздействий и нагрузок вводится коэффициент трения f льда о поверхность сооружения, значения которого для основных материалов представлено в СО 34.21.145-2003 (таблица 4).

2.2 Нагрузки на сооружения от полей ровного льда

Нагрузку от воздействия движущихся ледяных полей на сооружения с вертикальной передней гранью необходимо определять: на отдельно стоящую опору (рисунок 1) с передней гранью в виде треугольника, многогранника или цилиндрического очертания F c,p, по формуле:

(1)

Рисунок 1. Схема приложения нагрузки от движущегося ледяного поля на отдельно стоящую вертикальную опору

а секцию протяженного сооружения (рисунок 2) F c,w,по формуле:

(2)

Рисунок 2. Схема приложения нагрузки от движущегося ледяного поля на секцию сооружения

где V – скорость движения ледяного поля, м/с. Для водохранилищ и морей допускается принимать скорость движения ледяного поля равной 3%-ному значению скорости ветра в расчетный период времени ежегодной вероятности превышения в зависимости от класса капитальности сооружения;

h_d – толщина ровного льда;

m – коэффициент формы опоры в плане, принимаемый по таблице 17 п.7.8
СП 38.13330.2012;

А – максимальная площадь ледяного поля (или суммарная площадь нескольких ледяных полей, оказывающих давление друг на друга), м , которая может воздействовать на рассчитываемый элемент сооружения, определяемая по натурным наблюдениям или принимаемая в зависимости от поперечных размеров пролета сооружения как А=3l², (где l – пролет сооружения);

k_b – коэффициент, принимаемый по таблице 18 п.7.8 СП 38.13330.2012;

k_V – коэффициент, принимаемый по таблице 19 п.7.8 СП 38.13330.2012;

γ – половина угла заострения передней грани опоры в плане на уровне действия льда, град; для опоры в виде многогранника или полуциркульного очертания необходимо принимать γ =70°;

ρ– плотность воды;

Максимальная скорость, учитывающая скорость приложения нагрузки с которой начинается зона хрупкого разрушения, составляет 0,15 м/с, минимальная - 0,01 м/с. При этом, нагрузка F_c,p, определенная по формуле (1), не может быть больше нагрузки F_b,p, определяемой по формуле:

(3)

а нагрузка F_c,ц, определенная по формуле (2), не может быть больше нагрузки F_b,w, определяемой по формуле:

(4)

где k – коэффициент, принимаемый по таблице 20 п.7.8 СП 38.13330.2012;

b_s – ширина секции протяженного сооружения по фронту на уровне действия льда, м.

Нагрузку от воздействия ледяного поля на опору с передней гранью в виде прямоугольника следует определять по формуле (3).

Остальные нагрузки подобным же образом рассмотрены в СП 38.13330.2012.

Особое внимание стоит уделить пункту 7.9, в котором определяется нагрузка от воздействия ледяного поля на секцию откосного профиля или отдельно стоящую опору прямоугольного сечения с наклонной передней гранью. Нагрузку от воздействия движущегося ледяного поля следует определять по формулам:

а) горизонтальную составляющую нагрузки F_h:

(5)

б) вертикальную составляющую нагрузки F_v:

(6)

Коэффициенты k_β, m_h и m_v принимаются в зависимости от высоты Δh м, надводного скопления обломков льда у откоса или передней грани сооружения. Значение Δh определяется по данным натурных наблюдений, а при их отсутствии по результатам моделирования. При этом Δh не может быть больше возвышения гребня сооружения над уровнем воды. ВНИМАНИЕ: Δh можно определить согласно СО 34.21.145-2003 п.4.19 по формуле:

(7)

где β – угол наклона образующей конуса (передней грани сооружения откосного профиля) к горизонту, град;

При этом если значение Δh, определенное по выражению (7), больше высоты гребня сооружения над уровнем воды D_h,то принимаетсяΔh= D_h.

2.3 Заключение

Основным действующим нормативным документом по определению ледовых нагрузок на сегодняшний момент является СП 38.13330.2012, однако в силу упразднения многих выкладок расчетов не лишним при проведении расчетов будет пользоваться нормативными документами, предшествующими СП 38, а так же учебными пособиями и справочными изданиями для гидротехников.

Надо понимать и брать во внимание, что ледовые нагрузки являются одними из самых неожиданных, если так можно выразиться, в тяжелых ледовых условиях, носят стихийный характер. При этом при грамотной оценке характеристик льда при проектировании возможно реально оценить влияние нагрузок льда на конструкцию сооружения: далеко не во всех условиях ледовые нагрузки являются определяющими, в ряде случаев ледовые нагрузки скорее корректируют конструкцию либо способствуют добавлению отдельных элементов, работающих на амортизацию рассматриваемых нагрузок. Например, так называемый «ледовый пояс» на причальных сооружениях и даже в этом случае, иногда работу «ледового пояса» берут на себя отбойные устройства, что минимизирует затраты на дополнительные элементы.

Следует отметить, что расчетам на воздействие льда подвергаются не только сооружения I и II классов ГТС, но и берегоукрепления и набережные, относящиеся, как правило, если они являются отдельным объектом и не входят в комплекс, где имеются сооружения выше по классу, к III классу ГТС.

2. Нагрузки от судов (плавучих объектов) на гидротехнические сооружения

3.1 Основные положения

При расчете гидротехнических сооружений на нагрузки от судов (плавучих объектов) необходимо определять:

1. Нагрузки от ветра, течения и волн на плавучие объекты;

2. Нагрузки от навала пришвартованного судна на причальное сооружение при действии ветра, течения и волн;

3. Нагрузки от навала судна при его подходе к портовому причальному сооружению;

4. Нагрузки от натяжения швартовов при действии на судно ветра, течения и волн.

Расчетные повторяемости внешних воздействий на акватории порта должны приниматься в зависимости от продолжительности стоянки судов и обусловленного ими типа швартовной системы (таблица 7 п.6.2 СП 38.13330.2012).

3.2 Нагрузки от навала пришвартованного судна на сооружение

Нагрузку от навала пришвартованного судна на сооружение q, кН/м, под действием ветра, течения и волн, высота которых превышает допускаемые при швартовке значения по таблице 10 п.6.7 СП 38.13330.2012, следует определять по формуле:

(8)

где Q – поперечная сила от суммарного воздействия ветра, течения и волн, кН, определяемая согласно 6.2-6.4, 6.6 СП 38.13330.2012;

l_d – длина участка контакта судна с сооружением, м, принимаемая в зависимости от соотношения длины причала L, м, и длины прямолинейной части борта судна (или обноса) l, м, соответственно:

при L≥l l_d=l,

при L≤l l_d=L.

Для причального фронта, образованного несколькими опорами или палами, распределение нагрузки от пришвартованного судна следует принимать только на те из них, которые располагаются в пределах прямолинейной части борта судна.

Для уточнения волновой составляющей нагрузки на причальное сооружение от пришвартованного судна допускается использование методики, учитывающей динамический характер волнового воздействия и справедливой во всем диапазоне высот волн без ограничения его допускаемыми значениями (приложение Л, СП 38.13330.2012 ).

3.3 Нагрузки от навала судна при подходе к сооружению

Кинетическую энергию навала судна E_q, при подходе его к портовому причальному сооружению следует определять по формуле:

(9)

где W – расчетное водоизмещение (масса) судна, т;

Vв – нормальная (к поверхности сооружения) составляющая скорости подхода судна, м/с;

ψ – коэффициент, учитывающий условия швартовки и конструкцию причальных сооружений.

Значения нормальной составляющей скорости подхода Vв и коэффициента ψ рекомендуется назначать, используя справочные данные приложения М СП 38.13330.2012

Поперечную горизонтальную силу F_q, кН, от навала судна при подходе к сооружению следует определять для заданного значения энергии навала судна E_q,, кДж, по графикам, полученным согласно схеме рисунка 3, следуя по направлению штриховой линии со стрелками.

Рисунок 3 Схема построения графиков зависимости деформаций отбойного устройства (и причального сооружения). а) от энергии E _tot; б) от нагрузки F_q

Суммарная энергия деформации E _tot, кДж, должна включать энергию деформации отбойных устройств E_c, кДж, и энергию деформации причального сооружения E_i, кДж; при E_c≥10 E_i величину E_i допускается не учитывать.

Энергию деформации причального сооружения E_i, кДж, следует определять по формуле:

(10)

где k_i – коэффициент жесткости причального сооружения в горизонтальном поперечном направлении, кН/м.

Продольная сила F_n, от навала судна при подходе к сооружению должна определяться по формуле^

(11)

где μ – коэффициент трения, принимаемый в зависимости от материала лицевой поверхности отбойного устройства: при поверхности из бетона или резины μ =0,5; при деревянной поверхности μ =0,4; при полиэтиленовых брусьях μ =0,1-0,15.

Допускаемое значение нормальной к поверхности сооружения составляющей скорости подхода судна V_adm, следует определять по формуле:

(12)

где E_tot – энергия навала, кДж, принимаемая по графикам, полученным согласно схеме рисунка 16 для случая наименьшей допускаемой силы F_q на причальное сооружение (или на борт судна).

Следует учитывать, что ограничение скорости подхода к сооружению может быть обусловлено размывающим воздействием на донные отложения и/или крепление дна акватории вблизи сооружения, оказываемым потоком, возникающим за счет работы движителей судна.

3.4 Нагрузки на сооружения от натяжения швартовов

Нагрузки от натяжения швартовов должны определяться с учетом распределения на швартовные тумбы (или рымы) поперечной составляющей суммарной силы Q, кН, от действия на одно расчетное судно ветра и течения.

Воспринимаемую одной тумбой (или рымом) силу S, на уровне козырька
(рисунок 4) от всех судов, швартовы которых заведены за тумбу, а также ее поперечную S_q, продольную S_n, кН, и вертикальную S_v, кН, проекции следует определять по формулам:

	(13)
	(14)
	(15)
	(16)

где n – число работающих тумб, принимаемое по таблице 11 п.6.11 СП38.13330.2012;

α, β – углы наклона швартова, град, принимаемые по таблице 12 п.6.11 СП38.13330.2012.

Рисунок 4. Схема распределения усилия на тумбу от натяжения швартовов

Значение силы натяжения швартова S, кН, для судов речного флота должно приниматься по таблице 13 п.6.11 СП38.13330.2012.

Силу, передаваемую на каждую концевую тумбу носовыми или кормовыми продольными швартовами, для морских судов с расчетным водоизмещением более 50 тыс. т следует принимать равной продольной составляющей суммарной силы N, кН, от действия ветра и течения на пришвартованное судно/

Более точное определение усилий в швартовых с учетом конкретной схемы швартовки судна может быть выполнено по формулам приложения Н СП38.13330.2012.

Для специализированных причалов морских портов, состоящих из технологической площадки и отдельно стоящих палов, значения суммарных сил Q, N от действия ветра, течения и волнения, должны распределяться между группами швартовных канатов следующим образом:

а) на носовые, кормовые продольные и прижимные канаты – по 0,8 Q, кН;

б) на шпринги – по 0,6 N, кН.

Если каждая группа швартовов заводится на несколько палов, то распределение усилий между ними допускается принимать равномерным. Значения углов α и β (см. рисунок 4) и число работающих тумб следует устанавливать по расположению швартовных палов.

Для сквозных причальных сооружений I и II классов, расположенных на недостаточно защищенных от волнения акваториях, рекомендуется учитывать волновую составляющую швартовой нагрузки на причал, определяемую на основе апробированных на практике динамических методов расчетов качки пришвартованного судна на волнении или модельных испытаний. Для предварительных оценок допускается использование методики, приведенной в приложении Л СП38.13330.2012.

Следует отметить, что углы наклона швартова при проектировании также могут быть запрошены у технолога, поскольку в зависимости от причала, судна и других факторов на углы швартова накладываются определенные ограничения.