Mechanical model of drifted ice interaction of wide offshore structure

Abstract

Рассматривается взаимодействие дрейфующего поля ровного льда с наклонной гранью широкой платформы или протяженного защитного мола. Модели плавающей упругой балки-полоски или пластинки на упругом основании оказываются эффективными для расчета глобальной ледовой вертикальной P и горизонтальной N нагрузок. Учет горизонтальной нагрузки в большинстве работ производится в критерии прочности, определяемой по достижению условия прочности на изгиб (или растяжение) в крайнем волокне в опасном сечении. В статье выполнен учет действия сжимающих напряжений и в критерии, и в уравнениях равновесия. Получено аналитическое решение задачи равновесия плавающей балки в условиях сжатия и изгиба, найдены координаты сечения балки, где действует максимальный изгибающий момент. На плоскости P-N построены кривые, задающие предельные нагрузки для балки. Это позволяет эффективно находить максимальные нагрузки на сооружение в зависимости от сценария взаимодействия (начальный контакт, модель Кроасдейла). Рассмотрена задача о плавающей пластинке с контактным краем, состоящим из дуг окружностей. Решение методом конечного элемента не выявило принципиальных отличий от исследованной модели плавающей балки-полоски. Выполненный расчет показывает, что размер блоков на порядок превышает толщину льда и мало соответствует наблюдаемому в натурных условиях. Для более реалистичного описания рассматривается силовое взаимодействие поля на сооружение посредством образуемого нагромождения. Установлено, что такая модель позволяет объяснить наблюдаемый размер блоков при разрушении дрейфующего ровного поля. The interaction of a drifting ice sheet and wide sloping offshore structures is under consideration. The model of elastic beam and elastic plate equilibrium on hydraulic foundation turn out to be effective for calculation the values both vertical P and horizontal N forces. In many researches the compression force is taken into account in strength criterion of ice bending failure. The compression force is under consideration both in the failure criterion and in the equation of equilibrium. An analytical solution of equilibrium of a floating beam under compression and bending conditions is obtained, the coordinates of the beam section where the maximum bending moment acts are found. The limit curves on the a plane P-N allow to determinate loads value for various scenarios of ice-structure interaction efficiently (initial contact, the Croasdale’s scheme). The problem of equilibrium of floating ice sheet constrained on the contact surface by sequences of arcs is simulated by FEM model. The dimension of break off ice blocks in FEM analyses is in the same order as on the analytical beam solution. The performed calculation shows that blocks size is an order of magnitude greater than the ice thickness and doesn’t correspond to that observed in natural conditions. The pile-up formation is used in the modeling of ice-structure interaction. It allows to describe this process more realistically.