СТАНДАРТ ОРГАНИЗАЦИИ

МЕТОДИКА
РАСЧЕТА ВОЛНОВОЙ НАГРУЗКИ
ЛЕДОСТОЙКУЮ СТАЦИОНАРНУЮ ПЛАТФОРМУ

ОТКРЫТОЕ АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО "ГАЗПРОМ"

Общество с ограниченной ответственностью
"Научно-исследовательский институт природных газов и газовых
технологий - ВНИИГАЗ"
Общество с ограниченной ответственностью
"Информационно-рекламный центр газовой промышленности"

Москва 2005

Предисловие

1 РАЗРАБОТАН Обществом с ограниченной ответственностью "Научно-исследовательский институт природных газов и газовых технологий - "ВНИИГАЗ"

2 ВНЕСЕН Управлением техники и технологии разработки морских месторождений Департамента по добыче газа, газового конденсата и нефти ОАО "Газпром"

3 УТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ Распоряжением ОАО "Газпром" от 25 апреля 2005 г. № 60 с 12 августа 2005 г.

4 ВВЕДЕН ВПЕРВЫЕ

Содержание

Введение

Настоящая Методика расчета волновой нагрузки на ледостойкую стационарную платформу разработана с целью совершенствования нормативной базы для проектирования морских ледостойких стационарных платформ в условиях Обской и Тазовской губ, где в качестве концептуальных проектов платформ для обустройства морских углеводородных месторождений в первую очередь рассматриваются варианты с однокорпусными опорными блоками.

Методика дополняет и уточняет расчетные требования и положения российских норм СНиП 2.06.04-82* [1], ВСН 41.88 [2] в части определения волновых нагрузок и воздействий на цилиндрические и призматические сооружения больших диаметров (поперечных размеров), имеющих вертикальные стенки. В этом случае, когда размеры поперечного сечения сооружения сопоставимы по величине с длиной расчетной волны, волновые нагрузки должны определяться с учетом явления дифракции, которая учитывает изменения в набегающем волновом поле из-за присутствия сооружения. Методика реализована в рамках детерминистического подхода и устанавливает расчетные требования для следующих видов нагрузок, порождаемых действием волн: горизонтальной, вертикальной, опрокидывающего момента, локального давления, а также положения по определению возвышения взволнованной поверхности у преграды и максимальных значений донных скоростей.

Методика составлена Д.А. Мирзоевым, С.И. Шибакиным, Д.А. Онищенко, С.И. Рогачко, С.Н. Хахалиной.

СТАНДАРТ ОТКРЫТОГО АКЦИОНЕРНОГО ОБЩЕСТВА "ГАЗПРОМ"

Дата введения 2005-08-12

1 Область применения

Настоящая Методика расчета волновой нагрузки на ледостойкую стационарную платформу (далее - Методика) предназначена для использования в проектах освоения шельфа при расчете волновых нагрузок на одиночные сооружения больших диаметров (поперечных размеров) с вертикальными стенками в условиях Обской и Тазовской губ на стадиях разработки предпроектной документации (стадии ''Инвестиционный замысел (предложение)" и "Обоснование инвестиций" (включая "Декларацию о намерениях")) в структурных подразделениях, дочерних обществах и организациях ОАО "Газпром".

На стадиях "Проект" ("Рабочий проект") и "Рабочая документация" положения Методики могут использоваться для получения предварительных данных по волновым нагрузкам с обязательным последующим уточнением величин нагрузок посредством расчетов, учитывающих отклонение реальной формы сооружения от идеальной цилиндрической или призматической, а также особенности рельефа дна в районе установки сооружения.

2 Термины, определения и обозначения

2.1 В настоящей Методике применяются термины по [1-3].

2.2 В настоящей Методике применяются следующие основные обозначения:

d - глубина воды при расчетном уровне, м;

d_cr - критическая глубина воды, при которой происходит первое обрушение волн, м;

g - ускорение свободного падения, м/с²;

h - высота волны, м;

k - волновое число, рад/м;

p - гидродинамическое волновое давление, кПа;

q_x - распределенная по высоте горизонтальная линейная нагрузка от волн на вертикальную преграду, кН/м;

B - ширина призматической преграды, м;

D - диаметр цилиндрической преграды, м;

M - опрокидывающий момент от действия волновой нагрузки, кН·м;

T - период волны, с;

Q_x, Q_z - горизонтальная и вертикальная проекции силы от воздействия волн на преграду соответственно, кН;

U_Д - максимальная донная скорость, м/с;

λ - длина волны, м;

η_с ζ_с - возвышение гребня волны (свободной волновой поверхности) у вертикальной цилиндрической и призматической преград соответственно, м;

ρ - плотность воды, т/м³;

ω - частота волны, рад/с,

3 Общие положения

3.1 Нагрузки и воздействия от волн на одиночные вертикальные цилиндрические преграды при относительном диаметре преграды  и относительной глубине , а также нагрузки и воздействия от разбивающихся волн (при ) следует определять по СНиП 2.06.04-82* [1].

3.2 С помощью настоящей Методики расчеты следует выполнять в случае одиночных вертикальных цилиндрических преград при следующих значениях параметров: ,  и при , , а также в случае призматических преград при значениях параметров . В обоих случаях дополнительно требуется выполнение условия  где d_cr - критическая глубина, определяемая согласно СНиП 2.06.04-82* (пункт 4 Приложения 1) [1].

3.3 Положения Методики устанавливают нормативные значения волновых нагрузок. Расчетное значение каждой нагрузки должно вычисляться как произведение нормативного значения нагрузки на коэффициент надежности по нагрузкам γ_f, который принимается равным 1,0.

Примечание - Значение γ_f = 1,0 для волнового воздействия апробировано на практике и использовалось в СНиП 2.06.01-86 Гидротехнические сооружения. Основные положения проектирования и СНиП 33-01-2003 Гидротехнические сооружения. Основные положения.

3.4 В случаях, когда форма сооружения отличается от идеальной цилиндрической или призматической, а также когда имеются особенности рельефа морского дна, результаты расчетов с помощью настоящей Методики должны рассматриваться лишь в качестве первого приближения. Для получения более точных величин нагрузок следует выполнять расчеты по усложненным методикам (метод стоков/источников, метод конечных элементов и др.) [4-6], реализованным в рамках апробированных вычислительных комплексов. Соответствующие рекомендации по выполнению проектных расчетов имеются в зарубежных нормативных документах API RP 2N [7], CAN/CSA-S471 [8], BS 6235 [9], DNV CN 30.5 [10] а также в работах [11-12]

3.5 В наиболее сложных с расчетной точки зрения ситуациях (нетрадиционная форма сооружения, усложненный рельеф дна), а также в случае  необходимо дополнительное проведение модельных испытаний.

4 Необходимые исходные данные и требования к ним

Для проведения расчетов с помощью настоящей Методики требуются следующие исходные данные:

d - глубина воды при расчетном уровне моря, м, принимаемая согласно СНиП 2.06.04-82* [1];

h - высота расчетной волны, м, принимаемая согласно СНиП 2.06.04-82* (Приложение 1) [1];

T - период расчетной волны, принимаемый согласно СНиП 2.06.04-82* (Приложение 1) [1].

5 Нагрузки от волн на вертикальные преграды

5.1 Цилиндрические преграды

5.1.1 Горизонтальную линейную (на единицу высоты) нагрузку от воздействия волн на вертикальную цилиндрическую преграду на глубине , м, от расчетного уровня воды (расчетная схема показана на рисунке 1) при произвольном ее расположении относительно вершины гребня волны , кН/м, вычисляют по формуле:

,                                                (1)

где ρ - плотность воды, т/м³;

g - ускорение свободного падения, равное 9,81 м/с²;

k - волновое число, рад/м, вычисляемое по формуле:

,                                                                                      (2)

λ - длина расчетной волны, вычисляемая по формуле:

,                                                                                        (3)

где T - период волны, с;

h - высота расчетной волны, м, принимаемая согласно СНиП 2.06.04-82* (Приложение 1) [1];

D - диаметр преграды, м;

C_i - инерционный коэффициент, принимаемый по графику на рисунке 2;

d - глубина воды при расчетном уровне моря, м;

ω - частота волны, рад/с, вычисляемая по формуле:

,                                                                                     (4)

t - время, с;

α - угол фазового сдвига между моментом наступления максимума линейной нагрузки и моментом прохождения переднего склона профиля волны через уровень спокойного горизонта на оси цилиндра (см. рисунок 1).

Примечание - При выполнении условия  можно принять α = 0 [4].

5.1.2 Максимальную горизонтальную линейную нагрузку от воздействия волн на вертикальную цилиндрическую преграду на глубине , м, от расчетного уровня воды (рисунок 1) , кН/м, вычисляют по формуле:

,                                                       (5)

где  - поправочный коэффициент, учитывающий нелинейный эффект возвышения свободной поверхности по контуру преграды, вычисляемый по формуле:

;                                                                 (6)

где  - коэффициент силы, определяемый по графику на рисунке 3 (кривая 1);

ρ, g, k, h, D, C_i, d - обозначения те же, что в 5.1.1.

Рисунок 1 - Расчетная схема вертикальной цилиндрической (призматической) преграды

Рисунок 2 - График инерционного коэффициента C_i

5.1.3 Максимальную горизонтальную силу от воздействия волн на вертикальную цилиндрическую преграду , кН, вычисляют по формуле:

,                                                            (7)

где ρ, g, h, D, C_i, k, d - обозначения те же, что в 5.1.1;

 - обозначение то же, что в 5.1.2.

5.1.4 Максимальный опрокидывающий момент от действия горизонтальной составляющей волнового воздействия на вертикальную цилиндрическую преграду относительно точки O_i (рисунок 1) , кН·м, вычисляют по формуле:

,                                            (8)

где - поправочный коэффициент, учитывающий нелинейный эффект возвышения свободной поверхности по контуру преграды и определяемый по формуле:

,                                                      (9)

где μ - коэффициент, вычисляемый по формуле:

;

ψ_M - коэффициент момента, определяемый по графику на рисунке 3 (кривая 2);

h, λ, C_i, d, D, k - обозначения те же, что в 5.1.1.

Рисунок 3 – Графики коэффициентов ψ_Q и ψ_M

5.1.5 При расчете вертикальной цилиндрической преграды на сдвиг по сечению, расположенному на глубине z, м, от расчетного уровня воды, максимальную сдвигающую силу , кН, вычисляют по формуле:

,                                                    (10)

где  - вычисляется по формуле (7);

ρ, g, h, D, C_i, k, d - обозначения те же, что в 5.1.1.

5.1.6 Максимальную вертикальную силу от воздействия волн на сплошное дно вертикальной цилиндрической преграды, расположенной на проницаемом основании либо на искусственной каменной постели, при условии, что взвешивающее давление по подошве сооружения равно гидростатическому, , кН, вычисляют по формуле:

,                                                                       (11)

где γ_z - коэффициент максимальной вертикальной силы от воздействия волн на дно преграды с учетом проницаемости основания; определяемый по графикам на рисунке 4;

ρ, g, h, D, C_i, k, d - обозначения те же, что в 5.1.1.

Примечание - При прохождении вершины волны через вертикальную ось преграды сила  направлена вверх, при прохождении подошвы волны -вниз.

Рисунок 4 - Графики значений коэффициента γ_z максимальной вертикальной силы
от воздействия волн на дно цилиндра с учетом проницаемости основания

5.1.7 Максимальное значение опрокидывающего момента относительно точки O₁ (рисунок 1) от совместного действия горизонтальной и вертикальной составляющих волнового воздействия на вертикальную цилиндрическую преграду , кН·м, при условии распределения взвешивающего давления согласно 5.1.6 вычисляют по формуле:

,                                                                 (12)

где  - вычисляется по формуле (8);

 - дополнительный опрокидывающий момент, действующий на дно преграды от вертикальных волновых давлений, вычисляемый по формуле:

,                                                                  (13)

где  - коэффициент дополнительного опрокидывающего момента от воздействия волн на дно преграды с учетом проницаемости основания, определяемый по графикам на рисунке 5;

ρ, g, h, D - обозначения те же, что в 5.1.1.

Рисунок 5 - Графики значений коэффициента  дополнительного опрокидывающего
момента от воздействия волн на дно цилиндра с учетом проницаемости основания

5.1.8 Избыточное над гидростатическим волновое давление p, кПа, в произвольной точке смоченной поверхности вертикальной цилиндрической преграды на глубине z, м, в момент времени, соответствующий наступлению максимумов нагрузок  и  вычисляют по формуле:

,                                                              (14)

где  - коэффициент распределения давления по периметру вертикальной цилиндрической преграды, определяемый по графикам на рисунке 6;

θ - центральный угол, отсчитываемый от направления луча волны, град;

ρ, g, h, k, d - обозначения те же. что в 5.1.1.

Рисунок 6 - Графики значений коэффициента распределения давления χ по периметру
цилиндрической преграды

5.1.10 Максимальную донную скорость у контура и в окрестности вертикальной цилиндрической преграды  м/с, вычисляют по формуле:

,                                                                   (15)

где  - коэффициент максимальной донной скорости, определяемый по графикам на рисунке 7:

h, T, k, d - обозначения те же, что в 5.1.1.

Рисунок 7 - Графики значений коэффициента максимальной донной скорости

Максимальная донная скорость, определяемая через коэффициент  по рисунку 7 (кривая 1), возникает в районе точек контура вертикальной цилиндрической преграды, расположенных под углами θ = 90° и θ = 270° к лучу волны.

Максимальная донная скорость в окрестности вертикальной цилиндрической преграды, определяемая через коэффициент  по рисунку 7 (кривая 2), возникает в районе точки, расположенной перед преградой (θ = 0°) на расстоянии 1 от контура преграды. Значение l при  вычисляют по формуле:

,                                                           (16)

а при  - по формуле:

                                                                               (17)

5.2 Призматические преграды

5.2.1 Нагрузки и воздействия от волн на одиночные вертикальные призматические преграды следует определять в соответствии с настоящим разделом при .

5.2.2 Максимальную горизонтальную линейную нагрузку от воздействия волн на вертикальную призматическую преграду на глубине , м, от расчетного уровня воды (рисунок 1) , кН/м, вычисляют по формуле:

,                                                                (18)

где B - ширина преграды (по нормали к лучу волны), м;

С_n - коэффициент, учитывающий нелинейные эффекты волнового воздействия, вычисляемый по формуле:

,                                                                              (19)

C_Q - коэффициент, зависящий от формы горизонтального сечения опоры и параметра . Для преград, форма в плане которых показана на рисунке 8, значения C_Q следует принимать по графикам, приведенным на рисунке 9, в остальных случаях - по результатам модельных испытаний;

ρ, g, h, k, d - обозначения те же, что в 5.1.1.

 

Рисунок 8 - Форма в плане вертикальных призматических преград
и схемы взаимодействия с волной

5.2.3 Максимальную горизонтальную силу от воздействия волн на вертикальную призматическую преграду , кН, вычисляют по формуле:

,                                                             (20)

где обозначения те же, что в 5.2.2.

Рисунок 9 - График значений коэффициента C_Q

5.2.4 При расчете опоры на сдвиг по сечению, расположенному на глубине z, м, от расчетного уровня воды, максимальную сдвигающую силу , кН, вычисляют по формуле:

,                                                   (21)

где обозначения те же, что в 5.2.2.

5.2.5 Максимальный опрокидывающий момент от воздействия волн на вертикальную призматическую преграду относительно центра основания (точка O₁, на рисунке 1) , кН·м, вычисляют по формуле:

,                                                                          (22)

где  - вычисляют по формуле (20);

z_Q - возвышение точки приложения максимальной горизонтальной силы от воздействия волн над уровнем дна, м, которое вычисляют по формуле:

,                                                                         (23)

где d, k - обозначения те же, что в (5.1.1).

6 Возвышение взволнованной поверхности у контура преграды

6.1 Цилиндрические преграды

6.1.1 Максимальное возвышение гребня волны у контура вертикальной цилиндрической преграды над расчетным уровнем воды , м, вычисляют по формуле:

,                                                                              (24)

где  - коэффициент максимального возвышения волны у контура вертикальной цилиндрической преграды, определяемый по таблице 1 или по графику на рисунке 10;

Таблица 1

Рисунок 10 - График значений максимального возвышения
гребня волны  у цилиндрической преграды

 - превышение вершины волны с высотой обеспеченностью i = 0,1% над расчетным уровнем воды, определяемое по СНиП 2.06.04-82* (пункт 2.3) [1], либо вычисляемое по формуле:

                                                           (25)

где h_i - высота волны обеспеченностью i = 0,1 %;

k, d, λ - обозначения те же, что в 5.1.1.

6.2 Призматические преграды

6.2.1 Максимальное возвышение волновой поверхности перед одиночной призматической преградой над расчетным уровнем воды при воздействии волн с высотой обеспеченностью i - 0,1 % , м, вычисляют по формуле:

K_z - коэффициент, зависящий от параметра , принимаемый по графику на рисунке 11;

h, k, d - обозначения те же, что в 5.1.1.

Рисунок 11 - График значений коэффициента K_z

Библиография

[1] СНиП 2.06.04-82* Нагрузки и воздействия на гидротехнические сооружения (волновые, ледовые и от судов)

[2] ВСН 41.88 Проектирование ледостойких стационарных платформ

[3] ОСТ 51.89-82 Морские нефтегазопромысловые сооружения и внешние воздействия на них. Термины и определения

[4] Халфин И.Ш., Пиляев С.И. Воздействие волн на морские гравитационные ледостойкие сооружения больших поперечных размеров. - М.: МИСИ им. В.В. Куйбышева, 1986

[5] Халфин И.Ш. Воздействие волн на морские нефтегазопромысловые сооружения. - М.: Недра, 1990

[6] Sarpkaya T., Isaacson M. Mechanics of ware forces on offshore structures. - New York, 1981

[7] API RP 2N Recommended Practice for Planning, Designing, and Constructing Fixed Offshore Platforms , American Petroleum Institute, 1991

[8] CAN/CSA-S471 A National Standart of Canada. General Requirements, Design Criteria, the Environment, and Loads. 1992

[9] BS 6235 Code of Practice for Fixed offshore structures. British Standards Institution, 1982

[10] DNV CN 30.5 Classification Notes. Environmental Conditions and Environmental Loads. Det Norske Veritas, 2000

[11] Разработка рекомендаций по расчету волновых нагрузок на платформу Варандей-море. Отчет по НИР. Пояснительная записка. - М.: МГСУ, 2000

[12] Brebbia C.A., Walker S. Dynamic Analysis of Offshore Structures. - London-Boston: Butterworth, 1979 [Перевод: Бреббиа К., Уокер С. Динамика морских сооружений. - Л.: Судостроение, 1983]