Нагрузки и воздействия ветра на морские нефтегазопромысловые гидротехнические сооружения.

Ветровые нагрузки, действующие на морские нефтегазопромысловые гидротехнические сооружения, зависят от скорости ветра, площади парусно­сти и аэродинамических параметров сооружения и его отдельных элементов. Следовательно, при оценке ветровой нагрузки изначально необходимо досто­верно определить скорость ветра в районе строительства и эксплуатации сооружения. Скорость ветра является случайной величиной и порождается барическими процессами. В районе эксплуатации МНГС она может быть установлена анализом ежесуточных метеорологических сводок. Вследствие пуль­сации скорости ветра в период измерений приходится усреднять скорость ветра за некоторый конечный интервал. На суше построены карты, по кото­рым определяют значения скорости ветра для определения ветровой нагрузки. Эти карты построены на основе многолетних метеорологических наблюдений. Однако сложнее обстоит дело с акваториями мирового океана. В этом случае до строительства МНГС проводятся метеорологические наблюдения за скоро­стью ветра, на основе которых определяются расчетные параметры ветра. Для МНГС, разрушение которых связано с особо большим материальным ущер­бом и человеческими жертвами, рекомендуется принимать максимальную скорость ветра повторяемостью один раз в 100 лет. Эта скорость определяется на основании статистических расчетов по полученным данным метеорологи­ческих наблюдений. Однако есть определенная вероятность превышения этого значения в течение какого-либо периода эксплуатации МНГС. При отсутствии информации по скорости ветра над водой определенной акватории допускается принимать ее на 10 % больше той, которая наблюдалась на бли­жайшей наземной станции. Определяемое значение скорости, как правило, относится к высоте 10 м над поверхностью земли или воды на данной аквато­рии. Для определения скорости ветра, в том числе и на других высотах, имеет­ся зависимость, справедливая в диапазоне высот до 180 м.

^β (8.1)

где v_tz— скорость ветра, осредненная в интервале времени t на высоте z',

-скорость ветра, осредненная в интервале 1 ч на высоте 10 м над уровнем моря;

Нагрузки ивоздействия на морские нефтегазопромысловые гидротехнические сооружения

а — коэффициент порывистости;

β — высотный фактор;

Значения коэффициента порывистости и высотного фактора в зависимо­сти от времени осреднения приведены в табл. 8.1.

Таблица 8.1 Значения коэффициента а, фактора β

Коэффициент пор	Интервал осреднения
	1ч	10 мин	1 мин	15с	5с	Зс
а	1,000	1,060	1,180	1,260	1,310	1,330
β	0,150	0,130	0,113	0,106	0,102	0,100

При расчете сооружений необходимо также учитывать пульсации скоро­сти ветра. Они называются порывами, поэтому при расчете ветровой нагруз­ки приводятся значения скорости ветра в порывах с определенным периодом осреднения. Чем меньше период осреднения, тем выше скорость ветра в порыве.

Реакция сооружений на порывы ветра различна и зависит главным обра­зом от жесткости сооружения и его элементов. Так, плавающие объекты реа­гируют уже на порывы ветра длительностью около 1 с. МНГС, как правило, реагируют на порывы ветра с интервалами осреднения от 5 до 15 с.

Для построения ветрового профиля при различных интервалах осредне­ния можно воспользоваться данными табл. 8.2.

Таблица 8.2 Данные для построения ветрового профиля при разных интервалах осреднения

 

Высота над уровнем моря, м	Интервал осреднения
	1ч	10 мин	1 мин	15 с	5с	Зс
	1,00	1,06	1,18	1,26	1,31	1,33
	1,10	1,16	1,28	1,36	1,41	1,43
	1,18	1,22	1,34	1,42	1,47	1,48
	1,23	1,27	1,38	1,46	1,51	1,53
	1,27	1,31	1,42	1,49	1,54	1,56
	1,31	1,34	1,44	1,52	1,57	1,59
	1,37	1,39	1,49	1,57	1,62	1,64
	1,41	1,43	1,53	1,61	1,66	1,67
	1,45	1,46	1,56	1,64	1,69	1,71
	1,48	1,49	1,59	1,67	1,71	1,73

Нагрузка от воздействия ветра

Ветровая нагрузка, действующая на надводную часть конструкции МНГС, складывается из ветровых нагрузок, приходящихся на отдельные его части.

Ветровая нагрузка на сооружение в общем случае определяется как сумма средней и пульсационной составляющих. Пульсационная составляющая, в свою очередь, разделяется на квазистатическую и резонансную.

Значение средней составляющей ветрового давления w(z) на высоте z над поверхностью моря следует определять по формуле

w(z) = w₀c_xk(z), (8.3)

где w₀, Па - расчетное значение ветрового давления на высоте 10 м над поверхностью воды;

w₀ = 0,61v₀²; (8.4)

v₀ — скорость ветра на уровне 10 м над поверхностью воды, соответствую­щая 10 мин интервалу осреднения и превышаемая в среднем раз в 100 лет (если техническими условиями не регламентированы другие периоды повторяемо­сти скоростей ветра); значение v₀ допускается устанавливать на основе данных метеостанций, а также если зона освоения шельфа попадает в один из ветро­вых районов (по карте 3 приложения 5 к СНиП 2.01.07-85*), то расчетное дав­ление w₀ допускается устанавливать путем экстраполяции соответствующих значений в область периода повторяемости скоростей ветра один раз в 100 лет;

с_х — аэродинамический коэффициент, определяемый в соответствии с указаниями СНиП 2.01.07-85 или по данным аэродинамических испытаний;

k(z) — коэффициент, учитывающий изменение ветрового давления по высоте, принимаемый по табл. 3

Таблица 8.3 Значение коэффициента k(z)

Высота над уровнем спокойного моря, z, м	до 10
K(z)	1,00	1,15	1,25	1,30	1,40	1,50

Учет формы обтекаемого ветром объекта (надводной части опорного блока или объекта верхнего строения палубы) МНГС осуществляется наз­начением соответствующего аэродинамического коэффициента с_х. Этот коэффициент определяется по рекомендациям соответствующего норма­тивного документа (СНИП 2.01.07-85*) или результатам аэродинамических испытаний.

Нагрузки и воздействия на морские нефтегазопромысловые гидротехнические сооружения

Имеющийся опыт назначения аэродинамического коэффициента с_хсогласно [109] позволяет рекомендовать следующие их значения для различ­ных форм и конструктивных особенностей объекта. Так, для наиболее распро­страненных сплошных конструкций значения аэродинамического коэффици­ента приведены в табл. 8.4. Кроме этого, например, для буровой вышки решетчатой конструкции из труб с_х = 1,6—1,8, ферменной конструкции опор­ного блока с_х= 1,3.

Таблица 8.4 Значение аэродинамического коэффициента

В случае отсутствия значения аэродинамического коэффициента для определенной конструкции его получают при проведении специальных аэро­динамических испытаний путем «продувки» модели конструкции в аэродина­мической трубе или испытания конструкции в натурных условиях. Последний метод достаточно дорогой, редко применяется в инженерной практике и может быть эффективен только для очень ответственных сооружений.

Чтобы определить ветровую силу W(z) на объект от средней составляющей ветрового давления w(z), необходимо просуммировать ветровое давление по площади парусности объекта s(z), т.е.

W{z) = w(z) *s(z). (8.5)

Под площадью парусности s(z) понимается проекция всех поверхностей объекта на вертикальную плоскость. Если объект состоит из отдельных частей, между которыми имеется свободное пространство, то общая площадь парусно­сти определяется как сумма отдельных площадей при условии, что отдельные объекты имеют одинаковые значения аэродинамических коэффициентов. Если каждая отдельная часть объекта имеет различные аэродинамические коэффициенты, то общее силовое воздействие ветра на объект в целом должно определятся как сумма силовых воздействий ветра на отдельные части объекта.

Точка приложения ветровой силы находится в центре тяжести эпюры средней составляющей ветрового давления w(z).

При оценочных расчетах конструкций МНГС допускается расчет нагруз­ки от ветра ограничить определением силы W(z) на объект от средней соста­вляющей ветрового давления w(z).

Снеговая нагрузка.

Снеговая нагрузка в основном зависит от высоты снегового покрова в данной местности, акватории и конфигурации кровли, верхней части обору­дования ВСП. Высоту снегового покрова определяют на основе метеорологи­ческих исследований для данного района акватории. В случае отсутствия таких исследований на начальных стадиях проектирования допускается значение высоты снегового покрова принимать на основе метеорологических исследо­ваний, проведенных на суше, по которым выполнено районирование террито­рии Российской Федерации. На основе этих исследований вся территория РФ разбита на шесть районов, для которых определен вес снегового покрова р₀ на 1 м² горизонтальной поверхности земли (табл.8.5).

Таблица 8.5 Вес снегового покрова р₀на 1 м² горизонтальной поверхности земли

Климатический район РФ	Вес снегового покрова, Н/м2	Районы и акватории, на которые можно распространить районирование
I		Черное, Азовское и Каспийское моря
III		Арктический шельф
IV		Магаданский шельф
V		Сахалинский шельф

Тогда нормативная снеговая нагрузка для определенного района или аква­тории определится из выражения

р^н=р₀с, (8.6)

где с - коэффициент перехода от веса снегового покрова на горизонтальную поверхность земли (акватории) к нормативной нагрузке на покрытие с учетом его неравномерности распределения в зависимости от рельефа кровли.

Значения коэффициентов с в зависимости от очертания покрытия опре­деляют по рекомендациям нормативного документа, например, согласно которому на рис. 1 приведены наиболее часто встречаемые формы кровель и рекомендуемые для них значения коэффициента с.

Нагрузки и воздействия на морские нефтегазопромысловые гидротехнические сооружения

Рис. 1. Схемы снеговой нагрузки

Для односкатных и двускатных профилей кровли, приведенных на рис.1, значения коэффициента принимаются по двум вариантам:

- для варианта 1 при угле наклона а < 25°, равном 1,0, а при угле а > 60° с = 0, в промежутке значений угла а значения коэффициента с принимается по интерполяции;

- при двускатном профиле кровли в диапазоне значений 20° < а < 30° зна­чения коэффициента с принимают по варианту 2.

Рисунок 1 Схема МЛСП «Приразломная»:

общая высота	141 м
высота кессона	24,3 м
кессон в нижней части	126 x 126 м
кессон в верхней части	102 x 102 м
Высота буровой вышки	35 м
Ширина буровой вышки	10 м
Высота факельной вышки	50 м
Ширина факельной вышки	10 м
Жилой модуль д/ш/в	30/15/15 м
ν 1ч,10	1,5м/с
k(z)	20м
сх	1,6
s(z)	7050м
		ν 1ч,10 м/с	k(z) м	сх	s(z) м
		1,5		1,6
		1,6		2,6
		1,7		3,6
		1,8		4,6
		1,9		5,6
				6,6
		2,1		7,6
		2,2		8,6
		2,3		9,6
		2,4		10,6
		2,5		11,6
		2,6		12,6
		2,7		13,6
		2,8		14,6
		2,9		15,6
				16,6
		3,1		17,6
		3,2		18,6
		3,3		19,6
		3,4		20,6
		3,5		21,6
		3,6		22,6
		3,7		23,6
		3,8		24,6
		3,9		25,6
				26,6
		4,1		27,6
		4,2		28,6
		4,3		29,6
		4,4		30,6

Решение

=м/с

w0 = 0,61v02Па

w(z) = w⁰cxk(z)= Па

W{z) = w(z) *s(z)= атм