Динамический расчет плавучего острова

Задача: провести прочностной расчет плавучего железобетонного острова площадью 100 кв.м.

Проект плавучего острова предполагает производство плавучих платформ для размещения на нах производственных и жилых зданий. Острова стационарно стоят в больших водоемах со спокойной водой и могут буксироваться. 

Конструкция плавучего острова должна обеспечивать гашение колебаний океанских волн и обладать достаточной прочностью для восприятия волновых нагрузок от возмущенной поверхности океана. 

Платформа имеет ячеистую структуру и полностью состоит из железобетонных блоков. Блоки соединены между собой упругим материалом. Это позволяет соседним блокам раскачиваться относительно друг друга, повышая прочность конструкции. Чем больше размеры и масса отдельных блоков, тем стабильнее платформа и меньше поддаётся волнению моря.

Количество секций в платформе не ограничено. Блок в состоянии вынести нагрузку в два раза превышающую его собственную массу (аналогично с платформой в целом). Это даёт возможность без особых ограничений возводить различные постройки на верхней палубе платформы.

Внутри каждый блок так же разделён на секции для увеличения прочности и повышения уровня безопасности. Каждый блок сам по себе плавучий, следовательно, если один или несколько блоков выходят из строя, платформа сохраняет свои плавучие характеристики.

Внутри платформы могут размещаться обслуживающий персонал, энергоустановки. Есть множество вариантов касаемо энергообеспечения данной конструкции. Они могут быть использованы как по отдельности, так и в совокупности (в качестве резервных источников питания). Возможно применение: атомной электростанции, дизельных двигателей, солнечных батарей, гидравлических цилиндров и т.д.

Особенности расчета

Целью проводимого анализа являлось определение поведения конструкции при воздействии волновой нагрузки поверхности океана и подтверждение достаточности принятых конструкторский решений для обеспечения требуемого запаса прочности.

Исходные данные - эскиз конструкции, представляющей собой плавучий остров, сформированный на базе крупногабаритной плавучей платформы. Платформа состоит из блоков из армированного железобетона.

Задачи:

• Провести модальный анализ конструкции на выявление резонансных частот;
• Провести расчет способности плавучей конструкции гасить колебания волновой поверхности океана;
• Разработать чертежи на стяжки, закрепляющие блоки плавучего острова между собой. 
• Выполнить анализ распределения волновой нагрузки по конструкции во времени и последующий динамический расчет;
• По результатам расчета дать рекомендации по габаритам блоков, являющихся конструктивными элементами плавучей платформы;
• По результатам расчета дать рекомендации материалов пластин, скрепляющих блоки, их размеры и расстояние между блоками на уровне пластин.
   

Выдержки из результата отчёта:

Максимальное значение говорит о разрушении материала в диапазоне частот от 0 до 1 Гц и достигается ввиду того, что в постановке задачи не рассматривается разрушение материала. Максимальные напряжения возникают в межблочных стяжках, расположенных по краям блоков. Абсолютные значения напряжений увеличиваются при приближении к вершинам блоков. Таким образом, критическими являются несколько крайних стяжек.

Анализируя полученные результаты, можно сделать вывод о том, что на частоте 0,4 Гц конструкция имеет резонансную частоту, о чем свидетельствуют максимальные перемещения элементов конструкции в окрестностях данной частоты. Гашения колебаний при этом не происходит, а наоборот, значительно усиливаются, что приводит к разрушению конструкции.

На частотах выше 1 Гц происходит гашение колебаний. Внутренние блоки при указанных частотах подвержены менее амплитудным колебаниям. В этом диапазоне частот наибольшим вибрациям подвержены надстройки центральных блоков, однако, амплитуды смещения при этом невелики.

Окончательное решение по поводу использования конструкции должно выноситься на основе анализа характера волнового поведения водной поверхности в конкретной точке земного шара. Как известно, частота и длина волны, при неизменной высоте волны могут в значительной степени отличаться, что непосредственно скажется на поведении конструкции. Однако стоит отметить, что период океанской волны может составлять до нескольких десятков секунд, что соответствует низким частотам, в которых рассматриваемая конструкция входит в резонанс.

При увеличении количества бетонных блоков в конструкции (например, до 100) резонансный пик будет смещаться в сторону более низких частот. Напротив, при уменьшении числа блоков в конструкции резонансные частоты будут стремиться к 1 Гц. Данный факт был продемонстрирован на тестовой задаче, отправленной в ответ на одно из писем заказчика по поводу достоверности получаемых данных, где была рассмотрена система из двух блоков.

В качестве решения задачи уменьшения амплитуды пиковых колебаний конструкции можно предложить использование по периметру конструкции волноломов, что позволит в значительной мере снизить волновую нагрузку на конструкцию. Устройство и принцип работы подобных сооружений достаточно хорошо освещены в классической литературе. Наряду с этим, можно рассмотреть вопрос об установке гасителей колебаний между крайними блоками. Это позволит погасить энергию волны и избежать ее дальнейшей передачи на смежные блоки.

Также следует отметить, что полученные расчетные данные являются приблизительными главным образом по причине неизвестного коэффициента рассеивании энергии. Подобные надежные данные получаются только при проведении экспериментальных исследований.