Научная электронная библиотека

Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания

Теоретические основы водного транспорта леса

Корпачев В. П.,

6.7.1 Волновые нагрузки на сооружения

Определение волновых нагрузок на стационарные и нестационарные сооружения представляет собой сложную задачу. Пока нет единого теоретического решения, описывающего многообразный комплекс взаимодействия волн с плавающими и стационарными сооружениями.

Поэтому в каждом конкретном случае необходимо прежде всего выбрать соответствующую теорию волн, определить тип сооружения взависимости от соотношения его размеров и характеристики волн, установить характер крепления сооружения.

Рассмотрим принцип определения волновых нагрузок. Остановимся лишь на некоторых типах сооружений, наиболее близко отражающих характер взаимодействия волн со стационарными и нестационарными сооружениями на лесосплаве.

К стационарным объектам относятся: сваи и свайные кусты, ряжевые опоры, устанавливаемые в речном русле и в прибрежной зоневодохранилищ для крепления рейдовых сооружений, волноломы, берегозащитные сооружения от волн, причальные стенки и т.п.

К нестационарным лесосплавным объектам относят различного типа лесотранспортные единицы: бревно, пучок, плот в заякоренном состоянии или при движении по воде; плавучие волногасители, технологические узлы для сбора древесины на водохранилищах, рейдовые сооружения и т.п.

Нестационарные лесосплавные объекты, попадая в зону воздействия ветро-волновых нагрузок, испытывают дополнительные гидродинамические нагрузки: дополнительное сопротивление плотов на волнении, нагрузки в узлах соединения элементов сооружений, нагрузки в якорных креплениях.

Определение волновых нагрузок на элементы конструкций представляет собой сложную задачу. Разработанные различные теории волн позволяют аналитически описать многие проблемы вза имодействия волн и различного типа сооружений. Однако не всегда удается решить аналитически и оценить количественно динамическое воздействие волн, т.к. сооружение само может воздействовать на кинематику волн и трансформировать волну.

В зависимости от соотношения характерного линейного размера сооружения и длины волны различают следующие волновые режимы [48]: d/l > 1(d – диаметр преграды или его другой характерный размер; l – длина волны) – наблюдается полное отражение волн; d/l > 0,2 - дифракцию необходимо учитывать; d/l < 0,2 – дифракцией можно пренебречь; d/w₀ > 0,2 (w₀ – параметр ширины орбиты, равный высоте волн на глубокой воде) – преобладает инерционная составляющая волновой нагрузки; d/w₀ < 0,2 – преобладает скоростная составляющая волновой нагрузки.

Волновые нагрузки для любого волнового режима определяют в два этапа: 1 – определяют кинематику потока жидкости, координаты свободной поверхности жидкости, используя для этого соответствующую теорию волн; 2 – определяют гидродинамические силы исходя из формулы Морисона или из дифракционной теории.

Исследуя действие волновых нагрузок на сооружение, выделим два типа внешних нагрузок; статические и динамические нагрузки.

Статические нагрузки – нагрузки, неизменяющиеся во времени или меняющиеся настолько медленно, что ускорениями и, соответственно, инерционными силами можно пренебречь по сравнению с самими нагрузками. К статическим нагрузкам можно отнести, например, собственный вес сооружения и технологического оборудования, снеговую нагрузку, статическую составляющую ветровой нагрузки.

Динамические нагрузки - это такие нагрузки, которые во время действия сообщают массам сооружения ускорения, вызывая появление инерционных сил, значительных по сравнению с действующими нагрузками. Динамические нагрузки переменны по величине, во времени, по точке приложения, направлению.

Динамические нагрузки от волн в зависимости от типа волн разделяют на два вида: детерминированные нагрузки от регулярных волн,характеризующиеся постоянной высотой волны и периодом; случайные нагрузки от нерегулярных волн, имеющих переменные высоты и периоды. Величина случайной нагрузки в любой момент времени может принимать случайное, заранее неизвестное значение.

Вероятностный характер волновой нагрузки учитывается при этом выбором параметров расчетной волны на основе статистических характеристик реальных ветровых волн.

Расчетное значение высоты волны i % обеспеченности принимаются в зависимости от класса сооружения, таблица 6.4 [47], [60].

Расчетное значение высоты волны I % обеспеченности определяется по формуле

где  k_i – коэффициент перехода, определяемый по графикам (рисунок 6.6);

  – средняя высота волны.

Чтобы воспользоваться графиками рисунка 6.6, необходимо предварительно вычислить значения безразмерных параметров:

где L – длина разгона ветровой волны;

u – расчетная скорость ветра на высоте 10 м над уровнем моря;

Н - глубина воды при расчетном уровне;

 – среднее значение высоты волны.

Для мелководной зоны (Н £ l/2 ) используется та из осей gH/u²,  или , для которой вычисленное значение параметра лежит левее соответствующих значений на других осях. Для глубоководной зоны (Н > h/2) используется ось .

Рисунок 6.6 График для определения высоты волны (h_i) (i-й обеспеченности)

Средняя высота волны  и средний период  определяются по графикам (рисунок 6.7) [53], построенным в безразмерных координатах:

Таблица 6.4

Для глубоководной зоны используется верхняя огибающая кривая. Предварительно вычисляются безразмерные отношения gt/u и gL/u² и откладываются на осях абсцисс. Если величина gt/u лежит левее величины gL/u², то это значит, что волнение развивающееся и значения  и  находятся по соотношению gt/u; если же величина gt/u лежит правее величины gL/u², значит волнение установившееся и значения  и  определяют по соотношению gL/u². Далее на верхней огибающей находят ординаты этой точки на левых осях  и , из которых и вычисляют  и . При отсутствии данных о продолжительности непрерывного ветра принимают t = 6 ч.

Средняя длина волны  на глубоководье определяется по формуле

Для мелководной зоны (Н < l/2) используют кривые с соответствующими значениями gH/u². Ход определения ординат аналогиченвышеописанному.

Средняя длина волны на мелководье определяется по формуле