Порядок проектирования гравитационного сооружения (платформы или терминала)

Параметры сооружения определяются несколькими последовательными приближениями в следующем порядке.

1) Определяется клиренс верхнего строения от поверхности моря по формулам Регистра РФ:

для чистой воды h_B = Δ₁₀₀ + 1,2(D/λ₁₀₀)^1/4h₁₀₀ +1,5

для ледовых условий h_ice = Δ₁₀₀ +4h_{насл 100} + 0,5

где Δ₁₀₀ – максимальный за 100 лет подъем уровня моря;

λ₁₀₀ - максимальная длина волны за 100 лет, м;

h₁₀₀ - максимальная высота волны за 100 лет, м;

D – поперечный размер сооружения на ватерлинии, м;

h_{насл 100} – толщина наслоенного льда, максимальная за 100 лет; можно принимать, что h_{насл 100} составляет две толщины ровного льда при толщине льда до 0,7 м, 1,5 толщины ровного льда при толщине ровного льда до 1,5 м, 1,2 толщины ровного льда при толщине льда более 1,5 м.

2) Определяется в первом приближении высота опорного основания, полный объем ОО и затем масса корпуса ОО, используя таблицу 2.1 – Коэффициенты Moo/V (масса/объем, т/м³), задавшись какими-либо размерами или используя заданные размеры. При отсутствии какого-либо размера он задается в первом приближении.

Таблица 2.1 – Коэффициенты Moo/V (вес/объем) для объемных элементов корпуса опорных оснований/частей кессонного типа

Материал	Глубина элемента под поверхностью моря, м
До 30	30-50	50-100	100-150	150-200
Объемы герметичные
Сталь	0,18	0,21	0,24	0,27	0,30
Ледовый пояс	0,28	0,28	0,28	0,30	0,32
Железобетон	0,50	0,52	0,56	0,63	0,70
Сталебетон	0,52	0,55	0,6	0,68	0,75
Объемы, заполняемые при погружении
Сталь	0,12	0,12	0,12	0,12	0,12
Ферма	0,125	0,125	0,125	0,125	0,125
Юбка кессона	0,2	0,2	0,2	0,2	0,2
Железобетон	0,40	0,40	0,40	0,40	0,40
Сталебетон	0,45	0,45	0,45	0,45	0,45

Примечание. При расчете массы вертикально протяженного сооружения, имеющего объемы (отсеки, цистерны), погруженные на существенно различную глубину (например, Spar), сооружение разбивается на ряд объемов, и коэффициент массы для каждого объема определяется отдельно.

3) Рассчитывается суммарная нагрузка от заданных природных воздействий, используя СНиП, Регистр, нормы DNV или другой нормативный документ. Допускается применить упрощенные методы, приведенные в разделе 3.

4) Рассчитывается в первом приближении минимальный вес сооружения, давящий на дно моря G, необходимый для противостояния опрокидывающему моменту. Вес должен быть не менее, чем определенный по формуле:

G > 2Mопр /B (с коэффициентом безопасности 1,5 по Регистру)

где: В – наибольший размер днища в направлении действия нагрузок;

Мопр - опрокидывающий момент от природных и погодных нагрузок (см. раздел 3)

Моменты от ветра и течения определяются по Правилам Регистра для МСП/ПБУ (см. Часть 2 или Часть 4) или по рекомендациям DNV-RP-C205 (см. раздел 3). Моменты от волнения, льда и землетрясения определяются по соответствующим Правилам и Нормам (см. раздел 5), но приближенно могут быть оценены по данным раздела 3 настоящего пособия.

5) Рассчитывается необходимый вес G и площадь S днища сооружения для предотвращения поверхностного сдвига с коэффициентом безопасности 1,5. Противодействие поверхностному сдвигу рассчитывается по-разному в зависимости от типа грунта дна моря: связного или несвязного. Характеристики грунтов приведены в таблице 2.2.

а) Для несвязного (сыпучего грунта или скалы) сила, противодействующая сдвигу, зависит от трения и пропорциональна весу сооружения, и соответственно, должно выполняться условие

Fx <= kтр G

kтр = от 0,7 до 1 при гладком днище, kтр=1,2 - при наличии периферийной юбки (выступом не менее 1 м), kтр=1,4 - при наличии юбки, распределенной по днищу. (Присутствие юбки характерно для стальных и сталебетонных ОО).

б) Для связного грунта (глина, ил, см. таблицу 2.2) сила, противодействующая сдвигу, не зависит от веса сооружения. Выполняется расчет горизонтальных напряжений в грунте, которые не должны превышать прочность поверхностного слоя грунта на сдвиг

Fx/S <= Su

В случае, если это условие не выполняется, также необходимо увеличить площадь днища.

Таблица 2.2. Справочные данные по упруго-фрикционным свойствам грунтов по данным ВНИИГ им. Веденеева

Тип грунта	Прочность на вдавливание, Nu, кПа	Прочность на сдвиг (связный грунт: глина, ил и пр.), Su, кПа	Коэффициент трения по углу ест. откоса- (не связный грунт: песок, гравий и пр.), kтр
Слабая илистая глина	500-700	25-40
Средняя илистая глина	800-1000	50-90
Тугопластичная глина.	2000-3000	115-135
Жесткая илистая глина	2000-4000	120-180
Ил	100-300	12-25
Спрессованный ил	1000-1500	80-140
Спрессованный глинистый ил	2000-3000	100-145
Песчаный ил	3000-5000		0,4-0,5
Прессованный песчаный ил	4000-6000		0,5-0,6
Хороший песок	5000-8000		0,7
Плотный и очень плотный песок средней крупности	6000-9000		0,8-0,9
Крупный гравий, щебенка	6000-10000		0,8-1,0

6) Проверяется отсутствие глубинного сдвига (с коэффициентом безопасности 1,05), по величине среднего давления на грунт.

Глубинный сдвиг происходит по слабому (связному) слою грунта, лежащего на некоторой глубине под дном моря. В этом случае сооружение сдвигается вместе с вышележащими слоями грунта (см. рисунок 2.2). В случае обнаружения возможности глубинного сдвига измените горизонтальные размеры ОО, увеличив площадь днища S.

Критическое давление, при превышении которого развивается глубинный сдвиг, можно принять ориентировочно: 0,2 МПа – для слабого грунта, 0,3 МПа – для среднего грунта и больше 1 МПа для скального грунта. В случае, если это условие не выполняется, необходимо увеличить площадь днища S.

7) После того, как горизонтальные размеры днища установлены в первом приближении, выполняется второе приближение. Производится проверка нахождения веса сооружения в диапазоне предотвращения опрокидывания с учетом свойств грунта, и определяется предельно слабый грунт, на котором возможна устойчивая стоянка сооружения. Проверка выполняется по совместному выполнению условий:

- давление на грунт (со стороны сооружения, противоположной приложению силы) не должно превышать прочность поверхностного слоя грунта на вдавливание Nu:

Р_гр._МАХ = (Mопр *B)/2J_S + G/S <= Nu

- давление на грунт (со стороны сооружения, к которой приложена сила) не должно быть меньше 0 (проверяется нахождение веса выше нижней границы диапазона):

Р_гр._МIN = -(Mопр *B)/2J_S + G/S < 0

где J_S – момент инерции площади днища относительно оси, проходящей через центр площади и перпендикулярной направлению действия нагрузки.

Для обеспечения (по Регистру) коэффициента безопасности 1,5, вышеуказанные условия должны удовлетворяться при допустимых отклонениях полученного веса G в диапазоне от 0,67 G до 1,5 G.

Рисунок 2.2. Картина возможного глубинного сдвига на месторождении «Сахалин-1»

По результатам расчетов устойчивости определятся минимальный необходимый вес сооружения на дне в целом (Gplat) и минимальная площадь днища S.

6) Определяется необходимый суммарный вес жидкого балласта, твердого балласта и нефти (при наличии функции хранения нефти) вычитанием веса ОО и веса верхнего строения из общего веса сооружения. При расчетах применяется уравнение весов:

Gplat = Gвс + Gоо + Gнефти + Gж.балл + Gтв.балл - rgV

где rgV – сила Архимеда, МН

Количество жидкого балласта определяется по объемам цистерн и отсеков, доступных для заполнения. Определяется объем танков для хранения нефти (при наличии хранения). С учетом весов верхнего строения, ОО, хранящейся нефти и жидкого балласта определяется (с помощью уравнения весов) вес твердого балласта, необходимого для достижения минимального веса сооружения для устойчивости. Определяется объем и возможность размещения указанного твердого балласта (песок, гравий, бетон, гематит). В случае невозможности егоразмещения выполняются следующие приближения, с изменением размеров ОО сооружения.

Примечание. В железобетонных ОО твердый балласт, как правило, не грузится.

8) При последующих приближениях составляется уравнение для весов жидкого и твердого балласта и нефти (с учетом их удельных весов и коэффициентов заполнения) и определяется отдельно количество твердого балласта и нефти. Принимаются коэффициенты заполнения объема песком, бетоном (гематитом) и нефтью 0,95 и 0,8, соответственно.

9) Для всех условий устойчивости на грунте принимается коэффициент безопасности К=1,5 (кроме воздействия землетрясения, где К=1). Если в результате расчетов, выполненных для размеров, принятых в первом приближении, величины коэффициентов безопасности окажутся существенно больше (меньше) заданного, уменьшите (увеличьте) размеры и произведите расчеты для следующего приближения.