Рассмотрим результаты численных экспериментов многорядных ростверков под колонны (рис.1) по программе «Лира».

Рис.1 Примеры расположения свай в многорядных ростверках под колонны

По результатам расчётов нескольких вариантов ростверков  были построены эпюры нормальных и касательных напряжений в характерных сечениях.

Особый интерес представляют эпюры распределения нормальных напряже­ний s_z. (рис.2). С удалением от верхнего слоя напряжения s_zуменьшаются по абсолютной величине и рассредоточи­вают­ся по ширине рассматриваемого сечения. Наибольшие сжимающие напря­жения s_z наблюдаются в верхнем слое, непосредственно под нагрузкой. С увеличением шага свай уменьшаются сжимающие напря­жения s_z как под колонной, так и под всеми сваями.

По характеру распределения нормальных напряжений s_z можно судить о размерах рабочей зоны сваи – опоры. С удалением свай от нагрузки уменьшается их рабочая площадь (рис.3).

Характер распределения нормальных и касательных напряжений в ростверках отличается от классических эпюр распределения напряжений в балках, а нормативные методы расчёта базируются именно на балочных аналогиях.

По результатам расчётов построены траектории главных напряжений (рис.4) . Главные сжимающие напряжения концентрируются в пределах условных наклонных полос бетона, расположенных между подошвой колонны и оголовками свай. Главные растягивающие напряжения концентрируются в горизонтальной плоскости между сваями-опорами вблизи нижней грани ростверка. Характерно, что наибольшая концентрация главных сжи­мающих напряжений наблюдается между колонной и средними (наиболее близко расположенными к оси колонны) сваями.

Полученные результаты позволяют разработать методы расчёта и конструирования ростверков с помощью пространственных каркасно-стержневых моделей, которые учитывают волнообразное распределение усилий: от максимальных значений у центральных свай до небольших усилий у крайних свай.

Рис. 2. Эпюры s_z, т/м², по средней линии ростверка

а	б
в свая № 3	свая № 1
свая № 4	Свая № 2

Рис. 3. Линии равных напряжений σ в двенадцатисвайном ростверке:
а – план ростверка; б – напряжения по поперечному сечению колонны;
в – напряжения по поперечному сечению свай

Рис. 4. Схема траектории главных напряжений σ₁ и σ₂

Разрушение по растянутой зоне было достигнуто путем снижения количества продольной арматуры у нижней грани ростверка.

При исследовании растянутой зоны восьми – свайных ростверков, было испытано два образца – РК-2, армированный сеткой, и РК-5 с концентрированным армированием.

Характеристики опытных образцов приведены в табл.1. На рис.1 показано армирование опытных образцов с количеством свай, равным восьми, в табл.2 представлена спецификация арматуры.

	Номер позиции	Обозначение	Наименование	Кол-во	Примечание
		РК-2 РК-5	Ростверк под колонну	1 шт. 1 шт.	η = 8 μs min
		C-2	Сварная сетка
	1		Ø 4 Вр –І  = 0,82	21
	2		Ø 5 Вр –І  = 1,32	11

Нагружение ростверков производили гидравлическим домкратом ДГ-200 через металлическую пластину, имитирующую колонну.

В образце РК-2 первыми образовались нормальные трещины по про­дольной стороне в пролетах при Р=0,52 Р_разр (рис. 2 (фото)). С даль­нейшим увеличением нагрузки эти трещины развивались слабо. Одновре­менно с ними появились наклонные трещины, исходящие от средних опор по направлению к крайним. При нагрузке, близкой к разрушающей, появилась трещина в середине пролета в поперечном направлении. На подошве ростверка наблюдалась серия трещин вдоль арматурных стержней, расположенных в средней части конструкции. В зоне наиболее удаленных свай трещины отсутствуют (рис. 3 (фото)).
Характер трещинообразования РК-5 во многом похож на РК-2. Отли­чительной особенностью является то, что все трещины появились почти одновременно. Этот образец оказался прочнее в 1,17 раза по сравнению с РК-2, армированным сеткой (рис. 2 – 4).

Схема разрушения РК-2, РК-5
Разрушение образцов произошло по растянутой зоне при активном развитии трещин на подошве ростверков в среднем пролете. Наклонные трещины образовывались с внешней стороны средних опор и развивались по высоте ростверка в сторону крайних. Концентрация арматуры не по­влия­ла на процесс трещинообразования, но способствовала увеличению прочности образца.

Для испытаний проектировались образцы в виде моделей в масштабе 1:3. Образцы изготавливались в заводских условиях. Нагружение ростверков производили гидравлическим домкратом.

Испытаны ростверки под колонну с числом свай 6 и 8. Армирование образцов осуществлялось сварными сетками.

Полученные сведения о характере образования и развития трещин позволяют произвести их классификацию и выделить две группы. Первая группа включает нормальные трещины, образованные в растянутой зоне, т.е. у нижней грани ростверка. Здесь два вида трещин Т-nР и Т-Р, образованные соответственно в продольном и поперечном направлениях. Как правило, они появляются первыми и при большом проценте армирования развиваются слабо. Для ростверков с малым процентом армирования эти трещины являются разрушающими (рис. 1).

а 

б 

Рис. 1 Классификация трещин. Схемы разрушения для шести- и восьмисвайных ростверков:
а – по сжатой зоне; б – по растянутой зоне

Вторая группа объединяет наклонные трещины, развивающиеся от опор или по направлению к ним. Первый вид – наклонные трещины Т-Г. Они выделяют наклонные сжатые полосы бетона. При большем проценте армирования развиваются от внутренней грани сваи-опоры до колонны. С ростом нагрузки их ширина раскрытия увеличивается, и трещины становятся критическими. При небольшом проценте армирования трещины Т-Г развиваются от наиболее нагруженных свай, находящихся возле колонны, и почти достигают верхней грани ростверка над крайними опорами. При этом они не являются разрушающими, а отделяют сильно нагруженную часть ростверка под колонной от малонагруженной возле крайних свай. Второй вид – трещины Т-С, которые располагаются внутри сжатых потоков, находящихся между грузовыми и опорными площадками (рис. 1).

Трещинообразование при многорядном расположении свай имеет отличия от трещинообразования других ростверковых конструкций. Пространственное расположение сжатой полосы бетона существенно влияет на время появления трещин на поверхности ростверка. Этим можно объяснить отсутствие трещин на боковых гранях ростверка, несмотря на рост внешней нагрузки. Очевидно, физическая работа ростверка по мере увеличения нагрузки сопровождается накоплением микротрещин в наклонной сжатой полосе, расположенной между колонной и опорой-сваей. При образовании микротрещин увеличивается объем сжатой полосы, и в момент её разрушения, описанные выше трещины появляются на боковых поверхностях ростверка. При этом разрушающая сила увеличивается примерно на 15 %. Рост разрушающей нагрузки после возникновения предельного состояния в сжатых полосах бетона можно назвать эффектом пространственной работы ростверков.

В результате экспериментальных исследований получены три схемы разрушения.

Разрушение по сжатой зоне. Признаком разрушения является развитие наклонных трещин в бетоне между грузовой и опорными площадками. Может наблюдаться раздробление бетонных полос, т.е. присутствие серии наклонных трещин.

Разрушение по растянутой зоне. Признаком разрушения является активное развитие трещин между сваями-опорами и на подошве ростверка. При этом происходит разделение ростверка сквозными вертикальными трещинами.

Смешанное разрушение, т.е. разрушение ростверков по сжатой и растянутой зонам одновременно. Признаком разрушения является активное развитие трещин над сваями-опорами и в пролете между ними.

Остановимся на влиянии основных факторов на образование и развитие трещин в ростверках.

Процент армирования растянутой зоны ростверка влияет на схему разрушения (по сжатой зоне, по растянутой зоне, смешанное) и на прочность ростверка в целом. В наших экспериментах при увеличении процента армирования с 0,18% до 1,2% разрушающая сила повысилась в 2,5 раза.

Концентрация стержней над сваями-опорами увеличивает разрушающую силу на 12% и более, но не меняет характер трещинообразования.

Изменение центра приложения нагрузки, то есть наличие эксцентриситета, также как и частичное выключение свай из работы или неравномерная осадка свай приводит к несимметричному появлению и развитию трещин и к уменьшению разрушающей силы.

Особенностью развития трещин в многорядных ростверках под колонны является криволинейная траектория граничных трещин полуарочного очертания. Эти трещины выделяют участок ростверка над наиболее нагруженными сваями, близко расположенными к колонне, как в продольном, так и в поперечном направлениях. Они подчеркивают пространственный характер работы ростверков.

Россия обладает огромной по протяженности морской северной границей и солидной частью Арктики, поэтому в сочетании с мировой тенденцией актуальность морской добычи высока. Одним из наиболее распространенных способов транспортировки углеводородных продуктов является трубопроводный транспорт, но конструирование и эксплуатация морских газо- и нефтепроводов – это отдельная сложная конструкторская цель, одной из задач которой является расчет трубопровода на локальное смятие как критерий потери работоспособности трубопровода [2-6], что обуславливает актуальность настоящей работы.

Целью данной работы является расчет напряженно-деформируемых участков морского трубопровода.

Повреждение трубопровода может произойти уже в процессе его укладки на морское дно с судна. В этой статье напряженно-деформируемого состояние исследовалось с помощью метода конечных элементов, реализованного в САПР Autodesk Inventor Professional 2015, который достаточно давно зарекомендовал себя как надежное средство решения инженерных прикладных задач широкого класса. Морское дно предполагается жестким. Локальное смятие в состоянии равновесия всей конструкции трубопровода представляет собой потерю устойчивости первоначальной формы оболочки трубы (смятие носит вид излома или коробления) под действием:

• внешнего гидростатического давления;
  
• изгибающего момента;
  
• продольного усилия в трубопроводе.
  

Очевидно, что изгибная деформация трубы морского трубопровода естественным образом возникает во время строительства трубопровода и наиболее опасна во время укладки трубы на морское дно. Если говорить в целом, то при строительстве морского трубопровода необходимо решить два основных вопроса:

• найти допускаемое усилие натяжения трубы, при котором сочетания напряжения изгиба и напряжения сжатия вследствие гидростатического давления не привели бы к локальному смятию трубы;
  
• найти допускаемую дополнительную весовую нагрузку на единицу длины трубы, при которой указание выше напряжения не приведут к смятию трубы.
  

Как показывает практика строительства подводных трубопроводов, расчет трубы на локальное смятие является важным механическим расчетом, влияющим на окончательное принятие решения о толщине стенки трубы. Применение проектировочных норм различных стран дает достаточно близкие результаты, ненамного превышающие результаты расчетов толщины стенки на чистое смятие. Данное обстоятельство говорит в пользу доводов о том, что глубины воды является приоритетной характеристикой при выборе толщины стенки трубопровода. Исследуем напряженно-деформированное состояние морского трубопровода на примере трубопровода «Голубой поток», соединяющего РФ с Турцией. Проектные характеристики данного трубопровода следующие:

• Диаметр – 610мм;
  
• Толщина стенки – 31,8 мм;
  
• Максимальное внешнее гидростатическое давление – 21,17 МПа;
  
• Предел текучести – 580 Н/мм2;
  
• Временное сопротивление разрыву – 590 Н/мм2.
  

Рассмотрим ситуацию укладки трубопровода с наклонной рампы судна-трубоукладчика, изгибающегося по S-траектории. Договоримся, что имеется ограничение перемещения вдоль оси, на трубопровод действуют сила тяжести, подводное давление и сила реакции опоры в точке соприкосновения трубопровода с морским дном. В силу того, что максимальная глубина черного моря составляет 2150 м, тогда максимальное гидростатическое давление будет равным 21,17 МПа. Расчет производится на основе трубы длиною 25 м с максимальным гидростатическим давлением для того, чтобы была возможность задать необходимый запас прочности.

Результаты и обсуждения

Используя программный пакет Autodesk Inventor Professional 2015 проведем расчет трубопровода и определим опасные зоны.

Рис. 1 – Напряжение, возникающее в трубопроводе

Рис. 2 – Напряжение, возникающее в сварном соединении

На рисунке 1 показаны напряжения по Мизесу, возникающие в трубопроводе. Различным цветом обозначены различные напряжения, соотношение цветов и напряжения изображено на шкале слева. Наибольшее напряжение (Рис. 2) возникает вблизи сварного шва и «ограничителя передвижения», на практике это могут быть анкерные якоря, используемые для закрепления трубопровода на морском дне.

Практически по всей длине трубопровода (Рис. 3) обеспечивается необходимая величина запаса прочности, что подтверждается практикой – газопровод “Голубой Поток” исправно функционирует, несмотря на огромные давления.

Рис. 3 – Коэффициент запаса прочности

Из Рис. 4 мы видим, что даже в сильно нагруженной зоне обеспечивается практически двукратный запас прочности.

Рис. 4 – Напряжения в зависимости от удалённости от сварного шва

Выводы

Оценка напряжений, возникающих в трубопроводе, показала необходимость обязательного моделирования, что позволило бы рассчитать нагрузку на трубопровод.
Кратко резюмируя, можно сказать, что по всему трубопроводу обеспечивается необходимый запас прочности, в зонах сварных соединений запас прочности – практически двукратный.

Расчетные данные соответствуют практическим данным, что позволяет рекомендовать Autodesk Inventor 2015 как инструмент проектирования оборудования и линейной части магистральных трубопроводов. Установлено, что широко известные подходы к учету гидростатической нагрузки в расчёте трубопровода, а также расчёт на смятие является важным механическим расчётом, влияющим на окончательное принятие решения о толщине стенки трубы.

Целью данной работы является оценка данных полученных внутритрубным инспекционным прибором, определение типов дефектов преобладающих на данном участке, получению достоверной информации о техническом состоянии коллектора, постройка 3D модели коллектора с дефектами при помощи компьютерного моделирования в среде Autodesk Inventor, а также расчет нагрузок и напряжений.

За основу для расчетов возьмем реальные данные по глубине и ширине коррозионного повреждения (ручейковой коррозии) из заключений по результатам технического диагностирования трубопровода. Исходные данные для построения и расчета модели трубы с коррозией:

• рабочее давление – 2,5 МПа;
  
• диаметр трубы – 168 мм;
  
• толщина стенки трубы – 11 мм;
  
• марка стали трубы – сталь 20;
  
• максимальная глубина ручейковой коррозии – 5,8 мм;
  
• максимальная ширина коррозионного повреждения трубы – 21 мм.
  

Так как процесс ручейковой коррозии в трубе это сложный физико-химический процесс и при наличии его в трубе возникает канавка сложной формы (Рис. 1).

Рис. 1 – Разновидности ручейковой коррозии

Предугадать какой именно формы будет профиль коррозионного участка в трубе очень сложно, т.к. коррозионное воздействие среды на стенки трубы зависит от многих факторов, изменяющихся со временем. Чтобы упростить задачу, при построении модели трубы с повреждением будем использовать упрощенную схему с размерами коррозионного повреждения приближенным к реальным. Идеализированная схема сечения трубы с повреждением типа ручейковой коррозии приведена на рисунке 2.

Рис. 2 – Упрощенная схема трубы с ручейковой коррозией

D – внутренний диаметр трубы, s – толщина трубы, b – ширина коррозионного повреждения (ширина ручейковой коррозии), h – глубина коррозионного повреждения (глубина ручейковой коррозии)

Так как задача симметрична относительно одной (в нашем случае вертикальной) оси, то при построении модели трубы с дефектом будем использовать только половину сечения трубы (Рис. 3, 4, 5). Для нефтесборного коллектора с параметрами коррозионного повреждения являются – максимальная глубина 5,8 мм, максимальная ширина 21 мм.

Рис. 3 – Модель половины трубы

Рис. 4 – Эпюра эквивалентных напряжений, возникающих в нефтесборном коллекторе при коррозионном повреждении

Рис. 5 – Деформации, возникающие в нефтесборном коллекторе при коррозионном повреждении

Из расчетов видно, что максимальная величина возникших напряжений в трубе с коррозией приходится на нижнюю часть прокорродированной канавки (Рис.6 и Рис.7).

Рис. 6 – График распределения напряжений по Мизесу

Рис. 7 – График распределения перемещений

Выводы

В комплексной программе Autodesk Inventor получили наглядные картины возникших распределений напряжения по Мизесу и картину распределений перемещения в образце при воздействии на нее давления. С увеличением срока эксплуатации месторождений возрастает объем добываемой минерализованной воды, закачанной в пласт для поддержания пластового давления. При этом возрастает опасность внутренней коррозии трубопровода.

Разрушение ряда трубопроводных систем происходит в срок менее одного года после ввода трубопровода в эксплуатацию. Этой проблеме посвящены многочисленные исследования отечественных и зарубежных ученых, однако, в настоящее время она полностью еще нерешена и многие вопросы остаются открытыми.
Максимальное значение напряжения по Мизесу для нефтесборного коллектора с выбранными параметрами коррозионного повреждения составляет 1,5 МПа.

В ходе физического эксперимента было установлено влияние на прочность ростверка не только процента армирования, но и вида армирования: обычная арматурная сетка с равномерным распределением стержней по площади, либо сетка с концентрацией стержней над опорами.

Продольное армирование растянутой зоны ростверка является важнейшим фактором, который влияет и на характер образования трещин, схему разрушения, и в итоге на прочность ростверка. В наших экспериментах 6-ти и 8-ми – свайных ростверков при увеличении процента армирования с 0,18% до 1,1% разрушающая сила повысилась в 2,5 раза. При исследовании растянутой зоны ростверка, когда процент армирования был снижен до 0,18% , выявлено, что концентрация рабочей продольной арматуры над сваями повышает разрушающую силу в 1,17 раза по сравнению с армированием сеткой (рис.1,2).

Рис. 1. Схемы армирования образцов с небольшим процентом армирования μ_s = 0,18 %:
а ) армирование сеткой, б ) концентрированное армирование

Рис. 2. Зависимость разрушающей силы от схемы и процента армирования:
1 – армирование сеткой; 2 – концентрированное армирование

На основе показаний индикаторов часового типа отмечено, что концентрация арматуры над опорами привела к более равномерному распределению усилий между ними (рис.3).

Рис. 3. Усредненные деформации сжатия над сваями-опорами
в восьмисвайном ростверке в зависимости от типа армирования 1; 2; 3:

1 – РК-1 (μ_s,max=1,2 %); 2 – РК-5 (μ_s,min=0,18 %) – концентрированное армирование;

3 – РК-2 (μ_s,min =0,18 %) – сетка

Таким образом, с концентрацией арматуры над сваями повышаются эффективность её использования и разрушающая сила.

Эпюры растягивающих напряжений имеют максимальные значения в центральной зоне расположения свай и уменьшаются с удалением свай от колонны.

На рис. 4 показано распределение растягивающих деформаций в нижней части образца РК-1 по показаниям тензодатчиков, расположенных на арматуре. В средней части ростверка арматура испытывала наибольшие растягивающие напряжения. До образования трещин (рис. 4а) растягивающие деформации в средних стержнях продольной арматуры больше, чем в крайних стержнях. После образования трещин (Р=0,6 Р_разр) произошло перераспределение усилий в арматуре (рис. 4б). Деформации в средних продольных стержнях стали близки по значению. Деформации арматуры в среднем пролете над опорами остались по-прежнему больше деформаций арматуры в крайнем пролете.

    а ) Р = 50 т

б) Р = 50 т

Рис. 4. Эпюры распределения деформаций удлинения в арматуре
по показаниям тензодатчиков (РК-1)

Следовательно, принцип рационального армирования растянутой зоны должен заключаться в расположении рабочих стержней в местах с максимальными растягивающими усилиями.

В качестве объекта исследования был выбран участок проектируемого промыслового нефтесборного трубопровода Угутского месторождения. В программном комплексе “PIPESIM” был выполнен гидравлический расчет, на основании которого был определен требуемый диаметр проектируемого трубопровода – 219 мм. Расчет выполнен на максимальные значения объемов добычи жидкости по рассматриваемому району. По результатам гидравлических расчетов была проведена предварительная трассировка трубопровода. Нормативное давление в промысловом нефтесборном трубопроводе было принято по давлению срабатывания предохранительного клапана измерительной установки площадки куста скважины и составило 4,0 МПа. Для строительства трубопровода были приняты трубы из стали 09ГСФ, которая обладает повышенными прочностными свойствами. Далее были проведены прочностные расчеты по СП 34-116-97, на основании которых была выбрана требуемая толщина стенки трубопровода – 8 мм, а также минимальная глубина заложения трубопровода от поверхности земли до верхней образующей трубы – 1,8 м.

На основании принятых проектных решений был построен продольный профиль трассы нефтесборного трубопровода, на котором было отмечено место пересечения трубопровода с автомобильной дорогой. На данном участке трассы трубопровод прокладывается в защитном футляре длиной 45 м из стальных труб диаметром 426 мм. Участок продольный профиль трассы и схема укладки трубопровода через дорогу представлены на Рис.1. и Рис.2. соответственно.

Рис.1. Продольный профиль трассы трубопровода

Рис.2. Схема укладки трубопровода на переходе через автодорогу

Напряженно-деформированное состояние трубопровода в футляре исследовалось с помощью метода конечных элементов (МКЭ), реализуемого в программном комплексе «Autodesk Inventor». После создания твердотельной модели трубопровода был произведен анализ напряжений с учетом всех нагрузок, рассчитанных на стадии проектирования. Твердотельная модель трубопровода в футляре представлена на Рис. 3. Значения напряжений по длине трубопровода представлены на Рис. 4.

Рис.3. Твердотельная модель участка трубопровода в футляре

Рис.4. Распределение напряжений (σ) по длине (L) трубопровода

Выводы

Расчет напряженно-деформированного состояния секции трубопровода в защитном футляре показал, что Autodesk Inventor является универсальной системой автоматизированного проектирования и позволяет решать множество сложных задач. Основываясь на полученных результатах анализа напряженно-деформированного состояния можно сделать вывод о том, что все принятые ранее проектные решения обеспечивают безопасную эксплуатацию трубопровода в футляре в месте пересечения с автомобильной дорогой, так как максимальные значения напряжений, возникающие в трубопроводе, меньше предела текучести метала трубной стали. Таким образом, при расчетном давлении 4 МПа внутри трубопровода с толщиной стенки, соответствующей фактическому значению, прочность участка нефтепромыслового трубопровода обеспечивается и можно говорить об отсутствии существенного влияния защитного футляра на эксплуатационную пригодность исследуемого промыслового трубопровода.