Внешние силы и нагрузки, действующие на портовые причальные сооружения и особенности расчета

Классификация внешних сил и нагрузок действующих на портовые причальные сооружения

При проектировании и эксплуатации причальных сооружений важное зна­чение имеет учет действующих сил, нагрузок и других воздействий. Силы и нагрузки, учитываемые при расчете причальных сооруже­ний, разделяются на следующие виды:

-эксплуатационные нагрузки;

-собственный вес (масса) конструкции и постоянных устройств, расположенных в пределах зоны, оказывающей воздействие на сооружение;

-давление грунта;

-нагрузки, образующиеся при взаимодействии судов и причальных сооружений;

-давление волн;

-действие льда.

Эксплуатационные нагрузки

К таким нагрузкам относится давление от портальных кранов и других машин и устройств, подвижного состава, железнодорожного и безрельсового транспорта и от складируемых грузов.

Первая группа нагрузок - подвижные, в виде сосредоточенных сил, действуют вдоль причала с интервалами, определяемыми расстоя­ниями между катками кранов, осями колес, вагонов, тепловозов и т. д.

Нагрузка от складируемых грузов принимается равномерной, но интенсивность, ее по разным зонам будет разная.

Эксплуатационные нагрузки в соответствии с Нормами технологи­ческого проектирования в зависимости от назначения причала делятся на категории.

От категории причалов зависят также нагрузки от железнодорож­ного состава и безрельсового транспорта.

Опыт эксплуатации показывает, что интенсивность нагрузки в су­щественной мере зависит от рода складируемого груза. Так, тарно-упаковочные грузы (мешковые, в ящиках и т. п.), высота штабелей ко­торых ограничивается прочностью тары, создают сравнительно неболь­шое удельное давление 1-3 тс/м² (10-30 кН/м²). Несколько выше нагрузка от оборудования и тяжеловесов 3-6 тс/м² (30-60 кН/м²).

Более значительные давления образуются от металлогрузов (чушки, прокат и др.) и навалочных грузов (руда, уголь и т. д.). Груз, располо­женный на различных расстояниях от кордонной линии, оказывает раз­ное влияние на причальные сооружения. Как правило, по мере удале­ния в глубь территории влияние складируемой нагрузки на конструк­цию сооружения уменьшается. Поэтому для рационального использо­вания несущей способности причального сооружения нагрузки, соглас­но НТП, нормируются по четырем зонам (рис. 50).

В зоне А, непосредственно прилегающей к кордонной линии, где могут оказаться лишь случайные грузы с ограниченной высотой штабелирования, интенсивность нагрузки берется наименьшей, равной 0, 5q_1. Ширина этой зоны определяется с учетом свободного передвижения портального крана вдоль причала. Вторая основная зона Б с на­грузкой q₁. К прикордонной зоне относятся также грузовая зона Б₁, расположенная под колеёй К портального крана. Здесь интен­сивность нагрузки равна q₁, а ши­рина грузовой полосы Б₁ = К-4. Для двухпутного портала Б₁ = 10, 5 - 4 = 6, 5 м, а для трехпутно­го - Б₁= 15, 3 - 4 = 11, 3м.

С правой стороны тылового под­кранового пути, на расстоянии 2 м, располагается переходная зона ши­риной В = 6 м, на которую дейст­вует нагрузка q₁, а на примыкаю­щую к ней тыловую зону Г - на­грузка q₃. Тыловая зона наиболее удалена от кордонной линии, а по­этому здесь допускаются наиболь­шие нагрузки. Ширина ее ограни­чивается радиусом действия пере­грузочных машин и размерами ты­ловой территории.

Собственная масса конструкции и постоян­ных устройств

Собственный вес конструкции определяется по объемам отдельных элементов (массивов, свай, верхнего строения и т. д.). Иногда непосредственно на причальных сооружениях располагают­ся постоянные устройства (галереи, бункеры, эстакады и т.п.) для зерноперегружателей, углеперегружателей и других механизмов. Нагруз­ку от подобных устройств проще всего определить по паспорту соору­жений.

Давление грунта

Различаются два вида грунтов: сыпучие (песчаные) и связные (глинистые). Сыпучие грунты не могут сопротив­ляться растяжению, а для разрыва образца связных грунтов требуется приложить сравнительно небольшую силу. Грунты являются сложной средой и изучаются в специальной науке - механике грунтов.

При свободной отсыпке грунта образуются конусы или пирамиды, образующие которых составляют с горизонтальной плоскостью некото­рый угол, называемый углом естественного откоса. Основным фактором, определяющим физико-механические свойства песчаных грунтов, является сила внутреннего трения, что приблизительно справедливо и для связных грунтов (например, глин). Отличие заключается в том, что благодаря сцеплению между частицами здесь сказывается весьма слабо выраженное свойство твердых тел, хотя в це­лом и глинистые грунты после нарушения структуры ведут себя так же, как и несвязные.

Зная приведенные характеристики грунтов, можно определить давление последних на причальные стенки.

Различаются два случая воздействия грунтов на ограждения: ак­-

тивное и пассивное. Активное давление возникает при смещении стенки от

грунта. Пассивное давление возникает,

когда стенки надвигаются на грунт под действием внешней силы.

Пассивное сопротивление грун-

­тов возникает в нижней части заанкеренных больверков, когда грунт

ниже уровня дна препятствует смещению стенки.

Силы трения, как это показывают теоретические исследования, уменьшают активное давление и увеличивают пассивное сопротивле­ние по сравнению с гладкими стенками.

За последние десятилетия изложенная теория Кулона подверг­лась тщательному анализу. Советскими учеными (В.В. Соколовским, С. С. Голушкевич, В. Г. Березанцевым и др.) была создана математи­чески более точная теория предельного равновесия.

Нагрузки, возникающие при взаимодействии между судном и причалом

При швартовных опе­рациях, а также во время стоянки судна у причала возникает силовое взаимодействие, правильный учет которого имеет существенное значе­ние для нормальной эксплуатации сооружения. В эксплуатационной практике нередко наблюдались случаи повреждений и аварий при­чальных сооружений из-за недоучета нагрузок, образующихся при швартовных операциях.

Нагрузки, возникающие при взаимодействии судна с причальными сооружениями, определяют по Строительным нормам и правилам (СНиП II 57-75). Различают несколько видов нагрузок.

Нагрузки от натяжения швартовов при торможении судна во время подхода к причалу (рис. 51а). Подобные нагрузки возникают в том случае, если по какой-либо причине судно с некоторой непогашенной скоростью затормаживается при помощи конца, поданного на швар­товную тумбу. При этом в швартовном конце возникает усилие, которое резко увеличивается с возрастанием водоизмещения судна и его скорос­ти к моменту торможения.

В эксплуатационной практике торможение судна указанным спо­собом практикуют лишь во время подхода сравнительно небольших су­дов (буксиров, барж, судов технического флота и др.). С увеличением водоизмещения судов нагрузки подобного рода достигают значитель­ных размеров, поэтому такой способ швартовного маневра для боль­ших судов в эксплуатационной практике не рекомендуется.

Встречаются два случая нагрузки при стоянке судна у причала: при навале судна под действием ветра и течения со стороны акватории и нагрузки от натяжения швартовов при отрыве судна от причала при обратном направлении ветра и течения.

При сплошном фронте кордонной линии причала (рис. 51б) дав­ление ветра и течения передается на сооружение не по всей длине судна, а в пределах прямолинейной вставки.

Если же судно опирается на отдельные опоры в виде палов (рис. 51в), реакции последних будут сосредоточенны­ми, а их сумма - равна полному ветровому давлению.

Ветровое двление зависит от скорости ветра и боковой поверхности судна, называемой парусностью. С увеличением скорости ветра резко возрастает давление на 1 м² боковой поверх­ности судна.

Нагрузки от натяжения швартовов образуются при действии ветра со стороны территории (рис. 51г), который стремится оторвать судно от кордонной линии. Удерживается оно швартовными концами, закрепленными к тумбам.

При длине судна 100—150, 250, 300 м и более количество тумб равно соответственно 4, 6, 8.

На набережных и эстакадах, расположенных параллельно берегу, ветровая нагрузка может действовать одновременно только водном направлении (навал или отрыв). На пирсах же, при стоянке судов с обеих сторон, сооружение в целом испытывает одновременное двойное воздей­ствие; навал с наветренной стороны и натяжение швартовов - с дру­гой (рис. 51д).

При подходе суд­на к причалу в момент контакта скулы с отбойным устройством не исключена возможность наличия некоторой непогашенной скорости (рис. 51е). В этом случае в контактной плоскости возникает ди­намическая нагрузка.

Установлено, что сила удара зависит от массы судна, скорости в момент контакта, угла подхода, упругой податливости сооруже­ния, отбойных приспособлений и корпуса судна.

Волновое давление

В защищенных акваториях образуется обычно незначительное волнение, не оказывающее сколько-нибудь ощутимого влияния на причальные сооружения. Однако в не­которых случаях (рейдовые причалы, недостаточно защищенные ак­ватории и бухты) волновое давление на причальные сооружения может быть значительным. О методике определения этого давления сказано в СНиП 57-75.

Давление льда

Различают два вида давления льда - статическое и динамическое. Ледяное поле при понижении температу­ры расширяется. Вследствие этого портовые сооружения испытывают статическое давление льда. Для причальных сооружений гравитацион­ной конструкции благодаря их массивности статическое давление льда существенного значения не имеет. Более уязвимы сооружения сквозной конструкции на свайном основании. При больших деформа­циях льда отдельные сваи могут получить повреждения. Поэтому в портах с тяжелым ледовым режимом практикуют обкалывание льда вокруг свай, устройство утепленных прорубей и т.п.

Динамическое ледовое давление возникает при движении льда, дей­ствии течения, ветра и волны. Нагрузки, образующиеся при этом, мо­гут быть весьма значительными, поэтому в некоторых случаях прихо­дится возводить защитные сооружения (ледорезы, ледоскаты), разби­вать ледяное поле взрывами и т. п.

Состав нагрузок, их сочетание и последовательность расчетов

Для расчета причальных сооружений принимают наиболее неблагоприятные сочетания и положения нагрузок, причем любая временная нагрузка не вводится в сочетание, если она уменьшает напряженное состояние рассчитываемого элемента.

Сочетание нагрузок одновременно действующих на сооружение, подбирается так, чтобы они соответствовали фактической возможности и одновременного их действия. При учете совместного действия нагрузок различают основные и особые сочетания. Согласно СНиП установлены следующие сочетания нагрузок и воздействия, специфические для морских сооружений.

1. Основные сочетания, включающие нагрузки регулярно действующие на сооружения:

- собственный вес сооружения;

- волновое воздействие;

- гидростатическое давление воды и давление грунтовых вод;

- давление грунта;

- нагрузки от транспортных средств, перегрузочных машин и механизмов;

- нагрузки от навала судна, ветровые и ледовые нагрузки.

2. Особые сочетания, включающие нагрузки и воздействие основных сочетаний и дополнительные нагрузки и сочетания:

- удар судна;

- сейсмические;

- волновое давление при штормах;

- воздействие льда при подвижке и торошении;

- температурные и осадочные;

- нагрузки в процессе строительства.

В основные сочетания нагрузок при расчете причальных сооружений входят:

- постоянные нагрузки и воздействия;

- временно и длительно действующие нагрузки;

- одна (две) из возможных кратковременных нагрузок, наиболее существенно влияющих на напряженное состояние всей конструкции или ее элемента.

Таким образом, при расчете причальных сооружений на основе сочетания нагрузок учитывается в первую очередь:

- собственный вес причального сооружения и грунта засыпки;

- вес установленного на причале оборудования;

- активное давление грунта;

- швартовая нагрузка;

- нагрузка от статического навала судна стоящего у причала.

Расчет причальных сооружений производится в следующей последовательности:

1. Вычерчивается в масштабе схема причального сооружения.

2. Определяются внешние силы и нагрузки действующие на 1 пог.м. длины причального сооружения.

3. Производится проверка устойчивости причала на сдвиг по основанию, каменной постели.

4. Проверяется устойчивость причала на опрокидывание.

5. Рассчитывается напряжение каменной постели в грунте под основанием сооружения и сравнивается с допустимым.

6. Производятся выводы.

При детальных расчетах, кроме того производятся другие проверки устойчивости и прочности элементов конструкции причала.