FI82112B

FI82112B - Skyddsfoerfarande och anordning.

Info

Publication number: FI82112B
Application number: FI822157A
Authority: FI
Inventors: Kimmo Juurmaa; Gustav Lindqvist
Original assignee: Masa Yards Oy
Priority date: 1982-06-15
Filing date: 1982-06-15
Publication date: 1990-09-28
Also published as: NO832155L; JPS594717A; SE8303347L; FR2528466A1; SE453308B; FI822157A0; US4578000A; FI822157L; DE3321670A1; FR2528466B1; SE8303347D0; CA1204603A; FI82112C

Description

82112

SUOJAUSMENETELMÄ JA SOVITELMA - SKYDDSFÖRFARANDE OCH ANORDNING

Keksintö kohdistuu patenttivaatimuksen 1 johdanto-osan mukaiseen kiinteän rakenteen jäänsuojausmenetelmään sekä sovitelmaan mainitun menetelmän soveltamiseksi. Tässä selityksessä ja patenttivaatimuksissa termi "kiinteä rakenne" tarkoittaa mitä tahansa vedessä pääasiallisesti paikallaan pysyvää rakennetta, esimerkiksi myös paikalleen ankkuroitua kelluvaa rakennetta.

Kiinteä vedessä oleva ja veden ympäröimä rakenne voi olla sillan tai poraustasanteen tukipilari, majakkatomi, tuulivoimalan masto tms. Tämäntyyppisiä rakenteita käytetään nykyään myös alueilla, joilla voi esiintyä liikkuvia jääkenttiä. Tällöin on jääkuormituksen aiheuttamat ongelmat otettava huomioon. Vaikeuksia syntyy etenkin, jos avomeriolosuhteita varten suunniteltu rakenne siirretään sellaiselle alueelle, jossa voi esiintyä jäärasitusta, sillä monimutkaisen laitteen rakentaminen uudestaan jääkuormitusta kestäväksi on erittäin hankala ja kallis toimenpide.

Keksinnön tarkoituksena on osoittaa menetelmä, jonka avulla olemassa olevia rakenteita voidaan helposti suojata jääkuormitusta vastaan. Tunnetun tekniikan mukaan (esim. US 3807179) jäätä on murrettu ylöspäin, mikä on vaarallista, sillä ylöspäin pakotettu jää on painollaan upottanut monen aluksen. Patenttijulkaisussa US 4063428 esitetään jään murskaamista lyömällä sitä ylhäältäpäin liikkuvalla painavalla massalla. Keksintö perustuu siihen yllättävään havaintoon, että vaikka tiedetään liikkuvan jääkentän aiheuttaman kuormituksen kasvavan suhteessa kiinteän rakenteen jäätä murtavaan poikkipintaan, on kuitenkin mahdollista varustaa suojattava kohde staattisella suojarakenteella, joka aikaansaa jään aiheuttaman horisontaalikuormituksen huomattavan pienenemisen siitäkin huolimatta, että itse rakenteen poikkipinta-ala eli murrettavan jääkentän leveys kasvaa. Keksinnön tunnusmerkit z 82112 käyvät ilmi patenttivaatimuksista 1 ja 2. Varustamalla kiinteä rakenne tämäntyyppisellä suojarakenteella voidaan aikaansaada yllättävän suuri jään rasituksen pieneneminen muuttamatta itse kiinteää rakennetta lainkaan.

Kiinteän rakenteen ollessa leveämpi kuin jään paksuus on laskennallisesti ja mallikokein voitu todeta, että keksinnön mukainen menetelmä voi pienentää jään vaakatasossa aiheuttamaa rasitusta noin kymmenesosaan siitä, mitä kuormitus olisi ilman keksinnön mukaisia toimenpiteitä.

Keksinnön soveltamisessa yksinkertaisin ratkaisu on, että suojarakenne tehdään alaspäin suippenevan kartion muotoiseksi. Tällöin on osoittautunut parhaaksi, että kartio mitoitetaan ja asennetaan siten, että sen läpimitta vedenpinnan korkeudella on 0,8...1,15 kertaa suojattavan kiinteän rakenteen läpimitta jaettuna arvolla 1-cos a, jossa a on kartiopinnan kaltevuuskulma vaakatasoon nähden. Tämän kaltevuuskulman optimiarvo löytyy yleensä alueelta 35"...65®, tarkemmin ilmaistuna alueelta 40°...60°.

Koska liikkuvan jääkentän aiheuttama rasitus on oleellisesti riippuvainen jään ja kiinteän rakenteen välisestä kitkasta, on keksintöä sovellettaessa syytä tehdä suojarakenteen ulkopinta vedenpinnan korkeudella ja siitä alaspäin sileäksi, mieluimmin materiaalista, joka myös merivedessä varsin kauan pysyy sileäpintaisena. Eräs hyvä materiaali on ruostumaton teräs, joka korkeasta hinnastaan huolimatta monessakin tapauksessa voi olla sopiva, koska keksinnön mukaiset suojatoimenpiteet usein aiheuttavat säästöä, joka moninkertaisesti ylittää keksinnön soveltamisen aiheuttamat materiaali-ja työkustannukset. Tavallinen teräspinta voidaan myös saada pysyvästi sileäksi käsittelemällä sitä erikoismaalilla, joka antaa kovan, sileän ja jään aiheuttamaa kulutusta kestävän pinnan.

Keksinnön mukaisen menetelmän tehokkuutta voidaan myös parantaa siten, että suojarakenteen alareunan läheisyyteen 3 82112 tai kiinteän rakenteen alempana olevaan kohtaan järjestetään paineen alaista kaasua, esimerkiksi ilmaa tuottavaan laitteeseen yhdistettyjä kaasunpuhallusaukkoja, joiden kautta ulospuhalletun kaasun avulla aikaansaadaan voimakkaita ylöspäin nousevia vesivirtoja, jotka toimivat suojarakenteen ja sitä ympäröivän jään välisenä kitkaa vähentävänä voiteluaineena. Tämä toimenpide on sinänsä tunnettu laivoissa eikä sitä pidä sekoittaa sitä muistuttavaan menetelmään, jonka tarkoituksena on ylösnousevien ilmakuplien avulla nostaa lämmintä pohjavettä pinnalle ja tällä tavalla sulattaa pinnassa olevaa jäätä tai estää jään muodostuminen. Jotta keksinnön mukaisessa sovitelmassa esiintyvä ilman- tai kaasunpuhallus toimisi jään rasitusta todella pienentävänä apuvälineenä, on veteen puhallettujen kaasumäärien oltava niin suuret, että niiden aikaansaama veden virtaus on selvästi havaittavissa suojarakenteen välittömässä läheisyydessä muodostuneen vesiharjänteen muodossa. Tämä harjanne voidaan parhaiten havaita, kun laitetta käytetään tilanteessa, jolloin vedenpinnassa ei ilmene häiritseviä tekijöitä, kuten jäätä tai aallokkoa. Vastaavan menetelmän käyttö laivoissa on esitetty suomalaisessa patentissa n:o 47061.

Keksinnön mukaista menetelmää käytettäessä on osoittautunut edulliseksi, että suojarakenne mitoitetaan ja asennetaan siten, että sen alaspäin viettävän osan pystysuora ulottuvuus ____ vedenpinnasta alaspäin on ainakin kaksi kertaa paksuimman odotettavissa olevan tasojään paksuus, mieluimmin noin neljä kertaa mainitun jään paksuus.

Keksintöä selostetaan seuraavassa tarkemmin, viitaten oheiseen piirustukseen, jossa kuvio 1 kaaviomaisesti esittää sivukuvaa keksinnön mukaisen menetelmän soveltamisesta kiinteän pystysuoran putken suojaamiseksi, kuvio 2 esittää kuvion 1 mukaista sovitelmaa ylhäältä katsottuna.

Piirustuksessa tarkoittaa 1 kiinteää pystysuoraa pilaria, 4 82112 jonka alaosa on vedessä 2, jota peittää nuolen 3 suunnassa liikkuva jääkenttä 4. Tällaisen tuulen tai virran mukaan liikkuvan jääkentän kiinteään pilariin aiheuttama kuormitus voi olla erittäin suuri ja aiheuttaa pilarin taipumisen, murtumisen tai paikaltaan siirtymisen. Tätä ongelmaa on aikaisemmin yritetty ratkaista siten, että pilarille annetaan jääkuormituksen minimoimiseen nähden edullinen muoto, mikä on monimutkaista ja yleensä vaikuttaa epäedullisesti koko siihen kokonaisuuteen, johon pilari kuuluu. On myös mahdollista mitoittaa pilari jääkuormituksen mukaan, mutta silloin sen läpimitta kasvaa, mikä taas aiheuttaa kasvavan jääkuormituksen jne. Kolmas mahdollisuus on jäänmuodostuksen estäminen pilarin läheisyydessä, johon tarvitaan varsin suuria energiamääriä. Sitä paitsi tunnetut jäänmuodostumisen estämismenetelmät eivät yleensä ole tehokkaita liikkuvassa jääkentässä.

Pilari 1 voi olla esimerkiksi poikkileikkaukseltaan ympyränmuotoinen teräsputki. Keksinnön mukaan asennetaan pilarin 1 ympäri suojarakenne 5, joka suurentaa huomattavasti jääkuormituksen alaiseksi tulevaa poikkipintaa, mutta siitä huolimatta aiheuttaa huomattavasti pienemmän vaakasuoran jääkuormituksen. Suojarakenteen 5 yksinkertaisin muoto on alaspäin suippeneva sileäpintainen kartio. Kartion mitoituksessa lähdetään siitä, että jäälohkareet eivät pääsisi törmäämään suoraan suojattavaan pilariin 1. Koska pisin alaspäin taivutettavan jäälohkareen pituus vastaa suojarakenteen 5 puolta läpimittaa vesiviivatasossa, voidaan lähteä siitä, että kartion sivuviivan pituus L vesiviivatasosta kartion alareunaan 6 valitaan siten, että se on puolet kartion 5 läpimitasta S vesiviivatasossa. Kuviossa 1 on esitetty jäätä vain suojarakenteen 5 vasemmalla puolella, kun taas kuviossa 2 jääkentän murtuminen on esitetty täydellisemmin.

Seuraavassa viitataan alla esitettäviin suureihin: S - kartion 5 läpimitta sen vesiviivatasossa P pilarin 1 läpimitta a * kartion 5 ulkopinnan kallistuskulma vaakatasoon nähden 11 s 82112 t * jään taivutuslujuus, noin 500 kN/m2 h * jään paksuus metreinä H jään aiheuttama horisontaalikuormitus taivutustapauksessa M - jään aiheuttama horisontaalikuormitus murskaustapauksessa c » jään murskauslujuus, 3000...7000 kN/m2 f - muotokerroin n - jään noste, noin 9 kN/m3

Suojarakenteen 5 tarkoituksena on murtaa jäätä taivuttamalla sitä alaspäin. Jään aiheuttama horisontaalikuormitus kartioon 5 voidaan karkeasti laskea Kashteljanin tunnetun vastuskaavan mukaan: (1) H - 0,004.S*t-h-f + 3,6·n·S·h2·f Kartiomaiselle muodolle on muotokerroin f · 1 + 0,5 tan a

Jos ei käytetä keksinnön mukaista suojarakennetta, törmää jää 4 suoraan pilariin 1, mikä aiheuttaa jään rikkoutumisen murskautumalla. Tällöin jään aiheuttama kuormitus voidaan laskea seuraavan kaavan mukaan:

(2) M = 0,5-c-h*P

Kashteljanin vastuskaava antaa jonkin verran harhaanjohtavia tuloksia, joiden mukaan esimerkiksi kulman a optimiarvo olisi 67*. Tarkemmat ja huomattavasti monimutkaisemmat laskelmat ovat osoittaneet, että kulman a todellinen optimi on noin 50° ja että käytännössä kaltevuuskulman a arvo on syytä valita 35*ja 65® väliltä, mieluimmin 40® ja 60® väliltä.

Esimerkiksi jään paksuuden ollessa 1 metri ja pilarin 1 läpimitan ollessa 8 metriä saadaan optimoimalla kartion kaltevuuskulma a horisontaalinen jääkuormitus, joka on noin 110 tonnia. Ilman suojarakennetta 5 voisi vastaavassa tapauksessa jään aiheuttama horisontaalinen kuormitus pilariin 6 82112 1 nousta arvoon 2800 tonnia. Vastusta voidaan siis keksinnön ansiosta pienentää niin paljon, että se on vain noin 4 % siitä kuormituksesta, joka muuten kohdistuisi pilariin 1. Myös siinä tapauksessa, että suojarakenteen muotoilussa ei päästä aivan optimiarvoihin, voidaan kuitenkin olettaa, että todellinen jääkuomitus on suuruusluokkaa 10 % siitä kuormituksesta, joka kohdistuisi kiinteään rakenteeseen ilman keksinnön mukaista suoj arakennetta.

Piirustuksessa on myös näytetty kuinka jään aiheuttamaa kitkaa voidaan pienentää sinänsä tunnetulla ilmanpuhallusmenetelmäl-lä. Tämä tapahtuu siten, että varsin syvälle järjestetään ilmanpuhallusaukkoja 16, joiden kautta puhalletaan suuria määriä ilmaa tai muuta kaasua. Ilma ei sinänsä vaikuta jään vastuksen pienenemiseen, mutta ylösnousevat ilmakuplat 7 aiheuttavat varsin voimakkaita samansuuntaisia vesivirtoja 8, jotka veden pinnassa aiheuttavat harjanteen 9 muodostumisen kartion 5 välittömässä läheisyydessä. Harjanteen 9 korkeus tyynessä avovedessä voi olla noin 20 cm tai vielä huomattavasti suurempi, llmanpuhallusreikien syvyydeksi suositellaan noin 5 m ja puhalluspaineeksi suositellaan painetta, joka vain hieman ylittää veden ko. syvyydellä vallitsevan hydrostaattisen paineen.

Erittäin vaikeissa jääolosuhteissa voidaan käyttää suojarakennetta, joka on pystysuunnassa liikkuva. Liikkuvuus voidaan aikaansaada työsylintereiden 10 avulla. Näitä sylintereitä voi olla esimerkiksi neljä, kuten kuviossa 2 on esitetty. Kuviossa 1 on vain yksi työsylinteri piirretty näkyviin. Pystysuunnassa liikkuvalle suojarakenteelle täytyy järjestää sopivia ohjaus-ja liukupintoja 12. Jään murtumista voidaan tehostaa alaspäin suunnatulla liikkeellä ja tällä tavalla voidaan edesauttaa jäävallin hajoittamista pilariin 1 kohdistuvan kuormituksen pienentämiseksi.

Keksintö ei rajoitu esitettyyn sovellutusmuotoon, vaan useita keksinnön muunnelmia on ajateltavissa oheisten patenttivaatimusten puitteissa.

Il

Claims

1. Menetelmä suojata kiinteitä vedessä olevia ja veden ympäröimiä rakenteita (1) vedenpinnassa liikkuvan jääkentän (4) rasitukselta, jolloin kiinteän rakenteen (1) ympäri on asennettu jäätä rikkova rakenne (5), jolla on alaspäin viettävä ulkopinta, joka rikkoo jään (4) pakottamalla jäälohkareet alaspäin, tunnettu siitä, että jäätä rikkovana rakenteena käytetään staattisesti toimivaa, kiinteään rakenteeseen (1) tuettua suojarakennetta (5), jolla jään korkeudella ja siitä alaspäin on alaspäin viettävä liukupinta, joka pystyy vastaanottamaan liikkuvan jään (4) ylöspäin suuntautuvan voimavaikutuksen ja staattisesti taivuttamalla jäätä alaspäin murtaa sitä alueella, joka on kiinteää rakennetta (1) huomattavasti leveämpi.

2. Sovitelma vedessä olevan ja veden ympäröimän kiinteän rakenteen (1) suojaamiseksi vedenpinnassa liikkuvan jääkentän (4) rasitukselta kiinteän rakenteen (1) ympäri asennetun jäätä rikkovan rakenteen (5) avulla, jolla on alaspäin viettävä ulkopinta, joka rikkoo jään (4) pakottamalla jäälohkareet alaspäin, tunnettu siitä, että jäätä rikkova rakenne on staattisesti toimiva, kiinteään rakenteeseen (1) tuettu suojarakenne (5), jolla jään korkeudella ja siitä alaspäin on alaspäin viettävä jään liukupinta, joka on järjestetty vastaanottamaan kiinteää rakennetta (1) kohti liikkuvan jään (4) ylöspäin suuntautuvan voimavaikutuksen ja murtamaan jääkentän staattisesti taivuttamalla jäätä alaspäin alueella, joka on kiinteää rakennetta (1) huomattavasti leveämpi.

3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen sovitelma, tunnettu siitä, että staattinen suojarakenne (5) käsittää alaspäin suippenevan jäätä taivuttavan kartion.

4. Patenttivaatimuksen 3 mukainen sovitelma, tunnettu siitä. 8 82112 että suojarakenne (5) on siten mitoitettu ja asennettu, että sen läpimitta (S) vedenpinnan korkeudella on 0,8...1,15 kertaa kiinteän rakenteen läpimitta (P) jaettuna arvolla (1-cos a), jossa a on jäätä murtavan kartion ulkopinnan kaltevuuskulma vaakatasoon nähden.

5. Jonkin yllä esitetyn patenttivaatimuksen mukainen sovitel-ma, tunnettu siitä, että suojarakenteen (5) jäätä taivuttava osa on siten muotoiltu, että sen ulkopinnan kaltevuus (a) vaakatasoon nähden on 35°...65°, mieluimmin 40°...60°.

6. Jonkin yllä esitetyn patenttivaatimuksen mukainen sovitelinä, tunnettu siitä, että suojarakenteen (5) ulkopinta vedenpinnan korkeudella ja siitä alaspäin tehdään sileäksi ja mieluimmin materiaalista, joka vedessä pysyy sileäpin-taisena.

7. Jonkin yllä esitetyn vaatimuksen mukainen sovitelma, tunnettu siitä, että suojarakenteen (5) alareunan läheisyyteen tai kiinteän rakenteen (1) alempana olevaan kohtaan on järjestetty paineenalaista kaasua, esimerkiksi ilmaa tuottavaan laitteeseen yhdistettyjä kaasunpuhallusaukkoja (16), joiden kautta ulospuhalletun kaasun avulla aikaansaadaan ylöspäin nousevia vesivirtoja (8), jotka toimivat suojarakenteen (5) ja sitä ympäröivän jään (4) välisenä kitkaa vähentävänä voiteluaineena.

7 82112

8. Jonkin yllä esitetyn vaatimuksen mukainen sovitelma, tunnettu siitä, että suojarakenne (5) on siten mitoitettu ja asennettu, että sen alaspäin viettävän ulkopinnan pystysuora ulottuvuus vedenpinnasta alaspäin on ainakin kaksi kertaa — paksumman odotettavissa olevan tasoj ään paksuus, mieluimmin noin neljä kertaa mainitun jään paksuus.

9. Jonkin yllä esitetyn patenttivaatimuksen mukainen sovitelma, tunnettu siitä, että suojarakenne (5) on varustettu laitteella (10) sen liikuttamiseksi pystysuunnassa. il 9 82112