Statistical modeling of ice-induced loads on a research vessel

Abstract

Interest in arctic natural resources and possibility of new ship routes have made navigation in ice covered waters, and safety of such vessels, a current topic. One concern when designing these vessels is to know the forces they are subjected to when they operate in ice. Because ice is a very inconsistent material, these forces are difficult to predict. Numerous studies on ice loads have been made, but only few have tried to link ice loads to ice conditions. The aim of this Thesis is to find a link between ice loads and ice conditions. Ice conditions concerned are ice thickness according to electromagnetic device and stereo camera measurements in addition to speed of the ship. The data used in this Thesis comes from a two-day ice-trial onboard S.A. Agulhas II on the Bothnian Bay, March of 2012. First, data that is assumed to be inaccurate is discarded. Then the frequencies ice loads occur in specific ice conditions are determined. We estimate how high the ice load amplitude is by fitting modified lognormal estimators to the probability of exceedance distribution of the amplitudes and determine how the load amplitude changes when ice conditions change. After that we know how frequently ice loads occur and how sizable they are in specific ice conditions.

Kiinnostus arktisiin luonnonvaroihin ja uudet laivareittimahdollisuudet ovat tehneet jääpeiteisillä vesillä tapahtuvasta merenkulusta, ja näiden laivojen turvallisuudesta, ajankohtaisen aiheen. Eräs huomioonotettava seikka näiden laivojen suunnittelussa on ottaa huomioon jääkentässä liikkumisesta aiheutuvat voimat. Koska jää on erittäin epäyhtenäinen materiaali, näiden voimien ennustaminen on hankalaa. Useita jääkuormatutkimuksia on tehty, mutta vain harvat ovat yrittäneet yhdistää jääkuormia jääoloihin. Tämän työn tarkoituksena on löytää yhteys jääkuormien ja jääolojen välillä. Huomioonotetut jääolot ovat stereokameralla ja elektromagneettisella laitteella mitatut jäänpaksuudet laivan nopeuden lisäksi. Työssä käytetty data saatiin kaksipäiväisessä tutkimusalus S.A. Agulhas II:lla Pohjanlahdella tehdyssä jääajossa maaliskuussa 2012. Ensin epätarkkana pidetty data poistetaan. Sitten määritetään tietyissä jääoloissa sattuneiden jääkuormien esiintymistaajuus. Kuormien amplitudien korkeudet estimoidaan sovittamalla muokattuja lognormaaliestimaattoreita kuorma-amplitudien ylitys-todennäköisyysjakaumaan ja määritetään miten kuorma-amplitudit muuttuvat jääolojen muuttuessa. Tämän jälkeen tiedetään kuinka taajaan jääkuormia syntyy ja kuinka isoja niiden amplitudit ovat tietyissä jääoloissa.