Learning Centre

Discrete element modeling of ice failure against an inclined structure - Statistical analyses of peak loads and the failure process

 |  Login

Show simple item record

dc.contributor Aalto-yliopisto fi
dc.contributor Aalto University en
dc.contributor.advisor Tuhkuri, Jukka, Prof., Aalto University, Department of Mechanical Engineering, Finland
dc.contributor.advisor Polojärvi, Arttu, Asst. Prof., Aalto University, Department of Mechanical Engineering, Finland
dc.contributor.author Ranta, Janne
dc.date.accessioned 2018-12-12T10:03:26Z
dc.date.available 2018-12-12T10:03:26Z
dc.date.issued 2018
dc.identifier.isbn 978-952-60-8354-4 (electronic)
dc.identifier.isbn 978-952-60-8353-7 (printed)
dc.identifier.issn 1799-4942 (electronic)
dc.identifier.issn 1799-4934 (printed)
dc.identifier.issn 1799-4934 (ISSN-L)
dc.identifier.uri https://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/35384
dc.description.abstract The Arctic is a sensitive environment and requires high standards for all operations. One of the main factors in developing safe Arctic operations is a reliable prediction of sea ice loads on structures. This thesis focuses on an ice failure process and on mechanisms and limits for the peak ice load values. The study relies on two-dimensional combined finite-discrete element method simulations of the failure process of level ice against an inclined marine structure. The complexity of the deterministic failure process forces to use statistical methods in the analysis of the output data. The used computer model is sensitive to initial conditions which allowed to create well-controlled ice load data sets. The work describes the evolution of the ice failure process by deriving the mean, the standard deviation, and the maximum loads from concurrent load outputs of different simulations within each data set. All these loads increased throughout the ice failure process, and the process did not reach a stationary stage. An extreme value analysis of the ice load data showed that ice loads could be limited by the ice crushing even if the structure has an inclined wall. Besides the failure process statistics, the work also examined peak ice loads. The Gumbel extreme value distribution fitted well on global peak load observations. The study also showed that scatter in the output data stem from the complex ice-structure interaction process itself. Due to high scatter in peak load observations, this type of analyses require large samples for observing small parameter effects which are typically caused by other parameters than the ice thickness. Despite challenges in regard to the high scatter in the process, this work presents a simple buckling model that normalized the peak load observations well. The buckling model connects the peak ice load observations to so-called force chains which have been argued to have an important role in the ice-structure interaction process. en
dc.description.abstract Arktisen alueen luonnonvarojen, kuten öljyn ja kaasun, teollinen hyödyntäminen lisääntyy. Kasvavaan toimintaan liittyviä riskejä voidaan pienentää esimerkiksi merirakenteisiin kohdistuvia jääkuormia tutkimalla. Uusi tutkimustieto mahdollistaa sekä taloudellisesti että teknisesti parempien rakenteiden suunnittelun. Tässä työssä tarkastellaan kaltevaa tasoa vasten tapahtuvaa jään murtumisprosessia. Rakennetta vasten tapahtuva jään murtuminen on monimutkainen ajasta riippuva prosessi, josta saataviin mittaustuloksiin liittyvä hajonta on suurta. Tutkimuksessa tarvittavat jäänmurtoprosessit luotiin kaksiulotteista numeerista diskreettielementtimenetelmään perustuvaa mallia apuna käyttäen. Murtumisprosessin monimutkaisuudesta johtuen malli on herkkä pienille alkutilan muutoksille. Tätä herkkyyttä hyödynnettiin tuottamalla suuri määrä vakioparametrisia jään murtumisprosesseja, joista tutkittiin rakenteesen kohdistuvaa vaakasuuntaista kokonaiskuormitusta. Työssä kuvataan kuormitusaikasarjoja tilastollisia menetelmiä käyttäen. Toistokokeista määritetyt keskimääräiset kuormat ja kuormien hajonta suurenivat koko jäänmurtoprosessin ajan. Prosessit eivät saavuttaneet stationaarista tilaa. Kuormitusaikasarjojen lisäksi tutkittiin rakenteeseen vaikuttavia lyhyempikestoisia maksimikuormia. Jään paksuudella havaittiin olevan selvästi muita malliparametreja suurempi vaikutus jääkuormiin. Työn keskeinen johtopäätös on, että jää-rakenne vuorovaikutusprosessin hajonta on suurelta osin seurausta monimutkaisesta jään murtumisprosessista, mistä johtuen monien malliparametrien muutosten aiheuttamia vaikutuksia ei voida luotettavasti todentaa ilman suurta näytemäärää. Toistetuista prosesseista mitattujen maksimikuormien havaittiin noudattavan melko hyvin Gumbel-ääriarvojakaumaa. Työssä kehitettiin rikkoutuneen jään nurjahdukseen perustuva malli, joka kykeni normalisoimaan ja selittämään maksimijääkuormahavainnot hyvin kuormien suuresta hajonnasta huolimatta. Nurjahdusmalli kytkee maksimikuormat niin kutsuttuihin voimaketjuihin, joilla on jo aiemmin havaittu olevan tärkeä rooli jää-rakenne vuorovaikutusprosesseissa ja jääkuormien määrittämisessä. fi
dc.format.extent 99 + app. 57
dc.format.mimetype application/pdf en
dc.language.iso en en
dc.publisher Aalto University en
dc.publisher Aalto-yliopisto fi
dc.relation.ispartofseries Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS en
dc.relation.ispartofseries 249/2018
dc.relation.haspart [Publication 1]: Ranta, J., Polojärvi, A., Tuhkuri, J. The statistical analysis of peak ice loads in a simulated ice-structure interaction process. Cold Regions Science and Technology, 2017, 133:46–55. DOI: 10.1016/j.coldregions.2016.10.002
dc.relation.haspart [Publication 2]: Ranta, J., Polojärvi, A., Tuhkuri, J. Scatter and error estimates in ice loads—Results from virtual experiments. Cold Regions Science and Technology, 2018, 148:1–12. DOI: 10.1016/j.coldregions.2018.01.002
dc.relation.haspart [Publication 3]: Ranta, J., Polojärvi, A., Tuhkuri, J. Ice loads on inclined marine structures—Virtual experiments on ice failure process evolution. Marine Structures, 2018, 57:72–86. DOI: 10.1016/j.marstruc.2017.09.004
dc.relation.haspart [Publication 4]: Ranta, J., Polojärvi, A., Tuhkuri, J. Limit mechanisms for ice loads on inclined structures: Buckling. Cold Regions Science and Technology. 2018, 147:34–44. DOI: 10.1016/j.coldregions.2017.12.009
dc.subject.other Mechanical engineering en
dc.title Discrete element modeling of ice failure against an inclined structure - Statistical analyses of peak loads and the failure process en
dc.title Jään ja kaltevan rakenteen välisen vuorovaikutusprosessin mallinnus diskreettielementtimenetelmällä - Jääkuormien ja jään murtumisprosessin tilastollisia analyysejä fi
dc.type G5 Artikkeliväitöskirja fi
dc.contributor.school Insinööritieteiden korkeakoulu fi
dc.contributor.school School of Engineering en
dc.contributor.department Konetekniikan laitos fi
dc.contributor.department Department of Mechanical Engineering en
dc.subject.keyword ice mechanics en
dc.subject.keyword arctic technology en
dc.subject.keyword combined finite-discrete element method en
dc.subject.keyword ice loads en
dc.subject.keyword jäämekaniikka fi
dc.subject.keyword arktinen teknologia fi
dc.subject.keyword yhdistetty diskreetti- ja elementtimenetelmä fi
dc.subject.keyword jääkuormat fi
dc.identifier.urn URN:ISBN:978-952-60-8354-4
dc.type.dcmitype text en
dc.type.ontasot Doctoral dissertation (article-based) en
dc.type.ontasot Väitöskirja (artikkeli) fi
dc.contributor.supervisor Tuhkuri, Jukka, Prof., Aalto University, Department of Mechanical Engineering, Finland
dc.opn Metrikine, Andrei, Prof., Delft University of Technology, Netherlands
dc.contributor.lab Mechanics of Materials en
dc.rev Høyland, Knut, Prof., Norwegian University of Science and Technology, Norway
dc.rev Metrikine, Andrei, Prof., Delft University of Technology, Netherlands
dc.date.defence 2018-12-21
local.aalto.acrisexportstatus checked 2019-03-08_1351
local.aalto.formfolder 2018_12_12_klo_10_15
local.aalto.archive yes


Files in this item

This item appears in the following Collection(s)

Show simple item record

Search archive


Advanced Search

article-iconSubmit a publication

Browse

Statistics