Uncertainty and variation in measured ice-induced loads on a ship hull

Thumbnail Image
Files
isbn9789526079448.pdf (3.09 MB)
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Engineering | Doctoral thesis (article-based)
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Author
Date
2018
Department
Konetekniikan laitos
Department of Mechanical Engineering
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
70 + app. 76
Series
Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 70/2018
Abstract
Retreating Arctic sea ice offers new opportunities to harvest natural resources and opens up new shipping routes. In order to secure the safety of maritime operations, knowledge of ice-induced loads is needed. However, the ice-breaking process is a complex one. Full-scale measurements offer an opportunity to study the ice-induced loads on a ship hull as all the complexities are embedded in the measurements. The measurements are commonly conducted by measuring strains and the loading is determined from the load-strain relation. Thus, full-scale measurements contain additional uncertainty and variation related to the measurement techniques. Although the measurement uncertainty is an important topic, it has not received a noteworthy attention in earlier publications. The aim of this dissertation is to study the uncertainty and variation in the measured loading on the ship hull related to the load length. The focus is placed on the ice load measurements based on the shear strain difference.  In this study, an analytical grillage model is derived to determine the shear force and torsion on the ice-loaded and adjacent unloaded frames. The model is validated with a Finite Element Model and a calibration pull. The model is applied to define the structural parameters affecting the load transfer between frames. Furthermore, the theoretical model is used to obtain a robust estimate of the possible error and uncertainty related to the load length and the extent of the instrumentation.  Full-scale experiments on board S.A. Agulhas II are carried out in the Baltic Sea with first-year sea ice and the load length distribution is retrieved from these measurements. In addition, the measurements show that the loading on a frame increases as a function of the external load length. Furthermore, it is shown experimentally and explained theoretically that the extension of the instrumentation does not affect the measurements when the loading is short. However, the uncertainty and variation in the measurements increases when the load length increases beyond the instrumented area as a result of the load transfer between the frames.  The effect of the load length on the mean value, standard deviation, and probability distribution of load amplitude on a frame is explained. Furthermore, the study shows that the linear-like increase of the mean values of the ice-induced load on a frame as a function of the standard deviations is a mathematical phenomenon rather than a physical one. The study shows that the shape of the probability density function for the ice-induced load on a frame is exponential-like for short loads and lognormal-like for longer loads. In a case where a single probability distribution is to be fitted to both short and long loads, Weibull distribution gives the best fit to the measurement data.

Vetäytyvä arktinen jääpeite tarjoaa uusia mahdollisuuksia luonnonvarojen hyödyntämiselle sekä uusia laivareittejä. Turvallisten operaatioiden takaamiseksi tarvitaan tietämystä jääkuormista. Jäänmurtoprosessi on kuitenkin hyvin monimutkainen. Laivan runkoon kohdistuvien jääkuormien mittaukset laivoilla tarjoavat kuitenkin mahdollisuuden tutkia jääkuormia, koska mittaukset huomioivat prosessin monimutkaisuuden. Mittauksissa on yleisesti käytetty venymämittauksia, joissa jääkuorma on määritetty kuorma-venymä relaatiosta. Mittausmenetelmästä johtuen mittaukset sisältävät menetelmästä johtuvaa hajontaa ja epävarmuutta. Näitä ei olla aiemmin tutkittu syvällisesti. Tästä syystä tämä väitöstyö tutkii jääkuorman pituudesta aiheutuvaa mittausepävarmuutta sekä hajontaa mittauksissa. Työ keskittyy mittauksiin, joissa jääkuorma määritetään leikkausvenymän muutoksesta kaarella.  Työssä luodaan analyyttinen grillimalli, jolla määritetään kuormitetussa ja kuormittamattomissa kaarissa esiintyvä leikkausvoima ja vääntömomentti. Malli vahvistetaan vertaamalla tuloksia numeeriseen malliin ja kalibrointivetoon. Mallin avulla määritetään rakenteelliset parametrit, jotka vaikuttavat kuormituksen siirtymiseen kaarien välillä. Mallin avulla tehdään karkea arviointimenetelmä mahdolliselle mittausvirheelle ja -epätarkkuudelle liittyen kuormituspituuteen ja instrumentoinnin laajuuteen.  Täysmittakaavan mittaukset suoritetaan S.A. Agulhas II Itämerellä yksivuotisessa jäässä. Näistä mittauksista määritetään jääkuormien pituusjakauma. Mittaukset osoittavat kaarella esiintyvän kuormituksen kasvavan kuorman pituuden funktiona. Teoreettinen malli ja mittaukset osoittavat, että instrumentoinnin laajuus ei vaikuta mittaustulokseen kuormituspituuden ollessa lyhyt. Kuorman pituuden kasvaessa mittausalueen ulkopuolelle mittausepävarmuus ja mittausten hajonta kasvavat johtuen kuorman siirtymisestä kaarien välillä.  Kuormituspituuden vaikutus kaarella mitattujen jääkuormien keskiarvoon, keskiarvon keskihajontaan ja todennäköisyysjakaumaan on selvitetty. Tutkimus osoittaa, että kaarella esiintyvän jääkuorman keskiarvo kasvaa lähes lineaarisesti keskiarvon keskihajonnan funktiona. Tämän osoitetaan olevan matemaattinen ilmiö fysikaalisen ilmiön sijaan. Tutkimus osoittaa kaarella esiintyvien jääkuormien suuruuden todennäköisyystiheysfunktion muistuttavan muodoltaan eksponentiaalista lyhyille kuormille ja log-normaalista pidemmille kuormille. Weibull-todennäköisyysjakauma antaa kuitenkin parhaan sovitteen molemmille kuorman  pituuksille.
Description
Supervisor
Kujala, Pentti, Prof., Aalto University, Department of Mechanical Engineering, Finland
Thesis advisor
Romanoff, Jani, Prof., Aalto University, Department of Mechanical Engineering, Finland
Remes, Heikki, Assist Prof., Aalto University, Department of Mechanical Engineering, Finland
Keywords
ice load, full-scale, ice load statistics, measurement uncertainty, shear strain measurement, jääkuorma, täysmittakaava, jääkuormien tilastollisuus, mittausepävarmuus, leikkausvenymämittaus
Other note
Parts
  • [Publication 1]: Suominen, Mikko; Kujala, Pentti; Romanoff, Jani; Remes, Heikki. Influence of load length on short-term ice load statistics in full-scale. Marine Structure, 2017, 52:153-172.
    DOI: 10.1016/j.marstruc.2016.12.006 View at publisher
  • [Publication 2]: Suominen, Mikko; Romanoff, Jani; Remes, Heikki; Kujala, Pentti. The determination of ice-induced loads on the ship hull from the shear strain measurements. Analysis and Design of Marine Structures - Proceedings of the 5th Int. Conf. on Marine Structures, Southampton, UK, March 25-27, 2015.
  • [Publication 3]: Suominen, Mikko; Kujala, Pentti; Romanoff, Jani; Remes, Heikki. The Effect of the Extension of the Instrumentation on the Measured Ice-Induced Load on a Ship Hull. Ocean Engineering, 2017, 144:327-339.
    DOI: 10.1016/j.oceaneng.2017.09.056 View at publisher
  • [Publication 4]: Suominen, Mikko; Karhunen, Jouko; Bekker, Anriëtte; Kujala, Pentti; Elo, Mikko; von Bock und Polach, Rüdiger; Enlund, Håkan; Saarinen, Sami. Full scale measurements on board PSRV S.A. Agulhas II in the Baltic Sea. Proceedings of the 22nd Int. Conf. on Port and Ocean Engineering under Arctic Conditions, Espoo, Finland, June 9-13, 2013.
  • [Publication 5]: Suominen, Mikko; Kujala, Pentti. Variation in short-term ice-induced load amplitudes on a ship's hull and related probability distributions. Cold Regions Science and Technology, 2014, 106-107:131-40.
    DOI: 10.1016/j.coldregions.2014.07.001 View at publisher
Citation
Permanent link to this item
https://urn.fi/URN:ISBN:978-952-60-7944-8
Collections