Factors affecting ice loads during the rubbling process using a 2D FE-DE Approach
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Engineering |
Doctoral thesis (article-based)
| Defence date: 2013-03-01
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author
Instructions for the author
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.
Authors
Date
2013
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
58 + app. 86
Series
Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 31/2013
Abstract
Simulated ice rubble pile formation process and ice loads on wide sloped structures are studied. Since the ice rubble accumulation on a structure affects the ice failure process, the calculation of the total ice load is not a simple task. The understanding of the ice rubbling process and the calculation of the ice loads on structure are important challenges for design and safe use of marine structures in ice covered waters. A two-dimensional combined finite-discrete element method was developed and applied to numerical simulations of ice rubbling loads. With the method used, the formed ice rubble piles were also able to be studied as a granular assembly. This enabled an insight to the processes and phenomena occurring in the rubble pile during ice rubbling. The developed method was validated with both model and full scale experiment data using reported rubble pile properties and load responses on structures. The phenomena during peak load events of the simulated ice rubbling process indicated that the rubble pile was loaded at the instant of a peak load in a manner that a part of the pile was pushed upwards. Numerical experiments on parameter effects on peak ice loads on sloping structures showed interaction between the parameters, indicating that the parameter effects cannot be considered separately. An explanation for the observed vertical pressure distribution on a sloping structure was given with force chains discovered from the loose ice rubble pile. Also, the load drop on the structure was linked to the buckling of these force chains. Hence, to be able to predict the ice loads on sloped structures with a loose rubble pile in front, the force chains and their buckling behavior should be understood.Väitöstyössä mallinnettiin liikkuvan merijään kasaantumista leveitä, kaltevia rakenteita vas-ten sekä tutkittiin tästä aiheutuvia jääkuormia. Koska jään kasaantuminen rakennetta vasten vaikuttaa jään murtumisprosessiin, ei rakenteen kokonaisjääkuorman laskeminen ole helppoa. Jääkasan muodostumisprosessin ymmärtäminen ja rakenteiden jääkuormien laskeminen ovat rakenteiden suunnittelun ja turvallisen käytön kannalta keskeiset haasteet. Työssä kehitettiin kaksiulotteinen yhdistetty elementti- ja diskreettielementtimenetelmä ja sitä sovellettiin jään kasaantumisesta aiheutuvien jääkuormien laskentaan. Käytetyllä mene-telmällä jääkasoja voitiin tutkia rakeisten materiaalien tavoin. Tämä mahdollisti uuden ja tar-kemman tiedon keräämisen kasaantumisen aikana jääkasassa tapahtuvista prosesseista ja il-miöistä. Kehitetyn menetelmän toimivuus varmistettiin käyttäen malli- ja luonnonjääkokeista rapor-toituja jääkasan ominaisuuksia sekä rakenteista mitattuja jääkuormia. Jääkasan muodostumis-ta mallintavissa simuloinneissa havaitut ilmiöt viittasivat siihen, että kuormitushuippujen ai-kana osa jääkasasta työntyi ylöspäin. Numeeriset kokeet eri parametrien, kuten esimerkiksi jään paksuuden ja kitkakertoimen vaikutuksesta jääkuormien huippuarvoihin osoittivat, että parametrien välillä oli keskinäistä vuorovaikutusta. Tutkittujen parametrien vaikutuksia ei näin ollen voida tarkastella erikseen. Irtonaisia jääpaloja sisältävästä jääkasasta löydetyt voi-maketjut aiheuttivat simuloinneissa havaitut pystysuuntaiset painejakaumat rakenteella. Li-säksi havaittujen voimaketjujen nurjahdus johti rakenteen jääkuorman nopeaan pienenemi-seen. Jotta jääkasan läpi kaltevalle rakenteelle kulkeutuvia jääkuormia voidaan tulevaisuudes-sa paremmin arvioida, tulee voimaketjut ja niiden nurjahdus ymmärtää.Description
Supervising professor
Tuhkuri, Jukka, Prof., Aalto University, FinlandKeywords
ice rubbling, sloping structures, peak load, pressure distribution, force chains, simulation, numerical simulation, mallinnus, jään kasaantuminen, kaltevat rakenteet, kuormitushuippu, painejakauma, voimaketjut
Other note
Parts
- [Publication 1]: Jani Paavilainen, Jukka Tuhkuri and Arttu Polojärvi. 2D combined finite-discrete element method to model multi-fracture of beam structures. Engineering Computations, Volume 26, issue 6, pages 578-598, 2009.
- [Publication 2]: Jani Paavilainen, Jukka Tuhkuri and Arttu Polojärvi. Rubble pile formation against an inclined structure – analysis of simulation results. In 20th IAHR International Symposium on Ice, Lahti, Finland, Electronic publication, ISBN 978-952-10-5979-7, June 2010.
- [Publication 3]: Jani Paavilainen, Jukka Tuhkuri and Arttu Polojärvi. 2D numerical simulations of ice rubble formation process against an inclined structure. Cold Regions Science and Technology, 68, pages 20-34, 2011.
- [Publication 4]: Jani Paavilainen and Jukka Tuhkuri. Parameter effects on simulated ice rubbling forces on a wide sloping structure. Cold Regions Science and Technology, 81, pages 1-10, 2012.
- [Publication 5]: Jani Paavilainen and Jukka Tuhkuri. Pressure distributions and force chains during simulated ice rubbling against sloped structures. Cold Regions Science and Technology, 85, pages 157-174, 2013.