Ice-structure interaction in shallow water - A study based on laboratory-scale experiments and discrete element simulations

Julkaisun otsikon käännös: Jään ja rakenteen välinen vuorovaikutus matalassa vedessä

Tutkimustuotos: Doctoral ThesisCollection of Articles

Abstrakti

Ilmastonmuutoksen vuoksi muuttuvat jääolosuhteet ovat lisänneet aktiviteettejä ja merirakenteiden tarvetta arktisilla merialueilla. Merirakenteiden optimointiin jääpeitteisille merialueille tarvitaan lisäymmärrystä jään ja rakenteen välisestä vuorovaikutuksesta. Jään ja rakenteen vuorovaikutuksessa liikkuva jää törmää rakenteeseen ja murtuu jäälohkareiksi, joista syntyy jääkasa rakenteen eteen. Jään kasaantumisprosessi aiheuttaa rakenteelle suuria jääkuormia. Useat arktiset merirakenteet sijaitsevat matalassa vedessä, jolloin jääkasa voi pohjautua. Pohjautuminen puolestaan vaikuttaa jäänmurtoprosessiin ja rakenteeseen kohdistuviin kuormiin. Tässä työssä tarkastellaan jään ja leveän sekä kaltevan rakenteen välistä vuorovaikutusta matalassa vedessä. Työ koostuu mallimittakaavassa tehdyistä jääkokeista ja täysmittakaavassa tehdystä numeerisesta mallinnuksesta. Mallimittakaavakokeet, joissa ehjä jäälautta työnnettiin kymmenmetristä kaltevaa matalan veden rakennetta vasten, suoritettiin Aalto Ice Tankissa. Rakenne koostui kymmenestä identtisestä segmentistä, joista kustakin mitatut kuormat analysoitiin eri resoluutioissa. Kokeet toteutettiin kolmessa sarjassa, jotka erosivat toisistaan jään lujuuden suhteen. Kokeiden uutuusarvo koostui aiemmin tehtyihin kokeisiin verrattuna huomattavasti leveämmästä rakenteesta sekä rakenteen segmentoinnista. Rakenteesta mitatut kuormitusaikasarjat osoittivat, että kuormitusprosessissa on kaksi erillistä vaihetta: (1) Ensiksi jääkuormat kasvoivat lineaarisesti, minkä jälkeen (2) jääkuormat pysyivät suunnilleen vakioina. Ensimmäisen vaiheen aikana kuorman kasvunopeus riippui suoraan rakenteen edessä olevan jääkasan kasvavasta massasta. Jääkuormat eivät olleet suoraan verrannollisia jään lujuuteen, sillä heikoin jää aiheutti rakenteeseen suurempia kuormia kuin jää, joka oli heikkoa jäätä kaksi kertaa lujempaa. Segmenteistä mitatut kuormitusaikasarjat korreloivat voimakkaasti koko kuormitusprosessin tasolla, viitaten siihen, että oletus jään eriaikaisesta murtumisesta rakennetta vasten ei pidä paikkaansa. Numeerinen mallinnus perustui täysmittakaavaisen jäänmurtoprosessin simulointiin kaksiulotteista diskreettielementtimenetelmään perustuvaa mallia apuna käyttäen. Simulaatiot mahdollistivat jäänmurtoprosessin tutkimisen täysimittakaavassa ja simulaatioissa keskityttiin siihen, kuinka veden syvyys vaikuttaa jääkuormiin. Simulaatioissa havaittiin rakenteeseen kohdistuvien jääkuormien kasvavan veden syvyyden pienentyessä. Simulaatiot osoittivat myös, että jääkasan mittasuhteiden skaalaus jään paksuuden neliöjuurella ottaa totuudenmukaisesti huomioon jään paksuuden vaikutuksen mittasuhteisiin. Tämä osoittaa, että matalan veden tarkastelussa usein mittana käytetty vedensyvyyden ja jään paksuuden suhde ei välttämättä toimi. Sekä simulaatiot että mallikokeet osoittivat, että pohja ottaa vastaan vain pienen osuuden kokonaisjääkuormasta.
Julkaisun otsikon käännösJään ja rakenteen välinen vuorovaikutus matalassa vedessä
AlkuperäiskieliEnglanti
PätevyysTohtorintutkinto
Myöntävä instituutio
  • Aalto-yliopisto
Valvoja/neuvonantaja
  • Polojärvi, Arttu, Vastuuprofessori
  • Tuhkuri, Jukka, Ohjaaja
Kustantaja
Painoksen ISBN978-952-64-0712-8
Sähköinen ISBN978-952-64-0713-5
TilaJulkaistu - 2022
OKM-julkaisutyyppiG5 Tohtorinväitöskirja (artikkeli)

Tutkimusalat

  • jää-rakenne vuorovaikutus
  • jäämekaniikka
  • arktiset merirakenteet
  • jäämallikokeet
  • diskreettielementtimenetelmä
  • jääkuormat
  • painejakauma

Sormenjälki

Sukella tutkimusaiheisiin 'Jään ja rakenteen välinen vuorovaikutus matalassa vedessä'. Ne muodostavat yhdessä ainutlaatuisen sormenjäljen.

Siteeraa tätä