OE4680 2013 - Lecture 16 - Discussion Exercise & Exam Questions

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    MSc Offshore & Dredging Engineering

    Faculty CEG, Department Hydraulic Engineering

    Faculty 3mE, Department Maritime & Transport Technology

    120 June, 2013

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    Discussion Exercise & Exam Questions

    OE4680 Arctic Engineering

    MSc Offshore & Dredging Engineering 

    Sea Ice conditions

      Baidaratskaya Bay is part of  the southwest Kara Sea…

      The location of  the structure is offshore…

    20 

    June, 

    2013 3

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    Structural Configuration

    20 

    June, 

    2013 4

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    Given Parameters

    20 

    June, 

    2013 5

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    Overview Exercise Scoring

      Answering all problems correctly, yields a 0,8 bonus to your exam grade.

      This bonus is valid for the exam in Q4 (on Monday 24 June 2013, 14:00‐17:00) 

    and the retake (on Thursday 15 August 2013, 9:00‐12:00). 

    In total, there were 32 points to be earned, divided among the 4 problems as:

    1a.  [1]   2a.   [2]  3a.   [1]   4a.  [1]

    1b. [2]  2b.  [2]  3b.  [4]   4b. [8]

    2c.   [3]  3c.  [1]  4c.   [2]

    2d.  [1]  4d. [4]

    1.   [3]   2.   [8]  3.   [6]   4.   [15]

      Thus, every single point equals a (0,8/32 = ) 0,025 bonus.

    20 

    June, 

    2013 6

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    Problem Statement 1

    In the winter 2012‐2013, the mean daily air temperature at the considered location 

    in the Kara Sea was below the sea water freezing point from 16 September 2012 

    until 20 April 2013. The average mean daily air temperature during this period was  ‐

    16,7 °C. 

    For the calculation of  ice thickness, the Kara and Chukchi Seas have the same site 

    specific constants; in the Chukchi Sea a total of  4096 freezing degree days yielded an 

    ice thickness of  2,24 m.

    1. For the given weather conditions in the winter 2012‐2013,

    a. calculate the number of  accumulated freezing degree days in the Kara Sea.

    b. determine the maximum undisturbed ice thickness in the Kara Sea 

    assuming linear

     heat

     conduction.

    20 June, 2013 7

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    Problem 1a

    For the given weather conditions in the winter 2011‐2012:

    a. calculate the number of  accumulated freezing degree days in the Chukchi Sea.

    The number  of  accumulated  degree days is  found  as:

    “Mean daily  air  temperature at  the Chukchi  Sea was below  the sea water   freezing 

     point   from 16 September  2012 until  20  April  2013.”  

    The  period   from 16 September  2012 until  20  April  2013 yields a total  of:

    15+31+30+31+31+28+31+20 = 217  days. 

    “The average mean daily  air  temperature during this  period  was ‐16,7  °C.” 

    T a is therefore given as ‐16,7  °C. 

    The sea water  salinity  is 32, thus the  freezing  point  of  the sea water  T b  is ‐1,76 °C.

     And  thus:

    20 June, 2013 8

    a b a b  FDD daysC T T avg T T n

    16,7 1,76 217 3242  FDDC 

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    Instead of  the undisturbed ice thickness, extreme ice floe 

    thicknesses should be used for the design loads. In other 

    words, from this point onwards use the extreme ice floe 

    thickness value specifically given to your group. 

    Assume that for extreme ice floe thicknesses in the Chukchi 

    Sea, the ice temperature at the floe surface is  ‐15⁰ C.

    2. For the depicted cylindrical structure, i.e. substructure A,

    a. determine the ice action for an average sized isolated ice floe for limit force;

    b. calculate the design action for ice crushing failure according to ISO19906;

    c. give a conservative estimate of  the penetration of  the structure into an 

    average sized

     isolated

     ice

     floe

     for

     a limit

     energy

     event

     and

     determine

     the

     

    corresponding limit energy ice action; 

    d. conclude which limiting mechanisms governs the ice action and explain why.

    Problem Statement 2

    20 June, 2013 10

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    2 2

    2 3 2 3

    ,   8 8

    ,

    0,025 1,37 21 4,5 10 0,002 1029 3 4,5 10

    120,1 147,3 267,4

     

     LF floe

     LF floe

     F 

     F MN 

    Problem 2a

    For the depicted cylindrical structure, i.e. substructure A,

    a. determine the ice action for an average sized isolated ice floe for limit force;

    For  an isolated  ice  floe, where the ice  floe is described  as an equivalent  circular   floe 

    with a diameter  Deq , the limit   force action can be described  as:

      From the lecture on ice mechanics, we  find  that  C d,a = 0,025 and  C d,w  = 0,002.

      Furthermore,  from table 1 we  find  that  ρa = 1,37  kg/m3

     , V a = 21 m/s, ρw  = 1029 kg/m3.  And  V w  = 3 m/s. 

      Additionally  table 1 gives the equivalent  diameter  of  a FY  level  ice  floe as 3 to 6 

    km; an 

    average 

    sized  

     floe 

    then has an equivalent  diameter  of  4,5 km.

    Thus:

    20 June, 2013 11

    2 2 2 2

    , , ,8 8       LF floe d a a a eq d w w w eqC V D C V D

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    Problem 2b

    b. calculate the design action for ice crushing failure according to ISO19906;

     According to ISO19906, we  find  the global  crushing load  through the global  ice 

     pressure due to crushing (eqs.  A.8‐20 and   A.8‐21) as:

      The ice strength coefficient   for   Arctic area’s is equal  to: C R = 2.8 MPa.

      m and  n are empirical  coefficients that  depend  on the ice thickness, but   for  the  possible thicknesses are always  found  as: m=‐0.16, n=‐0.3.

      The width of  the structure is: w  = 14 m and  h1 is a unit  variable: h1 = 1.

    With h=2,1 m we thus  find: 

    20 June, 2013 12

    1

    n m

    G G G Rh w F p hw p C h h

         

    1

    48,6  

     

    n m

    G R

    h w F C hw MN 

    h h

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    Problem 2c (1)

    c. give a conservative

     estimate

     of 

     the

     penetration

     of 

     the

     structure

     into

     an

     average

     

    sized isolated ice floe for a limit energy event and determine the corresponding 

    limit energy ice action;

    The ice action  for  limit  energy  is determined   from the work ‐energy   principal:

      Again, we assume an average sized ice floe with a diameter  of  4,5 km. 

    Thus, with ρice = 910 kg/m3 and  h = H2 = 2,1 m, the mass of  the ice  floe becomes:

      We assume that  F(x) = F G is constant.

      The structure is considered  to be offshore, so v beg = 0,3 m/s.

    Penetration is then:

    20 June, 2013 13

      2 21 12 2   beg end   F x dx p x w x h x dx mv mv

    22 3910 4,5 10 2,1 30, 44 4     ice eqm D h Gkg  

    21   9

    221

    2   6

    1,37 1028,2

    48,6 10

      beg 

    G beg  

    G

    mv F x dx F x mv x m

     F 

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    Problems 2c (2) and 2d

    c. give a conservative

     estimate

     of 

     the

     penetration

     of 

     the

     structure

     into

     an

     average

     

    sized isolated ice floe for a limit energy event and determine the corresponding 

    limit energy ice action;

    So, under  the assumptions made, we  find  that  the  penetration:  .

     As the diameter  of  the structure is only  14 m, this means that  during a limit  energy  event, the structure gets  fully  enveloped .

    Consequently, the corresponding limit  energy  ice action must  be equal  to the limit  

    stress load:

    d. conclude which limiting mechanisms governs the ice action and explain why.

      From question a. and  b. we  find: F LS 

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    Problem Statement 3

    3. Using the ISO19906 provisions,

    a. calculate the average ice salinity for design conditions;

    b. calculate the corresponding brine volume and total porosity;

    c. determine the

     flexural

     strength

     of 

     the

     ice

     for

     preliminary

     design.

    20 June, 2013 15

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    Problem 3a

    Using the ISO19906 provisions:

    a. calculate the approximate ice salinity for design conditions;

    The  AVERAGE  ice salinity  of  a growing  first ‐year  level  ice sheet  is  found  according to 

    the ISO19906  provisions by  the  following equation:

    Clearly  all  given extreme ice thicknesses are > 0,34 m and  thus, substituting the  possible values gives a salinity  (in  ppt) as:

    20 June, 2013 16

    13,4 17,4 for 0,34

    8,0 1,62 for 0,34

    h h mS 

    h h m

     

    1 1,8 : 5,084

    8,0 1,62 2 2,1: 4,598

    3 2,4 : 4,112

     H S 

    S h H S  

     H S 

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    Problem 3b (1)

    Using the ISO19906 provisions:

    b. calculate the corresponding brine volume and total porosity;

    The corresponding brine volume  follows  from ISO19906 as:

    For  the calculation of  the brine volume that  corresponds to the average salinity  S of  

    an ice sheet, we should  also use the average temperature over  the ice sheet.

    “Assume that   for  extreme ice  floe thicknesses in the Kara Sea, the ice temperature 

    at  the  floe surface is ‐15°C.” 

    In the lecture on ice mechanics, it  was explained  that  the temperature in an ice  floe 

    changes linearly  over  the height:

      at  the  floe surface the temperature is given as ‐15 °C.

      Looking at  the heat   flux  through the ice, the temperature at  the bottom of  the ice sheet  must  be equal  to the  freezing  point, i.e. ‐1.76 °C.

     And  thus we  find  that: 

    20 June, 2013 17

    49,180,53brineV S 

    15 1,76 2 8,38 avg T T C 

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    Problem 3b (2)

    Using the ISO19906 provisions:

    b. calculate the corresponding brine volume and total porosity;

    Substituting the average salinity  S and  the average temperature T  yields:

     According to the ice mechanics lecture, the air  volume (in  ppt) may  be 

    approximated  as:

    And thus the porosity is found (in ppt) as:

    20 June, 2013 18

    1: 32,5449,180,53 6,4 2 : 29,43

    8,383: 26,32

     

     

    brine

    brine brine

    brine

     H V V S S H V  

     H V 

      9101 1 1 8,49

    917,8

       

        bulk sea iceair 

     particles pure ice i

    V T 

    1: 32, 54 8, 49 41, 03

    2 : 29, 43 8, 49 37, 92

    3: 26, 32 8, 49 34,81

     

     

     

    brine air  

     H 

    V V H 

     H 

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    Problem 3c

    Using the ISO19906 provisions:

    c. determine the flexural strength of  the ice for preliminary design; [2]

    The  flexural  strength of  the ice is defined  in ISO19906 as:

    Here, the brine volume should  be substituted  as the brine volume  fraction , thus a 

    brine volume of  37,92 (in  ppt) corresponds to a brine volume  fraction 0,03792.

    Thus, the  flexural  strengths corresponding to the different  ice thicknesses are:

    Note that  these values are much higher  than what  ISO19906 notes reasonable!

    20 June, 2013 19

      5,881,76   bV  f   MP    ea  

    5,88

    1: 0,609

    1,76 2 : 0,642

    3: 0,678

     

     

     

     

    b

     f 

     f f 

     f 

     H MPa

    e H MPa

     H MPa

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    To reduce the design actions, the structure has been redesigned and equipped with a cone.

    3. For the depicted conical structure, i.e. substructure 

    B, and for the specific combination of  parameters 

    specified for your group,

    a. determine the diameter of  the cone at the still water 

    level;

    b. calculate the total horizontal design load for bending 

    failure according to ISO19906;

    c. suppose that instead of  an upward cone, a downward cone with the same 

    angle would be used; explain which components of  the total design bending 

    load should be recalculated;

    d. give an estimate of  the total design load reduction by applying a downward 

    cone with the same waterline diameter as the upward cone.

    Problem Statement 4

    20 June, 2013 20

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    Problem 4a

    For the depicted conical structure, i.e. substructure B, and for the specific combination of  parameters specified for your group:

    a. determine the diameter of  the cone at the still water level;

    The diameter  of  the cone at  the still  water  line  follows  from the radius of  the top of  

    the cone, the distance of  the top of  the cone above water  and  the cone angle. From simple trigonometry  we  find  the additional  radius r add  due to the cone as:

    Consequently, the diameter  of  the cone at  the still  water  level  is  found  as:

    20 June, 2013 21

    ,

    1: 6,21 4 : 5,03 7 : 4,056

    2 : 5,79 5 : 4,69 8 : 3,75tan tan

    3: 5,40 6 : 4,36 9 : 3,46

    add add add  

    top c

    add add add add  

    add add add  

     A r A r A r h

    r A r A r A r   A A

     A r A r A r 

    ,

    1: 20,42 4 : 18,06 7 : 16,102 2 : 19,58 5 : 17,38 8 : 15,50

    3: 18,80 6 : 16,72 9 : 14,92

    c c c

    c top c add c c c

    c c c

     A w A w A ww b r A w A w A w

     A w A w A w

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    Problem 4b (1)

    b. calculate the total horizontal design load for bending failure according to ISO19906;

    The total  horizontal  design load   for  bending  failure is  found  according to ISO19906 

    as:

    In general  the breaking component  HB is the main component, which is  found  as:

    Here, the flexural strength   f   is the result  of  question 3c.

    20 June, 2013 22

    1

     B P R L T  H 

     B

     f c

     H H H H H  F  H 

    : Load required to break the ice blocks against the slope

    : Load required to push the ice blocks up the slope: Load required to turn the ice block at the top of the slope

    : Load required to push the

     B

     R

     P 

     H 

     H  H 

     H    sheet ice through the rubble

    : Load required to lift the ice rubble with the unbroken ice floe L H 

    0,253

    0,255   2 212 1

    0,684

    sin coscos sin

    w w B f C 

     Eh L

     gh   g v H w L

     E 

               

        

       

             

       

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    Problem 4b (2)

    b. calculate the total horizontal design load for bending failure according to ISO19906;

     Alternatively, the breaking component  HB can (and  should) be written as:

    We  find:

    20 June, 2013 23

    0,252 3

    0,255   2with:4   12 10,68

    sin cos

    cos sin

     

           

      

     

     

                 

    C C C 

    w   w B f C 

     Ehw L L gh   g v

     H  E 

    sin cos 0,8061 0.03, 5 52 : 1,362

    cos sin 0,592

       

     

      C A

    0,25

    9 3

    2

    1: 22,68 76,385 102 : 25,46 80,19

    12 1029 9,81 1 0,33: 28,14 84,36

         

    C C 

    C C C 

    C C 

     H L m m H  L H L m m

     H L m m

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    Problem 4b (3)

    b. calculate the total horizontal design load for bending failure according to ISO19906;

    The remaining load  components can be rewritten as:

    20 June, 2013 24

    2

    2   tan 11 1

    tan 2 tan

    sin cos tan sin cos0,5 1 cos 1

    cos sin tan tan tan sin

    tan 1 1 tan1 0,5 1 tan 1

    tan tan tan t

     P r i i

    i r 

     R i r i

     L r r i

     H wh g e

    w gh H e h h

     H wh h g e

       

     

         

     

       

     

     

    2

    an

    cos1,5

    sin cosT i

    c

     H wh g 

     

       

     

     

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    Problem 4b (4)

    b. calculate the total horizontal design load for bending failure according to ISO19906;

    The horizontal  breaking load  HB , as well  as the other  4 components are now   found  

    by  “simply”  substituting the calculated  values into the ISO19906‐equations.

    For  example using H2, C1 &  A5, we  find:

    (i.e. h = 2,1 m; μ = 0,03; α = 52°)

     And  the total   force becomes: 

    20 June, 2013 25

    4,544 0,024 4,023 0,583 0,82110,4

    4,5441 10,642 80,19 2,1 

     B P R L T 

     H   B

     f c

     H H H H H  F MN 

     H h

    4,544

    0,024

    4,023

    0,583

    0,821

     B

     P 

     R

     L

     H MN 

     H MN 

     H MN 

     H MN 

     H MN 

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    Problem 4c (1)

    c. suppose that instead of  the upward cone, a downward cone with the same angle 

    would be used; explain which components of  the total design bending load 

    should be recalculated;

    If  we would  critically  asses the  physics of  upward  versus downward  bending, we can state that:

      The  flexural  strength of  the ice is different   for  upward  and  downward  bending.

      The  friction coefficient  is different  above and  under  water.

      The weight  of  the ice on an upward  slope should  be replaced  by  its buoyancy  

     for  a downward  slope, i.e. the density  should  be replaced  by  the submerged  

    density  . (See lectures on Ice  Actions)

    Note here that in ISO19906, the flexural strength is calculated as an average flexural 

    strength and

     therefore

     cannot

     distinguish

     between

     up

    ‐/downward

     bending!

    Furthermore, we have only considered one ice‐structure friction coefficient.

    20 June, 2013 26

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    Problem 4c (2)

    c. suppose that instead of  the upward cone, a downward cone with the same angle 

    would be used; explain which components of  the total design bending load 

    should be recalculated;

    Thus the only  change that  remains is:   The weight  of  the ice on an upward  slope should  be replaced  by  its buoyancy  

     for  a downward  slope, i.e. the ice density  should  be replaced  by  the submerged  

    density . (  ρi  → ρw ‐ρi  ; See lectures on Ice  Actions)

    So all  components that  are a  function of  the ice density  should  be recalculated, which 

    is all  components except   for  the breaking component. (i.e. HP , HR , HL and  HT  )

    Note here that, in  principal, the component  HT   may  be neglected  completely, as an 

    ice block  will  likely  turn before the end  of  the slope when its submerged.

    20 June, 2013 27

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    Problem 4d (1)

    d. give an estimate of  the total design load reduction by applying a downward 

    cone with the same waterline diameter as we have previously used for the 

    upward cone.

    Looking at

     the

     equations

     for

     the

     4 ice

     components:

    we find that we only need to recalculate HL!  The rest  can be directly   factored.

    20 June, 2013 28

    2

    2   tan 11 1

    tan 2 tan

    sin cos tan sin cos0,5 1 cos 1

    cos sin tan tan tan sin

    tan 1 1 tan1 0,5 1 tan 1

    tan tan tan t

     P r i i

    i r  R i r i

     L r r i

     H wh g e

    w gh H e h h

     H wh h g e

       

     

         

     

       

     

     

    2

    an

    cos1,5

    sin cosT i

    c

     H wh g 

     

       

     

     

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    Problem 4d (1)

    d. give an estimate of  the total design load reduction by applying a downward 

    cone with the same waterline diameter as we have previously used for the 

    upward cone.

    The total  horizontal  load  than becomes:

    For  our   parameter  set  (H2, C1,  A5), we  find: 

     And  the total  reduction becomes:   F  H,red  = F  H,up - F  H,down = 5,0 MN 

    20 June, 2013 29

      ,,

    119

    9101

          

      

     

     

     B down P R L down   w i H down down

     B i

     f c

     H H H H  F 

     H 

    h

    , ,

    4,544 0,003 0,526 0,14910,4 5,4

    4,5441

    0,642 80,29 2,1

     H up H down F MN F MN 

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    MSc Offshore & Dredging Engineering

    Faculty CEG, Department Hydraulic Engineering

    Faculty 3mE, Department Maritime & Transport Technology

    3120 June, 2013

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    20 June, 2013 32

    Exam dates & Configuration

    Exam datesExam:  Monday  24  June,  14:00 – 17:00, DTC  ‐TZ2

    Re‐exam:   Thursday  15  August, 09:00 – 12:00, tba

    The exam

     roughly

     follows

     the

     setup

     of 

     the

     course

     schedule:

      General Arctic Engineering:  65‐75 %

      Arctic regions, Arctic structures and ice features;

      Ice loads and Ice actions;

      Ice physics and/or ice mechanics;   Ice management and/or Arctic escape, evacuation and rescue;

      Capita Selecta. 

      Dynamics of  ice‐structure interaction: 25‐35 %

      Frequency lock‐in and ice‐induced vibrations;

      Beam/Plate theory and Numerical modelling;

      Industry experience;

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    1

    2

    20 June, 2013 33

    Arctic regions and ice features

    Q: Name the seas these hydrocarbon 

    fields are situated in and describe the 

    ice features that you expect to 

    encounter at the given locations.

    1. Barents Sea (Shtokman)

      First‐year

     level

     ice,

     

      First‐year ice ridges, and 

      (occasionally) Icebergs.

    2. (Southern) Kara Sea

      First‐year

     level

     ice,

     

      First‐year ice ridges, and 

      Multi‐year ice ridges.

    At the locations given in the figure below, offshore hydrocarbon fields are being developed or will be developed in the next few years.

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    Arctic concepts

    Q: 

    Discuss the

     advantages

     (pros)

     and

     limitations

     (cons)

     of 

     the

     following

     

    hydrocarbon production concepts for use in the Arctic: 

      Gravity Based Structure

      Arctic Spar

      Downward Conical Buoy 

    Let’s discuss the Downward Conical Buoy (pros & cons):

      Good performance in level ice, as ice is forced to fail in bending.

      Good rubble clearing due to buoyancy effects on broken ice.

      Circular symmetry, therefore no ice‐vaning required.

      Requires no offshore topside installation.

      Optionally a disconnection system for (risers and) moorings.

      Optionally variable draft, allowing use in both summer and winter.

      Congested deck

     area

     

      Requires extremely heavy mooring system

      Poor open water behaviour under extreme weather conditions

      The risers and mooring systems may be exposed to broken ice.

  • 8/17/2019 OE4680 2013 - Lecture 16 - Discussion Exercise & Exam Questions

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    1

    2

    20 June, 2013 35

    Arctic regions/concepts and ice features

    Q:   Which of  the given concepts would you choose for each location and explain why.

    1. Barents Sea (Shtokman)   GBS: Too deep (320‐340 m)

      Downward Conical Buoy: Assuming disconnecta‐bility and a variable draft makes this a viable option.

      Arctic Spar: perfect for open water behaviour, 

    but it can not be disconnected for icebergs.

    Least  bad: DCB with extra options

    Best  option: FPSO (disconnection, open water)

    2. (Southern) Kara Sea   GBS: Viable option especially in the shallow parts

      Downward Conical Buoy: Viable option as the 

    occurring downloads can be withstood, especially with ice management.

      Arctic Spar: Too shallow.

    Best  option: DCB or  GBS depending on water  depthGBS, Arctic Spar or Downward Conical Buoy?

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    20 June, 2013 37

    Ice actionsQ:   What are the mechanisms that limit the ice load on a structure during ice‐

    structure interaction?

      Limit Energy

      Limit Stress

      Limit Force

    Q:   Explain briefly what is meant by each of  these limiting mechanisms. 

    Limit Energy:

    The mechanism that occurs when the action is limited by the (relative) kinetic energy or 

    momentum of 

     the

     ice

     feature.

     This

     mechanism

     is also

     referred

     to

     as

     Limit

     Momentum.

    Limit Stress:

    The mechanism that occurs when an ice feature is driven against the structure and the driving forces are insufficient for the ice to fail and envelop the structure.

    Limit Force:

    The mechanism that occurs when the driving forces working on the ice feature are sufficient for the ice to fail as it interacts with the structure. 

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    20 June, 2013 38

    Ice actions

    Q:   The ice loads exerted on a sloping structure are different from the ice loads exerted on a vertical structure. Explain on which of  the structures the ice floe 

    exerts the lowest loads, explain why, and name the corresponding failure 

    modes. 

    Against sloping

     structures

     the

     ice

     fails

     through

     (ice) bending,

     

    while on a vertical structure the ice fails through (ice) crushing.

    The  failure of  ice through bending depends on the tensile strength of  ice, 

    while crushing depends on the compressive strength of  ice. 

    The tensile strength of  ice is much lower  then the compressive strength of  ice 

    and  therefore bending exerts lower  loads on a structure than crushing.

    Ergo, the loads will  be lowest  on sloping structures. Note however  that  rubble  piling up 

    and/or  adfreeze may  diminish the advantages of  sloping structures

    To calculate static ice actions, we usually apply the ISO19906, 

    but we have extensively discussed this during the first part of  this lecture.

  • 8/17/2019 OE4680 2013 - Lecture 16 - Discussion Exercise & Exam Questions

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    Discussion Exercise & Exam Questions

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    Bernal‐Fowler Rules

    Q:   The Bernal‐Fowler rules describe the arrangement of  water molecules and 

    hydrogen atoms in the ideal crystalline structure of  ice. Give the 4 Bernal‐

    Fowler rules.

    1. The water molecule is preserved in the ice lattice. Ergo, 1 O‐atom with 2 

    H‐atoms. 

    2. Each water molecule is tetrahedrically bonded to 4 neighbour water 

    molecules. 

    3. There is only 1 hydrogen atom per oxygen‐oxygen bond. 

    4. The hydrogen‐atoms are mobile so rules 1‐3 may be satisfied in any 

    configuration. 

    20 June, 2013 39

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    Discussion Exercise & Exam Questions

    OE4680 Arctic Engineering

    MSc Offshore & Dredging Engineering 

    Dynamics of  Ice‐Structure Interaction

    Q:   What are the 3 main types of  models that are available to model dynamic 

    interaction between sea ice and offshore structures? Give a short explanation 

    of  each type of  model.

     Physically based models

    This type of  modelling tries to approach reality  as much as  possible by  taking 

    into ac‐count  the  fundamental   physical  (micro‐ )properties of  the 

     phenomenon to be modelled.

     Empirical modelsModels based  on data.

     Phenomenological models

    Models that  try  to mimic the behaviour of  a certain  phenomenon rather  than 

    looking into the source of  this behaviour.

    20 June, 2013 41

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    MSc Offshore & Dredging Engineering 

    Dynamics of  ISI ‐ exam 31‐08‐2012

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    MSc Offshore & Dredging Engineering 

    Dynamics of  ISI ‐ exam 31‐08‐2012

    Q:   The dynamic interaction between an ice floe and a sloping structure is 

    described by a loading cycle in 2 alternating phases. Describe this loading cycle 

    and identify its 2 phases.

    1. Upon initial  contact  of  the ice  floe with the hull  of  the sloping structure, the tip of  the ice  floe is  pushed  downwards and  the ice  floe starts bending downwards 

    up to the  point  where the ice  floe, here modelled  as a beam, breaks in bending 

    at  a certain distance  from the interaction  point  at  the tip of  the ice  floe. This is 

    the  first   phase commonly  described  as: “Bending up to  failure” .

    2. Once a  piece of  the ice  floe (beam) breaks off   from the ice  floe, this  piece (or  

     pieces of  rubble) is  pushed  down the slope by  the remaining ice  floe, until  the tip 

    of  the remaining ice  floe hits the hull  of  the sloping structure. This is known as 

    the second   phase. Once the tip of  the remaining ice  floe hits the structure the ice  floe is once again applying a direct  load  to the structure, and  we thus 

    commonly  describe this  phase as: “Pushing rubble (down) until  reloading” .

    20 June, 2013 43

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    Q:   Which beam theory would you use to model the interaction between the ice 

    and the downward conical structure and why?

      Euler ‐Bernoulli  beam theory, also commonly  known as the classical  beam 

    theory.

      When modelling the ice as a beam, the beam representing the ice can always 

    be considered  to be long or  slender; When beams are long/slender, shear  

    deformations and  rotational  inertia may  be disregarded  as is assumed   for  the 

    Euler ‐Bernoulli  beam theory.

     Additional  Note:

      When considering short  beams, shear  deformations and  rotational  inertia 

    should  be taken into account  according to Timoshenko‐Rayleigh beam theory.

    20 June, 2013 44

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    Dynamics of  ISI ‐ exam 31‐08‐2012

    Q:   Give the 4 boundary conditions for the interaction between the unfractured ice sheet 

    and the downward conical buoy, assuming that the downward conical buoy is fixed.

      Assuming that  the ice sheet  is infinitely  long, we can  find  a distance, say  L,  from the ice‐

    structure interaction  point  where the deflection and  the rotation of  the ice are negligible. 

    This yields the  first  2 boundary  conditions as:

      At  the contact   point  between the ice sheet  and  the downward  conical  buoy, the boundary  

    conditions are due to the interaction with the rigid  hull  of  the structure. 

      The bending moment  in the beam  follows 

     from the axial  compression  force as:

      The last  boundary  condition  follows  from the 

    deflection of  the beam tip, which is  found  as:

    20 June, 2013 46

    0

       z   x Lu

    2

    H2

    0  2

     z 

     x

    u h EI F 

     x

    0

     z 

     x L

    u

     x

    00 sin     z   xu t v t t  

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    For any floating structure that is used for drilling, it is important that its rocking motion 

    (roll/pitch) is minimal, because large rocking motions may damage the drillstring. As a first 

    check of  the maximum roll/pitch motion, we assume that the horizontal and vertical loads 

    are constants, i.e. time‐independent, and that the damping of  the structure in roll/pitch 

    may be neglected.Q:   Give the equation of  motion for the roll motion of  the downward conical structure and 

    determine the corresponding natural frequency.

    The equation of  motion  for  the structure is  found  as:

    Here, the natural   frequency  is  found  as:

    20 June, 2013 47

      2 V

    V H V

       

    r n

     F a b J k F a F b F a b

     J 

    9

    9

    12 100,195

    315 10 

     

    n

    k rad s

     J 

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    During the

     structures’

     first

     drilling

     operations

     in

     the

     Chukchi

     Sea,

     it is

     observed

     that

     the

     ice

     

    floe velocity in the Chukchi Sea varies between 0,04 and 0,08 m/s and the length of  the 

    pieces of  ice that break off  against the structure in bending ranges from 10 to 14 m. 

    Q:   Determine the frequency range of  ice failure against the conical structure and explain 

    whether frequency

     lock

    ‐in

     may

     occur

     while

     operating

     this

     structure

     in

     the

     Chukchi

     Sea.

    The lowest  ice‐ failure‐ frequency  is  found   for  a combination of  the biggest  breaking 

    length and  the lowest  ice  floe velocity:

     Accordingly, the highest  ice‐ failure‐ frequency  is  found   for  a combination of  the smallest  

    breaking length and  the highest  ice  floe velocity:

    Previously, we  found  a natural   frequency  of  0,195 rad/s, which is 4 times bigger  than the highest  ice‐ failure‐ frequency. Due to the big difference, we may  expect  that  the ice‐

     failure‐ frequency  and  the structures’  natural  rolling  frequency  will  not  synchronize. 

    Thus, we do not  expect   frequency  lock ‐in to occur  here.

    20 June, 2013 48

    min

    max

    2 2 0,040,018

    14

      

     

    low

    vrad s

    max

    min

    2 2 0,080,050

    10

      

     

    high

    vrad s

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    Q: Assuming the

     initial

     conditions

     , derive

     the

     expression

     for

     the

     

    rotation  .

    The equation to solve is:

    This yields:

    Differentiation to time gives:Substitution into the initial  conditions then yields:

    Finally  giving:

    20 June, 2013 49

    0 0 0      t 

    2 V      

    n F a b

     J 

     

     

    V V

    2   Vsin cos

    sin cos

               

     

       

     P 

    n r    n n

     H n n

     F a b F a bt    F a b J k    t A t B t  

    k t A t B t  

      cos sin   n n n nt A t B t  

      V V V

    0 cos 0 sin 0 0 0

    0 sin 0 cos 0 0

     

      

    n n n

    r r r 

     A B A A

     F a b F a b F a b A B B B

    k k k 

     

    V 1 cos 

     

      nr 

     F a bt t 

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    For the design of  this downward conical structure the maximum allowed roll/pitch 

    angle was found to be .

    Q:   Determine the vertical force that corresponds with the maximum allowed 

    roll/pitch angle.

    Max  rotation if:

    The maximum  force allowed  is thus:

    Note here that  any  angles should  be rewritten to radians.

    20 June, 2013 50

      V Vmax

    max

    2cos 1 1 cos

       

    n n

    r r 

     F a b F a bt t 

    k k 

    3

    maxV,max

    12 10 0,06118,82

    2 2 36 1,39 4

     

     

    r k  F MN a b

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    20 June, 2013 51

    Good luck with the examon Monday 24 June

     And enjoy the summer holiday!