Hostname: page-component-6766d58669-l4t7p Total loading time: 0 Render date: 2026-05-20T23:13:16.357Z Has data issue: false hasContentIssue false

On the Determination of Horizontal Forces a Floating Ice Plate Exerts on a Structure*

Published online by Cambridge University Press:  21 June 2017

Arnold D. Kerr*
Affiliation:
Department of Civil Engineering, Princeton University, Princeton, New Jersey 08540, U.S.A.
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Abstract

At first, the general approach for calculating the horizontal forces an ice cover exerts on structures is discussed. Ice-force determination consists of two parts: (1) the analysis of the in-plane forces, assuming that the ice cover remains intact, and (2) the use of a failure criterion; because an ice force cannot be larger than the force capable of breaking up the ice cover. For an estimate of the largest ice force, an elastic plate analysis and a failure criterion are often sufficient. A review of the literature revealed that in the majority of the analyses, it is assumed that the failure load is directly related to a "crushing strength" of the ice cover. Observations in the field and tests in the laboratory show, however, that in some instances the ice cover failed by buckling. Subsequently the ice-force analyses based on the buckling failure mechanism are reviewed and their shortcomings are pointed out. A new method of analysis, which is based on the buckling of a floating ice wedge, is then presented.

Résumé

Résumé

Sur la détermination des forces horizontales qu'une plaque de glace flottante exerce sur une structure. Tout d'abord, on discute Papproche générale du calcul des forces horizontales qu'une nappe de glace exerce sur une structure. La détermination des forces dues à la glace comprend deux parties: (1) l'analyse des forces dans un plan clans l'hypothèse où la nappe de glace est sensée rester intacte et (2) l'introduction du seuil de rupture; en effet une force exercée par la glace ne peut pas être supérieure à celle capable de briser la nappe de glace. Pour l'estimation des forces les plus grandes une analyse plane élastique et l'emploi d'un seuil de rupture sont souvent suffisants. Une revue de la littérature révèle que, dans la majorité des analyses, on suppose que la charge de rupture est directement reliée à une "résistance à l'écrasement" de la plaque de glace. Les observations in situ et les essais en laboratoire montrent cependant que dans quelques cas la glace se rompt au flambage. Par conséquent les analyses des forces dans la glace basées sur les mécanismes de ruptures au flambage sont revues et leurs insuffisances sont tirées au clair. On présente alors une nouvelle méthode d'analyse basée sur le flambage d'une poutre de glace flottante.

Zusammenfassung

Zusammenfassung

Zur Bestimmung der von einer schwimmenden Eisplatte auf ein Bauwerk ausgeübten Horizontalkräfte. Zunächst wird das generelle Verfahren zur Berechnung der Horizontalkräfte, die eine Eisdecke auf Bauwerke ausübt, dargelegt. Bestimmung von Eiskräften besteht aus zwei Teilen: (1) Die Analyse der inneren Flächenkräfte unter der Annahme, dass die Eisdecke unbeschädigt bleibt; (2) Die Einführung eines Bruchkriteriums, weil keine Eiskraft grösser werden kann als die Kraft, die zum Bruch der Eisdecke führt. Zur Abschätzung der grössten Eiskraft genügt oft eine elastische Plattenanalyse und ein Bruchkriterium. Aus der Durchsicht der Literatur geht hervor, dass die Mehrzahl der Analysen von der Annahme ausgeht, die Bruchlast stehe in unmittelbarer Beziehung zur "Quetschfestigkeit" der Eisdecke. Feldbeobachtungen und Laborversuche zeigen dagegen, dass in einigen Fällen die Eisdecke durch Knicken nachgab. Deshalb werden die Eiskraftanalysen auf der Basis des Nachgebens durch einen Knickmechanismus herangezogen und ihre Unzulänglichkeiten hervorgehoben. Schliesslich wird eine neue Methode der Analyse vorgelegt, die auf die Knickung eines schwimmenden Eiskeiles beruht.

Information

Type
Research Article
Copyright
Copyright © International Glaciological Society 1978
Figure 0

Fig. 1 Typical situations in which forces due to ice constraints are applied to a structure: (a) ice cover pressing against a rigid wall, (b) ice cover pressing against a rectangular pier.

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Fig. 2 Floating ice cover constrained by two parallel "rigid" walls.

Figure 2

Fig. 3 Ice pressing against a wall of limited length.

Figure 3

Fig. 4 Form of cracking observed when an ice cover presses against a pier: (a) rectangular pier (left), (b) circular pier (right).

Figure 4

Fig. 5 Geometry of a floating wedge with a force P tending to buckle it.

Figure 5

Fig. 6 Critical buckling loads for a floating wedge. . The numbers by each curve indicate equation numbers in the paper.