Vorhersage der Kräfte, die Eis auf von Menschenhand geschaffene Bauwerke ausübt

Der Schutz menschlicher Bauwerke vor Umwelteinflüssen kann nur durch ein umfassendes Verständnis der ökologischen Bedingungen und ihrer Parameter erreicht werden. Deshalb haben Wissenschaftler die Auswirkungen untersucht, die Eisrücken auf Offshore-Anlagen, Brücken, Leuchttürme, Rohrleitungen und andere Unterwasserbauten in den Nordseeregionen haben.

Eisrücken werden für gewöhnlich in Presseisrücken und Scherrücken unterteilt. Presseisrücken sind in Länge bzw. Breite sowie Höhe variabel, während Scherrücken aufgrund ihrer lateralen Bewegungen normalerweise flach und eben sind. Beide Arten von Eisrücken bestehen aus einem Eissegel (Block über der Wasseroberfläche), einem Eiskiel (Block unter der Wasseroberfläche) sowie einer konsolidierten Schicht, die sich zwischen Segel und Kiel befindet und aus erneut gefrorenem, dichten Eis besteht.

Eisrücken sind jedoch ständig in Bewegung und wenn sie gegen mechanische Bauten prallen, üben sie auf diese unglaublich starke Kräfte aus. Deshalb ist es wichtig, die Zusammensetzung und die mechanischen Eigenschaften von Eisrücken zu verstehen und sich von den theoretischen Modellen zu entfernen, die annehmen, dass der Eisblock nur durch Scherung zerbricht. In Wirklichkeit aber zerbricht das Eis, wenn es gegen mechanische Bauwerke gedrängt wird. Zerbrechen durch Eisscherung tritt hingegen nur auf, wenn sich der Block nahe der Ränder der Bauten befinden.

Im Rahmen dieses Projektes wurden Eisrücken verschiedenen umfassenden mechanischen Tests unterzogen. Die hinter diesem Projekt stehende finnische Universität führte zwischen den Wintern 2001 und 2003 ingesamt 16 verschiedene umfassende Felduntersuchungen durch. Zu diesen Tests gehörten zwei Schlagtests mit einer kreisförmigen Platte, acht Schlag-Scher-Versuche mit Strahlbeugung, fünf Strahltests an der konsolodierten Schicht sowie ein Hebetest an der konsolidierten Schicht.

Um das Verständnis dieser Versuche zu erhöhen, wurde Ausrüstung aus einem vorhergehenden Projekt angewendet. Damit konnten die Wissenschaftler Spalten in die konsolidierte Schicht schneiden, um anschließend das darunterliegende Kieleis zu untersuchen. Außerdem wurde ein FEM-Modell für die 3D-Simulation des Kielbruchs weiterentwickelt und die Iterationsschleifen des konstitutiven UMAT-Modells wurden neu programmiert. Desweiteren wurde ein Scherkappenmodell zur Beobachtung der volumetrischen Belastungen während der Scherung des Eisblocks entwickelt und zwei Gewinnfunktionen wurden kombiniert, um die verschiedenen Verformungsmechanismen beschreiben zu können.

Bei Vergleichen zwischen den Schlagversuchen am Kiel des Eisrückens und den experimentellen umfassenden Tests wurden alle Modelle kalibriert. Die angepassten Parameter hingegen können nun ähnliche Lastverdrängungen simulieren. Dadurch erhielten die Forscher ein neues konstitutives Modell, das die erfolgreiche Beschreibung der gemessenen Belastungen des Eisrückens für Eisblöcke ermöglicht. Bei der Gestaltung zukünftiger Unterwasserbauten können diese Informationen sehr nützlich sein, besonders weil erste intensive Computersimulationen erfreuliche Übereinstimmungen mit Felduntersuchungen gezeigt haben.

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Prof. Mauri Maattanen
Helsinki University of Technology
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