OE4680 2013 - Exam - 24062013

download OE4680 2013 - Exam - 24062013

of 8

Transcript of OE4680 2013 - Exam - 24062013

  • 8/17/2019 OE4680 2013 - Exam - 24062013

    1/8

     

    Exam:  OE4680 Arctic Engineering Date/Time:  Monday, 24 June 2013, 14:00 ‐ 17:00 h 

    Name:  …………………………………………………………………… 

    Student Number:  …………………………………………………………………… 

       All  questions are to be answered  in English. 

     

    In case of  obvious mistakes or  omissions in the  problems, make your  own assumptions.   No books, notes or  other  written material   permitted, except   for  a dictionary  and  a calculator. 

      Please switch off  your  telephone(s)! 

      Please write your  name, student  number, date and  course code on every   page! 

      The exam questionnaire is to be handed  in together  with your  answers. 

  • 8/17/2019 OE4680 2013 - Exam - 24062013

    2/8

    Exam OE4680 Arctic Engineering  Monday, 24 June 2013, 14:00‐17:00 h 

    Problem 1: Arctic Regions and Ice Features (35%) 

    The locations given in Figure 1 showing the northern hemisphere, have seen recent offshore developments or 

    are considered viable for future offshore developments. 

    a.  Name the 3 locations depicted in Figure 1 and give an estimation of  the water depth at these locations. 

    (exact  depths are not  asked  here, choose  from “very  shallow”  to “very  deep”) 

    b.  Describe the typical ice features that you expect to encounter at these locations. 

    c.  Discuss the advantages (pros) and limitations (cons) of  the following hydrocarbon production concepts for 

    use in Arctic conditions: 

      Gravity Based Structure 

     

    Ship‐shaped

     Floating

     Production,

     Storage

     and

     Offloading

     unit

     (FPSO)

     

      Retained Artificial Island 

    d.  Which of  the concepts from question 1c. would you choose for each of  the locations in Figure 1? Explain 

    why this concept is the best option and explain why the other concepts do not perform optimally at the 

    considered location. In other  words:  per  area give comments on all  3 structures. 

    e.  What are the 4 physical ice properties that influence the strength of  ice? 

    f.  Use each of  the 4 physical ice properties to explain why sea ice is generally stronger at its surface than at its 

    bottom. 

    g. 

    When sea

     ice

     forms

     and

     grows

     it

     obtains

     different

     forms

     and

     shapes

     while

     going

     through

     the

     different

     stages of  its life. With respect to this, explain the following terms: 

      Shuga 

      Pancake Ice 

      Congelation Ice 

    For the determination of  ice actions, both the size effect ánd the scale effect are of  importance. 

    h.  Explain both the size effect (on structural strength of  ice) as well as the scale effect. 

    1

    2

    3

    Figure 1: The Northern Hemisphere 

  • 8/17/2019 OE4680 2013 - Exam - 24062013

    3/8

    Exam OE4680 Arctic Engineering  Monday, 24 June 2013, 14:00‐17:00 h 

    Problem 2: Ice Actions due to Ice Ridges (40%) 

    Note here that excerpts of ISO19906 and a list of parameters is given in the appendix!

    Figure 2a shows a large oil platform that was recently constructed in the Swedish sector of  the Baltic Sea. This 

    somewhat unconventional gravity based structure has a square shape with a width of  32 m. The most severe 

    ice actions

     this

     structure

     has

     to

     endure

     are

     caused

     by

     first

    ‐year

     ice

     ridges.

     Figure

     2b

     shows

     such

     an

     ice

     ridge

     in

     

    first‐year level ice in the Baltic Sea. 

    a.  Draw a cross‐section of  a first‐year ice ridge and name its characteristic features. 

    b.  How does the consolidated layer form in a first‐year ice ridge and why is it thicker than the level ice in 

    which the ridge formed? 

    The consolidated layer of  a 100 year Baltic Sea ice ridge has a thickness of  2.4 m, while the distance between 

    the bottom of  the consolidated layer and the base of  the keel is 13.2 m. 

    c.  Calculate the ice action due to the crushing of  the consolidated layer against the structure. 

    d.  Using ISO19906, determine the maximum ice action due to the remainder of  the ridge keel. 

    Upon impact with the structure the ice ridge has a velocity of  1.4 m/s and it is estimated that the ice ridge 

    weighs approximately 36·106 kg. 

    e.  Determine the maximum penetration of  the ice ridge, due to its impact on the structure. 

     Assume here that  area of  interaction between ridge and  structure is constant  and  at  its maximum. 

    f.  What is the limiting mechanism that occurs during ice ridge impact and what is the limiting mechanism 

    that occurs after maximum penetration has been reached? Briefly explain your answers. 

    While the

     ice

     ridge

     lies

     still

     against

     the

     structure,

     the

     ice

     action

     on

     the

     structure

     follows

     either

     from

     the

     ridge

     

    building action behind the ice ridge or from the driving forces on the level ice floe behind the ice ridge. Here, 

    the level ice floe behind the ice ridge has an area of  4 km2 and an average thickness of  1.2 m. 

    g.  Determine whether or not the ice ridge will remain still against the structure and calculate the 

    corresponding ice action on the structure. 

    In the Baltic Sea, the average salinity of  the sea ice has a range of  5 to 8 ppt and the typical ice floe surface 

    temperature is about ‐16°C. Assume here that the seawater freezing point is ‐1.93°C. 

    h.  Determine the flexural strength for design purposes according to ISO19906. 

    Suppose that you would redesign the gravity based structure to have a sloped shape at the waterline allowing 

    the ice ridge to fail in bending rather than crushing. Consider a slope angle  50      (to the horizontal), an ice‐

    structure friction

     coefficient

     0.04     and the same width of  the structure at the waterline as before. 

    i.  Calculate the horizontal breaking component of  the ice action for bending failure of  the consolidated layer 

    of  the ice ridge. 

    Figure 2: a) Gravity Based Structure; b) Interaction with an ice ridge . 

  • 8/17/2019 OE4680 2013 - Exam - 24062013

    4/8

    Exam OE4680 Arctic Engineering  Monday, 24 June 2013, 14:00‐17:00 h 

    Problem 3: Dynamic Ice‐Structure Interaction (25%) 

    To determine the dynamic interaction between the structure and the ice ridge from problem 2, 

    we model their interaction according to Figure 3. The ice ridge has a mass moment of  inertia   J  and the 

    resistance of  the level ice against the rotation of  the ice ridge is modelled by a rotational spring  r k   . Note here 

    that the mass of  the ice ridge was previously given by the mass mridge. 

    Initially, based on observations, it was proposed that the dynamic behaviour of  the crushing interaction 

    between the ice ridge and the gravity based structure is well resembled by a single spring k cr . Furthermore, 

    it was proposed that the rotation of  the ice ridge may be neglected. 

    a.  What is the type of  modelling applied here? Explain why and give a short explanation of  this modelling 

    approach. b.

      Determine the natural frequency of  the oil platform (i.e. without the ridge) and determine the natural 

    frequency of  the interaction between the structure and the ridge. 

    c. 

    What mode or regime, describing the dynamic crushing interaction, do you expect to occur here? Explain 

    why and give a short description of  the typical dynamic behaviour for this regime. 

    From measurements recently done at the Baltic Sea, it was found that 

    the behaviour of  the crushing interaction between ridge and structure 

    can be improved by describing the crushing load using the force‐

    indentation diagram depicted to the right. From these measurements, 

    it was also found that the rotation of  ridges plays an important role in 

    the interaction between structures and ice ridges. 

    The equation

     of 

     motion

     for

     the

     rotation

     of 

     the

     ice

     ridge

     is

     found

     as:

     

    r  J k M t     

    Here, M(t) is the time‐dependent moment applied on the ice ridge due to its interaction with the structure. 

    d. 

    What is the type of  modelling applied now? Explain why and give a short explanation of  this modelling 

    approach. 

    e. 

    Determine the natural frequency corresponding to the rotation of  the ice ridge. 

    f.  What mode or regime, describing the dynamic crushing interaction, do you expect to occur now? Explain 

    why and give a short description of  the typical dynamic behaviour for this regime. 

    As a first indication of  the dynamic interaction between ridge and structure during impact of  the ice ridge, we 

    may assume the crushing load to be constant, i.e. time‐and indentation‐independent, and equal to F cr  = 90 MN. 

    g. 

    Assuming the

     initial

     conditions

        0t t      , derive the expression for the rotation  t     . h.  Determine the maximum rotation of  the ice ridge in degrees, during its impact on the structure. Assume 

    here that a typical impact event takes approximately 8 seconds. 

    Figure 3: Dynamic interaction between the oil platform and an ice ridge and associated parameters. 

  • 8/17/2019 OE4680 2013 - Exam - 24062013

    5/8

    Exam OE4680 Arctic Engineering  Monday, 24 June 2013, 14:00‐17:00 h 

    Appendix: Excerpts from ISO19906 and additional parameters 

    Global ice actions due to crushing: 

    Based on various field studies, the global ice pressure can be determined as: 

    1

    mn

    cons

    G R

    cons

    h   w  p C 

    h h

     

        (A.8‐21) 

    With: 

    Global ice actions due to bending 

    Although the total load to fail ice in bending also includes lifting (or submerging), clearing and other components, the main 

    part of  the bending load is given by the horizontal breaking load. The horizontal breaking load  BH   is found as: 

  • 8/17/2019 OE4680 2013 - Exam - 24062013

    6/8

    Exam OE4680 Arctic Engineering  Monday, 24 June 2013, 14:00‐17:00 h 

    Global ice actions due to ridges 

    Ridge building action 

  • 8/17/2019 OE4680 2013 - Exam - 24062013

    7/8

    Exam OE4680 Arctic Engineering  Monday, 24 June 2013, 14:00‐17:00 h 

    Brine Volume: 

    Compressive Strength 

    Flexural Strength 

    Based on a large number of  small‐scale tests, the flexural strength   f     of  sea ice decreases with increasing brine 

    volume, which includes the effect of  ice temperature, and is given (in MPa) as: 

    5,881,76   b

     f    e    (A.8‐80) 

    Where b

    v   is the brine volume fraction. 

  • 8/17/2019 OE4680 2013 - Exam - 24062013

    8/8

    Exam OE4680 Arctic Engineering  Monday, 24 June 2013, 14:00‐17:00 h 

    Drag equation 

    In fluid dynamics, the drag equation is commonly known as: 

    212d d 

    F C V A    

    Where 

    F d   is the drag force 

     ρ  density of  the considered medium 

    V   velocity of  the considered medium 

     A  reference area 

    C d   drag coefficient 

    Overview of  Parameters: 

    Parameters 

    Symbol 

    Value 

    Unit 

    Metocean data  for  the Baltic Sea 

    Wind velocity  V a  19  m/s 

    Current velocity  V w   3,7  m/s 

    Air temperature  T a  ‐16  °C  

    Physical  and  Mechanical   properties 

    Density sea water   ρw   1024  kg/m3 

    Salinity sea water  Sw   35   ppt  

    Sea water freezing point  T  fr   ‐1,93  °C  

    Drag coefficient sea water  C d,w   0,002  ‐

    Density sea ice   ρi   911  kg/m3 

    Young’s modulus sea ice  E   5  GPa 

    Poisson's ratio sea ice  ν 0,3  ‐

    Air density (at ‐16°C)   ρa  1,37  kg/m3 

    Drag coefficient air  C d,a  0,025  ‐

    Standard gravity  G  9,81  m/s2 

    Ice ridge  parameters 

    Ridge velocity  v ridge  1,4  m/s 

    Ridge mass  mridge  36·106

    kg 

    Keel porosity  e  30  % 

    Keel cohesion  c  7  kPa 

    Angle of  internal friction angle  ϕ 30  °  

    Ridge building coefficient  R  6  ‐

    Sloped  structure  parameters 

    Cone angle  α 50  °  

    Ice‐structure friction coefficient   μ 0,04  ‐