Hostname: page-component-7b7567c8c-tnzcf Total loading time: 0 Render date: 2026-11-13T15:38:18.486Z Has data issue: false hasContentIssue false

Engineering Properties of Sea Ice

Published online by Cambridge University Press:  30 January 2017

J. Schwarz
Affiliation:
Hamburgische Schiffbau-Versuchsanstalt GmbH, Bramfelder Strasse 164, 2000 Hamburg 60, Germany
W. F. Weeks
Affiliation:
U.S. Army Cold Regions Research and Engineering Laboratory, Hanover, New Hampshire 03755, U.S.A.
Rights & Permissions [Opens in a new window]

Abstract

As the continental shelves of the Arctic become important as source areas for the oil and minerals required by human society, sea ice becomes an increasing challenge to engineers. The present paper starts with a consideration of the different fields of engineering which require information on sea ice with the tasks ranging from the design of ice-breaking ships to Arctic drilling platforms and man-made ice islands. Then the structure of sea ice is described as it influences the observed variations in physical properties. Next the status of our knowledge of the physical properties important to engineering is reviewed. Properties discussed include mechanical properties (compressive, tensile, shear and flexural strengths; dynamic and static elastic moduli; Poisson’s ratio), friction and adhesion, thermal properties (specific and latent heats, thermal conductivity and diffusivity, density) and finally electromagnetic properties (dielectric permittivity and loss, resistivity). Particular attention is given to parameters such as temperature, strain-rate, brine volume, and loading direction as they affect property variations. Gaps, contradictions in the data, and inadequacies in testing techniques are pointed out. Finally suggestions are made for future research, especially for more basic laboratory studies designed to provide the data base upon which further theoretical developments as well as field studies can be built.

Résumé

Résumé

Propriétés de la glace de mer pour l’Ingénieur. Les plateaux continentaux de l’Arctique devenant importants comme réservoirs de pétrole et de minéraux nécessaires aux Sociétés humaines, la glace de mer devient un défi croissant aux Ingénieurs. Le présent article commence par considérer les différents domaines où l’Ingénieur a besoin d’informations sur la glace de mer avec des tâches allant du dessin de coques de navires brise-glace à des plates-formes pour forages arctiques ou à des îles de glace construites de main d’homme. Puis on décrit la structure de la glace de mer pour autant qu’elle influe sur les variations observées de ses propriétés physiques. On fait ensuite le point de nos connaissances sur les propriétés physiques importantes pour l’Ingénieur. Les propriétés discutées comprennent les propriété mécaniques (résistance à la compression, à la tension, au cisaillement et à la flexion; modules élastiques, dynamiques et statiques; et coefficients de Poisson); friction et adhésion; propriétés thermiques (chaleurs latente et spécifique, conductivité et diffusivité thermiques, densité) et finalement propriétés électromagnétiques (constantes et pertes diélectriques, résistivité). On prête une particulière attention à des paramètres tels que la température, la vitesse de déformation, la teneur en sel et la direction de la charge en tant qu’ils affectent les variations de ces propriétés. Les lacunes et les contradictions dans les données expérimentales et les insuffisances dans les techniques d’essai sont mises en évidence. Finalement, on fait des suggestions pour de futures recherches, spécialement pour un développement des études de laboratoire destinées à fournir les données de base sur lesquelles pourraient être bâtis des développements théoriques supplémentaires aussi bien que des études sur le terrain.

Zusammenfassung

Zusammenfassung

Ingenieurtechnische Eigensckaften des Meereises. Die Kontinentschelfe der Arktis gewinnen an Bedeutung als Lagerstätten von Erdöl und Mineralen, die von der menschlichen Gesellschaft benötigt werden; damit wird Meereis zunehmend zu einer Herausforderung für den Ingenieur. Die vorliegende Abhandlung beginnt mit einer Betrachtung der verschiedenen ingenieurtechnischen Arbeitsgebiete, die Kenntnisse über das Meereis voraussetzen, wobei die Aufgaben vom Entwurf von Eisbrechern bis zum Bau arktischer Bohrinseln und künstlicher Eisinseln reichen. Dann wird die Struktur des Meereises beschrieben, soweit sie für das Verständnis der beobachteten Schwankungen in den physikalischen Eigenschaften von Bedeutung ist. Anschliessend folgt eine Übersicht über unsere Kenntnis der physikalischen Eigenschaften mit ingenieurtechnischer Relevanz. Zu diesen gehören: mechanische Eigenschaften (Druck-, Zug-, Scherund Biegefestigkeit, dynamischer und statischer Elastizitätsmodul, Poisson-Verhältnis); Reibung und Adhäsion; thermische Eigenschaften (spezifische und latente Wärme, thermische Leitfähigkeit und Diffusion, Dichte); schliesslich elektromagnetische Eigenschaften (Dielektrizitätskonstanten, Dämpfung, Widersland). Besondere Aufmerksamkeit wird Parametern wie der Temperatur, der Verformungsrate, dein Salzgehalt und der Belastungsrichtung gewidmet, soweit sie Schwankungen in den Eigenschaften bewirken. Lücken, widersprüchliche Daten und unzureichende Testverfahren werden hervorgehoben. Zuletzt folgen Vorschläge für zukünftige Untersuchungen, besonders für mehr Grundlagenforschung im Labor, mit dem Ziel, eine Ausgangsbasis zu gewinnen, auf der sowohl weitere theoretische Entwicklungen wie auch Felduntersuchungen aufbauen können.

Information

Type
Research Article
Copyright
Copyright © International Glaciological Society 1977
Figure 0

Fig. 1.Schematic drawing showing several different aspects of the structure of first-year sea ice.

Figure 1

Fig. 2.Idealized diagram showing the shape of the brine inclusions in sea ice and parameters used to describe them (Assur, 1958).

Figure 2

Fig. 3.Representative sea-ice temperature, salinity, EǀE0 and σfǀσ0 profiles for 0.2, 0.8, and 3.0 m thick Arctic sea ice on c. 1 May. To convert σfǀσ0 to σf and EǀE0 to E multiply by 10.3 X 105 Nǀm2 and by 1010 NǀM2 respectively based on the flexural strength determinations by Dykins (1971) and the elastic modulus measurements by Langleben and Pounder (1963).

Figure 3

TABLE I.DATA REQUIREMENTS FOR SELECTED PROBLEMS IN SEA-ICE ENGINEERING

Figure 4

Fig. 4.Average failure strength in compression (solid circles) and in direct tension (open circles) versus sample orientation: bottom ice, —10°C (Peyton, 1966). For orientation notation see text.

Figure 5

Fig. 5.Compressive strength of Baltic Sea ice as a function of strain-rate, ice temperature, and orientation of the force (Schwarz, [1971])

Figure 6

Fig. 6.σR from compression tests versus square root of the brine volume (Peyton, 1966). For the difference between the solid and dashed lines see discussion in text.

Figure 7

Fig. 7.Compressive strength of Baltic ice and freshwater ice as a function of temperature (Schwarz, [1971]). Load applied perpendicular to the growth direction.

Figure 8

Fig. 8.Tensile strength of sea ice versus the square root of the brine volume (Dykins, 1970).

Figure 9

Fig. 9.Flexural strength measured by in-situ cantilever beam tests versus square root of the brine volume.

Figure 10

Fig. 10.Flexural strength as measured by fixed-end and simply supported beams versus brine volume (Dykins, 1971).

Figure 11

Fig. 11.Shear strength as a function of the square root of brine volume (Paige and Lee, 1967).

Figure 12

Fig. 12.Elastic modulus of sea ice as determined by seismic techniques versus brine volume (Anderson, 1958[b]). The three triangular points are the results of static tests performed by Dykins (1971).

Figure 13

Fig. 13.Elastic modulus of cold arctic sea ice as determined by small specimen lests versus brine volume (Langleben and Pounder 1963)·

Figure 14

Fig. 14.Normalized strength versus normalized elastic modulus for saline model ice (Schwarz, 1975).

Figure 15

TABLE II.FRICTION COEFFICIENTS

Figure 16

Fig. 15.Vertical resistivity profiles of typical first year and multi-year sea ice measured at 18.6 kHz (McNeill and Hoekstra, 1973.)

Figure 17

Fig. 16.The apparent resistivity of first year ice of uniform thickness determined in a linear traverse with a Wenner array having an electrode spacing of 0.92 m (McNeill and Hoekstra, 1973).

Figure 18

Fig. 17.Schematic diagram showing the variation in the real (ϵ′) and imaginary (ϵ″) components of the dielectric constant mid the loss tangent (tan δ) as a function of frequency; based primarily on results of Addison (1969) and Vant (unpublished).

Figure 19

Fig. 18.Attenuation and attenuation distance versus frequency for electromagnetic radiation penetrating first-year sea ice.(Addison, 1969; Vant, unpublished).