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Flexural Strength of Ice on Temperate Lakes

Published online by Cambridge University Press:  07 February 2018

Anthony J. Gow*
Affiliation:
U.S. Army Cold Regions Research and Engineering Laboratory, Hanover, New Hampshire 03755, U.S.A.
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Abstract

Large, simply supported beams of temperate lake ice generally yield significantly higher f1exural strengths than the same beams tested in the cantilever mode. Data support the view that a significant stress concentration may exist at the fixed corners of the cantilever beams. Maximum effects are experienced with beams of cold, brittle ice substantially free of structural imperfections; the stress concentration factor may exceed 2.0 in this kind of ice. In ice that has undergone extensive thermal degradation the stress concentration effect may be eliminated entirely. Simply supported beams generally test stronger when the top surface is placed in tension. This behavior is attributed to differences in ice type; the fine-grained, crack-free top layer of snow-ice usually reacting more strongly in tension than the coarse-grained bottom lake ice which is prone to cracking.

Résumé

Résumé

Resistance a la flexion de la glace des lacs tempérés. De grandes poutres de glace de lacs tempérés sur appui simple produisent généralement des résistances à la flexion significativement supérieures à celles accusées par les mêmes poutres essayées comme des cantilever. Les résultats font penser quéil peut exister une concentration significative des efforts aux points d'encastrement de la poutre. On a constaté les effets les plus importants avec des poutres de glace froide, cassante, dépourvue d'imperfections structurelles; le facteur de concentration des efforts peut excéder 2,0 dans cette sorte de glace. Dans de la glace qui a subi une forte dégradation thermique, l'effet de concentration des efforts peut être entiêrement éliminé. Des poutres à appui simple résistent généralement mieux lorsque la surface supéri eure est placée en tension. Ce comportement est attribué à des différences entre les types de glace: le niveau supérieur à grains fins, non craquelés de glace de neige, réagit d'ordina ire plus solidement à la tension que la glace de lac de la face inférieure de la poutre, à gros grains et prompte à casser.

Zusammenfassung

Zusammenfassung

Biegungsfestigkeit von Eis auf temperierten Seen. Grosse, einfach unterstützte Balken temperierten Seeeises besitzen im allgemeinen beträchtlich höhere Biegungsfesligkeit als dieselben Balken, wenn sie als Kragträger getestet werden. Die Messdaten stützen die Auffassung, dass an den eingespannten Enden der Kragbalken beträchtliche Spannungskonzentrationen auftreten. Maximale Wirkungen zeigten sich an Balken aus kaltem, sprödem Eis, das im wesentlichen keine strukturellen Fehler aufwies; bei dieser Eisart kann der Faktor der Spannungskonzentration den Wert 2,0 überschrciten. In Eis, das starker thermaler Degradation ausgesetztwar, kann der Effekt der Spannungskonzentration völlig verschwinden. Einfach unterstützte Balken erweisen sich im allgemeinen widerstandsfähiger, wenn ihre Oberfläche unter Zugspannung gesetzt wird. Dieses Verhalten ist Unterschieden im Eistyp zuzuschreiben; die feinkärnige, spaltenfreie Oberschicht van Schneeeis leistet gewöhnlich mehr Widerstand gegen Zugspannungen als das grobkörnige Seeeis an der Unterseite, das zur Rissbildung neigt.

Information

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

Fig 1.Cantileuer beam test data showing (a) variation of flexural strength with temperature and (b) near-constant strength of partially candled, isothermal lake ice. On 3 April, the top 60 mm of snow-ice had been reduced to an essentially strengthless condition, thereby reducing the effective thickness of the ice from 400 to 340 mm. Data denoted by open circles, were computed on the basis of the absolute thickness (400 mm) of the ice cover.

Figure 1

Fig 2. (left)Vertical sections illustrating (left) stratigraphic and (right) structural characteristics of a lake ice sheet, Post Pond, New Hampshire. Transition from snow-ice to lake ice is especially well marked. Lake ice is composed entirely of crystals with vertical c-axes.

Figure 2

Fig 3. (top right)Side view of ice beam showing white snow-ice component overlying distinctively stratified lake ice. In this example of ice from Canaan Street Lake, New Hampshire, the snow-ice and lake-ice components are present in about equal amounts.

Figure 3

Fig 4. (middle right)Preparing the ice for in situ cantilever beam tests. Also note the beam breaker device set up for a push-down test.

Figure 4

Fig 5.Close-up view of device used for measuring the flexural strength of simply supported center-loaded ice beams.

Figure 5

Table I.Beam Test Data, Canaan Street Lake, 6–7 March 1975

Figure 6

Table II.Beam Test Data, Canaan Street Lake, 12 March 1975

Figure 7

Table III.Beam Test Data, Post Pond, 3 March 1975

Figure 8

Table IV.Beam Test Data, Post Pond, 22 January 1976

Figure 9

Table V.Beam Test Data, Post Pond, 4 February 1976

Figure 10

Table VI.Beam Test Data, Post Pond, 5 February 1976

Figure 11

Table VII.Beam Test Data, Post Pond, 26 February 1976

Figure 12

Table VIII.Beam Test Data, Post Pond, 15 March 1976

Figure 13

Fig 6.Average values of flexural strength of lake ice as determined from tests on in-place cantilever and simply supported beams. Data, from Tables IȁVIII, are/or beams tested with the top in tension.