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Concentrated Loads on a Floating Ice Sheet

Published online by Cambridge University Press:  30 January 2017

D. E. Nevel*
Affiliation:
U.S. Army Cold Regions Research and Engineering Laboratory, Hanover, New Hampshire 03755, U.S.A.
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Abstract

The safe bearing capacity of a floating ice sheet is usually determined by limiting the maximum tensile stress which occurs under the load at the bottom of the ice sheet. If the size of the load distribution is large compared to the ice thickness, the thin plate theory predicts these stresses correctly. However, if the size of the load distribution becomes small compared to the ice thickness, the plate theory overestimates the stresses. In this case the ice sheet should he treated as a three-dimensional elastic layer.

Previous investigators have solved the elastic-layer problem for loads distributed over a circular area, and have limited the results to the stress at the bottom of the ice sheet directly under the center of the load. In the present paper the stresses are evaluated at any radial position, and it is shown how these stresses approach those for the plate theory as the radial position becomes large. The solutions for the stresses are presented in integral form, as well as graphs from the numerical integration. These new results are significant for the superposition of stresses when two concentrated loads act near each other.

Similarly for loads distributed over a rectangular area, the plate theory will overestimate the stresses if the dimensions of the load becomes small compared to the ice thickness. For this case integral solutions are presented for the stresses, and are evaluated directly under the center of the load.

Résumé

Résumé

Charges concentrées sur un radeau de glace flottante. La capacité maximum de charge en sécurité d’un radeau de glace flottante est d’ordinaire déterminée en limitant l’effort maximum de traction qui se produit sous la charge à la face inférieure du radeau de glace. Si l’étendue de la zone chargée est grande par rapport à l’épaisseur de la neige, la théorie des plaques minces prévoit correctement ces efforts. Cependant si l’étendue de la zone chargée devient petite par rapport à l’épaisseur de la glace la théorie des plaques minces surestime les contraintes. Dans ce cas le radeau de glace devrait ètre traité comme une couche élastique à trois dimensions.

Les précédents chercheurs ont résolu le problème de la couche élastique pour des charges distribuées sur une surface circulaire et ont limité leurs résultats à l’effort du fond du radeau de glace directement en dessous du centre de la charge. Dans la présente étude les contraintes sont estimées à n’importe quelle position sur le rayon, et on montre comment ces efforts se rapprochent de ceux prévus par la théorie des plaques minces lorsque le rayon devient grand. On présente les solutions sous le forme d’intégrale pour les efforts ainsi que des graphiques pour une intégration numérique. Ces nouveaux résultats sont significatifs pour la superposition des efforts lorsque deux charges concentrées agissent à côté l’une de l’autre.

De la mème manière, pour des charges distribuées sur une surface rectangulaire la théorie des plaques minces va surestimer les contraintes si les dimensions de la charge deviennent petits à côté de l’épaisseur de la glace. Pour ce cas les solutions en intégrales sont présentées pour les efforts et sont estimés directement au dessous du centre de la charge.

Zusammenfassung

Zusammenfassung

Konzentrierte Lasten auf einer schwimmenden Eisplatte. Die sichere Tragfähigkeit einer schwimmenden Eisplatte wird gewöhnlich durch Begrenzung der maximalen Zugkraft, die unter der Last am Grunde der Eisplatte auftritt, festgelegt. Sind die Dimensionen der belasteten Fläche gross im Vergleich zur Eisdicke, so liefert die Theorie dünner Platten korrekte Werte Für diese Spannungen. Andernfalls aber führt die Plattentheorie zu übertrieben grossen Spannungen. Die Eisplatte sollte in solchen Fällen als dreidimensionale elastische Schicht behandelt werden.

Frühere Untersuchungen lösten das Problem der elastischen Schicht für kreisförmig verteilte Lasten, wobei die Ergebnisse auf die Spannung an jener Stelle der Eistafel beschränkt blieben, die unmittelbar unter dem Zentrum der Last liegt. Die vorliegende Arbeit ermittelt die Spannungen für beliebige radiale Positionen; dabei wird gezeigt, dass diese Spannungen sich denen der Plattentheoric nähern, wenn der Radialabstand gross wird. Die Lösungen für die Spannungen werden in der Form von Integralen dargestellt, zusammen mit Graphiken für die numerische Integration. Diese neuen Ergebnisse sind wesentlich für die Überlagerung von Spannungen, wenn zwei konzentrierte Lasten dicht nebeneinander wirken.

Ähnlich, ergibt sich aus der Plattentheorie eine Überschätzung der Spannungen für Lasten, die über ein Rechteck verteilt sind, wenn die Dimensionen der Last im Vergleich zur Eisdicke klein werden. Integrallösungen für die Spannungen werden auch für diesen Fall angegeben und für das Zentrum unter der Last direkt ausgewertet.

Information

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

Fig. 1.Convergence factor.

Figure 1

Fig. 2.Stress sum as a function of B and R.

Figure 2

Fig. 3.Stress difference as a function of B and R.

Figure 3

TABLE I.ELASTIC-LAYER THEORY MINUS PLATE THEORY

Figure 4

Fig. 4.Stress sum at X = Y = 0 as a function of B and A/B.

Figure 5

Fig. 5.Stress difference at X = Y = 0 as a function of B and A/B.