non-linear finite element analysis of concrete (structures
Post on 12-Jan-2022
12 Views
Preview:
TRANSCRIPT
MASTEROPPGAVER VED INSTITUTT FOR KONSTRUKSJONSTEKNIKK 2016 Side 1
K:\Administrasjon\Studenter\Masteroppgaveforslag 17.11.15
Faggruppe: BETONGKONSTRUKSJONER
Non-linear finite element analysis of concrete (structures) at various scales
Faglærer Max Hendriks
Non-linear finite element analysis of concrete and concrete structures can be applied at
several scales. At structural scale, non-linear analyses of concrete structures are used to
simulate the global bearing capacity of structures. At structural element scale, the focus is
narrowed, usually to support lab observations and analytical models and very often as part of
prenormative studies. At the so-called meso-scale, concrete as a material is analysed. Usually
these analyses are parts of studies to explore the physics underlying lab or ‘real
world’ observations.
The actual themes for 2016 are all linked to (PhD) projects:
Global reliability assessments of large concrete structures using non-linear finite
element analyses
Large concrete shell structures like dams and offshore oil and gas platforms are normally
designed using global linear finite element analyses and specially developed post-processing
software. See example structures in Figure 1 and 2. This method allows us to use the principle
of superpositioning, which is necessary in order to design for the possible large number of
load combinations. In order to achieve this, reinforced concrete is treated as a linear elastic
material. This, most common, design procedure enables engineers to verify the reliability of a
reinforced concrete structure.
Figure 1: Troll A GBS (shell.com)
Figure 2: Dam Sarvsfossen (nrk.no)
However, cracking of concrete and yielding of reinforcement results in a non-linear
behaviour, and in order to capture the true structural behaviour, non-linear finite element
analyses (NLFEA) should be performed. In such analyses all sections contribute to the global
capacity of the structure. The capacity control should thus be based on a global resistance
method in contrast to the local control on sectional level which is currently being used. Global
resistance methods have been developed and demonstrated for simple structures with simple
loading arrangements, but the extension to large structures as mentioned in the introduction is
still not fully explored.
The project will deal with how to perform advanced NLFEA of concrete structures and how
to take into account uncertainties when assessing the global reliability. In this project you will
MASTEROPPGAVER VED INSTITUTT FOR KONSTRUKSJONSTEKNIKK 2016 Side 2
K:\Administrasjon\Studenter\Masteroppgaveforslag 17.11.15
get the chance to challenge the current state-of-the-art of concrete design. The project will be
carried out in collaboration with Multiconsult.
Type oppgaver: Litteraturstudie, numerisk modellering
Anbefalte forkunnskaper: TKT 4197 Ikkelineære elementanalyser eller lignende
Antall studenter: 4
Samarbeid med: Morten Engen (Multiconsult), Jochen Köhler
Analysing the structural effect of fibre orientation and distribution fields in structural
elements cast with flowable fibre-reinforced concrete
The fibre orientation and distribution in a structural element cast with flowable fibre-
reinforced concrete (FRC) may be affected by the concrete flow, which may enhance its non-
uniform and anisotropic fibre configuration. The structural behaviour may deviate
substantially, in a favourable or unfavourable way, in relation to the behaviour having a
uniform and isotropic fibre configuration, or in relation to the behaviour measured in a
material characterization test.
Figure 3: 3D visualization of the fibre structure
in a beam (Sarmiento, 2015)
Figure 4: ellipsoids representing the local
orientation within a FEM (Sarmiento, 2015)
Recently a novel finite element based analysis approach has been proposed, Figures 3 and 4.
This approach allows simulating the bearing capacity of structural elements, explicitly taking
the distribution of fibres as a point of departure. Further extensions of this method, e.g. from
2D to 3D modelling, and further experience with this approach, e.g. the simulation of fibre
reinforced dapped beam ends are anticipated.
Type oppgaver: Numerisk modellering og mulig utvikling av programvare
Anbefalte forkunnskaper: TKT 4197 Ikkelineære elementanalyser eller lignende
Antall studenter: 2
Samarbeid med: Terje Kanstad, Elena Sarmiento
Meso-mechanical Modelling of Concrete-Ice Abrasion
In arctic regions, structures are subjected to heavy mechanical loads due to moving ice sheets.
For concrete structures in particular, ice abrasion damage or wearing has been observed on the
surfaces, Figure 5. In extreme cases, ice abrasion has caused deterioration of the entire
concrete cover on offshore structures.
Most research on concrete-ice abrasion is quite empirical. Several theories have been
proposed that explain the mechanisms of concrete-ice. Evidences for these theories are
lacking. Meso-mechanical finite element modelling of concrete material, in which aggregates,
MASTEROPPGAVER VED INSTITUTT FOR KONSTRUKSJONSTEKNIKK 2016 Side 3
K:\Administrasjon\Studenter\Masteroppgaveforslag 17.11.15
the cement paste and interface transition zones are modelled explicitly, is thought to give
more insight in the abrasion process, Figure 6.
Figure 5: 0.3 mm/year Ice Abrasion (Jacobsen et
al, C&CR (66), 2015)
Figure 6: Meso-mechanical
modelling (N. Ramos, 2015)
The work will be a continuation of a previous master work of 2015 and will be linked to the
PhD research of Guzel Shamsutdinova.
Type oppgaver: Litteraturstudie, numerisk modellering
Anbefalte forkunnskaper: TKT 4197 Ikkelineære elementanalyser eller lignende
Antall studenter: 2
Samarbeid med: Stefan Jacobsen, Guzel Shamsutdinova
Beregning og analyse av betongkonstruksjoner
Faglærer Jan Arve Øverli
Innenfor betongkonstruksjoner jobber betonggruppen med mange ulike tema. Oppgavene
under viser noen tema som er aktuelle på en masteroppgave i betongkonstruksjoner. Noen
oppgaver er i samarbeid med pågående forskningsaktivitet mens i andre oppgaver ønsker vi å
se på eksisterende beregningsmodeller. Vi har også oppgaver i samarbeid med rådgivende
ingeniører og Statens vegvesen innenfor analyser, buedammer og bruer
Duktilitet av lettbetong
På grunn av lettbetong sin lave densitet vil den i en del tilfeller være gunstig å bruke i
konstruksjoner. I forhold til en normal betong har lettbetong en mye sprøere bruddoppførsel
på trykk. Dette gjør at lettbetong ikke kan brukes i en del sammenhenger hvor det er krav til
duktil oppførsel, for eksempel i områder med jordskjelvbelastning. Denne oppgaven gjøres i
samarbeid med Kværner som ønsker å se på muligheten for bruk av lettbetong i sine LNG og
offshore prosjekter.
Type oppgave: Litteratur, testing og beregninger
MASTEROPPGAVER VED INSTITUTT FOR KONSTRUKSJONSTEKNIKK 2016 Side 4
K:\Administrasjon\Studenter\Masteroppgaveforslag 17.11.15
Beregningsregler i Eurokode 2
Eurokode 2 er gjeldende Norsk Standard for prosjektering av betongkonstruksjoner.
Oppgaven går ut på å se på bakgrunnen til regelverket i Eurokode 2. Aktuelle tema er
skjærkraftkapasitet, duktilitet og forankring. En vesentlig del av oppgaven er en gjennomgang
av aktuell litteratur på området.
Type oppgave: Litteratur og beregning
Skjærkapasitet i betongkonstruksjoner
Beregning av skjærkapasitet i betong er et av de uløste mysteriene innenfor dimensjonering av
betong. Det eksisterer mange ulike modeller for beregning av skjær og i forbindelse med en
pågående revisjon av Eurokode 2 er det kommet forslag på flere ulike modeller. Oppgaven
går ut på å se på bakgrunnen på de ulike metodene for beregning av skjærkraftkapasitet som
eksisterer og sammenligne de. En vesentlig del av oppgaven er en gjennomgang av aktuell
litteratur på området.
Type oppgave: Litteratur og beregning
Numerisk simulering av armert betong
Oppgaven går ut på numerisk simulering av forskjellige typer konstruksjoner
i armert og eventuelt forspent betong med FEM-programmet DIANA.
Aktuelle problemstillinger er fiberarmerte konstruksjoner, buedammer, konsentrert last på
plate og temperatureffekter.
Type oppgave: Beregningsoppgave
Figur 1: Trykkbrud i momentpåkjent betongbjelke
Beregningsmetoder for betongkonstruksjoner
Faglærer Terje Kanstad
Denne samlingen av masteroppgavetema har «Beregningsmetoder for betongkonstruksjoner»
som fellesnevner. Aktuelle samarbeidspartnere er Statens vegvesen, ved i første rekke Håvard
Johansen, kontakter ved regionale vegkontor, konsulentfirma, SINTEF, og andre faglærere,
postdocs og PhD-studenter i betonggruppa ved instituttet.
Betongkonstruksjoner med pålimt karbonfiberforsterkning
Pålimt karbonfiberforsterkning (mer generelt: Fibre Reinforced Polymer Composites) har blitt
mye benyttet til forsterkning og reparasjon av betongkonstruksjoner i utlandet, og økt bruk
forventes også i Norge. Oppgaven tar utgangspunkt i aktuelle beregningsregler, og kan
knyttes opp mot et prosjekt hvor slik forsterkning er aktuelt, eller alternativt være utvikling av
dimensjoneringsprogram (gjerne VisualBAsic)
MASTEROPPGAVER VED INSTITUTT FOR KONSTRUKSJONSTEKNIKK 2016 Side 5
K:\Administrasjon\Studenter\Masteroppgaveforslag 17.11.15
Nytt konsept for bestandige betongbruer
I Østerrike er det bygd ei bueformet sprengverksbru helt uten tradisjonell stangarmering, og
den eneste armeringa er spennkabler i plastkanaler i lengde og tverretningen. Brua er fullt
forspent i begge retninger, og dermed er betongen selv i stand til å motstå både fysiske laster
og miljøpåkjenninger uten at den risser opp. Oppgaven relateres til dette konseptet, og er en
fortsettelse av tidligere masterprosjekt.
Beregning og oppfølging av bru med betydelig skadeomfang
Svært mange bruer har betydelige skader og trenger ekstra oppfølging, mer nøyaktige
beregninger og eventuelt reparasjoner. Skadeomfanget er økende og Statens Vegvesen og
konsulentfirma som prosjekterer nye bruer og gjennomfører tilstandskontroller har behov for
økt kompetanse og hjelp til å håndtere slike problemer, og det er derfor svært hensiktsmessig
at det gjennomføres relevante master-oppgaver. Aktuelle bruer for denne oppgaven er for
eksempel Herøybrua (korrosjonsskadde søyler) og Tjeldsundbrua (alkaliereaksjoner og
korrosjon i tårn og viadukter). Oppgaven(e) består av tre hoveddeler: (1) Verifikasjon av
uskadd bru iht gjeldende regelverk for eksisterende bruer, (2) Beskrivelse av skadeomfang,
basert på tilstandsrapport, prøveuttak og eventuell befaring, (3) Verifikasjon av kapasiteten
basert på kartlagt skadeomfang.
D-regioner i betongbruer - dimensjonering av områder med konsentrerte laster I spennarmerte bruer må konsentrerte laster fra spennkabelforankringene føres inn i
betongkonstruksjonen på en gjennomtenkt måte. I bruddgrensetilstand (kapasitetskontroll)
dimensjoneres slike forankringssoner som regel med stavmodeller (fagverksmodeller). I
bruksgrensetilstand (kontroll av armeringsspenninger og rissvidder) vil andre
beregningsmetoder måtte benyttes, og beregningsforutsetninger og dimensjoneringspraksis
varierer. Arbeidet vil være en gjennomgang av både forutsetninger og beregningsmetodikk,
samt detaljering av områder med innføring av konsentrerte laster. I tillegg til forankringssoner
vil områder over og under brulager kunne inngå. Arbeidet vil være orientert mot konkrete
eksempler fra aktuelle bruer, og målsettingen vil være å bidra til å etablere en felles praksis
ved prosjektering av bruer.
MASTEROPPGAVER VED INSTITUTT FOR KONSTRUKSJONSTEKNIKK 2016 Side 6
K:\Administrasjon\Studenter\Masteroppgaveforslag 17.11.15
Beregning av betongelementbruer I Norske bruer brukes betongelementer i relativt liten grad sammenlignet med andre
europeiske land. Det er sammensatte årsaker til dette, blant annet knyttet til en del uheldig
arkitektur, og bestandighetsproblemer. Problemene kan betraktes som løst og det forventes
økt bruk av betongelementer i bruer i tiden framover, blant annet pga kortere byggetid,
reduserte kostnader og miljøhensyn. SVV er derfor interessert i at vi gjennomfører
masteroppgaver hvor slike bruer behandles. I denne oppgaven skal tidsavhengige effekter
behandles spesielt, dvs avvik fra lineær tøynings- og spenningstilstand pga ulik alder av
tverrsnittsdelene (bjelke og bruplate), og omlagring av momenter fra byggetilstanden til ferdig
tilstand. Dette er spesielt aktuelt for betongelementbruer ettersom de ofte bygges med
prefabrikkerte bjelker og plass-støpt bruplate.
Dimensjonering av bruer i bruksgrensetilstanden
Faggruppe for betong ved instituttet deltar i et forskningssamarbeid med bla Kværner,
Multiconsult, og Statens vegvesen som fokuserer spesielt på dimensjonering i
bruksgrensetilstanden (dvs i første rekke beregningsreglene for rissavstand og rissvidde).
Oppgaven vinkles spesielt mot store tverrsnitt, og effekter av svinn, kryp og
temperaturvariasjoner.
MASTEROPPGAVER VED INSTITUTT FOR KONSTRUKSJONSTEKNIKK 2016 Side 7
K:\Administrasjon\Studenter\Masteroppgaveforslag 17.11.15
Faggruppe: BETONGTEKNOLOGI
Faglærer Klaartje De Weerdt og Mette R. Geiker
Betongteknologi er et vidt forskningsfelt. Det behov er for en bedre forståelse i alt fra
reaksjon av nye sementtyper, virkning av tilsetningsstoffer i fersk betong, estetikk av
betongoverflater, til bestandighet av betong. Betonggruppen på konstruksjonsteknikk har flere
pågående forskningsprosjekter i samarbeid med industrien (f.eks. Norcem, Skanska,
Borregaard, Mapei) Statensvegvesen og SINTEF. Målet er å involvere studenter i pågående
prosjekter. Dette tillater studentene til å se hvor skoen trykker og få kontakt med bransjen.
Prosjektene går fra ‘hands-on’ feltundersøkelser og laboratorieprøving, til litteraturstudiet og
modellering.
Aktuelle tema
Tilsetningsstoffer til betong
Plastifiserende tilsetningsstoffer øker flyten av fersk betong eller reduserer vannbehovet. I
tillegg kan de som bivirkning også påvirke herdeforløpet. Denne oppgaven vil bidra til å gi en
bedre forståelse av interaksjonen mellom plastifiserende stoffer og de forskjellige
komponenter i blandingssementene. Målet er å bidra til utvikling av tilsetningsstoffer, som er
bedre egnet til blandingssementer og kalde klima.
Estetisk betong
Det visuelle inntrykket av støpte betongoverflater er alt for ofte en grunn for diskusjon
mellom betongleverandør, entreprenør, arkitekt og eier. Hensikten med prosjektet er å gi
byggherre og entreprenør et presist verktøy for å beskrive ønsket overflatekvalitet, og senere å
avgjøre om støperesultatet er i tråd med det som er spesifisert. Oppgaven går ut på å delta i
dette utviklingsarbeidet (fototeknikk og bildeanalyse), og gjennomføre undersøkelser av
oppnådd støperesultat på utvalgte byggeplasser.
Alkalireaksjoner i betong
Noen tilslagstyper kan reagere i høy pH i porevann av betongen, spesielt når de er utsatt for
fukt. Dette fører til opprissing og volumøkning av betongen. NTNU er partner i et
internasjonalt forskningsprosjekt ledet av SINTEF Byggforsk. Prosjektmålet er å finne en
pålitelig prøvingsmetode for tilslag og sementtype, med fokus på relasjonen mellom
laboratorieforsøk og det man observerer i felt. Studenten kan være med på feltundersøkelser
og laboratorieprøving, og kan være med på å utvikle nye prøvingsmetoder som kan dane
grunnlag til nye standarder.
Karbonatisering av betong
Armeringsstål er normalt beskyttet mot korrosjon av det svært høye pH-nivået i betong.
Karbonatisering av betongen fører til en reduksjon i pH, og dermed fare for initiering av
korrosjon. Betongens sementtype påvirker karbonatiseringshastigheten. NTNU deltar i et stort
forskningsprosjekt på karbonatisering i betonger laget med blandingssementer. NORCEM
leder prosjektet og mange andre industripartnere er involverte bl.a. Skanska, Mapei og
SINTEF Byggforsk. Det vil være mulig å arbeide innenfor: karbonatiseringsmekanismer,
prøvningsmetoder og korrosjon i karbonisert beton.
MASTEROPPGAVER VED INSTITUTT FOR KONSTRUKSJONSTEKNIKK 2016 Side 8
K:\Administrasjon\Studenter\Masteroppgaveforslag 17.11.15
Kloridbinding i betong
Kloridinitiert korrosjon av stålarmering er en av hovedårsakene som begrenser levetiden av
betongkonstruksjoner i et marint miljø. Kloridene diffunderer over tid gjennom
betongoverdekningen, og når de når armeringen kan de forårsaker tæring av stålet som tilslutt
kan føre til svikt av betongkonstruksjonen. I dette prosjektet skal effekten av sementtype og
eksponering på kloridtransport undersøkes. Dette er avgjørende for å kunne lage pålitelige
levetidsestimater for betongstrukturer bygd med slike sementer.
Kloridinntrenging i betong
Modeller for levetidsprosjektering av betongkonstruksjoner er basert på kjente
materialmodeller, og data fra feltundersøkelser av gamle og nyere konstruksjoner. Oppgaven
går ut på å sette seg inn i aktuelle modeller og tilhørende beregningsprogram. Videre er det
spesielt aktuelt å analysere hvordan spredning og usikkerhet i datagrunnlaget påvirker
resultatet ved bruk av modellene. Det kan også være aktuelt å utvide datagrunnlaget ved selv
å hente inn data.
Type oppgaver: Litteraturstudie, modellering, laboratorie- og feltundersøkelser
Anbefalte forkunnskaper: TKT 4215 Betongteknologi og TKT4235 Betongteknologi 2
Antall studenter: 5-10
Samarbeid med: Norcem, Skanska, Borregaard, Mapei, Statensvegvesen og
SINTEF
Kontaktinformasjon: klaartje.d.weerdt@ntnu.no ; mette.geiker@ntnu.no
Figur 1: Venstre: Alkalireaksjonsutsatt dam; Høyre: typisk krakeleringsmønster på overflaten av
alkaliangrepet betong
Figur 2: Uttak av feltprøver for forskning av kloridbinding og inntrenging i betong.
MASTEROPPGAVER VED INSTITUTT FOR KONSTRUKSJONSTEKNIKK 2016 Side 9
K:\Administrasjon\Studenter\Masteroppgaveforslag 17.11.15
Cracked concrete and corrosion
Professor Mette Geiker and Post Doc Karla Hornbostel
Common standards and design guidelines state crack width limits for reinforced concrete
structures. This is to ensure functionality, durability and/or appearance. Current design
methods and requirements are, however, not verified for large scale structures or long service
life, and data are lacking for binder types used today. Large scale reinforced concrete
structures are expected to be central in the E-39 project
(http://www.vegvesen.no/Vegprosjekter/ferjefriE39/Illustrasjonar). The overall objective is to
provide an improved background for the suggestion of crack limits for the construction of
large scale reinforced concrete structures.
Figure 3: Secondary cracking in concrete, Ref. [Pease, B. (2010), ‘Influence of concrete cracking on ingress and
reinforcement corrosion’, Ph.D. thesis, Technical University of Denmark, Kgs. Lyngby, Denmark].
Proposed subjects
Transport in cracked concrete
The penetration of harmful matters as chlorides is significantly increased through cracks. This
is one of the reasons for crack width limits in standards and guidelines. The objective is to
provide an extensive literature review on the topic and does not require continuous stay at
NTNU.
Field investigations of structures showing distinct sign of corrosion due to initial
concrete cracking
The objective is to study the extent and type of corrosion after long-term exposure of cracked
concrete to serve environment. The task will include some traveling in Norway and on-site
inspection of structures.
Influence of crack morphology on corrosion onset and propagation
The objective is to study the crack morphology (width, depth etc.) and its influence on ingress
of aggressive substances and reinforcement corrosion. The work will include a literature
review and subsequent laboratory investigations with a high degree of freedom and
possibilities of following up own ideas.
Electrical properties of steel fiber reinforced concrete
The objective of the study is to the potential impact of steel fibres on conductivity of fibre
reinforced concrete. Fiber reinforced concrete has gained popularity in the last years, also due
to its property of preventing and limiting concrete cracking. The work will include a literature
review and laboratory investigations measuring the electrical resistivity of fibre reinforce
concrete with different techniques. The project will be conducted in collaboration with a
visiting PhD student from Chalmers University in Sweden.
MASTEROPPGAVER VED INSTITUTT FOR KONSTRUKSJONSTEKNIKK 2016 Side 10
K:\Administrasjon\Studenter\Masteroppgaveforslag 17.11.15
Type of task: Literature review, laboratory investigation, field studies
Pre-knowledge: TKT4215 - Concrete Technology, (TKT4235 - Concrete Technology
2) Number of students: 4-6
Cooperation with: Statens vegvesen
Kontaktinformasjon: Karla.Hornbostel@ntnu.no, Mette.Geiker@ntnu.no
Betongteknologi – fersk og herdet betong
Faglærer Stefan Jacobsen
Betongteknologi er et vidt fagfelt. Det er behov for nyutdannede betongteknologer innenfor
en rekke felter fra nye delmaterialer, virkning av tilsetningsstoffer i fersk betong, bruk av
moderne fillere inkl fra produksjon av knust tilslag, via pumpbarhet, flytegenskaper og
stabilitet fersk betong til volumstabilitet og bestandighet av herdet betong. Betonggruppen på
Institutt for konstruksjonsteknikk har flere pågående forskningsprosjekter finansiert i
samarbeide med industrien og Norges forskningsråd, for eksempel Mikroproporsjonering med
Knust Sand – MiKS (Norcem, Norbetong, Norstone, Skanska og Feiring bruk) og Durable
advanced Concrete Structures – DaCS (Kværner, Norcem, Norbetong, Mapei, Skanska,
Statens Vegvesen mfl).
Aktuelle tema
Knust betongtilslag: mikroroporsjonering med filler og sand for optimal støpelighet
Tilslaget utgjør ca 2/3 – 3/4 av betongens volum og har stor betydning for praktisk talt alle
betongegenskaper. Forekomstene av naturlige tilslagsavsetninger reduseres imidlertid raskt,
spesielt i tett befolkede områder i nærhet til de store byene. Ressurssituasjonen nærmer seg et
kritisk nivå i Norge som i mange andre land. Overgang til knust sand blir da en nødvendighet.
Målet med masteroppgaven er å evaluere effekten av partikkelegenskaper hos filler og knytte
dette opp til reologiske egenskaper i matriks (den fillermodifiserte sementpastadelen av
betong) og fersk betong. I et pågående forskningsprosjekt har vi fremstilt fillere med kjent
partikkelstørrelsesfordeling i ulike fraksjoner fra ulike bergarter med state-of-the-art knuse-
og sorteringsteknologi (VSI, vindsikt). Oppgaven går ut på å undersøke hvordan
partikkelstørrelsen til de fineste filler fraksjonene påvirker matriksens flytegenskaper
kombinert med ulike bindemidler (sement, pozzolana) og vannreduserende tilsetningsstoffer.
Et viktig spørsmål er: har partikkelstørrelsen til finfraksjonen så stor betydning at f.eks. filler
fra knust tilslagsproduksjon kan erstatte bindemidler (sement, pozzolaner) med tilsvarende
partikkelstørrelse for å oppnå samme rheologiske egenskaper på samme måte som for sand og
pukk i betong? Oppgaven innledes med en litteratur- og metodestudie av ulike fillere og deres
betydning og deretter gjennomføres egne studier av flytegenskaper av matriks og betong.
Samarbeide med Norcem/Norbetong/Norstone, NFR prosjekt MiKS, Post Doc Rolands
Cepuritis, Professor II Sverre Smeplass
Stabilitet og luftinnføring i lavkarbon betong
Fersk betongs stabilitet er svært viktig for spesielt moderne betong med svært flytende
konsistens (SelvKomprimerend Betong – SKB). Vannreduserende tilsetningsstoffer i
kombinasjon med luftinnførende tilsetningsstoffer brukes i alle norske brukonstruksjoner
fordi luftporer beskytter mot frostskader i våt og saltpåkjent betong. Oppgaven skal bidra til
MASTEROPPGAVER VED INSTITUTT FOR KONSTRUKSJONSTEKNIKK 2016 Side 11
K:\Administrasjon\Studenter\Masteroppgaveforslag 17.11.15
økt forståelsen for hvordan stabile luftporesystemer kan oppnås i kombinasjon med
luftinnførende tilsetningsstoffer og moderne lavkarbon bindemidler som f.eks høyvolum- (lav
karbon-) flyveaske betong. Målet er å utvikle betongsammensetninger som kombinerer luft-
og vannnreduserende tilsetningsstoffer for lavkarbon SKB basert på litteraturstudie, egne
forsøk og analyser bla. med en ny teknikk for scanning og billedbehandling av betong.
Samarbeide m Norbetong, Kværner, assoc. Professor II E.Mørtsell, dr.ing Kjell Tore Fosså
Bestandighet av lavkarbonbetong - luftinnføring Alle norske betongbruer og andre utsatte betongkonstruksjoner luftinnblandes når utsatt for frysing med
tilgang til vann og tinesalter (sjøvann, veisalt). Ved bruk av lavkarbon betong har det i de senere årene
vært problemer med at luftinnførende tilsetningsstoffers virkning reduseres av ubrente kullrester i
flyveasken. Også ved betong med svært flytende konsistens (SelvKomprimerende Betong – SKB) er det
ofte vansker med å oppnå et stabilt luftporesystem. Oppgaven består av en innledende litteraturstudie og
deretter en undersøkelse av ulike kompatible kombinasjoner og doseringsrekkefølger av SP-stoff og L-
stoff for å bestemme om disse og gir god luftporefordeling. En ny og enkel metode med scanning av
herdet betong ved hjelp av et relativt enkelt bildebehandlingsprogram i MATLAB brukes for å måle
luftporenes egenskaper (størrelsesfordeling, totalt luftinnhold, spesifikk overflate, avstandsfaktor).
Samarbeide m Kværner, Norbetong, Statens Vegvesen, NFR prosjekt DaCS
Overflate ruhet hos offshore betong for arktisk / sub-arktisk iseksponering - isslitasje Betong utnyttes i økende grad til marine betongkonstruksjoner i arktiske og sub-arktiske strøk. I tillegg til
plattformer er også kaier og vindmøllefundamenter aktuelle konstruksjoner som utsettes for skurende is.
Den skurende isen forårsaker slitasjeskader på betongens overflate slik at overdekningens tykkelse
reduseres. Hastighete på skuringen (mm betong/år) avhenger bla. av betongoverflatens kvalitet og isdrift.
Årsakene til at et mykere materiale som is kan skure den relativt hardere betongen er at kontaktpunkter i
den ru betongoverflaten utsettes for strekkspenninger, samt at løse partikler kan virke mellom is og betong
og også innpressing av vann ved kollisjon is-betong kan gi bidra til abrasjon. Friksjon mellom is og
betong er avgjørende for hvor stor del av kontakttrykket is-betong som kan resultere i strekkspenninger i
kontaktpunkter i betongen og dermed i skade (se egen oppgave m FEM simulering). Betongoverflatens
ruhet er avgjørende både for friksjon og for abrasjon. Denne oppgaven går ut på å måle betongoverflaters
ruhet v.hj. av en ny Laser skanner utviklet ved instituttet. Etter en innledende litteraturgjennomgang på
abrasjonsmotstand og betongoverflaters ruhet gjennomføres målinger/dataopptak med laser scanner på en
del eksisterende betong prøver med abraderte overflater etter eksponering i NTNUs betong-
isabrasjonslaboratorium. Deretter analyses resultatene mht karakteristiske verdier for ruhet på ulike
skalaer (≈10, ≈1, ≈0,1 mm).
Samarbeide NFR prosjekt DaCS (Kværner, Mapei mfl), PhD student Guzel Shamsutdinova
Figur 4. Produksjon av knust sand og filler for optimal gradering og støpelighet av betong, f.eks
pumpbarhet av SKB
MASTEROPPGAVER VED INSTITUTT FOR KONSTRUKSJONSTEKNIKK 2016 Side 12
K:\Administrasjon\Studenter\Masteroppgaveforslag 17.11.15
Figur 5. Scan av 14x9cm betong planslip, histogram og luftporedata.
Figur 6: isabradert betongoverflate (pilar Confedaration bridge, Canada) og NTNU Inst. for
konstruksjonsteknikk isabrasjonslaboratorium inkl. ny Laser skanner for betongoverflater (Foto:
PhD student Guzel Shamsutdinova).
Type oppgaver: Litteraturstudie, praktiske beregninger, laboratorieforsøk
Anbefalte forkunnskaper: TKT 4215 Betongteknologi, TKT4235 Betongteknologi 2
Antall studenter: 4 - 6
Samarbeid med: Kværner, Norcem, Norbetong, Skanska, Mapei, Statens
Vegvesen
143x93 mm concrete
6.5% air
p/A=4.62
Spec.surface = 26.6mm-1
Powers spacing factor = 0.174mm
MASTEROPPGAVER VED INSTITUTT FOR KONSTRUKSJONSTEKNIKK 2016 Side 13
K:\Administrasjon\Studenter\Masteroppgaveforslag 17.11.15
Faggruppe: BIOMEKANIKK Faglærer: Leif Rune Hellevik, PhD Vinzenz G. Eck, PhD Jacob Sturdy
Cardiovascular mechanics and medical applications Introduction
The human cardiovascular system circulates blood throughout
all parts of the body. This fluid circulation delivers nutrients
and oxygen throughout the body and removes waste products.
The components of this system are the heart, the arteries
carrying blood away from the heart, the veins returning blood
from the tissues, and the blood itself. The mechanical
interactions of these components determine blood flow and
pressure throughout the body. Since arteries are not rigid and
deform due to blood pressure as well as muscle contractions,
the mechanics of blood flowing through an artery lead to a
fluid structure interaction (FSI) problem.
Simulation of the cardiovascular system is an important tool for medicine and scientific
research. In a medical context it may be used to provide information that is difficult or
impossible to directly measure. It may also be applied to understand the effects of changes in
material properties of the system related to various diseases and aging. Additionally the body
regulates blood flow and pressure by actively adapting material properties of the heart and
blood vessels. Investigation of these regulatory phenomena via simulation improves
understanding of how the cardiovascular system changes from a healthy state to a diseased
sate.
Themes
Fractional Flow Reserve (FFR) is a quantity used to decide if a
person needs to have heart surgery to remove a blockage in a
coronary artery. This quantity is simply the ratio of the pressure after
the blockage to the pressure before the blockage. This is currently
measured by inserting a measuring probe into the vessel, a procedure
with significant risks and requiring the patient to be anesthetized.
The goal of this work is to develop and validate a method of
estimating FFR using CFD and medical imaging data.
Cardiovascular regulation is important to ensure adequate blood flow and pressure as the
body's demands and state change over time. Regulation is achieved through changing heart
rate, dilation or constriction of blood vessels, and changing blood volume. This regulation
changes the previously mentioned mechanical properties in response to sensing changes in the
state of the circulation. The goal of this work is to couple regulation systems to simulations of
the cardiovascular system, and to investigate differences in cardiovascular regulation between
health and disease.
MASTEROPPGAVER VED INSTITUTT FOR KONSTRUKSJONSTEKNIKK 2016 Side 14
K:\Administrasjon\Studenter\Masteroppgaveforslag 17.11.15
Hypertension refers to a state of high blood pressure and is estimated to be the cause of
12.8% of all deaths in the world. Both hypertension and aging are associated with increased
stiffness of blood vessels. The causes of this stiffening are not understood, and it is
additionally difficult to measure. Thus simulation of the effects of this stiffening may lead to
better understanding of the risks of hypertension as well as providing insight in how to
measure the underlying characteristics of an individuals blood vessels. The goal of this work
is to investigate mechanisms leading to age related hypertension.
Improving measurement techniques is a key area of cardiovascular
research. In the clinical setting various methods of noninvasive
measurement are available, e.g. ultrasound, MRI, CT, etc. However, it
is often difficult to accurately measure blood pressure and flow in
specific areas of interest. Coupling simulation methods with the
available measurement methods may provide a means to estimate
blood pressure and flow at difficult to measure locations. The goal of
this project is to couple simulation methods to clinical measurements
for improved measurement and estimation of blood pressure and flow.
Biomechanics of the heart – supervisors:
Prof B Skallerud, Assoc Prof V Prot Numerical analysis of the heart and it different components is a demanding task. Main
challenges are to establish correct representation of material behaviour and account for the
three-dimensional geometry in a realistic anatomical manner. Numerical simulations can be a
valuable tool for medicine and the scientific community. Numerical analysis may be used to
investigate the effects of changes in material properties and geometry on the heart function.
Finite element model of a left ventricle
Themes
Numerical modelling and analysis of the left ventricle
The heart is an electro-mechanical pump which consists of four chambers: the left and right
ventricles
and the left and right atria. The left ventricle is a thick-walled muscular chamber that pumps
blood at physiologically high pressures throughout the body. The cavity of the LV resembles
a truncated ellipsoid in which both the inflow and outflow tracts are adjacent.
MASTEROPPGAVER VED INSTITUTT FOR KONSTRUKSJONSTEKNIKK 2016 Side 15
K:\Administrasjon\Studenter\Masteroppgaveforslag 17.11.15
The material properties and the complex anatomy of the myocardium presents a
computational chal-
lenge and are of crucial interest in order to understand the pumping function of the intact
heart.
The topic includes:
the development of a finite element model of the left ventricle accounting for the
complex overall geometry and the structure of the myocardium;
investigation of the influence of material anisotropy on the computed wall stress
and strain;
modelling of the active cardiac muscle fibres.
the inclusion of the mitral valve and the LVOT in the finite element model.
Tracking of the mitral valve annulus motion for finite element and computational fluid
dynamics analysis
Background: Valvular heart disease (VHD) is referred to as the next cardiac epidemic due to
an imminent increase in the elderly population expected over the next decades. Mitral valve
(MV) regurgitation accounts for approximately one third of all VHDs. The MV is one of four
valves of the heart, separating the left atrium and the left ventricle. The mitral apparatus
consists of an atrioventricular ring or annulus, two leaflets, chordae tendinae and two groups
of papillary muscles. In recent years, there has been enormous progress in medical imaging
technologies, particularly 3D echocardiography. Information extracted from such images can
be used as boundary conditions in numerical simulations of the heart e.g in FE and/or CFD
simulations. Such patient-specific simulation models can provide us with new knowledge that
can improve treatment of MV disease.
Objective: The deformation of the annulus during a cardiac cycle will be the main focus in
this project. The objective of the research project is twofold; First, a literature study is
required to understand the anatomy of the mitral apparatus and state-of-art of modeling and
simulation of the mitral apparatus. Second, to build up a database of the dynamic motion of
the annulus from several subjects. This will be done by systematic tracking of the annulus in
3D echocardiographic images of different subjects. If wanted, 3D echocardiographic images
of the student itself can be included in the sample. If time allows, the data collected from the
echocardiographic measurements will be used as boundary conditions into FE models and/or
CFD models of the heart.
The project will be part of a larger project, Cardiosim, at SINTEF Materialer og Kjemi.
Contact: Sigrid Kaarstad Dahl (sigrid.dahl@sintef.no)
Electromechanics of the heart
The heart is mainly made of contractile muscle cells, myocytes, that constitute
approximatively 75% of the solid heart volume. Their contraction is of crucial importance to
the overall pumping function of the heart. The objective of this work is to take advantage of
the fully coupled thermal-displacement procedure available in ABAQUS to develop a fully
coupled finite element approach to model cardiac electromechanics.
Effects of scatter in material parameters on the global response of the left ventricle
during diastolic filling
This project addresses the global motion of the left ventricle in the filling phase of the heart
cycle (diastole). In this phase the heart muscle mainly is passive, i.e. no active muscle
MASTEROPPGAVER VED INSTITUTT FOR KONSTRUKSJONSTEKNIKK 2016 Side 16
K:\Administrasjon\Studenter\Masteroppgaveforslag 17.11.15
contraction. The heart muscle (myocardium) can be modeled as an orthotropic hyperelastic
material in this phase. Several material parameters appear in the material models, and these
parameters have significant variability between persons and due to different diseases. The
project will apply recently implemented material models in ABAQUS, and run nonlinear
simulations with different material parameters in order to investigate how a given variability
in material parameters is correlated with corresponding variability in global ventricular
response.
Bone Mechanics - supervisor: Prof B Skallerud
Themes
Nano-indentation of anisotropic material: numerical approaches to extract elasticities
from nano-indentation This project relates to the increased use of nano-indentation of bone tissue in order to
establish elastic properties bone. The stiffness measured from nano-indentation is a stiffness
describing the average response of the material beneath the tip of the indenter. Som analytical
or numerical (FEM) tool must be used in order to find the actual Young’s moduli. For
anisotropic materials this can be a challenge. The project will utilize (nonlinear ) finite
element tools, e.g. ABAQUS, to analyse materials of different levels of anisotropies (starting
with isotropic material) and relate anisotropy effects to the global indentation stiffness
measured in tests. Experimental and numerical results found in the literature, if available.,
should be considered also.
Finite element studies on composite materials as an alternative for steel/titanium hip
prostheses
In total hip replacement it is a goal to have as long as possible durability of the prosthesis.
Loosening of prosthesis with need for re-operation should be minimized. Some studies show
that prostheses made of composite materials may provide a smoother load transfer from upper
body to the leg via the prosthesis compared to prostheses made of traditional materials (e.g.
titanium). The project will employ extensive finite element analyses in order to investigate the
load transfer between the prosthesis and the femur. Both linear and nonlinear finite element
simulations (accounting for contact) should be employed. Discussion of results in relation to
findings in the literature should be included.
Mechanics of hydrogels - supervisor: Assoc Prof V Prot Hydrogel products constitute a group of polymeric materials, the hydrophilic structure of
which renders them capable of holding large amounts of water in their three-dimensional
networks.
Biomedical applications of hydrogels may be drug and cell carriers, and tissue engineering
matrices.
Hydrogels consist of a crosslinked polymer phase immersed in a solution – here we limit
ourselves to aqueous solution. These materials possess both solid- and liquid like properties.
Hydrogels adopt an equilibrium swelling state based on thermodynamic principles, where
changes in ionic environment, pH, temperature, pressure etc., can induce various swelling
states depending on the molecular properties of the polymers constituting the network.
MASTEROPPGAVER VED INSTITUTT FOR KONSTRUKSJONSTEKNIKK 2016 Side 17
K:\Administrasjon\Studenter\Masteroppgaveforslag 17.11.15
Themes
Modelling of swelling kinetics in responsive hydrogels
The equilibrium state of hydrogels can be modelled using Abaqus/standard using material
models implemented via our UHYPER and UMAT subroutines. However the transient
process leading to this equilibrium cannot be described yet.
The aim of the topic is to simulate the swelling kinetics of the hydrogel. The coupled
displacement-temperature capabilities of ABAQUS will be used to model the diffusion of the
solvent molecules inside the hydrogel core. The ions concentration can be represented as a
temperature field and solvent molecules concentration as an internal thermal energy. Ficks’s
law will be used as a first approach to model the diffusion process.
Finite element modelling of nanoindentation of responsive hydrogel materials
We have recently developed a line of research for technological utilization of molecular
interactions integrated in hydrogels to be applicable for biosensors. In addition to tailor-
making of hydrogel materials to act as biological signal transducers, this line of research takes
advantage of a high resolution (2 nanometer) interferometric technique for the
characterisation of optical length of responsive gels. This technology providing a 100 fold
improved resolution compared to diffraction limited optical imaging, is currently being
applied for the characterisation of developed, bioresponsive (various components) hydrogel
materials aiming at sensor development. This technique is currently being applied for the
determination of swelling properties of hydrogels that is coated with a polymer that through
its mechanical coupling with the hydrogel core, affect the ionic strength dependence of the
equilibrium swelling.
Such a mechanical effect of the hydrogel coating is similar to what is expected when applying
coating steps for immobilization of living cells in alginate gel beads. In the present project we
plan to establish quantitative tools for determination of mechanical properties of polymer
impregnated hydrogels. Hydrogels will be prepared using the same polysaccharides as used
for immobilization of living cells, alginates, that subsequently will be impregnated with
various polycations. Nanoindentation, e.g. determination of force displacement profiles using
an AFM tip with well defined geometry, will be performed at various locations over the
surface of the specimens. Partnered with quantitative modelling of indentation profiles using a
finite element approach, this addresses fundamental issues related to application of contact
mechanics approaches in their analysis. The focus will be on the finite element modelling of
nanoindentation process.
The topic involves establishing routines within commercial software for finite element
analysis of deformation fields of thin hydrogel films subjected to nanointendation. This
includes implementing hydrogel swelling theory in the material functions needed for the
modelling. Key features to address in the the finite element modelling include
- Deformation field as function of parameters of the nanointentation
- Effect of possible hydrogel design parameters on deformation characteristics
- Assessment of numerical results relative to experimental results
- Implementation of an inverse finite element approach.
Visco-elastic response of hydrogel materials at finite strains
We have recently implemented constitutive material models of pH, salt sensitive ionic and
cationic hydrogels using the framework of hyperelasticity via UHYPER and UMAT
ABAQUS user-subroutines.
MASTEROPPGAVER VED INSTITUTT FOR KONSTRUKSJONSTEKNIKK 2016 Side 18
K:\Administrasjon\Studenter\Masteroppgaveforslag 17.11.15
The formulation used for these material models is based on a variational approach leading to a
set of governing equations coupling mechanical and chemical equilibrium conditions. The
elasticity of the polymer network, mixing of the network with the solvent molecules and the
dissociation of the acidic groups (i.e. the chemical reaction taking place in the hydrogel due
to the mobile ions) are accounted for. These models can predict the final equilibrium of a
hydrogel immersed in an external solution with a given chemical potential and subjected to a
given mechanical loading. However, the transient process leading to this equilibrium and the
possible visco-elastic effects cannot be described.
The topic involves a literature review of existing viscoelastic formulations in the finite strains
regime for polymers and the implementation of one (or several) constitutive model(s) using
Matlab or Maple. Finally, the viscoelastic effects will be implemented in our UMAT-
subroutines for finite element modelling of hydrogels.
Drug delivery - supervisor: Prof B Skallerud Nano-indentation of microbubbles coated with nano-particles: stiffness and strength
This project relates to targeted drug delivery, where the drug is inside the nano-particles
attached to the surface of gas bubbles. The micro-bubble is the vehicle to transport the
medicine to the intended location (e.g . a tumor) via the blood stream. This work is a
collaboration with NT- and Medical Faculty. It is very important to characterize mechanical
properties of the bubble/nano-particle system in order to understand response to different
loading scenarios. The microbubbles coated with nano-particles will be provided by SINTEF
Materials and Chemistry. The nano-indentation tests are carried out in our own lab. The
measured stiffness of the bubbles should be analysed by means of some numerical scheme in
order to extract mechanical stiffness and strength for the bubble shell surface.
MASTEROPPGAVER VED INSTITUTT FOR KONSTRUKSJONSTEKNIKK 2016 Side 19
K:\Administrasjon\Studenter\Masteroppgaveforslag 17.11.15
Faggruppe: KONSTRUKSJONSMEKANIKK
Dynamisk analyse av slanke brukonstruksjoner utsatt for naturlaster
Faglærer Ole Øiseth
Som et ledd i prosjektet ferjefri E39
http://www.vegvesen.no/Vegprosjekter/ferjefriE39/Illustrasjonar må det utvikles
grensesprengende brukonsepter for å klare å krysse brede og dype fjorder langs kysten. Det
vurderes lange hengebruer, skråstagsbruer, flytebruer, neddykkede rørtunneler og
kombinasjoner av disse. For å konstruere disse bruene trengs det ny metodikk for beregning
av dynamisk respons av konstruksjonene utsatt for vind og bølgelaster samtidig som det rettes
et spesielt fokus på beregningenes usikkerhet. Denne samlingen av masteroppgavetema tar
sikte på å bidra i dette utviklingsarbeidet.
Aktuelle tema
Vindindusert dynamisk respons av Hardangerbrua
Da Hardangerbrua ble åpnet i 2013 ble det installert et omfattende målesystem som måler
akselerasjoner og vindhastigheter i flere punkter langs brubjelken. Denne oppgaven dreier seg
om analyse av disse dataene for å studere nøyaktigheten til modellene som blir brukt til å
beregne vindindusert dynamisk respons.
Dynamisk respons av Bergsøysundbrua utsatt for bølge og vindlaster
I 2014 ble det installert et omfattende målesystem som måler akselerasjoner, bølgehøyder,
vindhastigheter og forskyvninger av Bergsøysundbrua. Denne oppgaven dreier seg om
analyse av disse dataene for å studere nøyaktigheten til modellene som blir brukt til å beregne
dynamisk respons av flytebruer.
Kraftidentifisering
Miljølaster kan være vanskelige å måle ved hjelp av direkte metoder. I slike tilfeller kan
inverse teknikker der målinger av dynamisk respons kombineres med en kalibrert
elementmodell for å bestemme lastene som virker på konstruksjonen. Denne oppgaven dreier
seg om å teste slike metoder på en konstruksjon i den store prøvehallen ved institutt for
konstruksjonsteknikk.
Vindtunneltesting av brotversnitt
Når en designer lange brokonstruksjoner benyttes vindtunneltester for å bestemme de
aerodynamiske egenskapene til tverrsnittet. Denne oppgaven dreier seg om utføring av
vindtunneltester i det aerodynamiske laboratoriet ved NTNU og om prosessering av data fra
slike tester for å bestemme de aerodynamiske egenskapene til brotverrsnittet.
Vind og bølgeindusert dynamisk respons av hengebruer med flytende tårn
Et av de mest innovative brokonseptene som er aktuelle for fjordkrysningene langs E39 er
hengebroer eller skråstagsbruer med flytende tårn. Denne oppgaven dreier seg om dynamiske
analyser for å bestemme konstruksjonens bevegelser når den utsettes for sterk vind og
krevende sjøtilstander.
MASTEROPPGAVER VED INSTITUTT FOR KONSTRUKSJONSTEKNIKK 2016 Side 20
K:\Administrasjon\Studenter\Masteroppgaveforslag 17.11.15
Figur 7: Bergsøysundbrua består av et stålfagverk som ligger på sju pongtonger laget av
lettbetong. Den er verdens lengste flytebru uten sideforankring.
Figur 8. Hardangerbrua har et hovedspenn på 1310m og er Norges lengste hengebru.
Figur 9: Skråstagsbru med flytende tårn er et av de mest innovative forslagene som er aktuelle
i E39 prosjektet. Illustrasjon: (statensvegvesen.no, 2012)
Type oppgaver: Litteraturstudie, numerisk modellering, praktiske beregninger
Anbefalte forkunnskaper: TKT 4201 Konstruksjonsdynamikk
Antall studenter: 5-10
Samarbeid med: Statens vegvesen
MASTEROPPGAVER VED INSTITUTT FOR KONSTRUKSJONSTEKNIKK 2016 Side 21
K:\Administrasjon\Studenter\Masteroppgaveforslag 17.11.15
Faglærer: Anders Rønnquist
Følgende oppgaver blir gitt av meg som faglærer ved Institutt for konstruksjonsteknikk:
For enn mer detaljert beskrivelse se poster under.
Ingeniørarkitektur – Konseptuell design av moderne konstruksjoner – samarbeid med AB-
fakultetet
Dynamikk:
- Responsanalyser av kontaktledningsanlegg; ved jernbanen; systemanalyser,
numeriske analyser og full skala målinger – samarbeid med Jernbaneverket
- Responsanalyser av jernbanebruer; numerisk modellering, full skala målinger og
levetidsvurderinger – samarbeid med Jernbaneverket
- Dynamisk stabilitet av ribberørsvarmevekslere til offshore-bruk; litteratur studie,
numerisk modellering vha FEM og CFD
Ingeniørarkitektur – Konseptuell design av moderne konstruksjoner
For å utvikle nye og gode konstruksjoner i et samfunn
under stadig utvikling er det stort behov for kunnskap
om, og interesse for konseptuell design av
konstruksjoner. For at vi som ingeniører skal bidra på
beste måte i dette, må vi trene oss i å håndtere
komplekse funksjonelle og kontekstuelle parametere i
tillegg til relevant konstruksjonsteknikk fra våre
tradisjonelle prosjekteringsfag. Her ønsker vi å
videreutvikle kompetanse i skjæringsområdet mellom
ingeniørfaget og arkitektur. En naturlig del av arbeidet
vil være å sette seg godt inn i aktuelle referansebygg og sentral arkitektur innen den
konstruksjonstypen som er valgt. I tillegg til konstruktive egenskaper vil begrep som
funksjonalitet og form som visuelt uttrykk stå sentralt i oppgaven. Vi jobber under flere
mulige hovedkonsepter:
Gitter skall: nye metoder for å designe og bygge frie former i en enhetlig prosess. Det
vil være masterstudenter på arkitektur med tilsvarende oppgave. Vi oppfordrer til et
tett samarbeid; gjerne med modell bygging og modell testing i lab
Hvordan finne form: direkte inngrep med
arkitektonisk formgivning – frigjøre potensiale i
komplekse konstruksjoner.
Formens funksjonalitet: lete etter og utnytte former i
naturen til nye konstruktive elementer i bygninger –
dine egne konsepter.
Oppgaven gjennomføres i samarbeid med fakultet for
arkitektur og billedkunst i form av veiledning og
midtsemesterevalueringen sammen men masterstudenter i
arkitektur på AB fakultetet.. Gode overslagsberegninger og sammenlikninger av ulike
konstruksjonsløsninger vil bli tillagt større vekt enn detaljert dimensjonering av en enkelt
løsning.
Type oppgave: Konseptutredning, bygningsprosjektering; tegning, beregning, rapport
Samarbeid med: Fakultet for Arkitektur og Billedkunst ved Bendik Manum
MASTEROPPGAVER VED INSTITUTT FOR KONSTRUKSJONSTEKNIKK 2016 Side 22
K:\Administrasjon\Studenter\Masteroppgaveforslag 17.11.15
Fullskalaforsøk av kabelsystemene - kontaktledningsanlegg i nærheten av Trondheim.
For å kunne forbedre de eksisterende systemene i Norge må vi etablere god forståelse av
viktige dynamiske parametere til de eksisterende kontaktledningsanlegg. Oppgaven går ut på
å planlegge og gjennomføre fullskalaforsøk sammen med JBV av et kontaktledningsanlegg
som benyttes til å forsyne togene med strøm. Det er viktig å først etablere enkle
beregningsmodeller i f eks Matlab for å undersøke hvilke målinger som er effektive og hvor
på systemet målinger skal gjennomføres. Videre er det viktig å få etablert nødvendig
systemidentifikasjonsrutiner for å estimere de dynamiske systemparameterne.
Viktige temaer er:
- Numeriske beregninger før
praktisk
gjennomføring
- Praktisk måleteknikk
- Måling av mekaniske og
dynamiske
egenskaper
- Måling av geometri
- Måling av oppspenningskrefter
- Systemidentifikasjon
Type oppgave: Praktiske beregninger og gjennomføring av fullskalemålinger
Samarbeid med: Jernbaneverket
Dynamisk oppførsel av kontaktledningsanlegg ved høy hastighet i krappe kurver
For strømforsyning av elektriske tog i Norge benyttes en kontaktledning som togenes
strømavtaker glir mot. For at denne forsyningen skal være pålitelig og avbruddsfri i høye
toghastigheter stilles det strenge statiske og dynamiske krav til kontaktledningsanleggets
egenskaper som mekanisk konstruksjon. På grunn av
topografiske forhold er norske jernbaner spesielt
preget av mange og krappe kurver. Rundt 40 % av
jernbanenettet består av kurveradier under 1100 m. I
slike krappe kurver endres kreftene i anlegget i forhold
til rettstrekning. Oppgaven går ut på å studere et
kontaktledningssystem for krappe kurver og høyere
hastigheter med hensyn på dynamisk oppførsel og
mulig feedback i kontaktledningsanlegget.
Type oppgave: Numerisk modellering + praktiske beregninger
Samarbeid med: Jernbaneverket
MASTEROPPGAVER VED INSTITUTT FOR KONSTRUKSJONSTEKNIKK 2016 Side 23
K:\Administrasjon\Studenter\Masteroppgaveforslag 17.11.15
Kontroll av bruer i det norske jernbanenettet
Oppgaven skal fokusere på eksisterende jernbanebruer. En valgt bru skal modelleres og
kontrolleres mot aktuelle problemstillinger, noe som avhenger av type bru valgt. Dette kan
være svingningsproblematikk, utmatting, effekter fra korrosjon som reduserte tverr snitt osv.
Det bør redegjøres for opprinnelige laster og videreføre/utvikle behovene for dagens bruk.
Viktige temaer er:
- Etablere en numerisk
modell
- Statiske egenskaper,
størst
påkjenninger
- Dynamiske egenskaper
- Kontrollere for trafikk
laster
- Kontroll av reduserte
tverrsnitt
- Hva skal til for å vurdere utmatting
- Hva skal til for å vurdere restlevetid
Type oppgave: Litteraturstudie og praktiske beregninger
Samarbeid med: Jernbaneverket
Dynamisk stabilitet av ribberørsvarmevekslere til offshore-bruk
Utslipp av CO2 fra norsk industrivirksomhet kan reduseres drastiskt ved at
varmegjenvinningsenheter installeres på olje- og gassplatformer på norsk sokkel. Disse
enhetene bruker spillvarme fra hete eksosgasser til å produsere kraft, men krever mye plass på
platformsdekket og har stor vekt. I tillegg er industrien bekymret for påliteligheten og
levetiden til systemene. Denne masteroppgaven omhandler numerisk modellering av en lettere
type varmevekslerrør med hensikt å studere de strømningsinduserte vibrasjoner som kan lede
til utmattingsbrudd. Dette omfatter et litteraturstudie av dynamiske krefter som oppstår på
grund av strømning, FE-modellering av enkelte rør og rørsatser samt muligher for å koble FE-
modellene til strømningssimuleringer (CFD) av varmeveksleren. Målet med oppgaven er å
vurdere dagens designkriterier for vibrasjoner opp mot nye, lettere type ribberør. Type oppgave: Litteraturstudie og numeriske analyser vha FEM og CFD
Samarbeid med: Institutt for energi- og prosessteknikk
MASTEROPPGAVER VED INSTITUTT FOR KONSTRUKSJONSTEKNIKK 2016 Side 24
K:\Administrasjon\Studenter\Masteroppgaveforslag 17.11.15
Risiko for skader og kollaps under jordskjelv Faglærer Amir M. Kaynia
I april 2015 døde over 9 000 mennesker i jordskjelvet i Nepal, og mer enn 23 000 ble skadet.
Det er ikke tilfeldig at disse voldsomme dødstallene oppstår i utviklingsland. Japan og
California er eksempler på seismisk svært aktive områder, men på grunn av strenge krav i
regelverk skjer ikke slike katastrofer der. Denne samlingen av masteroppgavetema tar sikte på
å bidra til å sammenlikne effekten av hvert av disse kravenes påvirkning på konstruksjonens
ikke-lineære respons. Simuleringen av en modell av konstruksjonen (Figur 1) vil bli
gjennomført i et relevant FEM-program (for eks. OpenSEES,
http://opensees.berkeley.edu/OpenSees/user/index.php). Ved å øke kompetansen på dette
området kan menneskeliv reddes.
Figur 1: Eksempel på FEM av en konstruksjon
Aktuelle temaer
Incremental dynamc analysis
I forbindelse med kraftige jordskjelv tvinges konstruksjoner til plastisk oppførsel. Dette har
tidligere vært tilnærmet umulig å modellere korrekt, men som en konsekvens av
datamaskiners stadig økende kapasitet blir mulighetene til å gjennomføre avanserte, ikke-
lineære analyser større. Målet med denne oppgaven er å vurdere en eller flere konstruksjoners
risiko for skade/kollaps under økende nivåer av grunnakselerasjon. Dermed oppnås et
nyansert bilde av konstruksjonens bæreevne. Beregningene vil basere seg på de nyeste
metodene innen seismisk analyse, kalt incremental dynamic analysis (IDA). Dette er illustrert
i Figur 2.
Sammenlikning av konstruksjoner
Ved å sammenlikne ulike betongkonstruksjoners kapasitet til å gjennomgå seismisk
grunnakselerasjon økes kompetansen rundt hva som er utslagsgivende i forbindelse med
jordskjelv (Figur 3). Sammenlikningen baseres på ikke-lineære analyser i et FEM-program
(for eks. OpenSees), og vil gjennomføres for ulike nivåer av plastisk materialoppførsel.
MASTEROPPGAVER VED INSTITUTT FOR KONSTRUKSJONSTEKNIKK 2016 Side 25
K:\Administrasjon\Studenter\Masteroppgaveforslag 17.11.15
Figur 2: Eksempel på resultatet av incremental
dynamic analysis på en konstruksjon. Langs x-
aksen ses den maksimale forskyvningen av
konstruksjonen i løpet av et jordskjelv med
spektralakselerasjon som spesifisert på y-aksen.
Hver kurve tilhører ett jordskjelv, når de blir
horisontale betyr det at konstruksjonen nærmer
seg kollaps
.
Figur 3: Betongkonstruksjon skadet av jordskjelv
Type oppgave: Teori, litteraturstudie, Eurocode 8, FE-beregninger
Anbefalte forkunnskaper: TKT 4108 Dynamikk VK
Antall studenter: 2-3
Kontaktperson: Amir M. Kaynia
Dynamisk analyse av vindturbiner Faglærer Amir M. Kaynia
Det er stor satsting internasjonalt på utbygging av "offshore wind turbine farms" (Figue 1).
Land som Danmark, Storbritannia og Tyskland bruker store ressurs for å utvikle bedre
løsninger som kan redusere prisen til energi for å gjøre vindenergi mer konkurransedyktig.
Dette er i respons til EUs mål å realisere 20% av energibehovet fra fornybar energi innen
2020. For å redusere prisen til energi, er man nødt til å bygge større vindturbiner. Det har
vært en enorm fremgang i design og installasjon av store vindturbiner, men det er flere
utfordringer som må adresseres for at man kan redusere kostnader ytterligere. Erfaringer viser
at temaer som utmatting og optimale fundamentløsninger har fått viktige roller i
videreutviklinger av vindturbiner.
MASTEROPPGAVER VED INSTITUTT FOR KONSTRUKSJONSTEKNIKK 2016 Side 26
K:\Administrasjon\Studenter\Masteroppgaveforslag 17.11.15
Figur 1: Offshore wind farm
Aktuelle temaer
Modellering av vindturbiner med fokus på utmatting
Oppgaven består av en litteraturstudie og gjennomgang av modeller for å beregne vind- og
bølgelaster på vindturbiner. Mens bruk av et generelt FEM program, slik som ABAQUS, er
mulig og skal vurderes, er det tenkt at studenten blir kjent med et spesial program, FAST, som
vindturbin-industri bruker for dynamiske analyser av vindturbiner. Utmatting i tårnet er styrt
av dynamisk respons av konstruksjonen. Derfor, skal det gjøres sensitivitetsstudie for en type
fundament (for eks. monopeler).
Respons av vindturbiner på forskjellige fundamenter
De fleste (ca 80%) av vindturbiner er bygget med monopeler som fundament. Dette er ofte
bestemt ut fra installasjonsmuligheter. Diameter til pelene i de store turbinene har blitt så stor
som. Dette nærmer seg grense for konstruksjon av pelene og deres installasjon. Derfor, er
bruk av andre type fundamenter, for eks."caisson" fundamenter (Figur 2) med større diameter
men med kortere lengde har blitt vurdert. Oppgaven går ut på å prøve forskjellige type
fundamenter med fokus på deres dynamiske egenskaper, dempning og utmatting av tårnet.
Figur 2: Vindturbin på caisson fundament
Type oppgave: Teori, litteraturstudie, FE-beregninger
Anbefalte forkunnskaper: TKT 4108 Dynamikk VK
Antall studenter: 2
Kontaktperson: Amir M. Kaynia
MASTEROPPGAVER VED INSTITUTT FOR KONSTRUKSJONSTEKNIKK 2016 Side 27
K:\Administrasjon\Studenter\Masteroppgaveforslag 17.11.15
Isogeometrisk Analyse
Faglærer Kjell Magne Mathisen
Med en felles geometri for design og analyse vil en kunne spare tid og penger og samtidig
oppnå mer nøyaktige analysemodeller for bruk i alle typer av konstruksjonsanalyser som i dag
gjennomføres med elementmetoden. Institutt for konstruksjonsteknikk var en av initiativ-
tagerne og har vært ansvarlig for utvikling av programvare (IFEM) for ikke-lineære konstruk-
sjonsanalyser i forbindelse med prosjektet ICADA, som står for «Integrated Computer Aided
Design and Analysis». ICADA, som gikk fra 2008 til 2014, med et budsjett på 25 MNOK,
representerer et av de største forskningsprosjektene internasjonalt innen isogeometrisk analyse
(IGA), og ble støttet av en rekke industripartnere; Statoil, DNV GL, Ceetron i tillegg til NFR
og SINTEF. Vi har etablert et utstrakt samarbeid med noen av pionerene innenfor fagfeltet,
professor T.J.R. Hughes ved University of Texas i Austin og professor Yuri Bazilevs ved
University of California i San Diego. I år har vi arrangert en internasjonal konferanse innen
IGA, for første gang i Europa, og da i Trondheim, med ca 130 deltagere. Vi ser for oss en
rekke oppgavetema som tar sikte på å bidra til en videreutvikling og uttesting av såkalte
isogeometriske elementer.
Aktuelle oppgavetema:
3D Timoshenko bjelkeelement for FSI-simulering av vindturbinblader
Denne oppgaven dreier seg om en videreutvikling og uttesting av et ikke-lineært 3D
Timoshenko bjelkeelement som skal anvendes til å beregne vindindusert dynamisk respons av
vindturbinblader. Et sentralt tema vil være å videreutvikle elementet slik at det kan regne på
usymmetriske generelle lukkede tverrsnitt.
Isogeometriske F elementer for ikke-lineær elastisitet og elasto-plastiske materialer
I løpet av ICADA prosjektet ble det utviklet og implementert en rekke nye isogeometriske
elementer for anvendelse innenfor store deformasjonsanalyser. Elementene er basert på en
multiplikativ splitt av deformasjonstensoren F og egner seg spesielt godt for hyperelastiske
og elasto-plastiske materialer. Denne oppgaven går ut på å sette seg inn i det teoretiske
grunnlaget for elementene og teste ut elementene på aktuelle problemstillinger.
Simulering av kontakt med Mortar-basert isogeometrisk analyse
Simulering av kontakt i forbindelse med store deformasjoner innebærer generelt geometrisk,
materiell og kinematiske ikke-lineariteter, som må løses samtidig. Ved å benytte isogeomet-
risk analyse oppnår en konsistens mellom volum og kontaktflate diskretisering samtidig som
kontakttrykket blir mer nøyaktig representert. Denne oppgaven går ut på a sette seg inn i det
teoretiske grunnlaget for simulering av kontakt vha Mortar-basert isogeometrisk analyse og
teste ut metoden på aktuelle problemstillinger.
Type oppgaver: Litteraturstudie, numerisk modellering, praktiske beregninger
Anbefalte forkunnskaper: TKT4192 Elementmetoden i styrkeanalyser og TKT4197 Ikke-
lineære elementanalyser
Antall studenter: 5-10
Samarbeid med: SINTEF Anvendt matematikk
MASTEROPPGAVER VED INSTITUTT FOR KONSTRUKSJONSTEKNIKK 2016 Side 28
K:\Administrasjon\Studenter\Masteroppgaveforslag 17.11.15
Figur 1. Typisk tverrsnitt av vindturbinblad.
a)
b)
Figur 10. Necking av en sylinder – Mises spenningsfordeling oppnådd med isogeometriske F elementer: a) 3D plott, b) 2D plott av symmetrisk snitt.
a) b)
Figur 3. Pipe-impact problem – Mises spenningsfordeling oppnådd med isogeometriske F elementer: a) Mises spenningsfordeling projisert på deformert geometri, b) plott av Mises
spenningsfordeling over symmetrisk snitt.
MASTEROPPGAVER VED INSTITUTT FOR KONSTRUKSJONSTEKNIKK 2016 Side 29
K:\Administrasjon\Studenter\Masteroppgaveforslag 17.11.15
Faglærer: Zhiliang Zhang, Jianying He, Jim Stian Olsen Industrial mechanics master study topics. Details of the following topics can be found from
our home page: http://www.ntnu.edu/nml/project/master-thesis-topics. These topics are partly
belonging to our ongoing research projects. Most of our research projects have strong
connection to the Norwegian as well as international industry. Both simulation and
experimental type studies are available. For project study, normally it consists of a literature
study to get familiar with the topic, plus some simplified simulation or lab work.
Proposed subjects
Models of dock bumpers made of old car tires
Hydrogen embrittlement
Design of compliant but tough cement materials
Ductile-to-brittle (DTB) Transition of Arctic Materials
Design and fabrication of anti-icing and icephobic surfaces
Composite steel pipes
Mechanical properties of gas hydrates
Mechanics of metal coated polymer particles
Contacts: Professor Zhiliang Zhang and Associate Professor Jianying He,
www.ntnu.no/nml;
Adjunct Associate Professor Jim Stian Olsen, Aker Solutions,
jim.stian.olsen@akersolutions.com
BIM - Bygningsinformasjonsmodellering
Veileder: Professor Tor G. Syvertsen (torgsyv@gmail.com) Det har lenge vært hevdet at BIM vil løse alle problemene i BA-bransjen: kvalitet og
effektivitet skal økes, mens kostnadene skal reduseres med BIM.
Oppgaven går ut på å klargjøre hvilke(t) problem som kan løses med BIM og hvordan dette
har vært gjort i inn- og utland.
Besvarelsen utformes som en digital, interaktiv "rapport", gjerne med video og animasjoner.
Oppgaven passer for to studenter som vil arbeide sammen.
Objektmodellering
Objektmodellering er grunnlaget for BIM og digital samprosjektering.
Studentene skal sette seg inn i grunnlaget for objektmodellering, og modellere et enkelt
byggverk i et modelleringsprogram, f.eks. Autodesk Revit.
Oppgaven vil videre gå ut på å lage et lite, enkelt, interaktivt kurs (LEIK) i objektmodellering
etter mønster av Digital Samprosjektering som ble laget som masteroppgave våren 2014.
Oppgaven passer for to studenter som vil arbeide sammen.
MASTEROPPGAVER VED INSTITUTT FOR KONSTRUKSJONSTEKNIKK 2016 Side 30
K:\Administrasjon\Studenter\Masteroppgaveforslag 17.11.15
Faglærer Einar Strømmen
Vindindusert dynamisk respons av slanke konstruksjoner Beskrivelse: For slanke konstruksjoner ( f.eks. broer, tårn, master o.l.) er det ofte
aerodynamiske effekter som står i fokus under dimensjoneringen. Konstruksjonen må gies
form og dynamiske egenskaper som gir tilstrekkelig sikkerhet mot instabilitet ved høye
vindhastigheter, i styrkeberegningene må det taes hensyn til dynamiske effekter på grunn av
turbulens i vindfeltet, og på lave vindhastigheter må det ofte taes hensyn til faren for virvel-
avløsnings-svingninger. Hensikten med denne oppgaven er å få studert den viktigste delen av
teorigrunnlaget for hvordan slike problemer kan håndteres for aktuelle
bygningskonstruksjoner.
Type oppgave: Teori, litteratur, numerisk beregning.
Antall studenter: 2-3
Kontaktperson: Einar Strømmen
Faggruppe: TREKONSTRUKSJONER
Tre-baserte materialer og konstruksjoner. (Wood-based materials and
structures).
Contacts: Prof. Kjell Arne Malo and PhD Haris Stamatopoulos
Tre er et naturlig, fornybart og miljøvennlig byggemateriale som binder opp karbondioksid i
store mengder. Trematerialer er kortreiste og lett tilgjengelige og har i de siste årene fått
betydelig økt bruk i både små og store konstruksjoner. Tre har meget stor styrke i forhold til
sin vekt og kan lett limes sammen til komponenter av hvilken som helst størrelse, i praksis
bare begrenset av transporthensyn. Trematerialer har en meget kompleks oppbygging og lar
seg ikke enkelt beskrive med dagens materialmodeller for fysisk oppførsel. Trematerialer har
komposittoppbygging i alle skalaer fra molekylskala til store limte komponenter.
Riktig bruk av tre i bærende konstruksjoner krever kompetanse om de generelle egenskapene
til materialet, innsikt i og utnyttelse av materialets sterke sider, hensyntagen til materialets
svake sider, samt mulighetene for sammenføyning av tre-komponenter til hele konstruksjoner.
MASTEROPPGAVER VED INSTITUTT FOR KONSTRUKSJONSTEKNIKK 2016 Side 31
K:\Administrasjon\Studenter\Masteroppgaveforslag 17.11.15
En hovedoppgave innen tre og trekonstruksjoner vil bli knyttet til ett av de pågående
forskningsprosjektene, enten i samarbeid med industri og/ eller PhD kandidater. Det er mulig
å utføre en hovedoppgave innen områder som materialmodellering av fysisk oppførsel,
komponentoppførsel, knutepunkter og sammenføyning av komponenter, bygging av og
egenskaper til hele bygninger og broer osv. Oppgavene kan for eksempel fokusere på
dynamisk oppførsel av høye bygninger eller broer, styrke og stivhetsegenskaper til
komponenter og sammenføyninger, fysiske egenskaper som endrer seg med tid og
klimabetingelser osv.
Eksempler på titler på hovedoppgaver (som kan videreføres) fra de siste par-tre årene er:
Modelling of pedestrian loading on slender footbridges, Kapasitetsanalyser av limtrebjelker
med store utsparinger, Etasjeskiller med tre-betong komposittløsning, Numerical modelling of
wood microstructure, Aksial- og tverrbelastede gjengestenger i trekonstruksjoner, Skjøting for
momentstive forbindelser i trekonstruksjoner, Videreutvikling av dekker i tre, Prosjektering
av nettverksbuebru i tre over Orkla, Numerical models for dynamic properties of a 14 storey
timber building, Konseptstudie av knutepunkt i limtre og lange aksialbærende treskruer utsatt
for brannbelastning, Vibrations in Composite timber-concrete floor systems.
En typisk hovedoppgave innen tre og trekonstruksjoner benytter numeriske modeller,
analytiske betraktninger, litteraturstudier eller eksperimentelle undersøkelser som redskaper,
det mest vanlige er at minst to av disse redskapene kombineres i en oppgave. Selve oppgaven
blir gjerne bestemt etter en diskusjon mellom veileder og kandidater hvor interessene til
kandidatene (og også veileder), samt tilgjengelige muligheter vektlegges. Antall studenter vil
være begrenset til ca 10, og det er fordelaktig å være to studenter på en oppgave, gjerne med
ulike forkunnskaper. Aktuelle forkunnskaper kan være: TKT 4211 Trekonstruksjoner, TKT
MASTEROPPGAVER VED INSTITUTT FOR KONSTRUKSJONSTEKNIKK 2016 Side 32
K:\Administrasjon\Studenter\Masteroppgaveforslag 17.11.15
4201 Konstruksjonsdynamikk, TKT 4192 Elementmetoden i styrkeanalyse, TKT 4197 Ikke-
lineære elementanalyser eller TKT 4196 Prosjektering - Sikkerhetsforhold
Faggruppe: KONSTRUKSJONSPÅLITELIGHET
Structural reliability and uncertainty modelling in structural engineering
Teacher: Jochen Köhler
Safety is a principle requirement for structures. The safety of structures is normally proven by
the application of the safety concept in the prevailing structural design standard. Here,
uncertainties related to the estimation of loads, load effects and resistances are accounted for
indirectly by calibrated safety factors in order to provide sufficiently reliable solutions for
regular design situations.
However, many practical situations are not regular in that sense. Many engineering structures
are rather particular in regard to e.g. the load environment, the structural response to load
effects, the deterioration of structural materials, the consequences of failure etc. Structural
codes are only of limited use for these extraordinary structures and uncertainties have to be
considered explicitly in order to base decisions related to these structures on reliability or risk
criteria.
The following collection of master projects evolve from practical engineering problems
related to extraordinary engineering structures and design situations. 2 students per project are
envisaged. The projects might be performed either in Norwegian or English.
If interested, please contact: jochen.kohler@ntnu.no
Representation of the strength degradation of mooring
lines
The integrity of the mooring systems on (oil and gas)
Floating Production Systems (FPSs) is affected by highly
uncertain material deterioration processes. Besides fatigue
deterioration, steel corrosion and general wear reduce the
anticipated lifetime of the mooring lines. In the present
project the existing model basis for representing the
mentioned phenomena is reviewed and it is assessed how
the lifetime of mooring lines can be predicted. Special
emphasis is directed to the integration of information that is
gathered during the service-life of the mooring line, e.g. by
inspection. Ongoing fatigue tests on mooring chains in the
NTNU-KT laboratory also constitute an important basis for
this project.
Figure 1: Mooring chain
in test rigg at NTNU/KT.
Type of task: Literature review, uncertainty modelling, material modelling.
Recommended knowledge: Good foundation in fracture mechanics
Collaboration with: Per Jahn Haagensen, Industry partner: Statoil
MASTEROPPGAVER VED INSTITUTT FOR KONSTRUKSJONSTEKNIKK 2016 Side 33
K:\Administrasjon\Studenter\Masteroppgaveforslag 17.11.15
Reliability of mooring lines
Mooring systems are important components of
(oil and gas) Floating Production Systems
(FPSs). Their reliability is of great importance
for the safe and cost efficient operation of
these facilities. For the estimation of the
reliability of mooring lines the initial
resistance, material deterioration, load history
and operational constrains have to be
integrated with due account to the
corresponding uncertainties. The reliability
estimate is then used as a basis for setting up a
risk based decision framework for the integrity
management of these facilities. Figure 2: Mooring systems are important
components of offshore oil and gas
exploration. Type of task: Literature review, uncertainty modelling, reliability analysis.
Recommended knowledge: Good foundation in general structural engineering
Collaboration with: Per Jahn Haagensen, Industry partner: Statoil
Global reliability assessments of large concrete structures
using non-linear finite element analyses Recent research developments facilitate the representation of
the global load bearing behaviour of large scale concrete
structures by non-linear finite element models that capture
non-linear material behaviour as concrete cracking and local
yielding. The implementation of these models in practical
structural design requires further development. One
significant issue that has to be addressed is how uncertainties
are propagated through the non-linear model. A better
understanding of this aspect is crucial for the application of
these advanced mechanical models in practical structural
design.
Figure 3: The analysis of large scale concrete structures
requires the representation of non-linear material behaviour.
Type of task: Numerical- and meta- modelling, reliability analysis, partial
factor calibration
Rec. Lectures, precondition: TKT 4197 Non-linear FEA.
Collaboration with: Morten Engen (Multiconsult), Max Hendriks
MASTEROPPGAVER VED INSTITUTT FOR KONSTRUKSJONSTEKNIKK 2016 Side 34
K:\Administrasjon\Studenter\Masteroppgaveforslag 17.11.15
Wind load on structures – calibration of the Eurocode
safety concept
The current version of the Eurocodes contains a rather
complex concept for the consideration of wind actions on
structures. The concept includes a large number of
assumptions and simplifications that link the general exposure
to wind speed to actual forces acting on the structure
dependent on its exposure and geometry. To date it is still not
well understood what uncertainty and bias is induced by these
assumptions and simplifications, however, an understanding
of this would be necessary to make any sensible statement
about the validity of the currently applied safety factors for
wind loads. The main objectives of this master project are to
review and document the current Eurocode design concept for
wind loads with special account for the uncertainties and bias
induced by the several assumptions and simplifications that
are included. Basis will be taken in existing literature but also
in current results from wind tunnel tests on buildings. The
work will converge to a well-documented model basis that
can be used e.g. for the calibration of the current Eurocode
safety concept for the consideration of wind actions.
Figure 4: The
innteraction of wind and
structures is complex,
although it is represented
quite simple in structural
design.
Type of task: Literature review, uncertainty modelling, reliability analysis.
Recommended knowledge: Good foundation in general structural engineering
Collaboration with: Joint Committee on Structural Safety, CEN (host of the
Eurocode suite)
MASTEROPPGAVER VED INSTITUTT FOR KONSTRUKSJONSTEKNIKK 2016 Side 35
K:\Administrasjon\Studenter\Masteroppgaveforslag 17.11.15
How safe is safe enough?
Structures have to be safe. At the same time one
has to appreciate that structural safety comes at a
cost. The choice of an appropriate level of
structural safety is a fundamental decision that
strongly affects structural engineering practice.
Given that, it appears surprising that to date no
general consensus exists on how to handle this
important aspect. Several risk acceptance criteria
exist in several sub-domains of civil engineering,
however, they differ significantly, both, in regard to
the underlying philosophy and their corresponding
practical implications for the choice of safety level.
In the present project an existing risk acceptance
criteria will be developed and applied to typical and
to extraordinary civil engineering structures.
Figure 5: Society requires a safe
build environment. But how safe is
safe enough?
Type of task: Literature review, uncertainty modelling, reliability analysis.
Recommended knowledge: Good foundation in general structural engineering
Collaboration with: Joint Committee on Structural Safety
How to predict tightness of windows?
Moisture issues in buildings constitute a large
fraction of the cost damage in the build
environment, and moisture safety has become a
research topic of large societal concern.
Tall timber buildings envelopes are particularly
exposed to high wind pressures combined with
driving rain. The risk of moisture damages is today
broadly underestimated in the planning, building
processes and in quality management. The thesis
work will be based on available data provided by
SINTEF Byggforsk, will consider experimental
measurements performed on windows from
different producers over the last 10 years at
SINTEF Byggforsk concerning rain- and air
tightness. The objective of the thesis is to
define/predict the rain and air tightness of the
windows based on the available and new
experimental work. Uncertainties and the inter-
relations between the exposures and outcomes will
be derived through data analysis.
Figure 6: Moisture safety is of
concern particular in high rise
buildings.
Type of task: Experimental work, data analysis, computer simulation.
Recommended knowledge: Building physics and/or data analysis
Collaboration with: SINTEF and Tore Kvande (NTNU/BAT)
MASTEROPPGAVER VED INSTITUTT FOR KONSTRUKSJONSTEKNIKK 2016 Side 36
K:\Administrasjon\Studenter\Masteroppgaveforslag 17.11.15
Fagruppe SIMLab – Structural Impact Laboratory
Faggruppa SIMLab har for tida 5 fast vitenskapelige ansatte: T. Børvik, A.H. Clausen, O.S.
Hopperstad, M. Langseth og Aa. Reyes. I tillegg er det ca 12 PhD-kandidater, 4
postdoc/forskere og 2 professor II på SIMLab. Gruppa er vert for CASA (Centre for
Advanced Structural Analysis), som er en SFI (Senter for forskningsdrevet innovasjon) utpekt
av Norges forskningsråd for perioden 2015-2023. Forskningsfeltet er oppførsel og
modellering av komponenter og konstruksjoner påkjent av dynamisk last. Aktuelle materialer
er primært metaller og polymerer. Vår rolle er å utvikle modeller og metoder som industrien
kan benytte i sine prosjekter og produktutvikling. CASA er organisert i fem
forskningsprogram:
Protective Structures
Structural Joints
Polymeric Materials
Metallic Materials
Lower Scale
CASA har i alt 17 samarbeidspartnere fordelt på internasjonal og norsk industri samt
offentlige institusjoner. Partnerne har sin virksomhet innenfor tre ulike forretningsområder:
o Bil (Audi, BMW, Honda, Toyota, Hydro, SAPA, SSAB, Benteler)
o Olje&gass (Statoil, Gassco, DNV GL, Aker Solutions)
o Samfunnssikkerhet (Forsvarsbygg, Statens Vegvesen, Nasjonal sikkerhetsmyndighet,
Kommunal- og moderniseringsdepartementet)
Mer informasjon: www.ntnu.edu/casa/
For alle masteroppgavene ved SIMLab vil det være en stor fordel at kandidaten har hatt
SIMLab-prosjektet i høstsemesteret 2015, og disse studentene vil bli foretrukket hvis det er
mange som er interessert i samme oppgave. Videre er det generelt ønskelig med kompetanse
tilsvarende TKT4197 Ikkelineære elementanalyser, og for en del av oppgavene er TKT4135
Materialmekanikk samt TKT4128 Støtmekanikk relevant.
Det er ønskelig at studentene samarbeider to og to. Unntaket er utenlands-masteroppgaven
hos BMW, hvor det er snakk om én student.
Alle oppgavene vil inneholde et litteraturstudium og numeriske analyser, og mange vil i
tillegg inkludere laboratoriearbeid.
Ta kontakt med de respektive faglærerne for mer informasjon om oppgavene.
Faglærer Tore Børvik:
Modellering av sikkerhetsglass utsatt for eksplosjonslast
Design av bygninger, og da spesielt glass, mot eksplosjonslast har fått stor oppmerksomhet de
siste årene. Vanlig glass gir liten styrke mot trykkbølger fra eksplosjoner og kan generere
fragmenter som kan være en betydelig trussel. Laminert glass reduserer risikoen for skade ved
at et polymerlag holder på fragmentene etter knusning. For å optimere designet av en fasade r
det viktig å forstå oppførselen og bruddmekanismene til ulike typer glass. Her skal man
MASTEROPPGAVER VED INSTITUTT FOR KONSTRUKSJONSTEKNIKK 2016 Side 37
K:\Administrasjon\Studenter\Masteroppgaveforslag 17.11.15
studere effekten av eksplosjonslaster både på vanlig glass og laminert glass i SIMLab sitt
sjokkrør. I tillegg ønsker man å simulere oppførselen til glassene som observeres i forsøkene.
Oppgaven er knyttet opp mot PhD-prosjektet til Karoline Osnes, og er initiert av KMD, NSM
og Forsvarsbygg med tanke på nytt regjeringskvartal.
Optimalisering av energiabsorbenter i beskyttelseskonstruksjoner
Ved en ulykkeslast må ofte store mengder energi dissiperes for å bevare integriteten til den
lastbærende delen av konstruksjonen. I denne oppgaven vil man se på den optimale
sammensetningen av geometri og material for å kunne gi best mulig beskyttelse. Bruk av
optimaliseringsverktøy sammen med avanserte numeriske beregninger for å studere samspillet
mellom last og respons vil derfor stå sentralt. Det skal også gjennomføre ulike komponent-
tester for å studere de ulike løsningens energidissiperende egenskaper. Oppgaven er knyttet
opp mot PhD-prosjektet til Ole Vestrum.
Eksplosjonslast i rørtunnel (fergefri E39)
I forbindelse med utredning av ny fergefri E39 skal rørtunnel i betong vurderes som alternativ
for kryssing av fjord. Her skal scenarioet hvor en eksplosjon oppstår inne i tunnelen
analyseres. I og med at det er et lukket rom utarter eksplosjonen seg annerledes enn i åpent
landskap. Gjennom litteraturstudier og avanserte numeriske analyser skal dette, og
interaksjonen mellom fluid og konstruksjon, utforskes. Det skal også gjøres forsøk i SIMLab
sitt sjokkrør og/eller skalerte eksplosjonsforsøk i felt. Oppgaven er knyttet opp mot postdoc-
prosjektet til Martin Kristoffersen, og er initiert av Statens vegvesen.
Deformerbare konstruksjoner utsatt for eksplosjonslast
Interaksjonen mellom last og respons i forbindelse med eksplosjonslast står sentralt i denne
oppgaven, og kandidatene skal studere denne effekten ved bruk av avanserte forsøk og
numeriske beregninger. Forsøkene vil bli gjort i SIMlab sitt sjokkrør på tynne plater med
varierende utsparinger, og simuleringer som tar hensyn til koblingen mellom eksplosjons-
trykket og konstruksjonsresponsen skal utføres i programvare som er egnet for slike formål
(Abaqus/Explicit, LS-DYNA eller lignende). Ulike numeriske teknikker skal prøves ut,
sammenlignes og valideres. Oppgaven er knyttet opp mot PhD-prosjektet til Vegard Aune.
Stålplater utsatt for støtlast i kaldt klima
Beskyttelseskonstruksjoner i kaldt klima er av stor interesse for en rekke industrier (offshore,
transport, forsvar). Materialegenskapene til stål endrer seg drastisk med temperatur. Et stål
som viser duktil oppførsel ved vanlig romtemperatur kan være sprøtt ved lavere temperatur. I
denne oppgaven skal konstruksjonsstål karakteriseres ved temperaturer både under og over
omslagstemperaturen. I tillegg skal ballistiske forsøk utføres i laboratoriet hvor stålplatene
blir kjølt ned ved hjelp av flytende nitrogen. En stor del av oppgaven vil bestå i å simulere
penetrasjonprosessen ved hjelp av ikke-lineær elementmetode. Oppgaven er knyttet opp mot
PhD-prosjektet til Jens Kristian Holmen.
Støt mot offshore rør med og uten beskyttelse
Fra tid til annen blir offshore rørledninger utsatt for støt fra f.eks. anker eller trålutstyr. Slikt
utstyr kan hekte seg fast i røret og dra dem langt ut av posisjon før de slippes opp og beveger
seg tilbake mot utgangsposisjonen. Dette kan føre til brudd og lekkasje i rørledningen. For å
beskytte rørledningene dekkes de ofte med en beskyttelse («coating») av polymerer, gummi
eller betong. Eksperimenter på rør for å sjekke beskyttelsens integritet etter støt vil utføres,
sammen med numeriske simuleringer. Dette vil kunne være et viktig bidrag til å forstå
MASTEROPPGAVER VED INSTITUTT FOR KONSTRUKSJONSTEKNIKK 2016 Side 38
K:\Administrasjon\Studenter\Masteroppgaveforslag 17.11.15
rørkonstruksjoner under slike laster. Oppgaven er en del av et pågående forskningsarbeid ved
SIMLab i samarbeid med Statoil og Gassco.
Faglærer Arild Holm Clausen:
Modellering av duktilt brudd i plastmaterialer Det er et økende behov for kompetanse innen numerisk modellering av plastmaterialer i både
offshore- og transportindustrien. En elementmetodesimulering hvor det inngår
plastkomponenter må derfor ha konstitutive modeller og bruddkriterier som beskriver
oppførselen til slike materialer. Tema i denne oppgaven er bruddkriterier. Høye triaksialiteter,
f.eks i form av strekkspenninger i to eller tre retninger, ser ut til å være særlig kritisk.
Oppgaven er knyttet opp mot ph.d. – prosjektet til Sindre Olufsen.
På- og avlastning for plastmaterialer Man har etter hvert etablert relativt gode konstitutive modeller som beskriver responsen av
ulike plastmaterialer ved pålastning. Imidlertid er avlastningsfasen også relevant i en del
situasjoner, f.eks i forbindelse med kollisjoner og støt på rørledninger. Det viser seg at det er
vanskelig for modellene å fange opp det som skjer ved avlastning, hvor oppførselen skiller
seg veldig fra hva man observerer for metaller. Her er vi på jakt etter hvilke fenomener som
styrer responsen – er det viskoelastisitet, plastisitet, eller….??
Plastmaterialer i kaldt klima De mekaniske egenskapene til plastmaterialer er svært følsomme overfor endringer i
temperatur. Tema i denne oppgaven er oppførsel av plastmaterialer fra romtemperatur og
nedover mot –30C. Dette er et relevant temperaturspekter i mange sammenhenger hvor det er
aktuelt å benytte plastmaterialer. Kandidatene skal se på hvordan de mekaniske egenskapene
endrer seg, og hvordan responsen kan representeres i en materialmodell i
elementmetodesimuleringer. Oppgaven er knyttet opp mot ph.d. – prosjektet til Joakim
Johnsen.
Dynamisk respons av plastmaterialer Styrken til plastmaterialer øker betydelig med økende belastningshastighet. Ved SIMLab har
det fram til nå ikke vært utført dynamiske materialtester på polymerer i noen særlig grad. I
denne oppgaven skal tre av testriggene i laboratoriet; split-Hopkinson tension bar (SHTB),
split-Hopkinson pressure bar (SHPB) og den hydro-pneumatiske maskinen (HPM); benyttes
til karakterisering av ulike plastmaterialer. Disse riggene har i svært liten grad vært brukt til å
teste plastmaterialer tidligere.
Konstruksjonsbolter og muttere Det er viktig at bolter i stålkonstruksjoner har stor nok kraft- og deformasjonskapasitet. God
duktilitet, dvs. stor deformasjonskapasitet, er spesielt viktig for ekstreme lastsituasjoner hvor
forbindelsene kan oppleve store deformasjoner, men skal likevel beholde sin bæreevne.
Oppgaven vil bestå av å bestemme oppførselen av diverse konstruksjonsbolter gjennom
laboratorieforsøk og numeriske simuleringer, spesielt med tanke på hvordan bruddet
forekommer. Oppgaven er knyttet opp mot ph.d. – prosjektet til Erik Grimsmo.
MASTEROPPGAVER VED INSTITUTT FOR KONSTRUKSJONSTEKNIKK 2016 Side 39
K:\Administrasjon\Studenter\Masteroppgaveforslag 17.11.15
Behaviour and failure of carbon-fibre composites
Lightweight design is a very important aspect of the automotive industry. As a consequence,
the next generation vehicles are most likely to be design using an increased amount of carbon
fibre reinforced materials. The aim of this thesis is then to calibrate and validate the modelling
approaches proposed at SIMLab on a material used by BMW. The thesis will be composed of
three parts, the calibration of the proposed material models, their validation and an application
on a real industrial part. The master thesis will be carried out at BMW in Munich where
experimental data will be available. (The candidate for this master thesis gets 6 months
instead of 20+1 weeks because it is abroad.) Both researchers from SFI-CASA (primarily
David Morin) and BMW will be involved in the project to support the thesis.
Faglærer Odd Sture Hopperstad:
Brudd i rørledninger Løpende brudd langs rørledninger med høyt gasstrykk er et fenomen som må vurderes i
design, konstruksjon og operasjon av gassførende rør. Utfordringen er å designe og operere
rørene slik at et propagerende brudd stanser av seg selv, såkalt "crack arrest". Ofte skifter
bruddet retning og propagerer i ringretningen av røret, også kalt "arrest by ring-off". Dette er
et lite utforsket fenomen og en uønsket hendelse, da store rørbiter kan blir kastet ut av
rørgaten og skape ytterlige skade. Oppgaven går ut på å studere dette fenomenet ved bruk av
adaptive elementberegninger der både gass og rør modelleres.
Modellering av duktilt brudd i aluminium I elementmetodeberegninger av aluminiumskomponenter og -konstruksjoner som er utsatt for
bruddgrense- og ulykkeslaster, er det behov for materialmodeller som beskriver oppførselen
til aluminiumlegeringer ved store deformasjoner. Tema i denne oppgaven er skade- og
bruddmodeller for aluminiumlegeringer. Oppgaven er knyttet opp mot ph.d.-prosjektene til
Lars Edvard Dæhlie og Bjørn Håkon Frodal.
Modellering av høyfaste stål Moderne høyfaste stål har gode egenskaper med hensyn til fasthet, fastning og duktilitet.
Disse egenskapene skyldes at slike materialer ofte består av en hard fase (f eks martensitt)
som gir fasthet en myk fase (f eks ferritt) som gir duktilitet, mens samvirket mellom de to
fasene gir fastning. Tema for oppgaven er modellering og elementmetodeberegninger av
egenskapene til høyfaste stål.
Modellering og simulering av krasjkomponenter I design og dimisjonering av sikkerhetskomponenter i kjøretøy og i andre typer
konstruksjoner benyttes ikke-lineære elementmetodeberegninger. Siden elementmodellene
ofte har mange frihetsgrader, er det viktig at de lages så effektive som mulig med hensyn til
beregningstid uten at dette forringer nøyaktigheten og robustheten. Tema er etablering av
mønsterpraksis for modellering og simulering av krasjkomponenter.
Brudd i sveiste aluminiumskonstruksjoner Når aluminiumlegeringer sveises dannes det i noen tilfeller myke soner i sveiseområdet. De
myke sonene reduserer forbindelsens egenskaper, både med hensyn til fasthet og duktilitet. I
elementberegninger er det viktig å modellere sveisen og de myke sonene for å få nøyaktige
resultater. I modellering av store konstruksjoner byr det på problemer å inkludere slike
MASTEROPPGAVER VED INSTITUTT FOR KONSTRUKSJONSTEKNIKK 2016 Side 40
K:\Administrasjon\Studenter\Masteroppgaveforslag 17.11.15
detaljer i elementmodellen. Beregningstiden blir ikke akseptabel selv på store datamaskiner.
Oppgaven går ut på å undersøke ulike metoder for effektiv modellering av sveis og myke
soner i aluminiumskonstruksjoner.
Faglærer Magnus Langseth:
Oppførsel til avstivede platefelt i aluminium utsatt for støtlaster
I forbindelse med fergefri E39 skal Statens vegvesen vurdere teknologiske løsninger for
fjordkryssinger. Som et ledd i dette prosjektet så er det ønskelig å vurdere bruk av aluminium
blant annet på grunn av reduserte vedlikeholdskostnader og lav vekt i forhold til styrke. En av
utfordringene er å vurdere hvordan store platefelt i aluminium sveiset sammen av ekstruderte
profiler oppfører seg under en støtlast fra et skip og hvordan disse skal modelleres i en
storskala analyse. Denne masteroppgaven er et ledd i dette prosjektet og er et samarbeid
mellom SIMLab ved NTNU, Hydro Aluminium og Sapa. Oppgaven vil inneholde testing i
laboratoriet samt modellering og analyse.
Design av høyspentmaster i aluminium
Det er et ønske fra Statnett å utvikle nye beregningsmetoder og knutepunktsløsninger for
høyspentmaster i aluminium. Målet er å redusere vekten på en stålmast med ca. 50% ved å
bruke aluminium. For å kunne oppnå den ønskede vektbesparelse må masten dimensjoneres
ved hjelp av numeriske beregninger og en god kombinasjon av elementtype og elementnett er
i denne sammenheng helt avgjørende. I denne oppgaven så skal det gjennomføres tester i
laboratoriet på aksielt belastede aluminiumsøyler hvor interaksjon mellom lokal og global
knekking skal studeres. Testene skal danne grunnlaget for å etablere en validert numerisk
beregningsmodell. Oppgaven er knyttet opp mot post doc prosjektet til Marius Andersen.
Progressiv kollaps av bygninger
I forbindelse med ulykker eller terrorangrep så må en konstruksjon dimensjoneres på en slik
måte at et progressivt sammenbrudd ikke inntreffer. Et progressivt sammenbrudd er ofte
forårsaket av en lokal skade på et eller flere bærende element i konstruksjonen. Ved
dimensjonering er det imidlertid ønskelig å finne løsninger som gjør at det gjenværende
bæresystemet er i stand til å finne en ny likevekstilstand slik at sammenbrudd av hele
konstruksjonen ikke vil finne sted. I denne oppgaven skal kandidatene se på hvilke numeriske
metoder som er tilgjengelig for å beregne lokal skade samt globalt sammenbrudd av en
konstruksjonen. Prosjektet er initiert av Forsvarsbygg, Nasjonal sikkerhetsmyndighet og
Kommunal og moderniseringsdepartementet.
Modellering av knutepunkter i stål utsatt for støtlast
I forbindelse med storskala analyser av stålkonstruksjoner utsatt for ekstreme laster er det
ønskelig å kunne modellere konstruksjonen med skallelementer. For å kunne få en god
beskrivelse av responsen til konstruksjonen så må den numeriske modellen være i stand til å
representere den virkelige stivheten, styrken og duktiliteten til knutepunktene. Denne
oppgaven skal ta utgangspunkt i forsøk som er utført ved SIMLab på knutepunkter i stål for å
validere en skallmodell hvor boltene i forbindelsen er representert ved en forenklet modell.
MASTEROPPGAVER VED INSTITUTT FOR KONSTRUKSJONSTEKNIKK 2016 Side 41
K:\Administrasjon\Studenter\Masteroppgaveforslag 17.11.15
Oppførsel til forbindelser mellom forskjellige materialer
Med bakgrunn i den ekspanderende bruken av polymer materialer for lettvekt design i
bilindustrien, så har SFI CASA satt i gang et PhD prosjekt for å studere oppførselen til
forbindelser mellom forskjellige materialer. Denne oppgaven vil bli en del av det innledende
eksperimentelle og numeriske studiet til dette prosjektet. Oppgaven vil bestå i å karakterisere
materialene, deretter gjennomføre tester på en sammensatt komponent for så til slutt å
modellere og simulere komponenten. Oppgaven er knyttet opp mot ph.d.- prosjektet til John
Fredrick Berntsen.
Faglærer Aase Reyes:
Aluminiumsskum i beskyttelse
Aluminiumsskum kan være attraktivt i beskyttelseskonstruksjoner da materialet kan absorbere
energi i forbindelse med støt- og eksplosjonslaster. Det kan brukes som et slags fyllmateriale i
rør eller mellom tynne plater og danne en sandwich-konstruksjon. I denne oppgaven vil vi se
på oppførselen til slike skum-komponenter utsatt for dynamiske laster. Ved hjelp av
numeriske analyser kan vi modellere oppførselen ved dynamisk belastning og se på hvordan
det går an å optimalisere slike skum-komponenter.
Formbarhet og brudd i aluminiumsplater
Innenfor bilindustrien er modellering oppførselen ved store plastiske deformasjoner viktig når
en komponent skal formes. Det er viktig å kunne bestemme når platen vil nærme seg brudd
for å unngå dette i formeoperasjoner. I denne oppgaven skal vi se på bruddoppførselen til
aluminiumsplater i forbindelse med forming.
Aluminiumsskum. Formbarhetstester på aluminium.
top related