non-linear finite element analysis of concrete (structures

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



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


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,



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


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



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)



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.



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.



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.



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: [email protected] ; [email protected]

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.

mailto:[email protected]




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.



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: [email protected], [email protected]

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





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



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



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.



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.



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 ([email protected])

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




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.



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.



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.



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.

http://www.vegvesen.no/Vegprosjekter/ferjefriE39/Illustrasjonar



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


Samarbeid med: Statens vegvesen



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



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




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


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



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.

http://opensees.berkeley.edu/OpenSees/user/index.php



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


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.



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



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


Samarbeid med: SINTEF Anvendt matematikk



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.



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,

[email protected]

BIM - Bygningsinformasjonsmodellering

Veileder: Professor Tor G. Syvertsen ([email protected]) 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.

http://www.ntnu.edu/nml/project/master-thesis-topics

http://www.ntnu.no/nml



https://sites.google.com/site/objektmodellering/

http://www.autodesk.com/products/revit-family/overview

http://folk.ntnu.no/tgs/DigitalSamprosjektering/



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.


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.



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



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: [email protected]

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



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



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.


Collaboration with: Joint Committee on Structural Safety, CEN (host of the

Eurocode suite)



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.


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)



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



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



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.



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



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.



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.

non-linear finite element analysis of concrete (structures

Documents