Prosjektoppgaver - Studieretning K - Institutt for konstruksjonsteknikk - Høst 2014

05.05.14 /alh

i

2014

STUDIERETNING KONSTRUKSJON

PROSJEKTOPPGAVE FORSLAG

Institutt for konstruksjonsteknikk

Prosjektoppgaver - Studieretning K - Institutt for konstruksjonsteknikk - Høst 2014

05.05.14 /alh

ii

INNHOLDSFORTEGNELSE

1. BETONGKONSTRUKSJONER ...................................................................................... 1 2. BETONGTEKNOLOGI…………………………………………………………………3 3. KONSTRUKSJONSMEKANIKK………………………………………………………6

4. BIOMEKANIKK ………………………………………………………………………19 5. STÅL- ALUMINIUMKONSTRUKSJONER ............................................................... 25 6. TREKONSTRUKSJONER ............................................................................................. 28

7. PROGRAMUTVIKLING ………………………………………………………39 8. KONSTRUKSJONSTEKNIKK……………..………………………………………....39 9. PÅLITELIGHET OG RISIKOANALYSE…………………………………………. 40

NB! Kompletterende emne er det samme som valgbart emne.

1

05.05.14 /alh

1. BETONGKONSTRUKSJONER

1.1 Numerisk simulering av armert betong med FEM-programmet DIANA Oppgaven går ut på å studere matematisk modellering av armert betong (eventuelt mur) og bruke FEM-programmet DIANA til numerisk simulering av oppførsel av konstruksjoner i armert betong. Faglærer vil gi et innledende kurs i matematiske materialmodeller i DIANA, kombinert med bruk av programmet på enkle konstruksjonsdeler. Hver enkelt student vil få spesifisert en egen konstruksjon som skal analyseres. Den ikke-lineære numeriske simuleringen forutsetter at konstruksjonen på forhånd er dimensjonert etter Eurokode 2, slik at DIANA-analysen er en kapasitetskontroll. Dimensjoneringen utføres av studenten. Det innledende DIANA-kurset kan også følges av studenter med andre prosjektoppgaver, f.eks betongbruer. Prosjektet kan videreføres som masteroppgave våren 2012. Kompletterende emne: Betongkonstruksjoner 3 er nyttig, men ikke absolutt nødvendig Type oppgave: Beregningsoppgave Antall studenter: Max 10 Kontaktperson: Max Hendriks, Jan Øverli 1.2 Betongbruer I Norge bygges det hvert år en rekke betongbruer av forskjellig type. Den mest aktuelle oppgaven er beregning og dimensjonering av ei spennarmert plate- eller bjelkebru. Kompletterende emne: Åpent Type oppgave: Diverse Antall studenter: 2-8 Kontaktperson: Terje Kanstad, Max Hendriks 1.3 Beregning og dimensjonering av betongkonstruksjon og murkonstruksjoner Oppgaven går ut på å beregne og dimensjonere deler av en nærmere avtalt plasstøpt eller prefabrikert betongkonstruksjon (f.eks. forretningsbygg, industribygg osv.). Formålet med oppgaven er å tilegne seg erfaring i praktisk anvendelse av beregnings- og dimensjoneringsmetoder fra kursene i konstruksjonsmekanikk og betongkonstruksjoner. Hver enkelt student vil få spesifisert et et eget bygg, der bestemmelse av lastpåkjenninger, analyserer og dimensjonering av konstruksjonen gjennomføres. Kompletterende emne: Åpent Type oppgave : Prosjektering Antall studenter : Max 6 Kontaktperson : Jan Øverli, Kalle Høiseth

1.4 Kapasitet til innfestingsdetaljer i betong. Oppgaven tar for seg kapasiteten til stålbolter brukt for innfesting i betong. Dette kan være kamstål eller stålbolter med hode eller skiver, som støpes inn i betongen og brukes som løfteører for betongelementer, forbindelsespunkter mellom elementer, eller for forankring av bjelker og søyler i betongvegger og gulv. Kapasitetsformlene for slike detaljer finnes blant annet i Betongelementbøkene eller forskjellige standarder. Det er store avvik mellom resultatene fra de ulike reglene, og usikkerhet med hensyn til forbindelsenes virkelige kapasitet. Det skal gjøres forsøk med uttrekk av stålstenger med forankringshode, med vanlig

2

05.05.14 /alh

betong og stålfiberarmert betong, og sammenlignes med resultater av beregningsregler og tilsvarende forsøk i litteraturen. Type oppgave oppgave; beregninger og laboratoriearbeid Antall studenter: 2 Kontaktperson: Arne Aalberg, Jan Arve Øverli, Anders Rønnquist

1.5 Betongkonstruksjoner med fiberarmering Polymer- basalt-, eller stålfiberarmering som full eller delvis erstatning for ordinær stangarmering kombinert med selvkomprimerende betong er for tiden et aktuelt tema innen forskning og utvikling i byggebransjen. I regi av instituttets deltakelse i COIN (Senter for forskningsbasert innovasjon innen betong) gjennomføres det omfattende forskning innen dette fagområdet. Flere oppgaver er aktuelle, og kan omfatte andeler av litteraturstudium, eksperimentelt arbeid, og utredning av beregningsmetoder og regelverk. For tiden arbeides det både med norsk regelverk i regi av Norsk betongforening og Eurocode. Type oppgave: Litteraturstudium og eksperimentelt arbeid Antall studenter: 2-4 Kontaktperson: T. Kanstad, Elena V Sarmiento, Giedrius Zirgulis

1.6 Numerisk simulering av armert betong med DIANA og ABAQUS Relativt enkle bjelke-, skive- og platekonstruksjoner i armert betong skal analyseres ikkelineært med FEM-programmene DIANA og ABAQUS. Resultater fra analysene med de to programmene skal sammenlignes, og brukervennlighet og resultatpresentasjon skal vurderes. Det vil fra start bli gitt en innføring i bruk av programmene, samt teori for de aktuelle matematiske materialmodellene for beskrivelse av ikkelineære materialegenskaper for betong og armering. Kompletterende emne: Betongkonstruksjoner 3 anbefales Type oppgave: Beregningsoppgave Antall studenter: 3-4 Kontaktperson: Svein Ivar Sørensen

3

05.05.14 /alh

2 BETONGTEKNOLOGI Prosjektoppgaver innen betongteknologi omhandler fem hovedtemaer: fersk betong, ung betong, herdet betong, levetid (bestandighet, nedbrytning) og bærekraft (miljøhensyn). Hovedtemaene er kort beskrevet nedenfor. Prosjektoppgavene vil blive detaljert i et samarbeide mellom student og veiledere.

2.1 Fersk betong

Den ferske betongs egenskaper er avgjørende for oppnåelse av den ønskede kvalitet av den ferdige betongkonstruksjon. Betong adskiller seg fra de fleste andre byggematerialer ved, at utførelsen ofte foregår på selve byggeplassen. Fersk betong egenskapene skal passe til den ønskede geometri og støpemetode. Spesielt selvkomprimerende betong (SKB), som ikke krever vibrering, forutsetter styring av den ferske betongs egenskaper. Prosjektoppgaven vil omfatte et teoretisk studium av hva som påvirker den ferske betongs egenskaper. Betonglaboratoriet på NTNU har forskjellig utstyr til å måle fersk betongs egenskaper, og det teoretiske studium kan etter behov suppleres med laboratorieundersøkelser av betongens proporsjonering, stabilitets-og flyteegenskaper.

Foto: http://www.voscc.dk/17999

Type oppgave: Litteraturstudium, evt. supplert med laboratorietester

Antall studenter: Max. 4 Kontaktpersoner: Mette Geiker, Stefan Jacobsen, Prof. II Sverre Smeplass (Skanska Norge AS) Samarbeid med: COIN www.coinweb.no

2.2 Ung betong

Betong adskiller seg fra de fleste andre bygematerialer ved, at utførelsen ofte foregår på selve byggeplassen. Støpeskjøter og kontaktstøp gir ofte fare for oppspekking pga fastholdt termisk og autogen dilatasjon. Dette kan gi problemer i vanntette konstruksjoner, og kan være en utfordring for betongens bestandighet. Skanska bruker det nyutviklede beregnings-programmet “Crack TeSt COIN” for analyse av risiko for slik opprissing. Prosjektoppgaven vil være relatert til aktiviteter i COIN. Relevans og anvendelighet av resultater og teknologi på byggeplass skal undersøkes som en del av oppgaven.

Type oppgave: Litteraturstudium, analysearbeid evt. supplert med laboratorietester

Antall studenter: Max. 4 Kontaktpersoner: Prof. II Sverre Smeplass (Skanska Norge AS), Mette Geiker, Stefan Jacobsen, Terje Kanstad Samarbeid med: COIN www.coinweb.no

4

05.05.14 /alh

2.3 Herdnet betong Nye støpeprosesser og betongsammensætninger anvendes for at øke produktivitet og/eller bærekraft, men også for at kunne skape nye arkitektoniske uttrykk. Kjennskap til de ingeniørmessige egenskaper av de nye betonger er sentral for deres anvendelse. Prosjektoppgaven vil omfatte et teoretisk studium av sammenheng mellom struktur og egenskaber av en eller flere material typer, f.eks selvkomprimerende betong (SKB), fiberarmert betong, lettbetong eller betong med nye og mindre CO2-belastende bindertyper.

Type oppgave: Litteraturstudium, evt. supplert med laboratorietester

Antall studenter: Max. 4 Kontaktpersoner: Mette Geiker, Stefan Jacobsen, Prof. II Sverre Smeplass (Skanska Norge AS) Samarbeid med: COIN www.coinweb.no

2.4 Betongs levetid

Vi ønsker konstruksjoner som ikke skal repareres og som forblir både sikre og estetiske. For å sikre optimale valg av betongsammensetning og konstruktivt design må vi kunne beskrive nedbrytningsprosesser og beregne deres tidsmessige utvikling. Modeller for levetidsprosjektering av betongkonstruksjoner er basert på kjente materialmodeller, og data fra feltundersøkelser av gamle og nyere konstruksjoner. Prosjektoppgaven 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.

Foto: Rolf Jarle Ødegaard, VD

Type oppgave: Litteraturstudium, evt. supplert med laboratorietester

Antall studenter: Max. 4 Kontaktpersoner: Mette Geiker, Stefan Jacobsen, Prof. II Sverre Smeplass (Skanska Norge AS) Samarbeid med: COIN www.coinweb.no

5

05.05.14 /alh

2.5 Miljøriktig bruk av betong

En miljøvennlig betongkonstruksjon oppfyller kriteriene for bærekraftig utvikling ved å være konstruert, bygd, brukt og gjenbrukt på en ressurseffektiv måte, sett fra et livssyklus perspektiv. Dette skal oppnås ved å utnytte de egenskapene til betong, som er gunstige for miljøet, f.eks. den høye styrke, gode bestandighet og høye varmekapasitet. Betongkonstruksjoner skal ofte utformes og produseres på en måte som er skreddersydd til levetiden, lastvirkninger, påvirkning av vind og vær, vedlikehold strategi, oppvarmingsbehov, etc. "Rett betong for riktig anvendelse."

DANVA Vandhuset,

Dansk Bærekraftig Betong Pris 2011 Foto:?

Prosjektoppgaven går ut på å diskutere mulighetene for å øke bærekraften av betongkonstruksjoner; evt. i forbindelse med et konkret byggeprosjekt. Type oppgave: Litteraturstudium, evt. supplert med laboratorietester

Antall studenter: Max. 4 Kontaktpersoner: Mette Geiker, Stefan Jacobsen, Prof. II Sverre Smeplass (Skanska Norge AS) Samarbeid med: COIN www.coinweb.no

6

05.05.14 /alh

3. KONSTRUKSJONSMEKANIKK

3.1 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 bygningskonstruk-sjoner, og å gjennomføre beregninger for en aktuell konstruksjon. Kompletterende emne: TKT4108, Dynamikk videregående kurs Type oppgave: Teori, litteratur, numerisk beregning. Antall studenter: 1-3 Kontaktperson: Einar Strømmen 3.2 Konstruksjonssvingninger forårsaket av virvelavløsning eller strømningsinterferens For enkelte slanke bygningskonstruksjoner (eks. broer, tårn, master, etc.) vil det kunne oppstå svingninger på grunn av virvelavløsning fra hele eller deler av konstruksjonen selv, eller på grunn av at den ligger i strømskyggen av en annen konstruksjon. Dette vil kunne skape problemer relatert til utmatting og eventuelle brukskrav. Hensikten med oppgaven er å få studert teorigrunnlaget for slike problemer, og å gjennomføre beregninger for en aktuell konstruksjon. Kompletterende emne: TKT4108, Dynamikk videregående kurs Type oppgave: Litteratur, teori, eksperiment. Antall studenter: 1-3 Kontaktperson: Einar Strømmen 3.3. Structural Integrity of Arctic materials The northern region represents the most important strategic foreign policy region for the Norwegian government. The risk of structural or functional failure of materials increases significantly in marine Arctic environments. The following project topics are a part of the Centre for Arctic Materials initiative to develop knowledge and expertise for a sustainable and environmentally sound development of the Arctic areas. The topics are cooperating with SINTEF Materials and Chemistry and Statoil and many other industrial partners. The supervisor of the project/master topics are Professor Zhiliang Zhang (Zhiliang.zhang@ntnu.no) and contact persons at SINTEF and industry are: Odd Akselse, (Odd.M.Akselsen@sintef.no), Xiaobo Ren (Xiaobo.Ren@sintef.no), Håkon Nordhagen, (Hakon.Ottar.Nordhagen@sintef.no), Bård Nyhus (Bard.Nyhus@sintef.no), Mons Hauge (mhauge@statoil.com), Afaf Saai (Afaf.Saai@sintef.no) and Pascal-Alexander Kane (Alexandre.Kane@sintef.no). Kontaktperson: Professor Zhiliang Zhang, www.ntnu.no/nml

7

05.05.14 /alh

3.4 Effect of welding residual stress on ductile-to-brittle transition of steel It has been demonstrated that residual stresses have significant impact on the ductile-to-brittle transition (DTB). The DTB temperature may be increased and shape of the transition curve can also be changed. For arctic applications, this issue is particularly important since the low temperature is one of the most important challenges. It is thus very interesting to investigate the issue and try to fully understand the mechanisms of such behaviour. Objective: To understand the effect of residual stresses on ductile-to-brittle transition for arctic applications Tasks

• Literature review on the effect of residual stresses on ductile-to-brittle transition • Introduce residual stresses into FE model using eigenstrain method • Numerical investigation of residual stresses on DTB transition

Type oppgave: Litteraturstudium og mulige simulering Antall studenter: 1-2 Kontaktperson: Professor Zhiliang Zhang, www.ntnu.no/nml 3.5 Multiscale modelling of brittle fracture initiation Motivation: Better understanding of mechanism of brittle fracture is very important for achieving robust criteria for safe application of steels in arctic region. Through a multi-scale approach, the mystery of brittle fracture is expected to be revealed. Objective: To establish a multiscale framework for investigation of brittle fracture initiation. Tasks

• Literature review • Establish a multiscale framework for brittle fracture (e.g., MD-CP-Cohesive Zone

Model) Type oppgave: Litteraturstudium og mulige simulering Antall studenter: 1-2 Kontaktperson: Professor Zhiliang Zhang, www.ntnu.no/nml

3.6 Tensile properties at low temperature Motivation: The effect of temperature on tensile properties has an impact with regards to actual utilization and mismatch conditions. The shape of the stress-strain curve can be very important for the CTOD requirement for situation with higher utilization. Some studies of the effect of temperature on these properties were carried out in AM project. However, a more detailed study addressing more parameters is necessary in order to have a robust treatment of this aspect. This is both concerning definition of procedures to perform tensile testing below room temperature (no applicable standards exists today) and improved models to correct tensile properties based on room temperature testing. Objective: To evaluate the effect of

8

05.05.14 /alh

temperature on tensile properties and to establish a procedure for tensile testing at lower temperature Tasks

• Define the experimental strategy, e.g., method, equipment and procedure • Experimental testing

Type oppgave: Litteraturstudium og testing Antall studenter: 1-2 Kontaktperson: Professor Zhiliang Zhang, www.ntnu.no/nml 3.7 Structural integrity of composite steel pipes Clad pipe and lined pipe are new technological solutions to develop composite pipes to enhance both the corrosion resistance and mechanical integrity of pipeline. One of the failure assessment challenges using fracture mechanics is the transferability of fracture toughness data from small scale testing to large scale components such as pipelines. Though significant progress has been made by NTNU/SINTEF in quantification of crack tip constraint, there are still open questions in selecting appropriate fracture mechanics testing specimens for high strength steels. The master study aims to develop advanced fracture mechanics methods for the failure assessment of composite steel pipelines. The master study will cooperate with SINTEF and Statoil. Knowledge of fracture mechanics is a prerequisite.

Type oppgave: Litteraturstudium og mulige simulering Antall studenter: 1-2 Kontaktperson: Professor Zhiliang Zhang, www.ntnu.no/nml 3.8 Numerical studies of unstable brittle crack propagation during dynamic fracture Charpy testing Motivation: The temperature dependence of the dynamic fracture toughness of steels is most often estimated based on expensive and non-practical large scale experiments. Finding and developing a suitable lab-scale test for characterizing and quantifying the dynamic fracture toughness is therefore needed. Search for a correlation between full scale test results and the "crack-arrest" force found from instrumented Charpy tests has been studied in the literature. A large number of instrumented Charpy tests on a 420 MPa structural steel have been done in the KPN SMACC project. Charpy tests at temperatures above and below the ductile-brittle transition, as well as on various microstructures typically found around welds, have also been investigated. However, poor understanding of the behavior of Charpy-tests in, and below, the ductile to brittle transition temperature hinders further interpretation and understanding of the results. Numerical simulation of the Charpy test might provide further insight. Objective: Perform calibration of elasto-(visco)-plastic material mode of base material and relevant microstructures at temperatures and strain rates of interest. Try to numerically simulate the onset and arrest of unstable brittle fracture in a Charpy test. Compare these results with experimental results obtained from instrumented Charpy tests.

9

05.05.14 /alh

Type oppgave: Litteraturstudium og simulering Antall studenter: 1-2 Kontaktperson: Professor Zhiliang Zhang, www.ntnu.no/nml 3.9 A multi-scale model for fracture probability calculation in steel structures Increased lifetime of structure requires fundamental understanding of fracture mechanism and reliable prediction of fracture. This needs modelling of fracture independently on environment and applied load. To this end, a multi-scale approach is proposed here to model fracture where the influence of steel microstructure is considered using finite element method (FEM) with physically-based model of fracture. A crack with modified boundary layer (MBL) conditions is chosen to account for the constraint effect on the fracture prediction. Crystal elasticity - finite element modeling (CE-FEM) and density functional theory (DFT) are performed to ensure a reliable dialogue between the continuum, the grain and the atomistic scales of material and account for the effects of local anisotropic response of the material on fracture initiation and propagation. An energy based failure criterion is used at the grain interfaces while the model parameters are identified using density functional theory (DFT). In this project, a brief literature study is first required to understand the need for such approach and the main theoretical principles behind it. The student will then learn about FE modeling of structure in Abaqus and mulitscale link for physically based model. An existent CE-FEM will then be used to explore the effect of the microstructure on fracture initiation and propagation in the material.

Type oppgave: Litteraturstudium og simulering Antall studenter: 1-2 Kontaktperson: Professor Zhiliang Zhang, www.ntnu.no/nml

3.10 Welding residual stress and integrity assessment Residual stresses are unavoidable in welded steel structures. How to correctly predict the residual stresses and how to assess their effect on structural integrity is a very important issue for the Norwegian industry. One of the most difficult aspects in structural integrity assessment is to incorporate the effects of residual stresses in a safe manner, without making unduly

conservative assumptions about the levels of stress that may be present. There is no easy and industrial friendly way to characterize residual stresses. Current structural assessment procedures typically assume upper bound residual stress solutions. It has been demonstrated that the current procedures can significantly overestimate the residual stress effects in most cases and underestimate their effects in others. The aim of the master study is to join the team at NTNU and SINTEF to develop models to predict the residual stresses and its effect on the structural integrity assessment. Antall studenter: 1-2 Type oppgave: Litteraturstudium og forberedende analyser Kontaktperson: Professor Zhiliang Zhang, www.ntnu.no/nml

10

05.05.14 /alh

3.11 Anti-icing by nanotechnology World’s 20% resources lie in the arctic region. Due to the low temperature, the exposed structures and equipments are compromised by ice accretion and adhesion, in which icing has been the scourge. When the energy attention moves to the north, anti-icing becomes an urgent issue. The need for safe operation, reliable power transmission and distribution networks under the most severe icing condition in cold climate highlights the importance of ice adhesion research for reducing ice accretion. Nanotechnology could play a vital role in develop the effective solution for anti-icing.

There are two aspects influencing the icing and anti-icing properties of the surface: one is the surface energy determined by material chemistry; the other is the topology/geometry of the surface determined by microstructure. Inspired by self-anti-icing structures in the nature it is possible to find an effective solution based on nanomechanics knowledge, which can minimize the ice surface adhesion by nano-structuring the super-hydrophobic surface. The interdisciplinary project will provide considerable opportunity for design, preparation and characterization of anti-icing surface. Our industrial partners are very interested in this topic. We have started a research project financed by Statoil and the project study will be a part of the industrial project. Type of project work: literature survey and basic lab work. Keywords: anti-icing; hydrophobicity; nanostructuring; adehsion. Contact at NTNU Nanomechanical Lab

Prof. Zhiliang Zhang, zhiliang.zhang@ntnu.no Associate prof. Jianying He, jianying.he@ntnu.no

Contact at industry, Statoil ASA, Trondheim Dr. Morten Karlsen

3.12 Oppskalering av konstitutiv tensor ved numerisk homogenisering Layered materials, i.e. material for which the mechanical parameters like Young’s moduli and Poisson’s ratio are varying relatively little within each material layer, but may be significantly different between neighboring layers, are encountered in many different applications. Interesting examples are geomechanical applications within civil engineering and oil exploration, and composite materials used in building and transport industries, etc. In practice one may encounter applications where the global scale of the problem is hundred or even many thousand times larger then the characteristic size (e.g. thickness) of the material layers. To counter this mismatch in scales, the model’s heterogeneous fine-scale constitutive tensor determined by the Young’s moduli and Poisson’s ratios, have to be “upscaled” to one “equivalent homogenous” coarse-scale constitutive tensor. This coarse-scale constitutive tensor relates the volume-averaged displacement, strain, stress, and energy to each other, in such a way that the equilibrium equation, Hooke’s law, and the energy equation preserve their fine-scale form, in some sense, on the coarse scale. Under the simplifying assumption of spatial periodicity of the heterogeneous fine-scale constitutive tensor, homogenization theory

11

05.05.14 /alh

can be applied. However, even then the spatial variability is generally so complex that exact solutions cannot be found. Therefore, numerical approximation methods have to be applied. In this project the displacement based finite element method should be used to carry out a pilot study and implement numerical homogenization for continuum mechanics in Matlab. Kompletterende emne: TKT4197 IKKELIN ELEMENTANALYSE Type oppgave: Litteraturstudium, teori, numerisk undersøkelse Antall studenter: 1-2 Kontaktperson: Kjell Magne Mathisen Videreføring: Kan videreføres som masteroppgave 3.13 Modellering av sprekkevekst med den utvidede elementmetoden (XFEM) In the eXtended Finite Element Method (XFEM), a standard displacement based finite element approximation is enriched by additional (special) functions using the framework of the Partition of Unity Finite Element Method (PUFEM) or the Generalized Finite Element Method (GFEM). In the XFEM, the finite element mesh need not conform to the internal boundaries (cracks, material interfaces, voids, etc.), and hence a single mesh suffices for modelleing as capturing the evolution of material interfaces and cracks in two- and three-dimensions. The advantages are that the finite element framework (sparsity and symmetry of the stiffness matrix) is retained. In this project the theory and computational formulation of the extended finite element method should be addressed. Special emphasis should be placed on modelling crack growth by the XFEM, and on modelling of the material interfaces using level sets and planar crack growth simulations. Kompletterende emne: TKT4197 IKKELIN ELEMENTANALYSE Type oppgave: Litteraturstudium, teori, numerisk undersøkelse Antall studenter: 1-2 Kontaktperson: Kjell Magne Mathisen Videreføring: Kan videreføres som masteroppgave 3.14 Isogeometric analysis of thin-walled structures Thin-walled members have traditionally been modelled efficiently by plate and shell elements. However, modern trends towards unification of CAD and FEA in so-called isogeometric analysis imply that thin-walled structures are modeled using 3D solid elements. One advantage of using 3D meshing is that almost all thin-walled strctures have local areas where the stresses are genuinely 3D. The drawback using 3D solid elements is that it leads to more degrees of freedom and may lead to ill-conditioning. In this project traditional FE modelling of thin-walled structures using shell elements should be compared to isogeometric analysis based on 3D solid elements. Kompletterende emne: TKT4197 Ikkelineære elementmetoder Type oppgave: Litteraturstudium, teori, numerisk undersøkelse Antall studenter: 1-2 Kontaktperson: Kjell Magne Mathisen Videreføring: Kan videreføres som masteroppgave

12

05.05.14 /alh

3.15 Levetidsberegninger av komponenter basert på 3D skanning av

overflategeometri. Structured light measurement (SLM) og laserskanning er metoder for karakterisering av geometri som har et stort potensiale i f.eks kvalitetskontroll av maskinkomponenter og sveiste konstruksjoner. Metoden kan også brukes ved evaluering av skader i overflaten f.eks ved korrosjon eller slitasje for å beregne restlevetid.

Ved nøyaktige målinger av geometrien kan dataene tas inn i et elementanalyseprogram som gir lokale spenninger som igjen er input til levetidsanalyser ved hjelp av bruddmekanikk. Arbeidet skal knyttes opp mot et løpende prosjekt der det skal utvikles metoder for beregning av restlevetid for komponenter med korrosjonsgroper, f.eks borerør og kjettinger.

Komplementerende emne: Etter avtale Type oppgave: Litteraturstudium, FEA-beregninger, forsøk.i lab. Antall studenter: 1-2 Kontaktperson: Per J Haagensen, per.haagensen@ntnu.no (901 46 215) Videreføring: Kan videreføres som hovedoppgave 3.16 Fortøyningssystemer for flytende plattformer - utmatting. Fortøyningssystemer er kritiske for sikker drift av flytende plattformer. Kjettinger som er mest brukt for permanente systemer er lange, tunge og kostbare å håndtere. Bruk av høyfast stål er derfor ønskelig for å spare vekt. Det er imidlertid usikkert om utmattingsegenskapene øker i takt med statisk styrke og det skal gjøres litteraturundersøkelser og forsøk i laboratoriet for å kartlegge egenskapene til høyfaste kjettinger ved samme miljøforhold som i Nordsjøen.

Kjettingene skiftes ut etter kriterier basert på estimert levetid og vurdering av overflateskader. Utskiftinger kan koste flere hundre milioner kroner og det er ønskelig med å etablere kriterier basert på karakterisering av skader i overflater, med metoder f. eks som beskrevet i forrige oppgave., og levetidsberegninger basert på korrosjonsskader Oppgavene er knyttet opp mot et løpende prosjekt finansiert av Statoil.

Samarbeid: Statoil Type oppgave: Geometrimålinger, FE analyse, bruddmekanisk modellering og testing i lab. Antall studenter: 1-4 Kontaktpersoner P. J. Haagensen

Overflate av buttsveis -20 0 20 40 60 80 100

-12

-10

-8

Lokal geometri til buttsveis, fra skannet topografi

Sprekk fra korrosjons- groper i kjetting

13

05.05.14 /alh

3.17 Levetidsberegning og utmattingstesting av stigerør og rørledninger i full skala. De fleste utmattingsdata for rør er fra forsøk på relativt små prøver som er kappet ut fra rør. Ved IKT er det i løpet av de siste årene utviklet resonansmaskiner for testing av rør i full skala. I sammenheng med flere industriprosjekter skal det. utvikles modeller for levetidsberegning basert en to stadier, det første basert på korte sprekker (Kitagawa), eller tøyningsbasert utmatting, det andre stadiet på konvensjonell bruddmekanikk, som kobles sammen med data fra SLM-målinger av geometri og FEM. Resultatene skal sammmenlignes med fullskalaforsøk. Komplementerende emne: Etter avtale Type oppgave: Litteraturstudium, FEA-beregninger, forsøk.i lab. Antall studenter: 1-2 Kontaktperson: Per J Haagensen, per.haagensen@ntnu.no (901 46 215) Videreføring: Kan videreføres som hovedoppgave 3.18 Forbedring av utmattingsegenskaper til sveiste komponenter i høyfaste stål To nye metoder til forbedring av utmattings- og korrosjonsegenskapene til sveiste forbindelser er lansert de siste årene Ved ultrasonisk hamring (UIT) deformeres overflaten plastisk og det påføres dermed trykkrestspenninger er metoder som brukes. En annen ny metode er bruk av sveisetilsett som gir martensitt-transformasjon ved så lav tempertur at det dannes trykkspenninger etter avkjøling. Sveisematerialet kalles LTT–materiale (Low Transformation Temperature). I oppgavene skal følgende forhold undersøkes:

1. Virkninger av grunnmaterialets fasthet på utmattingsstyrken til prøvestaver som er sveist med LTT-tråd og sveiser som er behandlet med ultrasonisk hamring.

2. Virkningen av høye lasttopper på utmattingsfastheten undersøkes på sveiser i høyfast stål som enten er sveist med LTT-tråd ellerer behandlet med ultrasonisk hamring.

3. Sammenligne beregnings modeller for sveisene basert på bruddmekanikk og local strain metoden.

Komplementerende emne: Etter avtale Type oppgave: Litteraturstudium, FEA-beregninger, forsøk.i lab. Antall studenter: 1-2 Kontaktperson: Per J Haagensen, per.haagensen@ntnu.no (901 46 215) Videreføring: Kan videreføres som hovedoppgave 3.19 Dynamisk analyse av slanke brukonstruksjoner utsatt for naturlaster 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 rørtuneller og kombinasjoner av disse. For å konstruere disse bruene trengs det ny metodikk for beregning

Resonanstesting ved IKT, NTNU, rørledningsprosjekt i Australia

14

05.05.14 /alh

av dynamisk respons av konstruksjonene utsatt for vind og bølgelaster samtidig som det rettes et spesielt fokus på beregningenes usikkerhet. Denne masteroppgaven tar sikte på å bidra i dette utviklingsarbeidet. Aktuelle temaer Vindindusert dynamisk respons av Hardangerbrua Sammenlikning av beregninger og målinger Dynamisk respons av Bergsøysundbrua utsatt for bølge og vindlaster Sammenlikning av beregninger og målinger Systemidentifikasjon Identifisering konstruksjonens egenskaper ut i fra målinger av dynamisk respons Oppgavene kan løses ved å lage en modell av den aktuelle brukonstruksjonen i ABAQUS, eller i SESAM. Naturlastene genereres ved hjelp av MATLAB i kombinasjon med WADAM. Den dynamiske responsen beregnes i tidsplanet eller i frekvensplanet.

15

05.05.14 /alh

Illustrasjoner: (statensvegvesen.no, 2012) Type oppgave: Litteraturstudie + numerisk modellering + praktiske beregninger Antall studenter: 5-6 Samarbeid med: Statens vegvesen Kontaktperson: Ole Øiseth

16

05.05.14 /alh

3.20 Dynamikk i kabelsystemene som benyttes til strømforsyning av elektriske tog, ved høy hastighet. For å kunne forbedre de eksisterende systemene i Norge må vi etablere god forståelse av viktige parametere til de eksisterende kontaktledningsanleggene. Det er viktig å få etablert beregningsmodeller i f eks Matlab for å undersøke effekter fra høy hastighet (ca. 250 km/h) på nye og eksisterende systemer. Videre er det viktig å få estimert de nødvendige dynamiske parameterne.

Viktige temaer er:

- Numeriske beregninger - Mekaniske og dynamiske egenskaper - Geometri - Oppspenningskrefter - Systemidentifikasjon

Type oppgave: Litteraturstudie numerisk modellering og beregninger Antall studenter: 1 – 4 Samarbeid med: Jernbaneverket Kontaktperson: Anders Rönnquist 3.21 Laboratorieforsøk av kabel svingninger – Praktiske målinger på en ca. 25 m lang seksjon av et fullskala kontaktledningsanlegg som er under bygging i den store labben Det skal bygges en ca. 25 m lang seksjon av et spenn til et ellers fullskala kontaktledningsanlegg nede i den store labben. Systemet må designes slik at det har mest mulig lignende dynamiske egenskaper som de normalt 40–60 m lange spennene det benyttes ved norske jernbanesystem. Hensikten med laboratoriemodellen er at vi ønsker å etablere gode målemetoder og teste ut ulike komponenters betydelse for de dynamiske egenskapene til eksisterende systemer.

Viktige temaer er:

- Numeriske beregninger før praktisk gjennomføring - Praktisk måleteknikk - Modal analyse av fundamentale moder - Bølgetransport langs kabelsystemet - Innflytelse på systemets dynamikk pga variasjon av mekaniske

og geometriske parametere.

Type oppgave: Praktiske beregninger + gjennomføring av modellforsøk Antall studenter: 1 – 4 Samarbeid med: Jernbaneverket Kontaktperson: Anders Rönnquist

17

05.05.14 /alh

3.22 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 Antall studenter: 1 – 4 Samarbeid med: Jernbaneverket Kontaktperson: Anders Rönnquist 3.23 Dynamic response of spherical thin shells In many industrial applications the use of micro/nano-sized spherical thin shell structures are of interest. Subjected to forced vibrations some applications would try to avoid resonant behavior, in other applications resonant behavior is the goal in order to break the sphere. This project addresses the basic analysis of eigenmodes of the shell. At the outset large scale shells are investigated using classical methods from elasticity. The issue of smaller and smaller size of the sphere, where for example the assumption of isotropic material properties may break down, can be discussed if time allows. Kompletterende emne: TKT 4108, Dynamikk videregående kurs Type oppgave: Teori, litteratur Antall studenter: 1-2 Kontaktperson: Bjørn Skallerud Videreføring: Kan videreføres som masteroppgave 3.24 Probabilistic fracture simulations of pipelines Pipeline transportation of oil and gas is very efficient, and thousands of kilometers of pipelines in harsh environments make the issue of fracture very important. Usually partial safety factors are employed to achieve required safety levels. Regarding fracture it is not obvious that current partial safety factors are representative. The present project will address uncertainties in material properties for the pipe material (yield stress, fracture toughness, tearing resistance etc), geometry (thickness, diameter, ovality etc) and defect sizes. Some type of Monte Carlo simulation is employed in combination with the specialized nonlinear finite element code LINKpipe. Simplified probability distributions are assumed for the input parameters, and estimates of pipeline safety levels are obtained and discussed in relation to the partial factor approach. Kompletterende emne: TKT 4197 Ikkelin elementanalyse Type oppgave: Litteraturstudium, teori, numerisk undersøkelse Antall studenter: 1-2 Kontaktperson: Bjørn Skallerud Videreføring: Kan videreføres som masteroppgave

18

05.05.14 /alh

3.25 Objektmodellering

Objektmodellering er grunnlaget for BIM og digital samprosjektering.Studentene skal sette seg inn i grunnlaget for objektmodellering, og modellere et enkelt byggverk vha. et modelleringsprogram.

Oppgaven tenkes videreført i masteroppgave våren 2015 som vil 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.

Veileder: Professor Tor G. Syvertsen (torgsyv@gmail.com)

19

05.05.14 /alh

4. BIOMEKANIKK 4.1 Simulation of blood-pressure and -flow propagation in arterial

networks The blood is transported through the human cardiac system in a pulsatile fashion, as the heart acts like a huge pump. Pressure and flow pulses originating in the heart propagate through the entire arterial tree. The propagation may be estimated by simplified one-dimensional differential equations accounting for mass and momentum transport. Currently we are developing an advanced computer program (written in Python) for blood flow in arterial networks. The objective in this thesis is to assist us in further developing and improving the program that it can be used in clinics and medical centers for advanced human health care. The particular assignments will be adapted to the interests/qualifications of the student, but may be exemplified by:

• improved models for viscous wall shear stresses and convective terms

• higher order numerical schemes

• creating new advanced 2/3d visualization applications for simulation data

• statistical simulations of arterial pathology i.e. stenosis or aneurysm

• creation and validation of new arterial models from MRI-data of rats/pigs

• coupling with 3D FSI-simulation.

Type of task: theoretical/numerical/programming Number of students: 1-4 Contact: LR Hellevik/VE Eck 4.2 Multi scale modelling of the human hemodynamic system Current research considers the circulatory system of humans separated in macro and micro circulation. Where as different models are used to describe the physiology with numerical methods. Currently we are going to combine our simulation program for blood flow (macro hemodynamic) with micro scale circulation models. For the set up a series of experiments

20

05.05.14 /alh

and clinical measurements will be needed as well as advanced interface methods combine different numerical models. Type of task: theoretical/numerical/programming Number of students: 1-4 Contact: LR Hellevik/VE Eck Collaborators: (MD, PhD) Nils Kristian Skjærvold 4.3 Fluid structure interaction simulation on an idealized aortic arch Aortic dissection is caused by a tear in the inner wall of the aorta leading to blood flow between the aortic layers (see upper figure). Acute aortic dissection is a dangerous condition with high in-hospital and follow-up mortality rates. Aortic dissections leave the wall of the aorta with separated wall layers and blood flow in false channels within the wall. The flow profile and pressure levels of the blood in these false channels are highly heterogeneous and may not be assessed non-invasively with the available imaging-techniques. Also, the separated wall layers go through phases of thrombosis, inflammation, apoptosis and fibrous regeneration. This extensive pathology explains the high incidence of aortic rupture and death among patients with various forms of aortic dissections. Our long-term goal is to develop models for aortic wall rupture prediction. As both the wall and the flow fields are likely to play a role, we will aim at a fluid-structure interaction model for the aortic arch with and without dissections. Such a model may provide estimates of stresses and strains in the vessel wall in addition to a detailed representation of the flow field. This thesis should form a foundation for fluid structure simulations of aortic dissections, by first simulating idealized geometric representation (see lower figure) of the aortic arch for physiological flow conditions This thesis will be based on a previous master thesis, and the current contribution may focus on boundary conditions, such as how to impose the inflow from the heart, and how to model the outflow boundaries. Further, improved models for the wall mechanics may also be of interest. Type of task: theoretical/numerical Number of students: 1-2 Contact: LR Hellvik Collaborators: Prof. Truls Myrmel UNN, Tromsø.

21

05.05.14 /alh

4.4 Estimation of blood flow patterns in the carotid artery based on ultrasound imaging interlinked with CFD simulations

Ultrasound imaging is widely used for the clinical assessment of blood flow velocities in the carotid artery. Due to limitations in the ultrasound Doppler imaging approaches for measuring blood flow velocities, however, this clinical assessment is limited to measuring simple peak velocities, for instance implied by vessel stenosis. Recent developments in ultrasound imaging technology allow for a rapid bedside reconstruction of 3D geometry of blood vessels which together with blood velocity measurements can provide sufficient input to 3D patient specific computational simulations. This 3D flow information is likely to contain clinical information that would be beneficial during bedside diagnosis. The objective in this project is to develop a very fast method which allows patient specific 3D simulation of blood flow fields interlinked with ultrasound imaging for providing the initial geometry and flow field. Type of task: numerical/programming Number of students: 1-2 Contact: LR Hellevik/VE Eck Medveiledere: Prof Hans Torp og Førstemanuensis Lasse Løvstakken, Medisinsk Fakultet, Sirkulasjon og bildediagnostikk, NTNU. 4.5 FEM simulation shear waves in soft tissues for ultrasonic applications FEM simulation of shear waves in soft tissues for ultrasonic applications. Problem statement: Tissue characterization is crucial for the diagnosis of numerous pathologies, ranging from tumor detection in liver or breast to screening for cardiovascular diseases. Ultrasound is a very attractive imaging technique in this context due to its non-invasive and radiation-free nature. Recently, new ultrasound techniques have been developed, which induce a small amplitude shock wave in the tissue, and then measure the propagation velocity of the induced ultrasonic shear waves. The velocity and dispersion characteristics of the shear waves are related with material properties of the tissue. What we wish to explore, in collaboration with the research team of bioMMeda (Gent, Belgium, http://biommeda.ugent.be) is how such techniques may be applied to more complex, anisotropic soft tissues, with particular focus on cardiac and breast tumor applications. Aim: The focus will be on numerical simulations (Abaqus) to simulate the propagation of shear waves in anisotropic tissues and experimental validation in phantoms. The work will be carried out in close collaboration with bioMMeda (Gent, Belgium, http://biommeda.ugent.be).

Type oppgave: numerisk/teoretisk Antall studenter: 1-2 Kontakt: LR Hellevik Medveiledere: Abigail Swillens, post-doc, IBiTech-bioMMeda, Gent, Belgium.

22

05.05.14 /alh

4.6 FEM simulering av deformasjon i vev ved trykk og skjærbølger Bløtt vev består av 60 - 70% vann, med resterende del som cellestrukturer av store molekyler. Den store vannmengden gjør at volumelastisiteten er som i vann og gir opphav til ultralyd kompresjonsbølger (trykkbølger) med forplantningshastighet som i vann ~ 1500 m/s. Væsker har ingen skjærelastisitet ved null hastighet (ingen form stivhet), men cellestrukturene gir bløtt vev en viss skjærelastistet som gir vevet form. Forplantningshastigeten for skjærbølger er lav ~ 1 - 10 m/sec. Svulster har høyere skjærstivhet enn normalt vev og de kjennes da som en "kul" når man trykker (palperer) på vevet. For små svulster som ligger dypt i vevet kan det være vanskelig å kjenne dette. Ultralyd trykkbølger kan benyttes til å måle strain når man trykker vevet sammen, og kan derved benyttes til å observere økning i skjærstivhet dypt i vevet. Vi har utviklet nye ultralydmetoder som måler strain med større nøyaktiget: Metodenes nøyaktighet testes best ved simuleringer, og det er i den sammenheng nyttig å kunne foreta FEM simuleringer av skjærdeformasjon i bløtt vev med en kuleformet svulst, som utsettes for et ytre trykk. Type oppgave: teoretisk/eksperimentelt Antall studenter: 1-2 Kontakt: LR Hellevik Medveiledere: Prof BA Angelsen, Medisinsk Fakultet, Sirkulasjon og bildediagnostikk, NTNU.

4.7 Mechanical characterization of nanoparticle covered microbubbles Microbubbles with a layer of anti-cancer medications can be used to transport the drug to the place in the body where the cancer tissue is observed. Here the bubbles are subjected to ultrasound excitation so it breaks. The mechanical response of such bubbles is unknown at present. As a first approach, the bubbles will be subjected to quasi-static compression, using the nanoindenter at our Nanomechanical Lab. Measured response (load-displacement curves) are interpreted and analysed in terms of mechanical models and principles. Kompletterende emne: TKT 4197 Ikkelin elementanalyse Type oppgave: Litteraturstudium, teori, eksperimentell undersøkelse Antall studenter: 1-2 Kontaktperson: Bjørn Skallerud og Jianying He Videreføring: Kan videreføres som masteroppgave 4.8 Effect of material uncertainties in global response of the mitral valve during systole The mitral valve separates the left ventricle and left atrium. The closure and shape of the valve when blood is pumped out in the circulation during systole are of crucial importance for human health. We have developed the most advanced mechanical model of the valve over the last years. Material properties have typically been based on average values from tests. However, significant scatter of material parameters can occur. The present project addresses this scatter and its effect on the computed response (shape) of the valve. Kompletterende emne: TKT 4197 Ikkelin elementanalyse Type oppgave: Litteraturstudium, teori, numerisk undersøkelse Antall studenter: 1-2 Kontaktperson: Bjørn Skallerud og Victorien Prot Videreføring: Kan videreføres som masteroppgave

23

05.05.14 /alh

4.9 Nano/micro-mechanics of bone subjected to different medications As a part of an ongoing project on bone quality degeneration due to some very common anti stomach acid medication, we will investigate nanomechanical response of bone tissue using our Nanomechanics Lab. The project is a collaboration between Dep Structural Engineering and Dep Cancer Research and Molecular Medicine at Faculty of Medicine. Biological material (mouse) will be available for this study. The measured nanomechanical response will be interpreted and analyses in terms of mechanical models and principles. Kompletterende emne: TKT 4197 Ikkelin elementanalyse Type oppgave: Litteraturstudium, teori, eksperimetell undersøkelse Antall studenter: 1-2 Kontaktperson: Bjørn Skallerud, Jianying He, og Masoud Koldeh Videreføring: Kan videreføres som masteroppgave

4.10 Finite element modelling of nanoindentation of responsive hydrogel materials

Supervisors: Victorien Prot (victorien.prot@ntnu.no) Bjørn Skallerud (bjorn.skallerud@ntnu.no) and Bjørn T. Stokke (bjorn.stokke@ntnu.no) 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. 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 haracterization 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 haracterization 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

24

05.05.14 /alh

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.

4.11 Visco-elastic response of hydrogel materials at finite strains

Supervisors: Victorien Prot (victorien.prot@ntnu.no) Bjørn Skallerud (bjorn.skallerud@ntnu.no) and Bjørn T. Stokke (bjorn.stokke@ntnu.no) 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. 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. J. Lubliner. A model of rubber viscoelasticity. Mechanics Research Communications, 12 (2):93–99, 1985. J. Bonet. Large strain viscoelastic constitutive models. International Journal of Solids and Structures, 38(17):2953–2968, 2001. S. Govindjee and S. Reese. A presentation and comparison of two large strain deformation visoelasticity models. ASME Journal of Engineering Materials and Technology, 119:251–255, 1997.

25

05.05.14 /alh

5. STÅL- ALUMINIUMKONSTRUKSJONER

SIMLab

5.1 Ikke-lineær analyse av konstruksjoner Det er hovedsakelig tre årsaker til at konstruksjoner fremviser ikke-lineær oppførsel:

• ikke-lineært materiale (f eks plastisitet og viskoplastisitet) • ikke-lineær geometri (f eks knekking og store deformasjoner) • ikke-lineære randbetingelser (f eks kontakt)

Målsettingen med dette prosjektet er at studentene skal lære seg eksperimentelle, numeriske og analytiske metoder for analyse av ikke-lineær respons av konstruksjoner i brudd- og ulykkesgrensetilstanden. Det legges vekt på at studentene skal få praktisk erfaring med bruk av numeriske verktøy (f eks ABAQUS) og relevant laboratorieerfaring. I tillegg kan det være aktuelt å benytte analytiske metoder og regelverk for dimensjonering av konstruksjoner (f eks Eurokode 3 eller Eurokode 9). Oppgaven inneholder følgende tre deler:

• Material- og komponenttester i laboratoriet • Modellering og analyse med ABAQUS • Analytiske beregninger og bruk av regelverk

Avhengig av forkunnskaper og interesser kan den enkelte student være med å avgjøre hvor mye tid som skal brukes på de ulike delene av oppgaven. Koblingen mellom den eksperimentelle og de beregningsmessige delene av prosjektet er viktig av to årsaker. For det første vil eksperimentene gi informasjon om fysikken i problemet, noe som i neste runde påvirker den analytiske eller numeriske beregningsmodellen. For det andre er separate materialforsøk påkrevet for å fremskaffe data for materialets oppførsel, f eks flytespenning og fastning. Studentene arbeider to og to. Det blir noen felles kollokvier som omhandler behandling av laboratoriedata, kalibrering av materialmodeller, analytiske beregningsmetoder, ikke-lineære elementmetoder samt eventuelle andre påkrevde tema som ikke er dekket i instituttets øvrige emner. Oppgaven kan tilpasses begge prosjektemnene TKT4511 Beregningsmekanikk FDP og TKT4520 Prosjektering av konstruksjoner FDP. Prosjektet gir et godt grunnlag for en masteroppgave innenfor fagområdet som dekkes av SIMLab (stål, aluminium, polymerer, kompositter), og gir konstruksjonskompetanse som er etterspurt i arbeidsmarkedet.

26

05.05.14 /alh

Forkunnskaper: Oppgaven kan velges av studenter fra studieretningene Konstruksjon (MTBYGG, MIBYGG), Konstruksjonsteknikk (MTING) og Industriell mekanikk (MTPROD)

Fordypningsemne: TKT4197 Ikkelineære elementanalyser eller TKT4198 Prosjektering av konstruksjoner VK

Type oppgave: Eksperimentell, analytisk, numerisk Antall studenter: Max 30 Kontaktpersoner: Magnus Langseth, Odd Sture Hopperstad, Tore Børvik, Arne

Aalberg, Arild Holm Clausen, Aase Reyes, Odd-Geir Lademo Videreføring: Kan videreføres som masteroppgave 5.2 Skrudde knutepunkter i bygninger Oppførselen til knutepunktene i bygninger er i de fleste tilfeller bestemmende for hele bygningens oppførsel og sikkerhet. Skruene i utgjør i bygningsrammen en veldig liten del av den samlede stålvekten, men betyr desto mer for knutepunktenes oppførsel. I oppgaven skal det gjøres forsøk med skruer i forbindelser, og undersøkes nøye hvordan skruen oppfører seg fram til brudd. Det skal gjøres etterregninger med FE simuleringer. Faglærer Arne Aalberg Veileder Erik Løhre Grimsmo Type oppgave: Forsøk, Beregninger, FE simuleringer

27

05.05.14 /alh

5.3 Kapasitet og stivhet til skjøter i høyfast stål

Reglene for kapasitet og oppførsel til skjøter og bjelke-søyleforbindelser finnes i Eurokode 3-1-8, men det er ikke gitt dekkende regler når forbindelsesplatene er i høyfast stål (vanlig etter hvert med fasthet opp til S690). I oppgaven skal det gjøres håndberegninger og datamaskinberegninger for å bestemme stivhet og kapasitet til strekkskjøter i hulprofiler, og gjøres laboratorieforsøk for noen utvalgte geometrier. Målet er å etablere kapasitets- og stivhetsformler for de gitte tilfeller. Type oppgave: Forsøk, modellering, analyse Antall studenter: 2 Kontaktpersoner: A Aalberg, PK Larsen

5.4 Numerisk modellering av is mot konstruksjon

(Numerical modeling of dynamic ice-structure interaction)

Sea ice in interaction with structures may cause severe loads and vibrations. At low ice velocities, several studies have indicated that simultaneous failure along the entire width of the structure. When the velocity increases, pressure hot- spots dominate the crushing event and a non-simultaneous failure is present. The student task is to investigate if existing numerical models in LS-DYNA or IMPETUS may be used to predict the ice-crushing failure on offshore structures at different velocities. Experimental data of ice crushing on a model scale offshore structure will be used as experimental comparison. Oppgaven omfatter litteraturstudie vedrørende bruddmodellering av is og interaksjon mellom is og konstruksjon, og modellering i elementmetodeprogram. Figur viser avskalling, utpressing og trykksoner i is som møter en konstruksjon.

Veiledere: Arne Aalberg, Torodd S. Nord

28

05.05.14 /alh

6. TREKONSTRUKSJONER

6.1 Ingeniørarkitektur – Konseptuell design av moderne konstruksjoner

For å utvikle konstruksjoner i et moderne samfunn stilles det alt større krav på konseptuell design av konstruksjoner. Dette betyr at det også stilles større krav på ingeniørers evner til å håndtere funksjonelle og kontekstuelle parametere i tillegg til relevante konstruksjonsteknikker fra de tradisjonelle prosjekteringsfagene. I dette prosjektet vektlegger vi derfor muligheten for å utforske skjæringsområdet mellom arkitektur og ingeniørfag. Vi har bland annet som mål å bli bedre kjent med referansebygg og sentrale arkitekter. Årets prosjekt skal ta for seg

integrert energidesign ved design av skyskraper – design av et høyhus på Gløshaugen campus. Her ligger er en meget spennende integrasjon av konstruksjon, teknisk installasjoner og arkitektur. Hvordan kan vi minimere materialbruken gjennom effektive, åpne og fleksible konstruktive systemer? (se f.eks. www.som.com for idéer) Prosjektet gjennomføres sammen med studenter i faget Integrated Energy Design på fakultet for arkitektur og billedkunst på NTNU. Gjennomføring skjer ved hjelp av en serie av konkrete, nærstudier der viktige virkemidler utprøves. Vi tar sikte på at alle skal gjennom noen delprosjekter og der prosessen avsluttes som et hovedprosjekt som detaljeres, beskrives konstruktivt, tegnes/skisseres og rapporteres separat. Kompletterende emne: Åpent Type oppgave: Konseptutredning og prosjektering; skisse/tegning, beregning, rapport Antall studenter: maks 8 Samarbeid med: Fakultet for Arkitektur og Billedkunst ved Luca Finocchiaro og

Bendik Manum Kontaktperson: Anders Rönnquist Videreføring: Kan videreføres som masteroppgave

6.2 Høyere Tre Hus

Basert på dagens teknikk innen produksjon av limtre og massivtre, ønsker vi å undersøke om disse elementene sammen kan utnyttes bedre til å danne stammen for høyere hus med tre som bærende system. Det er også ønskelig at dette kan gjennomføres på en måte som enten viser bæresystemet på utvendig, eller innvendig side. Det tas sikte på systemer som kan passe i urbane strøk hvor antall etasjer kan være opptil 20.

29

05.05.14 /alh

Hovedtyngden vil nok allikevel være på bygg mellom 5 og 12 etasjer. Det må i tillegg til bruddgrensebetrakninger knyttet stabilitet og bæreevne, også bli lagt tilstrekkelig vekt på bruksgrensekrav som fleksibilitet av både komponenter og bygningene som helhet (forskyvninger, stivhet), nedbøyninger og vibrasjonsegenskaper. Oppgaven fokuserer primært på tekniske aspekter ved bæresystemer. Aktuell belastning vil enten være jordskjelv eller vind. Stikkord:

Utforming av bæresystem Momentstive rammer Skiveløsninger Alternative avstivningssystemer Vibrasjoner og svingninger pga vind Fleksibilitet i forbindelser

Type oppgave: Analytiske/numeriske modeller, beregninger Antall studenter: 1-2 Kontaktperson: Kjell Arne Malo, Haris Stamatopoulos

30

05.05.14 /alh

6.3 Vibrasjoner i etasje-skiller av kompositt i tre og betong Tre er et sterkt, men lett byggemateriale og det kan settes i svingninger både av rytmisk menneskelig aktivitet som gange og dans, så vel som av vindbelastning. I denne oppgaven vil vi benytte etasjeskillere sammensatt hovedsakelig av trebaserte bjelker med trykksone i betongmaterialer som studieobjekt. Ønskede egenskaper til etasjeskiller er mest knyttet til vibrasjoner forårsaket av bevegelse av personer eller maskiner og lydskillende egenskaper primært mellom forskjellige boenheter. Som et bidrag til utvikling av bedre etasjeskillere basert på bruk av tre og trekonstruksjoner i samvirke med andre materialer, gjennomføres det prosjekter hvor med både eksperimentelle forsøk og numeriske simuleringer med elementmetoden (Abaqus) inngår. Hensikten med dette arbeidet er å se på muligheten for å benytte lengre spennvidder ved å introdusere komposittløsninger, noe momentinnspenning ved endene og noe mere dempning. Numeriske simuleringer og eksperimentelle resultater benyttes i parallell for å klarlegge hvordan slike etasjeskillere bør konstrueres for å gi gode resultater. Dette er en fortsettelse av en masteroppgave i 2013.

Type oppgave: Eksperimentell undersøkelse og eventuelt numerisk simulering Antall studenter: 1 eller 2 Kontaktperson: Kjell Arne Malo

31

05.05.14 /alh

6.4 Multi-skala modellering av mekanisk oppførsel av trematerialer Ingen av de etablerte materialmodellene på makronivå, som brukes i for eksempel elementmetoden, representerer mekanisk oppførsel til materialet tre når man overskrider grensen for ren elastisk oppførsel. Det er gjort noen studier og undersøkelser som tyder på at det er mye å hente på dette området ved å benytte seg av multi-skala modellering. Oppgaven går ut på å innhente informasjon om det som er gjort på dette området og å bygge opp og prøve ut en enkel prototypmodell basert på dette konseptet.

Type oppgave: Numerisk modellering Antall studenter: 1 eller 2 Kontaktperson: Kjell Arne Malo

32

05.05.14 /alh

6.5 Lange aksialbærende skruer i trekonstruksjoner

Bygging av stadig høyere trehus krever bedre forbindelser, både med tanke på styrke, stivhet og materialeffektivitet. Oppgaven vil gå ut på å utvikle beregningsmetoder for deformasjon og kapasitets beregninger av knutepunkter med mekaniske forbindelsesmidler. Spesielt interessant er utviklingen av lengre og større selvborende skruer og gjengestag. Disse bidrar til en rekke nye muligheter når det gjelder treforbindelser ved å kombinere stor styrke og stivhet, med lav pris og enkel montasje. Men det er fremdeles mye uvisst rundt oppførselen til slike forbindelser, spesielt når det kommer til bruddutvikling og samvirke mellom skrue og tre. Ved å betrakte treet som en kompositt, med utpregede ortogonale egenskaper vil en elementmetodesimulering kreve mer avanserte materialmodeller enn for metaller. Dette gjør arbeidet med treforbindelser ekstra utfordrende. Det er derfor lagt opp til at det i tillegg til numeriske simuleringer kan gjøres laboratorieforsøk. Oppgaven skal utføres i samarbeid med en PhD student som arbeider med dette temaet og oppgaven vil være er en videreføring av tidligere prosjekt og masteroppgaver

Type oppgave: numeriske modeller, forsøk, beregninger Antall studenter: 1-3 Kontaktperson: Kjell Arne Malo / Haris Stamatopoulos

33

05.05.14 /alh

6.6 Videreutvikling av en nettverksbru med trebuer og tredekke.

I dagens norske buebruer i tre tjener hengestengene ofte også som sideveis avstivning av buene. Det har vært antatt at det ikke lar seg gjøre å spenne inn limtretverrsnittene ved fundamentet tilstrekkelig mhp sideveis moment-påkjenning og torsjon. Dette er nødvendig for å sikre stabilitet mot knekning/vippings tendenser av buene. Innfesting og utforming av momentstive hengestenger medfører ekstra kostnader som kanskje er unødvendige. Det finnes i dag forbindelsesmidler som kan gi både stor stivhet og styrke, og prosjektet skal undersøke om dette er tilstrekkelig til å gi enklere utførelse av buebruene. Selve innfestingen av hengestenger i trebuene er en detalj som kan gi betydelig skjærkrefter og tverrstrekk og som lett kan bestemme dimensjonene til limtrebuene. Også her er det et potensiale for forbedringer og oppgaven åpner også for at dette kan bli et tema. Prosjektet er en fortsettelse av masteroppgaver 2013 hvor det også er bygd en skalamodell 1:10 av en nettverksbru med 100 meters spennvidde. Denne modellen vil være tilgjengelig for ytterligere eksperimentelle undersøkelser.

Type oppgave: numeriske modeller, forsøk, beregninger Antall studenter: 1-3 Kontaktperson: Kjell Arne Malo

34

05.05.14 /alh

6.7 Karakterisering av brudd i trematerialer. På grunn av trematerialenes anisotrope karakter er det ikke like lett å bestemme kriterier for brudd i tre som det er for eksempel for isotrope metaller som stål. Strekk og trykkfasthet er forskjellig i de forskjellige retninger og interaksjonen mellom de forskjellige spenningskomponentene er mer komplisert. Vi har allerede en god del forsøksresultater og noen kandidater for bruddkriterier, men har ikke noe etablert og akseptert bruddkriterium for tre. Oppgaven går ut på å studere dette nærmere og se på om vi kan komme nærmere et bruddkriterium som fungerer. Stikkord vil være litteratursøk, bruk av tilgjengelige forsøksdata, supplerende eksperimentelle forsøk og enkel modellering av bruddkriterier.

Type oppgave: analytisk, forsøk, beregninger Antall studenter: 1-3 Kontaktperson: Kjell Arne Malo

6.8 Skjærstyrke og skjærbrudd i trematerialer. Skjærbrudd i trevirke følger sort sett fiberretningen. Det er en interaksjonsvirkning mellom spenninger som forårsakes av endringer i fukt og derav dimensjonsendringer, og spenninger som skyldes ytre last. Tidligere dimensjonsendringer og andre historieeffekter har også betydning. I tillegg kan størrelsen på selve tre-tverrsnittet ha betydning (size-effect). Eurokode 5 har innført en egen sprekkfaktor for å ta hensyn til noen av disse effektene, men den synes dårlig fundert og dokumentert. Instituttet har nylig utviklet en forholdsvis enkel metode for å gjennomføre skjær-testing av trematerialer og vi skal i denne oppgaven benytte dette til å få avklart mere av hvilke forhold som styrer skjærstyrken som kan benyttes i beregninger. På grunn av trematerialenes anisotrope karakter er det ikke like lett å bestemme kriterier for brudd i tre som det er for eksempel for isotrope metaller som stål. Strekk og trykkfasthet er forskjellig i de forskjellige retninger og interaksjonen mellom de forskjellige spenningskomponentene er mer komplisert. I denne oppgaven fokuseres det på skjær i fiberretning, men vi vil også se på små variasjoner av vinkel mellom kraft og fiberretning for å få et mål på sensibiliteter.

Type oppgave: analytisk, forsøk, beregninger Antall studenter: 1-3 Kontaktperson: Kjell Arne Malo

35

05.05.14 /alh

6.9 The influence of grading on the reliability of timber structures. Typical problems in structural engineering such as design, assessment, inspection and maintenance planning are decision problems subject to a combination of inherent, modelling and statistical uncertainties. Recent developments in the field of structural reliability together with the formulation of probabilistic models for the structural response and for loads enable the structural engineer to quantify these uncertainties and establish his decisions on a consistent basis. The results of these advances are summarized in the Probabilistic Model Code (PMC) published by the Joint Committee on Structural Safety (JCSS) [1]. The PMC contains general guidelines for uncertainty modelling, reliability assessment and probabilistic models for loads and material resistance for building materials such as concrete and steel. Lately, also a probabilistic model code for structural timber has been developed [2], [3]. During the development it has become apparent that several fundamental issues require more research and development. In particular it has been found that the present practice in regard to strategies to quality control or grading of timber raw material introduces significant uncertainties on the performance of timber structural components. In the present Master Project existing control schemes for timber grading machines are analyzed and assessed in regard to their ability to reduce the variability of timber material properties. A benchmark study is performed on how different quality control schemes influence the reliability of timber structures. The project and the corresponding thesis are performed in English. Group work is possible. No specific requirement in reliability theory and statistics is required. The necessary tools and procedures will be introduced in a “short course” at the beginning of the project. Contact: Jochen Köhler, jochen.kohler@ntnu.no References [1] Joint Committee of Structural Safety (JCSS, 2001). Probabilistic Model Code, Internet Publication: www.jcss.ethz.ch. [2] COST Action E 24, Reliability of timber structures. Several meetings and Publications, Internet Publication: http://www.km.fgg.uni-lj.si/coste24/coste24.htm, 2005. [3] Köhler J., Sørensen J.D. and Faber M.H. (2006). Probabilistic modelling of timber structures. Journal of Structural Safety, Volume 29 (4), pp. 255-267.

36

05.05.14 /alh

6.10 Trekonstruksjoner Re-assessing the structural integrity of timber structures Project description

In timber construction, the last decades were characterized by significant technical advances and developments, widening the range of application of timber structures in the building sector. This resulted in the fact of timber being increasingly used for e.g. wide-span structures. Consequently this led to a growing importance of the assessment of wide-span timber structures, naturally resulting in an increased interest of the professional community in assessment methods for existing timber structures. The current practice of the assessment of existing timber structures might not yet be considered suitable to facilitate confident decisions about the reliability of structures. Many methods assess certain properties of the structure non-destructively and deliver results in form of measurements. To date it is often not possible to relate these measurements to strength and stiffness related properties of the timber components with sufficient accuracy and therefore do not allow a quantification of the reliability of the structural component under consideration. The objective of this project work is to collect feasible assessment methods and to evaluate each of them with regard to the following objectives: − What can be determined / what cannot be determined? − How exact and valid are the results (e.g. degree and size of damage; local/global results)? − How complex and time consuming is its application (on-site, (non-) destructive)? − Which combinations of methods are useful to derive a clear picture of the structural integrity of the assessed structure? − How are the test results related to the properties of interest? The data received from an assessment should be incorporated into probabilistic models. These models can be used to carry out analyses of the remaining load-bearing capacity and reliability of the structure as well as a basis for the planning of inspection and/or monitoring strategies. Type of project: literature review, numerical analyses and case studies. No. of students: 1-4 Collaboration: Forest Products Laboratory, http://www.fpl.fs.fed.us/ Contact: Jochen Köhler 6.11 Trekonstruksjoner

Optimal bracing for timber based wall elements Project description

Timber is a capable building material in particular in connection with residential and office buildings. Besides attributes related to sustainability and architectural flexibility, the easiness in use and implement on the construction site is the major benefit connected to the use of timber in construction. In the present project the assembly of wall elements is investigated with special focus to the design to lateral forces.

37

05.05.14 /alh

Figure: A typical wall element with the diagonal bracings. The current practice for lateral bracing is reviewed and optimized according to the following criteria:

• Strength • Stiffness • Cost (Material and set up time) • Robustness.

The project is performed in connection with Isola (http://www.isola.no/). Type of project: best practice review, numerical analyses

and optimization. No. of students: 1-4 Collaboration: Isola (http://www.isola.no/) Contact: Jochen Köhler

(Isola Tag PP presentation)

38

05.05.14 /alh

6.12 Rigid and ductile joints for seismic resistant timber frames

In seismic design of structures a careful balance of stiffness, strength and ductility is required in order to ensure a good structural performance in terms of serviceability and safety in case of minor and major seismic excitation respectively. Lateral stiffness, strength and ductility can be provided in timber structures by means of diagonal bracing or sheeting, but the price is the architectural restrictions they impose. On the other hand, timber moment resisting frames can provide more delicate and ‘open’ architectural solutions. The overall stiffness and strength of moment-resisting frames relies significantly on the respective stiffness and strength of their joints. In addition, when it comes to seismic design, ductility is also required. Due to the generally brittle nature of wood, energy dissipation should take place in the joints. As a result, the joints in such a system are absolutely critical and governing. Apart from seismic design, stiffness of joints can contribute to control wind-induced vibrations and ductility can enhance robustness. The use of screwed-in long threaded rods, in small inclinations to the grain direction, and metallic coupling parts can be a strong alternative to the traditionally used type of fasteners for the development of timber moment resisting joints. Recently, the application of this new type of fasteners has shown great potential in terms of moment carrying ability and stiffness [1]. Moreover, pre-installation of rods in the timber elements allows for a high degree of prefabrication. When it comes to ductility, a reliable prediction of the connection capacity is required, in order to apply capacity design and avoid brittle failure of the timber elements. Ductile behavior can then be achieved through yielding of the metallic coupling parts or possibly in a smooth, un-threaded length of the rods. The lack of knowledge of proper design, documentation of mechanical behavior, design guidelines and design codes for this type of fasteners are obstacles for the development of more effective timber connections. The objective of this project is to enhance the knowledge about the mechanical behavior of screwed-in long threaded rods through experimental investigation. In particular, uniaxial withdrawal tests of single rods will be performed both in monotonic and cyclic loading. Parameters will be the length and the diameter of the rod and the angle between the rod axis and the grain. References [1] Malo, K.A. and Ellingsbø, P., On Connections for Timber bridges, International Conference Timber bridges, ICTB2010, ISBN978-82-519-2680-5, Lillehammer, Norway, September 12-15, 2010. Project type: Experimental Number of students: 1-2 Contact: Kjell Arne Malo / Haris Stamatopoulos

39

05.05.14 /alh

7. PROGRAMMERING 7.1 Program for statisk og dynamisk analyse av plane rammer (fap2D) Gjennom flere prosjekt/masteroppgaver ved instituttet (2007, 2009, 2010, 2011 og 2013) er det utarbeidet et ganske omfattende, Windows program for statisk og dynamisk beregning av plane rammer. Mange av de planlagte fasiliteter er på plass, og programmet fungerer nå rimelig stabilt, men ikke alt er like godt uttestet. Avhengig av interesse er det også mulig å arbeide med nye problemområder som dimensjonering av konstruksjonskomponenter i tre. Resultatpresentasjon, samt systematisk uttesting og verifisering er andre. Prosjektoppgaven, som for en stor del vil gå ut på å sette seg inn i det som foreligger av kode og planlegge det videre arbeidet, bør følges opp av masteroppgave. Oppgaven forutsetter I&IKT bakgrunn. Type oppgave: Programmering, C# og Open GL. Antall studenter: 1-2 Kontaktperson: Kolbein Bell 7.2 Program for statisk og dynamisk analyse av romlige rammer (FrameIT) Lars Wollebæk utarbeidet i forbindelse med sin doktorgrad ved instituttet (2005) et program for beregning av romlige rammesystemer, FrameIT, som har et betydelig potensial. På tross av en utmerket grafikk har programmet et forbedringspotensial, og en interessant utvidelse ville være å «samkjøre» programmet med tverrsnittsprogrammet CrossX (i hovedsak også utviklet av Wollebæk) som benytter mange av de samme grafiske metodene. Begge programmene er kodet i C++ og Open GL; det bør vurderes å legge om til C#, men beholde Open GL. Prosjektoppgaven, som for en stor del vil gå ut på å sette seg inn i det som foreligger av kode og planlegge det videre arbeidet, bør følges opp av masteroppgave. Oppgaven forutsetter I&IKT bakgrunn. Type oppgave: Programmering, C++ / C# og Open GL. Antall studenter: 1-2 Kontaktperson: Kolbein Bell 8. KONSTRUKSJONSTEKNIKK 8.1 Behøver takkonstruksjoner å bryte sammen?

I forbindelse med litt ekstreme lastsituasjoner, som mye snølast eller høy vind, har vi ofte hørt om takkonstruksjoner som får problemer, og i en del tilfeller har det gått galt. Etter at nye lastforskrifter ble innført for ca 10 år siden, er nok situasjonen bedret, men økt sannsynlighet for at ekstremvær vil kunne inntreffe oftere enn før tilsier at vi også fremover vil se at takkonstruksjoner får problemer, og ikke bare på eldre bygg. Oppgaven går ut på å undersøke hvor mye det vil koste, relativt sett, å ta litt godt i ved dimensjonering av takkonstruksjoner på forskjellig typer bygg. Type oppgave: Kartlegging, informasjonsinnhenting og beregninger (egne og andres) Antall studenter: 1 Kontaktperson: Arne Aalberg/Kolbein Bell

40

05.05.14 /alh

9. PÅLITELIGHET OG RISIKOANALYSE 9.1 Risk assessment for marine bridges with focus on ship collision and

fire/explosion

(Illustration SVV, 2012)

Project description Major fjord crossings require further development of different “concept cases”, i.e. submerged tunnels, floating bridges and combined floating/suspension bridges. The considered concepts constitute a clear departure from existing experience either because of new technologies that are applied in the context of road traffic links or because of the pure size of the planned projects. The main requirements on the performance of these structures are associated to safety of personnel, safety for the environment and cost efficiency. In the present project the students will perform a risk assessment on a selected bridge type for a selected site. The risk assessment consists on a general part where the relevant hazardous scenarios are identified and a specific part where a more in detailed analysis of a selected scenario will be performed. The project will be performed with a direct link to the present developments in the E39 project. Continuation to a Master project is possible. Type of project: literature review, system modelling, case study No. of students: 1-5 Collaboration: Statens Vegvesen Contact: Jochen Köhler (IKT) / Bernt J Leira (IMT)

(short video t ti )

41

05.05.14 /alh

9.2 Traffic loads on bridges

(Illustration SVV, 2012)

Project description The proper representation of traffic loads is of great importance in bridge design. In the present project a model for road traffic loads that is applicable for the use in design of major bridges in western Norway is developed. The model is based on existing road traffic models and on a comprehensive Norwegian data set on weights on road vehicles model parameters. Special emphasis will be directed to the extreme dimensions and the long lifetime of the planned bridges. The project will be performed with a direct link to the present developments in the E39 project. Continuation to a Master project is possible. Type of project: literature review, data analysis, probabilistic modelling No. of students: 1-5 Collaboration: Statens Vegvesen Contact: Jochen Köhler (IKT) / Arvid Aakre (BAT)

(short video presentation)

42

05.05.14 /alh

9.3 Structural and Equilibrium Limit State (STR+EQU) reliability evaluations

Project description Equilibrium limit states (EQU) are defined in Eurocode 0 as loss of static equilibrium of the structures or any part of it considered as a rigid body. Structural limit states (STR) are, on the other hand, considered as internal failure/rupture or excessive deformation of the structure or structural members. The current version of the Eurocode 0 gives different load combinations for each “pure” limit state as well as for STR+EQU limit states. An example of STR+EQU limit state is shown in figure 1, the equilibrium of the horizontal part of the bridge structure is ensured by the balance of weights on the two cantilevers (EQU) and the bending resistance of the column (STR). By applying the Eurocode framework for EQU+STR limit states some anomalies have been found. A group of experts is currently working on a new revision of the Eurocode 0 and a possible solution of this problem is under discussion.

Figure 1: Balanced cantilever method of bridge construction.

The project consists of the following possible parts: • Investigation of the STR+EQU limit states verification in other codes and comparison with

Eurocode 0. For example, marine constructions for the oil and gas industry are also subjected to STR+EQU limit states.

• Study and understanding of the proposal under discussion by the Group of Expert: o Solve some practical example; o Highlighting differences from current version of EC0 (pros and cons) o Propose a better criteria if new idea is developed o Study the impact of the modification discussed by the group of expert on the

Norwegian National Annex of EC0; o Make reliability analysis of the points above for quantifying the reliability and

optimality of different methods discussed above using FORM/SORM or Montecarlo methods.

Type of project: literature review, numerical analyses and case studies. No. of students: 1-4 Contact: Jochen Köhler / Michele Baravalle

43

05.05.14 /alh

Oppgaver for Geoteknikk og Marin byggteknikk blir kunngjort på BAT’s hjemmeside: http://www.ntnu.no/bat/studier/oppgaver For valg av disse hovedprofilene og oppgave følg retningslinjene på denne siden under lenken Orientering om valg av fordypning og prosjektarbeid http://www.ntnu.no/bat/studier/fordypning.