ALLE skal levere dette skjema selv om de fortsetter innen samme tema og med samme veileder som for prosjektoppgaven!

Transkript

1 Norges teknisknaturvitenskapelige universitet NTNU Institutt for konstruksjonsteknikk MASTEROPPGAVER 2015 Denne oversikten inneholder årets forslag til masteroppgaver. Disse oppgavene er først og fremst et tilbud til studenter som ikke fortsetter med masteroppgaven innen samme tema og med samme veileder som for prosjektoppgaven høsten ALLE skal levere dette skjema selv om de fortsetter innen samme tema og med samme veileder som for prosjektoppgaven! Det forutsettes at studentene tar kontakt med de oppgitte kontaktpersonene for å få mer informasjon om de enkelte oppgavene. VALG AV OPPGAVE Svarslippen nedenfor fylles ut med tre ønsker om oppgaver i prioritert rekkefølge og leveres til: Institutt for konstruksjonsteknikk i Ekspedisjonen innen 5. desember Student:... Ønsker masteroppgave (i prioritert rekkefølge): 1) nr... evt i samarbeid med student... 2) nr...evt i samarbeid med student... 3) nr......evt i samarbeid med student... 4) Fortsettelse fra prosjektoppgave til masteroppgave, oppgi faglærers navn: 5) Annen oppgave avtalt med faglærer:... Oppgaven tas ut : Produktutvikling og produksjon: 14. januar 2015 Bygg- og miljøteknikk: 14. januar 2015 Ingeniørvitenskap og IKT: 14. januar Underskrift

2 OVERSIKT OVER ALLE FAGGRUPPENE 1 STÅLKONSTRUKSJONERKONSTRUKSJONER 2 SIMLAB 3 TREKONSTRUKSJONER 4 BETONGKONSTRUKSJONER 5 BETONGTEKNOLOGI 6 KONSTRUKSJONSMEKANIKK 7 PROGRAMUTVIKLING 8 BIOMEKANIKK 9 FORNYBAR ENERGI: Offshore vind turbiner K:\Administrasjon\Studenter\Masteroppgforslag

3 STÅLKONSTRUKSJONER Levetid/Utmatting (For konstruksjonsoppgaver se SIMLab oppgaver) STÅLKONSTRUKSJONER Levetid/Utmatting 1.1 Fortøyningssystemer for plattformer - utmatting. Fortøyningssystemer er kritiske for sikker drift av flytende plattformer. Kjettinger som er mest brukt for permanente systemer er 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. Spesielle spenningsforhold ved innfestingene skal undersøkes med elementanalyser. Samarbeid: Statoil Type oppgave: FEM-analyse, bruddmekanisk modellering og testing i lab. Antall studenter: 1-2 Kontaktpersoner A. Aalberg, P. J. Haagensen 1.2 Utmattingsegenskaper til sveiste høyfaste stål ved stokastisk belastning. Høyere utmattingsstyrke kan oppnås for høyfaste stål ved etterbehandling av sveisene eller ved bruk av spesielle tilsatsmaterialer (se neste oppgave). I de tilfeller der høyere fasthet oppnås ved påføring av trykkrestspenninger kan effekten være avhengig av lastforløpet. Det skal derfor undersøkes ved litteraturstudier og ved forsøk i laboratoriet. Virkningen på skadeakkumulering ved forskjellige typer stokastiske lastforløp skal undersøkes. Nye prinsipper til forbedring av utmattingsegenskapene til sveiste forbindelser er lansert de siste årene. En metode er basert på lavere sprekkveksthastighet i stål med ferrittisk/bainittisk mikrostruktur som gir en båndstruktur som gjør at sprekkveksten hemmes. I et annet tilfelle er lavere restspenninger og mindre defekter i nikkelbaserte sveiser sannsynlig årsak til lengere levetid (se oppg.1.2). I et litteraturtstudie skal potensialet for en kombinasjon undersøkes. Samarbeid: Statoil Type oppgave: Evaluering av litteraturdata, FEM-analyse, bruddmekanisk modellering og testing i lab. Antall studenter: 1-2 Kontaktpersoner A. Aalberg, P. J. Haagensen 1.3 Utmatting av stigerør med nikkelbaserte buttsveiser. I fullskala forsøk på stigerør med Inconel sveiser er det påvist meget høy utmattingskapasitet. I en litteraturstudie skal mulige årsaker kartlegges, spesielt med hensyn til betydningen av sveisedefekter og sveisespenninger. Betydningen av store plastiske deformasjoner Spesielt skal sammenheng mellom småskala og fullskala forsøk evalueres. I et testprogram skal det utføres restspenningsmålinger på sveiser fra rør med nikkelsveiser og det skal kjøres utmattingsforsøk på utkapp av rør. Industrisamarbeid: Statoil Type oppgave: Evaluering av litteraturdata, bruddmekanisk analyse og testing i lab. Antall studenter: 1-2 Kontaktpersoner A. Aalberg, P. J. Haagensen

4 1.4 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. Overflate av buttsveis Lokal geometri til buttsveis, fra skannet topografi Type oppgave: Litteraturstudium, FEA-beregninger, forsøk.i lab. Antall studenter: 1-2 Kontaktperson: Per J Haagensen, per.haagensen@ntnu.no ( ) 1.5 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. Inspeksjon av kjetting Sprekk fra korrosjonsgroper i kjetting 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. Statistiske metoder for å overføre resultatene fra et fåtall tester til designdata skal også evalueres. 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,, J. Köhler, A. Aalberg

5 1.6 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. Utmatting i stigerør ved stokastisk belastning skal undersøkes i en litteraturstudie. Relevante belastningsspektra for stigerør skal bestemmes og implementeres i forsøk. Resonanstesting ved IKT, rørledningsprosjekt i Australia Samarbeid: Type oppgave: Statoil Litteraturstudium, statistiske analyse, bruddmekanisk modellering og testing i lab. Antall studenter: 1-4 Kontaktpersoner P. J. Haagensen,, J. Köhler, A. Aalberg

6 2 SIMLAB 2.1 Deformerbare konstruksjoner utsatt for eksplosjonslast Fokuset på beskrivelse av eksplosjonslast og dens innvirkning på konstruksjonsrespons har de siste 10 årene økt i takt med trusselen for terrorhandlinger. Ved dimensjonering i dag tas det ikke hensyn til interaksjon mellom konstruksjonsrespons og sjokkbelastninger. Nyere forskning har imidlertid vist at denne tilnærmingen ikke klarer å gjenskape den virkelige konstruksjonsresponsen og at denne interaksjonen er helt avgjørende for forståelse av skade på bygninger og personell. Interaksjonen mellom last og respons står derfor sentralt i denne oppgaven, og kandidaten(e) skal studere denne effekten ved bruk av et kjent basis-problem («shock tube») og avanserte numeriske beregninger. Forsøkene vil bli gjort i SIMlab s nye shock tube, og modelleringen gjøres i kommersielle og etablert programvare som er egnet for slike formål (ABAQUS, LS-DYNA, EUROPLEXUS etc.). Oppgaven vil bestå av et litteraturstudium, komponent- og materialforsøk, samt numerisk og analytisk modellering av problemet. Hvordan responsen til konstruksjonen avhenger av randbetingelser, materiale, geometri, mulige brudd og eventuelle hull vil være sentrale tema. Type oppgave: Antall studenter: Kontaktpersoner: Ansvarlig faglærer: Litteraturstudium, komponent- og materialforsøk, avanserte numeriske simuleringer og analytiske beregninger. Maks 2 som jobber sammen Vegard Aune, Tore Børvik, Magnus Langseth Tore Børvik 2.2 Aluminiumprofiler fylt med sand truffet av kuler i høy hastighet Ekstruderte aluminiumprofiler brukes svært hyppig i konstruksjoner på oljeplattformer, i brudekker, som komponenter i tog og skip, og ikke minst i flyttbare beskyttelseskonstruksjoner. I disse situasjonene er lav vekt svært viktig, noe som gjør tradisjonelle stål- og betongkonstruksjoner lite egnet. I tillegg må konstruksjonene dimensjoneres for kollisjoner og eksplosjoner. SIMLab har tidligere sett på kapasiteten til ekstruderte aluminiumprofiler fylt med sand utsatt for ballistisk last. Dette skal nå gjøres mer systematisk, med nye og svært avanserte beregningsverktøy. Oppgaven er todelt, med en eksperimentell del og en numerisk del. I den eksperimentelle delen skal materialoppførselen til sanden og aluminiumet

7 karakteriseres ut fra materialtester i laboratoriet. Penetrasjonstester skal også utføres i det ballistiske laboratoriet på SIMLab. Den numeriske biten består av å bruke ikke-lineær elementmetode og diskret partikkelmetode til å simulere penetrasjonsprosessen. Type oppgave: Antall studenter: Kontaktpersoner: Ansvarlig faglærer: Litteraturstudium, materialforsøk, komponentforsøk og avanserte numeriske beregninger ved hjelp av IMETUS Afea Solver. Oppgaven gjennomføres i samarbeid med Forsvarsbygg. Maks 2 som jobber sammen Jens Kristian Holmen, Tore Børvik, Sumita Dey (Forsvarsbygg) Tore Børvik 2.3 Penetrasjon av isotrop aluminium SIMLab har i samarbeid med Norsk Hydro fått spesiallaget helt isotropt aluminium. Ettersom egenskapene til materialet er likt i samtlige retninger vil de grunnleggende modellene vi bruker i det daglige kunne beskrive oppførselen til akkurat dette materialet meget godt. Oppgaven vil gi god innsikt i blant annet materialoppførsel under store deformasjoner og numeriske bruddformuleringer. I denne oppgaven skal de ballistiske egenskapene til AA6xxx aluminium bestemmes eksperimentelt i det ballistiske laboratoriet på SIMLab. Problemet skal simuleres med ikke-lineær elementmetode og resultatene skal sammenlignes med eksperimentene, og ulike plastisitetsmodeller skal vurderes. Type oppgave: Antall studenter: Kontaktpersoner: Ansvarlig faglærer: Litteraturstudium, materialforsøk, komponentforsøk og numeriske beregninger. Oppgaven gjennomføres i samarbeid med Forsvarsbygg. Maks 2 som jobber sammen Jens Kristian Holmen, Tore Børvik, Odd Sture Hopperstad Tore Børvik 2.4 Støt mot offshore rør med coating 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 coating av polymerer, gummi eller betong. Eksperimenter på fullskala rør for å sjekke coatingens (polymer i dette tilfellet) integritet etter støt vil utføres,

8 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. Type oppgave: Litteraturstudium, forsøk, og analyser. Masteroppgaven gjennomføres i samarbeid med Statoil. Antall studenter: Maks 2 som jobber sammen Kontaktpersoner: Martin Kristoffersen, Tore Børvik, Magnus Langseth, Odd Sture Hopperstad Ansvarlig faglærer: Tore Børvik 2.5 Eksplosjonslast i rørtunnel (fergefri E39) I forbindelse med utredning av ny fergefri E39 skal rørtunnel 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 vil også bli mulighet for å gjøre forsøk i SIMLabs nye «shock tube», og/eller skalerte eksplosjonsforsøk i felt. Oppgaven er en del av et pågående forskningsarbeid ved SIMLab. Type oppgave: Antall studenter: Kontaktpersoner: Ansvarlig faglærer: Litteraturstudium, forsøk, og analyser. Masteroppgaven gjennomføres i samarbeid med Statens Vegvesen. Maks 2 som jobber sammen Martin Kristoffersen, Tore Børvik, Magnus Langseth Tore Børvik 2.6 Modellering av duktilt brudd i metaller I mange tilfeller må man ta hensyn til brudd når komponenter skal utvikles og produseres. Dette gjelder for eksempel støtfangere i biler, beskyttelseskonstruksjoner og innen offshoreindustrien. Testing av fysiske modeller forekommer fortsatt i stor grad, men på grunn av de høye kostnadene forbundet med testing er det ønskelig å redusere antallet. For å kunne optimalisere komponenter og konstruksjoner er det dermed helt essensielt at man har gode numeriske modeller som kan beskrive materialers oppførsel helt frem til brudd. Man observerer at brudd i metallegeringer oppstår i områder med høy plastisk tøyning, for eksempel i innsnøringen ved en strekktest. På et mikroskopisk nivå skjer duktilt brudd i metaller som følge av at små porer i materialet vokser ved ytre belastning. Deretter slår porene seg sammen og danner en større pore som til slutt fører til brudd på makroskala. Det er derfor viktig at modeller for duktilt brudd tar hensyn til de underliggende mikroskopiske mekanismene. En modell som har vist seg å gi gode resultater for isotrope duktile materialer er Gurson-modellen. Denne modellen inkluderer poreutvikling og beskriver hvordan materialet mister sin bæreevne ettersom porene vokser. Imidlertid er mange metallegeringer anisotrope, enten som følge av opprinnelig mikrostruktur eller av bearbeiding, og det vil dermed være av

9 stor nytte å kunne benytte denne modellen også for anisotrope duktile materialer. SIMLab jobber nå med å modifisere Gurson-modellen slik at den også kan benyttes for beregninger av anisotrope metaller. Oppgaven vil kreve at kandidaten(e) setter seg inn i aktuell litteratur og vil i stor grad omhandle numeriske simuleringer ved hjelp av ikke-lineær elementmetode. Kandidaten(e) står i stor grad fritt til å påvirke det endelige omfanget av oppgaven, men det er ønskelig at det gjennomføres et to-delt numerisk studie: 1. Cellesimuleringer der man zoomer inn på en enkelt pore 2. Simuleringer med Gurson-modellen på et større materialvolum (f.eks. strekktest) Til slutt kobles resultatene fra cellesimuleringene og Gurson-simuleringene slik at man kan inkludere anisotrop materialoppførsel i Gurson-modellen. Type oppgave: Litteraturstudium og numeriske simuleringer Antall studenter: 1-2 Veiledere: Lars Edvard Dæhli og Odd Sture Hopperstad 2.7 Finite element implementation of gradient plasticity model in Abaqus It has been observed in several experiments that the plastic behaviour of materials may exhibit size dependence: the smaller the size, the stronger the resistance offered by the material. There are several examples: the indentation hardness of a metal typically increases as the indenter size decreases; the particle strengthening of alloys is stronger for small particles than for large when the volume fraction of hard particles remains the same; a metal gets stronger as the grain size is reduced. The size effect becomes significant as the indenter size, particle spacing or grain size is below about 10 µm. To describe this size effect, it is necessary to include a length scale into the elastic-plastic material models. Based on physical considerations, this is achieved by making the flow stress dependent of the plastic strain gradient; i.e., the higher the plastic strain gradients the higher the strength. Special finite elements with additional nodal degrees of freedom are required to implement gradient plasticity into a finite element framework. These additional degrees of freedom represent the plastic strains. The aim of this thesis is to implement a special element in Abaqus to handle strain gradient plasticity and to develop the associated material subroutine. The implementation is evaluated against results available in the literature. Type of thesis: Literature study, FORTRAN programming, numerical simulations. Number of students: 1 2 Contact persons: D Morin, OS Hopperstad

10 2.8 Materialmodeller for polymerer Ved SIMLab er det utviklet en materialmodell for plastmaterialer. Den kan representere mange typiske egenskaper: Store plastiske deformasjoner, viskoelastisitet, trykkavhengighet mm. Modellen er i ferd med å bli tatt i bruk av SIMLabs industripartnere. Vi har imidlertid noen løse tråder: Validering: «Hale og dra» litt i modellen for å evaluere om den gir den ønskede responsen i gitte situasjoner. Skjær: Vi vet en god del om responsen til plastmaterialer i strekk og trykk, mens vi har liten erfaring med skjær Volumendringer: Metaller er inkompressible ved plastisk deformasjon, dvs. de endrer ikke volum. For mange plastmaterialer observerer vi en økning i volum når de deformeres plastisk, selv i trykk. Hvorfor? Type oppgave: Forkunnskaper: Litteratur, numeriske beregninger, muligens forsøk. TKT4135 Materialmekanikk, TKT4197 Ikkelin. elementanalyser, SIMLabprosjektoppgaven Antall studenter: 2-4 Kontaktpersoner: David Morin, Arild Holm Clausen 2.9 Plastmaterialer ved lave temperaturer For metaller finnes det gode materialmodeller som beskriver hvordan materialets oppførsel endrer seg som konsekvens av temperatur. Grunnet industriens stadig økende utbygging i arktiske områder har behovet for tilsvarende materialmodeller for plast meldt seg. En slik materialmodell er viktig for å kunne forutsi hvordan plast oppfører seg ved lave temperaturer, og for å kunne unngå problemer med brudd i plast ved f.eks. utlegging av rørledninger, slik som i illustrasjonen. SIMLab har allerede utviklet en materialmodell som fungerer godt for å beskrive plasts oppførsel ved romtemperatur, denne masteroppgaven vil være en del av et pågående forskningsprosjekt som sikter på å utvide denne materialmodellen ved å inkorporere temperatur som en designparameter. Type oppgave: Forkunnskaper: Litteraturstudie, forsøk, FEM TKT4135 Materialmekanikk, TKT4197 Ikkelin. elementanalyser, SIMLab-prosjektoppgaven Antall studenter: 2 Kontaktpersoner: Joakim Johnsen, Arild Holm Clausen

11 2.10 Materialmodell for fiberarmerte plastmaterialer Egenskaper som høyt styrke-til-vekt forhold, høy utmattingsmotstand, høy korrosjonsmotstand og stor designfleksibilitet gjør fiberarmerte plastmaterialer stadig mer attraktive for bygg-, bil-, fly- og olje/gass-industrien. Presise og pålitelige materialmodeller er avgjørende for design ved bruk av numeriske simuleringer, men det eksisterer ingen tilstrekkelig god modell for fiberarmert plast. I et pågående forskningsprosjekt jobber SIMLab med utvikling en ny materialmodell for fiberarmerte plastmaterialer. Til grunn for en slik modell ligger en forståelse av mekaniske materialegenskaper. Vi har nylig fått tak i et svært interessant materiale fra Audi, som vi planlegger å teste til våren. For å utvikle en god modell er det også viktig å ha kunnskap om den interne strukturen i materialet, og i den forbindelse har vi nylig gjennomført CT-tester, der hver enkelt fiber blir kartlagt (se det nederste bildet). I denne masteroppgaven kan det være aktuelt å se nærmere på materialegenskaper gjennom forsøk og å undersøke i hvilken grad vi er i stand til å prediktere responsen gjennom numeriske simuleringer. Og hva med brudd? Type oppgave: Forkunnskaper: Forsøk, numeriske simuleringer TKT4135 Materialmekanikk, TKT4197 Ikkelin. elementanalyser, SIMLabprosjektoppgaven Antall studenter: 2 Kontaktpersoner: Petter Holmstrøm, Arild Holm Clausen 2.11 Bruk av aluminiumsskum i plater utsatt for eksplosjonslast Aluminiumsskum kan være en attraktiv energiabsorbent i forbindelse med støt- og eksplosjonslast mot beskyttelseskonstruksjoner. Slike skummaterialer har også vært brukt som prosjektiler for å simulere eksplosjonslast på ulike komponenter. I denne oppgaven skal kandidaten sette seg grundig inn i oppførselen til slike skummaterialer i forbindelse med dynamiske laster. Dette gjøres gjennom et litteraturstudium, ulike materialforsøk, samt komponentforsøk enten i en gasskanon eller SIMLab s nye shock-tube. Til slutt skal ulike materialmodeller for skum tilgjengelige i det ikke-lineære elementmetodeprogrammet LS-DYNA kalibreres og benyttes for å validere komponentforsøkene. Resultatene skal, så langt som mulig, sammenlignes mot tilsvarende konstruksjoner uten aluminiumsskum.

12 Type oppgave: Antall studenter: Kontaktpersoner: Ansvarlig faglærer: Litteraturstudium, materialforsøk, komponentforsøk og numeriske beregninger. Maks 2 som jobber sammen Aase Reyes, Tore Børvik Aase Reyes 2.12 Brudd og formbarhet av aluminium Innenfor bilindustrien er modellering av lokalisering og brudd i et materiale, samt oppførselen ved store plastiske deformasjoner viktig når komponenter skal formes. Et større eksperimentelt program med flere materialtester og formbarhetstester er utført på tynne plater i aluminium. I denne oppgaven skal kandidaten sette seg grundig inn i bruddoppførselen til aluminiumsplater i forbindelse med forming. Dette gjøres gjennom et litteraturstudium og bearbeiding av forsøksresultater. En materialmodell kalibreres og ABAQUS, LS-DYNA eller IMPETUS brukes til å validere formbarhetsforsøkene. Brudd- og formbarhets-diagrammer kan brukes til å sammenlikne oppførselen i forsøkene og analysene, samt analytiske modeller. Formbarhetsdiagrammer fra forsøkene kan finnes ved forskjellige metoder og det kan være ønskelig å sammenlikne disse metodene og i tillegg sammenlikne forsøkene på aluminiumsplatene med forsøk på høyfast stål. Type oppgave: Antall studenter: Kontaktpersoner: Ansvarlig faglærer: Litteraturstudium, behandling av forsøksresultater og numeriske beregninger. Maks 2 som jobber sammen Aase Reyes, Afaf Saai, Tèrence Coudert Aase Reyes 2.13 Oppførsel og modellering av platefelt i aluminium utsatt for støtlaster Samferdselsdepartementet har bedt Statens vegvesen om å utrede hvilket potensiale en fergefri E39 vil ha for næringsliv og tilhørende bo- og arbeidsregioner. Prosjektet skal også vurdere teknologiske løsninger for fjordkryssinger, og hvordan konstruksjonene eventuelt kan utnyttes til å produsere energi fra sol, bølger, strøm og vind. I tillegg skal også gjennomførings- og kontraktstrategier inngå i prosjektet. E39 går langs kysten fra Kristiansand til Trondheim, og er i dag ca km lang. Også økonomiske vurderinger av ferjefri E39 skal inngå, dvs. både kostnader og gevinster, inkludert samfunnsøkonomiske analyser. Som et ledd i prosjektet fjordkrysninger 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

13 utfordringen er å vurdere hvordan store platefelt i aluminium sveiset sammen av ekstruderte profiler oppfører seg under en støtlast fra et skip. Denne masteroppgaven er et ledd i dette prosjektet og er et samarbeide mellom SIMLab ved NTNU, Hydro Aluminium og Sapa. Planen er at studentene skal gjennomføre et litteraturstudium på hvordan aluminium oppfører seg under støtlaster, gjennomføre numeriske analyser og egne laboratorieforsøk. Type oppgave: Litteraturstudie, numeriske analyser og laboratorieforsøk Antall studenter: 2 studenter Kontaktpersoner: Magnus Langseth og Odd Sture Hopperstad 2.14 Kombinasjon av elementnett og elementtype som kan gi riktig deformasjonsmode Forsøk på 70-tallet for å evaluere de ulike deformasjonsmodene for aksielt belastet sirkulære rør med varierende lenge L, diameter D og tykkelse T indikerer at tilfellet L = 6D = 180T som interessant får og teste ut hvilke kombinasjoner av elementnett og elementstørrelse som predikterer riktig deformasjonsmode. Oppgaven består av litteraturstudium, klart definerte tester, numerisk modellering og analytiske beregninger av problemet. Hvordan responsen til konstruksjonen avhenger av formfeil som skråkutting og langsgående utbøying vil være sentrale tema. Profilen er tilgjengelig i fire størrelser med veggtykkelse 1, 2, 3 og 4 mm slik at det er mulig å undersøke effekten av skalering. Dessuten kan effekten av påsveiste endeplater undersøkes. Type oppgave: Litteraturstudium, testing, numeriske beregninger og analytiske beregninger etter Eurocode 9. Oppgaven gjennomføres i samarbeid med Hydal Aluminium Profiler og Kapp Aluminium. Resultatene tenkes benyttet som et utgangspunkt for å dimensjonere høyspentmaster i aluminium. Dessuten kan resultatene forklare hvorfor det å modellere rammevangene i en bil med mindre skallelementer ikke gir bedre samsvar med testresultatene. Forkunnskaper: TKT4135 Materialmekanikk, TKT4197 Ikkelin. elementanalyser Antall studenter: 2-4 Kontaktpersoner: Magnus Langseth, Tore Tryland

14 2.15 Offshore structures subjected to accidental loads Design of steel offshore structures under accidental loads is becoming more and more important. Under such load cases, design codes may be very difficult to use or lead to very high cost for the structures due to the conservative assumptions that has to be made. To reduce these potential costs, the offshore industry is increasingly using non-linear finite element analyses (NLFEA). While design codes require a basic knowledge of material and structures, the use of NLFEA impose to the user a strong background with respect to material and fracture models, but also on finite element formulations. The aim of this master s thesis is to apply a research and industrial approach on a welded steel structure subjected to dynamic loading. The main outcome is to compare both approaches and generate guidelines with respect to this particular problem. This Master s thesis will be carried out in collaboration with DNV-GL. Planned tasks: Literature review, numerical simulations and testing Background knowledge: TKT4135 Materialmekanikk, TKT4197 Ikkelin. elementanalyser, SIMLab-prosjektoppgave Number of students: 2 Contacts persons: David Morin and Magnus Langseth 2.16 Stålrørspæler til fundamenter, innmeisling av stålspissen i fjelloverflaten Stålrørspæler brukes til å overføre last fra fundamenter gjennom tykke lag av løsmasser og ned til fjelloverflaten. Pæler med spiss hamres ned til spissen treffer fjellet og videre et stykke inn i fjellet. Dette for å sikre at pælspissen ikke glir ved skrå fjelloverflate. Instituttet har i flere masteroppgaver samarbeidet med vegvesnet i vurderinger, forsøk og analyser for pælspisser og pælenes oppførsler. I oppgaven skal det sees videre på ulike geometrier for pælspisser og hvordan oppførselen er ved inntrenging i fjellet. Oppgaven medfører kalibrering av materialmodeller for fjellet og stålpælespiss med herdet overflate. Type oppgave: Laboratorieforsøk, beregning, modellering Antall studenter: 1-2 Kontakspersoner: Arne Aalberg NTNU, Veslemøy Gardå, Statens Vegvesen

15 2.17 Kapasitet og stivhet til endeplateforbindelser for hulprofiler Bjelke-søyle-knutepunkter, rammehjørner, skjøter og søylefotforbindelser i bygningsrammer kan utføres leddet, delvis stive eller stive (kontinuerlige). Reglene for dette finner vi i Eurokode for stål og for aluminium. Korrekt beskrivelse av knutepunktsoppførselen er viktig for å kunne gjøre riktig konstruksjonsdesign, spesielt når vi benytter oss av dataprogrammer for dette. Det er fortsatt en rekke konstruksjonsdetaljer og skjøtevarianter som ikke er dekket av reglene, eksempler er strekkskjøter i hulprofiler (kvadratiske og sirkulære) og søylefotforbindelser for hulprofiler (se foto). I oppgaven skal det gjøres håndberegninger og datamaskinanalyser for å bestemme stivhet og kapasitet i knutepunkt med hulprofiler, og designes og utføres laboratorieforsøk for noen utvalgte geometrier. Målet er å etabler kapasitets og stivhetsformler for slike detaljer. Type oppgave:forsøk, modellering, analyse Antall studenter: 2 Kontakspersoner: A. Aalberg, P.K. Larsen 2.18 Kapasitet til stålforankringer i betong Forbindelser i betongkonstruksjoner utføres ofte med plater og bolter av stål. I en hovedoppgave er det utført forsøk med innstøpte ståldetaljer, med forankring i form av armeringsstenger eller med standardiserte ståldybler med boltehode. Denne oppgaven skal videreføre dette arbeidet, og arbeidet omfatter litteraturundersøkelse, oppstilling av beregningseksempler, sammenligninger av regler, deltakelse i laboratorieforsøk og sammenligninger for utvalgte geometrier og forbindelsesløsninger. Det skal sees spesielt på uttrekkapasitet, for både normalbetong og fiberarmert betong. Type oppgave: Litteratur, beregning, forsøk. Antall studenter: 2 Kontaktpersoner: A. Aalberg, J.A. Øverli 2.19 Kreativ Knutepunktsdesign Knutepunkter i bygg og konstruksjoner er ofte det «svake punkt» når konstruksjonen overbelastes og evt. bryter sammen. Dimensjoneringen (utformingen og beregningen) av delene i forbindelsene følger innarbeidet praksis, og skal oppfylle et sett regler og krav i standardene. Ofte brukes standariserte og litt «kjedelige» utforminger. Knutepunktene i vanlige konstruksjoner kan absolutt gis bedre og penere utforming. Med utviklingen i analyseproduksjonsmetoder kan vi designe slankere, penere og mer effektive knutepunkter, som tar kreftene

16 på en mer naturlig måte. F.eks. ved at hjørner og linjer avrundes. Nytt på området er blant annet muligheter for å bruke 3D printing av knutepunkter, altså ved at hvert knutepunkt spesiallages for anvendelsen, og hvor dagens begrensninger i form av profiler og plater, saging og boring ikke lenger gjelder. Oppgaven er koblet med arkitektstudenter som gir oss nye ideer. Type oppgave: Design/Konstruksjon Antall studenter: 1-2 studenter Kontaktpersoner: Arne Aalberg/Anders Rønquist, Bendik Manum, Fakultet for arkitektur og billedkunst 2.20 Numerisk modellering av is mot konstruksjon (Numerical modeling of dynamic icestructure 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. Type oppgave: Simulering, beregning Antall studenter: 1-2 Veiledere: Arne Aalberg, Torodd S. Nord

17 2.21 Oppgave: Fundamentering i permafrostområder I Longyearbyen på Svalbard fundamenteres de fleste byggene på peler som installeres i den frosne bakken. Det sørges for åpning for lufting under alle bygg, for at frosten i bakken ikke skal tines av varmen fra byggene. Fundamenteringsløsningene som har vært mye brukt har vært basert på et stort antall peler for hvert bygg. Løsningene har vist seg i flere tilfeller å gi setninger og skader etter noen år, og medfører mye arbeid ved oppretting Det skal i denne oppgaven sees på den benyttede fundamenteringspraksisen, og hvordan denne kan forenkles og forbedres. Det skal gjøres beregninger og vurderinger av nye løsninger med redusert antall pærler, og sees på hva som er hensiktsmessig for element/modulbygg som vanligvis bygges i Longyearbyen. Oppgaven kan ta utgangspunkt i flere bygg som nå står foran omfattende utbedringer, og løsningene skal etableres i samarbeid med LNS og Longyearbyen bydrift. Faglærer Arne Aalberg Type oppgave: prosjektering, beregning, modellering 2.22 Oppgave: Effekt av skjærdeformasjon (shear-lag) for stålbjelker Bjelker og kassetverrsnitt for broer lages ofte med relativt tynne stålplater og med store flensbredder. I stålstandarden NS EN og står det regler for når skjærdeformasjoner skal tas hensyn til i dimensjoneringen. Skjærdeformasjonen (shear-lag) medfører at platene ikke blir fullt effektive til å bære aksialspenningene fra bøyemoment, fordi spenningen ikke blir uniform over platens bredde (se fig). Shear-lag opptrer der hvor endringen i momentet i bjelken er størst, altså der hvor skjærkreftene er størst, typisk ved midtstøtten i en tofelts bjelke. Shear-lag kan for enkelte bjelketverrsnitt og bjelkespenn medføre større reduksjon enn plateknekking utgjør. I undervisningen (Stål 2) har vi ikke brydd oss om shearlag, og her må vi tydeligvis bedre oss! Det skal derfor sees på de regler som er gitt i standarden, og gjøre elementmetodesimuleringer for utvalgte bjelketilfeller for å se hvor godt regelverket stemmer. Faglærer Arne Aalberg, veileder Per Kristian Larsen Type oppgave: prosjektering, teori, FE-simuleringer

18 2.23 Skrudde stålforbindelser Det er ofte ønskelig at forbindelser i konstruksjoner oppfører seg duktilt. Dermed er det viktig at enkelte av komponentene i forbindelsene har stor deformasjonskapasitet. Skruer er et mye brukt forbindelsesmiddel i bygg, og det er derfor viktig å kunne forutsi oppførselen til skruer. Vi ønsker å undersøke hvor mye variasjon det er i duktiliteten til skruer med samme fasthet og diameter, men forskjellig gjengelengde, og deretter hvordan denne variasjonen påvirker en deformasjon- og lastkapasiteten til en forbindelse bestående av flere skruer av samme type. Oppgaven vil bestå av laboratorieforsøk hvor det skal gjennomføres komponenttester av enkeltskruer og forbindelser bestående av flere skruer. I tillegg skal det lages en tilhørende elementmetodemodell, som skal brukes til studere og øke forståelsen av oppførselen til forbindelsen. Type oppgave: Forkunnskaper: Litteraturstudium, numeriske beregninger og laboratorieforsøk Noe kunnskap innen dimensjonering og kapasitetsberegning av knutepunkt (for eksempel Stålkonstruksjoner 1) og ikke-lineær elementanalyse er en fordel Antall studenter: 1-2 Kontaktpersoner: Arild Holm Clausen, Arne Aalberg, Erik Grimsmo

19 3. TREKONSTRUKSJONER 3.1 Høyere Tre Hus Basert på dagens produksjon av limtre og massivtre, er det mange prosjekter med høye bygg hvor tre brukes i det bærende system. Det er særlig bygg med blandet bruk til kontor og bolig og med 10 til 32 etasjer i urbane strøk som vies mest oppmerksomhet. Oppgaven fokuserer på tekniske aspekter ved bæresystemene. I tillegg til bruddgrense betrakninger, legges det stor vekt på bruksgrensekrav som fleksibilitet av komponenter og bygningene som helhet (forskyvninger, stivhet) og vibrasjonsegenskaper. Aktuell belastning er jordskjelv eller vind. Oppgaven utføres i samarbeid med pågående prosjekter hos bygningstekniske konsulenter. Aktuelle problemstillinger er: Horisontale vibrasjoner fra fluktuerende vind, mange svingemoder med tette og lave egenfrekvenser. Akselerasjonsnivåene må evalueres og sannsynligvis jobbes med slik at disse blir akseptable. Jordskjelvsbelastning Bruk av aktive og passive dempere brukes i storparten av alle høyhus, og dette bør også evalueres i høyhus av tre. Tverrsnitt i store dimensjoner må produseres med blokk-liming. Strategien for skjøting og sammenføyning av slike bør evalueres og muligens videreutvikles. Brannbelastning og inn-slissede stålplater/dybler bør videreutvikles og dokumenteres for ekstremt store tverrsnitt-dimensjoner og lange brann-tider. Relative deformasjoner mellom blandet bruk av stål/betongbygning og trebygning bør evalueres mhp temperatur og fuktendringer. Produksjon og montering av limtrekonstruksjonene bør ses på. Fleksibilitet i forbindelser bør evalueres Type oppgave: Analytiske/numeriske modeller, beregninger, evt forsøk på utvalgte komponenter. Antall studenter: 1-2 Kontaktperson: Kjell Arne Malo, Haris Stamatopoulos

20 3.2 Vibrasjoner i etasje-skiller av tre Tre er et 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 materialer som studieobjekt. Tradisjonelt har utviklingen av etasjeskillere vært basert på bygging av en eller flere prototyper som prøves både i laboratorium og i felten. 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 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. Type oppgave: Eksperimentell undersøkelse og eventuelt numerisk simulering Antall studenter: 1 eller 2 Kontaktperson: Kjell Arne Malo

21 3.3 Multi-skala modellering av mekanisk oppførsel av trematerialer Ingen av de etablerte materialmodellene på makronivå som brukes i 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 / Haris Stamatopoulos 3.4 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: 1-2 Kontaktperson: Kjell Arne Malo / Haris Stamatopoulos

22 3.5 Nye forbindelser og systemer for avstivning av trebruer. Den lengste trebrua i Norge i dag har litt over 70 meter i fritt spenn. I de nyere norske buebruene benyttes det enten en stålrammeportal eller vindfagverk mellom buene som gir sideveis avstivning. Nettverksbruer er et spennende konsept som har vært litt brukt på buebroer i stål. Dette konseptet har et stort potensiale for trebruer siden det kan redusere dimensjonene i buene betydelig. Det har vært gjennomført et pilotprosjekt på en nettverksbuebro i tre med sideveis avstivningssystem omtrent som slik en finner på et sykkelhjul med skråstilte eker både i planet og ut av planet. Buene kan på denne måten være meget slanke siden de blir avstivet både i og ut av planet. Med dette konseptet kan trebruer med spenn mellom 100 og 150 meter bli meget konkurransedyktige. Oppgaven vil bli en videreføring av det arbeidet som allerede er påbegynt og vil inngå som en del av et internasjonalt prosjekt på trebruer. Type oppgave: numeriske modeller, forsøk, beregninger Antall studenter: 1-2 Kontaktperson: Kjell Arne Malo/Anna Ostrycharczyk

23 3.6 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 modellering og implementering av bruddkriterier i elementmetoden (ABAQUS). Type oppgave: numerisk, forsøk, implementering og verifisering Antall studenter: 1-2 Kontaktperson: Kjell Arne Malo / Haris Stamatopoulos 3.7 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 skjærtesting 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: 1-2 Kontaktperson: Kjell Arne Malo 3.8 Modell for trykkbelastning normalt fiberretning. Eurocode 5 har en modell for kontroll av trykkspenninger normalt fiberretning. Dette skal kontrolleres i bruddgrensetilstand og medfører at vår tradisjonelle byggemåte i Norge ikke har tilstrekkelig styrke i henhold til Eurocode 5. Til tross for dette er det nesten ikke registrert skader eller andre problemer i forbindelse med trykk normalt fiber i de millioner av forbindelser som er utformet på vår tradisjonelle måte. Det er nærliggende å tro at beregningsmetoden i Eurocode 5 ikke er tilfredstillende på dette punktet. En stor mengde forsøksresultater er tilgjengelige og flere kan enkelt utføres, men det mangler en hensiktsmessig dimensjoneringsmodell for dette belastningstilfellet. Oppgaven går ut på å utvikle en metode eller grunnlaget for en beregningsmodell. Type oppgave: analytisk, forsøk, beregninger Antall studenter: 1-2 Kontaktperson: Kjell Arne Malo

24 3. 9 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, ISBN , Lillehammer, Norway, September 12-15, Project type: Experimental Number of students: 1-2 Contact: Kjell Arne Malo / Haris Stamatopoulos

25 3.10 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: [2] COST Action E 24, Reliability of timber structures. Several meetings and Publications, Internet Publication: [3] Köhler J., Sørensen J.D. and Faber M.H. (2006). Probabilistic modelling of timber structures. Journal of Structural Safety, Volume 29 (4), pp

26 3.11 Reassessment of the integrity of a partially failed glulam structure A 4 year old large span timber structure has partially failed, i.e. a large glued laminated timber beam from the roofs secondary structure has failed in bending. On the day of failure there was negligible wind and no snow on the roof. First investigations detected a considerable overload from the earth backing on the green roof the corresponding load reached 2.4 kn/m2 instead of 0.8 kn/m2, as was considered in design. Furthermore, one single bending test on a similar glued laminated timber beam taken from the roof s secondary structure led to unexpected low strength values, i.e. only 70% from the characteristic strength of the associated strength class. The objective of the present project is the reliability based reassessment of the integrity of the structure. Probabilistic models of the loads and the resistance of the roof structure are developed and updated according to information from tests on the material strength of the glued laminated timber beam, as well as measurements and control schemes on the loading. Possible risk reducing measures are assessed and ranked in regard to their cost efficiency. The project gives the possibility to apply high level scientific methodologies to a practical engineering problem. 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

27 3.12 Reassessment of the structural integrity of a partly deteriorated concrete structure To date the build infrastructure is rather well developed and future challenges in structural engineering will more and more shift from the design of new structures towards the reassessment of existing structures. In the present project a reinforced concrete bridge with partly corroded reinforcement is considered and several options for reassessment of the structural integrity are discussed and performed. The methods used will be on the edge what is known today. So, the project will address rather relevant and recent research challenges; at the same time it will be highly relevant for practice. It is an attempt to perform this project in close collaboration with the Norwegian road authorities. Contact: Jochen Köhler, jochen.kohler@ntnu.no 3.13 Cost efficiency and safety of structures risk based calibration of structural design codes The built environment, i.e. infrastructural elements, industrial buildings and facilities as well as residential buildings, constitutes the basis for our economy and the continuous development of our society. In this respect structures play an important role, since the primary purpose of a structure is to provide the functionality of the built environment and the safety of its users. Consequently, a large proportion of a society s economic resources are invested in the continued development, maintenance and renewal of structures. It is therefore of great importance that decisions made in connection with structures are optimal, in the sense that the benefits of structures as well as the possible adverse consequences, such as loss of lives and damage to the environment, and the direct and indirect costs are considered and optimal decisions are identified. The general purpose of modern structural design codes is to help the structural engineer in providing structures that fulfill the basic societal requirements, namely, safety for personnel, safety for the environment and cost effectiveness. The kernel of a design code is the so-called safety concept that regulates the treatment of uncertainties, e.g. related to material resistance, loads and idealized calculation models. It is of utmost importance that the safety concepts of structural codes are calibrated in order to provide an optimal balance between investments into safety and risk for the vast majority of structures. In the present project the students formulate a framework for risk and reliability based code calibration. The framework is then applied to different chosen practical design situations, and the corresponding safety concept of the design code is calibrated. Contact: Jochen Köhler, jochen.kohler@ntnu.no

28 4. BETONGKONSTRUKSJONER 4.1 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, slanke søyler og forankring. En vesentlig del av oppgaven er en gjennomgang av aktuell litteratur på området. Type oppgave: Litteratur og beregning Antall studenter: 4 Kontaktperson: Jan Øverli, Svein I. Sørensen 4.2 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, konsentrert last på plate og temperatureffekter. Type oppgave: Beregningsoppgave Antall studenter: Max 7 Kontaktperson: Max Hendriks, Jan Øverli, Svein I. Sørensen 4.3 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. Det er særlig effekten av å bruke fiber for å øke duktiliteten på trykk som skal studeres i denne oppgaven. Denne oppgaven gjøres i samarbeid med Kværner som ønsker å se på muligheten for bruk av lettbetong i sine LNG og offshore prosjekter. Sentralt i denne vurdering er derfor hvordan økt duktilitet kan gi tekniske og økonomiske mulige løsninger ved bruk av lettbetong. Type oppgave: Litteratur, testing og beregninger Antall studenter: 2 Kontaktperson: Jan Øverli, Hilde Østlund (Kværner) 4.4 Development of analytical model for the analysis of concrete covered submarine pipelines Offshore submarine pipelines are provided with concrete covers in order to increase weight for on-bottom stability and also to protect from impact. In spite of having been used for some time in the industry now, a rational approach for design of concrete covers is yet to be developed. Simple rules for design, which were developed on the basis of experimental data, are currently used. However, the pipe-concrete cover system is complex involving shear transfer between pipe and concrete, flexible field joints along the pipeline, etc. which are not captured by current design practices. As the industry is moving towards different environments, using larger diameter pipes and with the arrival of new materials, the need for a rational design approach for concrete covers is required more than ever. The purpose of the assignment is to develop an analytical model to investigate the effects of the different elements in the pipe-concrete cover system, such as: pipe diameter/thickness, concrete cover thickness, shear transfer mechanism between pipe and concrete, etc. The assignment encompasses: 1) literature review of existing

29 analytical models to identify strengths and potential shortcomings, 2) development of the analytical model, and 3) parametric study to identify the effects of the various elements of the pipe-concrete cover system. Oppgaven gjennomføres i samarbeid med Det Norske Veritas (DNV GL). Type oppgave: Litteratur og beregninger Antall studenter: 2 Kontaktperson: J.A. Øverli, Hege Berg Thurmann (DNV GL) 4.5 Etteroppspente og fiberarmerte flatdekker Ved bruk av spennarmering kan spennvidden økes, og flatdekker kan dermed bli mer konkurransedyktig sammenlignet med for eksempel hulldekker. For å bidra til videre utvikling av løsningen gjennom tids- og kostnadssparing, ble det i 2013 gjennomført et fullskalaforsøk hvor all tradisjonell stangarmering var fjernet, og stålfiber og etteroppspente kabler var den eneste armeringen. Feltforsøket er nå videreført ved at det er støpt et dekke i et byggeprosjekt på Munkvold i Trondheim med det samme konseptet. I denne oppgaven skal begge prosjektene følges opp med beregninger og befaring (Munkvold). Beregnings-grunnlaget som benyttes er utviklet i regi av instituttets deltakelse i COIN (Senter for forskningsbasert innovasjon innen betong) og inngår i arbeidet med regelverk i regi av Norsk betongforening og CEN (Eurocode 2). Type oppgave: Beregningsmetoder / oppfølging av feltforsøk Antall studenter: 1-2 Kontaktperson: T. Kanstad, Steinar Trygstad (Thilt Engineering AS) 4.6 Betongkonstruksjoner med pålimt karbonfiberforsterkning Pålimt karbonfiberforsterkning (Mer generelt: Fibre Reinforced Polymer Composites) har blitt mye benyttet til forsterkning og reparasjon av betongkonstruksjoner i utlandet. Økt bruk forventes også i Norge, og denne oppgaven tar utgangspunkt i aktuelle beregningsregler, og vil bli knyttet opp mot et prosjekt hvor slik forsterkning er aktuelt Type oppgave: Beregningsmetoder Antall studenter: 1-2 Kontaktperson: T. Kanstad, Helge Brå (Sintef) 4.7 Nytt konsept for bestandige betongbruer I Østerrike er det bygd ei bueformet sprengverks 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. Brua, se bilde, har fått internasjonal pris for sitt konsept og Statens vegvesen ser for tiden på et lignende konsept for et mulig brusted på

30 yttersida av Senja. Oppgaven relateres til dette, og er en fortsettelse av et pågående masterprosjekt. Type oppgave: Beregningsmetoder Antall studenter: 1-2 Kontaktperson: T. Kanstad, Eldar Høysæter (SVV) 4.8 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. Denne oppgaven gjelder Nerlandsøybrua (bilde under) som er ei svært elegant og slank bru i havgapet sør for Ålesund, men som er alvorlig korrosjonsskadd og sannsynligvis skal rives. Oppgaven er en fortsettelse av tidligere masterprosjekter, og består av tre hoveddeler: (1) Verifikasjon av uskadd bru iht gjeldende regelverk for gamle og nye bruer, (2) - Beskrivelse av skadeomfang, basert på tilstandsrapport og egne prøveuttak, registreringer og befaring. (3) Verifikasjon av kapasiteten basert på kartlagt skadeomfang. Oppgaven innebærer en 1-2 ukers periode med registreringsarbeid på brua. Kontakt: Terje Kanstad, Mette Geiker og Ragnhild Holen Relling (Statens Vegvesen)

31 4.9 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. Type oppgave : Litteratur- og beregningsoppgave Antall studenter: 2 studenter Kontaktpersoner: Jan Øverli, Terje Kanstad, Håvard Johansen (SVV) 4.10 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 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. Det legges opp til at programsystemet Novaframe (fra Aas-Jakobsen) benyttes. Type oppgave : Litteratur- og beregningsoppgave Antall studenter: 2 studenter Kontaktpersoner: Terje Kanstad, Elin Holstein Strand (SVV)

32 4.11 Skallkonstruksjoner i armert betong Beregning og dimensjonering av skallkonstruksjoner i armert betong. Håndregnemetoder og numeriske beregningsmetoder (FEM-programmet DIANA). Type oppgave: Litteratur, beregning, numerisk simulering Antall studenter: Max 4 Kontaktperson: Svein I Sørensen 4.12 Ikkelineær analyse av armert betong Bruk av FEM-programmet DIANA for ikkelineær analyse av armerte betongkonstruksjoner skiver, plater, skall. Sammenligning og vurdering av forskjellige materialmodeller og løsningsmetoder. Type oppgave: Litteratur, numerisk simulering Antall studenter: Max 4 Kontaktperson: Svein I Sørensen

33 5. BETONGTEKNOLOGI Masteroppgave innen betongteknologi omhandler fire hovedtemaer: fersk betong, ung betong, herdet betong og levetid (bestandighet, nedbrytning, sustainability). Eksempler er gitt nedenfor. 5.1 Selvkomprimerende fiberbetong Fiber blir et viktig alternativ/supplement til stangarmering i fremtidens betong. I bærende konstruksjoner kreves det relativt store mengder fiber og god fordeling av denne for å oppnå tilstrekkelig bæreevne og sikkerhet. Store fibermengder bidrar imidlertid til vesentlig redusert støpelighet (redusert flyteevne), hvilket er spesielt uheldig med tanke på ønsket om å utvikle selvkomprimerende betong (SKB) som den fremtidige standardbetongen. Oppgaven går ut på å undersøke hvordan ulike typer fiber påvirker tilslagspartiklenes pakning og behovet for pasta og matrix og de tilhørende reologiske egenskaper. Type oppgave: Litteraturstudium, beregninger, lab. undersøkelse Antall studenter: 1 eller 2 Kontaktperson: Stefan Jacobsen, Mette Geiker Foto: Busterud et al, / Tilsetningstoffers innflytelse på betongs tidlige oppførsel Plastifiserende tilsetningsstoffer øker flyten av fersk betong eller reduserer den nødvendige vannmengden. I tillegg kan de som bivirkning også påvirke herdeforløpet. Per dagsdato utgjør blandingssementer hovedandelen av sementmarkedet. Blandingssementer med flygeaske eller slag har et forskjellig herdeforløp enn tradisjonell Portland sement. Denne oppgaven tar for seg studiet av interaksjonen mellom plastifiserende stoffer og de forskjellige komponenter i blandingssementene. Interaksjonen er fortsatt ikke helt forstått. Målet er å bidra til utvikling av tilsetningsstoffer, som er bedre egnet til blandingssementer og kalde klima. Arbeidet dekker: a) Litteraturstudium; b) Planlegging, utførelse og analyse av eksperimentelle undersøkelser Type oppgave: Litteraturstudium, laboratorietester Antall studenter: 1 2 Kontaktpersoner: Mette Geiker, Klaartje De Weerdt, Alessia Colombo Samarbeid med: SINTEF, Borregaard Hydratiseringsvarme av Portland cement med soft-wood (LSs) og hard-wood (LSh) lignosulfonate

34 5.3 Styrt avbinding og herding Både på anlegg og i bygg har det etter hvert blitt vanlig å bruke selvkomprimerende betong basert på lavvarme-sement. Dette gir potensielt økt produktivitet, forbedret utstøpningsresultat og også konstruksjoner med bedre bestandighet. En ulempe er forlenget avbindingstid og relativt langsom styrkeutvikling. Dette kan f eks bidra til økt formtrykk i høye vegger, og utsatt riving av forskaling. Uønsket retardasjon kan kompenseres med bruk av aksellererende tilsetningstoffer. Det finnes nå både størknings- og herdingsakselleratorer med god effekt. Det finnes imidlertid lite tilgjengelig informasjon om temperatur-følsomheten for slike stoffer. Oppgaven går ut på å gjennomføre et laboratorieprogram for å bestemme effekten på støpelighet og fasthetsutvikling av ulike typer akselleratorer for aktuelle betongtyper under kontrollerte temperaturforhold, og bruke resultatene til å tilpasse regneverktøyet vi bruker for simulering av fasthetsutvikling i betongkonstruksjoner. Type oppgave: Laboratorieoppgave, analysearbeid Antall studenter: 1 2 Kontaktpersoner: Prof. II Sverre Smeplass (Skanska Norge AS), Mette Geiker 5.4 Flyveaske og luftinnføring i betong Flygeaske er et restmaterial fra kullfyrte varmekraftverk. Ved å erstatte del av Portlandklinkeren med flygeaske i sementproduksjon opp reduserte CO 2 utslipp ved sementproduksjon. Flygeaske er et pozzolan materiale slik at en Portland-flygeaske sement også oppnår forbedre bruksegenskaper på en rekke områder. Bruk av Portland-flygeaske sem er økende i Norge, og utgjør pr i dag mer enn 50% av det nor sementmarkedet. Det er behov for å forstå hvordan et effektivt og stabilt luftporesystem kan lages. Produsenter av fabrikkbetong bruker mye tid og ressurser på å oppnå et jevnt og stabilt luftinnhold i betong hvor det er krav til frostbestandighet. FoU på området luftinnblanding er derfor viktig for bransjen. Luftinnblanding i betong med Portland-flygeaske sement kan påvirkes av bla varierende egenskaper til flygeasken. Målsetningen med denne oppgaven går ut på å oppnå mer kunnskap om luftstabilitet og luftporestruktur i betong med Portland-flygeaske sement. Oppgaven er i hovedsak et eksperimentelt arbeid, og vil omfatte: Teste ulike L-stoffer (eksisterende + nye ideer til L-stoffer) sammen med ulike Portland-flygeaske sementer i en relativt enkel skummetest som måler nødvendig L-stoff dosering ved observasjon av skumstabilitet ved varierende L-stoff dosering og uttrykker det som Foam Index Bruke Air Void Analyzer for å analysere avstandsfaktor og spesifikk overflate av innført luft. Det er ønskelig at kandidaten gjennomfører en del av det eksperimentelle arbeidet ved Norcems laboratorier i Brevik og/eller ved Mapeis laboratorier på Sagstua.

35 Type oppgave: Litteratur, Lab. Undersøkelse Antall studenter: 1 Kontaktpersoner: Mette Geiker, Knut O. Kjellsen (Norcem), Espen Rudberg (Mapei), Stefan Jacobsen 5.5 Luftinnføring i lavkarbonbetong - flyveaskebetong Tilstrekkelig luftinnføring gjør at betong tåler frysing i våt tilstand (ferskvann, avvisningsvæske, tinesalt, sjøvann) uten frostskader som oppsprekking og avskalling. Statens vegvesen, f.eks, krever luftinnføring i alle anleggskonstruksjoner utsatt for frysing og tining. Å oppnå et tilstrekkelig godt luftporesystem kan imidlertid være problematisk ved produksjon av betong, f.eks med flyveaske med høyt eller variabelt karboninnhold, i betong med høy konsistens/skb og også i en del andre tilfeller (for eksempel mye finstoff, visse tilsetningsstoffkombinasjoner, pumping av betongen). Masteroppgaven består i først å gi en oversikt over laboratoriemetoder for karakterisering av luftinnførende effekt i betong av ulike resepter og kombinasjoner av bindemidler og tilsetningsstoffer. Dette inkluderer både målemetoder på fersk og herdet betong og enklere hurtigmetoder for å kunne evaluere vurdere den luftinnførende effekten av ulike tilsetningsstoff/bindemiddel kombinasjoner. Deretter gjøres egne laboratorieundersøkelser med et 4 kjemisk sett forskjellige luftinnførende tilsetningsstoffer i kombinasjon med flyveaske og sement med den såkalt Foam Index (FI) testen. FI er en enkel og rask laboratoriemetode for evaluering av luftinnføring og luftstabilitet for ulike kombinasjoner av tilsetningsstoffer og bindemiddel/pulver. Avslutningsvis velges enkelte tilsetningsstoff/bindemiddelkombinasjoner ut for prøving i betong. Henvendelse Stefan Jacobsen, Inst for konstruksjonsteknikk, stefan.jacobsen@ntnu.no Oppgaven utføres og i samarbeide med PhD student Lori Tunstall (letunst@princeton.edu) Referanser (fås ved henvendelse) Kompendium TKT4215 Betongteknologi 1, NTNU/Institutt for konstruksjonsteknikk Jacobsen S., Ollendorff M., Geiker M., Tunstall L. and Scherer G.W. Predicting AEA dosage by Foam Index and adsorption on Fly Ash. I: Durability Aspects of Fly Ash and Slag in Concrete Workshop Proceedings from a Nordic Miniseminar Oslo, February Nordic Concrete Research Workshop Proc. No 10, ISBN (2012) pp

36 5.6 Kvantifisering av luftinnføring og dens effekt på frostnedbrytning i mørtel/betong Luftinnføring er den etablerte teknologi for beskyttelse av betong mot frost- og salt/frost nedbrytning. Imidlertid trenges ny kunnskap om den kombinerte effekten på luftporer i miljø-/arbeidsmiljø vennlige betonger og bindemidler (selvkomprimerende betong, flyveaske, kalksteinsfiller, etc) og nye generasjoner L-stoffer og vannreduserende tilsetningsstoffer For å måle effektiviteten av oppnådd luftporesystem i herdnet beto registreres luftporer på planslip og tradisjonelt ble dette gjort m mikroskop. I denne oppgaven vil en ny og enkel metode med scanning planslip og bruk av et relativt enkelt billedbehandlingsprogram i MATL brukt for å måle luftporenes egenskaper (totalt luftinnhold, spesif overflate, avstandsfaktor, fordeling av luftpore størrelser) for ul kombinasjoner av bindemidler og L-stoffer. En serie med relativt s mørtelprøvestykker med ulike bindemidler og L-stoff kombinasjo fremstilles og luftinnføring måles på fersk mørtel hvoretter prøvestyk herdes og prepareres for scanning og billedbehandling med eksisterende MATLAB program som gjør beregninger og plot luftporefordeling. For to studenter undersøkes også frostbestandighet av prøvestykkene v måling av lengdeendring (logging med nye elektroniske tøyningsmåle og temperatur under et fryseforsøk. Plott av lengdeendring (uttrykt s tøyning) vs temperatur i kapillærmettet fukttilstand viser luftporen effektivitet for ulike kombinasjoner av L-stoffer og bindemid ekspansjon med permanent lengdeøkning (frysedilatasjon) = ik frostbestandig betong. Velfungerende luftporesystem beskytter ved motvirke den skadelige fryseekspansjon ved en sammentrekning som litt større enn termisk kontraksjon. Type oppgave: Litteratur, Lab. Undersøkelse Antall studenter: 1-2 Kontaktpersoner: Stefan Jacobsen, Mette Geiker 5.7 Analyse av rissrisiko 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. Oppgaven går ut på å gjennomføre beregninger og studere temperaturforløp og risstendens i den damkonstruksjonen som er under oppføring på Rosten i Gudbrandsdalen. Det hører med til oppgaven å vurdere de ulike tiltakene som kan brukes for å påvirke risstendensen i konstruksjonen.

37 Type oppgave: Analysearbeid, feltarbeid Antall studenter: 1 Kontaktperson: Prof. II Sverre Smeplass (Skanska Norge AS) 5.8 Porer og skjolder i betongoverflater I forskningsprogrammet COIN er det satt i gang en aktivitet som har om mål å utvikle et klassifiseringssystem for forskalte betongflater. Arbeidet utføres hovedsakelig i regi av SINTEF Byggforsk, men Skanska deltar aktivt. Hensikten 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. Til dette hører å utvikle og bruke en standardisert fototeknikk og gjennomføre fotoanalyse med et spesialisert dataverktøy. Oppgaven går ut på å delta i dette utviklingsarbeidet, og gjennomføre undersøkelser av oppnådd støperesultat på utvalgte byggeplasser. Type oppgave: Litteraturstudium, analysearbeid og feltarbeid Antall studenter: 1-2 Kontaktperson: Prof. II Sverre Smeplass (Skanska Norge AS), Stefan Jacobsen, Klaartje De Weerdt 5.9 Kloridbinding i betong med nye sementtyper 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. Måten kloridene transporteres gjennom betongoverdekningen er fortsatt ikke helt forstått. En del av kloridene er bundet i betongen og en del er «frie» i poreløsningen. Det er de siste som er pådriverne for at klorider diffunderer dypere inne i betongoverdekningen. I dette prosjektet skal effekten av sementtype og eksponering på kloridtransport undersøkes. Sement inneholder større og større andel pozzolaner eller slag, som påvirker kloridbindingskapasiteten av betongen. Å dokumentere effekten av de nye sementer på kloridbinding er avgjørende for å kunne lage pålitelige levetidsestimater for betongstrukturer bygd med slike sementer. Masteroppgaven vil omfatte et litteraturstudium og arbeid i laboratoriet. Flere aktiviteter pågår i dette fagfeltet så studenten vil være en del av en forskningsgruppe. Type oppgave: Teoretisk og praktisk studie Antall studenter: 1-2 Kontaktperson: Klaartje De Weerdt, Mette Geiker

38 5.10 Levetidsprosjektering av betong-konstruksjoner 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 oppgave: Litteraturstudium, analysearbeid Antall studenter: 1-2 Kontaktperson: Mette Geiker, Klaartje De Weerdt, Prof. II Sverre Smeplass (Skanska Norge AS), 5.11 Bruk av rustfri armering i betong Det kan som kjent være vanskelig å unngå at klorider trenger gjennom betongen, inn til armeringen og blir årsak til armeringskorrosjon. Bruk av korrosjonsbestandig stål rustfritt stål er derfor aktuelt for å unngå armeringskorrosjon. Oppgaven avhenger av studentenes interesse og går ut på: 1) Å studere korrosjonsbestandigheten til forskjellige kvaliteter rustfri armering. Denne oppgaven omfatter litteraturgjennomgang og egne forsøk i laboratoriet eller forsøk med prøver støpt ut tidligere. 2) Å prosjektere en betongkonstruksjon med varierende mengder (for eksempel 10, 20 og 30 %) rustfri armering. Konstruksjonen kan være en kai, ei bru eller et parkeringshus. Oppgaven innebærer en vurdering av kostnader ved de forskjellige mengder rustfri armering. Type oppgave: Laboratorieundersøkelse / Prosjekteringsoppgave Antall studenter: 1-4 Kontaktperson: Prof. II Roar Myrdal (Normet International, Sveits)), Mette Geiker 5.12 Korrosjonsinhibitorer i betong Det er velkjent at såkalte korrosjonsinhibitorer som blandes inn i den ferske betongen kan redusere problemet armeringskorrosjon i betongkonstruksjoner utsatt for klorider. I Norge har det vært en viss skepsis til bruk av den tradisjonelle korrosjonsinhibitoren kalsiumnitritt. Skepsisen skyldes både at inhibitoren forårsaker akselerasjon av den ferske betongen og at inhibitoren medfører uheldige korrosjonsforhold dersom innholdet er under en viss

39 mengde. Det er nå på markedet nye korrosjonsinhibitorer som angivelig ikke har disse negative effektene. Oppgavens første del går ut på å foreta et litteraturstudium med sikte på å avdekke positive og eventuelle negative sider ved korrosjonsinhibitorer for betong, spesielt praktiske erfaringer med bruk av inhibitorene. Litteraturstudiet skal rette seg både om inhibitorenes effekt på den ferske betongen og inhibitorens påvirkning av armeringskorrosjon. Oppgavens andre del går ut på å foreta målinger av inhibitorenes korrosjonsbeskyttende egenskaper. Det kan være på egne prøver utstøpt i laboratoriet eller forsøk med prøver støpt ut tidligere. Type oppgave: Litteraturoppgave / Laboratorieundersøkelse Antall studenter: 1-2 Kontaktperson: Prof. II Roar Myrdal (Normet International, Sveits), Mette Geiker 5.13 Maskinsand til betong: Innvirkning av type knuser og øvrige variabler knyttet til knuseprosess på de reologiske egenskaper i betong og matriks. Ved produksjon av tilslag forbrukes ikke-fornybare ressurser av løsmasser eller fast fjell. For å oppnå en mest mulig bærekraftig produksjon er det viktig å optimalisere prosesser og produkter. Dette vil gi en høyere samfunnsmessig gevinst samt redusere behovet for å deponere overskuddsmasser. Forekomstene av naturlige tilslagsavsetninger reduseres 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, såkalt maskinsand, blir da en nødvendighet. Produksjon av maskinsand fordrer høyere energiforbruk isolert sett, men kan samtidig gi en miljømessig gevinst ved større nærhet til markedene. Motivasjonen for masteroppgaven er derfor et sterkt behov for å videreutvikle kunnskapen om produksjon av maskinsand. Utfordringene er å utvikle kunnskap for produksjon av maskinsand fra ulike geologiske ressurser, og gi økt forståelse for hvilken prosessering som er påkrevet for å gi materialer som er gode nok til ulike applikasjoner. Målet med masteroppgaven er å evaluere effekten av ulike variabler ved knusing, og knytte dette opp til reologiske egenskaper i fersk betong og matriks avhengig av ulike tilnærminger til mix design. Oppgaven vil ta for seg hele kjeden fra prosessering av knust fjell til egenskaper i sluttproduktet betong. Type oppgave: Lab-undersøkelser, litteratur. Antall studenter: 1

40 Kontaktpersoner: Stefan Jacobsen, Tero Onnela (Metso Minerals), Rolands Cepuritis (Norcem), Prof. II Sverre Smeplass (Skanska Norge AS) 5.14 Virkning av tilslagsmengde på betongs mekaniske og holdbarhetsrelaterte egenskaper Bruken av selvkomprimerende betong (SKB) er økende i forhold til vanlig vibrert betong. Riktig bruk av SKB gir et homogent resultat. Imidlertid kan inhomogeniteter forårsaket av uheldig kombinasjon av geometri, betongsammensætning og støpeprosess føre til variasjoner i materialegenskapene og derved ujevn styrke og bestandighet. Prosjektoppgaven vil gi bakgrunnsinformasjon for etablering av egenskapskart for konstruksjonselementer basert på partikkelfordeling etter støpeprosessen bestemt ved numeriske strømningssimuleringer. Arbeidet dekker: a) Litteraturstudium av betydningen av mengde grovt tilslag på betongens mekaniske og bevegelsesegenskaper; b) Planlegging, utførelse og analyse av eksperimentelle undersøkelser. Type oppgave: Litteraturstudium, laboratorietester Antall studenter: 1-3 Kontaktpersoner: Mette Geiker, Terje Kanstad Numerisk simulering af seperation af store sten under støbning og relativt udtrørringssvind pga. variation i indhold af store sten [Spangenberg et al 2010] 5.15 Abrasjon og isskuring på betongplattformer i arktis Betongens abrasjonsmotstand er en viktig egenskap innenfor nye anvendelsesområder for bla ultra høyfast betong til konstruksjoner eller deler av konstruksjoner med høy abrasjonspåkjenning. Dette gjelder bla. offshore konstruksjoner i arktis, brupilarer, dammer etc utsatt for isskuring, deler av konstruksjoner i rennende vann med sand, rørledd med strømmende sandholdig væske, betongdekker/veier utsatt for piggdekkslitasje etc. Oppgaven går ut på å undersøke eksisterende litteratur mhp effekt av fasthet, tilslag, bindemiddel (silika etc), fiber etc på ulike former for abrasjon. Også enkle levetidsmodeller for nedbrytningshastighet som funksjon av abrasjonstype (is, mekanisk ved erosjon, slag, friksjon og sliping) og materialegenskap (fasthet, tilslag, fiber) er aktuelle å undersøke. Litt avhengig av student interesse er det og aktuelt å undersøke laboratoriemetoder for måling av abrasjon på betong og forta verifiserende forsøk. Type oppgave: Litteratur, Lab.undersøkelse Antall studenter: 1-2 Kontaktperson: Stefan Jacobsen (NTNU), Kjell- Tore. Fosså (AkerKværner) 5.16 Betong for LNG-tanker; tøyningsmåling ved lave temperaturer Betong brukes som bygningsmateriale i tanker for lagring av flytende naturgass LNG (Liquefied Natural Gas), f.eks på Snøhvit anlegget på Melkeøya i Finnmark. Slike betongtanker utføres i dag med lininger og isolasjonssystemer med stål og ulike isolasjonsmaterialer som er

41 kostnadsdrivende. Dersom slike tanker kan utføres med kun armert betong som konstruksjonsmateriale vil det åpne for produksjon av rimelige LNG tanker. Oppgaven går ut på å undersøke målemetoder for studier av frysetøyninger i betong ved lave temperaturer. Frie tøyninger i betong under ulike nedfrysninger gjøres med en ny generasjon LVDT tøyningsmålere (Linear Variable Differential Transducers) laget for lave temperaturer. Innledningsvis undersøkes en ny prøveoppstilling mhp temperaturstabilitet, drift, linearitet etc ved ulike lave temperaturer. Deretter gjøres frie tøyningsmålinger på betong under avkjøling til ulike temperaturer med kalibreringsdataene. Type oppgave: Litt. + praktisk Antall studenter: 1-2 Samarbeid med: Aker Solutions Kontaktperson: Stefan Jacobsen, Kjell Tore Fosså (Aker Solutions) 5.17 Nedbøyning av betongbjelker pga frysing og varierende termisk utvidelse stål-betong Armert betong har vært et suksessrikt materiale i nær hundre år bla pga den termiske kompatibiliteten mellom betong og armeringsstål. Termisk utvidelseskoeffisient,, for armeringsstål er ca C -1 mens for betong oftest er noe lavere, ned mot C -1 avhengig av betongens sammensetning og fuktinnhold. Tilslag av f.eks kalkstein og høyt fuktinnhold i betongen reduserer betongens termiske kontraksjon. Men for betong kan og være tilnærmet lik eller til og med høyere enn for stål, f.eks ved bruk av kvartsitt tilslag som har vesentlig høyere termisk kontraksjon enn kalkstein. I tillegg kan frysing av betong endre for betong avhengig av dens vanninnhold og sammensetning. Under frysepunktet kan for normalbetong med høyt vanninnhold avta og til og med bytte tegn, dvs betongen kan utvise termisk ekspansjon ved fortsatt temperaturreduksjon. Luftinnført betong, derimot, får økt under frysepunktet, dvs økt termisk kontraksjon. Oppgaven går ut på å beregne hvilke spenninger som kan oppstå og sammenligning med eksisterende resultater fra utførte laboratorieforsøk med frysing av små bjelker og måling av resulterende nedbøyninger. Ulike deformasjoner er målt i ulike bjelkeforsøk som følge av ulike verdier i mellom betong og armering. Beregningene gjøres med bruk og forbedring av eksisterende FEM modell av de nevnte bjelke forsøk med input av målte verdier for stål og betong og ulike temperaturer og verifisering mot måledata av nedbøyninger. Resultatene har relevans for ulike områder som økt forståelse av betydning av armering for frost skade i betong og utvikling av «all concrete containment» LNG tanker. Ved anvendelser i det norske klimaet antar vi at dette normalt er av liten betydning men det er tenkelig at armeringens fastholding kan redusere frostskader pga oppsprekking ved å hindre/redusere tøyninger. For LNG tanker er det for eksempel relevant å vite hvorvidt bruk av luftinnført betong er fordelaktig. Henvendelse Jan Arve Øverli og Stefan Jacobsen, Inst for konstruksjonsteknikk, jan.overli@ntnu.no og stefan.jacobsen@ntnu.no (samt samarbeide Dr Techn Olav Olsen AS/Erik B.Holm)

42 5.18 Bruk av sprøytebetong Sprøytebetong er en betong (eller riktigere en mørtel) som blir sprøytet på en overflate ved hjelp av trykkluft. Sprøytebetong har et stort bruksområde og er i dag mest brukt i fjellskjæringer, tunneler og bergrom som midlertidig eller permanent stabilitetssikring og/eller brannsikring. Markedet for sprøytebetong forventes å øke pga mange tunge infrastruktur-prosjekt. Sprøytebetong kjennetegnes ved at den inneholder mye sement, fiber, superplastiserende tilsetningsstoff, og i tillegg spesialutviklede stoffer som intern curing, retarderende- og akselererende tilsetningsstoffer. Vanligvis fungerer sprøytebetongen tilfredsstillende, med god pumpbarhet og sprøytbarhet, samtidig som størkningen og den tidlige fasthetsoppbyggingen oppnås, men av og til (kanskje i perioder) er det problemer med å oppnå de ønskede egenskapene. Ofte fører det til en del prøving og feiling, uten at alltid den eller de reelle årsakene til problemene avdekkes. Norcem har nå gått til anskaffelse av et nyutviklet måleutstyr for å måle den momentane størkningen av sprøytebetong. Oppgaven: Oppgaven går ut på testing av det nye prøveutstyret og utvikle en rasjonell prøveprosedyre tilpasset norsk praksis. Videre skal utstyret brukes for å undersøke kompatibilitet mellom sement sprøytebetongakselerator. Det er aktuelt å samarbeide med en ferdigbetongprodusent for å bruke erfaringer fra in-situ i uttestingsog analysearbeidet i laboratoriet. En sentral problemstilling er etablering av relasjon mellom feltpraksis og lab. Viktige forhold å undersøke omfatter valg av sementtype, mengde og type akselerator, samspill med andre tilsetningsstoff, temperaturforhold, betongkvalitet, andre metoder, framdrift på anlegg etc. Utstyret vil i perioden befinne seg hos Norcem FoU i Brevik, men kan for oppgaven delvis være tilgjengelig for å tas med ut på anlegg. Hvis kandidaten ønsker, kan det også være aktuelt å gjennomføre supplerende laboratorieforsøk ved Heidelberg Technical Center (HTC) i Leimen (Heidelberg), Tyskland, som har utviklet prøveutstyret. Tilsvarende undersøkelser og sammenligning med en mindre sprøyterigg foregår der. Kostnader for evt. opphold i Brevik og Tyskland, samt andre reisekostnader i forbindelse med masteroppgaven dekker Norcem. Relevans mtp. senere jobb : Alle parter i verdikjeden er opptatt av å styrke plattformen for sikker og god bruk av sprøytebetong. Sement- og betongleverandør må styrke arbeidet med produktdesign og kvalitetsstyring, entreprenørene har stor oppmerksomhet rundt utførelse og framdrift, byggherren mht framdrift og funksjon. Type oppgave: Litteratur, laboratorie- evt. noe feltarbeid Antall studenter: 1 Kontaktperson: Knut O. Kjellsen (Norcem), Mette Geiker Samarbeid med: Norcem, NorBetong evt HTC (Tyskland)

43 5.19 Powerhouse Partene i Powerhouse-alliansen ønsker å utvikle næringsbygg som i løpet av byggets levetid skal produsere mer fornybar energi enn det som til sammen blir brukt til produksjon av byggevarer, oppføring, drift og avhending av bygget. Initiativet har vært tungt profilert i media. Bruk av lavkarbon- / lavenergi betong vil gi viktige bidrag i miljøregnskapene for Powerhouse I på Brattøra i Trondheim. Slike betonger har andre bruks- og produksjonsegenskaper enn mer tradisjonelle betongtyper. Oppgaven går ut på å vurdere ulike type lavkarbonbetong, og studere de prosjekteringstekniske og produksjonstekniske konsekvensene av bruk av slike betonger i bæresystemene i Powerhouse I. Masterstudentene skal inngå i en tverrfaglig prosjektgruppe tilknyttet ZEB-programmet, med veiledning og oppfølging fra NTNU, rådgivende ingeniører og entreprenør. Type oppgave: Laboratorieoppgave, analysearbeid Antall studenter: 1 2 Kontaktpersoner: Prof. II Sverre Smeplass (Skanska Norge AS) 5.20 Karbonatisering av betong og korrosjon i karbonatisert betong Armeringsstål er normalt beskyttet mot korrosjon av det svært høye ph-nivået i betong. Karbonatisering av betongen gir redusert ph, og dermed fare for initiering av korrosjon. Betongens sementtype påvirker karbonatiseringshastigheten. Dagens krav til betongsammensetning og armeringsoverdekning i norske standarder er baserte på undersøkelser av byggverk oppført før år 2000, med betong basert på ren portlandssement, delvis tilsatt silikastøv. Senere er det tatt i bruk sementer med flygeaske og slagg (blandingssementer). Dette har sannsynligvis påvirket karbonatiseringshastigheten i de aktuelle byggverkene både i positiv og negativ retning, avhengig av en rekke andre faktorer. Sammen med bl.a. NORCEM, Skanska, SINTEF deltar NTNU i et større forsknings- og utviklingsprosjekt omhandlende bl.a. karbonatiseringsmekanismer, prøvningsmetoder og korrosjon i karbonatisert beton. Der vil være mulighet for å arbeide innen for alle tre områder: karbonatiseringsmekanismer, prøvningsmetoder og korrosjon i karbonisert beton. Oppgavene defineres i samarbeide med studerende, veileder og øvrige prosjektdeltakere.

44 Type oppgave: Litteraturstudium, analysearbeid og feltarbeid/laboratoriearbeid Antall studenter: 1-2 Kontaktperson: Mette Geiker, Klaartje De Weerdt, Prof. II Sverre Smeplass (Skanska Norge AS), Samarbeid med: Partnere i BIA prosjekt Utvikling av lavkarbonsement som gir forbedret bestandighet i betongkonstruksjoner.

45 6 KONSTRUKSJONSMEKANIKK 6.1 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 virvelavløsnings-svingninger. Hensikten med denne oppgaven er å få studert den viktigste delen av teorigrunnlaget for hvordan slike problemer kan håndteres for aktuelle bygningskonstruksjoner. Type oppgave: Teori, litteratur, numerisk beregning. Antall studenter: 1-3 Kontaktperson: Einar Strømmen 6.2 Micromechanical approaches to fatigue crack initiaton The fatigue crack initiation phase for components that are free of initial cracks is not completely understood yet. Surface finish has a significant influence on the fatigue crack initiation life. The project addresses use of different methods to compute the damage accumulation during this phase of the fatigue life. An aluminium allloy will be used as example material (a lot of test data from a previous PhD study is available for evaluation of computational accuracy). Twodimensional finite element models is used with different levels of microstructure modelling and corresponding damage parameters. The work can be set up with several steps of increasing complexity. First, isotropic materials and isotropic damage parameters are used. This can be supplemented with anisotropic models. These two approaches can be solved within the framework of continuum mechanics and simple finite element models. A third approach can be to introduce grain structure and grain boundaries, and account for this in a micromechanical finite element analysis. Type of task: theoretical/numerical Number of students: 1-2 Contact: Prof B Skallerud, dr S Ås (SINTEF) 6.3 Dynamic response of spherical shells of different materials This study addresses the dynamic response of spherical shells made of linear elastic materials that have different stiffness. A first step is a literature study on existing analytical solutions. Wide ranging eigenmodes and frequencies are of interest. Then the feasibility of finite element analysis of the problem is investigated. Here, mesh refinement versus highest vibration mode that can be predicted with reasonable accuracy is investigated. Also, the accuracy of prediction versus the elasticity of the shell material is of interest (stiff/soft materials). A motivation for the study is application of small spheres employed as a tool for transport of medicine into predefined regions in the body, i.e. medical technology. Forced vibrations may be addressed at a later stage. Type of task: theoretical/numerical Number of students: 1-2 Contact: Prof B Skallerud 6.4 Leak before break analysis of cylindrical pressure vessels The nonlinear shell finite element program LINKpipe, developed at NTNU, includes semi-elliptic surface cracks via linespring finite elements. With this one can do nonlinear fracture mechanics assessments accounting for global/local buckling in the same simulation. A further extension of the code is to have a transition from surface crack to a through crack. The stability of the through crack is very important in order to avoid catastrophic failure of a pressure vessel, i.e. leak before break (LBB). A MSc-thesis of 2004 implemented a cohesive zone finite element in LINKpipe.

46 Some deficiencies still exist with this and the numerical modelling needs further improvements. This is the main topic of this project. Type of task: theoretical/numerical Number of students: 1 Contact: Prof B Skallerud, PhD-student E Berg 6.5 Linespring elements as a tool for fatigue crack growth computation The linespring finite element is mainly used in predicting J-integral, CTOD, T-stress (constraint) for monotonically increasing load. As such it is used at present by several oil companies by means of the software LINKpipe. In cyclic loading, however, load reversal and unloading of the crack need to be accounted for. The possibility of crack closure also needs to be addressed. With this in place, one can obtain ranges of stress intensity factors that are used together with Paris equation. Modification of the linespring algorithm to account for these conditions is the main topic of this project. Furthermore, the accuracy of the predicted SIF s needs to be checked against e.g. the Newman-Raju solutions to decide whether this is a feasible approach for fatigue life predictions. Type of task: theoretical/numerical/experimental Number of students: 1 Contact: Prof. B Skallerud, dr.ing. B W Tveiten (SINTEF) 6.6 Isogeometrisk analyse Ved isogeometrisk analyse parametriseres geometri og forskyvninger ved samme sett av basis funksjoner (Splines, NURBS). Fordelen er at elementmodellen i mange tilfeller kan representere eksakt geometri. Oppgaven omfatter en innføring i isogeometrisk analyse samt at det skal gjennomføres en uttesting av metoden på noen utvalgte testeksempler. Type oppgave: Numerisk undersøkelse, programutvikling, teori Antall studenter: 1 Kontaktperson: Kjell Magne Mathisen 6.7 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

47 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: Antall studenter: Samarbeid med: Kontaktperson: Konseptutredning, bygningsprosjektering; tegning, beregning, rapport ca. opp til 4 stk Fakultet for Arkitektur og Billedkunst ved Bendik Manum Anders Rönnquist 6.8 Laboratorieforsøk av kabel svingninger 30 m lang seksjon av en fullskala kontaktledningsanlegg Det er bygget en ca. 30 m lang seksjon av et spenn til et ellers fullskala kontaktledningsanlegg nede i den store labben. Systemet er designet slik at det har mest mulig lignende dynamiske egenskaper som de normalt 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: - Praktisk gjennomføring å bygge opp modellen - Praktisk måleteknikk - Modal analyse av fundamentale moder - Bølgetransport langs kabelsystemet - Innflytelse på systemets dynamiske karakteristikk på grunn av variasjon av mekaniske og geometriske systemparametere. Type oppgave: Praktiske beregninger og gjennomføring av modellforsøk Antall studenter: 1 3 Samarbeid med: Jernbaneverket Kontaktperson: Anders Rönnquist 6.9 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

48 6.10 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 Antall studenter: 2 4 Samarbeid med: Jernbaneverket Kontaktperson: Anders Rönnquist 6.11 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 Antall studenter: 1 2 Samarbeid med: Jernbaneverket Kontaktperson: Anders Rönnquist 6.12 Dynamisk analyse av slanke brukonstruksjoner utsatt for naturlaster Som et ledd i prosjektet ferjefri E39 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 av dynamisk respons av konstruksjonene utsatt for vind og bølgelaster samtidig som det rettes et

49 spesielt fokus på beregningenes usikkerhet. Denne masteroppgaven tar sikte på å bidra i dette utviklingsarbeidet. Aktuelle temaer Vindindusert dynamisk respons av Gjemnessundbrua 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.

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

51 6.13 Earthquake analysis of structures using nonlinear models A number of methods have been developed for nonlinear dynamic response of structures under earthquake loading. The most common are based on the so-called "Fibre Model", and "Lumped Inelasticity" concepts, which account for the true nonlinearity and ductility of the structure, and the characteristics of real earthquake records. These models demand knowledge of nonlinear structural behavior. Nonlinear static solutions are proposed as alternative. This Masteroppgave will first make a review of these methods with a focus on the computational tools and their advantages. The results of these methods will next be compared with the simplified static and codebased solutions, and recommendations will be made for their use. Development and testing of new simplified nonlinear models will be considered. A multi-story structure with shear walls will be used in one of the softwares ABAQUS, SAP or SeismoStruct. Type oppgave: Teori, litteraturstudie, Eurocode 8, FE-beregninger Antall studenter: 1-2 Kontaktperson: Amir M. Kaynia 6.14 Dynamisk og jordskjelvanalyse av vindturbiner Respons av vindturbiner er ofte dominert av vindlast. Med utvikling av større turbiner og deres bruk i seismiske områder, er det reist spørsmål om turbinenes respons under jordskjelv. Relevante temaer inkluderer bl.a. vurdering av dempning (både i konstruksjon og fra vannet), krefter på fundamenter, og ikke-lineær oppførsel av skaft. Oppgaven består i å utføre ikke-lineære og dynamiske analyser av en typisk vindturbin, vurdere effekt av fundamentets stivhet på respons, og utvikle forenklede beregningsmodeller. Type oppgave: Teori, litteratur, FEanalyser Antall studenter: 1-2 Kontaktperson: Amir M. Kaynia

52 6.15 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 Akselsen, (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) 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 Contact: Professor Zhiliang Zhang, 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) Contact: Professor Zhiliang Zhang,

53 6.18 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 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 Contact: Professor Zhiliang Zhang, 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 Contact: Professor Zhiliang Zhang, 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

54 onset and arrest of unstable brittle fracture in a Charpy test. Compare these results with experimental results obtained from instrumented Charpy tests. Type oppgave: FEM simulation and testing Contact: Professor Zhiliang Zhang, 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 physicallybased 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: Simulation Contact: Professor Zhiliang Zhang, 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.

55 Type of project work: literature survey and basic lab work. Keywords: anti-icing; hydrophobicity; nanostructuring; adehsion. Contact at NTNU Nanomechanical Lab Prof. Zhiliang Zhang, Information can be found: Associate prof. Jianying He, Contact at industry, Statoil ASA, Trondheim Dr. Morten Karlsen 6.23 Fracture mechanics: development of notched cross weld tensile method In the past years we have developed a notched cross weld tensile testing method which has received wide attention in the literature. This master thesis study will further develop the notched cross weld tensile testing method for determining the stress-strain curve of different material zones in a weldment. The stressstrain curve obtained from the current method cannot be used directly for finite element analyses and the so-called Bridgeman correction has to be applied to get the true stress-strain curve. The aim of the master study is to develop a method which can avoid the complicated Bridgeman correction procedure. Type oppgave: Simulation Contact: Professor Zhiliang Zhang, Hydrogen embrittlement: Notch sensitivity The master thesis study will be a part of the ongoing interdisciplinary research project financed by the Research Council of Norway: Hydrogen-induced degradation of offshore steels in ageing infrastructure - models for prevention and prediction (HIPP). In particularly, the master study will focus on the notch sensitivity of hydrogen embrittlement which is a severe problem for the Norwegian industry. The detailed info of the HIPP project can be found from Contact: Professor Zhiliang Zhang, Associate Professor II Jim Stian Olsen, Aker Solutions Making steels both stronger and tougher- a dream comes true There are many methods to increase the strength of steels. However, increasing the strength often bring the drawbacks of losing the toughness. It is a dream for material scientists and mechanical engineers to produce the metals which are both stronger and tougher. Recently it has been shown that the dream may come true if we are able to surface treat the materials by gradually changing the size of the grain microstructures (see the figure). The master thesis will pursue the idea to simulate the effect of gradient microstructure and eventually produce the materials. Contact: Professor Zhiliang Zhang and Associate Jianying He, Wind load module for CSi ETABS i samarbeid med EDR&Medeso. Oppgaven er allerede tildelt 6.27 Placement of Multiple Equipment in confined space i samarbeid med Aker Solutions. Oppgaven er allerede tildelt.

56 7. Programutvikling 7.1 Program for statisk og dynamisk analyse av plane rammer (fap2d) Gjennom flere prosjekt/masteroppgaver ved instituttet (2007, 2009, 2010 og 2011) er det utarbeidet et ganske omfattende, men fortsatt litt uferdig Windows program for statisk og dynamisk beregning av plane rammer. Det gjenstår fortsatt noe programmering (knyttet til jordskjelv, sanntids analyse av bevegelig, men statisk last, dimensjonering av trekomponenter,forbedringer mht stabil og sikker bruk), rapportgenerering samt en del uttesting/verifisering. Oppgaven forutsetter både interesse for og kunnskaper/ferdigheter vedr programmering, og den/de som velger oppgaven må være innstilt på å bruke en del tid/innsats på å sette seg inn i eksisterende kode. Type oppgave: Programmering, C# og Open GL. Antall studenter: 2 (har allerede valgt oppgaven) Kontaktperson: Kolbein Bell

57 8 BIOMEKANIKK 8.1 Finite element modeling of the left ventricle of the human heart using different nonlinear elasticity models Numerical analysis of the heart 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. This project addresses use of ABAQUS with different hyperelastic material models in order to assess their validity. Comparison with ultrasound (or other) measurements of tissue motion will be employed in order to determine the material parameters. Simplified anatomical models can be used as a starting point in the numerical study. The task can be separated into focus on different parts of the heart cycle (diastole, systole) and passive or active material models for the tissue. Type of task: theoretical/numerical Number of students: 1-2 Contact: Prof B Skallerud, Post.doc V Prot 8.2 Biomechanics of the heart: Numerical analysis of the influence of the mitral valve on left ventricle hemodynamics This project addresses use of e.g. FLUENT to determine hemodynamics (velocity and pressure) during pulsatile blood flow around the mitral valve. The main result from the simulations is local pressure distributions on the leaflets of the valve during the heart cycle. Type of task: theoretical/numerical Number of students: 1 Contact: Prof B Skallerud, Prof. L.R. Hellevik, PhD-student S. Dahl, 8.3 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 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

58 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. 8.4 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, J. Bonet. Large strain viscoelastic constitutive models. International Journal of Solids and Structures, 38(17): , S. Govindjee and S. Reese. A presentation and comparison of two large strain deformation visoelasticity models. ASME Journal of Engineering Materials and Technology, 119: , 1997.

59 8.5 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 layers and blood flow in false channels within the wall. The flow profile 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. long-term goal is to develop models for aortic wall rupture prediction. As the wall and the flow fields are likely to play a role, we will aim at a fluidstructure 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 flow field. 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/PR Leinan Collaborators: Prof. Truls Myrmel UNN, Tromsø. wall and Our both the This 8.6 Simulation of pressure and flow propagation in blood vessel networks Pressure and flow pulses originating in the heart propagate and are in the arterial tree. The propagation may be estimated by simplified one-dimensional differential equations accounting for mass and momentum transport. The objective in this thesis is to improve and develop further an in house computer program (written in Python) for blood vessel networks. 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, extensive validation against previously published data, coupling of 1D-models with 3D FSI-simulations. Type of task: theoretical/numerical/programming Number of students: 1-2 Contact: LR Hellevik/V Eck

60 8.7 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, 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, Type oppgave: numerisk/teoretisk Antall studenter: 1-2 Kontakt: LR Hellevik Medveiledere: Abigail Swillens, post-doc, IBiTech-bioMMeda, Gent, Belgium. 8.8 FEM simulering av skjærbølger i hjerteveggen Hjertet er en muskel som både skal pumpe blod ut og suge nytt blod inn før neste slag. Ved enkelte sykdommer blir hjertemuskelen stiv, og dette skaper problemer for fylningen/suget i hjertet. Konsekvensen av dette er at hjertet pumper mindre effektivt, og at pasientens anstrengelsesevne blir dårligere. Det er vanskelig å måle hjertemuskelens stivhet direkte, men med ny ultralydteknologi kan vi ta bilder med ekstrem tidsoppløsning (>1000 bilder pr sekund). Dermed kan vi se på mekaniske fenomener vi ikke har sett tidligere, for eksempel raske deformasjonsbølger. Hypotesen vår er at hastigheten til disse bølgene kan si noe om hjertemuskelens stivhet. Oppgaven går ut på å utvikle en finite element modell der forplantningen til slike bølger kan simuleres. Arbeidet vil bygge på modeller som allerede er utviklet ved Institutt for konstruksjonsteknikk. Type oppgave: teoretisk/numerisk Antall studenter: 1-2 Kontakt: LR Hellevik Medveiledere: Prof Hans Torp og Post Doc Brage Høyem Amundsen, Medisinsk Fakultet, Sirkulasjon og bildediagnostikk, NTNU.

61 8.9 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. Type of task: numerical/analytical No. students: 1-2 Supervisors: Prof B Skallerud, Dr J He, Prof ZL Zhang 8.10 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. Type of task: experimental/numerical/maybe some analytical No. students: 1-2 Supervisors: Dr J He, Prof B Skallerud, Prof ZL Zhang 8.11 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. Type of task: numerical No. students: 1-2 Supervisors: Assoc Prof V Prot, Prof B Skallerud

62 8.12 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. Type of task: numerical No. students: 1 Supervisors: Prof B Skallerud

63 9. Fornybar energi: Offshore vind turbiner 9. Marin Byggteknikk /Marine Civil Engineering 9.1 Port and Coastal Evaluation of port terminal equipment Topic: Evaluation of different terminal equipment in smaller container terminals in terms of cost-effective container handling. In Norway and in countries with smaller ports that have container volume less than about 150,000 TEU, mainly use RS (Reach Stacker) as handling equipment. This has been a cost effective solution and with limited investment in equipment and great flexibility. However this occupy large areas and when there is scarcity of land, the question is what is the container volume to achieve a cost-effective management by using a more space efficient container handling equipment. Today more automated container handling equipment are developed such as the Rubber Tyre Gantry (RTG)) and the Rail-mounted gantry (RMG)) that allows the container volume to bring such equipment in use to be lowered. It is therefore interesting in a project to compare, for example, RS with RTG cranes in a small terminal to find out what are the advantages, disadvantages, savings, etc. Today, there are limited empirical data collected and to be together just the kind of operations. The project may well continue in a master's thesis in which a detailed computational model for optimization of smaller terminals will be developed. Prerequisites: TBA4292 TBA4145 Port and Coastal Facilities Task type: Literature survey and numerical simulations Number of students: 1 Cooperation partner: Borg Port, Fredrikstad, Norway; Port Director Tore Lundestad Contact person at NTNU: Øivind A. Arntsen, oivind.arntsen@ntnu.no (Intentionally blank )

64 Wave forces from slide generated waves. There are several places in Norway where slide-generated waves may occur. Currently the area at Åknes in Storfjord in the county Møre and Romsdal is monitored to predict if a slide will occur. If the monitoring indicates that a slide is underway, the strategy is to evacuate people from the threatened inhabited locations along the fjord. A numerical program has been developed by the Norwegian Geotechnical Institute/University of Oslo to study the magnitude of the waves at the slide area and how the waves will propagate (cf. illustration) and run-up in the Storfjorden and in neighboring fjords. In the spring of 2011 model tests will be carried out at SINTEF on an existing model in scale 1:500 of the fjord areas around Storfjorden to improve/verify the numerical model. The preliminary calculations and model tests show that the run-up at location like Stranda, Ullsteinvik and Geiranger most likely will be devastating to many buildings in the area. However, there are uncertainties about the forces the slide-generated waves will induce on buildings and other structures. It is especially important to have knowledge about these forces with respect to future designs. In Norway at last there is nothing in building codes on the design of structures in areas prone to slide-generated waves. Wave forces from tsunamis are currently studied, e.g. in Canada, The long term objective of this multi-disiplinary research effort is to improve existing structural codes for the design of buildings located in the vicinity of the coastline in tsunami attack-prone areas. Similarly research in Norway on wave forces induced by slide-generated waves should at some point in time be included in building codes. During the project and thesis work the student should familiarize himself with the problem and make some estimates on the forces on structures induced by slide-generated waves. The student will in particular have access to the findings of NGI/UiO on run-up and wave kinematics. Most of the existing tests results on wave forces induced by long waves are from tests on ocean tsunamis. However, ocean tsunamis have longer periods than slide-generated waves. During the Master thesis work the student shall therefore carry out tests on forces induced by slide generated waves. developed. Task type: Literature survey, calculation and laboratory experiments Student background: TB4265 Marine Physical Environment Number of students: 1-2 Cooperation partner: NGI Contact person at NTNU: Alf Tørum, alf.torum@ntnu.no/øivind A. Arntsen oivind.arntsen@ntnu.no

65 9.1.4 Berm breakwaters with concrete cubes as armor units. (Tildelt utvekslings student - Studentrenna) Berm breakwaters have so far always been constructed with rock armor units. Where large enough rock armor units can be obtained within reasonable distance from the breakwater site the berm breakwater can be a very economical breakwater solution. However, in many places it is not possible to obtain large enough rock armor units to construct a berm breakwater. Concrete cube armor units may then possibly be used. A berm breakwater may be designed as 1. Non-reshaped, static stable or 2. Reshaped, static stable. In the first category the berm breakwater the accepted reshaping is similar to the reshaping (damage) of a conventional rubble mound breakwater. In the second category significant reshaping is accepted. This may then require extra investigation on the strength of the cubic concrete armor units. However, as a first investigation the hydraulic stability of a berm breakwater with concrete cube armor units should be carried out. The Sirevåg berm breakwater in Norway has been subjected to many investigations, including also comparison of model tests and prototype behaviour. The Sirevåg berm breakwater has been constructed with rock armor units. Figure 1 shows the cross section of this breakwater. For the sake of comparison it seems to be beneficial to test the Sirevåg berm breakwater with concrete armor units. Figure 1. Cross section of the outer end of the Sirevåg berm breakwater. Design waves H s,100 = 7.0 m, T z = 10.6 s, HoTo=48. Class I stone W = tons, gradation factor f g = 1.1, Class II stones tons, Class III stones 4-10 tons and Class IV stones 1-4 tons. Stone mass density is ρ s = 2700 kg/m 3. The width of the berm is 20 m. Research tasks The research may start with a project work fall 2012 followed to familiarize him/her self with the problem area. During the Master thesis work the stability of the breakwater armour layer is tested in laboratory with a scale model similar to the Sirevåg testing where the Class I stones should primarily be replaced with concrete armor units. The tests will be carried out as 2D tests in scale 1:70 1:80 in a wave flume. Task type: Literature survey, calculation and laboratory experiments Prerequisites: TBA4265 marine Physical Environment, TBA4145 Port and Coastal facilities or similar. Number of students: 1 Contact person at NTNU: Alf Tørum, alf.torum@ntnu.no/øivind A. Arntsen oivind.arntsen@ntnu.no

66 9.1.5 Wave slamming forces on truss support structures for wind turbines. (Tildelt COMEM Student Sjøfrid) Wind turbine foundation structures in shallow water may be prone to slamming forces from breaking waves in shallow water, typically plunging breaking waves. Reinertsen A/S has been involved in the design of a truss support structure for wind turbines on the Thornton Bank, Belgian Coast. Plunging breaking waves has been specified for this area. Calculations show that the forces from the plunging breaking waves are governing the responses of the structure Figure 1. NTNU 1:50 scale model and the foundations. However, there are considerable uncertainties on the calculated plunging breaking wave forces A master student is in the spring semester 2012 conducting tests on a 1:50 scale model of a truss structure, Figure 1 to obtain wave slamming forces. The model test set-up for this model is shown in Figure 2, where the single pile is replaced by the truss structure model. Research tasks During the project work the student shall familiarize him/herself with the problem area and with previous investigations, including some calculations to be decided later. The type of breaking (surging, plunging etc) is depending on the wave steepness and the bottom slope. The bottom slope in front of the model structure has been approximately 1:10 in the tests run by Ros (2011), Aune (2011) and also in the tests by the spring 2012 Master student. Plunging waves have been obtained in this case. During the tests for Master student in the spring semester 2013, the bottom slope will be 1:30 or 1:50 For these slopes it may be that mainly surging waves will occur. In addition to the tests on the full 1:50 scale model, tests should also be carried out on parts of the structure (a single pile, a single panel). The tests will be run with regular as well as irregular waves. The Master thesis work implies also some contact and co-operation with Reinertsen AS. Figure 2. Test set-up. Task type: Literature survey, calculation and laboratory experiments Prerequisites: TBA4265 Marine Physical Environment; TBA4275 Dynamic response or TKT4201 Structural dynamics, or similar. Number of students: 1

67 Contact person at NTNU: Alf Tørum, A. Arntsen Composite breakwater A composite breakwater may be an attractive breakwater concept for deep water, say m. Figure 1. The caisson may be a plain front wall or may have a circular form, as indicated in Figure 1. The circular form may be an advantageous form because the wave pressures and internal pressures are taken by axial forces. Wave heights in the range H s = 6 11 m and peak periods in he range T p = s should be considered m m Plan view Figure 1. Conceptual sketch of a composite caisson breakwater. Annette Jahr (2010), Tørum et al. (2011), carried out a study of the wave forces on a composite breakwater using only regular waves. Research: During the project work the student shall familiarize him/herself with the problem area and with previous investigations, including some calculations to be decided later. During the master thesis work in the spring semester 2013 the student shall carry out experiments to investigate further the wave forces from irregular waves on the circular caissons. For comparison the student shall also carry out tests on a plain wall caisson. Although the study is general the following prototype conditions should be kept in mind: Water levels: ± 0; Sea bottom at: 55 m; Caisson crest height: m; Caisson bottom: - 25 m Two rows of circular cylinders, each with a diameter D = 20 m, filled with stone/gravel/sand. Concrete wall thickness 50 cm. Core material: kg; Wave heights: Ultimate limit state (ULS): Hs = 8.4 m, Tp = 15.8 s ; Load combinations: 1.0G+1.3E (G = dead weight load, E = environmental loads); Accident limit state (ALS): Hs = 10.4 m, Tp = 17.3 s; Load combinations: 1.0G+1.0E. References: Jahr, A. (2010): Composite breakwater with circular caissons. MSc thesis, NTNU, June Tørum, A., Jahr, A. and Arntsen, Ø. (2011): Wave forces on a composite breakwater with circular cylinder caissons. Sent for possible publication. Task type: Literature survey, calculation and laboratory experiments Prerequisites: TBA4265 Marine Physical Environment, TBA4145 Port and Coastal facilities or similar.

68 Number of students: 1 Contact person: Alf Tørum, alf.torum@ntnu.no / Øivind A. Arntsen oivind.arntsen@ntnu.no Floating breakwaters Floating breakwaters has an advantage over fixed wave absorbers in areas with great depth and limited wave exposure. The cost of building a conventional breakwater increases significantly with water depth and for a number of marinas along the Norwegian coast, these solutions can be completely obsolete. The purpose of a wave absorber is to reduce the wave height on the leeward side relative to the incoming waves. Reduction in wave height inside the breakwater occurs either because the wave loose energy by breaking and the energy passes into turbulence or by that the breakwater reflects the wave. The project work fall 2012 the candidate shall perform a literature survey and provide data on how a caisson type submerged breakwater behaves and calculate reflection and transmission coefficients, and suggest possible modifications that can lead to improved wave protection. Anchoring systems, mooring forces, links and fender systems between elements may also be considered. In the master thesis work, there could be several ideas to follow, depending on the results of the project and the interest of the master student. Her I suggest the following: The combination of a set of submerged breakwaters and a floating breakwater shall be tested in the laboratory. Floating breakwaters become inefficient when the breakwater width is less than half the wavelength. This means that if the incoming wave has a wavelength of 20 m the breakwater has to be 10 meters wide to be most effective. When waves pass over submerged breakwaters a nonlinear process very often transforms the waves by making the wavelength shorter (approx by a factor 0.5), but not necessarily reduce the wave height enough. Since the wave length is reduced the 10 m wide floating breakwater may no be efficient up to 40 m long incoming waves. So far these are speculations. Therefore we will set up a test facility in a wave flume to investigate this. And also see if we are able to model the processes numerically using a numerical wave-tank. Preliminary experiments (S. Yu. Kuznetsov, 2012) Physical mechanisms of secondary waves formation in coastal zone and possibility of its application to coastal protection, Copedec 2012, Feb 2012, Chennai, India. Task type: Literature survey, calculation and laboratory experiments Prerequisites: TBA4265 Marine Physical Environment, TBA4145 Port and Coastal facilities or similar. Number of students: 1 Contact person: Øivind A. Arntsen oivind.arntsen@ntnu.no

69 9.1.8 CFD modeling of OWC wave energy converters An OWC (Oscillating Water Column) device consists of an air filled chamber, which is partially submerged in the ocean. Due to the wave motion of the sea, the water column inside the chamber moves up and down, initiating oscillatory airflow in the upper part of the chamber. The air exits and enters the chamber through a Wells turbine, which is optimized for lowpressure air flow and always rotates in the same direction. The hydrodynamics and wave kinematics around and inside the OWC device heavily influence its performance. In this project, a simplified 2D setup will be used for numerical investigations of the OWC device. The numerical wave tank REEF3D ( will be used for this task. The level set method is employed for the calculation of the complex free surface. The flow problem is solved as a two-phase flow of water and air, with the free surface represented by the interface between the two phases. With this method, it is possible to calculate the motion of the free water surface and the air flow inside the OWC chamber in great detail. During the project the 2D model will be implemented and first simulations will be performed. The project work is assumed to be continued in a thesis, during which parameters of the design will be varied, and the power production of the turbine will be studied in more detail. Prerequisites: TBA4265 Marine Physical Environment, CFD Task type: Literature study, CFD Modeling Number of students: 1 Contact person at NTNU: Michael Muskulus, michael.muskulus@ntnu.no, Hans Bihs, hans.bihs@sintef.no

70 9.1.9 Wave propagation over rough topography Numerical wave transformation models (SWAN, MIKE21, STWAVE etc) are developed mainly for gentle variable bottom topography. The question becomes how well such models can predict wave transformation on a rugged coast like the Norwegian coast. In the project work the student shall familiarize himself/herself with the use of STWAVE and /or SWAN for a given sea state and a given location. In addition hindcast wave data off the coast at Mehamn shall be analyzed to obtain the design wave conditions to be simulated in the thesis work. The project work is assumed to be continued in a thesis where the task will be to analyse a set of measured wave data recorded at different locations in a model study of waves approaching the exposed Norwegian harbour (Mehamn) and compare how the different transformation models can predict the conditions measured. In addition the task will be to compare wave data at a deep sea location (outer station) with wave data at a shallow water location (inner station) and apply the wave transformation models under the same conditions and compare the calculated transformed waves with the observations of the inner station. Type: Numerical modeling using commercial software Prerequisites: TBA4265 Marine Physical Environment, Contact person at the department: Øivind Arntsen Supervisor: Øivind Arntsen Cooperation partner: SINTEF Coast and harbour lab/svein Vold.

71 9.2 Offshore Marine Civil Engineering Free spanning pipelines Pipelines on uneven seafloor will exhibit free spans in case they cannot follow the geometry of the sea bottom. In this project the student shall investigate the conditions for and behaviour of free spans and investigate solutions to limit the free spans. Of particular concern is the analysis of pipelines under free spanning conditions. The project work might be continued in a master thesis project. Prerequisites: TKT4201 Structural dynamics or TBA4275 Dynamic response or similar Recommended supplementary course: TBA4116 GEOTECH ENG AC, TKT4108 DYNAMICS AC Task type: Calculation task, numerical modelling, literature survey Number of students: 1 Contact person at NTNU: Ove T Gudmestad, ove.t.gudmestad@uis.no Marine Operations in Cold Climate Marine operations taking place in cold climate regions have to take into consideration the specifics of the climatic conditions: During installation the work season may be limited due to ice and drifting ice. During the fall season polar low appears and unpredictable weather makes planning for installation difficult. Icing might occur relatively early during the fall. During operations of the production from an offshore oil and gas field, the weather conditions might pose severe limitations to operations as icing and ice conditions may pose specific requirements. The student shall assess the challenges and limitations of carrying marine operations in cold climate. The installation and operation phases shall be assessed and the ice free as well as the ice covered seas shall be discussed. The project work may be continued in a master thesis project. Prerequisities: AT 327 Arctic Offshore Engineering, Recommended supplementary course:, TKT4108 DYNAMICS AC, TMR4130 RISK SAFETY MAR TRAN Task type: Calculation task, Literature survey Number of students: 1, Contact person at NTNU: Ove T Gudmestad, ove.t.gudmestad@uis.no Field development in cold climate (tildelt CoMEM student) Sub Title: Aspects that influence on offshore hydrocarbon field development scenarios in cold climate regions with emphasis on the Barents Sea Oil and gas development in cold climate areas represent challenges additional to those experienced further south. The project will emphasis on aspects related to the physical environment, on flow in pipelines and on technology for field development. Risk analysis and selection of safety level shall be important part of the discussions. Economical assessments shall be conducted to understand the sensitivity to different development schemes Prerequisities: TBA4265 Marine Physical Environment

72 Key words: Barents Sea Type of project: Literature + analytical assessment of hydrocarbon development schemes Number of students: 1 to 2 Cooperation with: University of Stavanger Contact person: Ove T Gudmestad, professor II at NTNU, ove.t.gudmestad@uis.no Continuation of project: Can be extended into Master Thesis Pipelines subjected to dynamic loadings and Vortex induced vibrations during laying. Sub Title: Damage of pipelines during the pipeline installation phase During laying of oil and gas pipelines, vessel motion can cause overstressing and the pipe may have to be placed on the bottom to avoid damage. The motion of the stinger is in particular a problem and a buckle might be initiated during laying. Loss of anchors represents another damage scenario as well as loss of tension power. Vortex induced vibrations caused by laying in strong currents might damage the pipe and cause fatigue damage and this aspect shall in particular be assessed. Prerequisities: TBA4265 Marine Physical Environment, TKT4201 Structural dynamics or TBA4275 Dynamic response or similar Key words: Pipe laying Type of project: Literature + analytical assessment of effects of large vessel motion during pipelaying as well as vortex induced vibrations during laying Number of students: 1 Cooperation with: University of Stavanger Contact person: Ove T Gudmestad, professor II at NTNU, ove.t.gudmestad@uis.no Continuation of project: Can be extended into Master Thesis Installation of offshore wind turbines Sub Title: Methods for efficient installation of wind turbines in harsh offshore climate Installation of offshore wind turbines represents a very costly element. In open seas waiting on weather can increase the costs substantially and cause wind farms to become non-economical It is therefore necessary to compare different methods for installation and investigate new methods It should be noted that new methods that can reduce waiting on weather could make a substantial contribution to the economic feasibility of offshore wind farms. Prerequisities:: TBA4265 Marine Physical Environment Key words: Offshore wind turbines, marine operations, lifting Type of project: Literature + analytical assessment of installation methods for offshore wind turbines Number of students: 1to 2 Cooperation with: University of Stavanger Contact person: Ove T Gudmestad, professor II at NTNU, ove.t.gudmestad@uis.no Continuation of project: Can be extended into Master Thesis

73 9.3 Arctic Technology (ice mechanics and ice actions on marine structures/vessels) When designing coastal and marine structures (including vessels) the actions from floating ice covers often gives the most important environmental actions. There are mostly three scenarios that can be critical: icebergs, ice ridges and level ice. The suggestions below are offered within the SAMCoT project ( ) Level ice action, ice-induced vibrations and uncertainties. It is possible to choose a topic with joint supervision from Veritas (DNV) or Reinertsen. Contact person at NTNU: Knut V. Høyland, knut.hoyland@ntnu.no or Sveinung Løset, Sveinung.loset@ntnu.no. Ice induced vibrations a tool for prediction of cyclic loading due to ice crushing (with Morten Bjerkås from Reinertsen) Sea ice density (DNV/ NTNU) First year sea ice density is an important variable required for ice load predictions; but it is not constant, and there is a need to investigate and characterize the uncertainty associated with its numerical value. The current project aims to: (i) collect measured data on sea ice density, and compile a data base from which statistical characteristics may be inferred; (ii) if time permits, perform an analysis of measured data, with the aim to establish whether or not intraseasonal variations (dependent on e.g. temperature and salinity) are important. Spatial variation of compressive strength of horizontally loaded first year sea ice This project involves experimental work, and some analysis of the results. The aim is to: i) establish a standard measurement procedure, in the form of a normative recipe that can be followed by any non-experienced personnel, for measuring compressive strength of horizontally loaded first year sea ice (e.g. from core measurements, or from other methods). The procedure might involve specifications of required equipment, instructions for repeating the experiment, so that uncertainty in the obtained numerical value can be quantified (e.g. by estimates of the precision of the measurement and of the accuracy in the result); (ii) perform systematic measurements to establish spatial variations. (iii) collect measured data and compile a data base (iv) if time permits, perform an analysis of measured data, with the aim to establish whether or not intra-seasonal variations (dependent on e.g. temperature and salinity) are important. Analyse data about dynamic ice structure interaction from laboratory tests (DNV/NTNU) Numerical model for ice-induced vibrations (DNV/NTNU) Ice mechanical experiments in NTNU ice-lab, e.g. cyclic testing. Analysis on local ice load Ice action on ships Ships sailing in ice covered waters experience heavy loading from ice. Local ice loads on frames are measured with set of strain gauges. The measured loads can be used to develop statistics of ice loads in different parts of the ship hull which can further used for the development of design codes for ice going ships. The goal on the work is to defined the long term ice load statistics and define long term extreme loads for given return periods and ice load spectrum from the measured data to support the

74 long term ship design code development. The work will be based on previous research in the area and data ice load data measured in the Baltic Sea and southern Ocean around Antarctica. Close cooperation and support will be provided from DNV Research and Innovation to carry out the work Ice ridges and ice ridge actions It is possible to choose a topic with joint supervision from Veritas (DNV). Contact person at NTNU: Knut V. Høyland, knut.hoyland@ntnu.no. Ice ridge action on offshore structures - ice ridges as extreme ice features Ice ridge action on offshore structures material modeling FEM (SAMCoT) Ice ridge action on offshore structures experiments in NTNU ice-lab (SAMCoT) Ice ridge action on offshore structures analysis of ice ridge geometry (CL how deep and how wide) Ice ridge action on offshore structures - How to produce sale-model ice ridges Ice ridge action on offshore structures - Ice rubble formation on sloping structures Icebergs It is possible to choose a topic with joint supervision from Veritas (DNV). Contact person at NTNU: Sveinung Løset, Sveinung.loset@ntnu.no. Drift of icebergs in the Barents Sea Icing It is possible to choose a topic with joint supervision from Veritas (DNV). Contact person at NTNU: Sveinung Løset, Sveinung.loset@ntnu.no. Algorithmic Detection and Characterization of Sea Spray Events The spray delivered by ship-wave interactions is the critical first step in the formation of sea spray icing in cold conditions. Additionally, as the cost of digital and closed-circuit video cameras has decreased, their usage has proliferated, including aboard seagoing vessels. A welldesigned computer algorithm could analyze in real time the imagery from one or more forward-facing cameras and reliably detect the frequency and duration of sea spray events and perhaps related information like the wave period and wave direction. Such a program would be useful for scientific investigations of sea spray icing or, if coupled with temperature or wind speed data, might also become a stand-alone commercial product. Automated Equipment for the Study of Sea Spray Icing (This could be one project, or one project for each measuring device.) The rotating multicylinder device has been used for decades in the meterological community for measuring the mean droplet size and droplet size distribution of fogs, mists and low-lying clouds. More recently, it has been employed to gather the same information about sea spray and atmospheric sources of water that drive icing on offshore rigs. However, despite the simplicity of its design, the usage of this device has been limited by the need for manual labor to measure accumulated ice, clean and deploy the instrument. Recent advances in small electronics and wireless communications facilitate the development of an automated version, which would greatly increase the amount of data that could be collected from such devices.

75 This project (or a separate project) could look at using electronics make automated devices for measuring sea spray water flux and/or the droplet size distribution of sea spray and/or marine icing. Mapping and Assessment of Marine Icing Risk Factors The factors that contribute to icing on offshore vessels are obvious: cold temperatures, high winds, high waves, low water salinity, lack of sea ice cover. Compiling hard data on the geographic distribution of these factors, assessing the quality of that data, and analyzing the degree of coincidence of these factors would be useful in its own right. A quantitative comparison of the various published estimators of icing accretion rate in relevant areas would also be beneficial for scientists, regulators and industry Development of laboratory or full-scale procedures and instrumentation. Contact person at NTNU: Knut V. Høyland, knut.hoyland@ntnu.no or Sveinung Løset, Sveinung.loset@ntnu.no. Full-scale ice forces from MRU, compare full-scale and model scale data (DNV/NTNU) Instrumentation of ice growth tank and characterization of ice Develop a practical and accurate method to determine the density of sea ice First year sea ice density is an important variable required for ice load predictions; but it is not constant, and there is a need to investigate and characterize the uncertainty associated with its numerical value. The current project aims to: i) establish a standard measurement procedure, in the form of a normative recipe that can be followed by any non-experienced personnel, for measuring bulk sea ice density (e.g. from core measurements, or from other methods). The procedure might involve specifications of required equipment, instructions for repeating the experiment, so that uncertainty in the obtained numerical value can be quantified (e.g. by estimates of the precision of the measurement and of the accuracy in the result); ii) perform systematic measurements to establish spatial variations. Study the reliability and accuracy of ice pressure sensors (tactile pressure sensors) In most of these task it is possible to have a part-time stay at UNIS on Svalbard. Please get in touch with Sveinung Løset / Knut V. Høyland if you are interested in this.

76 9.4 Offshore Wind Turbines Certification analysis of a full-height lattice tower for a future 10 MW wind turbine The Norwegian Research Centre for Offshore Wind Technology (NOWITECH) is currently developing a 10 MW bottom-fixed reference wind turbine. Our group is responsible for the design of the support structure, which will be a novel lattice tower design (see image). This lattice tower has been analysed with special wind turbine simulation software in the time-domain and custom-written tools for pre- and postprocessing (MATLAB). A special algorithm has been developed that optimizes the weight of the structure while respecting the design limits. Unfortunately, a 10 min loadcase simulation takes around 1 hr of realtime, so the tower has been designed by considering only a few representative loadcases. This means that the fatigue damage is only estimated roughly, and the design is likely to be conservative. During this project the student shall run the full certification suite of loadcases from the IEC standard and check if the structure fulfills the design limits (ULS and FLS), and by what margin. The project work is assumed to be continued in a thesis, in which simplified methods for fatigue analysis of offshore wind turbines will be developed and tested. Prerequisites: TBA4265 Marine Physical Environment, Structural analysis Task type: Literature study, Simulation, Postprocessing Number of students: 1 Contact person at NTNU: Michael Muskulus, michael.muskulus@ntnu.no Damping pitch and surge motions of a floating wind turbine with a stall-regulated rotor With a (blade-) pitch-regulated turbine, it is possible to damp the pitch and surge motions of the floating platform. In theory, this is also possible with a variablespeed stall-regulated rotor, by varying the rotational speed to control the thrust. The task is to implement and test a control algorithm for a stall-regulated rotor that damps platform motion to the greatest extent possible. Could such a control scheme be practical? It will result in fluctuations in output power; to what extent do the power fluctuations even out in a wind farm with several, or many, turbines? Example The project work is assumed to be continued in a thesis. Prerequisites: Task type: Structural analysis, control theory Literature review, Modeling with wind turbine analysis software and SIMULINK, Simulations Number of students: 1 Contact person at NTNU: Karl Merz, karl.merz@ntnu.no

77 9.4.3 Topology-based optimization of an offshore jacket for a wind turbine Offshore wind turbines for medium water depths (30-60m) are typically designed with jackettype support structures. These jackets consist of welded tubular steel members in four legs and a number of X-braces, and are relatively complex structures. Each member is characterized by its diameter and thickness. The main design driver is fatigue, both from wave loading and from vibrations due to the rotating turbine on top. Because there are so many parameters with these structures, current designs use a lot of steel and are relatively expensive. It is one of the key challenges for offshore wind to reduce the weight of these support structures. Our group has worked on optimization of support structures for some time, and has developed models, algorithms and pre- and postprocessing tools for this task. Up to now, however, the optimization has only considered diameters and thicknesses, but the location of the nodes (defining the heights and aspect ratios of the X-braces) has always been fixed. During this project the student shall extend the existing optimization tools such that also the topology, i.e., the locations of the nodes can be changed. The work will be done in cooperation with one of the leading designers of offshore wind turbine jackets, OWEC Tower AS (Bergen). The project work is assumed to be continued in a thesis. Prerequisites: Structural analysis Task type: Literature study, Programming (MATLAB), Simulation Number of students: 1-2 Contact person at NTNU: Michael Muskulus, michael.muskulus@ntnu.no

78 9.4.4 Stall- versus pitch-regulated rotors for offshore wind turbines Modern wind turbines are pitch-regulated: the blades pitch in order to limit maximum power, and to damp motions of the support structure. It is also viable for blades to be stall-regulated: the pitch is fixed, and stall naturally limits power. Stall-regulated rotors are simpler than pitch-regulated rotors, because they do not require a pitching mechanism at the blade root. It has recently been demonstrated (Merz, NTNU Thesis 2011:191) that it is possible to design a stall-regulated blade that retains attached flow at the blade tip, like a pitch-regulated wind turbine. This leads to higher damping of blade vibrations, and opens up the possibility of active damping and power regulation using small aerodynamic devices near the tip. The research task is aimed at determining whether a stall-regulated blade of this type can be competitive with a pitch-regulated blade for installation atop floating platforms or deepwater truss towers. This is a broad engineering problem, and there is the opportunity to tailor the focus of the investigation according to the interests of the student. For instance, what is the optimal design of the tip actuators and associated control algorithms? How do the static and dynamic rotor bearing loads differ between pitch and stallregulated turbines, and how do these loads influence the design of the support platform? What is the optimal rated power of the generator with respect to the swept area of the rotor, and how does this differ between pitch and stall-regulated rotors? How does the "optimal" design of a stall-regulated blade vary as a function of the cost model which is used for optimization. The project work is assumed to be continued in a thesis. Prerequisites: Task type: Structural analysis Literature study, Modeling with wind turbine analysis software, Simulations Number of students: 1 Contact person at NTNU: Karl Merz, karl.merz@ntnu.no

79 9.4.5 Implementation of a flexible beam in the multi-body inertial formulation Wind turbines are typically modeled with beam elements, and these are used both for the blades and for the tower. The resulting structural model is used for design, optimization and certification of the turbine. This is a standard FE problem, but since the blades are rotating, a multi-body formulation is needed, and there do not exist many analysis codes with this capability and features for realistic wave and wind loading. The existing codes are relatively simple and use the co-rotational formulation which assumes small elastic deformations. A more accurate approach is the inertial formulation, in particular the one developed by Park and colleagues at NASA in the early 90s, where it was successfully used for the analysis of satellites and space stations. This approach uses global inertial coordinates, implements the rotational constraints by a penalty method, and uses a nonlinear strain formulation. It is well documented in a number of articles and PhD theses, and lends itself excellently to a parallel implementation. During this project the student shall implement the beam element developed by Park and colleagues, either in MATLAB, Fortran or another common programming language, and validate it by simulating a rotating beam that is spinning up. The project work is assumed to be continued in a thesis. Prerequisites: Structural analysis Task type: Literature study, Programming (MATLAB or other language) Number of students: 1 Contact person at NTNU: Michael Muskulus, michael.muskulus@ntnu.no

80 9.4.6 Improved O&M strategies for a large offshore wind park Operation and maintenance (O&M) contributes a significant part (15 percent and more) to the total cost of an offshore wind turbine. After failure of a subsystem, a maintenance crew needs to be transported to the turbine, which is not always possible due to wave height limitations. Repairs need a certain time and maximum wind speed, and possible weather windows can be rather short, such that repairs need to be scheduled cleverly. Even then, unforeseen changes in weather conditions can make it necessary to interrupt a repair or maintenance action and resume it at a later time. A stochastic simulation has been implemented in MATLAB and allows to simulate the operating phase of an offshore wind park. The aim of the project is to improve this tool. In particular, currently the weather forecast is assumed to be 100 percent reliable for a certain numbers of hours, and completely unreliable beyond that. Also the current scheduling strategy is relatively simple (see above). After improving the tool, the main goal is to analyze how much cost can be saved for better maintenance strategies. This project will be done in close cooperation with SINTEF Energy. The project work is assumed to be continued in a thesis. Prerequisites: TBA4265 Marine Physical Environment Task type: Literature study, Programming (MATLAB or other language), Simulation Number of students: 1 Contact person at NTNU: Michael Muskulus, michael.muskulus@ntnu.no

81 9.4.7 Influence of top weight on support structure cost for an offshore wind turbine New superconducting generator technology makes it possible to reduce the weight of the rotor-nacelleassembly significantly. However, this comes with a price. Since the weight of the generator can be reduced more or less freely by this technology (up to a certain minimum weight), it is important to know how much cost can be saved for the support structure. During this project, the student shall analyze by simulation how smaller top weight influences the dynamics and the resulting fatigue damage of a typical offshore wind turbine. The project work is assumed to be continued in a thesis. Prerequisites: Structural analysis Task type: Literature study, Parameter study, Simulation Number of students: 1 Contact person at NTNU: Michael Muskulus, michael.muskulus@ntnu.no

82 9.5 Arctic technology Ship-ice interaction: Analysis of full-scale data A better understanding of the interaction processes between ship and ice allow us to improve our models for ships operating in ice infested-waters, e.g. transporting, station keeping, performing ice management, etc. Full-scale data from several surveys with the icebreaker KV-Svalbard will be available for this study. In additions to the ship measurements (movements, propulsion, etc.), video data from several cameras mounted on the ship are available. The video records capture the ice conditions in front of the ship and also the interaction processes between the incoming ice and the ship bow. The student should analyse the video data and try to evaluate the icebreaking patterns, movement of the ice floes interacting with the ship, correlation between the ice conditions and ice resistance to the ship motion, etc. During this project the student will acquire knowledge on the underlying processes of ship-ice interaction. The student shall familiarize himelf/herself with data analysis techniques and especially the image analysis. Recommended subject: TBA4265 Marine Physical Environment; AT327 Arctic Offshore Engineering Key words: Arctic offshore Type of project: Data analysis (Image analysis) Number of students: 1 to 2 Cooperation with: SAMCoT Contact person at NTNU: Raed Lubbad, raed.lubbad@ntnu.no Continuation of project: Can be extended into a Master Thesis Transport of ice along a structure Numerical simulations of a floater (ship or buoy) in ice involve modelling a wide range of physical processes related to the dynamical coupled floater-ice-fluid interaction, such as impacts, friction, buoyancy, hydrodynamics, fracture and fragmentation of ice. The task should focus on how fluid flow models, e.g. FLUENT, can be used to model the transport of broken ice pieces along the hull of a floater. The numerical results should be compared with model-ice test results from the Hamburg Ice Basin, Germany. This gives the student an excellent opportunity to validate his simulations. The student will be offered a summer job in 2012 to work on the data as well as a visit to the Hamburg Ice Basin. Recommended subject: TBA4265 Marine Physical Environment; AT327 Arctic Offshore Engineering Key words: Arctic offshore Type of project: Numerical calculations Number of students: 1 to 2 Cooperation with: SAMCoT