Masteroppgaver vår 2017, Konstruksjonsdynamikk. Dynamisk analyse av slanke brukonstruksjoner utsatt for naturlaster

Transkript

1 Masteroppgaver vår 2017, Konstruksjonsdynamikk Faglærer Ole Øiseth 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 rørtunneler og kombinasjoner av disse. For å konstruere disse bruene trengs det ny metodikk for beregning av dynamisk respons av konstruksjonene utsatt for vind og bølgelaster, samtidig som det rettes et spesielt fokus på beregningenes usikkerhet. Denne samlingen av masteroppgavetema tar sikte på å bidra i dette utviklingsarbeidet. Aktuelle samarbeidspartnere er Statens vegvesen, Norconsult, Multiconsult samt flere postdocs og PhD-studenter ved konstruksjonsdynamikkgruppen på instituttet. Se gruppens hjemmeside for mer informasjon om pågående forskning: Aktuelle tema: Vindindusert dynamisk respons av Hardangerbrua Da Hardangerbrua ble åpnet i 2013 ble det installert et omfattende målesystem som måler akselerasjoner og vindhastigheter i flere punkter langs brubjelken. Denne oppgaven dreier seg om analyse av disse dataene for å studere nøyaktigheten til modellene som blir brukt til å beregne vindindusert dynamisk respons. Figur 1. Hardangerbrua har et hovedspenn på 1310m og er Norges lengste hengebru. Dynamisk respons av Bergsøysundbrua utsatt for bølge og vindlaster I 2014 ble det installert et omfattende målesystem som måler akselerasjoner, bølgehøyder, vindhastigheter og forskyvninger av Bergsøysundbrua. Denne oppgaven dreier seg om analyse av disse dataene for å studere nøyaktigheten til modellene som blir brukt til å beregne dynamisk respons av flytebruer.

2 Figur 2: Bergsøysundbrua består av et stålfagverk som ligger på sju pongtonger laget av lettbetong. Den er verdens lengste flytebru uten sideforankring. Kraftidentifisering Miljølaster kan være vanskelige å måle ved hjelp av direkte metoder. I slike tilfeller kan inverse teknikker der målinger av dynamisk respons kombineres med en kalibrert elementmodell for å bestemme lastene som virker på konstruksjonen. Denne oppgaven dreier seg om å teste slike metoder på en konstruksjon i den store prøvehallen ved institutt for konstruksjonsteknikk. Vindtunneltesting av brotversnitt Når en designer lange brokonstruksjoner benyttes vindtunneltester for å bestemme de aerodynamiske egenskapene til tverrsnittet. Denne oppgaven dreier seg om utføring av vindtunneltester i det aerodynamiske laboratoriet ved NTNU og om prosessering av data fra slike tester for å bestemme de aerodynamiske egenskapene til brotverrsnittet. Figur 3: Testing av brotverrsnittet til Hardangerbrua i vindtunnel.

3 Vind og bølgeindusert dynamisk respons av hengebruer med flytende tårn Et av de mest innovative brokonseptene som er aktuelle for fjordkrysningene langs E39 er hengebroer eller skråstagsbruer med flytende tårn. Denne oppgaven dreier seg om dynamiske analyser for å bestemme konstruksjonens bevegelser når den utsettes for sterk vind og krevende sjøtilstander. Figur 4: Skråstagsbru med flytende tårn er et av de mest innovative forslagene som er aktuelle i E39 prosjektet. Illustrasjon: (statensvegvesen.no, 2012) Dynamisk analyse av lange bruspenn (hengebruer, skråstagbruer) Vegdirektoratet har gjennom en årrekke samlet erfaring og dokumentasjon fra en rekke prosjekter, hvor vindtekniske undersøkelser, statiske analyser og konstruksjonsdynamikk har vært sentrale tema. Denne oppgaven dreier seg om vindlaster og dynamisk respons. Måledata fra undersøkelser i vindtunnel er tilgjengelige for behandling og analyser.

4 Skipsstøt mot flerspenns hengebru Oppgaven vil ta utgangspunkt i problematikken knyttet til skipsstøt mot en flerspenns hengebru på flytende strekkstagforankrede fundamenter i forbindelse med Statens Vegvesens prosjekt for kryssing av Bjørnafjorden i forbindelse med ferjefri E39. Det er aktuelt å se på støt mot stålflyter, betongflyter og brubjelke. Figur 5: Hengebru på flytende fundament over Bjørnafjorden. Illustrasjon: Statens vegvesen Kontroll av robusthet for en flerspenns hengebru Oppgaven vil ta utgangspunkt i robustheten til en flerspenns hengebru på flytende strekkstagforankrede fundamenter i forbindelse med Statens Vegvesens prosjekt for kryssing av Bjørnafjorden i forbindelse med ferjefri E39. Det vil være aktuelt å se på globale effekter av brudd eller eventuelle svakheter på de forskjellige komponentene til brua gjennom progressive kollapsanalyser (Progressive Limit State). Systemoppførsel for flerspenns hengebru Oppgaven vil ta utgangspunkt i utviklingen av konsept for flerspenns hengebru på flytende strekkstagforankrede fundamenter i forbindelse med Statens vegvesens prosjekt, ferjefri E39. Oppgaven vil ta for seg å beskrive både statisk og dynamisk systemoppførselen til en flerspenns hengebru med bakgrunn i dagens litteratur, og å utvikle en forenklet regnemodell for å beskrive systemoppførselen. Et naturlig utgangspunkt for oppgaven er å benytte eksisterende litteratur for ettspenns hengebruer, og videreutvikle beregningsmodellen til å gjelde for flerspenns hengebruer. Type oppgaver: Litteraturstudie, numerisk modellering, praktiske beregninger Anbefalte forkunnskaper: TKT 4201 Konstruksjonsdynamikk Antall studenter: 5-10 Samarbeid med: Statens vegvesen

5 Faglærer Anders Rønnquist Følgende oppgaver blir gitt av meg som faglærer ved institutt for konstruksjonsteknikk: Jernbanedynamikk Aktuelle tema: Identifisering av skade og utarbeiding av skadeindikatorer for jernbanebruer basert på målevogndata Hvert år transporteres mennesker og varer ved hjelp av det 4219 km lange jernbanenettverket i Norge, som strekker seg fra Kristiansand i sør til Narvik i nord. For å kontrollere tilstanden til bruer, spor og kontaktledningsanlegg kjører Jernbaneverkets målevogn Roger 1000 langs samtlige spor én eller flere ganger årlig for å samle data om blant annet vindskjevheter, sporviddefeil, høydefeil og feil på kontaktledningsanlegget. Det ble nylig oppdaget feil på gamle Hell jernbanebru, der to av bruas totalt fire langbærere ikke var i stand til å ta opp krefter. Det er i den forbindelse ønskelig å undersøke om man kan benytte disse målevogndataene til å identifisere feil på jernbanebruer, med mål om å kunne forbedre inspeksjonsregimet til jernbanebruer. Figur 6: Jernbaneverkets målevogn Roger Dynamikk som verktøy for å utforske økning av toghastighet Det er økende interesse for høyere hastigheter på det norske jernbanenettet. Dette kan enten oppnås ved å bygge nye anlegg eller se om de eksisterende konstruksjonene kan brukes ved høyere hastigheter. En av konstruksjonene som er av stor interesse i forbindelse med dette er kontaktledningsanlegget - kabelsystemet over toget som transporterer strøm. De dynamiske egenskapene til kontaktledningsanlegget er essensielt for at det overføres strøm til toget. Og, det er den ikke-lineære mekaniske kontakten mellom to dynamiske system, det romslig stasjonære kontaktledningsanlegget og den passerende strømavtageren som sitter på toppen av toget, som sikrer overføring av strøm. Kontaktledningsanlegg er spennende konstruksjoner dynamisk sett. En seksjon

6 er opp mot 1.5 km, og har opptil 25 koblede spenn med forskjellige spennlengder. Dette gjør at man kan ha mange forskjellige egenfrekvenser, og at bølgetransport og overføring av energi fra ett spenn til et annet er viktig å ha kontroll på. Figur 7: Passerende tog ved Fokstua på Dovrebanen. Materialtesting av gamle overgangsbruer Hvert år krysser mange reisende overgangsbruene over togsporene ved ulike jernbanestasjoner og andre krysningspunkt i Norge. På en del baner har man overgangsbruer fra rundt 1890 og oppover der det er benyttet gamle jernbaneskinner som hovedbæring i bjelker og i et enda større omfang i pilarer som er forsterket og gjenbrukt ved utskifting av bruoverbygning. I tillegg til å ha svært høy alder, virker stålet å være svært sprøtt basert på registrerte skader flere steder. Både alder og bruksområde tyder på at stålet kan være sprøtt. For å ha en idé om hvilken betydning dette kan ha for konstruksjonssikkerheten for de aktuelle bruene, er det ønskelig å få samlet inn materialprøver fra en utvalg av disse bruene. Dette kan så testes, og sikkerheten kan vurderes med utgangspunkt gitte verdier. Det kan også være aktuelt å ta prøver av jernbanebruer for å se på materialegenskapene til disse. Identifisering av sporfeil i overgangen fra land til jernbanebru og dets innvirkning på bruas levetid Den norske jernbanen består av 2700 jernbanebruer, der omtrent 500 av disse ble bygd før Flesteparten av bruene bygd etter 1970 er støttet med ballast i endene for å støtte sporet og bedre sporegenskapene på landkar, der sporet går fra å ligge i ballast til å være festet til stålbjelker på brua. På gamle jernbanebruer ble det imidlertid ikke benyttet ballast, men tresviller festet direkte på langbærerne, noe som medfører store stivhetsforskjeller og feil i sporet i overgangen mellom land og bru. Setningene som dannes i sporet før og etter brua gjør at toget hopper på eller av brua og innfører ekstra last. Et interessant spørsmål er om disse ujevnhetene i sporstivhet, som spesielt opptrer der sporet ligger i kurve ut på brua, fører til ekstra belastning av bruspenn eller bærende elementer nærmest landkar. Det er ønskelig å undersøke hvorvidt dette reduserer levetiden til bruene. Gamle Stjørdalselva jernbanebru vil i denne oppgaven bli brukt for å studere fenomenet.

7 Figur 8: Overgang fra landkar til gamle Stjørdalselva jernbanebru. Utmattingsberegninger på ståltrau Den norske jernbanen består av 2700 jernbanebruer, der omtrent 500 av disse ble bygd før For utskifting av gamle stålbruer på eksisterende baner er det ønskelig å få inn en ny bru med gjennomgående ballast. En konstruksjon i betong med underliggende dekke og bærebjelker på siden har vært benyttet mange steder, populært omtalt som en traubru. På denne måten får man en effektiv konstruksjon med så liten som mulig byggehøyde ettersom bæring er på siden, og ballasten holdes på plass av bjelker på siden av bruen. Ettersom betongkonstruksjoner gir en stor byggehøyde på dekke (30 cm) og relativt tunge konstruksjoner, begynte man rundt år 2000 å legge inn traukonstruksjoner i stål på steder der det enten var vanskelig å oppnå tilfredsstillende fri høyde med betongtrau eller der det var anleggsteknisk vanskelig å bytte ut bruene med betongtrau på grunn av vekt. Det benyttes da en tykk stålplate på 80 mm i bunn og bjelker enten i form av kasser eller I-bjelker som hovedbæring. Bruene benyttes kun som en erstatning for bruer med fastspor på eksisterende bane. Dersom platedimensjonen overskrider hva stålverkene kan levere medfører dette behov for sveising av underplaten, noe som gjør at utmatting blir dimensjonerende. Det er i den sammenheng ønskelig å undersøke hvordan partiellfaktoren påvirker levetiden til ståltrau med sveiste plater. Undersøkelse av α-lastvirkningsfaktor på kostander og levetid til jernbanebruer Ved prosjektering av nye jernbanebruer i henhold til Eurocoden skal det for brukonstruksjoner i Norge dimensjoneres med en α-faktor for å ta hensyn til jernbanetrafikk tyngre enn normal jernbanetrafikk. Nasjonalt tillegg i eurokode-standarden som omhandler trafikklast på bruer (NS-EN ) sier at samtlige jernbanelinjer skal benytte en faktor α=1,0, med unntak av Østfoldbanen, som knytter det norske jernbanenettverket til det europeiske, som benytter α=1,33. I resten av Europa er α=1,33 valgt som standard. Det er i den forbindelse ønskelig å undersøke hvilken konsekvens en økning fra α=1,0 til α=1,33 vil ha på norske jernbanebruer. Naturlig nok vil en slik økning medføre noe større bygningskostnader og høyere bæreevne for den aktuelle brua, men det er av stor interesse å kartlegge hvor stor prosentvis økning denne endringen vil innebære. En eksisterende jernbanebru vil brukes som utgangspunkt for en beregningsmodell i dette studiet.

8 Figur 9: Nye og gamle Stjørdalselva jernbanebru. Utvikling og programmering av beregningsprogram for master og fundamenter i jernbane Jernbaneverket har per i dag et par programmer som er laget fra eksterne og som tar seg av beregning av master og fundamenter, spesielt beregninger på åk som fungerer som oppheng for kontaktledninger som spenner over flere spor. Disse er programmert med Visual Basic direkte i Microsoft Excel. Dette er ikke helt optimalt da et av disse programmene er oppdatert og programmert i flere omganger, noe som medfører at det stadig må oppdateres. Dette byr på utfordringer og er vanskelig å gjennomføre på en ryddig måte. Denne oppgaven vil derfor bestå i å omprogrammere hele programmet til et nytt programmeringsspråk (Python) og ny plattform. Det vil legges vekt på å forstå teorien bak likningene som benyttes for beregningene. Figur 10: Master og åk ved jernbanestasjon.

9 Modellering og systemidentifikasjon på gangbruer Bårdshaug Gang og sykkeltraffikk er en av nøklene for å takle mange av de store utfordringene knyttet til dagens infrastruktur. Blant utfordringene tilhører krav om reduksjon av klimagasser, redusert traffikkstøy, bedret sikkerhet av myke trafikkanter, økning I kapasetet på infrastrukturen for å imøtekomme befolkningsvekst og tilrettelegging for videre utvikling av tettsteder og byer. Gangbruer er essensielle deler av denne infrastrukturen og skal sikre trygg kryssing av elver, motorveier jernbaner og industriområder. I dagens samfunn stilles det ikke bare funksjonskrav til konstruksjonene, det er også et økende ønske om at konstruksjonene skal ha arkikektonisk uttrykk og på grunn av lav belastning I bruddgrense tilstanden kan man designe og bygge svært slanke og elegante konstruksjoner. Dette kan imidlertid medføre problemer ift dynamiske egenskaper I bruksgrense tilstanden. I disse tilfellene er det helt essensielt at man er I stand til å modellere konstruksjonen og lastvirkningen med høy nøyaktighet får at bruene skal fungere tilfredstillende for sluttbrukeren. I denne oppgaven skal studenten(e) ta for seg den nye gangbrua over Orkla ved Bårdshaug. Brua er en konstruksjon med platebærere i stål og betongdekke uten samvirke. Oppgaven innebærer blant annet systemidentifikasjon, modelloppdatering, modellering av konstruksjon og ganglast for dynamisk analyse, samt feltmålinger. Type oppgaver: Litteraturstudie, numerisk modellering, praktiske beregninger Anbefalte forkunnskaper: TKT 4201 Konstruksjonsdynamikk Antall studenter: 5-10 Samarbeid med: Jernbaneverket, SINTEF Materialer og kjemi, Statens vegvesen Dynamisk stabilitet av ribberørsvarmevekslere til offshore bruk Utslipp av CO2 fra norsk industrivirksomhet kan reduseres drastisk ved å installere varmegjenvinningsenheter på olje- og gassplatformer på norsk sokkel. Disse enhetene bruker spillvarme fra hete eksosgasser til å produsere kraft, men krever mye plass på platformsdekket og har stor vekt. I tillegg er industrien bekymret for påliteligheten og levetiden til systemene. Denne masteroppgaven omhandler numerisk modellering av en lettere type varmevekslerrør med hensikt å studere de strømningsinduserte vibrasjoner som kan lede til utmattingsbrudd. Dette omfatter et litteraturstudie av dynamiske krefter som oppstår på grunn av strømning, FEmodellering av enkelte rør og rørsatser samt mulighet for å koble FE-modellene til strømningssimuleringer (CFD) av varmeveksleren. Målet med oppgaven er å vurdere dagens designkriterier for vibrasjoner opp mot nye, lettere type ribberør. Type oppgave: Litteraturstudie og numeriske simuleringer vha FEM og CFD Antall studenter: 1-2 Samarbeid med: Institutt for energi- og prosessteknikk