Examensarbetet har varit förlagt på SwePart Transmission AB i Liatorp. Företaget tillverkar kugghjul och kan även ge helhetslösningar för växellådor. SwePart Transmission AB har uppmärksammat problem i form av läckage vid delningsplanet i sina växellådor. Företaget har föraningar om att konstruktionen utsätts för glidning i delningsplanet där packningen är placerad. För att glidning inte ska förekomma krävs att packningens friktionskoefficient och fästelementens förspänningsförluster är kända vid konstruktionsstadiet. Packningens friktionskoefficient är idag osäker och har kontrollerats. Detta har gjorts genom tester där vi placerade packningarna i ett friktionsförband och gjorde mätningar i ett dragprov. Med erhållna mätvärden kunde vi på matematisk väg erhålla en ny friktionskoefficient. Testerna utfördes med tre olika ytjämnheter i förbandet för att se om det hade någon inverkan på friktionskoefficienten. Efter testerna kunde vi påvisa en skillnad i friktionskoefficient mellan olika ytjämnheter på anliggningsytorna mot packningen. Vi kunde även se skillnad på friktionskoefficienten för oljad respektive torr yta. Förbandets förmåga att glida bestäms av förspänningen i skruven som minskar radikalt om stora sättningar förkommer. Sättningar kommer att förekomma och det vet man, men utsträckningen är okänd. Då packningen är förbandets mjukaste del kommer den att dominera förbandets sättningsbeteende. I våra tester har vi mätt hur stora sättningar packningen gav upphov till som funktion av tiden. Testet gjordes genom att klämma en packning med känd förspänningskraft. Därefter mättes förbandtjockleksförändringen under de första 25 minuterna. Sättningstestet gjordes för att anmärkningar ifrån kunder kommit på att skruvarna som håller ihop växellådshusen tappar sin förspänning efter en okänd tid i drift, vilket kan härledas till sättningar. Enligt mätvärdena från testet förekommer det inte några större sättningar i vårt testförband vilket kan bero på att vår anliggningsarea skiljer sig ifrån den verkliga. Rapporten kommer beröra sättningsgrad och friktionskoefficient för gummipackningar där tester och bakomliggande teori kommer redovisas. Testerna som gjorts har vi utvecklat och testkört med hjälp av expertis ifrån Linnéuniversitet. / This degree project was located at SwePart Transmission AB in Liatorp. The company manufactures gears and do also provide total solutions for gearing. SwePart Transmission AB has noticed problems with leakage in the division plane in their gearboxes. The company has premonitions that the structure is subject to sliding in the division plane where the gasket is placed. To prevent sliding it’s required that the friction coefficient between the gasket and division plane and the preload of the fasteners is known at the design stage. The gaskets friction coefficient is currently uncertain and has been checked. This was done by tests in which we placed the gasket in a friction joint and then made measurements in a tensile testing machine. With the obtained measurement values we could mathematically obtain a new coefficient of friction. The tests were performed with three different surface finishes in the joint to see if it had any effect on the friction coefficient. After the tests, we could see a difference in coefficient of friction between different surface finishes on the contact surfaces to the gasket. We could also see a difference in coefficient of friction of oiled and dry surface. The joints capability of sliding is determined by the preload in the screws that is dramatically reduced if large settings occur. It’s known that settings will occur, but the extent is unknown. Since the gasket is the softest part in the bolted joint, it will dominate the joints setting behavior. In our tests we have measured the amount of settings caused by the gasket as a function of time. The test was made by sandwiching a gasket with a certain load. After that the change in thickness was measured during 25 minutes. This test was performed because the company had received complains from customers concerning preload losses in the screws after an unknown time in use. The preload losses can be traced to settings in the gasket. According the measurements from the test, there are no major settings in our test joint, which can be explained by the difference in contact area between our test and the “real” design. This report will concern the setting rate and friction coefficient of rubber gaskets where tests and underlying theories will be presented. The test has been developed and performed with help of expertise form Linnaeus University.

Scania CV AB is one of the world’s leading companies within heavy vehicles. The company have a broad selection of trucks, which all are equipped with gas, or fuel tanks, depending on the fuel type of the truck, The trucks also contain air tanks that are used for braking and air suspension. The tanks are assembled with straps, where the rubber spacers constitutes a protective layer between the tank and the strap, to protect the tank from wear. When installing different types of tanks there is a need for elements in the joint that increases the friction, compensates for manufacturing defects, prevents wear and permits electrical insulation. This has traditionally been done with rubber spacers. However, the rubber spacers increase the uncertainty of the actual preload of the joint, and movements in the joint usually make the spacers slip out of its position.  The purpose of the project is to generate knowledge on what characteristics and conditions that affects the performance of the friction joint, and to find a conceptual solution of the underlaying problem.        The following questions were created to be able to fulfill the purpose of the project: F1: Which underlying causes generate preload loss in the straps when assembling various tanks? F2: Which underlying causes makes rubber spacers tend to slip out of its position in various tank installations? F3: What operations need to be undertaken to prevent the preload loss in the straps and that the rubber spacers slip out of its position?  A case study and a literature review was conducted. The literature review was done to get an overall understanding of all of the different subjects that can be of relevance in this project. The data was collected from books, research papers and scientific articles. Data was also collected from interviews, technical reports, deviation reports, legal requirements, drawings, statistics from the field quality and observations in production.  The case study is based on a product development process where several different product development tools have been used. The case study also include material testing in terms of friction and settlement testing. The project resulted in a concept in the shape of a rubber spacer which is based on the existing solution that Scania is using today. The solution consists of four components: geometries that prevent the rubber from slipping away known as flanges and geometries in the shape of tips of a fir tree, rounded short sides and a dimpled underside. The size of the spacer will vary because of the different types of tank and strap sizes. The project also resulted in a design guideline, that will provide guidelines and guidance for further work and future design. / Scania CV AB är ett av de världsledande företagen inom tunga fordon. Deras utbud av lastbilar är brett, och lastbilarna är utrustade med gas-, eller bränsletankar, beroende på fordonets drivmedel. Lastbilarna är även utrustade med trycktankar som används vid inbromsning och luftfjädring. Tankarna är monterade med spännband, där gummimellanlägg utgör ett skydd mellan tank och spännband för att skydda tanken mot nötning. Vid installation av olika lastbilstankar finns behov av element i förbandet som ökar friktionen, kompenserar formfel, förhindrar nötning, och medger elektrisk isolation. Detta har traditionellt gjorts genom att använda gummimellanlägg i förbandet. Gummimellanlägg ökar dock osäkerheten i den faktiska förspänningen av förbandet, samt rörelser i konstruktionen ofta får mellanlägget att vandra ur position.  Syftet med projektet är att skapa förståelse för vilka egenskaper och förutsättningar som påverkar prestandan av ett friktionsbetingat förband, samt att hitta konceptuell lösning på grundproblematiken. För att kunna fullgöra syftet har följande frågeställningar utformats:F1: Vilka orsaker ligger till grund för att förspänningen i spännbanden släpper vid montering av diverse fordonstankar?F2: Vilka orsaker ligger till grund för att gummimellanlägg tenderar att vandra ur position i olika tankinstallationer?F3: Vilka åtgärder kan vidtas för att motverka att förspänningen i spännbanden släpper och att gummimellanläggen vandrar ur position? I arbetet har en fallstudie och en litteraturstudie genomförts. Litteraturstudien utfördes för att skapa övergripande förståelse i ämnen som kan vara relevanta för arbetet. Den insamlade informationen härrör från böcker, forskningsavhandlingar och vetenskapliga artiklar. Data har även samlats in i form av intervjuer, tekniska rapporter, felrapporter, lagkrav, ritningar, statistik i fältkvaliteten, och observationer i produktionen. Fallstudien baseras på en produktutvecklingsprocess där flera produktutvecklingsverktyg har använts. I fallstudien ingår även materialprov i form av friktion och sättning. Arbetet resulterade i ett koncept i form av ett gummimellanlägg och baseras på Scanias befintliga lösning. Lösningen består av fyra komponenter: geometrilåsning i form av flänsar och så kallade grantoppar, rundade kortsidor och gropig undersida. Storleken kan däremot variera på grund av spännbandens och tankarnas breda storleksspann.  Arbetet har även resulterat i en design-guideline, som ska ge riktlinjer och vägledning för fortsatt arbete och framtida konstruktion.

Scania CV AB is one of the world’s leading companies within heavy vehicles. The company have a broad selection of trucks, which all are equipped with gas, or fuel tanks, depending on the fuel type of the truck, The trucks also contain air tanks that are used for braking and air suspension. The tanks are assembled with straps, where the rubber spacers constitutes a protective layer between the tank and the strap, to protect the tank from wear. When installing different types of tanks there is a need for elements in the joint that increases the friction, compensates for manufacturing defects, prevents wear and permits electrical insulation. This has traditionally been done with rubber spacers. However, the rubber spacers increase the uncertainty of the actual preload of the joint, and movements in the joint usually make the spacers slip out of its position.  The purpose of the project is to generate knowledge on what characteristics and conditions that affects the performance of the friction joint, and to find a conceptual solution of the underlaying problem.        The following questions were created to be able to fulfill the purpose of the project: F1: Which underlying causes generate preload loss in the straps when assembling various tanks? F2: Which underlying causes makes rubber spacers tend to slip out of its position in various tank installations?F3: What operations need to be undertaken to prevent the preload loss in the straps and that the rubber spacers slip out of its position?  A case study and a literature review was conducted. The literature review was done to get an overall understanding of all of the different subjects that can be of relevance in this project. The data was collected from books, research papers and scientific articles. Data was also collected from interviews, technical reports, deviation reports, legal requirements, drawings, statistics from the field quality and observations in production.  The case study is based on a product development process where several different product development tools have been used. The case study also include material testing in terms of friction and settlement testing. The project resulted in a concept in the shape of a rubber spacer which is based on the existing solution that Scania is using today. The solution consists of four components: geometries that prevent the rubber from slipping away known as flanges and geometries in the shape of tips of a fir tree, rounded short sides and a dimpled underside. The size of the spacer will vary because of the different types of tank and strap sizes.  The project also resulted in a design guideline, that will provide guidelines and guidance for further work and future design. / Scania CV AB är ett av de världsledande företagen inom tunga fordon. Deras utbud av lastbilar är brett, och lastbilarna är utrustade med gas-, eller bränsletankar, beroende på fordonets drivmedel. Lastbilarna är även utrustade med trycktankar som används vid inbromsning och luftfjädring. Tankarna är monterade med spännband, där gummimellanlägg utgör ett skydd mellan tank och spännband för att skydda tanken mot nötning. Vid installation av olika lastbilstankar finns behov av element i förbandet som ökar friktionen, kompenserar formfel, förhindrar nötning, och medger elektrisk isolation. Detta har traditionellt gjorts genom att använda gummimellanlägg i förbandet. Gummimellanlägg ökar dock osäkerheten i den faktiska förspänningen av förbandet, samt rörelser i konstruktionen ofta får mellanlägget att vandra ur position.  Syftet med projektet är att skapa förståelse för vilka egenskaper och förutsättningar som påverkar prestandan av ett friktionsbetingat förband, samt att hitta konceptuell lösning på grundproblematiken. För att kunna fullgöra syftet har följande frågeställningar utformats:F1: Vilka orsaker ligger till grund för att förspänningen i spännbanden släpper vid montering av diverse fordonstankar?F2: Vilka orsaker ligger till grund för att gummimellanlägg tenderar att vandra ur position i olika tankinstallationer?F3: Vilka åtgärder kan vidtas för att motverka att förspänningen i spännbanden släpper och att gummimellanläggen vandrar ur position? I arbetet har en fallstudie och en litteraturstudie genomförts. Litteraturstudien utfördes för att skapa övergripande förståelse i ämnen som kan vara relevanta för arbetet. Den insamlade informationen härrör från böcker, forskningsavhandlingar och vetenskapliga artiklar. Data har även samlats in i form av intervjuer, tekniska rapporter, felrapporter, lagkrav, ritningar, statistik i fältkvaliteten, och observationer i produktionen. Fallstudien baseras på en produktutvecklingsprocess där flera produktutvecklingsverktyg har använts. I fallstudien ingår även materialprov i form av friktion och sättning. Arbetet resulterade i ett koncept i form av ett gummimellanlägg och baseras på Scanias befintliga lösning. Lösningen består av fyra komponenter: geometrilåsning i form av flänsar och så kallade grantoppar, rundade kortsidor och gropig undersida. Storleken kan däremot variera på grund av spännbandens och tankarnas breda storleksspann.  Arbetet har även resulterat i en design-guideline, som ska ge riktlinjer och vägledning för fortsatt arbete och framtida konstruktion.

Syftet med detta projektarbete var att minska energiförlusterna i Getrag All Wheel Drives hypoidväxlar (se kapitel 7.2.3). Uppdraget bestod främst av att minska förlusterna när systemet endast driver på två hjul och de övriga hjulparen endast överför låga kraftmoment, detta förhållande benämns draggmoment. För att kunna utvärdera och peka på förbättringsområden var första steget i arbetet att lokalisera och värdera enskilda komponenter som tillförde förluster. De ingående komponenter som studerades grundligt var lager, Kuggkontakt, olja och tätningar. Värderingen av komponenternas respektive förlustbidrag erhölls genom provning och beräkningar. Provningen bestod dels av tidigare utförd provning och dels av provning utförd under arbetets gång. För beräkning av lager och tätningar användes beräkningen från lagertillverkaren SKFs egna beräkningsmodeller. Beräkning av hypoidväxelns smörjningsförluster skedde enligt ISO/TR 14179-2. Övriga beräkningar härleddes genom tribologiska formler med givna friktionskoefficienter. När ingående komponenter var värderade genom beräkningar och provning valdes de komponenter som tillförde de största förlusterna att utvecklas vidare. Vald komponent att förbättra blev lager, där förspänningen av lageranordningen mellan kronhjulsaxeln och aluminiumhus studerades. Utöver lagerförspänningen undersöktes även inverkan av oljans viskositet på lager och växel som helhet. Resultatet från konceptgenereringen resulterade i en lösning där en aluminiumring ska monteras mellan två koniska rullager på röraxeln för att bibehålla den initiala förspänningen mellan dessa lager under förhöjda temperaturer. Detta bidrar till att kunna sänka den initiala förspänningen. Genom användning av en förspänningsring av aluminium kan initial förspänning enligt analys och beräkningar sänkas från 13 kN till cirka 6 kN. Enligt beräkningar minskar momentförlusterna i lager på röraxeln då med 0,36 Nm. Det Andra konceptet var att välja en olja med lägre viskositet än dagens produktionsolja och på så vis erhålla en minskning av momentförluster. Från en kinematisk viskositet på cirka 45 mm2/s till en kinematisk viskositet på 33 mm2/s vid 80 °C minskades RDU-växelns(bakre hypoidväxel) totala förluster i lager med 0,53 Nm. Rekommendationen för fortsatt arbete blev att börja utföra grundliga tester för en olja med lägre viskositet och sedan om godkända resultat erhålls byta ut dagens växelolja. Samt att i ett senare skede genomföra provning med en förspänningsring om ytterligare förbättrad verkningsgrad önskas.

The introduction of Fibre Reinforced Polymers (FRP) to the civil engineering market in the late 1980s resulted in the emergence of a range of new tools for rehabilitating and strengthening concrete structures. Strengthening using FRPs is typically accomplished using non-prestressed externally bonded FRPs. The technical and economic benefits of such strengthening could be further increased by prestressing the FRPs, especially when dealing with concrete structures. Prestressing concrete structures suppresses the appearance and growth of cracks in the serviceability limit state. This in turn increases the structure’s stiffness and resistance to degradation. Prestressing also increases the structure’s yield load but does not change its failure load relative to that of an analogous non-prestressed structure, provided that all other parameters are kept constant. In 2004, a pilot study was carried out at the Luleå University of Technology (LTU) to investigate the scope for using unbonded Carbon Fibre Reinforced Polymer (CFRP) strengthening systems, particularly those involving prestressing. In the early stages of this project, a number of difficulties were encountered in anchoring the CFRP rods to concrete structures: the conical wedge anchorages that were used tended to either cause premature failure of the rods or allowed the rod to slip out of the anchorage. It was therefore decided to study the mechanisms at work within these anchorages in more detail. The goal of the project was to develop a small, practical, reliable, and userfriendly anchorage for use in unbonded external CFRP strengthening systems. On the basis of a thorough literature review, which is described in Paper 1, it was concluded that despite the difficulties encountered, the conical wedge anchorages used with steel reinforcing rods were the most promising starting point for the design of a new anchorage for use with CFRPs. Importantly, the conical wedge anchorage can be made small in size and easy to mount while retaining a high degree of versatility; this is not true of bonded, sleeve, and clamping anchorages. Analytical and numerical models were used to investigate the distribution of radial stress within these highly pressurized anchorages. Paper 2 describes an evaluation of the capability of three types of models - an analytical axisymmetric model based on the thick-walled-cylinder-theory and two Finite Element (FE) models, one axisymmetric and one three-dimensional - to predict the behaviour of a conical wedge anchorage. It was concluded that the axisymmetric models were incapable of modelling the stress distribution within the anchorage with sufficient accuracy, and so 3D FE models were used exclusively in subsequent studies. Paper 3 describes the development of a new anchorage for CFRP rods. The design process involved conducting pull-out studies on a series of prototypes, in conjunction with computational studies using a basic FE model, to identify and understand the prototypes’ failure modes. Between the computational data and experimental results, a good understanding of the factors affecting the interaction between the CFRP rod and the anchorage was obtained. The new anchorage design employs a one-piece wedge which effectively incorporates the three wedges and the inner sleeve from more conventional wedge anchorages into a single unit. This increases the reliability and user-friendliness of the anchorage because it eliminates the need to check the alignment of individual wedges. The new design has been patented; the published Swedish patent is included in the thesis as Paper 6. The newly-developed anchorage was then incorporated into a prestressing system and its performance was evaluated using a series of test beams. In parallel with the planning of these tests, a series of pull-out tests was conducted using the new anchorage. The strain measurements obtained in these experiments were compared to predictions made using a new, more advanced FE model, and used to refine the design of the new anchorage. Paper 4 describes this new FE model, the most important parameters affecting anchorage behaviour, and the final anchorage design. Paper 5 focuses on the possibilities provided by the new anchorage. Tests were performed using seven three meter long concrete beams prestressed with external unbonded CFRP tendons. One beam was unstrengthened; the other six were strengthened in different ways, with different prestressing forces, initial tendon depths, and with or without the use of a midspan deviator for the tendons. The results of these tests were compared to those obtained using otherwise identical beams prestressed with steel tendons and to the predictions of an analytical beam model developed for use with steel tendons. These tests showed that the prestressing works as intended and that the behaviour of beams prestressed with external unbonded CFRP tendons is fully comparable to that of beams prestressed with steel tendons. It was also found that the predictions of the analytical model were in good agreement with experimental observations, although there were some differences between the measured and predicted tendon stresses. The development of a functional anchorage represents a fulfilment of the objectives laid out at the start of this project, and represents an important step towards the practical use of prestressed unbonded external CFRP tendons in strengthening concrete structures. However, a number of outstanding questions remain to be addressed. Little is known about the safety of this kind of system, and the benefits of using CFRP tendons should be quantified. Furthermore, there are a number of potential technical issues that must be addressed. These include the risk of creep-rupture in the CFRP, the effects of thermal contraction and expansion on the anchorage, and the scalability of the anchorage as the tendon diameter is increased. Finally, the long-term behaviour of the anchorage and prestressing system should be investigated. / I och med introduktionen av fiberkompositer i byggbranschen under slutet av 80-talet har en rad nya verktyg för förstärkning och underhåll av betongkonstruktioner utvecklats. Förstärkning har oftast utförts med pålimmade kompositer utan förspänning. För att ytterligare öka verkningsgraden, både den tekniska och ekonomiska, kan förspänning vara en möjlighet. Särskilt för betongkonstruktioner. Förspänning av en betongkonstruktion medför att man i bruksgränstillståndet begränsar uppkomsten av sprickor och deras storlek. Det ger i sin tur en ökad styvhet hos konstruktionen. Därutöver höjs lasten för när det slakarmerade stålet flyter. I jämförelse med ospända konstruktioner är dock brottlasten densamma, så länge övriga parametrar behålls. Under 2004 genomfördes en pilotstudie vid Luleå tekniska universitet (LTU) för att undersöka framtida möjligheter och utmaningar med förspända, icke vidhäftande kolfiberkompositkablar. I det läget upptäcktes svårigheter att förankra kompositkabeln mot betongen. De koniska killås som användes orsakade antingen brott på kabeln redan vid låga belastningar eller glidning hos kabeln, som omöjliggjorde fullgod kraftöverföring. Ett beslut togs då att tills vidare fokusera på förankringen och genomföra en mer ingående studie kring denna. Som mål sattes upp att arbetet skulle resultera i en liten, tillförlitlig och användarvänlig förankring. Den skulle sen i en förlängning kunna användas för att slutföra pilotstudien och därefter i större tillämpningar. Trots de förhållandevis nedslående resultaten från pilotförsöken visade den grundliga litteraturstudien som presenteras i Artikel 1 att koniska killås trots allt verkar vara den mest lovande typen av förankring för kolfiberkablar. Den bör därför användas som utgångspunkt för fortsatt utveckling. I motsats till vidhäftande, hyls och klämmande förankringar kan killåset göras litet, lätt att montera och också användas i många praktiska tillämpningar. För att undersöka hur de höga radiella tryckspänningarna i ett sådant killås fördelas är olika former av beräkningsmodeller nödvändiga verktyg. I Artikel 2 jämförs tre olika modeller med avseende på hur väl de kan beskriva komplexiteten hos ett koniskt killås. Det är dels en analytisk axisymmetrisk modell, som också härleds i artikeln, dels en axisymmetrisk Finita Element (FE) modell och dels en 3D FE modell. Undersökningen visade att ingen av de axisymmetriska modellerna har kapacitet nog att tillförlitligt modellera killåset. I fortsatta undersökningar har därför endast 3D FE använts. Resultaten från en enkel FE modell ligger också, tillsammans med tidiga laboratorieförsök, som grund för Artikel 3. Däri beskrivs hur ett nytt killås via prototyper och nya lösningar utvecklats, och hur arbetet för att få fram det nya låset också gett en bättre förståelse för interaktionen mellan kolfiberkompositkabel och lås. Som avslutning presenteras en innovativ design där de tre kilarna och den inre hylsan sammanfogats till en enhet. Med den nyutvecklade designen blir förankringen såväl mer tillförlitlig som användarvänlig. Alla kilar har då redan från början rätt position i förhållande till varandra. Den utvecklade förankringslösningen har också lett fram till ett beviljat svenskt patent, bifogat i avhandlingen som Artikel 6. Efter utvecklingen av den nya förankringen var nästa steg i de uppsatta målen implementering av densamma i ett förspänningssystem och nya balkförsök i konstruktionslabbet. Parallellt med planeringen för balkförsöken pågick ett arbete med att ytterligare förbättra låsdesignen. Bland annat användes en mer detaljerad FE modell som sedan jämfördes med mätningar från en ny serie med dragprov. Den nya FE modellen tillsammans med en utvärdering av viktiga parametrar och den slutliga förankringsdesignen presenteras i Artikel 4. Artikel 5 sammanfattar och avslutar forskningsstudien med en testserie om sju stycken, tre meter långa, betongbalkar förspända med utanpåliggande kolfiberkompositstavar. En av balkarna provades utan förstärkning. Förstärkningen hos de övriga varierades med avseende på förspänningsgrad, förspänningens effektiva höjd och användandet av deviator vid balkmitt. Resultaten har jämförts mellan de provade balkarna, med identiska balkar förspända med stålkablar samt med en analytisk modell utvecklad för förspänning med stålkablar. Från resultaten kan utläsas att förspänningen fungerar bra och att beteendet hos balkarna förspända med utanpåliggande kolfiberkablar är fullt jämförbart med det hos balkarna förspända med stålkablar. Likaså visar jämförelsen med de modellerade beteendena på god överensstämmelse, även om vissa skillnader finns mellan uppmätta och modellerade spänningar i kolfiberkabeln. Med målen för forskningen uppfyllda och en ny fungerande förankring framtagen så har vägen till praktiska tillämpningar kortats betydligt, ändå finns några frågetecken kvar att räta ut. Ett är säkerheten hos den här typen av system och nyttan av att använda kolfiberkomposit istället för stål. Innan systemet används i praktiken bör därför följande frågeställningar belysas: Risk för krypbrott i kolfiberarmeringen, inverkan av temperaturförändringar (och temperaturrörelser) i förankringen samt eventuella storlekseffekter vid förankring av kablar med större diametrar. De här frågorna tillsammans med långtidsförsök på förankringen och förspänningssystemet bör ses som viktiga framtida forskningsfrågor. / Godkänd; 2011; 20110128 (ysko); DISPUTATION Ämnesområde: Konstruktionsteknik/Structural Engineering Opponent: PhD Chris Burgoyne, Dep of Engineering, University of Cambridge, UK Ordförande: Professor Björn Täljsten, Institutionen för samhällsbyggnad och naturresurser, Luleå tekniska universitet Tid: Fredag den 18 februari 2011, kl 10.00 Plats: F1031, Luleå tekniska universitet

Detta examensarbete behandlar bullerskärmar för järnvägen längs Mälarbanan. Det nuvarande utförandet av konstruktionen har visat sig få problem med utmattning av de skruvförband som förbinder bullerskärmen med grundkonstruktionen. Konstruktionen uppfyller inte den tilltänkta livslängden. Examensarbetet föreslår förbättringar av konstruktionen. Denna kan enkelt modifieras, så att skruvförbanden blir förspända vilket minskar lastamplituden. Europeiska regelverk gällande stålkonstruktioner beaktas. Det förnämliga är att de inte fordrar några större eller kostsammare förändraringar av dagens utförande. Två lösningsförslag föreligger och presenteras i rapporten / This thesis project is about railroad noise barriers along the Mälarbanan. The current construction design has been found to have fatigue problems related to the threaded rods connecting the noise screen to the ground structure. This results in the barrier not sustaining the intended life expectancy. The aim of this thesis project has been to improve the current construction design by suggesting solutions enabling the construction to withstand the dynamic loads. The goal of this project has been achieved through reviews of the current construction, previous consulting reports and by taking in consideration the European standards for steel constructions along with Trafikverkets rules and regulations. This has resulted in two solution proposals, for current and future constructions, without the need for major design changes.

Irradiation of a reactor pressure vessel (RPV) causes a shift of the ductile to brittle transition region towards higher temperature regions. In the event of a pressurized thermal shock (PTS), where the temperature drops drastically, the ductile to brittle transition region might be entered for irradiated ferritic steel. Hence, there is a risk of brittle cleavage fracture. Cleavage fracture is a transgranular unstable fracture initiated by cracked second phase particles and rapidly propagated over grain boundaries. The warm pre-stressing (WPS) effect can be helpful as it increases the apparent fracture toughness of ferritic steel pre-loaded in the ductile temperature region, which is the case for a PTS. This effect has been proven effective for virgin material, but the impact of residual stress fields on the WPS effect have not been investigated thoroughly. Utilizing a finite element model of notched three-point bending specimens and a non-local probabilistic model for fracture prediction the effect of residual stresses on the WPS effect was investigated in this thesis. Regarding the crack tip state, expressed as J, the probability of fracture was alike for both material with and without residual stresses, however a significant loss of load bearing capacity was found comparing them two. The magnitude of this loss depends on pre-load level as well as specimen size. This loss however, was also found when not considering the WPS effect. / Bestrålning av ferritiska reaktortankar orakar en förskjutning av den duktil-spröda omslagstemperaturen till högre temperaturer. Vid en trycksatt termisk shock (TTS) sjunker temperaturen drastiskt i reaktorn och omslagstemperaturen kan nås. Därför uppstår en risk för klyvbrott. Klyvbrott är en transgranulär ostabil spricktillväxt initierad av sprickor i sekundärfaspartiklar som propagerar över korngränserna om spänningstillståndet är gynnsamt. Varm förbelastning, eller warm pre-stressing (WPS) kan vara fördelaktig eftersom den höjer den effektiva brottsegheten hos ferritiskt stål som förbelstats i den duktila temperaturregionen, som är fallet för TTS. Den här effekten har visats effektiv för material utan restspänningar, men för fallet med restspäninningar saknas utförliga undersökningar av WPS-effekten. Med hjälp av en finita element model av tre-punkt böjprovstavar och en icke-lokal sannolikhetsmodell för prediktion av brott så undersöktes vilken effekt restspänningar har på WPS-effekten. Brottsannolikheten visade sig vara lika för både material med och utan restspännigar om man syftar på sprickspetstillståndet, uttryckt som J. Däremot syns en tydlig förlust i lastbärande förmåga mellan de två fallen. Storleksordningen på förlustern beror både på förbelastningsnivå och provstavsstorlek. Den förlusten kunde dock finnas även för fall utan någon WPS effekt.

Applications of vibration structural health monitoring (VHM) techniques are increasing rapidly. This is because of the advances in sensors and instrumentation during the last decades. VHM uses the vibration properties to evaluate many civil structures during the design steps, building steps and service life. The stiffness and frequencies of tensegrity structures are primarily related to the level of pre-stress. The present work investigates the possibilities to use this relation in designing, constructing and evaluating the tensegrity structures. The first part of the  present work studies the improvement of current models for resonance frequency simulation of tensegrities by introducing the bending behaviour of all components, and by a one-way coupling between the axial force and the stiffness. From this, both local and global vibration modes are obtained. The resonance frequencies are seen as non-linearly dependent on the pre-stress level in the structure, thereby giving a basis for diagnosis of structural conditions from measured frequencies. The new aspects of tensegrity simulations are shown for simple, plane structures but the basic methods are easily used also for more complex structures. In the second part, the environmental temperature effects on vibration properties of tensegrity structures have been investigated, considering primarily seasonal temperature differences (uniform temperature differences). Changes in dynamic characteristics due to temperature variations were compared with the changes due to decreasing pre-tension in one of the cables. In general, it is shown that the change in structural frequencies made by temperature changes could be equivalent to the change made by damage (slacking). Different combinations of materials used and boundary conditions are also investigated. These are shown to have a significant impact on the pre-stress level and the natural frequencies of the tensegrity structures when the environment temperature is changed. / Användandet av vibrationsbaserade hälsokontrollsmetoder (VHM) för strukturer ökar snabbt.Detta har möjliggjorts av utvecklingen inom  mätmetoder och mätutrus- tning under de senaste decennierna.Dessa metoder använder sig av de uppmätta eller simulerade vibrationsegenskaperna  underdesign-, uppbyggnads- och  nyttjandestadierna hos många slag av byggnadsverk. Styvheten och resonansfrekvenserna hos tensegritets-strukturer är i hög grad beroendepå den aktuella förspänningsnivån. Föreliggande arbete undersöker möjlig- heterna attanvända detta beroende i konstruktion, byggande och utvärdering av sådana strukturer. Den första delen av  föreliggande arbete studerar förbättringar av de vanligen användamodellerna för simulering av resonansfrekvenser hos tensegritetsstrukturergenom att införa de ingående komponenternas böjningsegenskaper, och genom att i enriktning koppla normalkraften till böjstyvheten. Genom detta kan såväl lokala som globalavibrationsmoder hittas. Resonansfrekvenserna ses därmed som icke-linjärt beroende avförspänningsnivån i strukturen. Detta ger därmed möjligheter att diagnosticera strukturenskondition från uppmätta frekvenser. De nya simuleringsmöjligheternademonstreras för enkla, plana strukturer, men de utvecklade metoderna kan också lättanpassas till mera komplexa fall. Den andra delen av arbetet undersöker hur strukturernas vibrationsegenskaper ärberoende på temperatureffekter i omgivningen. I första hand beaktas säsongsvisa (likformiga)temperaturvariationer. Förändringar i de dynamiska egenskaperna beroende påtemperaturförändringar jämfördes med dem som beror på en minskande förspänning hos någonav de ingående kablarna. I allmänhet gäller att förändringarna i resonansfrekvenser kanvara av samma storleksordning som de som beror på skador (minskad förspänning).Olika kombinationer av material, och olika upplagsförhållanden undersöktes.Dessa egenskaper visades ha en betydande effekt på förspänningsnivån, och därmed ocksåpå resonansfrekvenserna, hos tensegritets-strukturerna som utsätts för temperaturvariationer. / <p>QC 20140514</p>

When designing a bridge it is of high importance that the geometry for the cross section is optimized for the structure. This is partly due to the influence of the amount of material needed and its impact on the budget and environment. The influence of choosing the right amount of each material lies in the unit-price of the different material, where they can differ significantly. The Swedish Transport Administration, Trafikverket, has ordered the construction of Stockholm Bypass which is one of Swedens largest infrastructure project and is valued to 27.6 billion SEK according to the price index of the year 2009. The infrastructure project is divided into multiple projects where one of them is assigned to Implenia and Veidekke through a joint venture (Joint venture Hjulsta, JVH) and is valued to nearly 800 MSEK. The reference bridge that is used in the analysis of the master’s thesis is a part of the project. The aim of this masters thesis was to analyze and compare the two construction methods, mov- able scaffolding system (MSS) and incremental launching for the reference bridge with respect to amount post-tensioning and slenderness. Furthermore, an economical comparison between the two construction methods was carried out based on the obtained results. The analysis of the MSS was carried out by modeling the reference bridge structure in the finite element software SOFiSTiK AG. The bridge was modeled with different cross section height, i.e. different slenderness where the optimal amount of post-tension tendons could be determined by iteration until stress conditions from the Eurocode were fulfilled. For the incremental launching method, a numerical analysis was performed. The optimal amount of required post-tensioning was evaluated in the construction stages and final stages with different construction heights i.e. different values of slenderness. A cost analysis was also performed where the aim was to analyze how the total cost of the construc- tion of the bridge would be influenced by the different slenderness of the bridge as a comparison for the two construction methods. This was done by dividing the costs into fixed costs and variable costs. The results showed that the structural rigidity had a large influence on the required amount of prestressing steel for both construction methods. In other words, the smaller the cross section the more prestressing steel was required. Incremental launching proved to require a much greater amount of (PT) tendons compared to the MSS although the identical cross sections and properties for both methods, except for the PT. The prestressing for incremental launching is generally by centrical prestressing during the construction stages. A intersection point was obtained in the cost analysis for the construction methods. The incremental launching was the cheaper solution for slenderness smaller than the intersection point at slenderness between 17 and 18. The MSS was cheaper than the incremental launching for slenderness larger than the intersection point. / Vid dimensionering av tvärsektioner i broar är det av stor vikt att optimera geometrin avseende materialåtgång då mängden material har stor på verkan på ett projekts budget samt miljö. Eftersom konstruktioner ofta består av olika byggnadsmaterial gäller det vid optimering att välja byggnadsmaterialen genom optimerad proportionalitet. Förbifart Stockholm, beställt av Trafikverket, är ett av Sveriges största infrastrukturprojekt och värderas till 27,6 miljarder kronor enligt 2009 års prisnivå. Infrastrukturprojektet är uppdelat i flera mindre entreprenader eller så kallade etapper. Den entreprenad som omfattar trafikplats Hjulsta Södra har blivit tilldelat till Implenia och Veidekke genom ett konsortium (Jointventure Hjulsta, JVH) och värderas till cirka 800 miljoner kronor. Den förspända betongbro som byggs i trafikplats Hjulsta ligger till grund för analysen i detta examensarbete och har använts som referens under vår studie. Syftet med examensarbete var att analysera och jämföra två de två olika produktionsmetoderna, Movable scaffolding system (MSS) och etappvis lansering med hänsyn till erforderlig mängd förspänningskablar och slankhet. Vidare, baserat på erhållna resultat, utfördes en ekonomisk analys och jämförelse mellan produktionsmetoderna. Analysen av MSS utfördes genom att modellera brokonstruktionen i mjukvaruprogrammet SOFiSTiK AG som bygger på finita elementmetoder. Konstruktionen modellerades för olika slankheter, där slankheten definieras som kvoten mellan maximala spannlängden och brons tvärsnittshöjd. Spannlängden hölls konstant medan tvärsnittshöjden varierade för att erhålla olika slankheter. Den optimala slankheten bestämdes genom iterering av mängd förspänningskablar tills spänningsvillkoren var uppfyllda enligt Eurocode. För analysen av etappvis lansering utfördes en numerisk analys vars den optimala mängden förspänningskablar utvärderades i byggskedet (construction stages) samt i slutskedet (final stage). Analysen utfördes på samma sätt för de olika slankheterna. Slutligen genomfördes en konstandsanalys för de olika metoderna. Syftet var att jämföra hur den totala kostnaden för uppförandet av brokonstruktionen skiljde sig för de olika slankheterna. Jämförelsen genomfördes genom att dela upp de olika kostnaderna i fasta kostnader samt rörliga kostnader. Resultaten från analysen visade att den erforderliga mängd förspänningskablar som behövs i en förspänd betongbro är beroende av den strukturella styvheten i tvärsektionen. En högre slankhet, alltså lägre tvärsnittshöjd, ger lägre styvhet och därav mer erforderlig förspänningskablar. Etappvis lansering visade sig vara den metod som krävde mer mängd förspänningskablar. I resultaten för kostnadsanalysen uppmättes en skärningspunkt, för en slankhet mellan 17-18, mellan de två olika metoderna. För förspända betongbroar med slankhet lägre än skärningsupunkten vid 17-18 är etappvis lansering det billigare alternativet. För slankheter högre än 17-18 är MSS det mer ekonomiskt lönsamma alternativet.