It is essential to understand the mechanics of ice load and how it affects concrete dams located in a cold climate, such as Sweden, where the temperature becomes sufficiently cold to freeze the surface of the reservoir. The purpose of this thesis is to study ice load distribution along concrete dams, and its response during the application of an ice load. Two types of concrete dams were analysed, an arch dam and a buttress dam. For these dams, the influence from different parameters on the ice load distribution along the dams is studied. In addition to this, a study on how the ice load affects dam stability had also been performed. Stability analyses based on the finite element method were performed using both linear and nonlinear formulation of the interaction behaviour between the base of the dam and the underlying rock. A parametric study of ice sheet expansion on different dam types and geometries were performed. The expansion of the ice sheet was assumed to either be caused by a constant temperature 15 ˚C uniformly distributed over the ice thickness, or by a temperature gradient from 15 ˚C at the top surface of the ice sheet and 0 ˚C at the bottom. The parametric study also includes an investigation about influence of the shape of the reservoir beaches, where it either had a perpendicular shape towards the surface of the dam, or it had an angle of 30˚ with the dam surface. In the linear stability analysis, the structure continued to deform with increasing of the resultant pressure until it reached nonlinearity. The dam deflection had a linear relation with the applied ice load force until it reached the point when structure behaviour was nonlinear. The structure failed due to sliding, overturning or combination of both sliding and overturning. A material failure can also occur if the nonlinear material behaviour is considered, however this was not considered in this study. The parametric study showed that the ice load distribution was less near the beaches, and the distribution of the load on the concrete dam was higher near the top surface of the ice sheet. It was also shown in the study that the distribution of the ice load along the dam was as a cosine function where it had the maximum value at the buttress and the minimum at monolith connections. The result also showed that the load distribution over the thickness of the ice sheet was the same along the dam, regardless of the shape of the beaches or the length of the ice sheet. / Det är viktigt att förstå hur islasten beter sig och hur den påverkar betongdammar som är belägna i kallt klimat, som t.ex. Sverige, där temperaturen blir tillräckligt låg för att frysa ytvattnet i en flod. Syftet med detta examensarbete är att studera isbelastningsfördelningen längs en betongdamm och dess respons under en belastningen. Två olika typer av betongdammar har analyserats, vilka är valvdamm samt lamelldamm. För dessa, studerades det hur olika parametrar påverkar lastfördelningen från istrycket längsmed dessa dammar. Slutligen har det studerats hur islasten påverkar dammsäkerheten och risken för dammbrott. Inverkan från interaktionen mellan dammen och det underliggande berget som linjär eller olinjärt har studerats i stabilitetsanalyser baserade på finita elementmetoden. En parameterstudie har också genomförts för olika dammtyper och geometrier där islasten orsakades av en expansion av isytan. Denna expansion antogs vara orsakad av antingen av en jämn fördelad temperatur över istjockleken på 15 ˚C, eller en temperaturgradient över istjockleken med +15 ˚C på den övre ytan och 0 °C vid isens bottenyta. Den parametriska studien beaktar även inverkan från utformningen av stränderna, där den har definierats som antingen vinkelrät mot dammen eller med en lutande vinkel på 30 grader. I fallet med linjära stabilitetsanalyser kommer konstruktionen att fortsätta att deformeras som ett resultat av ökande resulterande tryckkraft. Dammens deformation har ett linjärt förhållande med den applicerade islasten till dess att den når en punkt då strukturens beteende övergå till olinjärt. Strukturens brottmod kan uppstå på grund av glidning, stjälpning eller i en kombination av både glidning och stjälpning. materialbrott kan uppstå om icke-lineariteterna beaktas. Dammen gick till brott på grund av glidning, vältning eller i kombinationen av dessa då. Materialbrott kan uppstå om icke-linjära materialmodeller inkluderas, men detta beaktades dock ej i denna studie. Den parametriska studien visar att isbelastningen är mindre nära stränderna och att belastningen på betongdammen är högre vid isens ovanyta. Studien visar att islastfördelningen längsmed dammen liknar en cosinusfunktion som når sitt maximum vid stödskivan och sitt minimum vid monolitanslutningen. Resultatet visar även att islastfördelningen genom islastens tjocklek har samma form längsmed dammen oavsett utformningen av stränder eller istäckets längd.

Concrete dams located in northern regions are exposed to large seasonal temperature variations. These seasonal temperature variations have resulted in cracking in thin concrete dams. Continuous monitoring and evaluation of existing dams are important to increase the knowledge about massive concrete structures and to ensure dam safety.  The aim of this degree project is to increase the knowledge about how cracking occurs in concrete dams and how it affects the dam safety. This was achieved by simulating the development of cracks in a concrete arch dam exposed to seasonal temperature variations using finite element analysis (FEA). The accuracy of the model was evaluated by comparing the results with measurements from a Swedish concrete arch dam. Finally, effect of cracks and temperature on the dam safety was investigated.  FEA was used to predict the crack pattern and displacements in the arch dam. The analyses were performed both with linear elastic and nonlinear material behavior. Two models were analyzed, in one model the dam was considered to be a homogeneous arch, the other model included contraction joints. The cracking was simulated using temperature envelopes from the location of the Swedish arch dam. To evaluate the displacements in the arch, further analyses were carried out, where the cracked arch dam was exposed to the actual temperature variations at the location. The results were compared to the crack pattern and measurements of displacements of the Swedish arch dam. To investigate the effects from the cracking on the safety of the dam, a progressive failure analyses performed.  The results show that the downstream face of the arch cracked under hydrostatic pressure. The cracks propagated further during winter when the temperature load was applied. The resulting crack pattern corresponded well with the survey of the cracks from the Swedish arch dam. The FE-models with nonlinear material developed a horizontal plastic hinge due to excessive cracking in a region halfway down from the crest. The plastic hinge affected the shape of the deflected arch. The magnitude of the displacements and the shape of the deflected arch was captured with the nonlinear models. A safety factor of 3 for internal structural failure in the arch was found in the failure analyses. The safety factor of the arch only decreased slightly due to the cracking. During a cold winter, the safety factor decreased to 2.5. / Betongdammar belägna i nordliga klimat blir utsatta för stora säsongsburna temperaturvariationer. Dessa temperaturvariationer har orsakat sprickbildning i tunna betongdammar. Kontinuerlig övervakning och utvärdering av befintliga dammar är viktigt för att öka kunskapen om massiva betongkonstruktioner och för att säkerställa dammsäkerheten.  Syftet med det här examensarbetet är att öka kunskapen om hur sprickor uppstår i valvdammar samt hur de påverkar anläggningens säkerhet. Målet är att med finit elementanalys (FEA) analysera uppsprickningen av betongen i en valvdamm som påverkas av säsongsburna temperaturvariationer. Tillförlitligheten i modellen utvärderas genom att jämföra med mätningar från en svensk valvdamm av liknande dimensioner. Slutligen utvärderas hur dammens säkerhet påverkas av sprickbildningen.  FE-analys användes för att förutsäga sprickmönstret och förskjutningarna i valvdammen. Analyserna utfördes både med linjärelastiskt och icke-linjärt materialbeteende. Två modeller användes i analysen, i ena modellen betraktades dammen som homogen och i den andra inkluderades gjutfogar. Sprickmönstret simulerades med temperaturcykler baserade på extremtemperaturer tagna intill den svenska valvdammen. För att utvärdera förskjutningarna i dammen gjordes vidare analyser där den spruckna dammen utsattes för temperaturvariationer uppmätta från samma plasts. Resultaten från analysen jämfördes med mätningar av förskjutningar och kartering av sprickor från den svenska valvdammen. För att undersöka hur säkerheten påverkades av sprickbildningen utfördes progressiv brottanalys.  Resultaten visar att dammen spricker på nedströmssidan när den utsätts för vattentryck. Sprickorna fortplantas under vintern när temperaturlasten appliceras. Sprickmönstret stämmer överens med kartering av den verkliga dammen. FE-modellerna med icke-linjärt materialbeteende utvecklade en plastisk led längs horisontella sprickor halvvägs ner från krönet. Den plastiska leden påverkade dammens utböjda form. Förskjutningarna och dammens utböjda form i de ickelinjära modellerna stämmer väl överens med de uppmätta förskjutningarna. Vid brottanalysen var säkerhetsfaktorn mot materialbrott i dammen 3. Säkerhetsfaktorn minskade något till följd av sprickorna. Under en kall vinter sjönk säkerhetsfaktorn till 2,5.

High-Frequency Mechanical Impacts (HFMI) is a surface treatment technique utilized to introduce residual stresses and extend the service life of structures. This project primarily focuses on studying the life extension effects of HFMI on welded structures that have undergone fatigue and have existing cracks. This is of significant importance for the maintenance of structures jointed with welds, such as bridge structures. Therefore, this project selected welded components with lower fatigue strength in bridge structures as research specimens for analysis and testing.To simulate the conditions that bridges experienced over many years of usage, initial notches were prepared near the weld toes. A data acquisition and control system was developed to analyze crack propagation behavior, using NI devices to assess the pre-fatigue condition and control the fatigue testing machine. To understand the test results, fracture mechanics calculations and finite element simulations were applied for comparison.In conclusion, based on the experimental results, HFMI improves the life of welded structures with cracks. This demonstrates the feasibility of using HFMI for the maintenance of bridge welding structures and extending their service life. / HFMI (High-Frequency Mechanical Impacts) är en ytbehandlingsteknik som används för att införa restspänningar och förlänga livslängden hos strukturer. Detta projekt fokuserar främst på att studera effekterna av HFMI på svetsade strukturer som har genomgått utmattning och har befintliga sprickor. Detta är av stor betydelse för underhållet av strukturer som sammanfogas med svetsar, t.ex. brokonstruktioner. I detta projekt valdes därför svetsade komponenter med lägre utmattningshållfasthet i brokonstruktioner som forskningsexemplar för analys och provning.För att simulera de förhållanden som broar utsätts för under många års användning förbereddes initiala sprickor vid svetsfogarna. Ett datainsamlings och styrsystem utvecklades för att analysera sprickornas utbredning, med hjälp av NI-enheter för att bedöma tillståndet före utmattning och styra utmattningsprovningsmaskinen. För att göra de experimentella resultaten mer rimliga användes brottmekaniska beräkningar och finita elementsimuleringar för jämförelse.Slutsatsen är att HFMI, baserat på de experimentella resultaten, förbättrar livslängden avsevärt för svetsade strukturer med sprickor av djup mindre än 0.5 mm. Detta visar att det är möjligt att använda HFMI för underhåll av svetsade brokonstruktioner och förlänga deras livslängd.

This thesis covers an investigation regarding the failure in the bridge slab of Gruvvägsbron, which was the result of the full scale test that the bridge was subjected to prior to demolition. Using the non-linear finite element software ATENA 3D, a model of the bridge was assembled, with the purpose to attempt to reenact the test procedure and realistically capture the failure load and behaviour. This in order to be able to conclude what kind of failure that occurred. The initial part of this thesis presents a summary of a conducted literature study, which aims to give deeper knowledge regarding the linear shear and punching shear phenomena and their respective failure mechanisms, and how they are applied on bridge slabs. Furthermore, the shear capacity of the bridge was calculated according to current design codes. A parameter study was conducted on the model, which initially showed a over-stiff response. The aim of this was to study the influence of key variables on the outcome of the analysis, and hopefully get closer to the failure load acquired inthe experiment. From the studied parameters, it was observed that a combined reduction of the tensile strength and fracture energy, together with a low fixed crack coefficient had the largest influence on the outcome of the analysis. It was also observed that the location of the failure and failing load was dependant on how the loading was applied to the model, i.e. via load control or deformation control. The final model failed at a load which surpassed the actual failure load by 10.5%. The mode of failure obtained in all the analyses were the result of a large shear crack propagating from the edges of the loading plate, through the slab to the slab/girder-intersection. This indicates that the type of failure that occurred was primarily due to a linear shear mechanism with a secondary punching effect. The design values calculated by keeping with the current codes resulted in too conservative values when compared to the obtained failure load from the experiment. This proves the difficulty in regarding the internal force distribution in slab struc-tures as well as the shear carrying width, which from the analysis were found to be larger than that obtained from the code. / Denna uppsats behandlar en utredning gällande brottet i plattan på Gruvvägsbron, som var resultatet av det fullskaletest som bron utsattes för innan rivning. Med hjälp av den icke-linjära finita element-programvaran ATENA 3D skapades en modell avbron, med syfte att på ett realistiskt sätt försöka återskapa experimentet och fånga brons verkliga beteende. Detta för att således kunna dra slutsatser angående brottets natur. Den första delen av denna uppsats innehåller en sammanfattning av en utförd litteraturstudie, som ämnar ge en ökad förståelse angående fenomenen skjuvning och genomstansning, tillsammans med olika brottmekanismer relaterade till dessa. Vidare har brons motstånd mot skjuv- och genomstansningbrott beräknats enligt rådande normer. En parameterstudie utfördes på modellen, då den ursprungligen uppvisade ett överstyvt beteende. Syftet med detta var att studera nyckelparametrars påverkan på analysens resultat, och eventuellt komma närmare den verkliga brottlasten i experimentet. Av de studerade parametrarna observerades att en samtida reduktion av draghållfasthet och brottenergi, samt ett lågt värde på den så kallade "fixedcrack"-koefficienten gav störst inverkan på resultatet. Vidare observerades att brottets lokalisering och brottlasten var beroende av hur lasten påfördes modellen, dvs genom last- eller deformationsstyrning. Den slutgiltiga modellen gick till brott vid en last som översteg den verkliga brottlasten med 10.5%. Brottet som skedde var i samtliga analyser resultatet av en skjuvspricka som sträckte sig från kanten av lastplattan, genom plattan, ner till mötet mellan platta och balk. Detta indikerar att den typ av brott som skedde var ett primärt skjuvbrott med en sekundär stanseffekt. Lastvärdena beräknade enligt rådande normer tycks vara för konservativa, om jämförelse görs med lasten som uppnåddes i experimentet. Detta visar på svårigheten i att bedöma den inre kraftspridningen i plattor, och även dess skjuvbärande bredd, då analysen visade att denna var betydligt större än vad som ges i koden.

The increased use of continuously welded rails in the railway systems makes it necessary to increase the control of the rail stresses to avoid instability and damages of the rails. Large stresses are especially prone to appear at discontinuities in the railway systems, such as bridges, due to the interaction between the track and the bridge. The interaction leads to increased horizontal forces in the rails due to the changed stiffness between the embankment and the bridge, temperature variations, bending of the bridge structure because of vertical traffic loads and braking and traction forces. If the compressive rail stresses become too high it is necessary to use costly and maintenance-requiring devices such as rail expansion joints and other rail expansion devices. These devices increase the railway systems life cycle cost and should if possible be avoided. The use of non-ballasted track on high-speed railways, tramways and subways, has increased since this kind of track requires less maintenance and according to some investigations have a lower life cycle cost compared to ballasted track. The non-ballasted track is usually made of a track slab to which the rails are connected through fastenings. The track slab is connected to the bridge structure and held in place by shear keys. When non-ballasted tracks are used in populated areas it is sometimes necessary to introduce some vibration and noise damping solution. One of the possible solutions is to introduce a floating slab mat (elastic mat) under the track slab on the bridge. The influence of the floating slab mats properties on the rail stresses is investigated in this degree project. The investigation was performed through a numerical modelling of two railway bridges using the finite element software SOFiSTiK. The results from the investigation showed that there was a small reduction of the compressive rail stresses by approximately 3 – 7% (depending on the stiffness of the elastic support, load positions and the properties of the mat) when a mat was installed under the track slab. The results from the investigation also showed that there was a small reduction (up to approximately 1 %) of the compressive stresses in the rail when the thickness of the mat was increased, and the stiffness of the mat was reduced. This reduction of the compressive stresses is assumed to be caused by the mat being mounted on the sides of the shear keys. The lower stiffness of the mat allows the track slab and the bridge deck to move more freely parallel to each other in the horizontal direction. This leads to a decrease of the stresses in the rail due to a lower interaction between the track and the bridge. It was also shown that the rail stresses increased if the friction between the slab mat and the bridge deck was considered. This is because of an increase of the interaction between the track and the bridge due to the mats horizontal stiffness. / Den ökade användningen av kontinuerligt svetsade räler i järnvägsnäten i världen leder till en ökad kontroll av rälsspänningarna för att undvika instabilitet och skador på rälsen. Särskilt vid en diskontinuit i järnvägssystemet, som vid broar, kan stora tillskottspänningar i rälsen uppstå till följd av interaktionen mellan spår och bro. Interaktion leder till ökade horisontella krafter som verkar på rälsen och beror på den förändrade styvheten mellan järnvägsbank och bro, temperaturvariationer, nedböjning av bron på grund av vertikala trafiklaster samt broms- och accelerationskrafter. Om spänningarna i rälsen blir för stora behöver kostsamma och underhållskrävande dilatationsfogar införas. Dessa dilatationsfogar ökar järnvägssystemets livscykelkostnad och är något som ska undvikas att införas i den mån det är möjligt. Användningen av ballastfritt spår för höghastighetsjärnvägar, spårvägar och tunnelbanor ökar på grund av att dessa spår kräver mindre underhåll och har enligt vissa undersökningar en lägre livscykelkostnad i jämförelse med ballasterat spår. Ballastfritt spår består oftast av en betongplatta till vilken rälsen är kopplad genom befästningar. Plattan är i sin tur kopplad till underbyggnaden genom skjuvförbindare som håller plattan på plats. När ballastfritt spår används i bebodda områden är det ibland nödvändigt att ta till vibrations- och ljuddämpande åtgärder. En åtgärd som används på brokonstruktioner för att minska vibrationer och ljudföroreningar är att montera en vibrationsdämpande matta, som är tillverkad av ett elastiskt material, mellan betongplattan och broöverbyggnaden. I detta examensarbetet undersöks hur den vibrationsdämpande mattans egenskaper påverkar rälsspänningarna. Resultaten från undersökningen visar att spänningarna i rälsen minskar med cirka 3–7 % (beroende på det elastiska stödets styvhet, lastpositioner och mattans egenskaper) när en elastisk matta installeras under spårplattan i jämförelse med när ingen matta används. När mattans tjocklek ökar och när styvheten sänks minskar spänningarna med cirka 1 % i jämförelse mellan den tjockaste och tunnaste mattan. Denna minskning av spänningarna antas bero på att den vibrationsdämpande mattan som är monterad på sidan av skjuvförbindarna ger en möjlighet för spåret och bron att förskjutas fritt parallellt varandra innan en interaktion mellan spår och bro uppstår. Det visade sig även att om friktionen mellan mattan och broöverbyggnaden medräknas ökar spänningarna i rälsen. Detta beror på att mattan då skapar en större interaktion mellan spåret och bron gentemot fallet då mattans horisontella styvhet inte beaktas.

Traumatic brain injury (TBI) is a worldwide public health problem. It is often caused by impacts to the head, which can cause translational and rotational motions. During impacts to the head, the neck serves as one of the boundary conditions for determining its kinematic response. In today’s helmet assessment standards, the dynamics of the neck are not included, and in most standards only translational accelerations are examined within a short time interval around 20- 30 ms. However, to understand the risk of brain injury, it is also important to account for the rotational motions and the influence of the neck on head kinematics.  In this thesis the influence of the neck on head kinematics was investigated by comparing 5 different finite element (FE) models of the human. By using finite element analysis, simulations of four different accident scenarios were conducted. Most models are produced for the automotive industry and are not validated in vertical impacts with forces acting on the head. The accident scenarios included vertical and horizontal impacts to the head with different striking objects. The models included two anthropomorphic test devices (ATD) and three human body models (HBM). Furthermore, an isolated head was also used. The models were equipped with an industrial safety helmet, with and without a low friction layer (LFL). Additionally, the helmet versions were used to investigate how the various FE models predict the difference in rotational kinematics.  The head kinematics showed considerable disparities between the ATDs and the HBMs. The ATDs mostly showed a stiffer, spring-like behavior with higher translational accelerations and lesser rotational motions. Furthermore, the HBMs showed responses that were assumed to have been in better proximity to biofidelic responses. The incorporation of the LFL led to a reduction in peak resultant rotational velocity (PRV) in most models and accident scenarios. Furthermore, the results were highly influenced by the choice of duration. It was seen that the differences between the models increased over time, as the boundary effects could influence the kinematics to a larger extent. Hence, the neck had more influence on head kinematics at longer time durations.  This thesis contributes to a comparison of different FE models and how various boundary conditions affect the kinematics of the head. The Hybrid III should only be used in cases involving pure flexion-extension. The attachment of the KTH neck to the Hybrid III torso led to large differences in kinematic responses to the other models, and therefore it should not be used in virtual testing. Due to the resemblance between head-only and the HBMs, as well as the short duration in bicycle helmet assessment, the use of only a headform is probably a better approximation as the ATD necks that could be used are not good representations of biofidelity. Before implementing surrogate necks in helmet assessment, more investigations on the influence of the neck on head kinematics are necessary as well as the development of neck models with high biofidelity. / Traumatiska hjärnskador är ett globalt folkhälsoproblem. Traumatiska hjärnskador orsakas ofta av slag mot huvudet, vilket kan orsaka både translations- och rotationsrörelser av hjärnan. Vid slag mot huvudet verkar halsen som ett av randvillkoren som styr kinematiken av huvudet. I dagens hjälmstandarder är halsens dynamik inte inkluderad och i majoriteten av standarder är det endast translationsaccelerationer som undersöks samt inom en kort tidsram, runt 20-30 ms. För att förstå risken för hjärnskador behöver man även beakta rotationsrörelser och då blir halsens inflytande på huvudets kinematik av vikt, liksom att utvärdera kinematiken under en längre tid.  I detta examensarbete studeras halsens inverkan på huvudets kinematik genom att jämföra fem olika finita element (FE) modeller av människan. Genom att använda finita elementmetoden, genomfördes simuleringar av 4 olika olycksscenarior. Olycksscenariorna inkluderade vertikala och horisontella islag med olika objekt. De modeller som användes var två krockdockor och tre humanmodeller samt ett isolerat huvud. De flesta modeller är framtagna för bilindustrin vilket påverkar dess användningsområde genom begränsade valideringar av vertikala slag med krafter som verkar direkt på huvudet. Alla modeller var utrustade med en industrihjälmsmodell, med respektive utan ett lågfriktionslager. Dessutom användes hjälmmodellerna till att undersöka hur de olika FE modellerna förutspådde skillnader i rotationskinematik.  Kinematiken av huvudet visade på signifikanta skillnader mellan krockdockorna och humanmodellerna. Krockdockorna hade generellt ett stelare, fjäderliknande beteende med högre translationsacceleration och mindre rotationsrörelse. Vidare hade humanmodellerna ett beteende som var mer likt den förväntade mänskliga responsen. Användandet av lågfriktionslagret ledde till reduktion i resulterande peak rotationshastighet bland de flesta modeller och olycksscenarior. Resultatet påverkades nämnvärt av valet av tidsintervall. Vid längre tidsintervall var skillnaderna i beteende större mellan modellerna. Därför hade halsen större inverkan på huvudets kinematik vid längre durationer.  Detta examensarbete bidrar till en jämförelse av olika FE modeller och förståelse för hur olika randvillkor påverkar huvudets kinematik. Hybrid III borde endast användas för horisontella islag med enbart flexion-extensions rörelser. Infästningen av KTH halsen till Hybrid III gav stora skillnader i kinematiken jämfört med de andra modellerna, och därför ska den inte användas vid virtuella tester. På grund av de likheter som sågs mellan enbart huvud och humanmodellerna samt på grund av de korta islagen vid cykelhjälmsbedömningar, är troligtvis användandet av ett isolerat huvud en bättre approximation än användandet av de tillgängliga krockdockornas halsar. Innan man använder halsmodeller vid hjälmbedömningar, krävs fler studier på halsens inverkan på kinematiken samt framtagande av halsmodeller med mer människoliknande respons.