Paper materials have a long history of use in packaging products, although traditional paper-based packaging is limited in its shape and design. In order to enable more advanced paper-based packaging, various 3-D forming processes for paper materials have been studied. Since 3-D forming processes typically include the application of moisture and/or temperature, the effects of moisture and temperature on the mechanical response of paper have also been investigated. In Paper A, an experimental study of the combined effects of moisture and temperature on the uniaxial mechanical properties of paper was conducted. These experiments provided new insights into how moisture and temperature affect both the elastic and plastic properties of paper materials. These experiments also provided the framework from which the effects of moisture and temperature were modelled in Paper C. In Paper B, an explicit finite element model of the paperboard deep-drawing process was developed. An orthotropic material model with in-plane quadrant hardening was developed and verified for paper. The simulation results matched the trends from experimental deep-drawing up to when micro-scale wrinkling occured. Since most experimental failures occur prior to wrinkling, this model provided quantitative understanding of failure in the paperboard deep-drawing process. In Paper C, an explicit finite element model of paper hydroforming, utilizing the same material model for paper materials as in Paper B, was developed and verified. The simulation results matched well with experimental results, and a parametric study with the finite element model produced quantitative understanding of the hydroforming process for paper materials. Additionally, drying was identified as an important phenomenon for determining the extent of formability of paper materials. / Papper har länge använts som förpackningsmaterial men traditionella pappers- och kartongförpackningar är begränsade i form och design. Olika 3-D formnings processor har studerats för att möjliggöra mer avancerade pappersbaserade förpackningar. Effekterna av fukt och temperatur på pappers mekaniska egenskaper har också undersökts eftersom fukt och temperatur har stor betydelse för slutresultatet i 3-D formningsprocesser. I Artikel A har den kombinerade effekten av fukt och temperatur på de uniaxiella mekaniska egenskaperna av papper undersökts experimentellt. Dessa experiment visar hur fukt och temperatur påverkar både elastiska och plastiska egenskaper hos papper samt ligger till grund för modelleringen av inverkan av fukt och temperatur i Artikel C. I Artikel B har en explicit finita element modell för djupdragning av kartong utvecklas. En ortotropisk materialmodell baserad på en rektangulär flytyta har utvecklats och verifierats för kartong. Simuleringen följde trenderna i experimenten fram till den punkt där mikroskopiska rynkor bildas. Resultaten från analyserna med modellen ger kvantitativ förståelse för materialbrott i djupdragningsprocessen eftersom de flesta experimentella materialbrott inträffar innan mikroskopiska rynkor bildas. I Artikel C har ett explicit finita element modell av hydroformning av papper baserad på materialmodellen från Paper B utvecklats och verifierats mot experimentell hydroformning av papper. En parameterstudie med finitaelement-modellen producerade kvantitativ förståelse för hydroformningsprocessen för papper. Dessutom identifieras torkning som ett viktigt fenomen för att fastställa graden av formbarheten för pappersmaterial. / <p>QC 20150907</p>

Excavations in soft clays come with a number of specific challenges. The use of lime-cement columns in the passive zone of such works represents a promising solution to some of these problems, such as basal heave stability or excessive deformations. Nevertheless, lime-cement columns in the passive zone of excavations in soft clays are not yet widely used and studied. Knowledge about this improvement method is still limited, particularly when it comes to numerical modelling. They have mostly been studied numerically using simple geometries or constitutive models that do not allow to represent the key features of the material, that could influence the behaviour of the structure. Thus, there is a need for more investigations regarding precise modelling tools for this type of problems. In this study, an advanced constitutive model named the Concrete model was employed to capture the mechanical behaviour of the lime-cement improved soil material. A boundary value problem representing an excavation in soft clay supported by sheet pile walls and lime-cement columns was studied using a three dimensional finite element model that included the Concrete model for lime-cement column panels. The results show that the Concrete model is able to capture the behaviour of lime-cement improved clay very well. Key features such as strain hardening and strain softening are well represented. The results of the boundary value problem were compared to field measurements and it was showed that the Concrete model employed in a three dimensional finite element representation of the problem is able to give realistic results. / Schakter i lös lera medför ett antal specifika utmaningar. Användningen av kalk-cementpelare i den passiva zonen i sådana fallen är en lovande lösning på några av dessa problem, t.ex. jordhävning eller stora deformationer. Kalk-cement pelare i den passiva zonen av schakter i lös lera har dock ännu inte använts och studerats i någon större utsträckning i Sverige. Kunskapen om denna metod är fortfarande begränsad, särskilt när det gäller numerisk modellering. Denna förstärkningsmetod har studerats numeriskt med hjälp av enkla geometrier eller konstitutiva modeller som inte gör det möjligt att representera materialets viktigaste egenskaper som kan påverka konstruktionens beteende. Det finns därför ett behov av mer forskning för en precis modellering för denna typ av problem. I den här studien användes en avancerad konstitutiv modell (Concrete model) för att simulera det mekaniska beteendet hos det kalkcementstabiliserade jordmaterialet. Ett gränsvärdesproblem som representerar en schakt i lös lera som stöds av spontväggar och kalkcementpelare studerades med hjälp av en tredimensionell finita elementmodell. Resultaten visar att den advancerade konstitutiva modellen kan simulera beteendet hos kalkcementstabiliserad lera mycket väl. Viktiga egenskaper som t.ex. töjningshärdning och töjningsuppmjukning är väl representerade. Resultaten av gränsvärdesproblemet modellering jämfördes med fältmätningar och det visades att konstitutiva modellen som används kan ge realistiska resultat. / Les excavations dans les argiles molles présentent de nombreuses difficultés. L’utilisation de colonnes en chaux-ciment dans la zone passive de ces structures représente une solution prometteuse à certains de ces défis, tels que le soulèvement de la base ou les déformations excessives. Néanmoins, l’utilisation et l’étude des colonnes en chaux-ciment dans la zone passive des excavations dans les argiles molles ne sont pas généralisées et les connaissances à ce sujet sont encore limitées, notamment en ce qui concerne la modélisation numérique. La plupart des études numériques se basent sur des géométries simples ou des modèles constitutifs ne permettant pas de représenter certaines particularités du comportement du matériau, qui pourraient influencer le comportement de la structure. Il est donc nécessaire d’approfondir les recherches sur les outils de modélisation pour ce type de problème. Dans cette étude, un modèle constitutif avancé (Concrete model) a été utilisé pour reproduire le comportement mécanique de l’argile stabilisée à la chaux et au ciment. Un problème de valeurs aux limites représentant une excavation dans de l’argile molle soutenue par des murs de palplanches et des colonnes en chaux-ciment a été étudié à l’aide d’un modèle d’éléments finis tridimensionnel. Les résultats montrent que le modèle employé permet de reproduire le comportement de l’argile stabilisée à la chaux-ciment de manière très satisfaisante. Les particularités du comportement du matériau, telles que l’écrouissage et l’adoucissement, sont bien représentées. Les résultats du problème de valeurs aux limites ont été comparés aux mesures sur le terrain et il semble que ce modèle constitutif, employé dans une représentation tridimensionnelle par éléments finis du problème, soit capable de donner des résultats réalistes.