Optimization of Gridshell Roof Structures: A Parametric Approach to Material Efficiency
Description
Full text not available
Abstract
Denne masteroppgaven utforsker materialeffektiviteten til gittertakkonstruksjoner som et alternativ til tradisjonelle flate tak. Gjennom bruk av beregningsbasert formfinding og strukturell optimalisering, er en ny arbeidsflyt til design og analyse av gitterskalltak utviklet
Denne tilnærmingen bruker en parametrisk arbeidsflyt for å forbedre takkonstruksjonens materialeffektivitet og strukturelle gjennomførbarhet. Oppgaven utforsker mulighetene digitale verktøy introduserer ved å kunne generere mer effektive og materialeffektive strukturer innenfor samme tidsramme.
En parametrisk arbeidsflyt, som integrerer Kangaroo2 og Karamba3D i Grasshopper-miljøet, ble etablert for å gjennomføre en case-studie for å generere og optimalisere en serie gridshell-design. Effektiviteten til denne beregningsprosessen ble demonstrert i dens evne til å utføre både forprosjektering og nøyaktig strukturell analyse.
I tillegg utforsker oppgaven optimalisering av tverrsnitt innenfor gitterskallene, men møter utfordringer knyttet til global strukturell stabilitet. En identifisert mangel var utelukkelsen av globale knekkeffekter, noe som resulterte i en overestimering av nødvendige tverrsnittsstørrelser og påfølgende underutnyttelse av enkelte bjelkeelementer. Videre ble det utført optimalisering med hensyn til den høyden og oppbygningen til gitterskall-strukturene. Strukturene produsert gjennom denne prosessen viste betydelige materialbesparelser sammenlignet med flate tak, men med implikasjoner for omkringliggende strukturer på grunn av ulik lastfordeling.
Avslutningsvis gir avhandlingen verdifull innsikt i potensialet for materialeffektive gitterskall-konstruksjoner, fremhever effektiviteten til en parametrisk design- og optimaliseringsarbeidsflyt, og understreker viktigheten av å vurdere globale effekter i strukturell optimalisering. Sammenlignet med flate tak, konkluderte casestudien med en materialreduksjon på 50 \% ved bruk av en optimalisert takkonstruksjon for gitterskall. Når man vurderer strukturens høyde og oppbygning, kan betydelige materialreduksjoner oppnås, noe som videre resulterer i kostnadsbesparelser. Resultatene av denne avhandlingen antyder lovende retninger for fremtiden for bærekraftig og effektiv design. This master's thesis explores the material efficiency of gridshell roof structures as an alternative to traditional flat roofs. Through the adoption of computational form-finding and structural optimization, a novel approach to designing and analyzing gridshell roofs was developed. This approach uses a parametric workflow to enhance the roof structures' material efficiency and structural feasibility. The thesis explores the possibilities digital tools introduce by being able to generate more effective and material-efficient structures within the same time frame.
A parametric workflow, integrating Kangaroo2 and Karamba3D within the Grasshopper environment, was established to conduct a case study to generate and optimize a series of gridshell designs. The efficiency of this computational process was demonstrated in its ability to conduct both conceptual stage and accurate structural analysis.
Additionally, the thesis explores the optimization of cross-sections within the gridshell structures, encountering challenges relating to global structural stability. An identified shortcoming was the exclusion of global buckling effects, resulting in an overestimation of required cross-section sizes and subsequent under-utilization of some beam elements. Furthermore, optimization with regard to the global shape and topography of the gridshell structures was conducted. The designs produced through this process demonstrated substantial material savings compared to conventional flat roofs, although with implications for surrounding structures due to differing load distributions.
In conclusion, the research provides valuable insight into the potential for material-efficient gridshell roofs, highlights the efficiency of a parametric design and optimization workflow, and emphasizes the importance of considering global effects in structural optimization. Compared to flat roofs, the case study concluded with a 50 \% material reduction when using an optimized gridshell roof structure. When considering the variables of shape and topography, significant reductions in the necessary materials for structures can be achieved, resulting in substantial cost savings. The outcomes of this research suggest promising directions for the future of sustainable and efficient design.