Optimalisering av fagverksbuer for store frispennkonstruksjoner

Abstract

Store frispennskonstruksjoner på over 100 meter er ikke noe standardprosjekt det finnes mange av. Hallmaker ønsker derfor at oppgaven skal studere hvordan slike konstruksjoner kan utføres på en mest mulig gunstig måte ved bruk av stål og fagverksbuer som er det de er spesialister på.

På bakgrunn av at Hallmaker leverer konstruksjoner til ulike land i Europa er det ønskelig at konseptet oppgaven studerer skal være gjeldene også utenfor Norge. Gjennomsnittslaster for store deler av Europa er derfor benyttet som grunnlag for beregningene.

En parametrisk modell er bygd opp for enkelt å kunne studere de ønskelige parameterne og deres effekt på konstruksjonen. I hovedsak er programmene Rhino, Grasshopper og Karamba benyttet til utviklingen av den parametriske modellen. Der programmene ikke strakk helt til, ble det laget egne moduler i C# som utførte de spesifikke operasjonene som manglet. Hovedgevinsten ved en slik modell er at det i et forprosjekt kan kontrolleres mange ulike løsninger, typisk i samarbeid med arkitekt, og samtidig umiddelbart få ut de konstruktive effektene. Ved fremtidig prosjektering av lignende konstruksjoner kan den parametriske modellen gjenbrukes ved å endre parameterne. Dette er på bakgrunn av at modellen i denne oppgaven er helt parametrisk, og i tillegg kan benyttes som en beregningsmodell.

Oppgaven studerer blant annet effekten av ulik fagverkshøyde, pilhøyde, form, lengde frispenn, diagonaler og avstivning. Spørsmålet om gevinstene ved å benytte et romlig fagverk er også studert. Resultatene viser tendenser når det gjelder hvilken variasjon de ulike parameterne bør ha. Det viser seg at den beste utformingen rent konstruktivt peker i retning av at fagverket skal ha form som et sirkelsegment. Den har derimot visse begrensninger når det kommer til brukbarheten av konstruksjonen, spesielt med tanke på takhøyden ned mot oppleggene. En vurdering av de ulike parameterne og resultatene opp mot hverandre må derfor diskuteres for hvert enkelt prosjekt.

Et konsept innen «structural health monitoring» (SHM) ble også diskutert. Konseptet går ut på å gjøre tøyningsmålinger i enkelte elementer for å få kontroll over utnyttelsen til hele konstruksjonen.

Large freestanding structures over 100 meters are not standard projects there are many of. Hallmaker therefore wants the thesis to study how such constructions can be executed in the most optimal way using steel and truss arches, which are their specialty.

Given that Hallmaker delivers designs to various countries in Europe, it is desirable that the concept this paper is studying is also valid outside of Norway. Average loads for large parts of Europe was therefore used as the basis for the calculations.

A parametric model was designed to easily study the desirable parameters and their effect on the design. Mainly, the programs that were used to develop the parametric model was Rhino, Grasshopper and Karamba. Where the programs did not fully extend, separate modules were created in C# that performed the specific operations that were missing. The main benefit of such a model is that in a preliminary project many different solutions can be controlled, typically in collaboration with the architect, and at the same time immediately get the structural characteristics. In future designs of similar constructions, the parametric model can be reused by changing the parameters. This is because the model in this paper is completely parametric and can also be used as a calculation model.

The thesis studies, among other things, the effect of different truss height, height of the structure, offset, length of free span, diagonals and secondary bracing. The question of whether there are benefits of using a space frame structure is also being studied. The results show clear trends as to what range the different parameters should lie between. It also turns out that the best solution, purely constructive, has certain limitations when it comes to the usability of the design. An evaluation of the different results against each other is therefore discussed for each separate project.

A concept within structural health monitoring (SHM) was also discussed. The concept is to do stain measurements in individual rods to gain control over the utilization of the entire construction.