Introducing a Strategy for Parametric Optimisation of Joint Stiffness Configurations Based on Design for Disassembly Principles

Abstract

Det er en økende interesse for å endre tradisjonell bygningsdimensjonering i samvar med sirkulær økonomi i byggenæringen. Å gå bort fra strategier som resirkulering, og heller prioritere gjenbruk ved å endre tradisjonell knutepunktsutforming, kan bidra til å forenkle demontering. Bruk av boltede forbindelser vil kunne føre til effektiv montering og demontering, men vil redusere stivheten i knutepunktet. I dagens praksis forenkles modelleringen av knutepunkter som enten leddede eller stive. Dette vil muligens føre til underkjent global strukturell integritet når boltede forbindelser innføres i modellen. Dermed oppstår et behov for en løsning som forenkler prosessen, og fremhever verdien av dimensjonering i henhold til demontering (DfD) i byggebransjen.

Denne masteroppgaven foreslår et digitalt verktøy for konseptfasen, for å muliggjøre bruk av demonterbare forbindelser. Dette gjennomføres ved en mer presis beregning ved å utnytte knutepunktsstivheter. Verktøyet er utviklet ved hjelp av programmeringsspråket Grasshopper. For å innhente resultater benyttes en optimalisering av konfigurasjonen til knutepunktsstivheter, ved bruk av optimaliseringsverktøyet Galapagos. Ulike forbindelser blir modellert i IDEA StatiCa, og herfra hentes stivhetene som videre kan benyttes i optimaliseringen. Den strukturelle integriteten oppnås ved en globalanalyse i Karamba3D i Grasshopper. Denne prosessen kan dermed føre til enklere tilgang for å kunne demontere elementer. For å måle sirkularitetspåvirkningen ble det implementert en indikator som tar hensyn til ulike aspekter ved demontering.

Det ble gjennomført to case-studier for å undersøke den foreslåtte metoden. Den strukturelle oppførselen ble vurdert når det endres fra stive til semi-stive knutepunkter, med tre alternative knutepunktskonfigurasjoner. De to semi-stive alternativene besto av et der det ble siktet på å oppnå lavest mulig stivhet i knutepunktene, og et alternativ med realistiske knutepunktsstivheter. Resultatene indikerer en forventet trend mellom de tre alternativene. Det ble vist at alternativene med reversible knutepunkter førte til dårligere stabilitet av konstruksjonen. Demonstrasjonen viser videre viktigheten av å inkludere stivhet i en optimalisering av global oppførsel. Når det gjelder konstruksjonene som utelukkende består av stål er det mulig å implementere demonterbare forbindelser. Dette resulterte i en økning på 67.5 % for sirkularitetsscoren sammenlignet med en konstruksjon bestående av ikke-demonterbare forbindelser. Designverktøyet viser lovende resultater, med tanke på bruk i konseptfasen, for enklere implementering av knutepunktsstivheter. Dette vil tilrettelegge for gjenbruk, samtidig som at den strukturelle sikkerheten er ivaretatt.

There is an increased focus on transforming traditional building design to align with circular construction. To diverge from strategies like recycling, and rather prioritise reuse by altering traditional joint design, the possibility for simplified dismantling will be increased. Using bolted connections accommodates effective assembly and disassembly, but decreases the joint stiffness. Current practice regarding modelling of joints, simplifies them as either pinned or rigid. Furthermore, utilising this simplification when implementing bolted connections, may not maintain the global structural integrity. Accordingly, the sector is in need of a solution that simplifies this process, and highlights the value of design for disassembly (DfD).

Responding to these challenges, this thesis aims to provide the conceptual design phase with a digital tool to enable implementation of demountable connections. The actual stiffness of joints are therefore applied, resulting in a more precise calculation. The tool is developed in a parametric environment using the visual programming language Grasshopper. The results are obtained using the evolutionary solver Galapagos for optimisation of the joint stiffness configuration, with a variety of possible connection designs retrieved from IDEA StatiCa. The structural integrity is ensured by a global analysis through Karamba3D in Grasshopper. Thus, easier access for disassembly of elements can be achieved. Furthermore, an indicator that takes into account the aspects of disassembly was implemented to measure the impact on circularity.

Two case studies were carried out to investigate the proposed method. An examination of the structural behaviour, when changing from rigid to semi-rigid joints, was done by providing three design options. The two semi-rigid options consisted of one aiming for the lowest possible stiffness in the joints, as well as a design option with realistic stiffness of joints. The results indicate an expected trend regarding the level of stiffness between the three options of joint configurations. Additionally, it was highlighted that implementing demountable connections by using actual stiffness of joints, proved a decrease in stability. This demonstration shows the importance of including actual stiffness in an optimisation during a global analysis. Regarding the structures exclusively consisting of steel, demountable connections are possible to implement. Accordingly, resulting in a 67.5 % increase of the circularity score compared to a structure with not-demountable connections. The design tool indicates promising results for utilisation in the conceptual phase, as an effective way of implementing the actual stiffness of joints. This has shown to facilitate reuse while ensuring structural safety.