Teräsrakenteisen IV-konehuoneen parametrinen suunnittelu
Lind, Niklas (2023)
Lind, Niklas
2023
Rakennustekniikan DI-ohjelma - Master's Programme in Civil Engineering
Rakennetun ympäristön tiedekunta - Faculty of Built Environment
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2023-05-23
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202304053472
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202304053472
Tiivistelmä
Rakennesuunnittelussa voi tulla vastaan usein toistuvia suunnittelun kohteita, joissa on suhteellisen selkeät ja myös toistuvat muuttujat. Tämän kaltaisiin toistuviin kohteisiin voidaan hakea apua parametrisella suunnittelulla. Parametrisella suunnittelulla voidaan pitkälti automatisoida toistuvat suunnittelun kohteet ja sen myötä alentaa kustannuksia, nopeuttaa sekä optimoida suunnittelua.
Tämän diplomityön päämääränä oli laatia algoritmi, jolla pystytään mallintamaan ja mitoittamaan teräsrakenteinen IV-konehuone. IV-konehuone on usein toistuva suunnittelunkohde ja niiden suunnittelussa muodostuu usein muutoksia lähtötietoihin. Työn oletuksen oli, että algoritmista olisi avustavaa hyötyä tähän. Laaditusta algoritmista oli tarkoitus saada valmis kokonaisuus, jota voidaan suoraan hyödyntää muissa ohjelmissa tarkistettavuuden kannalta tai lopullisten rakennekuvien laatimista varten.
Algoritmin laatimista varten lähdettiin ensiksi tutkimaan, mistä tyypillinen IV-konehuone muodostuu ja siitä vielä tarkemmin teräsrakenteista IV-konehuonetta. Kun tiedettiin pääperiaatteet näistä, koottiin yhteen teräsrakenteisen IV-konehuoneen mitoitusperiaatteet. Mitoitusperiaatteiden jälkeen tutkittiin, mitä itse algoritminen suunnittelu oikein on. Alustavan tutkimuksen jälkeen pystyttiin muodostamaan algoritmi. Algoritmi laadittiin Rhino, Grasshopper ja Karamba ohjelmistoja hyödyntäen.
Algoritmin ideana on, että käyttäjä voi vain syöttää tarvittavat lähtöarvot ohjelmalle ja ohjelma sitten laskee rakenteiden geometrian ja sille tapauskohtaisesti optimaaliset rakenteet. Algoritmi mahdollistaa myös sen, että muutamia lähtötietoja muuttelemalla, suunnittelija voi nopeasti arvioida ja vertailla erilaisten ratkaisujen vaikutuksia rakenteisiin. Algoritmin laatimisen jälkeen, testattiin sitä useaan otteeseen ja vietiin erilaisiin ohjelmiin tarkistettavaksi. Tarpeellisten tarkastusten ja testien laatimisen jälkeen, vertailtiin algoritmin antamia tuloksia toisiinsa sekä keksityillä että oikean kohteen lähtötiedoilla.
Valmis algoritmi antaa ratkaisuja, jotka ovat oikeanlaisia ja toimivia. Tulostettavat rakennemallit ovat kuitenkin suhteellisen yksinkertaisia. Algoritmilla saadaan laadittua teräsrakenteisia IV-konehuoneita, jotka ovat tasakattoisia ja niiden jäykistysjärjestelmänä toimii pilari-palkkijärjestelmä. Tulevaisuudessa algoritmia voidaan kuitenkin parantaa esimerkiksi lisäämällä siihen ominaisuuksia, joka lisää siihen monimuotoisuutta. Algoritmia voitaisiin käyttää muissa samantyyppisissä kohteissa, kuten halleissa. Tämä onnistuu pilkkomalla algoritmia osiin ja laatimalla niillä uusia algoritmeja tai lisäämällä lisää komponentteja valmiiseen algoritmiin.
Tutkimuksen myötä saavutettiin algoritmille kaikki asetetut tavoitteet. Jos muutoksia ilmenee lähtötietoihin, pystytään algoritmilla ripeästi muokkaamaan valmis rakennemalli uudenlaiseksi ja hyödyntämään sitä suoraan. Rakennemallista pystytään rakenteet useasti optimoimaan tapauskohtaisesti kevyimmäksi mahdolliseksi. Vertailtaessa oikeaan kohteen suunnitelmiin saavutettiin parhaimmillaan 10,8 % säästöt rakenteiden painoissa. Huomioitavaa kuitenkin on, että kyseisessä optimoinnissa ei edes optimoitu kaikkia rakenteita. Algoritmilla voidaan myös kokonaisuudessaan helpottaa ja nopeuttaa suunnittelijan työtä. Kaikkien edellä mainittujen hyötyjen myötä pystytään lisäksi alentamaan suunnittelu- ja toteutusvaiheen kustannuksia.
Tämän diplomityön päämääränä oli laatia algoritmi, jolla pystytään mallintamaan ja mitoittamaan teräsrakenteinen IV-konehuone. IV-konehuone on usein toistuva suunnittelunkohde ja niiden suunnittelussa muodostuu usein muutoksia lähtötietoihin. Työn oletuksen oli, että algoritmista olisi avustavaa hyötyä tähän. Laaditusta algoritmista oli tarkoitus saada valmis kokonaisuus, jota voidaan suoraan hyödyntää muissa ohjelmissa tarkistettavuuden kannalta tai lopullisten rakennekuvien laatimista varten.
Algoritmin laatimista varten lähdettiin ensiksi tutkimaan, mistä tyypillinen IV-konehuone muodostuu ja siitä vielä tarkemmin teräsrakenteista IV-konehuonetta. Kun tiedettiin pääperiaatteet näistä, koottiin yhteen teräsrakenteisen IV-konehuoneen mitoitusperiaatteet. Mitoitusperiaatteiden jälkeen tutkittiin, mitä itse algoritminen suunnittelu oikein on. Alustavan tutkimuksen jälkeen pystyttiin muodostamaan algoritmi. Algoritmi laadittiin Rhino, Grasshopper ja Karamba ohjelmistoja hyödyntäen.
Algoritmin ideana on, että käyttäjä voi vain syöttää tarvittavat lähtöarvot ohjelmalle ja ohjelma sitten laskee rakenteiden geometrian ja sille tapauskohtaisesti optimaaliset rakenteet. Algoritmi mahdollistaa myös sen, että muutamia lähtötietoja muuttelemalla, suunnittelija voi nopeasti arvioida ja vertailla erilaisten ratkaisujen vaikutuksia rakenteisiin. Algoritmin laatimisen jälkeen, testattiin sitä useaan otteeseen ja vietiin erilaisiin ohjelmiin tarkistettavaksi. Tarpeellisten tarkastusten ja testien laatimisen jälkeen, vertailtiin algoritmin antamia tuloksia toisiinsa sekä keksityillä että oikean kohteen lähtötiedoilla.
Valmis algoritmi antaa ratkaisuja, jotka ovat oikeanlaisia ja toimivia. Tulostettavat rakennemallit ovat kuitenkin suhteellisen yksinkertaisia. Algoritmilla saadaan laadittua teräsrakenteisia IV-konehuoneita, jotka ovat tasakattoisia ja niiden jäykistysjärjestelmänä toimii pilari-palkkijärjestelmä. Tulevaisuudessa algoritmia voidaan kuitenkin parantaa esimerkiksi lisäämällä siihen ominaisuuksia, joka lisää siihen monimuotoisuutta. Algoritmia voitaisiin käyttää muissa samantyyppisissä kohteissa, kuten halleissa. Tämä onnistuu pilkkomalla algoritmia osiin ja laatimalla niillä uusia algoritmeja tai lisäämällä lisää komponentteja valmiiseen algoritmiin.
Tutkimuksen myötä saavutettiin algoritmille kaikki asetetut tavoitteet. Jos muutoksia ilmenee lähtötietoihin, pystytään algoritmilla ripeästi muokkaamaan valmis rakennemalli uudenlaiseksi ja hyödyntämään sitä suoraan. Rakennemallista pystytään rakenteet useasti optimoimaan tapauskohtaisesti kevyimmäksi mahdolliseksi. Vertailtaessa oikeaan kohteen suunnitelmiin saavutettiin parhaimmillaan 10,8 % säästöt rakenteiden painoissa. Huomioitavaa kuitenkin on, että kyseisessä optimoinnissa ei edes optimoitu kaikkia rakenteita. Algoritmilla voidaan myös kokonaisuudessaan helpottaa ja nopeuttaa suunnittelijan työtä. Kaikkien edellä mainittujen hyötyjen myötä pystytään lisäksi alentamaan suunnittelu- ja toteutusvaiheen kustannuksia.