Optimering av böjarmering genom FEM-analys & Strut-and-Tie-modellering

Abstract (Swedish)

Ett koordinerat samarbete och tydlig kommunikation utgör grunden för en välfungerande projektering av ett byggprojekt. I det traditionella tillvägagångssättet utförs arbetet sekventiellt, där projektet passerar mellan de inblandade parterna i turordning. Detta linjära arbetsflöde leder ofta till fragmentering av projektdata och svårigheter att bibehålla en gemensam förståelse mellan inblandade parter, som följs av felaktiga beslut och sena och dyra ändringsarbeten. Detta kan undvikas om tydliga krav och riktlinjer upprättas i ett tidigt skede i processen.
En lösning på dessa problem är att med hjälp av konceptet Virtual Design and Construction (VDC)skapa en virtuell plattform för projektet som alla inblandade aktörer har tillgång till och utgår ifrån. Genom digitaliseringen skapas en välstrukturerad och organiserad grund för ett effektivare och sparsammare sätt att bygga. Detta är ett område som ständigt utvecklas och förändras för att hitta nya sätt att spara tid och pengar på.
Jag praktiserade på företaget CN3 i somras, som arbetar med VDC för att effektivisera armeringsprocessen vid bro- och tunnelprojekt, och hade i uppgift att modellera anläggnings- och armeringsmodeller i programmen Rhinoceros och Tekla. I CN3:s svenska projekt samarbetar de med
konstruktionsföretaget Centerlöf & Holmberg (C&H). Då modellfiler från Rhinoceros inte går att använda i beräkningssyfte måste en separat modell skapas av C&H. Visar det sig att resultaten inte är tillfredsställande kan förutsättningarna behöva uppdateras, vilket innebär en ny anläggningsmodell och en ny beräkningsmodell. Denna process itereras tills alla inblandade parter är nöjda.
Det främsta målet med detta arbete har varit att tillsammans med CN3 utforska hur samarbetet mellan modellering och beräkning fungerar och hur det kan förbättras.
I detta arbete har två verktyg utvecklats med hänsyn till ett utvecklat samarbete mellan modellering och beräkning. Det ena, Collapsed Volumes, ämnar att förenkla tredimensionella volymer från CAD-mjukvara till tvådimensionella ytor som kan användas som underlag vid beräkning i ex.
Sofistik. Detta kan komma att reducera den iterationsprocess som i dagsläget är relativt tidskrävande.
Det andra verktyget, STM Tool, är ett komplement till Collapsed Volumes som undersöker spänningsflöden i betongstycken och kan utforma en vilket kan användas som underlag för att motivera eventuella förändringar i
armeringsmodellen i ett tidigt skede. Ett område som visade sig vara intressant att jämföra resultatet av detta verktyg med var topologioptimering – en optimerad geometri påminner i många fall om rådande spänningsflöden i samma modell.
För att Collapsed Volumes och STM Tool ska kunna användas i kommersiella syften har användarmanualer till dessa upprättats.

Abstract

A coordinated collaboration and clear communication forms the foundation for a well-functioning construction project. In the traditional approach, the work is carried out sequentially, where the project is passed on from one involved party to the next. This linear work flow often leads to
fragmentation of work data and difficulties in maintaining a common understanding of the project, which in turn is followed by incorrect decisions and expensive changes. This can be avoided if well
formulated demands and guidelines are established in an early stage of the process.
A solution to the problems stated above is to create a virtual platform for the project using Virtual Design and Construction (VDC), which all involved parties have access to and base their work on.
Through digitalization, a well-organized and structured foundation leads to a more efficient and economical way of building. This is an area that is constantly changing and developing in order to find new ways of saving time and money.
I had an internship at CN3 last summer, a company that works with VDC to streamline concrete reinforcement projects, where I was tasked with creating architectural 3D-models of tunnels and bridges, and reinforcement cages for these. CN3 are working together with Centerlöf & Holmberg in their Swedish projects, where Centerlöf & Holmberg create the reinforcement needed for a project using Finite Element analysis. A 3D-model created by CN3 used for visualization is done quickly, but cannot be used by Centerlöf & Holmberg for calculations. Therefore they have to create a separate, identical model for this purpose, which takes longer using software built for FE-analysis.
If something in the model has to be altered, this process is repeated until everyone is satisfied.
The main goal of this thesis was to explore the collaboration between the architect and the engineer, and ways of improving and streamlining their work.
Two tools were developed as a result of this thesis. The first one called Collapsed Volumes aims to simplify the way the engineer designs its model for calculations by making an approximate conversion from 3D-volumes to 2D-surfaces. These 2D-surfaces are quickly drawn up in CADsoftware
and then exported to the software used for calculations. This tool can hopefully reduce the number of iterations needed to create a finalized model, which can save a lot of time.
The second tool called STM Tool has a complementary function to Collapsed Volumes. It examines stress flow in concrete and uses the Strut and Tie method in combination with this to create a preliminary model of the reinforcement needed for a certain project. This can be used as a basis
for motivating changes or alterations in the reinforcement model in an early stage. Another field that turned out to be interesting when compared to the results of the Strut and Tie method was topology optimization – an optimized geometry is in many cases very similar to the flow of stresses in the same model.
User manuals were developed in order for Collapsed Volumes and STM Tool to be able to be used in commercial purposes.

Popular Abstract (Swedish)

Det traditionella sättet att bygga på lämnar en del i övrigt att önska. Arbetet passerar mellan inblandade parter i turordning och saknar struktur och koordination. Med hjälp av konceptet Virtual Design and Construction skapas en virtuell plattform som alla inblandade aktörer arbetar med och utgår ifrån tillsammans, och ämnar effektivisera sättet vi bygger på. I samarbete med företaget CN3 har två verktyg utvecklats för att förbättra och förenkla samarbetet mellan arkitekt och ingenjör.

Det här arbetet har syftat till att utveckla två verktyg som kan underlätta arbetet vid armeringsmodellering.
Det första, Collapsed Volumes, ämnar skapa en förenklad tvådimensionell version av tredimensionella volymer upprättade i ritprogram som i sin tur kan användas som underlag i beräkningsprogram. Specifikt för detta arbete behandlas programmet Sofistik som används av CN3:s kollegor på Centerlöf &
Holmberg. Detta kan resultera i stora tidsbesparingar i modelleringsarbetet, då modellering av geometrier går mycket snabbare
i CAD-mjukvara än i Sofistik. Anledningen till denna översättning från 3D till 2D är att Sofistik bara bearbetar ytor, inte volymer.

Det andra verktyget, STM Tool, är ett komplement till Collapsed Volumes som
undersöker spänningsflöden i betongstycken, i det här fallet samma tunnelstycke som ovan.
Med spänningsflödet som grund kan en preliminär armeringsmodell utformas med hjälp av Strut-and-Tie-metoden, som är ett sätt att uttrycka komplexa spänningsmönster med fackverksmodeller. En sådan fackverksmodell
kan användas som underlag för att motivera eventuella förändringar i armeringsmodellen i ett tidigt skede.

Fackverket delas upp i linjer utsatta för tryckspänning (streckad) och dragspänning (heldragen). Spänningarna omvandlas till krafter som verkar genom fackverket, och då betong inte kan omhänderta dragkrafter behöver armering tillsättas i områden där dessa uppstår.

När en Strut-and-Tie-modell ska upprättas finns det ingen unik lösning. Om tio ingenjörer skulle skapa varsin modell hade dessa antagligen varit
tio helt olika modeller. För att kunna välja ut den mest optimala modellen infördes tre kriterier som alla Strut-and-Tie-modeller jämförs mot:

1. Summan av kraften i varje fackverkssträva multiplicerad med dess längd ska ge en så liten siffra som möjligt – path of least resistance. Detta kan sammanfattas som ett sätt att välja ut det materialsnålaste fackverket.
2. Fackverksmodellen ska i så stor mån som möjligt överensstämma med rådande spänningsmönster.
3. Armeringsmodellen som följer av Strut-andTie-modellering ska vara så praktiskt tillämpbar som möjligt.

Det tredje kriteriet behandlar hur fackverksmodellen bör designas för montering på byggarbetsplatsen. Dragna linjer, som motsvarar placeringen av armering, bör i så stor mån som möjligt läggas i linje med modellen eller i tvärgående riktning, för att efterlikna hur armering läggs i vanliga fall – longitudinell armering och tvärkraftsarmering.

I bilden nedan illustreras ett resultat av STM Tool, där blåa linjer motsvarar tryckkraft och röda linjer dragkraft. Fackverket är modellerat så
att de röda linjerna i så stor mån som möjligt ligger i längsgående eller tvärgående riktning enligt den modell som undersöks.

Verktygen är i nuläget fortfarande i prototypstadiet, men det finns mycket utrymme för vidareutveckling. Om resultatet av användandet av dessa verktyg visar sig vara fördelaktiga i kommersiella syften skulle detta motivera ett fortsatt utvecklingsarbete.

• author: Dahl, Tomas
• supervisor: Vedad Alic
• organization: Structural Mechanics; Department of Construction Sciences
• alternative title: En effektivisering av armeringsprocessen
• course: VSMM01 20172
• year: 2018
• type: H3 - Professional qualifications (4 Years - )
• subject: Technology and Engineering
• keywords: Strut-and-Tie-metoden (STM), Finita Elementmetoden (FEM), Topologioptimering (TO), Virtual Design and Construction (VDC), Strut and Tie method (STM), Finite Element method (FEM), Topology optimization (TO)
• publication/series: TVSM-5000
• report number: TVSM-5229
• ISSN: 0281-6679
• language: Swedish
• id: 8936743
• alternative location: http://www.byggmek.lth.se/english/publications/
• date added to LUP: 2018-06-28 16:34:10
• date last changed: 2018-06-28 16:34:10