< Terug naar vorige pagina

Project

Een nieuw modulair bouwsysteem voor tijdelijke constructies bestaande uit herbruikbare componenten

In verschillende sociale en economische sectoren ontstaat een toenemende vraag naar tijdelijke infrastructuur, zoals pop-up co-working initiatieven, festivalpaviljoens en beursstands. Modulaire en herbruikbare bouwsystemen bieden een oplossing om op een duurzame manier met dit fenomeen om te gaan en ondersteunen zo de overgang naar een meer circulaire economie. Modulaire constructies gaan uit van een systeem van componenten waarmee gebruikers een diversiteit aan constructies kunnen ontwerpen. Deze constructies zijn ideaal voor tijdelijke toepassingen als ze zo worden ontworpen dat ze snel kunnen worden opgebouwd en afgebroken. In dit werk ligt de focus op twee soorten modulaire bouwsystemen: (1) kleinschalige systemen geplaatst in een STEM context voor kinderen en hun ouders om te bouwen en mee te experimenteren, en (2) middelgrote systemen, gebouwd door getrainde arbeiders. Beide soorten systemen hebben mogelijkheden voor verbetering, die in dit proefschrift als twee afzonderlijke problemen worden behandeld. 

Ontwikkeling van een modulair bouwsysteem voor kleinschalige structuren

Voor kleinschalige tijdelijke constructies bestaan er weinig systemen voor constructies op menselijke schaal (zoals Quadro) in een STEM gerelateerde context (zoals K'NEX). Deze leemte is een kans om een nieuw kleinschalig modulair bouwsysteem te ontwikkelen. In dit proefschrift wordt een prototype voor een nieuw kleinschalig modulair bouwsysteem ontwikkeld. Met de beoogde gebruikers (kinderen en hun ouders) in gedachten, zijn het gebruiksgemak en de veiligheid van het systeem van groot belang. Eerst wordt een literatuuronderzoek uitgevoerd naar bestaande modulaire bouwsystemen. Vervolgens wordt een reeks praktische, structurele en educatieve eisen opgesomd. Daarnaast wordt in een iteratief en incrementeel ontwerpproces, en met behulp van mechanische testen om de belastbaarheid van de onderdelen te valideren, een definitief ontwerp voor het systeem gevonden, bestaande uit een nieuw ontwikkeld diafragmaverbindingsmechanisme zonder bouten en de bijbehorende verbinding die 18 staafverbindingen mogelijk maakt. De onderdelenkit wordt vervaardigd, verschillende constructies worden gedemonstreerd en er wordt een scenario voor een STEM-workshop voorgesteld.

Optimalisatie van een modulair bouwsysteem voor middelgrote structuren

In dit werk is het bestaande middelgrote modulaire bouwsysteem Vakwerk als basis gekozen. Het systeem bestaat uit standaard steigerbalken en een speciaal ontworpen verbinding waarmee maximaal 12 balken kunnen worden verbonden. Een groot deel van het gewicht van het pakket onderdelen van dit bouwsysteem wordt vertegenwoordigd door de verbindingen. Daarom moet de focus liggen op het reduceren van overbodig materiaal, waardoor de structurele efficiëntie en het gebruiksgemak van de verbindingen verbetert. Continuüm topologie optimalisatie is een beproefde methodologie om met een dergelijk probleem om te gaan. Er wordt een optimalisatiestrategie voorgesteld die gericht is op het minimaliseren van het gewicht van een verbinding, inclusief beperkingen voor de spanningen in de verbinding. De belangrijkste wetenschappelijke uitdaging die wordt opgelegd door het opnemen van spanningsbeperkingen is tweeledig: (1) de analytische uitdrukking voor de spanningen wordt discontinu als er materiaal wordt verwijderd, wat vooral problematisch is met betrekking tot gradiëntgebaseerde continuüm topologie optimalisatie, en (2) numerieke oplossers hebben moeite met het hanteren van problemen met (zo) veel beperkingen. Deze problemen kunnen verlicht worden door veelgebruikte technieken zoals constraint relaxation en constraint aggregation, maar dit resulteert in zeer overconservatieve ontwerpen. Om dit probleem aan te pakken, worden drie nieuwe strategieën voorgesteld: (1) een continuëringsschema op de P-norm exponent, gebruikt voor het aggregeren van de beperkingen, (2) een schaaloperatie om eventuele overschatting van de P-norm aggregatie te compenseren, en (3) de combinatie van zowel het voortzettingsschema als de schaaloperatie. De resultaten laten zien dat met de voorgestelde strategieën tot 72% van het gewicht van de originele Vakwerkverbinding kan worden bespaard. Tot slot wordt het geoptimaliseerde ontwerp gefabriceerd en gedemonstreerd.

 

 

Datum:11 sep 2018 →  21 sep 2023
Trefwoorden:Structural engineering, Structural optimization, Modular structures
Disciplines:Ingenieurswetenschappen in de architectuur, Architectuur, Interieurarchitectuur, Architecturaal design, Kunststudies en -wetenschappen
Project type:PhD project