Bouwen met Staal | Veelzijdig, flexibel, duurzaam Bouwen met Staal

Bachelor tweede prijs

In 2016 won Derk Bos de tweede prijs in de categorie Bachelor met zijn project:

 

« terug naar StudentenSTAALprijs 2016

Prijswinnaars studentenSTAALprijs 2016Tensegrity surfaces

De afstudeerder heeft onderzoek gedaan naar de toepassing van Tensegrities in de gebouwde omgeving. Hiervoor is de krachtswerking onderzocht in Tensegrity constructies, vervolgens zijn algoritmes ontwikkeld waarmee de krachtswerking is te berekenen en de constructie te optimaliseren. Het resulterende algoritme kan dubbel gekromde oppervlakten ondersteunen door middel van stalen holle buisprofielen en staalkabels. In het eerste deel van dit onderzoek komt naar voren dat er excentriciteit wordt geïntroduceerd in de lineaire elementen, doordat de elementen in trek de werklijn van de elementen in druk niet onder een gelijke hoek snijden. Om dit te voorkomen kunnen wel complexere knopen worden ontworpen, maar die maken geen efficiënt gebruik van materiaal. Recentelijk heeft ingenieursbureau Arup hiervoor een oplossing geboden door het printen van staal. Materiaal wordt hier efficiënt gebruikt, excentriciteit wordt voorkomen, maar de productiekosten zijn hoog en de productieduur is lang.

In het tweede deel van het onderzoek wordt gezocht naar een optimale configuratie van de lineaire elementen en wordt aangenomen dat excentriciteit is te voorkomen met de techniek van Arup. Voor de elementen in druk worden holle buisprofielen toegepast, omdat deze een gelijk axiaal kwadratisch oppervlakte moment hebben in alle richtingen. Voor de trekelementen worden staalkabels toegepast wegens de hoge sterkte. Deze samenstelling bevordert het ‘zwevende’ effect dat een Tensegrity teweeg brengt, omdat de elementen in druk elkaar niet raken.

Er zijn verschillende algoritmes geschreven, die gebruik maken van Rhinoceros 5.0, Grasshopper, GeometryGym en Oasys GSA Analysis om grip te krijgen op de software en de constructie. Het resulterende algoritme is in staat om een door de ontwerper getekend oppervlak om te zetten in een Tensegrity constructie, terwijl de optimale dikte van de constructie, profielkeuze en het optimale aantal elementen worden bepaald door het evolutionaire algoritme Galapagos. Door de parameters rond het optimum te variëren kunnen conclusies worden verkregen. Geconcludeerd wordt dat profielen met een dunnere wanddikte efficiënter gebruik maken van het materiaal. Een groter aantal elementen met een kleinere diameter is minder efficiënt dan een klein aantal elementen met een grotere diameter. Een dunnere constructie is optimaler dan een dikkere constructie. Het toepassen van voorspanning in de elementen in trek is een efficiënte manier om het gewicht te reduceren. Tenslotte worden enkele aanbevelingen gedaan voor verder onderzoek. Het huidige script zou kunnen worden verbeterd door de mogelijkheid van ondersteuning te vergroten en de mogelijkheid te bieden om gesloten oppervlakten te creëren. Daarnaast ligt er de mogelijkheid om oppervlakten in trek toe te passen, waardoor de huid en de constructie kunnen worden geïntegreerd. Voordat de constructie gebouwd zou kunnen worden, moet nog een onderzoek worden gedaan naar de integratie van de techniek van Arup en de door het algoritme gevonden constructie.

Oordeel van de jury:
Tensegrity’s spreken tot de verbeelding. Praktische toepassingen vinden voor deze prikkelende poëtische manier van construeren is lastig. Er aan rekenen en optimaliseren is zo mogelijk nog lastiger. Toch is het de afstudeerder gelukt via het koppelen van software een algoritme te ontwikkelen waarmee een getekend dubbel gekromd oppervlak kan worden omgezet naar een geoptimaliseerde tensegrity constructie.  Het variëren van parameters levert interessante conclusies op. Ook de conclusie dat het mogelijk is om de ‘huid’ die de tensegrity overspant constructief mee te laten werken, vindt de jury een aantrekkelijk idee. Het onderzoek en de uitkomsten ervan zijn weer een stapje richting nieuwe toepassingen voor dit type ruimtelijke constructies. Visueel inspirerend als nieuw geveldraagprincipe, ‘Een compleet en spannend onderzoek en een typerend voorbeeld van het moderne rekenen’, oordeelt de jury.