Topologie optimalisatie als ontwerptool voor bouwkundige toepassingen

Gieljan Vantyghem Gieljan Vantyghem
Weg met ontwerpers en ingenieurs!?Wiskundige algoritmen berekenen zelf de optimale structuurEr was eens een tijd waar architecten en ingenieurs weken en maanden bezig waren met het structurele ontwerp van een woning, een brugconstructie, een torengebouw… Die tijd is voorbij! Of toch niet helemaal?

Topologie optimalisatie als ontwerptool voor bouwkundige toepassingen

Weg met ontwerpers en ingenieurs!?

Wiskundige algoritmen berekenen zelf de optimale structuurEr was eens een tijd waar architecten en ingenieurs weken en maanden bezig waren met het structurele ontwerp van een woning, een brugconstructie, een torengebouw… Die tijd is voorbij! Of toch niet helemaal? De opkomst van geavanceerde softwarepakketten samen met het fenomeen ‘3D-printing’ zorgen in ieder geval voor een (r)evolutie.

Structurele optimalisatie vandaag de dagHet basisprincipe van ‘optimalisatie’ staat gelijk aan het vinden van de best mogelijke oplossing onder de gegeven voorwaarden, of anders gezegd: de variabele zo dicht mogelijk houden bij een vooropgestelde waarde. Een voorbeeld van een optimalisatie is een persoon die van locatie A zo snel mogelijk naar locatie B wil door enkel gebruik te maken van het openbaar vervoer. Het doel van de optimalisatie is om van alle mogelijke routes er de snelste uit te kiezen met als voorwaarde dat enkel het openbaar vervoer kan worden gebruikt. Indien deze persoon bekend is met de omgeving zal een zeer efficiënte route kunnen worden bepaald aan de hand van zijn voorkennis en ervaring. In alle andere gevallen zal het gebruik van een routeplanner aan te raden zijn.

Vervangen we nu het vinden van de snelste route door het vinden van een optimale structuur en vervangen we de routeplanner door de software die de ingenieur gebruikt, dan bekomen we een mooie vergelijking. De ingenieur kan de structuur optimaliseren met behulp van zijn eigen kennis en expertise. Hoe ingewikkelder het probleem echter wordt, hoe sneller en efficiënter het gebruik van softwareprogramma’s zal zijn. Een combinatie van beiden levert in vele gevallen het meest betrouwbare optimale resultaat.

De komst van de computer als rekeninstrument heeft voor een grote vooruitgang gezorgd. Waar het voordien een lastige taak was om complexe constructies te berekenen, zorgen de nieuwe rekentechnieken, waaronder de eindige elementen methode (FEM), ervoor dat er heden ten dage veel meer mogelijk is.  Deze gespecialiseerde softwarepakketten en ingewikkelde algoritmen kunnen zeer grote tijds- en kostenbesparingen realiseren.

Topologie-optimalisatie als ontwerptoolEr bestaan verschillende soorten van structurele optimalisatie. Eén hiervan is topologie-optimalisatie. Deze soort van optimalisatie is de meest rudimentaire en het bepaalt de algemene vorm van een constructie: de topologie. In een initiële fase wordt het ontwerpdomein opgedeeld in een groot aantal kleine elementen. Zeer eenvoudig gezegd zoekt het algoritme vervolgens welke van de elementen de minste structurele bijdrage leveren. Deze kunnen dan worden verwijderd. Het wiskundig principe bestaat al langer dan vandaag, maar is pas sinds kort terug in de aandacht gekomen. Dit komt omdat topologie-geoptimaliseerde structuren geneigd zijn een hoge vorm-complexiteit te hebben waardoor het gebruik ervan pas sinds de opkomst van moderne productietechnieken, zoals 3D-printing, interessant is geworden.

Structurele topologie-optimalisatie wordt in de auto-, lucht- en ruimtevaartindustrie reeds enkele jaren intensief toegepast. De opkomst van complexe materialen zoals composiet, HPFRC of hoogwaardig staal heeft hierbij zeker ook geholpen. Als voorbeeld werd bij het ontwerp van de Airbus A380 topologie-optimalisatie toegepast om het gewicht van de vleugels en de romp te verminderen. De gewichtsbesparing bedroeg maar liefst 1000 kg per vliegtuig.

De scriptie “Topologie-optimalisatie als ontwerptool voor bouwkundige toepassingen” bespreekt in de eerste plaats de theoretische grondbeginselen van klassieke topologie-optimalisatie en de mogelijke uitbreidingen hierop. De kern van de scriptie onderzoekt vervolgens de relevantie van het gebruik van topologie-optimalisatiesoftware als ontwerptool voor bouwkundige toepassingen aan de hand van meerdere casestudies. Men kan topologie-optimalisatie bijvoorbeeld gebruiken bij het ontwerp van een brugstructuur. Ook wolkenkrabbers en hoge torengebouwen hebben baat bij een optimale ‘superstructuur’. Het is net bij zulke grote constructies dat kleine aanpassingen een grote invloed kunnen hebben.  

De meeste van deze optimalisatie-algoritmen zoeken naar een structuur met het beste evenwicht tussen de prestatie-eigenschappen zoals sterkte en stijfheid enerzijds en het materiaalverbruik anderzijds.  Ook knik- en eigenfrequentie-optimalisaties kunnen worden toegepast. Het meest realistische resultaat wordt natuurlijk bekomen wanneer al deze factoren tegelijk kunnen worden beschouwd. Dit noemt men dan een optimalisatie met meerdere doelstellingen.

De combinatie: topologie-optimalisatie en 3D-printingIn de scriptie wordt ook de link gelegd naar de structurele werking van de software-gegenereerde resultaten en het belang van moderne ontwerpmethoden en productietechnieken.

In vele structuren kan zelfs 50% van het volume worden weggenomen zonder dat dit een effect heeft op de maximale spanningen die erin optreden. Het enige probleem is dat deze complexe geometrieën te ingewikkeld zijn om nog geproduceerd te worden. Een besparing in de hoeveelheid gebruikt materiaal zorgt dus niet vanzelfsprekend voor een goedkopere structuur. Het is hier dat 3D-printing en andere innovatieve productiemethoden een oplossing kunnen bieden.

3D-printing is een begrip dat de afgelopen jaren sterk in de media aan bod gekomen is en spreekt voor velen tot de verbeelding. Concreet kan de combinatie topologie-optimalisatie en 3D-printing de industriële logica van standaardisatie en modulaire bouwsystemen uitbreiden met niet-standaard componenten die op maat gemaakt worden. Structureel opent dit mogelijkheden voor het realiseren van constructies die met traditionele middelen moeilijk of niet te ontwikkelen zijn.

Hebben we dan geen ingenieurs meer nodig?Voorlopig moeten de ontwerpers en ingenieurs zich niet bedreigd voelen. Ze spelen nog steeds een cruciale rol in het ontwerpproces! Er komt misschien ooit een tijd dat computerprocessen bepaalde zaken zullen overnemen, maar zover zitten we zeker en vast nog niet. De rekensoftware kan voorlopig niet zelfstandig werken en de resultaten moeten in vele gevallen nog correct geïnterpreteerd worden.

Daarenboven hangt het vinden van de best mogelijke structuur af van vele andere factoren. Duurzaamheid, kostprijs, milieu-impact, betrouwbaarheid en beschikbare materialen zijn maar enkele voorbeelden hiervan. Wie zal op dit vlak de beslissingen nemen? Een computerprogramma?

Bibliografie

Bibliografie

[1] Uihlein M.S. Examining the architectural engineer. Structures and Architecture: Concepts, Applications and Challenges, pages 1799–1806, 2013.

 

Universiteit of Hogeschool
Master of Science in de industriële wetenschappen: bouwkunde
Publicatiejaar
2015
Kernwoorden
twitter.com/gieljanv
Share this on: