building structures in cooperation with architects

130 Pages·2016·11.18 MB·English

MASTER OF SCIENCE THESIS
STOCKHOLM, SWEDEN 2016
building structures in
cooperation with architects
Usage and evaluation of structural
plug-ins in 3D visualisation software
DANIEL WALLIN
MARTIN WASBERG
KTH ROYAL INSTITUTE OF TECHNOLOGY
SCHOOL OF ARCHITECTURE AND THE BUILT ENVIRONMENT

Parametric design of building structures in

cooperation with architects

- Usage and evaluation of structural plug-ins in 3D
visualisation software
Daniel Wallin and Martin Wasberg
TRITA-BKN. Master Thesis 494, Concrete Structures, June 2016
ISSN 1103-4297,
ISRN KTH/BKN/EX–494–SE
(cid:13)c Martin Wasberg and Daniel Wallin 2016
Royal Institute of Technology (KTH)
Department of Civil and Architectural Engineering
Division of Concrete Structures
Stockholm, Sweden, 2016
Abstract
Architectural and structural design process are closely connected but traditionally done in two
separatestepsinthedesignprocess. Thisrequireseffectivecoordinationbetweenthetwodisciplines
and without the right tools problems often arise.
The thesis was done by support from structural engineers at Tyréns and in collaboration with a
student from the department of architecture. The aim of the thesis was to investigate if the use of
parametricdesigntoolsfrombotharchitectsandstructuralengineerscouldbeawayofmakingthe
designprocessmoreeffective. Thisthesisalsoincludetestthestructuralplug-insoftheparametric
design tools and compare them with the outputs from traditional structural software and hand
calculations.
The comparison was made for different cases followed by a collaboration project. The cases was
targeting different structural features which in turn gave the knowledge needed to develop the
collaboration project.
The case studies consists of five cases where the first two gives an introduction to parametric
modelling. The third case is a steel beam with fully restrained supports loaded by two point
loads. It will compare the displacement calculations between the different software. The next case
is a concrete slab with different supports along edges loaded by a uniformly load. The analysis
includes calculation and evaluation of section forces. The final case is a concrete dome. It is built
upbyarchesandfivesupports. Theanalysisofthiscaseincludescalculationandevaluationofthe
displacement.
The collaboration project is a concrete structure built up by a curved surface lifted by curved
columns. The architect worked with the structure in parallel to this this thesis and targeted the
development process whilst the authors targeted the structural parts and at the same time gave
structural insight to the architect.
The results show a difference between the parametric structural tools and the traditional FE
software regarding deformation and moments. The hand calculations in the collaboration project
show that the amount of reinforcement will not work with the given inputs and assumptions due
to practical reasons regarding spacing.
The possibility to export models from the parametric environment to traditional engineering soft-
ware’s enables a faster analysis, since the modelling capabilities is limited and time-consuming
in these. The structural capabilities of the parametric tools are good enough for deciding initial
geometry and properties but these will probably change when subjected to an more extensive
analysis.
iii

Sammanfattning
De Arkitektoniska och strukturella designprocesserna är nära sammankopplade men traditionellt
gjort i två separata steg i byggprocessen. Detta kräver en effektiv samordning mellan de två
disciplinerna och utan de rätta verktygen uppstår ofta problem.
Uppsatsen genomfördes med stöd från konstruktörer på Tyréns och i samarbete med en student
från institutionen för arkitektur. Syftet med uppsatsen var att undersöka om användningen av
parametriska designverktyg från både arkitekter och konstruktörer kan vara ett sätt att göra de-
signprocessenmereffektiv. Dennauppsatstestadeocksådestrukturellaplug-intilldeparametriska
designverktygen och jämförde resultatet med traditionella finita element- och handberäkningar.
Jämförelsen gjordes för olika fall följt av ett samarbetsprojekt. Fallen riktade in sig på olika
strukturella egenskaper som gav den kunskap som behövdes för att utveckla samarbetsprojektet.
Fallstudierna består av fem fall där de två första ger en introduktion till parametrisk modellering.
Det tredje fallet är en fast inspänd stålbalk belastad med två punktlaster. Fallet kommer att
jämföra deformationsberäkningen mellan de olika programvarorna. Det fjärde fallet är en betong-
platta med olika stödvillkor längs kanterna belastad av en jämt utbredd last. Analysen inkluderar
beräkningochutvärderingavsnittkrafter. Detsistafalletärenbetongkupol. Denäruppbyggdav
valv och fem stöd. Analysen av detta fall inkluderar beräkning och utvärdering av nedböjningen.
Samarbetsprojektet är en betongkonstruktion uppbyggd av en krökt yta som bärs upp av välvda
pelare. Arkitektenarbetaparallelltmedstrukturentillsammansmedförfattarnaavdennauppsats
och riktade in sig på utvecklingsprocessen. Författarna fokuserade på de strukturella delarna och
gav samtidigt strukturell insikt till arkitekten.
Resultaten visar en skillnad mellan de parametriska strukturella verktygen och det traditionella
FE programmet vad gäller deformation och moment. Handberäkningarna för armeringsmängden
visar av praktiska skäl, gällande avstånd, att detta inte fungerar.
Möjlighetenattexporteramodellerfråndenparametriskamiljöntilltraditionellaingenjörsprogram
möjliggörensnabbareanalysdåmodelleringskapacitetenärbegränsadochtidskrävandefördessa.
Den strukturella kapaciteten hos de parametriska verktygen är tillräckligt bra för att bestämmma
initialgeometriochegenskaper,mendessakommersannoliktattändrasnärdetutsättsförenmer
omfattande analys.
v

Preface
This master thesis has been carried out at Tyréns AB and the Division of Concrete
Structures,DepartmentofCivilandArchitecturalEngineeringattheRoyalInstitute
of Technology (KTH) in Stockholm.
We express our deepest gratitude to our supervisor, Adjunct Prof. Mikael Hallgren
for the opportunity to work with this thesis as well as his advice and guidance. We
also thank our examiner Professor Anders Ansell for all he has learned us about con-
crete structures during our years at the Royal institute of Technology. Furthermore,
we thank Tyréns AB for their warm welcome and for an inspiring work environment.
Last but not least, we thank Ulf Edgren at the Department of Architecture for the
collaboration and sharing his knowledge of architecture and parametric design.
Stockholm, June 2016
Daniel Wallin and Martin Wasberg
vii