Historiallisista ristikkorakenteista kohti parametristen hilarakenteiden rakenneanalyysiä
Loading...
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Insinööritieteiden korkeakoulu |
Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Author
Date
2020-10-19
Department
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Master's Programme in Building Technology (CIV)
Language
fi
Pages
124+32
Series
Abstract
Ristikkorakenne on monikäyttöinen rakenneosa ja niiden käytöstä on olemassa viitteitä jo rakentamisen historian alkuajoilta lähtien. Rakenteiden mekaniikan kehittyminen renessanssiajalta lähtien loi teoreettisen pohjan ristikkorakenteiden analyyttiselle mitoitukselle. Nykyaikaisten laskenta- ja suunnitteluohjelmistojen myötä ristikkorakenteiden suunnittelu ei enää rajoitu ainoastaan tasoristikoihin vaan nykyisin voidaan suunnitella ja valmistaa monimutkaisia kolmiulotteisia avaruusristikoita. Tässä diplomityössä tutkittiin materiaalitieteissä esiintyvien hilarakenteiden soveltuvuutta rakennusalan sovelluksiin. Diplomityö koostuu teoriaosuudesta sekä sovelluslaskelmista ja niiden analysoinnista. Teoriaosuus sisältää aluksi kirjallisuuskatsauksen, jossa käydään läpi ristikkorakenteiden käyttö rakentamisessa aina historiallisista ristikkorakenteista moderneihin ristikkorakenteisiin. Tämä osa esittelee myös ristikkorakenteissa käytetyt rakennetyypit ja materiaalit molempien tapausten osalta. Teoriaosuuden toinen osa käsittelee materiaalitieteissä esiintyviä hilarakenteita, joiden osalta aluksi esitellään niiden jaottelu topologian ja mekaanisten ominaisuuksien mukaan. Tässä osassa käydään myös lyhyesti läpi hilarakenteiden valmistusmenetelmiä ja käyttökohteita. Teoriaosuuden pääpaino on ristikkomaisten hilarakenteiden mekaanisten ominaisuuksien määrittelyillä, sillä ne luovat teoreettisen taustan sovelluslaskelmille. Mallirakenteeksi on valittu yksinkertainen palkkirakenne, jotta sen jännitystilan analysointi olisi helppoa ja mekaniikan perusperiaatteet olisi helppo tuoda esille. Ulokepalkki mallinnetaan aluksi solidina ja analysoidaan elementtimenetelmällä. Palkille esitetään myös vertailulaskelmana palkkiteorian mukainen analyyttinen tarkastelu. Sovelluslaskelmien toisena osana ulokepalkki mallinnetaan ja analysoidaan eri yhdistelmähilarakenteiden avulla, jonka jälkeen palkki optimoidaan manuaalisesti. Ristikko- ja hilarakenteilla pyritään vähentämään materiaalimenekkiä massiivirakenteisiin nähden, vaikka liitosten määrä ja valmistuskustannukset saattavatkin kasvaa. Työssä tutkituilla hilarakenteilla saavutetaan huomattavaa materiaalisäästöä massiivirakenteisiin nähden. Sovelluslaskelmien perusteella kaikki tutkitut hilarakenteet olivat toimivia taipumarajatilan suhteen. Jännitysrajatilan suhteen yhdellä yhdistelmähilarakenteella suurin normaalijännitys ylitti myötölujuuden. Tutkituilla hilarakenteilla on mahdollista toteuttaa tarkasteltu ulokepalkki. Tutkitut hilarakenteet olivat samantyyppisiä, jolloin työssä käytetty manuaalinen optimointimenetelmä ei tuottanut selkeää eroa hilarakenteiden välille. Manuaalisen optimoinnin sijaan on parempi käyttää erilaisia optimointialgoritmejä.A truss structure is a multi-purpose structural part and there are indications of their use since the early days of construction history. The development of structural mechanics since the Renaissance created the theoretical basis for analytical dimensioning of truss structures. With modern computational and design software, the design of trusses is no longer limited to planar trusses only, but instead it is now possible to design and fabricate complex three-dimensional space trusses. This master’s thesis investigated the suitability of lattice structures in materials science for construction applications. The thesis consists of a theoretical part and a case study part with calculations and analysis of example structure. The theoretical part includes a literature review that reviews the use of truss structures in construction from historical to modern truss structures. This section also introduces the structural types and materials used in truss structures for both types. The second part of the literature review discusses with lattice structures occurring in materials science. At first, the classification of lattice structures is presented. The classification is based on the topology and mechanical properties of lattice structures. This section also briefly reviews the fabrication methods and applications of lattice structures. The main focus of the theoretical part is on the definitions of the mechanical properties of truss-like lattice structures, since they form the theoretical background for the calculation and analysis of example structure. A simple beam structure is chosen as the model structure since the stress state of the beam is easy to analyze. In this case, it is also easy to present the basic principles of mechanics. The cantilever beam is initially modeled as a solid and analyzed with finite element method. As for comparison, the cantilever beam is also analyzed with beam theory to obtain an analytical solution. As the second part, the cantilever beam is modeled and analyzed with different compound lattice structures. In the final stage, the cantilever beam is manually optimized. Compared to solid structures, the aim for the use of truss and lattice structures is to reduce material consumption although the number of joints and manufacturing costs may increase. The lattice structures examined in this thesis achieve considerable material savings compared to solid structures. Based on the calculations, all of the investigated lattice structures were functional with respect to the deflection limit state. With respect to the stress limit state, the maximum normal stress exceeded the yield strength in one of the compound lattice structures. The cantilever beam is possible to implement with the studied lattice structures. The examined lattice structures were of the same type, so the manual optimization method used in the study did not produce a clear difference between the lattice structures. Instead of manual optimization, a better way is to implement different optimization algorithms.Description
Supervisor
Niiranen, JarkkoThesis advisor
Hosseini, BahramKeywords
FE-analyysi, hilarakenteet, parametrinen mallinnus, rakenneanalyysi, ristikkorakenteet
