Optimization of a bracing system of a steel-framed building via parametric design

No Thumbnail Available
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Insinööritieteiden korkeakoulu | Master's thesis
Date
2019-06-17
Department
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Master's Programme in Building Technology (CIV)
Language
en
Pages
77 + 33
Series
Abstract
The design of a bracing system of a steel-framed building has traditionally been manual iteration work between different alternatives. By applying parametric design where the structures are modelled in relation to each other with adjustable open parameters, the design of a bracing system can be formulated as a mathematical optimization problem in order to achieve more efficient configurations for the bracing system. The purpose of this work was to study if the parametric design can be efficiently exploited for optimization in the design of a bracing system of a steel-framed building. The chosen design problem was a braced steel frame, which represents a part of a bracing system of a steel-framed building. The main objective was to make the design process of a bracing system a more automated process. Additional objectives were to improve the speed and reliability of the design process by synchronizing the parametric model with the corresponding building information and structural analysis models. The study was implemented in two parts. The first part is a literature review about the design of steel structures and bracing systems, parametric design and optimization. In the practical part of the study, the assembly of the parametric model for optimization as well as the problem formulation are described. Four different kinds of optimization problems with the parametric braced frame are formulated and solved with the optimization algorithms, which are integrated in the parametric design software. The further processing of the optimization results is implemented with an external building information and structural analysis software. The conclusion of this study was that the optimization by applying parametric design can be efficiently implemented in the design of bracing systems of steel-framed buildings. The optimization process described in this thesis can be exploited for other optimization problems in the field of structural engineering. The important part proved out to be a proper problem formulation. Optimization problems must be formulated so, that they can be efficiently solved with the existing optimization algorithms.

Teräsrungon jäykistyksen suunnittelu on perinteisesti ollut manuaalista iterointia eri vaihtoehtojen välillä. Parametrisella suunnittelulla, missä rakenteet mallinnetaan suhteessa toisiinsa säädettävillä vapailla parametreilla, jäykistyksen suunnittelusta voidaan muodostaa matemaattinen optimointiongelma tehokkaampien jäykistyssysteemien saavuttamiseksi. Tutkimuksen tavoitteena oli selvittää, voidaanko parametrista suunnittelua hyödyntää tehokkaasti optimoinnissa teräsrungon jäykistyksen suunnittelussa. Tutkittavaksi valittiin teräsrakenteinen jäykistetty kehä, joka edustaa osaa teräsrunkoisen rakennuksen jäykistyksestä. Päätavoite oli automatisoida jäykistyksen suunnitteluprosessia. Lisäksi tavoitteena oli suunnittelun nopeuttaminen ja luotettavuuden parantaminen synkronoimalla parametrinen malli tietomallin ja rakenneanalyysimallin kanssa. Tutkimus toteutettiin kahdessa osiossa. Ensimmäinen osa on kirjallisuuskatsaus, jossa tarkastellaan teräsrakenteiden ja jäykistyksen suunnittelua, parametrista suunnittelua ja optimointia. Tutkimuksen käytännön osassa käydään läpi parametrisen mallin kokoaminen ja optimointiongelman muodostaminen. Osiossa muodostetaan neljä erilaista optimointiongelmaa parametrisella jäykistetyllä kehällä ja ongelmat ratkaistaan parametriseen suunnitteluun käytettyyn ohjelmistoon integroiduilla optimointialgoritmeilla. Optimointitulosten jatkokäsittely suoritetaan ulkoisilla tietomalli- ja rakenneanalyysiohjelmistoilla. Tutkimuksen johtopäätöksenä voidaan todeta, että optimointi parametrisella suunnittelulla voidaan toteuttaa teräsrungon jäykistyksen suunnittelussa tehokkaasti. Työssä kuvattua optimointiprosessia voidaan hyödyntää myös muihin rakennesuunnittelun optimointiongelmiin. Tärkeäksi tekijäksi osoittautui optimointiongelman muodostaminen. Optimointiongelma tulee muodostaa siten, että ongelma voidaan tehokkaasti ratkaista olemassa olevilla optimointialgoritmeilla.
Description
Supervisor
Niiranen, Jarkko
Thesis advisor
Järvenpää, Matti-Esko
Keywords
parametric design, optimization, bracing system, steel-framed building
Other note
Citation