Structural solutions and design process for architectural exterior elements of cruise ships
No Thumbnail Available
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Insinööritieteiden korkeakoulu |
Master's thesis
Authors
Date
2021-08-23
Department
Major/Subject
Mechanical Engineering
Mcode
Degree programme
Master's Programme in Mechanical Engineering (MEC)
Language
en
Pages
74 + 40
Series
Abstract
The common trend with modern cruise ships is to install various architectural exterior elements to improve the visual image of the brand. These are critical engineering components that require advanced design methods, in addition to the requirement of visually elegant design. The desire to create more complex geometric shapes and lightweight structures has driven the conventional steel structures to its design and constructional limits. Therefore, new structural solutions and materials are requested for the construction, but more research is needed to assess their safety, feasibility and economic viability, as well as their impact to design process. Furthermore, methods for holistic comparison of alternatives is needed. In this thesis, a design process for evaluating and comparing new structural solutions for architectural exterior elements was developed. Research on new potential solutions from different fields of engineering was conducted and two alternative concept designs were created for an architectural cover element. The first alternative with flat surfaces was designed using steel, and the second with double-curved shapes was designed using Glass fiber reinforced plastic (GFRP). Structural scantlings were determined utilizing the first-order-shear deformation theory (FSDT) and finite element method (FEM) with common strength criteria. A holistic comparison template based on an analytical hierarchy process (AHP) was developed and the design process was analyzed applying a design structure matrix (DSM). The case study concluded that significant improvements regarding the aesthetic and technical performance can be achieved with new materials. The AHP was found an efficient tool to perform holistic comparison, but the priorities of different stakeholders are recommended to be researched. The DSM is considered an efficient tool for developing and optimizing the design process. A new concept design process model suitable for various design tasks is proposed based on the results. Contribution of the material selection to concept design is moderate, but stronger impact is assumed to the detail design and manufacturing. Therefore, expanding the research to include the detail design stage with more accurate analyses is recommended.Erilaisten arkkitehtonisten elementtien asentaminen risteilyalusten ulkokansille varustamon imagon vahvistamiseksi on yleinen suuntaus. Nämä elementit ovat kriittisiä teknisiä komponentteja, joiden rakennesuunnittelussa käytetään edistyneitä suunnittelumenetelmiä. Visuaalinen tyylikkyys on myös yksi elementtien vaatimuksista. Halu luoda monimutkaisempia geometrisia muotoja ja tarve optimoida rakenteita ovat ajaneet teräsrakenteet niiden suunnittelun äärirajoille. Tämän vuoksi elementtien rakentamiseen tarvitaan uusia rakenneratkaisuja, mutta niiden toteutettavuus, taloudellinen kannattavuus sekä vaikutus suunnittelu prosessiin kaipaa lisätutkimuksia. Lisäksi tarvitaan menetelmiä erilaisten vaihtoehtojen vertailemiseksi. Tässä työssä kehitettiin kokonaisvaltainen suunnitteluprosessi uusien ulkokansien arkkitehtonisten elementtien rakenneratkaisujen arviointiin ja vertailuun. Uusia potentiaalisia materiaaleja ja rakenneratkaisuja eri tekniikan aloilta tutkittiin, ja kaksi vaihtoehtoista konseptia kehitettiin katoselementille. Ensimmäinen vaihtoehto suunniteltiin levittyvillä teräs pinnoilla ja toinen vaihtoehto käyttäen kaksoiskaarevia lasikuitupaneeleja. Laminaattiteoriaa (FSDT) ja elementtimenetelmää (FEM) käytettiin ainevahvuuksien määrittämiseen. Vaihtoehtojen kokonaisvaltaisen vertailuun kehitettiin analyyttiseen hierarkia prosessiin (AHP) perustuva vertailumalli. Suunnitteluprosessia tutkittiin riippuvuussuhdematriisilla (DSM). Elementtien esteettisyyttä ja teknistä suorituskykyä voidaan merkittävästi kohentaa käyttämällä kehittyneitä materiaaleja. Analyyttinen hierarkiaprosessi osoittautui tehokkaaksi menetelmäksi kokonaisvaltaiseen vertailuun, mutta eri kriteerien tärkeysjärjestystä useille laivanrakennusprosessin osapuolille suositellaan tutkittavaksi. Riippuvuussuhdematriisi havaittiin tehokkaaksi työkaluksi suunnitteluprosessien kehittämiseen ja optimointiin. Materiaalivalinnan vaikutus konseptisuunnitteluun todettiin vähäiseksi, mutta suurempi vaikutus on odotettavissa valmistussuunnittelussa. Tulosten pohjalta kehitettiin uusi suunnitteluprosessi. Tämän vuoksi valmistussuunnittelu olisi hyvä sisällyttää tuleviin analyyseihin.Description
Supervisor
Romanoff, JaniThesis advisor
Raikunen, JoniNiemelä, Ari
Keywords
design structure matrix, analytical hierarchy process, architecture, fiber reinforced plastic, design process, ESAComp