Utilize este identificador para referenciar este registo: https://hdl.handle.net/1822/76163

TítuloCollaborative BIM-based workflows for a new sustainable compression-only structural block construction system
Autor(es)Mutale, Lombe
Orientador(es)Azenha, Miguel
Figueiredo, Bruno
Gomes, Carlos
Palavras-chaveFEA
Form-finding
Interoperability
Modular construction
Parametric modelling
Método do elementos finitos
Otimização de forma
Interoperabilidade
Pré-fabricação
Modelação paramétrica
Data2021
Resumo(s)Currently, the construction industry is the largest industry in the world and contributes 8% per year to greenhouse gas emissions mostly due to concrete which is the most common material used for construction. Reinforced concrete needs steel reinforcement which is prone to rust when the concrete cracks and deleterious materials reach the steel. Widespread steel corrosion affects the durability of the entire structure, reduces its service life, and increases the need for rehabilitation and maintenance during its lifecycle. An interesting alternative, for the sake of optimisation, durability, and material waste minimisation, would be to make concrete structures solely endure compression forces and hence avoid the need to use steel reinforcement. This can be achieved through applying form-finding methods to achieve optimised structural shapes. Precast systems can further optimise and increase the industry’s productivity more than the traditional on-site construction systems can. Additionally, digitalisation through BIM and computational design processes can automate and assist in cost savings and quality assurance. This dissertation proposes the use of low-strength concrete to create precast compression-only concrete structures. Each discrete part of the structure is made through flexible moulds that are adaptable to a wide range of geometries. The structural components are connected by prestressing cables (not made of steel and not prone to corrosion) which are installed in-situ thereby creating a new construction system. In short, the system aims to satisfy the following requirements i) self-supporting during construction, or only needing some propping ii) optimised structural behaviour (compression-only – no bending moments), iii) high durability and long service life (no reinforcement). Computational and parametric design were used to create a compression-only shell structural shape through the Particle Spring form-finding method in Rhinoceros/Grasshopper 3D. Once the overall structural shape was obtained, it was thickened and tessellated thereby defining its discrete elements. The construction sequence of precast elements was implemented automatically with a cellular automata algorithm. Then, a custom tool was created that linked the structural shape generated to the structural analysis software DIANA and automated the phased analysis which incorporated the construction sequencing. Thereafter, finite element analysis (FEA) was used to assess the structural behaviour. Finally, a collaborative workflow was set up such that engineers and architects can work together to create the most optimal structural shape in a BIM environment. Through a case study to evaluate the framework, results show that with the proposed workflow, any arbitrary compression-only structural shape can be defined using form-finding principles. FEA can be performed for structural analysis and a BIM model produced for construction. Although, there are some tensile stresses present during the phased construction they can be almost eliminated with the use of minimal construction supports.
Atualmente, a indústria da construção é a maior do mundo, sendo responsável por 8% das emissões de gases de efeito estufa, principalmente devido ao betão, que é o material mais comum usado na construção. O betão armado recorre a armaduras em aço, que estão particularmente sujeitas à corrosão quando ocorre fissuração e decorrente penetração de agentes agressivos do exterior. A corrosão generalizada do aço afeta a durabilidade de toda a estrutura, reduz sua vida útil e aumenta a necessidade de reabilitação e manutenção durante seu ciclo de vida. Uma alternativa interessante, em prol da otimização, durabilidade e minimização do desperdício de material, conceber estruturas de betão unicamente sujeitas a esforços de compressão e, evitando portanto a necessidade de utilização de armaduras. Isso pode ser alcançado através da aplicação de métodos de otimização da forma da estrutura. É também sabido que os sistemas pré-fabricados permitem otimização e aumento de produtividade na indústria da construção, por comparação com os métodos tradicionais de construção in-situ. Além disso, a digitalização por meio de BIM e processos de projeto computacional podem automatizar e auxiliar na redução de custos e garantia de qualidade. Esta dissertação propõe o uso de betão de baixa resistência para criar estruturas pré-fabricadas de betão, sujeitas unicamente a esforços de compressão. Cada parte discreta da estrutura (módulos de cerca de um metro quadrado de área) é feita por meio de moldes flexíveis que se adaptam a uma ampla gama de geometrias. Os componentes estruturais são conectados por cabos de pré-esforço (em material não metálico, evitando efeitos de corrosão) que são instalados no local, criando assim um novo sistema de construção. Em suma, o sistema visa satisfazer os seguintes requisitos: i) ser autoportante durante a construção, ou precisando apenas de escoramento limitado; ii) comportamento estrutural otimizado (somente compressão - sem momentos de flexão), iii) alta durabilidade e longa vida útil (sem armaduras metálicas). No âmbito da dissertação são utilizados algoritmos computacionais para criar uma forma estrutural de casca somente de compressão por meio de métodos conhecidos por ‘form finding’ no Rhinoceros / Grasshopper 3D. Uma vez obtida a forma estrutural geral, foi-lhe atribuída espessura e compartimentação (tecelagem), definindo assim seus elementos discretos. A sequência de construção dos elementos préfabricados foi implementada automaticamente com algoritmos de automação celular. Em seguida, foi criada uma ferramenta customizada que permite interoperabilidade automática do modelo criado para o software de análise estrutural DIANA e automatizou a análise em fases que incorporou a sequência construtiva. Posteriormente, foi usada a análise pelo método dos elementos finitos para avaliar o comportamento estrutural. Por fim, é proposto um fluxo de trabalho colaborativo entre engenheiros e arquitetos, rumo à definição conjunta de formas otimizadas com o procedimento desenvolvido nesta dissertação. Por meio de um estudo de caso para testar a estrutura, os resultados mostram que o fluxo de trabalho proposto é viável, podendo ser aplicável a outras geometrias mais complexas. Refira-se que embora existam algumas tensões de tração presentes durante a construção em fases, elas podem ser quase eliminadas com o uso de suportes de construção provisórios (meros escoramentos tipicamente usados na construção) com pouco impacto nos custos e tempo de construção.
TipoDissertação de mestrado
DescriçãoDissertação de mestrado em European Master in Building Information Modelling
URIhttps://hdl.handle.net/1822/76163
AcessoAcesso aberto
Aparece nas coleções:BUM - Dissertações de Mestrado

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