steelacademy Praktischer Stahlbau Entwurf von Stahlstrukturen

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1 2017 steelacademy Praktischer Stahlbau Entwurf von Stahlstrukturen Martin Mensinger, Lehrstuhl für Metallbau, Technische Universität München 1

2 Überblick Tragwerksentwurf im Hochbau Automatisierte Strukturentwicklung mit dem Sustainable Office Designer (SOD) 2

3 Tragwerksentwurf im Hochbau Johann Eisele, Martin Mensinger, Richard Stroetmann: Handbuch und Planungshilfe Bürobauten in Stahl, DOM Verlag 2016 ISBN

4 Form follows function Ziel jeder nachhaltigen Planung ist der langfristige Erhalt der Gebäudestruktur. Die Gebäudestruktur muss daher kompatibel zu verschiedenen Nutzungsformen sein. 4

5 Häufigkeit der Umnutzung von Bürogebäuden Quelle: European Commission (Hrsg.) (2007): Euro-Build in steel. Evaluation of client demand, sustainability and future regulations on the next generation of building design in steel. Final report, Brüssel

6 Gebäudetiefen in Abhängigkeit der Nutzung Quelle: FOSTA P881 Nachhaltige Bürogebäude in Stahl- und Stahlverbundbauweise 6

7 Lage von Mittelstützen in Abhängigkeit der Nutzung Zellenbüro Kombibüro Gruppenbüro Quelle: FOSTA P881 Nachhaltige Bürogebäude in Stahl- und Stahlverbundbauweise 7

8 Überlagerung Büroregelgeschoß - Tiefgarage Quelle: FOSTA P881 Nachhaltige Bürogebäude in Stahl- und Stahlverbundbauweise 8

9 Ist flexibel bauen teuer? Eingeschränkte Flexibilität: Varianten 1 und 2, Betonbauweise DIN 276 KG Beinhalten Erstellungskosten der Baukonstruktion und der Technischen Anlagen Volle Flexibilität: Varianten 3,4,5 Quelle obere Tabelle: FOSTA P881 Nachhaltige Bürogebäude in Stahl- und Stahlverbundbauweise Quelle untere Tabelle: Kostenkennwerte für die Kosten von Bürogebäuden (KG 300 und 400) nach DIN 276 bezogen auf die Bruttogrundfläche (BGF); BKI Baukosteninformationszentrum (Hrsg.) (2013a), S. 94, 102 und

10 Bürogebäude der H. Wetter AG in Stetten AG

11 Typische Konstruktionsformen Fertigteile und Halbfertigteile Verbunddecken Slimfloor-Konstruktionen mit und ohne Spannbetonhohldielen Stahl-Holz-Beton-Verbund 11

12 Weitere Konstruktionsformen Verbundkonstruktionen mit Wabenträgern Integrale Decken (Topfloor Integral) 12

13 Systemwahl gibt es «die eine Lösung»? Stützenfreies Quersystem Hauptträger-Nebenträger-System mit Zwischenstützen, längs Hauptträger-Nebenträger-System mit Zwischenstützen, quer 13

14 Automatisierte Strukturentwicklung mit dem Sustainable Office Designer (SOD) Sustainable Office Designer: Kostenloses SketchUp-Plugin Martin Mensinger, Li Huang, 2015

15 SOD Was ist das? Der Sustainable Office Designer ist ein Tool für den optimierten Vorentwurf von Verbundhochbauten Es erzeugt automatisch vorläufige Konstruktionslösungen aus volumetrischen Architekturentwurfsmodellen Es verwendet einen genetischen Algorithmus um nach der optimierten strukturellen Lösung zu suchen 15

16 Position of the Inner Column Row (at 4.9m) Number of Columns in a Row (9) Slab Type (Cofraplus) Slab Thickness (160mm) Secondary Beams (IPE 240 ) Secondary Beams (S355) Primary Beams (IPE 600) Secondary Beams (S460) Direction of Primary Beams (Transverse ) Unpropped Number of Secondary Beams(6) Columns of 1 st Floor (HEA 280) Columns of 1 st Floor (S460) Secondary Beams (IPE 240 ) Number of Columns (8) Primary Beams (IPE 600) Direction of Primary Beams (Transverse ) Value of the Objective Function Beschreibung von Strukturen mit Hilfe eines Genoms Chromosome: Jede Variable ist als ein Gen definiert Darstellung Alle Gene zusammen bilden ein Genom: (4 Gene als Beispiel) Genom, welches die Struktur parametrisiert beschreibt

17 Next Generation Zufallsbasierte Generierung von Individuen Start Create Initial Population Evaluation, Fitness Value S1 S2 S Sn Selection Crossover & Mutation Termination Condition No End Yes 17

18 Next Generation Bestimmung und Bewertung der Fitness Fitness = Zielerreichung + Penalty Start Wert: 191 Wert: 124 Create Initial Population Wert: 263 Evaluation, Fitness Value Wert: 234 Wert: 151 S1 S2 S Sn Selection Wert: 251 Crossover & Mutation Wert: 154 Wert: 275 Termination Condition No End Yes 18

19 Next Generation Erzeugung der nächsten Generation Crossover S1 S2 S Sn S1 S2 S Sn Start S1 S2 S Sn S1 S2 S Sn Create Initial Population Evaluation, Fitness Value Selection Mutation S1 S2 S Sn S1 S2 S Sn Crossover & Mutation Termination Condition No End Yes 19

20 Nachkommen Sort Next Generation Alte Generation Neue Generation 191 Start S1 S2 S Sn 180 S1 S2 S Sn 220 Create Initial Population S1 S2 S Sn 172 S1 S2 S Sn Evaluation, Fitness Value S1 S2 S Sn 196 S1 S2 S Sn 191 S1 S2 S Sn 232 S1 S2 S Sn 210 S1 S2 S Sn 178 S1 S2 S Sn 198 S1 S2 S Sn 189 S1 S2 S Sn 165 S1 S2 S Sn 189 S1 S2 S Sn 180 S1 S2 S Sn 178 S1 S2 S Sn 172 S1 S2 S Sn 168 S1 S2 S Sn 165 Neue Generation Selection Crossover & Mutation Termination Condition No S1 S2 S Sn S1 S2 S Sn Yes End 20

21 Verifikation der statischen Anforderungen Entschlüsselung Bestimmung Penalty (Verifikation Statik) Decke Sekundärträger Primärträger Stützen Strukturmodell Geometrie, Profile Typ, Blechdicke, Geometrie Profil, Stahlgüte, Geometrie Profil, Stahlgüte, Geometrie Profil, Stahlgüte, Geometrie Lasten Belastung Belastung Belastung Berechnung und Nachweis auf Basis der Eurocodes Schnittgrößen, Durchbiegung, Schwingungen Schnittgrößen, Durchbiegung, Schwingungen Schnittgrößen Penalty Penalty Penalty Penalty Penalty Fitness Objective Penalty 21

22 Grunddaten der Ökobilanz (EPD s und Ökobau.dat 2014) Photochemical Ozone Creation Potential (POCP) Eutrophication Potential (EP) Acidification Potential (AP) Ozone Depletion Potential (ODP) Global Warming Potential (GWP) Total Primary Energy Primary Energy,renewable Primary Energy,not renewable Reference Unit (RU) Comment Material [MJ/BE] [MJ/BE] [MJ/BE] [kg CO 2 -eqv./be] [kg CFC11- eqv./be] [kg SO 2 -eqv./be] [kg PO 4 -eqv./be] [kg Ethen-eqv./BE] Structural Steel EPD-BFS kg E E E E-04 Production A1-A3 Kg E E E E-04 Benefits & Loads D kg E E E E-04 Concrete C30/37 EPD-IZB kg E E E E Production A1-A3 kg/m³ E E E E-02 kg E E E E-05 Benefits & Loads C3 kg E E E E-07 D kg E E E E-06 Reinforcing Steel Ökobau.dat 2014 kg E E E E-04 Production A1-A Reinforcing Steel kg E E E E-04 Benefits & Loads No recycling potential E E E E+00 Profiled Sheeting EPD-IFBS kg E E E E-04 Production Benefits & Loads A1-A3 C3 D 11.3 kg/m E E E-02 kg E E E E kg/m E E E-05 kg E E E E kg/m E E E-03 kg E E E E-04 22

23 Berücksichtigung der Bausausführung Photochemical Ozone Creation Potential (POCP) Eutrophication Potential (EP) Acidification Potential (AP) Ozone Depletion Potential (ODP) Global Warming Potential (GWP) Total Primary Energy Primary Energy,renewable Primary Energy,not renewable Reference Unit (RU) Comment Work [MJ/BE] [MJ/BE] [MJ/BE] [kg CO 2 -eqv./be] [kg CFC11-eqv./BE] [kg SO 2 -eqv./be] [kg PO 4 -eqv./be] [kg Ethen-eqv./BE] Pump Ökobau.dat 2014 kg 6.54E E E E E E E E-08 Use Concrete 2365 kg/m³ E E E E-04 kg 6.54E E E E E E E E-08 Crane Ökobau.dat Use Electricity mix kwh E E E E E-05 Crane Work for: Reinforcement NASTA P881 Report Annex C Tab. C-16 Crane: 40 kw 0.25 h/t kg 8.78E E E E E E E E-07 Formwork 0.06 h/m2 m E E E E-04 Structural Steel Profiled Sheeting 0.6 h/piece piece E E E E h/m2 m E E E E-05 Precast 0.2 h/m2 m E E E E-04 Datengrundlage: Ökobau.dat 2014 und Forschungsbericht FOSTA P881 23

24 SOD User Interface SOD Main UI SketchUp SOD Report 24

25 SOD - Report Beschreibung der Gebäudegeometrie Ökobilanz auf Grundlage von EPD s und Ökobau.dat 2014 Stückliste 25

26 SOD DEMO 26

27 Installation SketchUp ist ein intuitives einfach zu bedienendes 3D-Design-Tool für Anwendungen wie Architektur, Innenarchitektur, Bauwesen und Maschinenbau, Film und Videospieldesign. Eine kostenlose Version ist unter verfügbar. SOD ist ein kostenloses SketchUp-Plugin zur Vordimensionierung von Verbundhochbauten. Derzeit steht SOD auf unserer Website zur Verfügung. Es ist auch im Extension Warehouse für SketchUp erhältlich. Um SOD zu installieren, muss man SketchUp starten und dann in das Menü "Fenster" -> "Extension Manager" gehen, auf den Button "Install Extension" klicken und dann die Datei "sod_autostructure_vx.xx.xxxx.rbz" herunterladen und öffnen. Schließen Sie SketchUp und starten Sie es nach Abschluss der Installation neu. Sobald alle Schritte beendet sind, kann SOD benutzt werden. Die SOD-Benutzeroberfläche sollte erscheinen, wenn SketchUp startet. Wenn SOD nicht automatisch startet, müssen Sie zu "Window" -> "Extension Manager" gehen und sicherstellen, dass "Sustainable Office Designer" aktiviert ist. Hinweis: Windows.Net muss installiert sein, um SOD auszuführen. Wenn es ein Problem mit SOD gibt, überprüfen Sie bitte, ob Windows. Net installiert ist. Windows. Net kann über den folgenden link bezogen werden: steelacademy 2017 Winterthur 07. September 2017 (Referent) 27

28 Vielen Dank! Neue Tutorials finden Sie im Extension Warehouse von SketchUp und unter Martin Mensinger