Thesisvoorstellen 2014 – 2015 Afdeling Architectuur en Bouwtechniek De Afdeling Architectural Engineering van het Departement Architectuur streeft naar innovatie in het ontwerpen door architectuur te benaderen vanuit het standpunt van een ingenieur. De focus ligt op de technische aspecten van architectuur zoals draagsystemen, bouwfysica, installaties en leidingen, akoestiek en licht. Deze onderwerpen worden op multidisciplinaire wijze benadered om de algehele performantie en duurzaamheid van gebouwen en de gebouwde omgeving te beoordelen en te verbeteren. Het onderzoek dat momenteel gebeurt aan de Afdeling Architectural Engineering kan ingedeeld worden in verschillende onderzoekslijnen: Bouwmethodiek –
duurzaam & aanpasbaar bouwen
–
bouwsystemen & open industrialisatie
–
typologische & programmastudies
–
structureren van gegevens voor bouwsector
Structureel ontwerpen –
structurele optimalisatie
–
link tussen vorm en constructie
–
klassieke en innovatieve methodes voor het berekenen en ontwerpen van structuren
–
geschiedenis van het structureel ontwerpen
Building information modeling –
historische reconstructies
–
van gebouwmodel naar levenscyclusanalyse
–
realtime evaluatie van BIM-modellen
De voorgestelde thesisonderwerpen komen voort uit deze onderzoekslijnen. Eigen voorstellen die hierbij aansluiten zijn ook mogelijk, net zoals hybride thesissen waarbij één van de voorgestelde onderwerpen gecombineerd wordt met een ontwerp in één van de eindwerkstudio’s. In beide gevallen is overleg met de betrokken promotor(en) uiteraard noodzakelijk. Sommige thesisvoorstellen in deze bundel zijn in het Engels geformuleerd omdat ze ook openstaan voor Erasmusstudenten. Dat betekent echter niet dat de thesis in het Engels geschreven moet worden.
AE01 Duurzaamheidsevaluatie op wijkniveau Sustainability assessment at the neighbourhood scale level Supervisor(s): Assistant(s): Contact person(s): Number of students: Language of thesis: Project link: Study lines:
Prof. Frank De Troyer, Prof. Karen Allacker Ir. Arch. Damien Trigaux
[email protected] 1 Dutch or English / BWK, IRA
In order to move towards a sustainable built environment, modern cities need to be planned and organized differently, focussing not only on the characteristics of individual buildings but also on the environment between buildings, i.e. open spaces and infrastructure works. The aim of this thesis is to assess sustainability at the higher scale level, using an integrated life cycle approach combining financial and environmental impact calculations (respectively Life Cycle Costing (LCC) and Life Cycle Assessment (LCA)). The focus is the evaluation of infrastructure works (i.e. roads and utilities) and open spaces (i.e. green and paved areas). In a first step, a database of neighbourhood components will be elaborated. Different alternatives for roads, utilities, green and paved areas will be analysed and compared based on the integrated life cycle approach. In a second step the developed database will be used for the analysis of one or more selected neighbourhoods. Based on the evaluation results priorities will be identified for improving sustainability of the case study.
The eco-neighbourhood Hammarby Sjöstad in Malmö (Sweden)
AE02 Duurzaamheidsevaluatie van wijkverwarming Sustainability assessment of district heating Supervisor(s): Assistant(s): Contact person(s): Number of students: Language of thesis: Project link: Study lines:
Prof. Frank De Troyer, Prof. Karen Allacker, Prof. Dirk Saelens Damien Trigaux
[email protected] 2 Dutch or English / BWK, IRA
In order to improve the energy efficiency in the built environment, new technical concepts have been developed focusing on collective heating systems and district heating. The aim of this thesis is to evaluate the sustainability of those systems based on an integrated life cycle approach, combining financial and environmental impact calculations (respectively Life Cycle Costing (LCC) and Life Cycle Assessment (LCA)). In a first step, an existing assessment method for buildings (including the impact of individual heating systems) will be extended to integrate collective heating systems. Next to the impact of the constituting technical components, specific attention will be paid on the calculation of the impact resulting from the energy consumption. In a second step, the extended method will be used to analyse one or more selected neighbourhoods considering individual and district heating. Based on the evaluation results, recommendations will be formulated to improve the different heating systems.
Schematic representation of district heating
AE03 Levenscyclusanalyse van het gebruikerstransport in wijken Life Cycle Assessment of commuter transport in neighbourhoods. Supervisor(s): Assistant(s): Contact person(s): Number of students: Language of thesis: Project link: Study lines:
Prof. Frank De Troyer, Prof. Karen Allacker Ir. Arch. Damien Trigaux
[email protected] 1 Dutch / IRA
Tijdens de lange gebruiksfase van woningen bepaalt de inplanting van ons woningbestand en het aanbod aan mobiliteitsvoorzieningen, de manier (wagen, fiets, openbaar vervoer) en afstand van onze verplaatsingen. De bedoeling van deze thesis is de milieubelasting na te gaan van het gebruikerstransport in een wijk en suggesties te maken omtrent mogelijke verbeteringen bij het inrekenen van deze milieubelasting. De methodologie die hierbij gebruikt wordt is een levenscyclusanalyse (LCA). In eerste instantie wordt op basis van statistische gegevens het personentransport in de Belgische context geanalyseerd (welke voertuigen worden gebruikt en wat zijn de afgelegde afstanden). Hierbij wordt de invloed onderzocht van de wijkinplanting en de aanwezige mobiliteitsvoorzieningen (aanbod aan openbaar vervoer, fietsinfrastructuur…) op de mobiliteitsprofiel van de bewoners. In tweede instantie wordt op basis van de resultaten van de statistische analyse een methode ontwikkeld om op een gestandaardiseerde wijze de gemiddelde milieubelasting van het gebruikerstransport in een wijk te berekenen. Deze methode wordt dan in een laatste stap toegepast op een aantal concrete case studies. Hierbij dient nagegaan te worden aan de hand van een gevoeligheidsanalyse hoe belangrijk aannames zijn voor de resultaten en wat de belangrijkste verbeteringen zijn om de milieubelasting van het gebruikerstransport in wijken te beperken.
Verschillende mobiliteitsvoorzieningen
AE04 Duurzaamheidsevaluatie van het waterverbruik in wijken Sustainability assessment of water use in neighbourhoods. Supervisor(s): Assistant(s): Contact person(s): Number of students: Language of thesis: Project link: Study lines:
Prof. Frank De Troyer, Prof. Karen Allacker Damien Trigaux
[email protected] 1 Dutch or English / BWK, IRA
Buildings in Europe are responsible for about 30% of the total water use. In order to reduce the water consumption different measures can be taken like the use of water-efficient appliances, the reuse of rain water or the reuse of grey water. Some measures can be implemented at different levels going from individual systems in buildings to collective systems at the neighbourhood scale (e.g. rain water collection at the neighbourhood level).The aim of this master thesis is to assess the sustainability of those measures based on an integrated life cycle approach, combining financial and environmental impact calculations (respectively Life Cycle Costing (LCC) and Life Cycle Assessment (LCA)). In a first step the existing assessment method will be extended with a detailed calculation of the water consumption in buildings (including the impact of water-efficient appliances and reuse of rain and grey water). In a second step the extended method will be used to evaluate the impact of water saving measures in the context of a specific neighbourhood. Based on the evaluation results, recommendations will be formulated to reduce the impact of water use in neighbourhoods.
Water use in buildings
AE05 Bepaling geometrische randvoorwaarden voor een optimale passiefwoning Analysis of the geometric boundaries for an optimal passive house Supervisor(s): Assistant(s): Contact person(s): Number of students: Language of thesis: Project link: Study lines:
Prof. Frank De Troyer, Prof. Karen Allacker Ir. Arch. Damien Trigaux
[email protected] 1 Dutch / IRA
Vanaf 2020 wordt de passiefstandaard als norm opgelegd voor nieuwbouw woningen in België. Uit voorgaand onderzoek bleek echter dat dit niet het optimum is voor de huidige manier van bouwen in België. En dit noch vanuit financieel noch vanuit milieu oogpunt. De doelstelling van de thesis is te analyseren voor een bepaald woningtype bij welke geometrische kenmerken de passiefstandaard optimaal is. Hierbij wordt rekening gehouden met eventuele vaste randvoorwaarden (zoals oriëntatie, ligging, beschaduwing). De analyse wordt uitgevoerd vanuit financieel en milieu oogpunt. Gezien het energieverbruik een belangrijke factor is, wordt deze op verschillende manieren geraamd: statisch via EPB en PHPP, dynamisch via EnergyPlus. Op basis van de analyse worden aanbevelingen geformuleerd voor bouwvoorschriften voor toekomstige nieuwbouw woningen.
Verschillende abstracte gebouw-layouts
AE06 Monetariseren van milieueffecten Monetisation of environmental impacts Supervisor(s): Assistant(s): Contact person(s): Number of students: Language of thesis: Project link: Study lines:
Prof. Frank De Troyer, Prof. Karen Allacker Damien Trigaux
[email protected] 1 Dutch / IRA
Via LCA (Life Cycle Assessment) worden vele milieueffecten (opwarming van de aarde, uitputting van grondstoffen en verzuring en vermesting van de bodem, …) in beeld gebracht. Als elke milieubelasting van één oplossing lager is dan voor een ander alternatief is kiezen eenvoudig, maar meestal scoort één oplossing beter op bepaald aspecten en minder goed op andere. Een mogelijkheid om te komen tot een één-getal-score is alle milieueffecten uit te drukken in milieukosten. Zo wordt uitgedrukt wat het zou kosten om een effect te voorkomen, om het te herstellen of om het te compenseren (dit wil zeggen een ander proces dat hetzelfde milieueffect heeft te verbeteren zodat de verbetering net zo groot is als het oorspronkelijke effect). Uiteraard zal men steeds de goedkoopste oplossing kiezen tot zover dit mogelijk is. Indien men de milieuschade zou doorrekenen via een “belasting op de toegevoegde milieuschade” zou de eindgebruiker deze moeten betalen. De opbrengst hiervan moet dan toelaten de milieuschade weg te werken. Ideaal wordt ze in die mate weggewerkt dat het ecologisch systeem onbeperkt kan blijven functioneren. Praktisch kan het zijn dat een maatschappij bereid is te betalen tot een bepaalde reductie van de milieulast (“Willingness to pay”). Rond dit concept van milieukosten (dit zijn de kosten die nu doorgeschoven worden naar de maatschappij of de toekomstige generaties) zijn recent vele benaderingen gepubliceerd. Men wenst deze extern afgewentelde kosten te “internaliseren” om zo beslissingen in heel de productieketen te sturen. Doel van deze thesis is de stand van zaken kritisch samen te vatten.
Milieukosten per m² vloer voor verschillende milieubelastingen, uit rapport “Milieugerelateerde Materiaalprestaties van gebouwelementen”, OVAM, Mechelen, 2011, www.ovam.be/bouwmaterialenmethodiek
AE07 De ecologische voetafdruk van een bijna-nulenergie gebouw – in vergelijking met andere sets van indicatoren The Environmental Footprint of a nearly zero energy building - in comparison to other indicator sets Supervisor(s): Assistant(s): Contact person(s): Number of students: Language of thesis: Project link: Study lines:
prof. K. Allacker, prof. N. De Temmerman (VUB) Damien Trigaux, Wim Debacker (VITO)
[email protected] 1 English http://wisba.wienerberger.com/IRA, BWK GT, VUB
Thesis in the framework of WISBA (Wienerberger Sustainable Building Academy) The European Commission has recently (April 2013) adopted a method for the calculation of the life cycle environmental impact of products, entitled the Product Environmental Footprint (PEF). This is an important step in the aim to “measure” environmental impacts in a harmonised way in Europe. The indicators used in this method however differ from the ones in another important European standard related to buildings, the EN 15804. Some indicators, such as loss of biodiversity due to land use, are moreover lacking in both methods. The aim of this research is to test the PEF methodology (provided in an Excel tool) in the context of buildings, and more specifically to a nearly zero energy building (passive standard in Belgium) as is the required standard for new buildings in Europe from 2020 onwards. Although the analysis starts from a specific real case, one should strive to more general conclusions and recommendations by testing several alternatives. Hence, selected alternative techniques for the specific dwelling will be studied in order to cover a broad range of building materials and different lay-out types. Assumptions will be made regarding the unknown long life span and end-of-life of the building and via sensitivity analyses the robustness of the results will be evaluated. For the analysis LCA-software and excel will be used for the calculations. The underlying sources and hypotheses should be analysed. In combination with a literature study (e.g. other LCA studies of nearly zero energy buildings) and a critical interpretation is expected and conclusions/recommendations will be formulated in that line. During the research the student will gain knowledge in nearly zero energy building (i.e. concept, building techniques), environmental impact assessment and life cycle approach. Moreover, through the WISBA workshops, knowledge and experience will be exchanged with students from other universities working on the same and similar topics. This thesis topic is situated within WISBA, which means that besides the individual thesis-work at the KU Leuven, there is also an international component: during 5 workshops (at different locations) you will work together with 4-6 international students who are working on the same topic. Further information: http://wisba.wienerberger.com/wi-s-b-a/
References [1] EC. (2013). “Annex II: Product Environmental Footprint (PEF) Guide to the COMMISSION RECOMMENDATION on the use of common methods to measure and communicate the life cycle environmental performance of products and organisations”. European Commission. [2] EN:15804 “Sustainability of construction works - Environmental product declarations Communication format business-to-business”. European Committee for Standardisation; 2012.
AE08 Duurzaam her-ontwerpen van arbeiderswoningen in verschillende contexten Sustainable re-design of workers homes in different contexts Supervisor(s): Assistant(s): Contactperson(s): Number of students: Language of thesis: Project link: Study lines:
Prof. Karen Allacker, Dr. M. Dubois (Policy Research Centre for Sustainable Materials) NN
[email protected] 1 Dutch or English / IRA
The existing building stock forms a major challenge in the aim to move towards a more sustainable built environment. It is responsible for the largest part of the energy consumed in buildings and requires a “tailor-made” approach due to its context-specificity (e.g. climatic context, micro-climate, building typology, building age, legislative constraints, technical constraints, user behaviour, type of investor). This thesis contributes to this challenge by focusing on a widely spread dwelling typology: the small workers homes built before 1945 in urban contexts (Figure 1). Several options for the further use of this type of dwellings will be investigated such as basic renovation measures (i.e. improved insulation, technical services, air tightness); major refurbishment (i.e. redesign of the rooms, extensions, etc.) according to current comfort requirements; demolition and new built; and redesign of several houses at once (e.g. changing two buildings into a larger single building). For each of the design alternatives, a life cycle assessment and life cycle costing analysis will be made (based on available information) to check the consequences on the environment and cost. The analysis should furthermore include an analysis of current financial incentives to stimulate renovation compared to new-built and critically evaluate if revisions would be preferable from a sustainability point of view (i.e. based on the environmental analysis). The methodology will be based on research by design and analytical assessments, using LCA-software and excel. The comparative analysis in combination with a literature study (i.e. other renovation studies) will allow to formulating conclusions/recommendations to transform the worker houses in a sustainable and cost effective way. Recommendations regarding policy incentives will furthermore be drawn. During the research the student will gain knowledge in renovation concepts, environmental impact assessment, and life cycle costing.
Illustrative examples of workers houses in Dendermonde, Belgium (http://blog.seniorennet.be)
AE09 Van CO2 naar ecologische voetafdruk van steden From carbon to environmental footprint of cities Supervisor(s): Assistant(s): Contact person(s): Number of students: Language of thesis: Project link: Study lines:
Prof. Karen Allacker Damien Trigaux
[email protected] 1 or 2 Dutch or English / IRA
Life cycle assessment (LCA) is an internationally accepted approach for the calculation of the environmental impact of products. The LCA method can rather be seen as a general framework that can be implemented in several ways (depending on the goal of the study). In consequence, several implementations exist in current practice, ranging from single-indicator assessments (e.g. estimating the life cycle Greenhouse Gas (GHG) emissions of a product) to more comprehensive assessments (e.g. including a list of relevant environmental impacts such as global warming, acidification, respiratory effects, land use, etc.) Comprehensive LCA studies have been carried out at the building level and have proven to potentially lead to different decision taking than where GHG emissions alone are the focus. Experience in comprehensive LCA approach at the higher scale levels (i.e. cities or urban fragments) is still very limited. Building on the experience at the building level, it is suspected that such a comprehensive LCA approach at higher scale levels will also lead to different decision taking. The objectives of this thesis are to extend current environmental LCA of cities (mainly focusing on the GHG emissions) to the 14 environmental impact categories recommended by the European Commission in their recently adopted Environmental Footprint. The aim is to test a more complete accounting and to develop better descriptions of the functional and operational implications of urban infrastructure. The aim is furthermore to identify the needs for further research regarding LCA of cities. The methodology used in this thesis consists of a literature study of existing LCA methods/studies at the higher scale levels, such as the pilot version of the Global Protocol for Community-Scale Greenhouse Gas Emissions (GPC) [2012] and the UM-LCA approach [Goldstein et al. 2013, Pauliuk et al. 2013]. Based on the literature study, a method will be selected and extended or a new approach will be proposed and implemented to a case study (i.e. neighbourhood or city level). References [1] Allacker, K., De Troyer, F. (2013). Moving towards a more sustainable Belgian Dwelling stock: the passive standard as the next step? Journal of Green Building, 8 (2): 112-132. [2] European Commission. “Annex II: Product Environmental Footprint (PEF) Guide to the Commission Recommendation on the use of common methods to measure and communicate the life cycle environmental performance of products and organisations”. European Commission; 2013 [3] www.ghgprotocol.org/city-accounting [4] Goldstein B, Birkved M, Quitzau MB, Hauschild M (2013). Quantification of urban metabolism through coupling with the life cycle assessment framework: concept and development and case study. Environmental Research letters 8 (14pp). [5] Pauliuk S, Sjöstrand K, Müller DB (2013). Transforming the Norwegian dwelling stock to reach the 2 degrees celsius climate target: Combining material flow analysis and life cycle assessment techniques. Journal of Industrial Ecology, 17, (4): 542-554.
AE10 Vergelijkende levenscyclusanalyse van bouwblokken op basis van kurk Comparative life cycle assessment of building blocks based on cork Supervisor(s): Assistant(s): Contact person(s): Number of students: Language of thesis: Project link: Study lines:
prof. K. Allacker, prof. H. Janssen NN
[email protected],
[email protected] 1 or 2 Dutch or English / IRA BTO, BWK GT
In a quest to counteract the global climate change and resource depletion challenges, the building industry has a keen interest in ‘rapidly renewable materials’. Rapidly renewable materials, with straw or bamboo as well-known examples, are said to have enormous potential to come to a more sustainable built environment (see http://www.ecobuildingpulse.com/building-materials/growing-demand.aspx for additional information). Cork – the bark of the cork oak which can be harvested every 10 years – is another example, with potential uses ranging from insulation material to cladding solution (see the illustrations below). A novel application of cork is its use as a building block, in which expanded cork granules are bonded with a cementitious binder. These cork building blocks are promoted for their excellent combination of thermal and mechanical performance, as well as for their significant capacity for CO2 fixation. This master projects aims at a comparative life cycle assessment (LCA) of such cork building blocks. In an introductory part, the mechanical and hygrothermal properties of cork building blocks are characterised, to define an appropriate functional unit (as comparative base) and to identify potentially equivalent products. This characterisation focuses on the blocks’ mechanical (elasticity modulus, compressive strength) and hygrothermal (thermal conductivity, capillary absorption coefficient) properties. In the key part, an LCA of the cork building blocks and the alternative function-equivalent blocks will be made. Such LCA study will allow evaluating the environmental impact of these blocks over their whole life cycle. All life cycle stages are covered, and the LCA study hence includes extraction of resources, production of materials, construction process, use stage, demolition, End-ofLife and all necessary transport. For all life cycle stages all input/output flows are inventoried and evaluated (e.g. energy use, harmful emissions, water use, land use) for the cork building blocks and its equivalent products. Special attention is given to carbon sequestration, both from a methodological and an analytical point of view. The project contains the following aspects: – – – –
Review of the existing literature, to obtain a deeper and broader knowledge on all topics involved; Determination of the mechanical and hygrothermal material properties of the cork building blocks; Life cycle assessment of the cork building blocks, compared to function-equivalent building blocks; Concluding comparison and recommendations for further research
Raw bark of cork oak (left), expanded cork insulation (centre), cork as cladding material (right) References [1] Vogtländer JG, van der Velden NM, van der Lugt P, 2014, Carbon sequestration in LCA, a proposal for a new approach based on the global carbon cycle; cases on wood and on bamboo, International Journal of Life Cycle Assessment 19:13–23.
AE11 Grondstof efficiëntie in de bouwsector – op zoek naar een nieuw constructief ontwerp voor buitenwanden Resource efficiency in the building sector – search for a new constructive design for outer walls Supervisor(s): Assistant(s): Contact person(s): Number of students: Language of thesis: Project link: Study lines:
prof. Karen Allacker, Prof. Niels De Temmerman (VUB) Damien Trigaux, Wim Debacker (VITO)
[email protected] 1 English / IRA, BWK GT, VUB
Thesis in the framework of WISBA (Wienerberger Sustainable Building Academy) and will be additionally guided by the Graz University of Technology, Austria.
The construction sector requires the highest amount of material resources and produces more than 50% of the total waste amount. Beside energy efficiency, resource efficiency and closed loop economy will become one of the most important challenges for the entire construction sector. In a first step, the thesis shall highlight and compare the situation in 3 participating WISBA countries regarding the handling of material resources used in the building sector and describe the handling of European guidelines under local conditions. Mineral resources should be prioritised. Amongst other the following topics should be treated: material flows around the building sector (input – output), availability and scarcity of mineral resources, annual demand for the building sector, strategic planning of public authorities regarding mineral resources, typical constructions of walls and floor slabs for: single family houses, apartment buildings, office and public buildings; and assessment concepts to evaluate the handling of material resources in the participating countries. In a second step, several constructive designs of (exterior) wall constructions and consequences for dismantling, separation and recycling will be investigated. These designs consist of existing well-known concepts, innovative recent concepts and eventually a newly developed design will be proposed. This thesis topic is situated within WISBA, which means that besides the individual thesis-work at the KU Leuven, there is also an international component: during 5 workshops (at different locations) you will work together with 4-6 international students who are working on the same topic. Further information: http://wisba.wienerberger.com/wi-s-b-a/
AE12 Hernieuwbare energie op gebouw niveau en de hogere schaalniveaus – LCA en LCC studie Renewable energy technologies at the building and higher scale levels – LCA and LCC study Supervisor(s): Assistant(s): Contact person(s): Number of students: Language of thesis: Project link: Study lines:
Prof. Karen Allacker, Prof. Niels De Temmerman (VUB) Damien Trigaux, Wim Debacker (VITO)
[email protected] 1 English / IRA, BWK, VUB
Thesis in the framework of WISBA (Wienerberger Sustainable Building Academy) and will be additionally guided by the Warsaw University of Technology, Poland.
The Directive 31/2010 on energy performance of buildings RECAST introduces new challenges for the whole construction industry across Europe. New energy requirements that have to be in power from 2020 (for new buildings) should follow the nearly zero energy principle NZEB. According to fore mentioned Directive ‘nearly zero-energy building’ means a building that has a very high energy performance, in which the nearly zero or very low amount of energy required should be covered to a very significant extent by energy from renewable sources, including energy from renewable sources produced on-site or nearby. These regulatory statements are setting demand for new construction and installation technologies. In a first step a literature study will be made on renewable energy technologies at the different scale levels in different countries. Based on this study, a selection will be made of technologies that will be investigated more in detail during the thesis. Both technologies at the building scale and higher scale levels will be included in the in-depth analysis. In a second step, an analysis will be made of the selected renewable energy technologies, focusing on both their environmental impact and financial cost, and considering their whole life span. This will be done through an LCA and LCC analysis of the selected technologies and these will be compared to current common practice. Finally, conclusions will be drawn and recommendations made, both regarding the findings of the analysis and regarding the needs for further research. This thesis topic is situated within WISBA, which means that besides the individual thesis-work at the KU Leuven, there is also an international component: during 5 workshops (at different locations) you will work together with 4-6 international students who are working on the same topic. Further information: http://wisba.wienerberger.com/wi-s-b-a/
AE13 Topology optimization as a tool for structural design Topologische optimalisatie als hulpmiddel bij het ontwerpen van structuren Supervisor(s): Assistant(s): Contact person(s): Number of students: Language of thesis: Project link: Study line:
Prof. Mattias Schevenels, Prof. Geert Lombaert Miche Jansen
[email protected] 1 Dutch or English www.kuleuven.be/optec/ IRA, BWK
Numerical optimization is a powerful tool in the design of structures as it supports the designer in finding the best compromise between costs and performance, for example, when searching for the design with the highest stiffness for a given amount of material. Three optimization strategies are distinguished: size optimization, shape optimization and topology optimization. In the first approach, the designer preselects the shape of the structure and the dimensions of all the components (beam sections, plate thicknesses, …) are determined by means of optimization. Shape optimization is based on a parametric representation of the shape of the structure. It can use a small number of parameters (e.g. a single parameter, such as the height of a truss structure), or a very large number of parameters (e.g. the positions of all the nodes in the finite element model of a shell structure). The optimal parameter values are determined by means of an optimization algorithm. Topology optimization does not require any parameterization. The designer determines the area where the structure should or could be located, the loads to be carried, the locations of the supports, and the amount of available material. The best distribution of material in the specified area is determined by means of optimization. The figure below shows the design domain and boundary conditions for a topology optimization problem. The goal is to determine the structure which deforms as little as possible under the applied load.
Initially, the available material is uniformly distributed in the design domain. The optimal distribution is then determined iteratively. A finite element analysis of the design is performed in every iteration and the deformation energy per element is determined. Next, the material is redistributed such that material is removed at locations where the deformations are small, and added at highly deformed areas. The solution of this optimization problem is not uniquely defined. The figure below shows two different optimized structures. Both designs correspond to a local minimum of the objective function, i.e. the displacement at the point load. Although the designs look quite different, the displacement at the point load is almost identical. Both designs can therefore be seen as mechanically equivalent and the designer can base his choice on arguments other than mechanical concerns.
The bottom design looks more balanced and is probably the preferred option. The design is obtained by redistributing the material in a different, relatively slow fashion. Several techniques are described in the literature which enable to control the minimal and maximal section or the length of the bars. Alternatively, it is also possible to directly influence the final design, for example, by altering the price of material in certain areas of the design domain. The goal of this thesis is to investigate how the designer can influence the optimization process and hence the optimized design. Which techniques are available? Do they allow for an accurate control by the designer? And, how can we improve these techniques?
AE14 Topology optimization of the roof structure of the British Museum Topologische optimalisatie van de dakstructuur van het British Museum Supervisor(s): Assistant(s): Contact person(s): Number of students: Language of thesis: Project link: Study lines:
Prof. Mattias Schevenels, Prof. Geert Lombaert Miche Jansen
[email protected] 1 Dutch or English / IRA, BWK
Structural optimization is based on the application of numerical optimization techniques in order to determine the structure which forms the best compromise between performance (i.e. strength, stiffness) and cost (material usage, manufacturing costs, ecological footprint). An overview of the different optimization strategies is given in thesis proposal AE13. This thesis is focused on topology optimization. Optimization often leads to very efficient, but slender structures which are sensitive to buckling. It is therefore important to take into account the effect of geometric imperfections and buckling in the optimization (e.g. by imposing a minimal buckling resistance for the design). The stability of the design can be assessed by means of a simplified linear buckling analysis or a geometric nonlinear model.
The goal of this master thesis is to propose an alternative design for the roof of the British Museum. The structure is a grid-shell, i.e. a shell structure consisting of a grid of truss elements. In the framework of this thesis, it will be investigated whether a more efficient layout of the truss elements can be obtained by means of topology optimization while taking into account the risk of buckling. References [1]. M.P. Bendsøe and O. Sigmund. Topology optimization: theory, methods and applications. Springer, Berlin, second edition, 2004.
AE15 A SAND approach to topology optimization Simultane analyse en topologische optimalisatie van structuren Supervisor(s): Assistant(s): Contact person(s): Number of students: Language of thesis: Project link: Study lines:
Prof. Mattias Schevenels, Prof. Geert Lombaert Miche Jansen
[email protected] 1 Dutch or English / IRA, BWK
Structural optimization is based on the application of numerical optimization techniques in order to determine the structure which forms the best compromise between performance (i.e. strength, stiffness) and cost (material usage, manufacturing costs, ecological footprint). An overview of the different optimization strategies is given in thesis proposal AE13. This master thesis is focused on topology optimization. Two types of variables are typically distinguished in a topology optimization problem: the design variables which describe the geometry of the structure and the state variables which characterize the physical response of the structure. The design variables could be material densities (cf. proposal AE13), while the state variables usually correspond to the displacements of the structure in civil engineering applications. Topology optimization is classically formulated as a nested problem where the material densities are the optimization variables of the problem and the displacements are considered as variables dependent on the specific design. This means that a particular design is initially specified by the user and the corresponding displacements are determined by means of a finite element analysis. The optimization algorithm uses this information to modify the material densities in order to improve the current design. An optimized design is obtained by iteratively executing this procedure. The optimization algorithm utilizes the first-order derivatives of the cost and constraint functions to efficiently determine a following design step. The computational cost of the algorithm however is governed by the finite element analysis for the new design in every iteration step. In an alternative approach, both the material densities and the displacements are considered as independent optimization variables. In this case, the equilibrium equations are added as constraints in the optimization problem. In this way, the execution of a new finite element analysis can be avoided. It is expected that this type of simultaneous approach is particularly suitable for nonlinear mechanical problems, which require an iterative, and hence more costly, solution of the equilibrium equations. A disadvantage of the approach is the strong increase in the number of optimization variables and constraints in the problem. The application of an efficient optimization algorithm is therefore essential. The goal of this master thesis is to investigate the potential of a simultaneous design and analysis approach to topology optimization. For this purpose, a good comprehension of the classical nested formulation of topology optimization problem has to be established first. In the following step, the equivalent simultaneous formulation of the problem is investigated and implemented in MATLAB. Investigating the applicability of the existing optimization algorithms for problems with a large number of variables is an important part of this step. Finally, the formulation is extended to nonlinear equilibrium equations in order to efficiently take into account geometric nonlinear effects.
AE16 Evolutionary algorithms for structural optimization with buildability constraints Evolutionaire algoritmes voor structurele optimalisatie rekening houdend met bouwtechnische beperkingen Supervisor(s): Assistant(s): Contact person(s): Number of students: Language of thesis: Project link: Study lines:
Prof. Mattias Schevenels, Prof. Geert Lombaert Roxane Van Mellaert
[email protected] 1 Dutch or English / IRA, BWK
Large research efforts have been invested in structural optimization during the last 50 years: the number of papers published in this domain is enormous. Nevertheless, the application of these techniques remains limited in engineering practice. An important reason is probably the fact that the optimized designs often do not satisfy the buildability constraints that are present in practice. A manual postprocessing step is therefore required which can be burdensome, time-consuming (and hence expensive) and lead to sub-optimal designs. For example, the dimensioning of a truss girder consisting of steel hollow sections and welded joints sometimes uses the fully stressed design method. This is a pragmatic optimization method where the beam sections are iteratively modified until the allowed stress level is reached in every beam. This method leads (in particular circumstances) to the optimal design in terms of material usage. The method however is only able to check the stresses in the beams and the joints have to be checked manually afterwards. Furthermore, the configuration of the joints is infeasible in many cases due to the wall thickness being too small. This issue is typically solved by locally including a section with a larger wall thickness. Although this hardly affects the material costs, the manufacturing costs increase significantly since two welded joints have to be established in this setup. The manual postprocessing step can be avoided by taking into these buildability constraints (e.g. the requirements for welded joints) in the optimization problem. The main problem is however that the classical optimization algorithms are not well suited for these types of constraints: the algorithms usually rely on gradient information to determine the optimal design, but the buildability constraints are often non-differentiable. Since 1990 a multitude of optimization algorithms based on evolutionary algorithms have been developed. These methods all rely on some biological phenomenon, and they perform a random search in the parameter space in order to gradually evolve in the direction of the optimal design. Examples are simulated annealing [2], genetic algorithms [5], particle swarm optimization [7], the harmony-searchmethod [4], ant colony optimization [1], artificial bee colony algorithm [6] and the firefly algorithm [3]. Evolutionary algorithms do not use gradients and hence should in principle be applicable to optimization algorithms with buildability constraints. Moreover, they have the additional benefit of being easy to implement. Unfortunately, they are also very slow: these methods typically require thousands of analyses, and every analysis involves a complete finite element analysis of the design. The goal of this master thesis is to perform a critical investigation of the applicability of evolutionary algorithms for structural optimization. Which methods are available? Are they truly different or are these differences superficial? Are there any parameters which can improve the convergence rate? Which method is most suited to tackle the example problem described above? In order to find an answer to these questions, the methods first have to be implemented (in MATLAB and combined with the StaBIL toolbox) and afterwards, parameter studies have to performed. If the computational costs would turn out to be too excessive, it should be possible to employ the high performance computational facilities of the KU Leuven. References [1] J.A. Bland. Optimal structural design by ant colony optimization. Engineering Optimization, 33(4):425–443,2001.
[2] T. Elperin. Monte Carlo structural optimization in discrete variables with annealing algorithm. International Journal for Numerical Methods in Engineering, 26(4):815–821, 1988. [3] A.H. Gandomi, X.S. Yang, and A.H. Alavi. Mixed variable structural optimization using firefly algorithm. Computers & Structures, 2011. [4] K.S. Lee and Z.W. Geem. A new structural optimization method based on the harmony search algorithm. Computers & Structures, 82(9):781–798, 2004. [5] S. Rajeev and C.S. Krishnamoorthy. Discrete optimization of structures using genetic algorithms. Journal of Structural Engineering, 118:1233, 1992. [6] M. Sonmez. Discrete optimum design of truss structures using artificial bee colony algorithm. Structural and Multidisciplinary Optimization, 43(1):85–97, 2011. [7] G. Venter and J. Sobieszczanski-Sobieski. Particle swarm optimization. AIAA Journal, 41(8):1583– 1589, 2003
AE17 Structurele optimalisatie: kost- versus gewichtsminimalisatie Structural optimization: cost versus weight minimization Supervisor(s): Assistant(s): Contactperson(s): Number of students: Language of thesis: Project link: Study lines:
Prof. Mattias Schevenels, Prof. Geert Lombaert Roxane Van Mellaert
[email protected] 1 Dutch or English / IRA, BWK
Optimization has become an important aspect in the design process of structures. The goal of structural design optimization is to design structures satisfying several constraints (volume, compliance, stresses…) using a minimum of resources (budget, materials, ecological footprint…). Three basic approaches of structural optimization can be distinguished depending on the type of design variables: size optimization (e.g. change cross-section dimensions), shape optimization (e.g. change height of a truss structure) and topology optimization (search for optimal material layout). In structural optimization, the target is often to minimize the total cost of the structure. Since the amount of material has a large impact on the cost of the structure, a traditional approach is to search for the design with minimum weight. However the amount of material cost from the total cost varies depending on the type of structure and the structure with minimum weight is not necessarily always the same as the structure with minimum cost. Sarma and Adeli [1] state that research to cost optimization would be an encouragement to use structural optimization in practice. Minimizing the total cost would not only lead to a more realistic structural design, but it would also lead to a saving of 7 to 26 percent compared to mass optimization, and even more for larger structures. However, Jalkanen [2] shows that the results of mass optimization and cost optimization could be the same for certain structures. The goal of this master thesis is to examine the difference in cost between a cost optimized and a weight optimized structure. This master thesis will start with a literature study on structural optimization. The main focus will be on mass minimization and cost minimization. A structure frequently used in practice (e.g. portal frames with thin walled profiles) will be considered; for this structure; all relevant Eurocode provisions will be implemented in MATLAB. Based on input from construction companies, the cost of the structure under consideration will be estimated as accurately as possible. The results obtained using cost optimization will be compared with the results obtained using mass optimization. References [1] K.C. Sarma and H. Adeli. Cost optimization of steel structures. Engineering Optimization, 32(6):777–802, 2000. [2] J. Jalkanen. Tubular truss optimization using heuristic algorithms. PhD thesis, Tampere University of Technology, 2007.
AE18 Krachtswerking in complexe structuren – intuïtie versus realiteit Forces in complex structures – intuition versus reality Supervisor(s): Assistant(s): Contact person(s): Number of students: Language of thesis: Project link: Study lines:
Prof. Mattias Schevenels, Prof. Guido De Roeck /
[email protected] 1 Dutch is standard, English if desired / IRA
De krachtswerking in structuren wordt door didactici vaak op een intuïtieve of metaforische wijze inzichtelijk gemaakt. Klassiek voorbeeld is het "human cantilever model" dat Benjamin Baker in 1887 gebruikte om de werking van de Forth Bridge in Schotland duidelijk te maken.
In de literatuur vinden we tal van dergelijke voorbeelden; zo gebruikt Muttoni [2] een antropomorfe analogie om de krachtswerking in het bovenste gedeelte van een hyperboloide (zoals een koeltoren) uit te leggen.
Moore [1] probeert op een intuïtieve manier de spanningstoestand in tongewelven duidelijk te maken. Hij maakt een onderscheid tussen lange en korte tongewelven. Een lang tongewelf kunnen we eenvoudig beschouwen als een balk op twee steunpunten, maar voor een kort tongewelf is de situatie iets complexer – we kunnen het zien als een reeks parallelle balken gedragen door twee bogen, maar ook als een reeks parallelle bogen gedragen door twee balken.
De intuïtieve verklaringen van de werking van de Forth Bridge, de koeltoren, en het lange tongewelf komen heel aannemelijk over; de verklaring van de werking van een kort tongewelf is iets minder overtuigend. Krijgen we wel een realistisch beeld van de krachtswerking wanneer we de werkelijkheid zo sterk vereenvoudigen? Het doel van deze thesis is (1) een overzicht te maken van courante intuïtieve of metaforische analogieën die in te literatuur gebruikt worden om de krachtswerking in structuren te verklaren, (2)
deze analogieën te confronteren met accurate (eindige-elementen)berekeningen, en (3) ze bij te sturen indien nodig. Referenties [1] F. Moore. Understanding structures. McGraw-Hill, 1999. [2] A. Muttoni. The art of structures: introduction to the functioning of structures in architecture. EPFL Press, 2011.
AE19 De maquette als onderzoeksmedium voor de structuur van het gebouw The model as a research medium for the structure of a building Supervisor(s): Assistant(s): Contact person(s): Number of students: Language of thesis: Project link: Study lines:
Prof. Karel Vandenhende, Prof. Mattias Schevenels /
[email protected] 1 Dutch is standard, English if desired / IRA
Bij het werken met maquettes wordt vaak gebruik gemaakt van materialen zoals schuimkarton (kadapak) die relatief te licht, te stijf, en te sterk zijn, rekening houdend met de schaal waarop ze gebruikt worden. Als gevolg hiervan weerspiegelt het structurele gedrag van de maquette niet het structurele gedrag van het echte gebouw. Traditionele maquettematerialen zetten dus niet aan tot het ontwerpen van een realistische draagstructuur – grote overspanningen, grote uitkragingen, alles lijkt mogelijk. Door het kiezen van de gepaste materialen kan men ervoor zorgen dat het structurele gedrag van de maquette analoog is aan het gedrag van het echte gebouw. Dit probleem doet zich voor in alle takken van de industrie waarin gewerkt wordt met prototypes; er is dan ook al heel wat onderzoek naar gedaan [1]. De meest gebruikte methode ter bepaling van de gepaste materialen is gebaseerd op dimensie-analyse: alle parameters worden uitgedrukt in functie van een aantal fundamentele grootheden, zoals lengte, kracht, tijd, en temperatuur. Op basis van deze analyse wordt een beperkt aantal dimensieloze parameters geïdentificeerd die het gedrag van de structuur volledig bepalen. De afmetingen en materialen die gebruikt worden voor het prototype (of de maquette) moeten zo gekozen worden dat deze dimensieloze parameters dezelfde waarde aannemen voor het prototype als voor de echte structuur. Daarnaast gebeurt er onderzoek naar modulaire bouwsystemen voor structuurmaquettes die voornamelijk gebruikt worden als didactische instrumenten. De foto hieronder toont een dergelijk systeem ontwikkeld aan de universiteit van Ouro Preto in Brazilië door Oliveira en Freitas [2].
Het model op de foto geeft goed aan hoe een stijf ingeklemd portiek zich gedraagt onder invloed van een horizontale last – het momentenverloop kan bijna onmiddellijk afgelezen worden. Door het modulaire karakter biedt het bouwsysteem de ontwerper echter weinig vrijheid – dit systeem is didactisch interessant, maar minder bruikbaar als hulpmiddel bij het ontwerpen. Het doel van deze thesis is door middel van dimensie-analyse op zoek te gaan naar maquettematerialen die op analoge manier kunnen ingezet worden als het modulaire maquettebouwsysteem van Oliveira en Freitas. Dit dient te gebeuren in verschillende stappen. Eerst moet literatuuronderzoek uitwijzen wat er al beschikbaar is in dit domein – zijn er maquettebouwsystemen die meer vrijheid toelaten dan dat van Oliveira en Freitas? Daarna moet de dimensie-analysemethode grondig onderzocht worden. Op basis hiervan kan vervolgens gezocht worden naar maquettematerialen die het werkelijke structurele gedrag van verschillende courante bouwmaterialen correct weergeven (eventueel met een gepaste vergrotingsfactor, anders zijn de doorbuigingen van de maquette bijna niet zichtbaar). Tenslotte is het
de bedoeling één of enkele maquettes te maken en door middel van eindige-elementenberekeningen na te gaan of ze zich inderdaad gedragen volgens de verwachtingen. Indien gewenst kan deze thesis gecombineerd worden met een ontwerp waarbinnen het ontwikkelde model wordt uitgetest. In het bijzonder de ontwerpen in de studio morphological engineering zijn hiervoor geschikt. Referenties [1] H.G. Harris and G.M. Sabnis. Structural modeling and experimental techniques. CRC Press, 1999. [2] M.S. Oliveira and A.M.S Freitas. Qualitative structural model for pre-evaluation of structures behavior. In International Conference on Structures and Architecture, pages 1874-1880, Guimaraes, Portugal, July 2010.
AE20 Grafostatica als ontwerptechniek Graphic statics as a structural design technique Supervisor(s): Assistant(s): Contact person(s): Number of students: Language of thesis: Project link: Study lines:
Prof. Mattias Schevenels, Prof. Frank De Troyer /
[email protected] 1 Dutch is standard, English if desired / IRA, BWK
The term graphic statics refers to graphical methods to determine the (ideal) shape of cables and arches, to calculate the forces of truss members, to determine the internal forces of beams, to derive the position of the center of gravity of sections,… The fundamental principle of these methods is to draw force polygons on scale: the structure (or a part of the structure) is in equilibrium when all applied forces form a closed polygon. This technique is illustrated in the figure (source: [1]): the forces in the truss members (left) are proportional to the lengths of the lines of the polygon (right).
Before the emergence of finite element packages, graphic statics was commonly used for the calculation and design of structures. Compared to other methods available back then, such as the force method and the method of Cross, graphic statics has several advantages: (1) problems can be solved much faster, (2) numerical calculation errors are excluded, and (3) the force diagrams visually clarify the influence of the shape of the structure on the forces. The use of graphic statics has disappeared both in design practice and in education, due to the distribution of the finite element method. This is partly correct: there is no doubt that finite element programs are much more convenient for the calculation and sizing of a structure with a shape that is already fixed. However, in early stages of the design process, graphic statics could be useful: the designer can quickly obtain an idea of the forces in the structure and interpret how the forces change when the design is modified. The goal of this thesis is to investigate the potential of graphic statics as a structural design technique. First of all, the student should become familiar with graphic statics – the required time and support for this will be foreseen. The actual research will be carried out based on case studies: several designs (existing structures, structural models of 2BIRA,…) will be analyzed with the finite element method and with graphic statics, then they will be adjusted or optimized. References [1] E. Allen & W. Zalewski. Form & forces: designing efficient, expressive structures. Wiley, 2009.
AE21 Thrust network analysis Thrust network analysis Supervisor(s): Assistant(s): Contact person(s): Number of students: Language of thesis: Project link: Study lines:
Prof. Mattias Schevenels /
[email protected] 1 Dutch is standard, English if desired / IRA, BWK
The ideal arch for a given load is shaped in such a way that only compressive forces occur. However, when the load varies (e.g. under influence of the wind) or when the arch deviates from the ideal shape, also shear forces and bending moments occur. Normal forces, shear forces and bending moments can be composed to one eccentric force. By placing the point of application of this force in each cut along the length of the arch, the thrust line is obtained. Assuming that the arch is built of blocks without tensile strength, with unlimited compressive strength, and which don’t shift relative to each other (these assumptions are close to reality), the arch is stable when the thrust line stays inside the section of the arch. This principle forms the basis of thrust line analysis, a classical method for analyzing and designing masonry arches. The figure below shows the thrust line analysis of a bridge formed by nature; the thrust line stays inside the section of the bridge, as a consequence the bridge doesn’t collapse.
Block [1] has developed a similar method for the analysis of three-dimensional vaults, named thrust network analysis. This method makes it possible to design thin masonry vaults with complex shapes, like the shape on the picture below.
The goal of this thesis is to explore the thrust network analysis method. A literature study will be carried out to figure out the background of the method, existing software will be tested, experiments with structural models will be executed (FABlab technology can be used), comparisons with alternative methods like the finite element method will be made, and the method can be used in the frame of a design task (in that case this thesis becomes a hybrid thesis – a theoretical study is combined with a design that fits in the studio of morphological engineering). References [1] P. Block. Thrust network analysis: exploring three-dimensional equilibrium. PhD thesis, Department of Architecture, MIT, 2009.
AE22 Betonnen schaalconstructies in België Concrete shell structures in Belgium Supervisor(s): Assistant(s): Contactperson(s): Number of students: Language of thesis: Project link: Study lines:
Prof. Mattias Schevenels, Prof. Hilde Heynen /
[email protected] 1 Dutch is standard, English if desired / IRA
In de 20e eeuw hebben ingenieurs en architecten als Félix Candela, Eladio Dieste, Eduardo Torroja, Pier Luigi Nervi, en Heinz Isler wereldwijd een aanzienlijk aantal bekende schaalconstructies gebouwd, meestal van beton. Deze schalen overspannen vele meters maar zijn slechts enkele centimeters dik – ze ontlenen hun structurele capaciteit niet zozeer aan hun massa maar wel aan hun vorm. Ook in België zijn enkele – minder bekende – structuren van dit type gebouwd. Voorbeelden zijn het zwembad Longchamp in Ukkel (bovenste foto), de hippodroom van Groenendaal (middenste foto), en de Renault-garage in Ukkel (onderste foto). Het doel van deze thesis is de evolutie van betonnen schaalstructuren in België in kaart te brengen, en dit vanuit structureel-technisch oogpunt. Welke schaalstructuren zijn er te vinden? Wie heeft ze ontworpen, wie heeft ze berekend? Waar hebben de ontwerpers hun inspiratie gehaald en hoe hebben ze elkaar beïnvloed? Welke rekenmethodes zijn er gebruikt? Hoe accuraat waren deze methodes? Hoe werd omgegaan met mogelijke onnauwkeurigheden?
AE23 Ontstaan en ontwikkeling van tentstructuren Origin and development of tensile structures Supervisor(s): Assistant(s): Contactperson(s): Number of students: Language of thesis: Project link: Study lines:
Prof. Mattias Schevenels, Prof. Hilde Heynen /
[email protected] 1 Dutch is standard, English if desired / IRA
De tent als structuurtype is relatief recent. De eerste tentstructuren werden ontworpen door Frei Otto in de jaren 1950 in Duitsland. Rekentechnieken voor de bepaling van de vorm (form finding) en de krachtswerking in een tent waren toen nog niet beschikbaar. Form finding gebeurde aan de hand van zeepfilmmodellen: men plooit een ijzerdraad in de vorm van de rand van de tent en dompelt die in zeepsop. Er ontstaat een zeepfilm waarvan de vorm gebruikt wordt als model voor de tent. De zeepfilm heeft twee interessante eigenschappen: (1) het is het kleinst mogelijke oppervlak binnen de vorm van de ijzerdraad; de vereiste hoeveelheid tentmateriaal is dus minimaal, en (2) de (oppervlakte)spanning is constant over de volledige zeepfilm, dus ook de spanning in de tent zal constant zijn, wat betekent dat de capaciteit van het tentmateriaal optimaal benut kan worden.
Alhoewel het maken van een zeepfilmmodel relatief eenvoudig is, heeft deze methode toch twee belangrijke nadelen: het is moeilijk de exacte vorm van de zeepfilm op te meten, en het model geeft geen informatie over de krachtswerking in de tent (zeker niet als er externe krachten spelen zoals bijvoorbeeld de windbelasting). In de jaren 1960 en 1970 zijn numerieke technieken voor form finding ontwikkeld die tegemoetkomen aan deze beperkingen. De belangrijkste methodes zijn de dynamische relaxatiemethode [1] en de krachtdichtheidsmethode [2]. Deze technieken worden vandaag nog steeds gebruikt.
Het doel van deze thesis is het ontstaan en de ontwikkeling van tentstructuren te onderzoeken, met een focus op het structurele ontwerp. Waar haalde Frei Otto zijn inspiratie? Wat waren de eerste tentstructuren in België en wie heeft ze ontworpen? Hoe werd de vorm van een zeepfilmmodel opgemeten? Hoe bepaalde men vervolgens de snijpatronen voor de verschillende segmenten waaruit een tent opgebouwd wordt? Wanneer werden de dynamische relaxatiemethode en de krachtdichtheidsmethode voor het eerst toegepast? Hoe werken deze methodes juist? Wat is het verschil tussen beide methodes? Om een antwoord te kunnen bieden op deze vragen dient een grondige literatuurstudie te gebeuren. Daarnaast zal het noodzakelijk zijn zelf te experimenteren met zeepfilmmodellen, de dynamische relaxatiemethode, en de krachtdichtheids-methode.
Referenties [1] A.S. Day. An introduction to dynamic relaxation. The Engineer, 219:218–221, 1965. [2] H.J. Schek. The force density method for form finding and computation of general networks. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, 3(1):115–134, 1974.
AE24 De eerste gebogen vakwerkspanten met grote overspanning in België The first curves trusses with large span in Belgium Supervisor(s): Assistant(s): Contact person(s): Number of students: Language of thesis: Project link: Study lines:
Prof. Krista De Jonge, Prof. Mattias Schevenels /
[email protected] 1 Dutch is standard, English if desired / IRA
De spectaculaire dakkap in glas en ijzer van het Antwerpse Centraal Station, ontworpen door Louis Delacenserie (1905) en twintig jaar geleden gerestaureerd, is welbekend. Daarentegen werden de hangars gebouwd ter gelegenheid van de wereldtentoonstelling te Brussel, 1888, in het Jubelpark/Parc du Cinquantenaire te Brussel vrijwel niet bestudeerd. (Nu staan er auto’s, respectievelijk vliegtuigen in tentoongesteld.) Beide behoren nochtans tot de vroegste structuren met gebogen vakwerkspanten van grote afmetingen in België. Plannen en zelfs bestekken voor de Jubelpark hangars zijn bewaard in het Algmeen Rijksarchief, Ruisbroekstraat te Brussel, werden recentelijk geïnventariseerd en kunnen daar (mits introductie door de promotor) bestudeerd worden. Toegang tot de hangars kan geregeld worden via dr. Joris Snaet (
[email protected]). Het doel van deze thesis is een status quaestionis op te maken van wat tot nu toe gepubliceerd is over de ontwikkeling van gebogen vakwerkliggers, met speciale aandacht voor de structurele werking van de besproken types. De befaamde Opera Garnier in Parijs, bijvoorbeeld, hoort tot de in België goed bekende voorbeelden. In tweede instantie wordt, aan de hand van de bewaarde bronnen, de ontwerpgeschiedenis van de structuur geanalyseerd en getoetst aan eigentijdse berekeningsmethoden. Deze kunnen dan geconfronteerd worden met huidig gangbare methoden.
AE25 BIM voor parametrische historische reconstructie BIM for parametric historical reconstruction Supervisor(s): Assistant(s): Contact person(s): Number of students: Language of thesis: Project link: Study lines:
Dr. Stefan Boeykens /
[email protected] 1 Nederlands / IRA
De typische toepassing van de BIM methodiek ziet men vooral bij nieuwbouw. Verbouwingen en renovaties verlopen moeizamer. Eén van de redenen ligt in het gebrek aan bruikbare parametrische gebouwobjecten gericht op bestaande of historische projecten. De vormentaal van dergelijke projecten wijkt sterk af van de hedendaagse strakke en minimalistische vormgeving. Nochtans zijn huidige BIM omgevingen tegenwoordig beter uitgerust om met dergelijke vormen en geometrie om te gaan. Deze studie onderzoekt de stand van zaken van het gebruik van BIM voor historische projecten en gaat dan verder in op twee aspecten die hierbij essentieel zijn: de ondersteuning voor niet-standaard geometrie en de opbouw van parametrische object-bibliotheken.
Reconstructie Synagoge (Caroline Himpe ASRO 2012) Dit wordt uitgewerkt aan de hand van een case-studie, uitgevoerd in Graphisoft ArchiCAD (of evenwaardige alternatieve software, zoals Revit), waarbij aansluitend op eerder uitgevoerde digitale 3D-reconstructies een werkmethodiek wordt opgesteld die illustreert hoe BIM op een efficiënte manier kan ingezet worden. Gereedschappen als Shell, Morph, maar ook complex profiles en Solid Element Operations worden maximaal ingezet voor dergelijke modellering. Daarnaast wordt ingegaan hoe parametrische objecten, geschreven in de Geometric Description Language (GDL) kunnen opgesteld worden om te komen tot een algemeen inzetbare bibliotheek, die ook voor andere projecten toepasbaar is. Van de student wordt verwacht dat die zich verregaand inwerkt in het modelleren en de GDL scripting taal.
Referenties [1] Boeykens, S., Himpe, C., Martens, B., 2012. A Case Study of Using BIM in Historical Reconstruction - The Vinohrady synagogue in Prague, in: Achten, H., Pavlicek, J., Hulin, J., Matejovska, D. (Eds.), Physical Digitality - Digital Physicality. 30th eCAADe Conference Proceedings. eCAADe and CVUT, Faculty of Architecture, Prague (Czech Republic), pp. 729–738. [2] Chévrier, C., Perrin, J.-P., 2009. Generation of Architectural Parametric Components, in: Tidafi, T., Dorta, T. (Eds.), Joining Languages, Cultures and Visions : CAAD Futures. Les Presses de l’Université de Montréal, Montréal (Canada), pp. 105–118. [3] Aubin, P. (2013). Renaissance Revit: Creating Classical Architecture with Modern Software (Color., p. 472). G3B Press.
AE26 BIM2LCA: van gebouwmodel naar levenscyclusanalyse BIM2LCA: from building model to life cycle analysis Supervisor(s): Assistant(s): Contact person(s): Number of students: Language of thesis: Project link: Study lines:
Dr. Stefan Boeykens, Prof. Karen Allacker, Prof. Frank De Troyer /
[email protected] 1 Nederlands / IRA
Eén van de grote voordelen van het werken met BIM en Digitale gebouwmodellen zit in het evalueren van een ontwerp. Het model vormt immers de basis van plannen, 3D modellen, presentaties en meer en meer ook de prestaties (energie, kost, akoestiek, stabiliteit). De gebouwinformatie kan direct gebruikt worden voor simulaties. Voor elk van deze criteria is het momenteel echter nogal omslachtig om een omzetting te maken. Deze thesis gaat dan ook in op dit proces: hoe kan je simulatie vanuit een BIM model eenvoudiger en betrouwbaar gaan sturen, zodat het vroeger in het ontwerpproces kan ingezet worden en daardoor een grotere impact heeft op het resultaat?
Kostprijs en levenscyclus analyse: materiaalgebruik, bouwkost, gebruikskost, duurzaamheid, gebruik makend van de SuFiQuaD methode en gerelateerde rekentools.
Van de studenten wordt een basiskennis BIM verwacht (vb. ArchiCAD of Revit). Studenten zijn bereid om via scripting of programmering de informatieuitwisseling van het gebouwmodel naar analyse- en rekensoftware uit te werken. Referenties [4] Hitchcock, R.J., Wong, J., 2011. Transforming IFC Architectural View BIMS for Energy Simulation: 2011, in: Proceedings of Building Simulation 2011: 12th Conference of International Building Performance Simulation Association. Sidney (Australia), pp. 1089–1095. [5] Schlueter, A., Thesseling, F., 2009. Building information model based energy/exergy performance assessment in early design stages. Automation in Construction 18, 153–163. [6] Weise, M., Liebich, T., Tulke, J., Bonsma, P., 2009. IFC Support for Model-based Scheduling, in: Dikbas, A., Ergen, E., Giritli, H. (Eds.), 26th CiB W78 Conference - Managing IT in Construction/Managing Construction for Tomorrow. CRC Press/Balkema, Taylor & Francis Group, Istanbul (Turkey), p. 8.
AE27 Real-time evaluatie van BIM-modellen Real-time evaluation of BIM models Supervisor(s): Assistant(s): Contact person(s): Number of students: Language of thesis: Project link: Study lines:
Dr. Stefan Boeykens /
[email protected] 1 Nederlands / IRA
Digitale gebouwmodellen, opgesteld volgens de methodiek van BIM, bevatten een hele waaier aan informatie: grafisch (via de geometrie), alsook numerisch (via de parameters en relaties). Desondanks blijft een deel van deze informatie verborgen en wordt er vooral gecommuniceerd via traditionele 2D tekeningen, afgeleid uit het 3D model. In dit eindwerk wordt gebruik gemaakt van de Unity Game Engine, om een interactieve gebruikersevaluatie op te stellen van een BIM model. Enkele mogelijke thema’s:
Agent-based systemen: automatische navigatie en interactie van meerdere gebruikers via crowd
simulation, path finding en agents, zoals het simuleren van een brand-evacuatie of drukke evenementen;
interactief weergeven van “verborgen” BIM informatie zoals evacuatie of andere circulatie, structuur (wapening, gebouwskelet) door gebruik te maken van real-time shaders, overlays/GUI/dashboard, iconen of een "radar" zicht van de omgeving;
Interageren met de objecten in de virtuele omgeving, evt. live-opgevraagd via een online database of website – materiaal, hoeveelheden, ruimtelijke informatie, ontwerpvarianten, feedback/commentaar/ tagging.
Links: Unity GUI - Rechts: Reconstructie Palais Stoclet (model Kristof Lesaffre ASRO 2007) Er wordt gebruikt gemaakt van Unity als omgeving om dergelijke interactie te beheren, waardoor de resultaten kunnen gepubliceerd worden naar verschillende platformen (computer, web of smartphone/tablet). Er wordt verwacht van de student om zich verder in te werken in C# (scripting-taal Unity). Referenties [7] Boeykens, S., 2011. Using 3D Design software, BIM and game engines for architectural historical reconstruction, in: Leclerq, P., Heylighen, A., Martin, G. (Eds.), Designing Together - Proceedings of the 14th International Conference on Computer Aided Architectural Design Futures. Université de Liège Press, Liège (Belgium), pp. 493–509. [8] Boeykens, S. (2013). Unity for Architectural Visualization (1st ed., p. 125). Packt Publishing.
[9] Yan, W., Culp, C., Graf, R., 2011. Integrating BIM and gaming for real-time interactive architectural visualization. Automation in Construction 20, 446–458. [10] Pauwels, P., De Meyer, R., Van Campenhout, J., 2010. Visualisation of semantic architectural information within a game engine environment, in: Makanae, K., Yabuki, N., Kashiyama, K. (Eds.), Proceedings of the 10th International Conference on Construction Applications of Virtual Reality (CONVR). Senday, Miyagi (Japan), pp. 219–228.
AE28 Samenwerking tussen architect en stabiliteitsingenieur Collaboration between architect and structural engineer Supervisor(s): Assistant(s): Contact person(s): Number of students: Language of thesis: Project link: Study lines:
Prof. Ann Heylighen, Prof. Mattias Schevenels Peter-Willem Vermeersch, Valerie Van der Linden
[email protected] 1 Nederlands / IRA
Bij het ontwerpen van structuren kan de samenwerking tussen architect en ingenieur verschillende vormen aannemen, gaande van een ingenieur die (of ingenieursbureau dat) occasioneel advies geeft aan een architect(enbureau), over het samen ontwerpen in een multidisciplinair team van bij de start van het ontwerpproces, tot het versmelten van beide expertises in één persoon. Deze masterproef zoomt in op de relatie tussen ingenieurs en architecten in de context van structureel ontwerpen: hoe vinden hun expertises mekaar in het ontwerpen van structuren? Waarom en wanneer wordt de stap naar een samenwerking gezet? Hoe verloopt deze samenwerking? Welke aspecten vinden ingenieurs en architecten belangrijk? Wat onthoudt men uit deze samenwerking? En wat is de impact op het ontwerp? Naast een literatuurstudie kan het onderzoek bestaan uit bv.: –
interviews met verschillende ingenieurs en architecten die in het verleden hebben samengewerkt rond het ontwerpen van structuren; waar mogelijk kan dit gecombineerd worden een analyse van planmateriaal en verslagen die deze samenwerking documenteren, en een bezoek aan het gerealiseerde gebouw;
–
het observeren en analyseren van een of meer meetings tussen ingenieurs en architecten, eveneens in combinatie met de analyse van planmateriaal en andere documenten;
–
het in detail retrospectief analyseren van de samenwerking tussen ingenieurs en architecten in de context van een bepaald complex project doorheen het ganse ontwerpproces, a.d.h.v. de beschikbare documentatie en interviews met de betrokkenen.
Deze thesis betreft een samenwerking tussen de onderzoeksgroep RxD binnen de afdeling Architectuur & Ontwerpen enerzijds en de afdeling Architectuur & Bouwtechniek anderzijds.
AE29 Samenwerking tussen architect en adviseur duurzaamheid/energieprestatie Collaboration between architect and advisor sustainability/energy performance Supervisor(s): Assistant(s): Contact person(s): Number of students: Language of thesis: Project link: Study lines:
Prof. Ann Heylighen, Prof. Karen Allacker Peter-Willem Vermeersch, Valerie Van der Linden
[email protected] 1 Nederlands / IRA
Door de toenemende aandacht voor duurzaam bouwen en de strengere energieprestatieregelgeving, zijn duurzaamheidsadviseurs, energieconsulenten, -verslaggevers, en -deskundigen deel gaan uitmaken van de architectuurpraktijk. Deze masterproef zoomt in op de relatie tussen deze experten en architecten in de context van duurzaam bouwen: hoe vinden hun expertises mekaar in het ontwerpen van een duurzaam gebouw? Waarom en wanneer wordt de stap naar een samenwerking gezet? Hoe verloopt deze samenwerking? Welke aspecten vinden experten en architecten belangrijk? Wat onthoudt men uit deze samenwerking? En wat is de impact op het ontwerp? Naast een literatuurstudie kan het onderzoek bestaan uit bv.: –
interviews met verschillende experten en architecten die in het verleden hebben samengewerkt rond duurzaam bouwen; waar mogelijk kan dit gecombineerd worden een analyse van planmateriaal en verslagen die deze samenwerking documenteren, en een bezoek aan het gerealiseerde gebouw;
–
het observeren en analyseren van een of meer meetings tussen experten en architecten, eveneens in combinatie met de analyse van planmateriaal en andere documenten;
–
het in detail retrospectief analyseren van de samenwerking tussen experten en architecten in de context van een bepaald project doorheen het ganse ontwerpproces, a.d.h.v. de beschikbare documentatie en interviews met de betrokkenen.
Deze thesis betreft een samenwerking tussen de onderzoeksgroep RxD binnen de afdeling Architectuur & Ontwerpen enerzijds en de afdeling Architectuur & Bouwtechniek anderzijds.
