English
Język Polski
Parametryczne kształtowanie konstrukcji hal stalowych z modułowymi, krzywoliniowymi dachami – wstępna analiza porównawcza
DOI:
https://doi.org/10.24425/ace.2025.156164Abstrakt
Konstrukcje hal z dachami o krzywoliniowych kształtach zyskują na popularności w nowoczesnej architekturze przemysłowej. Dachy te nie tylko nadają budynkom wyjątkowy wygląd, ale również mogą przynosić pewne korzyści funkcjonalne. Badania koncentrowały się na porównawczej analizie efektywności stalowych hal o ramowych układach konstrukcyjnych z dachami krzywoliniowymi, które składają się z modułów paraboloidy hiperbolicznej (HP). Przy zastosowaniu programu Rhinoceros 3D i jego nakładek do generatywnego modelowania i analizy konstrukcji opracowano skrypt definiujący modele konstrukcji w sposób parametryczny. Wstępnie określono obciążenia konstrukcji i przeprowadzono symulacje, aby w ustalonym zakresie zmiennych parametrów wyznaczyć optymalne geometrie konstrukcji przy zminimalizowanej masie. Jako zmienne parametry zastosowano wysokości poszczególnych słupów, wysokości całkowite ram portalowych, szerokości ram, ich rozstaw oraz rozstaw siatki prętów kształtujących dach. Parametryczne modelowanie geometrii pozwoliło na wygenerowanie wielu wariantów konstrukcji hal jednonawowych z pięcioma układami ramowymi oraz dwoma rodzajami siatek prętów kształtujących moduły dachowe. W celu przeprowadzenia analizy porównawczej założono, że wymiary wszystkich hal w rzucie prostokątnym wynoszą 12 × 24 m, a maksymalna wysokość 8 m. Kolejnym krokiem była dokładna analiza statyczna konstrukcji o wygenerowanej geometrii w programie Autodesk Robot Structural Analysis Professional; optymalizacja ze względu na masę oraz wymiarowanie. Konstrukcje przebadano pod kątem możliwości zastosowania pokrycia z blachy, jak również możliwości zastosowania płaskich paneli, co wiązało się ze zmianą topologii siatki prętów dachowych. Wybrano optymalne warianty pod wzglądem efektywności i funkcjonalności. Przeprowadzone badania pokazały, że parametryczne kształtowanie hal stalowych może stanowić skuteczne narzędzie inżynierskie na wczesnym etapie projektowania. Natomiast wyniki przeprowadzonych analiz mogą stanowić pewne wytyczne do kształtowania hal z dachami złożonymi z modułów HP.Bibliografia
[1] PN-EN 1991 Eurocode 1: Actions on Structures. 2004.
[2] PN-EN 1993 Eurocode 3: Design of Steel Structures. 2006.
[3] M. Giżejowski, “On methods of modeling, analysis, and verification in the design of steel structures according to Eurocodes”, Engineering and Construction, vol. 68, no. 10, pp. 545-549, 2012 (in Polish).
[4] S. Kravanja and T. Žula, “Optimization of sustainable profit in the construction of hall structures”, in Proceedings of International Structural Engineering and Construction. Chicago, Illinois, USA, ISEC Press, vol. 10, no. 1, 2023, doi: 10.14455/ISEC.2023.10(1).STR-76.
[5] E. Jakupis and F. Ademi, “Analysis of construction elements of two-roomed hall in economical aspects (which is better and cheaper, concrete or steel)”, presented 18th International Symposium of the Macedonian Association of Structural Engineers (MASE 2019), Ohrid, North Macedonia, 2019.
[6] M. Górski, A. Kozłowski, W. Kubiszyn, D. Leń, Z. Pisarek, R. Szczerba, and L. Ślęczka, Steel Structures: Examples of Calculations According to PN-EN 1993-1. Part 3 – Halls and Sheds. Rzeszów University of Technology Press, 2015 (in Polish).
[7] Z. Pawlak, “Optimization of Large-Span Hall Structures”, Modern Halls, no. 1, pp. 26-28, 2011 (in Polish).
[8] A. Łukowicz and E. Urbańska-Galewska, “On the Possibilities of Steel Structure Optimization”, Modern Halls, no. 4, pp. 26-30, 2011 (in Polish).
[9] U. Ali, R. Azam, M. Shakeel, M. Adil, and M. Rizwan Riaz, “A practical tool for structural design optimization of steel frames: development and application for parametric analysis”, Innovative Infrastructure Solutions, vol. 9, no. 1, 2024, doi: 10.1007/s41062-023-01314-3.
[10] Z. Kiełbasa, A. Kozłowski, W. Kubiszyn, et al., Steel Structures. Examples of Calculations According to PN-EN 1993-1. Part One – Selected Elements and Connections. The Publishing House of the Rzeszów University of Technology, 2012 (in Polish).
[11] A. Wojnar and K. Sieńkowska, “Computer-Aided Design of Steel Halls – Wind Load Simulation”, Modern Halls, no. 4, pp. 23-28, 2018 (in Polish).
[12] P. Zabojszcza and U. Radoń, “Optimization of Steel Roof Framing Taking into Account the Random Nature of Design Parameters”, Materials, vol. 15, no. 14, art. no. 5017, 2022, doi: 10.3390/ma15145017.
[13] J. Rusek, L. Słowik, and L. Chomacki, “Design of Steel Halls in Mining Areas. Examples of the Impact of Deformational (ε and ĸ) and Dynamic Interactions on the Structure, Design of Steel Structures. Innovative and Modern Solutions in Construction”, in Metal Structures, Industrial Floors, Lightweight Cladding, Scaffolding. Scientific Publishing House of the University of Science and Technology in Bielsko-Biała, 2020 (in Polish).
[14] F. Tepes-Onea and N. Janczak, “Steel hall constructive solution beam with a full web, optimization of sections and joints”, IOP Conference Series Materials Science and Engineering, vol. 1283, no. 1, art. no. 012011, 2023, doi: 10.1088/1757-899X/1283/1/012011.
[15] M. Kociecki and H. Adeli , “Two-phase genetic algorithm for size optimization of free-form steel space-frame roof structures”, Journal of Constructional Steel Research, vol. 90, pp. 283-296, 2013, doi: 10.1016/j.jcsr.2013.07.027.
[16] L. Zhao, Y. Li, J. Cai, J. Yi, Q. Zhou, and J. Rong, “Integrated topology and size optimization for frame structures considering displacement, stress, and stability constraints”, Structural Multidisciplinary Optimization, vol. 67, art. no. 48, 2024, doi: 10.1007/s00158-024-03766-2.
[17] A. Manguri, H. Hassan, N. Saeed, and R. Jankowski, “Topology, Size, and Shape Optimization in Civil Engineering Structures: A Review”, CMES-Computer Modeling in Engineering and Sciences, vol. 142, no. 2, pp. 933-971, 2025, doi: 10.32604/cmes.2025.059249.
[18] S. Kravanja and T. Žula, “Optimization of steel and timber hall structures”, in Conference HPSM/OPTI/SUSI. Southampton, United Kingdom, 2022, pp. 35-46, doi: 10.2495/HPSU220041.
[19] P. Smela and M. Jurek, “Variant Analysis of the Main Transverse System of a Two-Nave Steel Hall for Sports Use”, Engineering and Construction, vol. 80, no. 1-2, pp. 45-52, 2024, doi: 10.5604/01.3001.0054.3542 (in Polish).
[20] M. Gryniewicz, “Method of Modeling Steel Hall Structures Covered with Trapezoidal Sheet Metal”, PhD thesis, Faculty of Civil Engineering and Environmental Sciences, Bialystok University of Technology, Białystok, 2018 (in Polish).
[21] M. Górski and W. Musiał, “Influence of Selected Parameters of Trapezoidal Sheet Metal Cladding on the Interaction with the Hall Structure”, Engineering and Construction, vol. 79, no. 9-10, pp. 469-474, 2023, doi: 10.5604/01.3001.0053.8869 (in Polish).
[22] M. Jakimowicz, “Metal-Glass Curtain Walls and Roof Coverings”, Builder, vol. 22, no. 5, pp. 60-62, 2018.
[23] M. Kosieradzka, E. Kozicka, J. Stępniewski, and I. Dmowska, “Metal-Glass Facades – Analysis of Selected Design and Execution Errors. Part 1”, Builder, vol. 243, no. 10, pp. 78-80, 2017 (in Polish).
[24] C. Bayram and E. Kose, “Structural and topology optimization of steel construction profiles in solar energy systems”, European Mechanical Science, vol. 7, no. 4, pp. 285-295, 2023, doi: 10.26701/ems.1388159 (in Polish).
[25] P. Lechwar, “Shaping modular rod structures of roof coverings based on the surface of a hyperbolic paraboloid”, Engineering and Construction, vol. 79, no. 1-2, pp. 60-64, 2023.
[26] S. Kravanja, T. Žula, and Z. Kravanja, “Single-story buildings under high loads”, in Proceedings of International Structural Engineering and Construction, Quito, Ecuador, March 4-8 2024. ISEC Press, 2024, doi: 10.14455/ISEC.2024.11(1).STR-01.
[27] M.S. Hayalioglu and S.O. Degertekin, “Minimum cost design of steel frames with semi – rigid connections and columns bases via genetic optimization”, Computers and Structures, vol. 83, no. 21-22, pp. 1849-1863, 2005, doi: 10.1016/j.compstruc.2005.02.009.
[28] L. Mei and Q. Wang, “Structural Optimization in Civil Engineering: A Literature Review”, Buildings, vol. 11, no. 2, 2021, doi: 10.3390/buildings11020066.
[29] F. Tahmasebinia, S. Jiang, S. Shirowzhan, L. Mann, and S. Sepasgozar, “Exploring the Integration of Architectural Design and Advanced Structural Analysis for Steel – Glass Structures: A Comparatice Study of Different Case Scenarios”, Buildings, vol. 13, no. 6, 2023, doi: 10.3390/buildings13061369.
[30] M. Styma, “Shaping of steel beams”, Journal of Civil Engineering, Environmental and Architectural Engineering, vol. 31, no. 61, pp. 203-221, 2014, doi: 10.7862/rb.2014.138 (in Polish).
[31] S. Sobczyk and L. Mikulski, Financed by the Minister of Science and Higher Education Republic of Poland within the program "Regional Excellence Initiative" “An alternative method for finding the solution for a steel portal frame”, Measurements Automation Control, vol. 60, no. 11, pp. 1060-1064, 2014 (in Polish).
[32] T. Krzyśpiak, Steel structures of halls. Warsaw: Arkady, 1976 (in Polish).
[33] L. Chodor and Ł. Malik, “Optimization of the load-bearing structure of a steel hall”, presented at Scientific- Technical Conference ZK2014 – Metal Structures, 2-4 Jul. 2014, Kielce-Suchedniów, Poland, 2014.
[34] Z. Pawlak, “Economic span of a steel hall nave”, Modern Halls, no. 1, pp. 16-18, 2008.
[35] K.C. Sarma and H. Adeli, “Cost optimization of steel structures”, Engineering Optimization, vol. 32, no. 6, pp. 777-802, 2000, doi: 10.1080/03052150008941321.
[36] J. Dzwierzynska, “Shaping of Spatial Steel Rod Structures Based on a Hyperbolic Paraboloid”, Archives of Civil Engineering, vol. 64, no. 4/II, pp. 309-320, 2018, doi: 10.2478/ace-2018-0076.
[37] J. Dzwierzynska and P. Lechwar, “Algorithmic-Aided Approach for the Design and Evaluation of Curvilinear Steel Bar Structures of Unit Roofs”, Materials, vol. 15, no. 10, art. no. 3656, 2022, doi: 10.3390/ma15103656.
[38] J. Dzwierzynska and P. Lechwar, “Comparative analysis of steel bar structures of solar canopies composed of hyperbolic paraboloid units using genetic algorithms”, Journal of Building Engineering, vol. 95, art. no.110225, 2024, doi: 10.1016/j.jobe.2024.110225.
[39] https://www.rhino3d.com/. [Accessed: 7. May 2025].
[40] J. Dzwierzynska and P. Lechwar, “Performance Assessment and Sustainable Applications of Steel Canopies with Saddle Modules”, Sustainability, vol. 16, no. 24, art. no. 10980, 2024, doi: 10.3390/su162410980.
[41] C. Preisinger, “Linking Structure and Parametric Geometry”, Architectural Design, vol. 83, no. 2 pp. 110-113, 2013, doi: 10.1002/ad.1564.
Pobrania
Opublikowane
Jak cytować
Numer
Dział
