Wir fragten Eszter Arendt, die Ungarische Gewinnerin des ConSteel Diplom-Contests 2020, eine Zusammenfassung ihrer Diplomarbeit im Consteel-Blog zu schreiben und wir stellten einige Fragen zu ihren Erfahrungen mit diesem Projekt.

Parametrische Berechnungen einer Freiform-Stahlskelettstruktur

In meiner Diplomarbeit habe ich die Dachstruktur der Eingangshalle des Hungexpo Budapest Messezentrum erneut entworfen und berechnet.

Das propellerartige Gebäude besitzt ca. 72,0m*67,0m Grundfläche. Die Fassade und das Dach des Gebäudes bestehen aus räumlichen stählernen Gitterstrukturen, die miteinander verbunden sind.

Das Dach wird an den Rändern durch die Fassaden und im Zetntrum durch einen Stahlbetonring gestützt. Die mittlere Glasstruktur und der Durchgang lagern auf dem Betonring und daher beeinflusst dieser Bereich nicht den Rest des Daches. Die Dachstruktur besitzt eine räumlich gekrümmte Oberfläche.

Wegen der Freiformstruktur benutzte ich die Software Grasshopper für den Entwurf, eine Software mit fundiertem mathematischen Background, mit der sich sehr einfach sogar noch viel komplexere geometrische Formen bilden lassen. Weiterhin besitzt Grasshopper den Vorteil parametrischer Entwürfe. Damit können schnell und effizient viele verschiedene Strukturentwürfe untersucht und vergleichen werden.

In meiner Arbeit untersuchte ich zwei Layout-Typen: rechteckige und dreieckige Balkenraster. Beide Systeme hatten 4-4 Subtypen mit unterschiedlichen Spannweiten. Ich entwarf die Subtypen nach den Aspekten Herstellung, Aufbau und Transport. Während des konzeptuellen Designs entwickelte und untersuchte ich 8 Layouts, um daraus die günstigste Lösung zu finden.

Für die baustatischen Berechnungen und Nachweise benutzte ich die Software Consteel, die mit Pangolin eine direkte Verbindung zu Grasshopper besitzt.Damit konnte ich das statische Modell komplett parametrisch erstellen, was zu schnellen Varianten führte.

Die in Grashopper erstellte Geometrie basiert auf räumlichen Kurven. Dagegen bieten baustatische Berechnungssoftware typischerweise weniger geometrische Optionen, sodass ich das Strukturmodell polygonartig verändert habe, damit es mit Consteel berechenbar ist.

Das Ziel des konzeptionellen Entwurf war die Erstellung von Modellen, die schnell und einfach berechnet und verglichen werden können. Daher beschränkte ich mich auf je eine maximale GZT- und GZG-Einwirkungskombination. Mit Hilfe des parametrischen Modells und Pangolin konnte ich Modelle derart erstellen, dass der einfache Wechsel von Parametern auch gleichzeitig meine Consteel-Modelle anpassten, sodass mehrfache Kombinationsoptionen in einfacher Weise analysiert werden konnten. Ich beobachtete bei den beiden geometriechen Grundfällen, dass offensichtlich die Querschnittstragfähigkeiten ausreichend waren, aber bei großen Spannweiten die Verformungen dominant wurden, sodass diese Strukuren hinsichtlich des Materialaufwandes nicht mehr wirtschaftlich waren.

Aus den Ergebnissen haben ich mittels einer Entscheidungsmatrix die günstigste Konstruktion ausgewählt.. Der große Vorteil von Entscheidungsmatrizen ist die eindeutige Vergleichbarkeit der verschiedenen Konstruktionen nach unterschiedlichen Aspekten. Die Evaluation war farbcodiert. Die Kriterien der Entscheidungsmatrix waren wie folgt:

Statik

• maximale Ausnutzung
• Verformungen
• kritischer Lastfaktor zum Stabilitätsversagen

Mengen

• Gewicht
• Anzahl Träger und Anschlüsse
• Gesamtlänge

Herstellung und Montage

• Herstellbarkeit und Montageeignung der Anschlüsse
• Transport
• Baueinheiten
• Bedachung

Architektur

• Ästhetik

Ich codierte die verschienden Kriterien farblich

• grün – gut, einfach, ideal
• orange – befriedigend, komplex, akzeptabel
• rot – unzureichend, kompliziert, problematisch

Die rechteckige Struktur erwies sich als die Beste, sodass ich dsmit anschließend weitere detailliertere Berechnungen durchtführte.

Bei der detaillierten Berechnung berücksichtigte ich mehr Einwirkungskombinationen und präzisere Einwirkungspositionierungen. Die meisten Einwirkungen waren Flächenlasten auf der Dachfläche, wobei der Wind unterschiedliche Stärken auf verschiedenen Zonen hatte. Auch hier zeigte das parametrische Modell aufgrund der Freiformfläche seine Vorteile. Ich setzte den Wind aus 6 verschiedenen Richtungen an und definierte die Windzonen parametrisch, sodass ein nWechsel der Windrichtung gleichzeitig auch die Windzone veränderte. Daher brauchte ich keine unterschidlichen Lasten auf die Lastverteilungsflächen platzieren.

Ich beschäftigte mich auch mit der Konfiguration und Berechnung der Anschlüsse, die ich per Hand und mit csJoint berechnete. Fürm ich war es sehr eindrucksvoll zu sehen wie sehr die Anschlüsse das Tragverhalten der Hauptstruktur beeinflussten. Bereits bei der konzeptionellen Studie zeigte die Wahl der Träger und deren Stabendsteifigkeiten,dass die realen Anschlüsse auch dem Modell entsprechende Steifigkeiten aufweisen müssen.

Insgesamt lernte ich viel über die Prozesse der Tragwerksplanung und eines parametrischen Entwurf. Meines Erachtens wird zukünftig das parametrische Design wesentlich mehr Beachtung finden, sodass es heute schon wichtig ist, sich damit auseinander zu setzen.

Wir stellten der Autorin, Eszter Arendt, einige Fragen zu Ihren während der Diplomarbeit gewonnenen Erfahrungen.

Interview

Consteel: Zunächst unsere Gratulation zu ihrem Diplom und dem gewinn des Ungarischen Consteel Diplom-Contests! Und warum entschieden sie sich zu diesem Diplomthema?

Eszter: Ich wurde mit dem parametrischen Strukturentwurf während der Vorlesung eines Gastprofessors bekannt und bereits dort habe ich mich dafür sehr interessiert. Glücklicherweise hatte die bim.GROUP bereits ein Projekt mit parametrischer Tragwerksplanung, an dem ich mich beteilgen konnte. So entstand mein Diplomthema fast zwangsläufig über die Hungexpo Eingangshalle.Ich kam zu dem Projekteam etwa zur Halbzeit und arbeitete bis zum Ende mit.

Consteel: Was war ihre Aufgabe im Projekt?

Eszter: Ich arbeitete meistens an den sekundären Strukturen. Die Verkleidung wurde durch  speziell geformte gebogene Profile gestützt, die überall der äußeren Form des Gebäudes folgten. Ich war für deren Statik und Nachweise zuständig. Ich unterstützte auch die Anschlussberechnungen und das Design des Glasdoms auf dem Dach.

Consteel: Wie kann ein Student sich vorstellen, an einem derartigen Projekt mit zu arbeiten?

Eszter: Das war mit Sicherheit eine große Herausforderung. Ich denke,  dass ich  als junger Ingenieur sehr viel bei dem Projekt gelernt habe,insbesondere weil es sehr komplex war.

Consteel: Was hat ihnen bei dem Projekt besonders gefallen?

Eszter: Es war ein besonderes, vielleicht einzigartiges Projekt. Daher gab es keine Langeweile und ich hatte Spaß am gesamten parametrischen Design.

Consteel: Was war ihre größte Herausforderung bei ihrer Verantwortung oder bei dem Projekt selbst?

Eszter: Die Zeit. Die Bauindustrie arbeit unter Zeitdruck und oft mit sehr engen Terminen und Fristen. Es ist schwierig, vollständig eingenständig einen sehr gute Job zu finden. Besondern für einen jungen, unerfahrenen Ingenieur, da wir keine jahrelange Erfahrung haben und jede neue Aufgabe uns Erfahrung lehrt.

Consteel: Welche Consteel-Funktion benutzten sie am häufigsten? Welcher Teil half bei ihrer Arbeit am besten?

Eszter: Ich führte alle wichtigen baustatischen Berechnungen mit Consteel durch. Schon bei der konzeptionellen Planungsphase war es sehr hilfreich, die Ergebnisse unterschiedlicher Modelle vergleichen zu können. Besondrers gut fand ich, dass die Anschlussbeanpruchungen  einfach und transparent aus der Hauptstatik zur Verfügung standen. Für die Knotenberechnungen stand mir csJoint zur Verfügung.

Eszter: Ich denke da an mehrere Vorteile, aer ich möchte drei Punkte hervorheben:

• keine Notwendigkeit zur manuellen Platzierung von Lasten
• Veränderungen können einfach und schnell verfolgt werden
• viele Varianten können berechnet werden, was für konzeptionellen Studien sehr geeignet ist

Ich weiss nicht, wie ich den Transfer ohnePangolin gelöst hätte, vielleicht ein Transfer mit Linienmodellen, aber trotzdem hätte ich das Strukturmodell Stück für Stück aufbauen müssen. Meines Erachtens ist Pangolin essentiell für Freiformstrukturen, aber kann also sehr hilfreich für einfachere Aufgaben sein.

Projektfakten

Eszter Arendt’s Msc Diplomthesis

Betreuer:

Márton István Juhász – bim.GROUP Kft. Nauzika Kovács PhD – Budapest University of Technology and Economics (BUTE), Fachbereich Bauingenieurwesen

Einleitung

Die Themensammlung und die Entwicklung der Neuerungen benötigen etwa ein Jahr. Diese Neuentwicklungen betreffen im Wesentlichen unser Hauptprodukt Consteel. Dieses Mal aber umfassen sie einen wesentlich weiteren Funktionsbereich als neue Funktionen in ConSteel. Im letzten Jahr haben wir eine komplette Neugestaltung des Webauftrittes durchgeführt, um als Zentrum diverser Kundendienste wie z.B. Lizensierung, Erlernung, Support, Nutzergemeinschaft zu dienen. Auch Steelspace, unsere cloud-basierte Plattform, wurde eingeführt. Alle diese Entwicklungen dienen Ihrem gesamten Workflow und einer intensiveren und erfolgreicheren Beziehung zwischen Ihnen und uns. Wir möchten ein wirkungsvoller Beitrag zu Ihrer Arbeit mit unseren Effizienz-steigernden modernen Technologien sein. Wir hoffen und wünschen, dass Sie unsere Visionen, Strategien und geplannten Entwicklungsrichtungen erkennen (und hoffentlich auch nutzen wollen) und möchten, dass Sie unsere Entwicklungsziele verstehen. Im Folgenden fassen wir eine Reihe unserer neuen Entwicklungen zusammen.

Steigerung Ihrer Effizienz

Ziel: Nutzung aller zusätzlichen Dienste für Ihre Arbeit an einem Platz

Wir denken, dass der Zugriff auf unsere Kernkompetenzen Sie beträchtlich bei Ihrer Arbeit unterstützt. Daher bieten wir Ihnen einen neuen Platz, der Ihnen einfachen Zugang zu unseren Kentnissen und Erfahrungen der Strukturanalyse, standartisierten Nachweismethoden und den aktuellen modernen Technologien der Stahlbauindustrie ermöglicht: das ist unser neues Service Center. Es umfasst unser erweitertes Benutzerhandbuch in neuer Online-Gestalt mit einer einfachen Navigation zwischen unterschiedlichen Themen. In der Wissensdatenbank sammeln wir alle Lernmaterialien und Modelle mit unterschiedlichen Typen und Anspruchslevels, um Ihr Verständnis für einen effektiven Planungs-Workflow  mit Consteel zu fördern. In der Script-Bibliothek zeigen wir verschiedene vorgefertigte Script-Beispiele zur direkten Nutzung in Consteel und zeigen gute Anwendungen der Script-Interfaces.

Bleiben Sie mit uns Up-to-Date

Ziel: eine bessere Kommunikation mit Ihnen entwickeln

Wir möchten die Verbindung und Kommunikation zwischen Ihnen und uns verbessern. Es sollen Sie alle für Sie relevanten Informationen frühzeitig erreichen, seien es neue Inhalte in unserer brandneuen Wissensdatenbank, Update-Infos zur Software oder ein kommendes Ereignis. Ab sofort können wir Sie nicht nur mittels Newsletter oder Webseite sondern auch direkt mittels eines offenen Dialogs in der Consteel-Software Updates mitteilen und Sie haben einfachen Zugriff zur Webseite, der Wissensdatenbank oder dem Blog für mehr Informationen. Dieser Informationskanal wird sogar personalisiert sein, um Sie nicht mit uninteressanten Themen zu belästigen, sondern Ihnen möglichst relevante und topfrische Informationen zu liefern.

Kontrolle Ihrer Lizenz

Ziel: Bereitstellung eines transparenten und flexiblen Lizenzierungssystems in Ihrer Hand

Es gibt verschiedene Kundenwünsche von unterschiedlichen Unternehmenstypen für die Lizensierung wie Einplatz- und Mehrmehrplatzanforderungen, Dongle- oder Onlineschutz sowie unbegrenzt oder zeitlich limitiert. Dahwer entwicklen wir ein flexibles Lizenzierungssystem für alle Erfordernisse und legen die Kontrolle in Ihre Hand. Sie können Ihren aktuellen Lizenzstatus entweder direkt in ConSteel oder in Ihrem persönlichen Komto auf unserer Webseite überprüfen und ggfs. einfach verändern. Mit diesem neuen Tool werden zukünftig auch weitere Lizenzoptionen für periodische Abonnements zur Verfügung stehen. Letztlich können Sie die für Sie am besten geeignete Lizenzierungsform wählen.

Online gehen

Ziel: nutzen Sie unsere zusätzlichen Cloud-Dienste

Cloud-Lösungen eröffen  neue Dimensionen bei verschiedenen Diesten. Wir möchten, dass Sie sich auch außerhalb Ihres Computer aufhalten. Als ersten Schritt  bieten wir das Hochladen und speichern Ihrer Modelle und Berechnungsergebnisse in der Cloud in Ihrem persönlichen Steelspace-Konto. Mit den neuen Cloud-sichern und Cloud-öffen Möglichkeiten benötigen Sie nicht einmal einen Webbrowser, sondern benutzen die Funktionen wie normales Speichern auf Ihren lokalen Speichermedien. Ihre in der Cloud  gespeicherten Modelle werden anwachsen und Sie können sie direkt aus Consteel öffen, ansehen und benutzen/bearbeiten. Weiterhin gibt es in Steelspace, Ihrer Cloud-Service Plattform, Möglichkeiten zum Speichern, Austauschen  und Kommentieren der Modelle und Berechnungsergebnisse. Natürlich werden Ihnen auch auch zukünftige Entwicklungen bei Steelspace zur Verfügung stehen.

Einfache Scriptsprache

Ziel: Förderung und Unterstützung zur Script-Erstellung als moderner Weg einer effizienten Modellierung und Berechnung sowie Optimierung Ihrer Strukturmodelle

Scripting ist ein mächtiges Tool in Ihrer Hand zur Erstellung, Nutzung und flexiblen Manipulation Ihrer Strukturmodelle und deren Berechnungen. Wir wissen, dass Programmierung nicht immer einfach oder zugänglich für Bauwerksplaner ist, sodass es uns wichtig ist, Ihnen die Stärken der Nutzung unserer Script-Sprache näher zu bringen. Die Consteel-Programmierinterfaces unmfassen mehrere Scripting-Optionen: visuelles Scripting innerhalb der Grasshopper-Entwicklungsumgebung mittels dem von uns entwickelten und kostenfreinem Pangolin-Plugins, internes Scripting mit unserer eigenen in ConSteel integrierten Scriptsprache und externes Scripting durch unser neues .NET API. Die Wahlmöglichkeiten beanspruchen unterschiedliche Levels vpn Programmierfähigkeiten und Sie können herausfinden, welches am Besten zu Ihnen passt. Zustzlich stellt das neue Service-Center eine Script-Bibliothek mit einer Sammlung nützlicher und direkt anwendbarer Script-Beispiele mit unterschiedlicher Komplexität und dieversen Aufgabenstellung zur Verfügung. Der einfache Zugriff auf unsere Scripte und deren Nutzung- entweder auf Ihrem lokalen Rechner oder in der Cloud – wird durch die neue MeineScript Umgebung unterstützt.

Informative Visualisierung

Ziel: Bereitstellung einer grafischen Benutzerumgebung mit anspruchsvollem Informationstransfer

Modell- und Ergebnisvisualisierungen sind für eine qualifizierte Projektplanung essentiell. Gute grafische Darstellungen unterstützen und beschleunigen ein besseres Verständnis und die korrekte Interpretation jedes Datenmodells im Vergleich zu Texten und Tabellen. Das schnelle und korrekte Verständnis führt eindeutig zu effektiverem Arbeiten. Daher stellen wir neue nützliche Optionen der Visualisierung der Strukturmodelle und deren Berechnungsergebnisse zur Verfügung. In der Modellierungsphase steht eine Option zur Verfügung, die farblich die Querschnittstypen unterscheidet. Weitere nuee  Ergebnis-Visualisierungen werden für die globale Modellansichten und bei den Querschnittsdarstellungen zur Verfügung stehen.

Superbalken

Ziel: eine neuartige und einzigartige Modellierung von Balken mit zusätzlicher Detailierung und dualen Berechnungsoptionen

Erneut ist uns ein großer Schritt vorwärts bei der Strukturmodellierung und -berechnung gelungen. Stählerne Träger und Stützen sind die am meisten benutzten Strukturobjekte der Bauwerksplanung und diese können sehr verschiedene(s) Formen, Details und Trag- und Anschlussverhalten aufweisen und unterschiedlichee Nachweisformate verlangen. Das neue Konzept des Superbalkens ermöglicht jetzt eine einfache und schnelle Erstellung dieser zusätzlich mit  adaptiven Detailfeatures (Löcher, Steifen, etc.) versehenen Objekte. Die Berechnung kann anschließend mit zwei konsistent generierten Berechnungsmodellenerfolgen. Die FE-Balkenmodellierung benutzte die bekannte Biegewölbkrattheorie und zugehörige Nachweisformate mit einigen neuen Detailierungsoptions beim Strukturverhalten. Die zweite Option besteht in einer FE-Schalenmodellierung für die konsistent an die Balkenelemente angeschlossenen Balkenabschnitte. Die FE-Schalenmodellierung kann zusätzliche Löcher und Steifen berücksichtigen. Sie können leicht zwischen den beiden Berechnungsoptionen wechseln, da der gesamte Ablauf voll adaptiv ist. Sie modellieren einfache Balken und berechnen das konsistente Balken- oder Schalenmodell.

Last week, on the 4th and 5th of February we held our usual yearly meeting with our resellers. It was the 10th time the Consteel Distributors got together – except this was the first time it happened online.

Usually, the distributors visit the Consteel office in Budapest on the annual distributor meetings. But this year there are no journey experiences to share, snacking on the sweet treats that a kind partner usually brings from his homeland for the team, no handshakes or getting together at all. Instead, everyone logged in from their offices, or their own homes to join the meeting. Distributors from Germany, Greece, Poland, Romania and Spain joined us to share sales experiences from 2020 and share and find out more about the plans for Consteel developments in 2021.

On the first morning, each distributor gave a presentation, summarizing last year’s events in a nutshell, and sharing their experiences in 2020 in terms of sales. We could also learn about each other’s experiences of the pandemic, in terms of business. We all had one thing in common: we had almost the same events and circumstances, for shorter or longer periods, such as social distancing, lockdowns, working from home and wearing masks everywhere. After our lunch break, we played a little online game, where everybody could show off their drawing skills on their desktop with a mouse.

The highlight of the day was the announcement of the Consteel Distributor of the Year 2020. The winner of the award this time was Strenco, our distributor in Poland. We warmly congratulate to the winner, Mr Adam Machowiak, for his great work and efforts in 2020, and wish him just as great success in the upcoming year. Sadly, we could not hand him his prize in person, so we had to do a little trick to deliver the winner his trophy. Here you can see a short video of how our „ceremony“ turned out.

Our next program was a sales and marketing afternoon when we discussed some new ideas and plans for our sales activities for this new year. The following session was the introduction and preparation for the next morning’s workshop.
Friday started with the workshop: each participant had to use all their creativity. The partners could all share their opinions and brainstorm a bit about future sales possibilities.

This day could not pass without some fun after lunch either – even though we could not have our usual team building this year some more colleagues could play with us from the partner offices, which was nice. Next, it was time to introduce the new developments of Consteel 15 – which we cannot tell more about just yet, but we can assure you that we are looking ahead an exceptional year.

After a short discussion about our communications, came our last event of the distributor meeting: the traditional „Meet the Team“ session. The distributor team and the Consteel team turned on their cameras and waved our „Hello“ -s to each other

Our 10th Consteel Distributor Meeting turned out just as great as any other. However, we hope that next year we can greet each other face to face again.

The Hungexpo Budapest Fair is going through a massive revitalization. This project includes the new Arrival Hall Building, an attractive propeller-shaped building. A building with such geometric complexity requires advanced design methods and multi-platform collaboration. In this article, we aim to give an insight into the open BIM environment and parametric design methods used in the design process. 

BIM Design Ltd. had various design tasks on the revitalization projects, this article will focus only on the steel design roles of Arrival Hall Building, fabrication and construction optimization, detail and erection design of the steel structure. 

The design workflow is centred Rhino/Grasshopper, the centerline geometry is controlled here. This allows wireframe identical conceptual, structural calculations and shop detailing models. The Consteel is used for design and it is connected to Grasshopper with real-time plugins, the models are generated via visual scripting. All changes in the centerline geometry can be executed to all the models by re-running the scripts. This allows fast, detailed and multi-concept investigations through which we can improve the structure. 

GEOMETRIC COMPLEXITY 

The building envelope is 120° rotationally symmetric, on top view forming 3 identical wings, resulting in a shape of a propeller. The roof surface is laid on a perfect sphere. This sphere has a circular hole in the centre and cut around with a propeller shape perimeter in the outside. The main facade is built up of 3 undulating stripes with distinct edges. These edges are horizontal on the lower levels and spatial on the roof edge, but all are ordinary curves with constantly changing curvature. 

The structure can be divided into 3 parts: the facade structure, the roof structure and the secondary wall purlins. The facade is a multi-level steel truss with roughly 4-5 m wide triangle units. All steel elements are circular hollow sections. The horizontal elements follow the facade surface curvature, the inclined columns (diagonals) are straight. The roof is made of radial and circumferential elements with diagonal bracing. The radial elements are curved among the sphere surface, the circumferential elements in-between are straight beams. The wall purlins stand in a defined vertical plane harmonized with the external cladding layout. 

The building’s inner core, the concrete substructure does not keep the rotational symmetry, all 3 wings of the propeller show a different geometry. The load-bearing hierarchy is mixed, in some parts the steel structure supports the perimeter of concrete slabs while in other parts the concrete core supports the steel structure. 

A spatial and complex building without proper control of geometry is unlikely to result in identical assemblies. Standardization is a key element in the entire construction process, it’s beneficial to reduce the number of unique assemblies. Data transfer from one software to another, the orientation of elements, local coordinate systems, varying geometric precision setups all add to this inaccuracy. 

The building’s peculiarity, the 120° rotationally symmetry stays true for most of the steel structure. This property if used properly can reduce the number of unique assemblies to a third. As a base step, the received centerline geometry was corrected to fulfil this property, resulting in perfectly rotationally symmetric geometry to the fraction of a µm. 

SEGMENTATION & STANDARDISATION

All construction elements must be divided into some size to deliver it to the construction site.  The facade’s main unit size of the structure is a 4 m triangle, unluckily, it is not the most suitable for well-utilized standard road delivery. Three different segmentation strategy has been investigated using parametric grouping of elements. These concepts cover solutions from the smallest assemblies (joints and beams) to 5 m by 20 m curved spatial trusses. All 3 concepts have been analyzed in collaboration with the contracted manufacturer and the erector, as a result, a mixture of joints and beams, and smaller trusses were selected for detail design with trusses of maximum 2m in height at the entrances.

The roof structure has been investigated in the same way, but as a result, all elements were reduced to beams, without forming any trusses. 

These parametric investigations require moderate design effort at an early stage of the project but influence significant costs and time in procurement, fabrication, fabrication logistics, delivery, site requirements, lifting and so on. These questions can be better understood and decided through with the aid of these concept models. 

Given the delivery segmentation, another crucial task was to rationalize the ordinary curved girders while maintaining the structure visually appealing. The curves have been divided into straight and planar arc segments. Arced segments are cut perpendicular to the centerline, the resulting angle difference is always cut on the straight segments. This improves the geometric accuracy of manufacturing. 

The constructor required to reduce welding on site to a minimum, therefore bolted joints were selected for most of the site connections. The bolted connections were standardized for every cross-section, to allow continuous pre-production of identical parts on the manufacturers assembling and welding robot. As a result, more than 2000 of connection sub-assemblies were manufactured with only 7 distinct splice types.

The roof structures standardization originates in the spherical roof geometry, the upper half of the radial beams, circumferential beams on a given circle are identical because centerline geometry is identical, the only condition was to keep these elements’ connection parts identical. 

STRUCTURAL CALCULATION & JOINT DESIGN 

After the model was segmented to fabrication assemblies, the curved elements were rationalized to actual production parts, the next step was to check structural behaviour and section sizes. For this Consteel software was used linked to Grasshopper via the Pangolin plugin. The interface allows a real-time link between the Grasshopper script and the Consteel structural model. Receiving data back from calculation results is in development right now, however, previously created Consteel models can already be referenced in the Grasshopper script. The interface can generate almost all available Consteel objects: geometry, materials, cross-sections, structural elements, supports, loads, load groups. 

The components can project the FE model in Rhino viewport similarly as it appears in Consteel, which gives constant feedback of the Grasshopper script writing. The script generates the Consteel model, the structural calculations run inside Consteel with all functionality. 

The wind coefficients of the structure were not self-evident since physical wind tunnel test was not available, and the standard does not define coefficients for such shape. As a result for the wall the coefficients we defined to be windward, leeward or sideward zones depending on the angle of the load panel’s normal vector and the wind vector. We divided the angle range two 4 equal segments. The calculated angle is between 315°-45° for the windward zone, 45°-135° and 225°-315° for side walls zone, 135°-225° for the leeward zone. The roof was considered as a double pitched roof, with intense zones on the roof edges. We investigated different 12 wind directions, 30° angles from each other, but later reduced it to 6 major wind directions which are somewhat parallel or perpendicular to the majority of the facade. 

The structural analysis and standard checks are automatically performed in Consteel for the strength, stability, seismic and serviceability limit states using directly the model received from Pangolin, which resulted in a very efficient structural design workflow. All the structural elements were exported to Consteel including the steel and the concrete parts with all supports and loads, the analysis considered the complete model and the design checks considered only the steel members. 

The unique analysis and cross-section models of Consteel allows the automatic calculation and check of all possible internal forces and moments, including the out-of-plane bending and torsion which caused considerable bending and warping stresses along the peripheric beams of the internal circle. 

The buckling check of the members for any possible buckling mode was performed by the fully automatic unique method of Consteel based on the “General method” of 6.3.4 in EN1993-1-1 and the refined global linear buckling analysis. In this methodology, the proper member slenderness values are automatically determined by a special buckling sensitivity analysis which selects the critical members for all the relevant buckling modes. 

Joint calculations have been performed in IDEA StatiCa. Similar joints were grouped and named systematically already in Grasshopper. These attributes were used for filtering governing forces and geometric extremities for each joint type. The software is linked both to Consteel and Tekla Structures, the interface transfers all necessary geometric, material, and loading data required for the joint design. 

3D MODELLING & DETAILING 

For steel shop detailing Tekla Structures 2019 was used. Tekla Structures is as well linked to Grasshopper, via the Tekla Live Link plugin. As of today, complete Tekla models can be generated via scripting, including all necessary fabrication attributes: sections, materially, welds, weld preparation, bolts, fabrication phase grouping etc. In our case, the Tekla model was approximately 95% generated via Grasshopper script.  

This method allowed deep and iterative investigations to achieve fabrication cost efficiency and best geometric accuracy with moderate extra time and costs in design. 

After the final Tekla model generation, 2d drawings and necessary fabrication documentation were prepared inside Tekla. 

FABRICATION & ERECTION CONTROL 

Fabrication accuracy was a key element. In an early-stage test bending of pipes and “I” beams were performed to assess the accuracy of bent elements. It did not result in bigger discrepancy than the fabrication inaccuracy of the cross-section. String height discrepancy is under ±5 mm, length tolerance is within the normal straight element limits. 

As the segmentation and detail design progressed prototype assemblies were also manufactured to investigate the accuracy of assembling. One of each major assembly types were manufactured and measured with 3d geodesic methods. The measured data was aligned on the design model with the best fit, at the connecting parts the discrepancies were calculated. In the end, the manufacturer decided to use this method not just for checking, but also to adjust assemblies prior to final welding.  

The erector has performed a trial assembly of a bigger part of the facade to prove assembling compatibility. The strongest curved part of the facade was selected and assembled in a horizontal position. The structure was measured afterwards, the trial assembly showed no alerting inaccuracy. 

The manufacturers’ assembly measurement values were systemized and referenced back to Grasshopper, which allowed pre-evaluation of each unique coherent joints. This data was visualized in 3d on the Tekla BIM model, which is used for predetermination of fitting plates during assembling. 

Currently, the site assembly of the steel structure is in progress. It’s planned to perform a full 3d site scan of the assembled steel structure. This measurement data will be used to adjust the secondary purlin system to all manufacturing and erection inaccuracies. Uniquely manufactured cantilevers will be welded on site which will support the cladding system. 

PROJECT FACTS 

Architect: Finta és Társai Építész Stúdió Ltd. 

Structural Designer: Hydrastat Ltd. 

Steel Detail Designer: BIM Design Ltd. 

Steel Manufacturer: KÉSZ Ipari Gyártó Ltd. 

Steel Erector: KÉSZ Metaltech Ltd. 

Steel design team: 1 full time lead structural engineer, 2 part-time graduate engineers, 1 full-time modeller, 9 months. 2700m2, 750 tons of steel, 2000 pcs of joints on the facade, 800 pcs wall purlins.