optimizing the design process for frp shell structures

20
OPTIMIZING THE DESIGN PROCESS FOR FRP SHELL STRUCTURES P2 Research framework ABSTRACT FRP materials can greatly benefit the built environment. With FRP more complex designs are possible and larger structures and spans can be realised. However to fully benefit from the advantages of FRP in shell structures a new design process is needed, that is adapted to get the full potential out of FRP shell structures Kirolos Abdalla 4023722 Main mentor: Joris Smits Second mentor: Arie Bergsma External Examinator: Olindo Caso Date: 26/06/2015

Upload: others

Post on 07-Jan-2022

5 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: OPTIMIZING THE DESIGN PROCESS FOR FRP SHELL STRUCTURES

   

 

OPTIMIZING THE DESIGN PROCESS FOR 

FRP SHELL STRUCTURESP2 Research framework 

ABSTRACT FRP materials can greatly benefit the built 

environment. With FRP more complex designs are 

possible and larger structures and spans can be 

realised. However to fully benefit from the 

advantages of FRP in shell structures a new design 

process is needed, that is adapted to get the full 

potential out of FRP shell structures 

Kirolos Abdalla ‐ 4023722       

   

 

Main mentor:     Joris Smits 

Second mentor:   Arie Bergsma 

External Examinator:   Olindo Caso 

Date:      26/06/2015 

Page 2: OPTIMIZING THE DESIGN PROCESS FOR FRP SHELL STRUCTURES

1  

Contents  

1 1.1  The Fibres        3 1.2  The Polymer        3 1.3  The Composite Material    4 

 2 

2.1  Shaping process      5 2.2  Case study        6 

 3 

3.1  Problem statement      7 3.2  Objective        7 3.3  Research question      9 3.4  Scope          10 

 4 

4.1  Methodology        11 4.2  Architectonic shape      12 4.3  Geometrical design and optimization  13 

 5 

5.1  Time planning        16  

   

Page 3: OPTIMIZING THE DESIGN PROCESS FOR FRP SHELL STRUCTURES

2  

Introduction The Industrial revolution started a chain reaction in the building environment. This was made 

possible by the use of new materials and the implementation of conventional materials in innovative 

ways. By using steel in a constructive matter and glass, buildings became taller and more elegant 

through their transparency.  

However since the industrial revolution only little has changed in the usage of building materials. 

Materials have been improved and by this taken to their very limit, but little new materials have 

been introduced that had a large impact on our recent building methods. Especially in the 

constructive part of buildings. This very strange if compared to other fields in engineering. In most 

fields of engineering, materials are one of the main subjects that keep being developed to meet the 

design requirements. In architecture a lot of design are restricted to the limitations of the used 

materials. Of course the design assignments of architecture are on a much larger scale than designs 

in the automotive industry and budget is a very serious restriction in the architectural field, but new 

materials can help develop architectural designs. 

One of those materials are fibre reinforced materials. Fibre reinforced materials are composite 

materials, meaning they are made of two or more materials. In this case they are fibres, that 

reinforce a polymer. This result in a very light and strong material, that can be shaped to meet the 

design requirements. The automotive industry already uses this material due to the fact that is very 

strong, light and all shapes are possible. One of the first cars that was produced in this way, was the 

hemp car from Henry Ford, that did not get dented when hit on by a hammer. Until now FRP 

materials are not widely used in the building environment. Small application in building envelopes, 

window frames and supplying extra strength in steel beams are already being used. However very 

little constructive elements are built in FRP. This report will first focus on what FRP materials are and 

what their advantages are. Then it gives a problem statement on why FRP materials are still not 

being used in the building environment. Eventually this will result in a research question, what the 

starting point of the graduation design will be. 

 

 

  

  

 

Page 4: OPTIMIZING THE DESIGN PROCESS FOR FRP SHELL STRUCTURES

3  

1.1 The Fibres Because FRP’s are a composite material they exist out of multiple components. This results in a large 

variety of different sorts of FRP materials, with different properties. The fibres are divided in 4 groups 

according to the source of their base material(Knippers, 2011). These are natural fibres, organic 

fibres, inorganic fibres and metal fibres. Except for the natural fibres, they all have to go through a 

melting and stretching process to be created. Because of this process that aligns the structure of the 

material lengthwise, the fibres become much stronger and flexible than their original form(Gardiner, 

2009). After being stretched the fibres are bundled, which is called a roving and twisted together to 

create a yarn. This yarn is measured in kilo. 1 [k] = 1000 fibres. This is important to measure the 

strength of the eventual FRP. Metal fibres will be excluded because they are not fit to make FRP 

materials. Their surface is to smooth for the polymer to create a good connection. 

 

Constructors give their preference to fibres that have a minimal elongation(Knippers, 2011), or a high 

young’s modulus. The tensile strength is also of importance in these fibres when it comes to creating 

constructive components. When looking to the different fibres it shows that natural fibres have to be 

excluded too, because of their very low young’s modulus they are not suited to create constructive 

elements in buildings. This leaves us with two groups of fibres. However cost is a very important 

limitation in building components. Aramid fibres for example have very good qualities to be used in 

constructive components, but are very expensive. When comparing all the fibres together the most 

effective fibre to use is the E‐Glass type fibre("CES Edupack 2014," 2014), made out of alumino‐

borosilicate glass. Carbon fibre is expensive compared to e‐glass, but can be added to the parts 

where extra strength is needed. 

In conclusion the main disadvantages of the fibres are their cost in comparison to other conventional 

materials. Also the fibres are very strong, but only in their length direction. This means that the fibres 

should be supported at their ends. 

1.2 The Polymer Equally important as the fibre, the polymer or matrix that forms the composite. In order to fully 

understand the working of this composite material, the forming of the polymer needs to be 

explained. Polymers in most cases synthetic materials that can be divided in to three 

groups(Knippers, 2011). These groups are the thermosets, elastomers and thermoplastics. All three 

groups have specific properties and usage, but sometimes properties can be shared. The most 

common definition of these 3 groups are: 

Thermoplastics 

No cross connection in the material 

Low melting point 

Melts when heated, so recycling is possible 

Mostly used for packaging materials 

 

Image 1: Different fibres (L to R) glass, metal, aramid and hemp 

Image 2: Thermoplastics 

Page 5: OPTIMIZING THE DESIGN PROCESS FOR FRP SHELL STRUCTURES

4  

Elastomers 

Do have cross connections 

Not recyclable 

Very elastic, not suited for constructive elements 

Mostly used to divide loads (Car tires, levellers) 

Thermosets 

Lot of cross connections 

Not recyclable 

Stronger and more rigid than other types 

Buns when heated 

Because attachment to the fibre is of great importance in FRP’s(Mallick, 2007) the polymer should 

have a lot of cross connections. This means that thermosets are the best option when creating FRP’s. 

This means also however that the building component is not recyclable. Mixtures of polymers do 

exist to create materials with different properties, also additives could be mixed with the polymers to 

adjust them according to the design specification. These could result in the following 

properties(Knippers, 2011): 

Cost reduction 

Colourings (Have a large impact on heat storage and reflectivity of the material) 

Increasing the durability 

Reduce brittleness 

Fire retardants 

Improving outer surface for coatings 

Thermosets are therefore the choice to create FRP’s, because of their many cross connections, strong 

properties and the ability to shape them to meet the design requirements. 

Of course using thermosets comes with a few disadvantages. The main disadvantage of the polymer 

is its inability to be recycled. Some recycling is possible(Koo Young & Seung Hee, 2012) but is still 

difficult.  

1.3 Composite material Concluded that the most suitable material to create FRP’s are glass fibres and a thermoset. By using 

the CES edupack program a selection of different polymers and fibres can be made. Here it shows 

that the best solution to use FRP’s in buildings is a combination between the E‐glass fibre and 

unsaturated polyester resin. This composite is one of the cheapest FRP’s, but still maintains a high 

young’s modulus and is very well to shape. 

The positioning of the fibres in this material determine in which way the loads could be carried. 

Fibres can be placed in both directions, but this will result in a loss of strength (Mallick, 2007). 

Therefor the positioning of the fibres should be done according to the different loads that will work 

on the design. 

Image 3: Elastomers 

Image 4: Thermosets 

Page 6: OPTIMIZING THE DESIGN PROCESS FOR FRP SHELL STRUCTURES

5  

2.1 Shaping process Another important aspect for producing FRP components is the shaping process itself. The chosen 

process has a large impact on many different factors that determine how the finished product will 

look like. A few important factors are: 

Production cost 

Freedom of shape 

Design limitation (Thickness, connections, symmetries etc.) 

Margins (Margins for connections) 

The production process should therefore be chosen according to the design specifications (Wu & 

Burgueño, 2006). In some cases the design needs to be changed to the limitations of the design 

process. Most methods in designing FRP components are based on moulds, where the fibres are 

placed and the polymer is either poured or sprayed on. This can be done by hand or by machine, for 

example vacuum devices that ensure a good distribution of the polymer. The eventual designed 

shape determines here the chosen production process. It is clear however that the use of moulds is 

very important in shaping FRP components. It is also clear that more moulds equal an more 

expensive structure. It is interesting  to research in this stage if the design shape can be achieved 

with less moulds. This reduces the cost of the production process and the whole structure. 

Furthermore the production process of FRP’s are pre‐fabricated. This is a very important factor and 

advantage in the use of FRP’s in buildings. Because FRP components are made in a controlled 

environment, it is less likely for mistakes to occur in components. The impact on building sites and 

their surroundings are also a lot less, because on site the structure only needs to be assembled. This 

reduces the time spent on a building site and the nuisance that comes with it. 

The last stage of the production process is the transportation. Because FRP is relatively light in 

comparison to other materials, large object that can be lifted by crane are a possibility. However 

transport is equally important. Transportation of very large object via road, will come with a lot of 

trouble and cost. Therefor it is very important to divide the structure in the best possible way to be 

able to transport them and design the best possible connection to assemble the components back to 

each other on the building site. 

In conclusion the shaping process has a very large influence on the FRP components. The main 

disadvantage is the more different components there are, the higher the cost. This is due to the fact 

that more moulds have to be made, that comes with high costs. Since this projects only focusses on 

optimizing the design process for the FRP shells new production methods like the Kine‐Mould 

(Schippers et al., 2014) will not be taken in to account.

Image 5: Loadbearing only in the direction of the fibre 

Page 7: OPTIMIZING THE DESIGN PROCESS FOR FRP SHELL STRUCTURES

6  

 

2.2 Case Study An interesting case study is the Chanel pavilion from Zaha Hadid Architects. This building houses an 

exhibition area and is demountable for transportation. The unique shape of the building was very 

difficult to make in materials other than FRP. With the use of FRP the building also became lighter, 

this was a great benefit since the building is demountable for transport over the world.  

 

The panels for the Chanel pavilion were produced by Sage One. This company made use of CNC 

milled moulds to shape the moulds for the FRP panels. All of the 400 hundred panels used in this 

pavilion were different of shape. Therefor 400 different moulds had to be made. This comes at a 

price since the production of the building cost one million euros, which is reasonable compared to 

the benefits it had from the FRP panels. 

 

Image 6: Different shaping processes (L to R) Hand lay‐up, Resin infusion moulding, RTM, Spray up 

Image 7 & 8: Chanel Pavilion by Zaha Hadid Architects (Photograph by Stefan Tuchila) 

Image 9: Production of the FRP panels for the Chanel Pavilion 

Page 8: OPTIMIZING THE DESIGN PROCESS FOR FRP SHELL STRUCTURES

7  

3.1 Problem statement Eventually the main problem statement focusses on the advantages of FRP that are not utilised and 

the high cost that comes with the making of FRP structures that require a complex shape as shell 

designs. This is mainly due to the use of moulds that increase when the design is more complex. 

More moulds equal an higher production cost. Therefor the problem statement can be summarized 

in the following sentence: 

“In the current design process it is not economically feasible to create FRP shell structures and 

therefor the advantages of FRP materials are not utilised.” 

The problem statement can be divided in several sub problems that would need to be resolved: 

Current design methods do not offer room for new materials. 

With the traditional design and building process, there is little space for the usage of FRP materials 

(Kendall, 2007). FRP materials require a lot more knowledge about the material and more research 

(Wu & Burgueño, 2006). Also to improve the qualities of FRP roof structures the process itself needs 

to be pre‐fabricated and workers should be highly skilled to work with such materials. 

It is very expensive to create shell structures from FRP. 

Although FRP materials offer a lot of advantages in comparison to other materials, they do come 

with a higher initial cost (Berg, Bank, Oliva, & Russell, 2006). It is very important for clients and 

contractors to research whether the advantages of FRP are worth the high initial costs. 

FRP materials are not recyclable. 

It is important to state that this problem will not be a focus point in the graduation process, but does 

need to be taken in to account when designing structures with FRP. Because of its difficult nature to 

recycle. Recycling does exist in some terms and is officially recognized by the European 

Union(Fibercore, 2011), but requires a lot of work. FRP materials are because of this not suited for 

the design of temporarily buildings or buildings with a short lifespan.  

3.2 Objective The main objective of this graduation project focusses on the Delft Central Station. The Delft central 

station was recently completed. In this project a whole new tunnel was made to lead the train 

underground. A whole new office building is made that houses the municipality and acts as the new 

central station. In front of this building the bus station is placed. This bus station, which is also on the 

side of the old central station, is fairly busy. It has direct connection to different large cities outside 

delft like Rotterdam, Den Haag and Zoetermeer. For this graduation project a shell structure out of 

FRP will be made, to cover this bus station. This project will mainly focus on the engineering of the 

shell structure. Of course at first it will be a difficult architectonical assignment to determine the right 

shape of the structure. There are a lot of difficult architectonical challenges that need to be solved 

first to finalize the right shape. The eventual shape should be of value for the bus station. This means 

that it should give value on an architectonical level to both buildings, old and new as well as 

providing shelter for passengers and not be an obstruction to the passengers or other flows.

Page 9: OPTIMIZING THE DESIGN PROCESS FOR FRP SHELL STRUCTURES

8  

 

 

Demands for the project can be described as followed on different levels 

Architectonical level 

FRP monolithic roof structure 

Connects both old and new Central Station 

Does give value to both buildings in an architectural way 

Does not obstruct any of the flows in the Delft Central Station 

Technical level 

FRP monolithic roof structure 

Area to cover is about 200 m2 (40 x 50 m) 

No usage of enforcements other than FRP 

Shape provides its own structure 

All components must be pre‐fabricated 

Transportation by truck 

Only existing production processes will be taken in to account 

Finished product 

The finished product will exist of a design for a new FRP roof structure for the Delft Central station. 

This roof structure will connect both old and new central station and the shelter the bus station and 

its passengers. It is very important that this FRP roof has an advantage for the passengers that make 

use of the bus station. This roof is designed to match the flows of the passengers and not the other 

way around. 

The main focus point will be the engineering of the FRP roof structure. This includes technical 

drawings for the production of the FRP roof structure, detailed drawings of the different connections 

that need to be made and calculations to determine the right shape and thickness of the whole 

structure. Eventually the conclusion of this project will provide a toolbox of what the design process 

for FRP roof structures should look like. It discusses for which project FRP would be most suited and 

which obstructions could occur when designing FRP structures. 

Image 10: impression of a roof structure for the Delft Central Station 

Page 10: OPTIMIZING THE DESIGN PROCESS FOR FRP SHELL STRUCTURES

9  

The other important aspect of this report is the cost. FRP roof structures are very expensive. Therefor 

the advantages of these structures should be evaluated to see if they are worth their costs. This 

evaluation is presented in a form of comparison with other roof structures that are built in 

conventional materials. This will give a good overview on how well FRP roof structures will perform in 

the current building environment.

 

 

3.3 Research question The main research question for this graduation project will be: 

“How can an optimised design process help create a FRP roof structure with a large span for the Delft 

bus station?” 

With these research question there are several sub questions that need to be answered first. These 

sub question eventually answer the main research question. 

What are the advantages of FRP roof structures? 

How does the flow of pedestrians and other users of the Delft Central station look like? 

What are the regulations for such structures? 

How can the shape be geometrically optimized? 

How can the roof shape give value to its surroundings (Delft Central Station)? 

How can such a structure be build/transported? (Shaping Process) 

What are the cost of such a structure? 

What happens to the structure when it reaches its end of its lifespan? 

How well do FRP roof structures perform compared to conventional materials? 

  

Image 11: Impression of a FRP shell structure for the Delft Central Station 

Page 11: OPTIMIZING THE DESIGN PROCESS FOR FRP SHELL STRUCTURES

10  

3.4 Scope Architectonic Design 

Focusses only on the Delft Central station 

Creates a roof for the bus station 

Does not obstruct any flows 

Does not degrades its surrounding buildings in value 

Shape eventually determined through computer simulations and studies 

Technical design 

This focusses on the elaboration of the structure in detailed drawings 

This includes foundation and support, connections and shape 

Calculations of the structure through computer software 

Production process 

The production process focusses on existing methods, that are already being used to produce 

FRP components 

Whole structure is pre‐fabricated 

Transportation of the panels are an important factor 

Cost 

Cost estimation of the structure will be made on current prizes of materials and production 

An estimation of the cost of a similar structure will be made for an evaluation structure 

Toolbox will be focussed on these factors 

Page 12: OPTIMIZING THE DESIGN PROCESS FOR FRP SHELL STRUCTURES

11  

4.1 Methodology The method that will be used for the design process will continue to reflect to previous drawn conclusions. The whole research and design is based on several sub research questions that need to be answered before the process can continue. The conclusion of research question 1 is necessary input for research question 2. It is therefore important to keep reflecting to the previous drawn conclusion and in the end it is of importance to evaluate the whole design with the individual conclusions of the sub questions. 

 

Image 12: Design scheme 

Page 13: OPTIMIZING THE DESIGN PROCESS FOR FRP SHELL STRUCTURES

12  

4.2 Architectonic shape 

  

 

 

 

In order to determine the right shape for the shell structure an analysis has to be made of the 

different flows in the Delft Central station. In this analysis all the flows are mapped out, including 

pedestrians, cyclists, busses and trams. The roof structure should benefit these flows here by offering 

them shelter instead of being an obstacle. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

From this analysis the location of the different supportive elements could be determined. The roof 

structure here should benefit these flows by offering them shelter, not be an obstacle for them. 

 

 

 

 

 

Out of this comes a foot print for the 

shape of the FRP roof structure. The 

shape can be made by lifting the 

lines up, where the flows pass 

through. 

Image 13: Different flows in Delft Central Station 

Image 14: Determining the location of the supports 

Image 15: Determining the shape for the roof structure 

Page 14: OPTIMIZING THE DESIGN PROCESS FOR FRP SHELL STRUCTURES

13  

4.3 Geometrical design and optimization  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

By using a parametric design software as Grasshopper, we can create shell design that eventually can 

be optimized. One of the possibilities to create such a design is by defining a surface area first, this 

could be the one found in the flows of Delft Central Station. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

After defining a surface area, Grasshopper can generate a grid on top of this. This grid contains the 

points that will create the shell shape. Using a smaller grid will result in a smoother and more 

accurate shape, but would require the computer more time to render. 

Page 15: OPTIMIZING THE DESIGN PROCESS FOR FRP SHELL STRUCTURES

14  

 

 

 

 

 

 

 

 To lift the area up we can use a spring simulator like Kangaroo. This simulates springs that push the 

surface upwards. This is similar to hanging a cloth on all ends and let gravity shape the cloth. In this 

stage we can specify the stiffness of the materials, anchorpoints, elasticity, forces etc.  

 

Eventually Grasshopper can calculate a shell design that would be formed. Here it show that the 

more points are added on the grid, the more accurate of a result will be generated. 

 

 

 

 

 

Page 16: OPTIMIZING THE DESIGN PROCESS FOR FRP SHELL STRUCTURES

15  

 

  

 

 

 

 

 

 

 

 

When the desired shape is made, the points could be patched to create a 3d object of the shell. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

This 3D object can be analysed. Here there is a curvature analysis by Rhino that shows where the 

maximum curves are. Red being positive curves and blue being negative curves. The shape can also 

be exported to other programs that can calculate the stresses, moments and loads for the structure. 

From here the shape can be altered to improve the loadbearing structure of the FRP shell. 

 

 

 

 

Page 17: OPTIMIZING THE DESIGN PROCESS FOR FRP SHELL STRUCTURES

16  

5.1 Time planning 

   

Page 18: OPTIMIZING THE DESIGN PROCESS FOR FRP SHELL STRUCTURES

17  

 

   

Page 19: OPTIMIZING THE DESIGN PROCESS FOR FRP SHELL STRUCTURES

18  

 

   

Page 20: OPTIMIZING THE DESIGN PROCESS FOR FRP SHELL STRUCTURES

19  

Sources Berg, A. C., Bank, L. C., Oliva, M. G., & Russell, J. S. (2006). Construction and cost analysis of an FRP 

reinforced concrete bridge deck. Construction and Building Materials, 20(8), 515‐526. doi: http://dx.doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2005.02.007 

. CES Edupack 2014. (2014): Granta Design.  Fibercore. (2011). Recycling glasvezelversterkte thermoharders erkend door EU. from 

http://www.fibercore‐europe.com/index.php?option=com_content&view=article&id=123:recycling‐erkend‐door‐eu&catid=21&lang=nl&Itemid=208 

Gardiner, G. (2009). The making of glass fiber. Composites technology.  Kendall, D. (2007). Building the future with FRP composites. REINFORCEDplastics.  Knippers, J. (2011). Construction manual for polymers + membranes materials semi‐finished products 

form‐finding design. Basel: Birkhäuser. Koo Young, Y., & Seung Hee, L. (2012, 21‐24 May 2012). Developing advanced practical recycling 

method of FRP boats. Paper presented at the OCEANS, 2012 ‐ Yeosu. Mallick, P. K. (2007). Fiber‐Reinforced Composites: Materials, Manufacturing, and Design, Third 

Edition: Taylor & Francis. Schippers, R., Eigenraam, P., Soru, M., Grünewald, S., Gavran, I., & Michel, M. (2014). Developing a 

flexible mould will encourage  industrial companies to manufacture complex geometries in a cost efficient way. 3TU.Bouw.  

Wu, J., & Burgueño, R. (2006). An integrated approach to shape and laminate stacking sequence optimization of free‐form FRP shells. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, 195(33–36), 4106‐4123. doi: http://dx.doi.org/10.1016/j.cma.2005.07.015