1e prijs: Sergio Moriche Quesada (Technische Universiteit Eindhoven) - Optimization of a snap-fit connection

Steel structures are widely used to build the skeleton of constructions in the built environment. They are generally formed by standardized profiles acting as columns or beams, which are commonly connected by means of fasteners or welds. Those connections require long assembly times, which is directly translated into economic expenses.

A new typology of steel connection for the built environment is proposed by A. Verbossen. Considering that this connection would substantially reduce the assembly time between elements and therefore the complete erection of buildings, there is need to study the behaviour, reliability and possible optimization of its performance, which are the main goals of the thesis.

Two typologies of experimental test are performed: (1) cantilever tests (in which the connection is loaded by a M-V combination while its rotation is measured) motivated to validate a numerical model and (2) tensile tests (in which a steel sheet specimen from the connection is tested under an uni-axial tensile force while the elongation is measured) used to determine the mechanical properties of the material of the connection.

Numerical models are validated by simulating the cantilever tests and comparing the results with the experimental data. The mathematical solutions of the models are verified by refining the mesh of the simulations and comparing its relative error. The validated finite element models are used to gain insight on the behaviour of the connection by performing sensitivity and parametric analysis, based on the knowledge gathered a design with an optimized performance is proposed.

The results of the simulations consider the behaviour of the connection disregarding the stiffness and resistance of adjacent members. The results provided by the finite element method are used as input into a mechanical component model that accounts for the interaction between all components and allows to compare the behaviour of the complete connection in terms of bending capacity and ductility.

Het oordeel van de jury:
Aangenaam verrast, is de jury door dit onderzoek naar vernieuwende staalverbindingen. Het idee om af te stappen van de traditionele bout- en lasverbindingen is fris en biedt perspectieven voor de bouwpraktijk, waarin montagekosten enorm stijgen. Alternatieven voor arbeidsintensieve ambachtelijke bout- en lasverbindingen kunnen op een warm welkom rekenen. Het idee is weliswaar niet nieuw, want het prototype van de ‘snap fit connection’ is ontwikkeld door constructeur A. Verbossen. De verbinding doet denken aan zwaluwstaartverbindingen in houtconstructies. Onderzoek en inzicht in de gedragingen van deze verbinding zijn wel vernieuwend. In diverse proefopstellingen zijn de gedragingen van de verbinding onderzocht en vergeleken met computermodellen ontwikkeld in het programma Abaqus. Uiteraard zijn er ook nog vragen over de toepasbaarheid in de praktijk, zoals het opvangen van toleranties en de meerkosten ten opzichte van een traditioneel goedkoop boutje en moertje. Maar door de komst van 3D printtechnieken is dit misschien juist het goede moment voor dergelijke ontwikkelingen. ‘Leuk onderzoek, onconventioneel, goed aangepakt, snap-fit is slim fit’, zijn enkele lovende woorden van de jury.

2e prijs: Marius Hendriks (Technische Universiteit Delft) - Local hydroelectric energy storage

De afstudeerder heeft een haalbaarheidsstudie gedaan naar een kleinschalig energieopslagsysteem dat waterkracht, zwaartekracht, veerkracht en luchtdruk combineert. De aanhoudende groei van wind- en zonne-energie maakt de vraag naar een duurzaam en betrouwbaar energieopslagsysteem steeds urgenter. In tijden van weinig zon of wind verwachten we immers nog steeds het koffiezetapparaat te kunnen gebruiken.

In dit afstudeeronderzoek is gekeken naar de potentie van een kleinschalig, duurzaam energieopslagsysteem. Allereerst is onderzocht op welke manier het systeem de meeste energie kan opslaan in een zo klein mogelijke ruimte. Vervolgens is er een ontwerp gemaakt waarbij het gevonden energieopslagsysteem wordt geïntegreerd in stalen buispalen onder een woning. Door gebruik te maken van deze stalen buispalen is er geen extra ruimte nodig in de woning zelf, maar wordt het energieopslagsysteem in de fundatie geplaatst. De stalen buispalen kunnen volgens bekende technieken ingeboord worden, waarna de rest van het systeem wordt aangesloten. Het gebruik van ‘proven technology’ werkt kostenbesparend en maakt de (technische) haalbaarheid van het concept groter.

Het energieopslagsysteem werkt door gebruik te maken van pumpaccumulatie technologie met water in een drukvat. De luchtdruk in het drukvat fungeert dan als een luchtveer voor opslag van energie, terwijl het onsamendrukbare water wordt gebruikt om energie om te zetten naar elektriciteit door het in en uit het drukvat te laten bewegen. Dit zogenaamde perslucht pompaccumulatie principe slaat energie op door water in het met perslucht gevulde drukvat te pompen, waardoor het luchtvolume in het vat afneemt. Hierdoor zal de perslucht in het vat een nog hogere druk krijgen en het water uit het vat ‘willen’ drukken. Door dit water onder hoge druk door een turbine te laten lopen, kan er weer elektriciteit worden gegenereerd. Op deze manier wordt er een hoeveelheid energie opgeslagen in een relatief kleine ruimte, waardoor dit principe ideaal is voor een lokaal energieopslagsysteem. Op basis van het onderzoek wordt geconcludeerd dat een kleinschalig hydro-elektrische energieopslagsysteem technisch mogelijk is en zeker veel potentie heeft.

Het oordeel van de jury:
In een tijd waarin opslag van energie als een groot probleem wordt gezien, zijn nieuwe oplossingen altijd interessant. Het onderzoek naar een methode om energie op te slaan in stalen funderingspalen en met behulp van hydraulica te activeren, is leuk en opent nieuwe mogelijkheden voor de praktijk. De jury is onder de indruk van het zeer uitgebreide onderzoeksrapport. Uit de uitkomsten van het onderzoek blijkt dat het systeem haalbaar is voor toepassing in woningbouw, maar ook nuttig kan zijn bij grotere projecten, zoals bijvoorbeeld het Tidal Bridge project in Indonesië.  ‘Maatschappelijk relevant’, ‘leuke rol voor staal’, ‘duracel-fundering’, oordeelt de jury.