1e prijs: Bas Veltenaar (Technische Universiteit Delft) - Stiffener placement optimization for stressed skin topsides

Staalconstructies uit dunne plaat verstijfd met strippen worden veel toegepast in bijvoorbeeld vliegtuigen, bruggen en schepen. Door de enorme schaalvergroting is het concurrerend geworden om dit type constructie ook voor offshore-topsides te gebruiken. Door de grote afmetingen is het nodig gewicht te besparen. Dit kan door slank en slim te ontwerpen door de wandpanelen in te zetten draagconstructie. Knikken is het belangrijkste faalmechanisme bij de meeste panelen. Een constructie uit dunne plaat is immers gevoelig voor bezwijken door knik. Dit brengt een ontwerpuitdaging met zich mee vanwege de verscheidenheid aan paneelafmetingen, belastingen knikcontroles. Die weer worden gedicteerd door de verschillende knikmodi. Het ontwerp moet vervolgens wel voldoen aan een ontwerpnorm. In dit afstudeerwerk is een methode ontwikkeld die FEA combineert met een numerieke methode om efficiënt de optimale staalafmetingen te bepalen.

De toepassing van deze methode zorgt in de ontwerpfase voor een minimaal gebruik van staal en een grote reductie van arbeid. Dit resulteert uiteindelijk in een kostenreductie die bijdraagt aan de verdere ontwikkeling van duurzame windenergie op zee.

Het oordeel van de jury:

De energietransitie vergt grote investeringen, zo ook in de omzetting van voltage en vermogens van windturbines naar landlijnen. Hiervoor zijn omvangrijke transformatorstations op zee nodig die vele duizenden tonnen wegen. Deze stations worden steeds groter en ze economisch onshore bouwen en offshore plaatsen is haast niet meer mogelijk zonder aanpassing van de bouwmethode.

Door staalplaat als stressed skin in te zetten zijn aanzienlijke gewichtsbesparingen te behalen. Een ‘stressed skin’ constructie bestaat uit plaat voorzien van ribben. En houdt het midden tussen een schaalconstructie en een stijl- en regelwerk met huid. De constructieve toepassing van stressed skin vereist inzicht in de complexe mechanica, zeker op deze schaal toegepast. Transformatorstations zijn al gauw tientallen bij tientallen meters hoog, breed en lang.

Door geautomatiseerde routines te ontwikkelen kunnen de stressed skin elementen worden geoptimaliseerd op werking en kosten. De thesis van Bas is lovenswaardig werk dat gelet op de omvang en directe actualiteit enorm bijdraagt aan de verduurzaming van onze leefomgeving. Hij heeft indrukwekkend werk verricht. Bovendien zit in de ontwikkelde theorie een kiem, die verder kan worden ontwikkeld. Deze techniek hoeft niet beperkt te blijven tot dozen, zoals topsides van boorplatformen. De techniek van het met ribben verstijven van staalplaat is ook op complexere vormen toe te passen. Daarnaast scoort het werk hoog op het gebied van relevantie, context, methode, prestatie en innovatie.

2e prijs: Fé van Lookeren Campagne (Technische Universiteit Delft) - Efficiently including reclaimed steel elements in a truss bridge design

Om hogerop te komen in de hiërarchie van de circulaire economie, kunnen stalen profielen worden hergebruikt in plaats van gerecycled. Dit afstudeerwerk presenteert een algoritme dat is opgenomen in een parametrisch ontwerpproces om vakwerkbrugontwerpen te genereren met uitsluitend teruggewonnen stalen elementen. Omdat de beschikbaarheid van hergebruikte stalen elementen beperkt is, maakt dit algoritme het mogelijk om efficiënte ontwerpen te vinden waarbij de vorm de beschikbaarheid volgt. ‘Forms follows availability’.

Het oordeel van de jury:

Dit is op korte termijn de toekomst van het inzetten van hergebruikt staal. In plaats van staal zoeken bij je ontwerp, wordt het ontwerp aangepast op wat er is. ‘Doen met wat je hebt’, noemt een jurylid het, of ‘adaptief construeren’. Fé past met parametrische ontwerptechnieken een ‘groei’-methode toe, waarbij een algoritme met hergebruikte stalen elementen een vakwerkligger voor een brug ontwerpt. Doel is om een ontwerp te maken met zo min mogelijk milieu-impact.

De onderkant van het vakwerk wordt door het algoritme ‘vlak’ gehouden, want het wegdek moet berijdbaar blijven. Aan de bovenzijde springt het vakwerk alle kanten op, al naar gelang de lengtes van de beschikbare staven die door het computermodel worden gevonden. Want het hergebruikte staal wordt zelfs niet gezaagd. ‘Form follows availability’ noemt Fé het. Omdat we een vakwerk met een regelmatige vorm gewend zijn, kan de neiging bestaan om dit lelijk te vinden. Door een parameter (die misschien wel ‘schoonheid’ heet) toe te voegen zou het vakwerk in de ontwerpfase met regelmaat kunnen worden getemd. Anderzijds, zoals een jurylid zei: “Mooi of lelijk, het maakt niet uit, want het klopt.”

Vergeleken met een vakwerk dat zo licht mogelijk is ontworpen uit nieuw staal, is de variant uit hergebruikt materiaal 16% zwaarder. Anderzijds leidt de vakwerkligger uit hergebruikt staal maar liefst tot 63% minder CO2-emissie. Het ‘groei’-model wint het zelfs van een tussen-variant, waarbij in de op gewicht geoptimaliseerde vakwerkligger het nieuwe staal gedeeltelijk (indien beschikbaar) is vervangen door staven van hergebruikt materiaal. Dan heeft het onregelmatige vakwerk uit hergebruikt, ongezaagd staal nog steeds 17% minder CO2-emissie.