Väitös

Teemu Tiainen: Optimoinnilla läpinäkyvyyttä rakenteiden suunnitteluun

Väittelijän kuva
Rakennusten kantavien rakenteiden suunnittelua voidaan tehostaa antamalla osa työstä tietokoneiden tehtäväksi. Tällöin myös suunnittelun tavoitteet tulevat täsmennetyiksi ja koko arvoketju hyötyy. Teemu Tiainen tutki väitöskirjassaan matemaattisen optimoinnin soveltamista teräsrungon suunnitteluun siten, että ratkaistava tehtävä on mahdollisimman lähellä rakennesuunnittelijan työtä.

Kantavien rakenteiden optimointia on tutkittu vuosikymmeniä, mutta kirjallisuudesta löytyvät esimerkit tapaavat olla akateemisia.

Kohdefunktiona käytetään rakenteen painoa ja rajoitusehdoissa sivuutetaan keskeisiä ilmiöitä, esimerkiksi stabiiliustarkastelut. Todellisia rakenteita suunnitellaan kuitenkin erilaisten suunnitteluohjeiden ja -standardien mukaan. Näiden tarkastelujen tuominen mukaan optimointiin ei triviaali tehtävä, Teemu Tiainen kertoo.

Lisäksi yleensä rakennushankkeessa ollaan oikeasti kiinnostuneita siitä, paljonko rakennus maksaa, eikä siitä paljonko se painaa, Tiainen jatkaa.

Suurimman haasteen teräsrakenteiden optimoinnissa muodostaa kuitenkin se, että rakenteissa käytettävien sauvojen profiilit on yleensä valittava tietystä saatavilla olevasta valikoimasta.

Optimointitehtävä on tällöin muuttujiltaan diskreetti eli jatkuvan lukuarvon sijaan muuttuja voi saada esimerkiksi vain kokonaislukuarvoja, mikä kaventaa ratkaisumenetelmävalikoimaa merkittävästi, Tiainen valottaa.

Tähän vaikuttaa myös, millaisia kestävyystarkasteluja tehtävään on tuotu rajoitusehdoiksi. Rakenneosassa esiintyvään jännitykseen perustuvat tarkastelut ovat tyypillisesti yksinkertaisia, kun taas suunnitteluohjeiden ehdottamat tarkastelut voivat mutkistaa tehtävämuotoilua.

Teemu Tiainen tarkasteli väitöskirjassaan niin kutsuttujen metaheurististen menettelyiden soveltamista, kehitti uutta sekalukuformulointiin perustuvaa menettelyä ja ratkaisi diskreettiä optimointitehtävää kaksivaiheisesti. Tällöin tehtävä muokataan ensin jatkuvaksi, jonka jälkeen kuvitteellisen jatkuvan ratkaisun läheltä etsitään rajattu valikoima todellisia profiileita.

Jatkuvan tehtävän ratkaisuun on nykyisissä ohjelmissa hyvät valmiit ratkaisijat ja kaksivaihetekniikalla päästiin lupaaviin tuloksiin, Tiainen kertoo.

Sekalukuformuloinnin etuna on, että se pystyy tietyin edellytyksin takaamaan optimin löytymisen

Vaikuttaa kuitenkin siltä, ettei sekalukuformulointi suoraan sovellettuna ole kehätehtävien ratkaisemisessa riittävän nopea, mutta kaksivaiheisen menettelyn jälkimmäiseen vaiheeseen se voisi olla käyttökelpoinen, Tiainen arvioi.

Optimoinnin hyötynä Tiainen näkee läpinäkyvyyden.

Käytettiin kohdefunktiona mitä tahansa rakenteen ominaisuutta, on optimoinnissa oltava käytössä lahjomaton mittari, jolla kukin ratkaisu voidaan laittaa paremmuusjärjestykseen. Kohdefunktioksi voidaan ottaa vaikkapa rakenteen toteuttamisen aiheuttamat hiilidioksidipäästöt tai rakentamisen kustannus.

Lisäksi optimointi mahdollistaa erilaisten vertailujen tekemisen. Työssä on tarkasteltu muun muassa palonsuojauksen ja korkealujuusteräksen käytön kustannusvaikutuksia, mikä ilman optimointia olisi hyvin haastava tehtävä, Tiainen sanoo.

DI Teemu Tiaisen rakennustekniikan alaan kuuluva väitöskirja Discrete Steel Frame and Truss Sizing Optimization under Code-based Constraints tarkastetaan julkisesti Tampereen yliopiston rakennetun ympäristön tiedekunnassa perjantaina 17.9.2021 klo 12 Hervannan kampuksella Rakennustalossa salissa RG202 (Korkeakoulunkatu 5, Tampere). Vastaväittäjinä toimivat professori Mathias Stolpe, Technical University of Denmark (DTU), ja Principal Scientist Ludovic Fülöp, VTT. Kustoksena toimii tenure track -tutkija Kristo Mela rakennetun ympäristön tiedekunnasta.

Tilaisuuteen voi osallistua etäyhteydellä (Zoom).

Väitöskirjaan voi tutustua osoitteessa http://urn.fi/URN:ISBN:978-952-03-2083-6

Lisätiedot:

Teemu Tiainen
050 4701436
teemu.tiainen [at] rakennusteollisuus.fi

Kuva: Liina Tiainen

 

Tulevat tapahtumat

Menneet tapahtumat