Κινητικές υβριδικές δομικές κατασκευές

Abstract

Η αλληλένδετη και διαδραστική σχέση της κοινωνίας, της τεχνολογίας και της αρχιτεκτονικής, ενίσχυσε τον άξονα σχεδιασμού του δομημένου περιβάλλοντος σε βέλτιστες δομές που είναι ικανές ν' ανταποκρίνονται σε μεταβαλλόμενες λειτουργικές και περιβαλλοντικές συνθήκες. Βάσει της δυναμικής ανταπόκρισης σε ερεθίσματα, τα κινητικά αρχιτεκτονικά συστήματα χαρακτηρίζονται από προσαρμογή και βελτιστοποίηση οργανώνοντας κτίρια ή κτιριακές δομές με ευμετάβλητη κίνηση, γεωμετρία και τοποθεσία. Η ερευνητική προσέγγιση επικεντρώνεται στην ανάπτυξη μιας κινητικής υβριδικής δομής εξετάζοντας τη στατική και κινητική της συμπεριφορά. Η καινοτομία της προτεινόμενης πρωτότυπης δομής βασίζεται στη δυαδική σύνθεση των μελών της και την εφαρμογή του ενεργού μηχανισμού τεσσάρων αρθρωτών ράβδων στο σχεδιασμό της κίνησης. Αρθρωτά συνδεδεμένα μέλη υποστηρίζονται από ένα δευτερεύον σύστημα ενίσχυσης ορθοστατών και συνεχόμενων καλωδίων, συνθέτοντας το επίπεδο πρωτεύον δομικό σύστημα. Μη γραμμική παραμετρική ανάλυση εδραιώνεται με βάση την ανάπτυξη υβριδικών δομικών τυπολογιών, διαφοροποιώντας τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά, τη σύνθεση και τις συνδέσεις. Η αναδιαμόρφωση του συστήματος έγκειται στην εφαρμογή του ενεργού μηχανισμού τεσσάρων αρθρωτών ράβδων με ένα βαθμό ελευθερίας και τη συνέργεια της δυαδικής λειτουργίας των καλωδίων. Ο σχεδιασμός της κίνησης πραγματώνεται μέσω προσομοιωμένων μοντέλων με σκοπό τη ρύθμιση των γωνιακών θέσεων των αρθρώσεων στις επιθυμητές τιμές κατά τη διάρκεια των βημάτων σε κάθε μοτίβο ακολουθίας. Το ενεργό σύστημα ελέγχου διαχειρίζεται τη λειτουργία κίνησης των δυο ενεργοποιητών στις στηρίξεις, των υδραυλικών γραμμικών φρένων σε κάθε ορθοστάτη και των αισθητήρων που βρίσκονται σε κάθε κομβικό σημείο εξυπηρετώντας το κύκλωμα ανάδρασης. Ειδικά κριτήρια αξιολόγησης της κινητικής συμπεριφοράς του πρωτοτύπου αποτελούν η ανάπτυξη των ροπών στις ενώσεις και των αξονικών δυνάμεων στα καλώδια. Ο σχεδιασμός συμπεριλαμβάνει την ένταξη κελύφους ελαφριών εφελκυόμενων δομών επιχειρώντας την ανάπτυξη προσαρμόσιμων δομικών κατασκευών κελύφους.

The interactive relationship of society, technology and architecture has increased the demand on our built environment for optimized structures that are capable to properly respond to changing functional- and environmental conditions. With regard to the dynamic stimuli response, kinetic architectural systems are characterized by adaptability, optimization and sustainability of our built-up recourses leading to buildings and building components with variable mobility, location, or geometry. The purpose of this study is to present the development of a kinetic hybrid steel prototype structure and address its static and kinematic behavior. The innovation of the developed prototype structure is based on the dual composition of its members and the application of the effective 4-Bar method in its motion planning. Hinge connected members, stabilized through a secondary system of struts and continuous diagonal cables with closed circuit compose the planar primary system. A non-linear parametric static analysis is conducted through the development of structural hybrid typologies by differentiating the geometric characteristics, composition and connections. The transformability of the system is based on the application of the effective 4-Bar method using a sequence of 1-DOF motion steps and the synergetic cables' length modification. Motion planning is conducted through simulated models and is based on structural and kinematic criteria, in order to adjust the systems' joints to the desired values during the motion steps involved in the respective transformation sequence. An active control system is applied that manages the operation of the motion actuators and the hydraulic linear brakes, in order to realize the reconfiguration sequences. It includes position sensors installed on the individual joints to provide feedback information, two single motion actuators located at the structural supports, as well as hydraulic brakes installed on each strut. Specified criteria evaluate the kinetic behavior of the prototype according to the static braking torques and the axial cable forces. Following aspects of development and integration of lightweight tensile envelope systems, types of adaptable envelope structures are proposed.