Hybrid cable bending-active structures

Abstract

Τις τελευταίες δεκαετίες, ο τομέας της Προσαρμοστικής Αρχιτεκτονικής με έμφαση στη στατική επάρκεια, στις μεταβαλλόμενες μορφολογικές ικανότητες και στην εναλλακτική σχεδιαστική προσέγγιση για ελεύθερη μορφή, διαδέχεται σημαντική αναγνώριση με αυξανόμενο αριθμό ερευνητικών προτάσεων και πειραματικών εφαρμογών. Οι κυρίαρχες επιδιώξεις της ερευνητικής αυτής κατεύθυνσης στοχεύουν στην αναβάθμιση του δομημένου περιβάλλοντος με γνώμονα την αειφορία, την ενεργειακή αποδοτικότητα και τη σχεδιαστική προαγωγή του, διαμέσου επιτυχούς ενσωμάτωσης ενός ευρύτερου φάσματος αποδοτικών κριτηρίων βελτιστοποίησης, όπως αυτά ορίζονται από τις σύγχρονες κατασκευαστικές μεθόδους και τη χρήση νέων υλικών. Σε αυτό το πλαίσιο, η παρούσα διατριβή επικεντρώνεται στη διερεύνηση εναλλακτικών αυτό-εντεινόμενων συναρμολογούμενων υβριδικών δομικών συστημάτων, βασιζόμενων στη χρήση ελαστικών μελών. Στοχεύει στην παροχή επίγνωσης σε μη-γραμμικές διαδικασίες εξεύρεσης μορφής, στη στατική ανάλυση και στην αποκωδικοποίηση της φέρουσας ικανότητας υπό ανόμοια διαμορφωμένους σχηματισμούς. Η διερεύνηση στηρίζεται σε περιπτώσεις μελέτης προτοτύπων, με αφετηρία την εις βάθος εξέταση έξι υβριδικών δομικών μονάδων. Η πρωταρχική αυτή διερεύνηση παρέχει τον κατάλληλο βαθμό πληροφορίας για περεταίρω εξέταση πιο σύνθετων δομών με μεγαλύτερο άνοιγμα, συμπεριλαμβανομένων της μορφολογικής και δομικής βελτιστοποίησης τους, η οποία ενεργοποιήται με μείωση του μήκους των καλωδίων. Το κεφάλαιο 1 εισηγείται στοιχεία τόσο σχεδιασμού, όσο και αποτελεσματικής χρήσης του υλικού που συνεισφέρουν στην επίτευξη προσαρμοστικών δομικών αναβαθμίσεων. Στο ακολούθως επόμενο κεφάλαιο 2, παρουσιάζονται ιστορικά και σύγχρονα παραδείγματα από χωρικές κατασκευές, η σύσταση των οποίων αποτελείται από μέλη ενεργής κάμψης. Ο ρόλος του καλωδίου σε υβριδικές κατασκευές και οι δυνατότητες για υβριδοποίηση με ενεργά-εύκαμπτες κατασκευές, όπως και επισκόπηση γενικευμένων μεθόδων υπολογισμού για εξεύρεση μορφής περιγράφονται στο κεφάλαιο 3. Το μοντέλο ανάλυσης, το οποίο έχει υοθετηθεί στην παρούσα μελέτη, παρουσιάζεται στο κεφάλαιο 4. Οι προτεινόμενες περιπτώσεις συστημάτων αποτελούνται από μονά, απλά-συνδεδεμένα ζεύγη και εσωτερικά- διασυνδεδεμένα ζεύγη από ελαστικά μέλη σε συνδυασμό με αποκλειστικά εφελκυστικής ικανότητας δευτερεύοντα γραμμικά στοιχεία, όπως περιγράφονται στο κεφάλαιο 5. Τα αποτελέσματα ανάλυσης των συστημάτων παρέχουν δεδομένα για την κατανόηση τις δομικής συμπεριφοράς, με ειδική έμφαση στους συσχετισμούς που προκύπτουν από την κατάσταση εσωτερικής έντασης και της φέρουσας ικανότητας τους. Η πληροφορία αυτή αξιοποιείται περεταίρω προς όφελος ακόλουθης διερεύνησης υβριδικών διαμορφωμένων φορέων μεγαλύτερου ανοίγματος. Τα συστήματα εξετάζονται σε ζητήματα βελτιστοποίησης μορφολογικής και στατικής επάρκειας, με βάση τη μείωση του μήκους καλωδίων για την επίτευξη αυξανόμενης προένασης και ελέγχου παραμορφώσεων των συστημάτων, όπως περγιργάφεται στα τελευταία δύο κεφάλαια της παρούσας μελέτης. Τα συγκεντρωτικά συμπεράσματα όσον αφορά τρόπους σχεδιαστικής προσέγγισης, όπως επίσης και κριτήρια βελτιστοποίησης, περιέχονται στα συμπεράσματα της παρούσας διατριβής.

In the last decades, the concept of Adaptive Architecture in terms of the structure’s static performance, morphological altering capabilities and free-form design is increasingly acknowledged with growing number of research projects and experimental applications. Predominantly, this research field’s objective is oriented towards transforming our build environment into a more sustainable, energy efficient and design-wise augmented reality, by succeeding into a broader variety of performance and optimisation criteria, set by both, contemporary construction techniques and new material exploitation potentials. This thesis refers to the investigation of alterative self-stressed hybrid structural system assemblies, based on application of elastic members. It aims at providing insight in nonlinear form-finding processes, structural analysis and load-deformation behaviour of dissimilar configurations. The work is based on a prototypes analyses approach and is initialised with an in-depth examination of a series of six hybrid structural single-segment configurations. These provide necessary information for the subsequent examination of longer span assemblies, including their morphological and structural optimisation, activated by the cables length reduction. In Chapter 1, aspects of design and material’s performative use for achieving unique adaptive structural enhancements are introduced. Historical background and present examples of elastically deformable space structures are discussed in Chapter 2. The role of the cable in hybrid structures and its potentialities in hybrid bending-active systems, as well as general form-finding calculation techniques are overviewed in Chapter 3. The analysis model adopted for this study is presented in Chapter 4. The case studies models proposed, are composed of simple, simply-paired and paired interconnected elastic members, hybridised with tension-only elements, as presented in Chapter 5. The analysis results provide general understandings of the structural behaviour and explicit information with regard to the interdependencies of the inner stress state of the members and their load- bearing capacity. The information collected is utilised for further examination of more complex hybrid configurations of longer span. These are then subjected to global form and capacity optimisation strategies, based on the cables length reduction for achieving increased prestress and load-deformation control of the systems as stated in the final two Chapters of the present report. An overview of the results obtained with regard to design aspects and optimisation criteria is included in the Coclusions of the present thesis.