Funicularity and equilibrium for high-performance conceptual structural design

Resumen

Las estructuras que trabajan por forma se caracterizan por la íntima e indisociable
relación entre geometría y comportamiento estructural. Por consiguiente, la
elección de una apropiada geometría es el paso previo indispensable en el diseño
conceptual de dichas estructuras.
En esa tarea, la selección de las posibles geometrías antifuniculares para las
distribuciones de cargas permanentes más habituales son más bien limitadas
y, muchas veces, son criterios no estructurales (adaptabilidad funcional,
estética, proceso constructivo, etc.) los que no permiten la utilización de dichas
geometrías que garantizarían el máximo aprovechamiento del material.
En este contexto, esta tesis estudia la posibilidad de obtener una estructura
sin momentos flectores incluso si la geometría no es antifunicular para sus cargas
permanentes.
En efecto, esta tesis presenta un procedimiento, basado en la estática gráfica,
que demuestra cómo un conjunto de cargas adicionales, introducidas a través
de un sistema de pretensado exterior con elementos post-tesos, puede eliminar
los momentos flectores debidos a cargas permanentes en cualquier geometría
plana. Esto se traduce en una estructura antifunicular que proporciona respuestas
innovadoras a demandas conjuntas de versatilidad arquitectónica y optimización
del material.
Dicha metodología gráfica ha sido implementada en un software distribuido
libremente (EXOEQUILIBRIUM), donde el análisis estructural y la variación
geométrica están incluidos en el mismo entorno interactivo y paramétrico. La
utilización de estas herramientas permite más versatilidad en la búsqueda de
nuevas formas eficientes, lo cual tiene gran importancia en el diseño conceptual
de estructuras, liberando al ingeniero de la limitación del propio cálculo y de la
incomprensión del comportamiento estructural, facilitando extraordinariamente
el hecho creativo a la luz de una metodología de este estilo.
Esta tesis incluye la aplicación de estos procedimientos a estructuras de
cualquier geometría y distribución inicial de cargas, así como el estudio de
diferentes posibles criterios de diseño para optimizar la posición del sistema
de post-tesado. Además, la metodología ha sido empleada en el proyecto
de maquetas a escala reducida y en la construcción de un pabellón hecho
enteramente de cartón, lo que ha permitido obtener una validación física del
procedimiento desarrollado.
En definitiva, esta tesis expande de manera relevante el rango de posibles
geometrías antifuniculares y abre enormes posibilidades para el diseño de
estructuras que combinan eficiencia estructural y flexibilidad arquitectónica.Curved structures are characterized by the critical relationship between their
geometry and structural behaviour, and selecting an appropriate shape in
the conceptual design of such structures is important for achieving materialefficiency.
However, the set of bending-free geometries are limited and, often,
non-structural design criteria (e.g., usability, architectural needs, aesthetics)
prohibit the selection of purely funicular or antifunicular shapes.
In response to this issue, this thesis studies the possibility of achieving an
axial-only behaviour even if the geometry departs from the ideally bending-free
shape.
This dissertation presents a new design approach, based on graphic statics that
shows how bending moments in a two-dimensional geometry can be eliminated
by adding forces through an external post-tensioning system. This results in
bending-free structures that provide innovative answers to combined demands
on versatility and material optimization.
The graphical procedure has been implemented in a free-downloadable
design-driven software (EXOEQUILIBRIUM) where structural performance
evaluations and geometric variation are embedded within an interactive and
parametric working environment. This provides greater versatility in finding new
efficient structural configurations during the first design stages, bridging the gap
between architectural shaping and structural analysis.
The thesis includes the application of the developed graphical procedure to
shapes with random curvature and distribution of loads. Furthermore, the effect
of different design criteria on the internal force distribution has been analyzed. Finally, the construction of reduced- and large-scale models provides further
physical validation of the method and insights about the structural behaviour of
these structures.
In summary, this work strongly expands the range of possible forms that
exhibit a bending-free behaviour and, de facto, opens up new possibilities for
designs that combine high-performing solutions with architectural freedom.