Textile hybrid kinetic adaptive structures: a case study

Abstract

This thesis has the main objective to study three distinct typologies of structures. These structures are, form-active structures, in particular membrane structures, bending-active structures and the integration of both concepts with a kinetic principle, therefore adaptive hybrid structures. Both membrane and bending-active are structures that require form finding, since the form of these structures is dependent on the loading and boundary conditions, thus only known a posteriori. These structures are subject to large deformations and thus, geometric nonlinearities must be considered during the calculation. Additionally, the flexibility of membrane structures conjugated with the elastic behaviour of bending-active structures creates the perfect conditions for the development of hybrid kinetic structures that adapt according to the external loading conditions present. This study intends to elaborate an exploratory approach on these concepts, thus bringing forward the main problems that originate when analysing a structure of this type. Therefore, firstly a study on membrane, bending-active, hybrid and kinetic structures is presented, containing the most relevant knowledge that currently exists regarding these topics. Then, the structural aspects that are inherent to these structures are exposed. Three routines are developed in Sofistik® in order form find and calculate the above-mentioned structures. Validations are made on these routines and software analysis. The structural feasibility of an architectural concept proposed by Costa (2017) of a hybrid adaptive concept is studied by applying these routines, and the kinetic hybrid concept is simulated in Sofistik®. The adaptive principle is also extended to function structurally, by taking advantage of the bending prestress implied by the bending-active elements. Finally, external wind loads are applied to this structure, in order to test the effectiveness of the structural adaptive concept. It was concluded that there is significant importance of the bending adaptive movement in the loadbearing capacity of the overall system. Additionally, the choice of the initial shape of the structure defines a crucial step on the definition of the structure, since it affects the process of form finding, that latter affects the structural performance.

A presente dissertação tem como objetivo principal estudar três tipologias distintas de estruturas. Estas estruturas são as estruturas de forma ativa, particularmente as estruturas em membrana, as estruturas de flexão ativa e a integração de ambos os conceitos com um princípio cinético, ou seja, estruturas hibridas adaptativas. Tanto as estruturas de membranas como as estruturas de flexão ativa são estruturas que requerem determinação da forma pois, como a forma destas estruturas é dependente das condições de tensão e de fronteira, apenas é conhecida a posteriori. Estas estruturas estão sujeitas a grandes deformações e, portanto, as não linearidades geométricas devem ser consideradas durante o cálculo. Para além disto, a flexibilidade das estruturas de membrana conjugada com o comportamento elástico das estruturas de flexão ativa geram condições perfeitas para o desenvolvimento de estruturas cinéticas hibridas que se adaptam de acordo com as condições de carregamento presentes. Este estudo pretende elaborar uma aproximação exploratória a estes conceitos, trazendo para primeiro plano os principais problemas originários da análise deste tipo de estruturas. Desta forma, primeiramente é apresentado um estudo sobre estruturas de membrana, flexão ativa, hibridas e cinéticas, contendo a informação mais relevante que existe atualmente sobre estes assuntos. De seguida, os aspetos estruturais inerentes a estas estruturas são expostos. Três rotinas são desenvolvidas no Sofistik® de forma a determinar a forma e calcular as estruturas anteriormente mencionadas. São realizadas validações destas rotinas e da análise preconizada pelo software. A viabilidade estrutural de um conceito de arquitetura proposto por Costa (2017) sobre uma estrutura hibrida adaptativa é estudada através da aplicação destas rotinas, e o princípio cinético hibrido é simulado através do Sofistik®. O princípio adaptativo é alargado de modo a funcionar estruturalmente, tirando partido da pretensão implícita pelos elementos de flexão ativa. Finalmente, são aplicadas cargas externas de vento à estrutura, de forma a testar a eficácia do principio adaptativo estrutural. Foi concluído que o movimento adaptativo de flexão tem uma importante significância ao nível da carga admissível na estrutura. Adicionalmente, a escolha da geometria inicial da estrutura define uma etapa fundamental na definição da estrutura, pois afeta o processo de form finding, que mais tarde afeta o desempenho estrutural.