CS285 Final Paper_Toby&Pardeep

7/28/2019 CS285 Final Paper_Toby&Pardeep

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C S 2 8 5 F i n a l P r o j e c t : T h e V e r t i c a l S t r e e t

T o b y M i t c h e l l a n d P a r d e e p K u m a r

D e c e m b e r 1 6 , 2 0 1 1

1 I n t r o d u c t i o n

T h i s p a p e r d e s c r i b e s t h e n a l c o u r s e p r o j e c t i n P r o f e s s o r C a r l o S e q u i n ' s D i g i t a l

S o l i d M o d e l i n g a n d F a b r i c a t i o n c o u r s e a t B e r k e l e y . T h e i d e a f o r t h e p r o j e c t

o r i g i n a t e d y e a r s a g o i n T o b y M i t c h e l l ' s i d l e i n v e s t i g a t i o n s i n t o s h e l l s t r u c t u r e s

d u r i n g F a l l 2 0 0 7 w i n t e r b r e a k . T h e u n b e a t a b l e m a t e r i a l e c i e n c y o f s h e l l s t r u c -

t u r e s , w h i c h b e h a v e l i k e a n a r c h i n 3 D , e v e n t u a l l y i n s p i r e d t h i s w o r k .

T h e p r e s s u r e t o h o u s e a n d s u s t a i n t h e w o r l d p o p u l a t i o n h a s f o s t e r e d h a p h a z -

a r d e x p a n s i o n a n d s p r a w l . E s p e c i a l l y i n A m e r i c a , t h e s u r b u r b a n i d e a l h a s l e a d

t o a n e n o r m o u s l y w a s t e f u l u s e o f r e s o u r c e s . L a r g e n u m b e r s o f p e o p l e c l a i m i n g

i n d i v i d u a l e f d o m s o f l a w n , g a r a g e , a n d y a r d h a v e e r a s e d w i l d a r e a s , p o l l u t e d

g r o u n d w a t e r , a n d f o s t e r e d a c a r - c e n t r i c e c o n o m y t h a t r e q u i r e s a c o n s t a n t s u p p l y

o f f o s s i l f u e l s . B u t i n b e t t e r - p l a n n e d u r b a n a r e a s , w h e r e d e n s i t y i s u s e d t o m i n -

i m i z e e n v i r o n m e n t a l i m p a c t , t h e e x i s t i n g t e m p l a t e i s t h e h i g h - r i s e t o w e r , w h e r e

i n h a b i t a n t s a r e s e c t i o n e d i n t o s t a c k e d b o x e s w i t h l i t t l e p u b l i c s p a c e b e t w e e n

t h e m a n d m i n i m a l i n t e r a c t i o n w i t h t h e s t r e e t b e l o w . T h i s s t a n d a r d p a t t e r n o f

h i g h - r i s e d e v e l o p m e n t h a s b e e n a s e x t e n s i v e l y c r i t i q u e d a s t h e p a t t e r n o f s u b u r -

b a n s p r a w l , m o s t f a m o u s l y b y J a n e J a c o b s , b u t m o r e s i g n i c a n t l y b y t h e g r e a t

n u m b e r s o f p e o p l e w h o s t i l l p r e f e r t h e s p r a w l t o t h e c i t y .

W e t h i n k t h a t t h e m o s t v i t a l a s p e c t o f u r b a n l i f e i s t h e s t r e e t , a n d e s p e c i a l l y

t h e s t r e e t s i d e s p a c e b e t w e e n t h e r o a d w a y a n d t h e b u i l d i n g s . T h i s i s w h e r e t h e

l i f e o f a c i t y h a p p e n s - i n p a r k s a n d s q u a r e s a n d c a f e s a n d s h o p s , w h e r e p e o p l e

m e e t t h e i r n e i g h b o r s a n d t h e i r f r i e n d s i n a s e r i e s o f u n p l a n n e d e n c o u n t e r s t h a t

b u i l d s u p t h e s e n s e o f c o n n e c t i o n t h a t w e n e e d t o f e e l p a r t o f a l a r g e r w h o l e .

B o t h t h e m a n d a t o r y a u t o m o b i l i t y o f s p r a w l a n d t h e s t a c k e d b o x e s o f t h e h i g h -

r i s e t o w e r s l i c e t h i s a r t e r y o f p u b l i c l i f e , e l i m i n a t i n g t h e m o s t e s s e n t i a l s p a c e

t h a t c i t i e s r e q u i r e t o f e e l l i k e a p l a c e a n d n o t m e r e l y a l o c a t i o n .

S o h o w d o w e m e s h s t r e e t s a n d s t r e e t s i d e s w i t h t h e h i g h - r i s e t o w e r s n e e d e d

t o m a k e u r b a n d e n s i t y p o s s i b l e ? A s s t r u c t u r a l e n g i n e e r s , t h e a n s w e r s e e m s f a i r l y

c l e a r : w i n d a s t r e e t a r o u n d a t o w e r . A c h e i v i n g t h i s n e w t y p e o f u r b a n d e n s i t y ,

w h e r e p u b l i c s t r e e t s a n d t h e i r a t t e n d a n t s i d e w a l k s , p a r k s , s h o p s a n d a p a r t m e n t s

e x t e n d v e r t i c a l l y i n t o t h e t o w e r s o f t h e c i t y , i s t h e m a i n i d e a o f t h i s p r o j e c t .

1


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F i g u r e 1 : E x t e n s i o n o f n e i g h b o r h o o d s p a c e i n t h e v e r t i c a l d i r e c t i o n . A p a r t m e n t s

a r e s t a c k e d u p t o w e r w i t h p a r k s p a c e r i n g e d a r o u n d t h e m .

2 P r e v i o u s W o r k

I n s p r i n g o f 2 0 0 8 , T o b y M i t c h e l l a l o n g w i t h W i l l G o d f r e y , N o e l V i v a r , a n d L i l y

R o n g w o n a s u s t a i n a b l e d e s i g n c o m p e t i t i o n s p o n s o r e d b y A u t o d e s k w i t h a d e s i g n

f o r a t o w e r t h a t p r e g u r e s t h e c u r r e n t w o r k . I n t h i s t o w e r , t h e c o n v e n t i o n a l

o o r - b y - o o r f o r m a t o f t h e t o w e r w a s u s e d ( a s o p p o s e d t o t h e c o n t i n u o u s s t r e e t ) ,

b u t w i t h l a r g e l o c a l p a r k s p a c e s a r o u n d t h e r e s i d e n c e s ( F i g u r e 1 ) .

T h e t o w e r w a s m a d e p h y s i c a l l y p o s s i b l e b y a s t r u c t u r a l s y s t e m t h a t a c t s l i k e

a n a r c h b r i d g e , e n a b l i n g l a r g e c o l u m n - f r e e s p a n s f o r t h e p a r k s a n d a p a r t m e n t s

t o l l . L i k e a n a r c h b r i d e , t h e s y s t e m i s c o m p o s e d o f a a t d e c k s u p p o r t e d

b y v e r t i c a l m e m b e r s b y a n a r c h e d s u r f a c e t h a t c h a n n e l s t h e l o a d s o n t h e d e c k

d o w n t o t h e s u p p o r t s . U n l i k e a n a r c h b r i d g e , t h e r e i s o n l y o n e s u p p o r t a t t h e

c e n t e r c o l u m n , s o t h e h o r i z o n t a l t h r u s t r e q u i r e d a t t h e o u t e r e d g e o f t h e a r c h e d

s u r f a c e m u s t b e p r o v i d e d b y a s e r i e s o f t e n s i o n e d c a b l e s s t r e t c h i n g s t r a i g h t a t

d e c k l e v e l b e t w e e n t h e o u t e r e d g e a n d t h e l a r g e c o n c r e t e c e n t r a l c o r e s u p p o r t .

T h e s e h a l f - a r c h s e c t i o n s a r e t h e n r e v o l v e d a r o u n d t h e c e n t e r c o l u m n t o c r e a t e

a s e r i e s o f o o r s ( F i g u r e 2 ) .

T h e m a t e r i a l e c i e n c y o f t h i s s t r u c t u r e , w h i c h , l i k e a n a r c h b r i d g e s , c h a n n e l s

l o a d s i n t h e p l a n e o f t h e s t r u c t u r e a n d t h e r e f o r e l a r g e l y a v o i d s t h e o u t - o f - p l a n e

b e n d i n g t h a t w o u l d l e a d t o i m p o s s i b l y o v e r s i z e d m e m b e r s , a l l o w s i t t o b e c o n -

s t r u c t e d a t l a r g e s c a l e s . A t t h e t i m e , w e a n t i c i p a t e d t h a t t h i s t y p e o f s t r u c t u r e

c o u l d e e c t i v e l y s t a c k c i t y b l o c k s v e r t i c a l l y , g e t t i n g c l o s e r t o t h e i d e a l o f t h e

p u b l i c - p r i v a t e i n t e r s e c t i o n o f t h e s t r e e t ( F i g u r e 3 ) .

W i l l G o d f r e y , w h o a l s o d i d t h e r e n d e r s p r e s e n t e d h e r e , r e m a r k e d t h a t i t

w o u l d b e e v e n m o r e i n t e r e s t i n g t o d o t h e s a m e s o r t o f s t r u c t u r e a l o n g a c o n -

t i n u o u s s p i r a l p a t h . A t t h e t i m e , M i t c h e l l l a c k e d t h e m a t h e m a t i c a l a b i l i t y t o

d e s c r i b e t h e s p i r a l v e r s i o n o f t h i s s t r u c t u r e . B u t t h e i d e a s t u c k , a n d w a s p i c k e d

u p a g a i n y e a r s l a t e r f o r t h i s c l a s s p r o j e c t .

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F i g u r e 2 : S t r u c t u r e c o n s i s t s o f o o r s w h e r e t h e c o n c r e t e o o r d e c k i s s u p p o r t e d

o n a c u r v e d c o n c r e t e s h e l l . T h e s h e l l i s r e v o l v e d a r o u n d a c e n t e r c o l u m n , w i t h

s e r v i c e s i n e x t e r n a l s t r u c t u r e s a t t h e o u t e r r i m .

3 D e r i v a t i o n o f t h e S p i r a l S h e l l S u r f a c e

T h e k e y i n g r e d i e n t t o m a k i n g t h e v e r t i c a l s t r e e t w o r k i n p r a c t i c e i s t h e s e l e c t i o n

o f t h e r i g h t s h a p e f o r t h e c u r v e d s u p p o r t s h e l l t h a t c h a n n e l s t h e w e i g h t o f t h e

b u i l d i n g s a n d o t h e r f e a t u r e s o f t h e s t r e e t d o w n i n t o t h e c e n t r a l s u p p o r t i n g c o r e .

T h e c o r r e c t s h a p e c a n b e d e r i v e d b y l o o k i n g a t t h e e q u a t i o n s o f e q u i l i b r i u m o f

a s h e l l s u r f a c e i n p o l a r c o o r d i n a t e s :

r - d i r e c t i o n f o r c e b a l a n c e , f o r f o r c e s p r o j e c t e d t o t h e r - p l a n e :r (rNr) +

Nr N = 0

- d i r e c t i o n p r o j e c t e d f o r c e b a l a n c e :

N + r

Nrr + 2Nr = 0

z - d i r e c t i o n p r o j e c t e d f o r c e b a l a n c e :1r2

2z2 +

1rzr

N + 2

1r

2zr 1r2 z

Nr +

2zr2 Nr = w

w h e r e f o r c e s i n a ( n o n - o r t h o g o n a l ) f r a m e i n t h e t a n g e n t s p a c e o f t h e s h e l l a r e

g i v e n b y

r - p r o j e c t i o n :

Nr = Nr

1+z2

,/r2

1+z2,r

- p r o j e c t i o n :

N = N

1+z2,r

1+z2,/r2

s h e a r p r o j e c t i o n :

Nr

= Nr

.

w h e r e

, s u b s c r i p t s d e n o t e d i e r e n t i a t i o n w i t h r e s p e c t t o t h e s u b s c r i p t v a r i a b l e f o l l o w - i n g t h e c o m m a .

S i m i l a r e q u a t i o n s i n C a r t e s i a n c o o r d i n a t e s a r e d i s c u s s e d i n T i m o s h e n k o ' s

c l a s s i c T h e T h e o r y o f P l a t e s a n d S h e l l s .

I n t h e c l a s s i c a l e x a m p l e s , o n e i s g i v e n a s h e l l s h a p e a n d s o l v e s f o r t h e s t r e s s e s

3


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F i g u r e 3 : T h e l i m i t o n t h e s c a l e o f t h e s t r u c t u r e i s d e t e r m i n e d m o s t l y b y e c o -

n o m i c s , n o t p h y s i c s . Q u i t e l a r g e p r o j e c t s c o u l d b e c o n s t r u c t e d t h a t o p e n u p

l a r g e v e r t i c a l n e i g h b o r h o o d s p a c e s .

4


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i n t h e s h e l l . H o w e v e r , i n E q u i l i b r i u m o f S h e l l S t r u c t u r e s , H e y m a n n p o i n t s o u t

t h a t , i n t h e a b s e n c e o f b e n d i n g , o n e c a n a l s o a s s u m e a d e s i r e d s t r e s s d i s t r i b u t i o n

r s t , a n d t h e n s o l v e b a c k w a r d s t o d e t e r m i n e t h e s h a p e o f t h e s h e l l . T h a t i s , i n

t h e c a s e o f p u r e i n - p l a n e ( m e m b r a n e ) l o a d s , t h e s h e l l i s s t a t i c a l l y d e t e r m i n a t e .

T h i s i s t h e a p p r o a c h w e t a k e .

3 . 1 D e r i v a t i o n o f P r o l e C u r v e

A s s u m e a r a d i a l l y s y m m e t r i c p r o l e c u r v e

z = f(r) w i t h i n n e r e d g e a t r a d i u s ri a n d o u t e r e d g e a t r a d i u s ro .u n d e r c o n s t a n t u n i f o r m l o a d i n g w .T h i s c o r r e s p o n d s t o a c i r c u l a r s l a b s u p p o r t e d b y a s h e l l w h o s e w e i g h t i s

n e g l i g i b l e i n c o m p a r i s o n t o t h e a p p l i e d l o a d s , a s w e ' d r o u g h l y e x p e c t t o s e e f o r

t h e l o a d s f r o m a s t r e e t .

I n t h i s c a s e , i t i s r e a s o n a b l e t o a s s u m e N = Nr = 0 w i l l g i v e a s o l u t i o n .W e i m p o s e s y m m e t r y c o n d i t i o n s :

N =

Nr =

Nrr = 0 - b a l a n c e i s t r i v i a l l y s a t i s e d .

T h e r - d i r e c t i o n b a l a n c e t h e n b e c o m e s :

r (rNr) = 0 Nr = Ar , w h e r e A i s a c o n s t a n t ( a s s u m e d p o s i t i v e ) . T h e

- s i g n f o l l o w s f r o m t h e f a c t t h a t f o r c e s i n t h e s h e l l m u s t b e c o m p r e s s i v e i f w e

w i s h t o n d a s o l u t i o n t h a t c a n b e s u p p o r t e d b y a c o l u m n . N o t e t h a t t h e a b o v e

i m p l i e s t h a t a r e a c t i o n f o r c e

A/ro m u s t b e p r o v i d e d a t t h e o u t e r e d g e a n d a c o r r e s p o n d i n g f o r c e

A/ri a t t h e i n n e r e d g e . T h i s c a n b e d o n e e i t h e r b y a c a b l e e n c i r c l i n g t h e o u t e r e d g e o r a s e r i e s o f r a d i a l t i e - b a c k s a n c h o r i n g t h e o u t e r e d g e

t o t h e i n n e r c o l u m n .

T h e s h a p e o f t h e p r o l e c u r v e z = f(r) c a n b e d e d u c e d f r o m t h e z - b a l a n c e e q u a t i o n :

2z

r2Nr = w

,

Nr =

A

r 2f

r2 = wr

A fr = wr

2

2A + B f(r) = wr36A + Br + C.T h u s t h e p r o l e o f t h e s u p p o r t s h e l l t h a t w i l l b e a r t h e a p p l i e d l o a d s i n i n -

p l a n e c o m p r e s s i o n ( i . e . , a m e m b r a n e s t a t e o f s t r e s s ) i s a c u b i c c u r v e . I t r e m a i n s

f o r u s t o d e t e r m i n e t h e c o n s t a n t s t h a t s p e c i f y t h i s c u r v e .

3 . 2 B o u n d a r y C o n d i t i o n s

S i n c e a c o n c r e t e s l a b i s a s s u m e d t o s i t a t o p t h e s h e l l a n d a t t a c h t o t h e s h e l l a t

ro , i t i s n a t u r a l t o s e t t h e z e r o - l e v e l o f f(r) a t ro . T h i s a l l o w s u s t o e l i m i n a t e t h e c o n s t a n t C:

f(ro) = 0

C=

wr3o6A

Bro

f(r) = w6A(r3 r3o) + B(r ro).S i n c e w e ' d l i k e t o p r o v i d e t h e n e e d e d o u t e r e d g e r e a c t i o n w i t h a c i r c u l a r

c a b l e o r s e t o f r a d i a l t i e - b a c k s , w e n e e d t h e e d g e o f t h e p r o l e c u r v e t o l i e a t

o n t h e r - p l a n e s o t h a t t h e c a b l e i s i n l i n e w i t h t h e o o r s l a b . T h i s w i l l e l i m i n a t e t h e c o n s t a n t B :

5


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fr (ro) = 0 B =

wr2o2A

f(r) = w

6A(r3o r

3) + 3r2o(rro).

F i n a l l y , w e ' d l i k e t o b e a b l e t o s e t t h e t o t a l d e p t h d o f t h e p r o l e c u r v e b e t w e e n t h e i n n e r a n d o u t e r r a d i i . S i n c e f(ro) = 0, w e h a v e

f(ri) = d A = w6d

(r3o r3i ) + 3r2o(ri ro)

= w6d

(r3i r3o) + 3r2o(ro ri)

.

N o t e t h a t i n o r d e r f o r A t o b e p o s i t i v e a s d e n e d , w e m u s t h a v e 3r2o(ro ri) r3o r3iw h i c h i n d i c a t e s t h a t w e m u s t h a v e ro ri.T h u s t h e s h a p e o f t h e p r o l e c u r v e i n t e r m s o f i n n e r r a d i u s ri , o u t e r r a d i u s

ro , a n d p r o l e d e p t h d i s

f(r) = d(r3or

3)+3r2o(rro)(r3

ir3o)+3r

2o(rori)

,

a n d t h e h o r i z o n t a l f o r c e i n t h e s u p p o r t i n g s h e l l i s

Nr = Ar = w6dr

(r3i r3o) + 3r2o(ro ri)

.

W r i t i n g

fr = 3d(r2

o

r2

)(r3ir3o)+3r

2o(rori)

,

r e c a l l i n g t h e d e n i t i o n o f t h e r - p r o j e c t i o n , a n d n o t i n g t h e f a c t t h a t z, = 0i n t h e c u r r e n t c a s e g i v e s

Nr = Ar

1 + f2,r = w6d

[(r3ir3o)+3r2o(rori)]

2

r2 + 9d2

r2 (r2o r2)2 ,

a n d s i n c e t h i s i s a l r e a d y i n a n o r t h o g o n a l f r a m e ( s i n c e t h e f a n o o r s h e l l i s

a s u r f a c e o f r e v o l u t i o n ) w e c a n w r i t e

Nr = Nr . N o t e t h a t Nr a s r 0 ,s o w e m u s t k e e p

ri > 0 f o r t h e s o l u t i o n t o h a v e p h y s i c a l m e a n i n g .W e n o t e t h a t t h o u g h t h i s p r o l e c u r v e w a s d e r i v e d f o r a a t s l a b , t h e c u r v e

i s e x a c t l y t h e s a m e f o r a h e l i c o i d a l ( s p i r a l ) s l a b . P r o o f o f t h i s f a c t i s o u t s i d e t h e

s c o p e o f t h i s r e p o r t .

W e a l s o n o t e t h a t t h e r e a l l o a d c o n d i t i o n s p r e s e n t o n a t o w e r , e . g . , w i n d , w i l l

r e q u i r e a d d i t i o n a l c o n s i d e r a t i o n a n d w i l l l e a d t o a d d i t i o n a l r e i n f o r c e m e n t o f t h e

s t r u c t u r a l m e m b e r s i n o r d e r t o r e s i s t t h e b e n d i n g f o r c e s i n e v i t a b l y i n t r o d u c e d b y

t h e s e l o a d s . H o w e v e r , i t m a k e s s e n s e t o s t a r t t h e d e s i g n f r o m t h e a b o v e g r a v i t y -

l o a d e d c a s e , w h i c h t h e s t r u c t u r e m u s t a l w a y s r e s i s t . O n e t h e n h a s m o n e y i n

t h e b a n k , s t r u c t u r a l l y s p e a k i n g , t h a t c a n t h e n b e i n v e s t e d i n r e s i s t i n g t h e l o a d s

f r o m w i n d , e a r t h q u a k e a n d o t h e r l e s s p r e d i c t a b l e f o r c e s .

4 D e s i g n D e c i s i o n s

T h e f o c u s o f C S 2 8 5 w a s t h e f a b r i c a t i o n o f p a r t s u s i n g 3 D p r i n t i n g a n d o t h e r

d i g i t a l f a b r i c a t i o n t e c h n i q u e s . S i n c e t h e s h a p e o f t h e s u p p o r t s t r u c t u r e i s k e y

t o i t s p e r f o r m a n c e , i t m a k e s a g r e a t d e a l o f s e n s e t o c o n t r o l t h i s g e o m e t r y

a s p r e c i s e l y a s p o s s i b l e b y 3 D - p r i n t i n g t h e j o i n t s o f t h e s t r u c t u r e , s i n c e t h e y

e e c t i v e l y c o n t r o l i t s g e o m e t r y . T h i s l e a d t o o u r p r o j e c t p r o p o s a l : b u i l d a s c a l e

m o d e l o f t h e v e r t i c a l s t r e e t b y 3 D - p r i n t i n g t h e j o i n t s o f t h e s t r u c t u r e , a n d t h e n

m a p p i n g a g r i d o f s t r a i g h t l i n e s o n t o t h e s t r u c t u r e t h a t f r a m e b e t w e e n t h e s e

j o i n t s a n d a p p r o x i m a t e t h e i d e a l c o n t i n u o u s s h a p e o f t h e s h e l l .

6


7/14

20020 2520151050510152025

0

5

10

15

20

25

30

50

100

150

200

F i g u r e 4 : S p i r a l s t a i r w i t h c r o s s - b r a c i n g . T h e s t r u c t u r a l p r i n c i p l e c o u l d b e

e x t e n d e d t o f u l l - s i z e d b u i l d i n g s , l e a d i n g t o a t o w e r w i t h a s t r e e t w i n d i n g i t s

h e i g h t .

P h y s i c a l l y , d i a g o n a l c r o s s - b r a c i n g w a s r e q u i r e d t o a l l o w t h e s t r u c t u r e t o

r e s i s t a n y t w i s t i n g ( t o r s i o n a l ) l o a d s t h a t m i g h t b e a p p l i e d t o i t , f o r e x a m p l e b y

w i n d f o r c e s . T h e c r o s s - b r a c i n g p a t t e r n w a s a r r i v e d a t b y t r a c i n g t w o c o u n t e r -

r o t a t i n g l o g a r i t h m i c s p i r a l s o n t o t h e s u r f a c e o f t h e s h e l l . S i n c e t h i s p a t t e r n o f

b r a c e s i s t h e i d e a l f o r m f o r r e s i s t i n g t o r s i o n a l l o a d s i n t h e 2 D p l a n e ( a s d i s c o v e r e d

b y M i c h e l l i n T h e L i m i t s o f E c o n o m y o f M a t e r i a l i n F r a m e - S t r u c t u r e s ) , i t

s h o u l d p r o v i d e t h e m o s t e c i e n t s c h e m e f o r r e s i s t i n g t o r s i o n i n t h e p l a n e o f t h e

s h e l l . T h e e x a c t c o n t i n u u m s h e l l s h a p e a n d t h e s p i r a l b r a c i n g w e r e g e n e r a t e d

i n M A T L A B ( F i g u r e 4 ) .

T h e p o i n t s o f i n t e r s e c t i o n o f t h e s e c r o s s - b r a c i n g s p i r a l s a l s o d e t e r m i n e t h e

g r i d o f p o i n t s o n t h e s u r f a c e o f t h e s h e l l t h a t w e i n t e r p o l a t e w i t h s t r a i g h t l i n e s

t o g e t a s t r u c t u r e w e c a n e a s i l y c o n s t r u c t f r o m s t e e l r o d s . W i t h t h i s s c h e m e ,

o n e h a s t o c h o o s e t h e n u m b e r o f s p i r a l s , a s w e l l a s t h e n u m b e r o f r a d i a l r i b s

t h a t a r e t h e m a i n l o a d - b e a r i n g m e m b e r s . T h i s w a s d o n e b y a p r o c e s s o f t r i a l

a n d e r r o r , w h e r e t h e a m o u n t o f p o i n t s n e e d e d t o a c c u r a t e l y a n d a e s t h e t i c a l l y

m a p t h e s u r f a c e ( t h e m o r e p o i n t s , t h e b e t t e r ) w a s b a l a n c e d a g a i n s t t h e p r a c t i c a l

n e e d f o r a b u i l d i n g m o d e l t h a t c o u l d b e c o n s t r u c t e d i n a r e a s o n a b l e t i m e f r a m e

b y t w o p e o p l e ( t h e f e w e r p a r t s , t h e b e t t e r ) .

I n o r d e r t o b e s t a p p r o x i m a t e t h e M i c h e l l s p i r a l s t r u c t u r e o f t h e c r o s s - b r a c i n g ,

w h e r e t h e s p i r a l s c r o s s a t r i g h t a n g l e s , w e a d j u s t e d t h e i n t e r p o l a t i o n p o i n t s s o

t h a t t h e s t r a i g h t c r o s s - b r a c i n g e l e m e n t s c r o s s e a c h o t h e r a t r i g h t a n g l e s . T h e

n a l d e s i g n b a l a n c e d t h e c o n c e r n s o f a c c u r a c y a n d c o n s t r u c t a b i l i t y a s b e s t a s

p o s s i b l e w i t h i n t h e c o n s t r a i n t s o f t h e p r o j e c t ( F i g u r e 5 ) .

O n e d e t a i l t h a t w a s s o m e w h a t s u b t l e w a s t h a t t h e c h o i c e o f i n t e r p o l a t i o n

p o i n t l o c a t i o n s c o u l d s t r o n g l y a e c t t h e q u a l i t y o f t h e i n t e r p o l a t e d s h a p e . F o r

i n s t a n c e , w e n o t i c e d t h a t , f o r t h e v e - r i n g e d d e s i g n w e s e t t l e d o n , e x t e n d i n g

f u l l y c r o s s - b r a c e d s q u a r e s t o t h e o u t e r e d g e l e d t o a r a d i a l r i b g e o m e t r y t h a t w a s

n o t i c e a b l y k i n k e d n e a r t h e e d g e ( F i g u r e 6 ) . T h i s h a p p e n e d b e c a u s e t h e s h e l l

p r o l e i s n e a r l y s t r a i g h t a t t h e c e n t e r c o l u m n ( t h e l i n e a r t e r m o f t h e p r o l e

7


8/14

105

05

10

10

5

0

5

10

10 5 0 5 10

10

5

0

5

10

F i g u r e 5 : T h e n a l d e s i g n i s c r e a t e d b y l i n e a r l y i n t e r p o l a t i n g t h e c o n t i n u o u s

s h e l l s u r f a c e a t a s e t o f p o i n t s . T h e p o i n t s w e r e c h o s e n s o t h a t t h e d i a g o n a l

b r a c e s c r o s s a t r i g h t a n g l e s .

10 5 0 5 10

4

2

0

2

4

6

8

10 5 0 5 10

4

2

0

2

4

6

8

F i g u r e 6 : O r i g i n a l i n t e r p o l a t i o n l e d t o a s h a r p k i n k ( r e d c i r c l e ) . I n t e r p o l a t i n g

w i t h a h a l f - l e n g t h m a d e t h e r i b c u r v e m o r e s m o o t h l y .

e q u a t i o n d o m i n a t e s ) , b e c o m i n g p r o g r e s s i v e l y m o r e c u r v e d a t t h e o u t e r e d g e .

S i n c e t h e c r o s s - b r a c e d s q u a r e s b e c o m e l a r g e r n e a r t h e o u t e r e d g e , o n e h a s f e w e r

p o i n t s t o m a p a m o r e s t r o n g l y c u r v e d s u r f a c e , l e a d i n g t o a n o t i c e a b l e i n a c c u r a c y .

B y c o n t r a s t , u s i n g a h a l f - s q u a r e a t t h e o u t e r e d g e l o o k e d s o m e w h a t l e s s

s y m m e t r i c o v e r a l l , b u t l e a d t o a m o r e g r a c e f u l l y c u r v e d r i b s h a p e . W e d e c i d e d

t o u s e t h i s a s o u r n a l d e s i g n .

D e s i g n - w i s e , t h e m o s t l a b o r - i n t e n s i v e p a r t o f t h e m o d e l w a s t h e d e s i g n o f

t h e j o i n t s t h a t w e r e t o b e 3 D - p r i n t e d . S t a r t i n g w i t h t h e M A T L A B m o d e l o f t h e

i n t e r p o l a t e d s t r u c t u r e , t h e l o c a t i o n s o f t h e j o i n t s w e r e e x p o r t e d a s a . s t p l e f r o m

M A T L A B i n t o R h i n o , c o n n e c t e d w i t h s o l i d p i p e s , s u r r o u n d e d b y s o l i d s p h e r e s ,

a n d t h e n t h e p i p e s w e r e B o o l e a n - s u b t r a c t e d f r o m t h e s p h e r e s t o g e n e r a t e s o c k e t s

i n t h e s p h e r e s i n t o w h i c h t h e s t e e l r o d s c o u l d t . C a r e w a s t a k e n t o e n s u r e

t h a t r o d s d i d n o t p h y s i c a l l y i n t e r f e r e w i t h o n e a n o t h e r . I n o r d e r t o k e e p t h e

c o s t o f t h e j o i n t s d o w n , t h e s p h e r e s w e r e c a r v e d a w a y t h r o u g h f u r t h e r B o o l e a n

o p e r a t i o n s i n t o c o m p l i c a t e d s o c k e t e d o b j e c t s t h a t j u s t s u r r o u n d e d t h e i n s e r t e d

r o d s .

8


9/14

F i g u r e 7 : D r i l l h o l e l o c a t i o n s w e r e p r i n t e d d i r e c t l y f r o m M A T L A B o n t o a s h e e t

o f p a p e r . P a p e r w a s t h e n w r a p p e d a r o u n d t h e c e n t e r c o l u m n p i p e . T h i s r e s u l t e d

i n w e l l - a l i g n e d d r i l l h o l e s f o r t h e t i e - b a c k i n l e t s a n d o u t l e t s .

C a r e w a s a l s o t a k e n t o e n s u r e t h a t t h e C A D l e s f o r e a c h j o i n t w e r e p e r f e c t l y

s e a m l e s s a n d n o n - s e l f - i n t e r s e c t i n g , s i n c e t h i s i s n e c e s s a r y t o e n s u r e t h a t t h e

3 D - p r i n t i n g o f t h e j o i n t s i s a c c u r a t e . O n c e d o n e , t h e j o i n t s w e r e e x p o r t e d t o

. s t l l e s , a n d t h e . s t l l e s w e r e c h e c k e d o v e r f o r c o n s i s t e n c y a n d t h e n s e n t t o

S h a p e w a y s . c o m f o r f a b r i c a t i o n o u t o f l a s e r - s i n t e r e d n y l o n p o w d e r . T h e r e w a s

a t w o - w e e k l e a d t i m e f o r t h i s p r o c e s s , s o v e r y e a r l y o n w e p r i n t e d s o m e s i m p l e

t e s t j o i n t s t o e n s u r e t h a t o u r r o d s w o u l d t c o r r e c t l y b e f o r e w e p l a c e d o u r m a i n

o r d e r .

5 B u i l d i n g t h e M o d e l

W h i l e w a i t i n g f o r t h e j o i n t s t o a r r i v e f r o m S h a p e w a y s , w e f a b r i c a t e d a l l t h e

o t h e r p a r t s o f t h e m o d e l .

A 2 4 i n s t e e l p i p e s e c t i o n w i t h o u t e r - d i a m e t e r o f 2 . 5 i n a n d t h i c k n e s s o f 0 . 2 5

i n w a s u s e d a s t h e c e n t r a l s h a f t . T h e c e n t r a l s h a f t s u p p o r t e d t h e h e l i c a l r i n g s

a n d c a b l e t i e b a c k s . D e p e n d i n g o n t h e o r i e n t a t i o n s t w o s e t s o f h o l e s w e r e d r i l l e d

i n t h e c e n t r a l s h a f t : h o r i z o n t a l h o l e s f o r c a b l e t i e b a c k s a n d i n c l i n e d h o l e s t o

s u p p o r t t h e r i b r i d s o f t h e i n n e r m o s t h e l i c a l r i n g .

L o c a t i o n o f h o l e s o n t h e c e n t r a l s h a f t w a s a n i m p o r t a n t s t e p , a s w r o n g

l o c a t i o n s c o u l d l e a d t o i n a c c u r a t e g e o m e t r y a n d a n u n s t a b l e m o d e l . T h e h o l e s

l o c a t i o n s w e r e c a r e f u l l y m e a s u r e d f r o m t h e M A T L A B m o d e l a n d p r i n t e d o n a

s h e e t o f p a p e r , s c a l e d a p p r o p r i a t e l y t o t t h e a c t u a l d i m e n s i o n s o f t h e m o d e l .

T h i s s h e e t w a s w r a p p e d a r o u n d t h e c i r c u m f e r e n c e o f t h e c e n t r a l s h a f t a n d t a p e d

t i g h t l y ( F i g u r e 7 ) .

T h e s t e e l p i p e s e c t i o n w a s c l a m p e d t i g h t l y t o a h o r i z o n t a l p l a t f o r m o f t h e

d r i l l m a c h i n e , a n d l o c a t i o n s o f h o l e s w e r e t a p p e d u s i n g a t a p b i t . A f t e r t h a n

m a i n t a i n i n g t h e s a m e p o s i t i o n , h o r i z o n t a l h o l e s f o r c a b l e t i e b a c k w e r e d r i l l e d .

T h e p l a t f o r m w a s t h e n t i l t e d t o o r i e n t i t a t a n a n g l e o f 3 2 d e g r e e s w i t h r e s p e c t

t o t h e v e r t i c a l . T h e c l a m p w a s p o s i t i o n e d a n d i t s a n g l e w a s c h e c k e d a g a i n .

9


10/14

F i g u r e 8 : D r i l l p r e s s w a s s e t u p a t a n a n g l e o f 3 2 d e g r e e s t o d r i l l a n d t a p h o l e s .

F i t w a s t e s t e d w i t h 1 / 4 b o l t s . A l i g n m e n t o f b o l t s w a s a c c u r a t e . B o l t s w e r e

t h e n c u t t o l e n g t h t o p r o d u c e t h e i n n e r m o s t r i n g o f r i b r o d s .

F i g u r e 9 : R o d s w e r e c u t , l e a v i n g m e t a l a s h . T h i s w a s g r o u n d d o w n , a n d t h e

e n d s w e r e b e v e l e d . F i n a l r o d l e n g t h w a s c h e c k e d w i t h d i g i t a l c a l i p e r s . R o d s

d e v i a t e d u p w a r d s a m a x i m u m o f 2 0 m i l s f r o m t h e t a r g e t l e n g t h , a n d d o w n w a r d

a m i n i m u m o f - 5 m i l s .

T h e c e n t r a l s h a f t w a s t h e n c l a m p e d w i t h t w o a t w o o d e n b l o c k s o n e i t h e r s i d e

( F i g u r e 7 ) . T h e a t w o o d e n b l o c k s a s s u r e d p r o p e r c l a m p i n g a n d r e s i s t e d t h e

r o t a t i o n o f t h e c e n t r a l s h a f t a b o u t a x i s p e r p e n d i c u l a r t o i t s c i r c u l a r s e c t i o n .

I n c l i n e d h o l e s f o r t h e r i b r o d s w e r e t h e n d r i l l e d a t t h e t a p p e d l o c a t i o n s .

T h e h e l i c a l p a r t o f t h e m o d e l c o m p r i s e d o f f o l l o w i n g :

1 . R i b R o d s : R i b r o d s c o n n e c t t h e h e l i c a l r i n g s . T h e y w e r e o r i e n t e d i n t h e

r a d i a l d i r e c t i o n . A l l r i b r o d s w e r e 0 . 2 5 i n d i a m e t e r . T h e r i b r o d s c o n n e c t i n g

t h e i n n e r m o s t h e l i c a l r i n g w i t h t h e c e n t r a l s h a f t w e r e t h r e a d e d . T h e r e s t o f t h e

r i b r o d s h a d p l a i n s u r f a c e .

2 . H e l i x R o d s : H e l i x r o d s w e r e o r i e n t e d a l o n g t h e c i r c u m f e r e n c e o f t h e

h e l i c a l r i n g s . P l a i n r o d s w i t h 0 . 1 8 7 5 i n . d i a m e t e r w e r e u s e d a s H e l i x r o d s .

3 . C r o s s B r a c e s : B r a c i n g s y s t e m o f t h e m o d e l c o m p r i s e d o f c r o s s b r a c e s .

P l a i n s t e e l r o d s o f d i a m e t e r 0 . 1 2 5 i n w e r e u s e d f o r m a k i n g t h e c r o s s b r a c i n g

s y s t e m o f t h e s t r u c t u r e .

4 . V e r t i c a l T i e R o d s : 0 . 1 2 5 i n t h r e a d e d r o d s w e r e u s e d f o r t h e v e r t i c a l t i e

1 0


11/14

F i g u r e 1 0 : J o i n t s c o n t a i n e d l e f t o v e r n y l o n p o w d e r t h a t h a d t o b e r e m o v e d w i t h

a p a p e r c l i p . T h e a s s o r t m e n t o f n i s h e d p a r t s w a s l a i d o u t p r i o r t o a s s e m b l y .

s y s t e m . T h e m a i n f u n c t i o n o f t h e s e r o d s w a s t o s u p p o r t t h e c a b l e t i e s a n d t h e

h o r i z o n t a l d e c k .

A l l t h e r o d s e x p l a i n e d a b o v e w e r e c u t o u t t o r e q u i r e d l e n g t h u s i n g b a r c u t t i n g

l a t h e m a c h i n e ( F i g u r e 9 ) . T h e s e r o d s w e r e t h a n s a n d e d t o c h i p o f t h e s h a r p

e d g e s o n a s a n d m a c h i n e . T h e l e n g t h s w e r e a d j u s t e d t o b e w i t h i n a n e r r o r o f +

2 0 a n d - 5 m i l s , b a s e d o n t h e m e a s u r e m e n t s m a d e u s i n g a d i g i t a l c a l i p e r .

5 . J o i n t s : B a s e d o n t h e i r l o c a t i o n s j o i n t s w e r e l a b e l e d a s p r i m a r y a n d s e c -

o n d a r y . P r i m a r y j o i n t s w e r e o n e s c o n n e c t i n g t h e r i b r o d s , h e l i x r o d s , c r o s s

b r a c e s a n d v e r t i c a l t i e r o d s . T h e y w e r e d i s t r i b u t e d a l l l o n g t h e h e l i c a l a s s e m b l y .

S e c o n d a r y j o i n t s c o n n e c t e d h e l i c a l r o d s a n d c r o s s b r a c e s . T h e y w e r e p o s i t i o n e d

o n l y a t t h e o u t e r m o s t h e l i c a l r i n g . I n s i d e s u r f a c e s o f a l l t h e j o i n t s w e r e c l e a n e d

t o r e m o v e r e s i d u a l m a t e r i a l f r o m c o n s t r u c t i o n o f t h e j o i n t s ( F i g u r e 1 0 ) .

6 . C a b l e T i e s : T o g e t t h e p r o p e r f o r c e t r a n s f e r d u e t o t h e s e l f w e i g h t o r

i m p o s e d w e i g h t o n t h e d e c k , c a b l e t i e s w e r e r u n t h r o u g h e a c h r i b a r c h . B r a k e

c a b l e s o f d i a m e t e r 0 . 0 1 3 2 5 i n w e r e u s e d a s c a b l e t i e s . T h e s e c a b l e s w e r e s c r e w e d

w i t h e a c h v e r t i c a l t i e r o d , p a s s e d t h r o u g h o n e f a c e o f t h e c e n t r a l s h a f t a n d t i e d

b a c k a t t h e o t h e r d i a m e t r i c a l l y o p p o s i t e e n d . A h o l l o w s c r e w w a s u s e d t o l e t

t h e c a b l e l o o p p a s s a n d c l a m p t h e e n d s r m l y . H o w e v e r , o u r b i g g e s t m i s t a k e

w a s t h a t w e o r d e r e d s l i g h t l y l e s s t h a n t h e n e c e s s a r y a m o u n t o f c a b l e s i n c e w e

d i d n ' t a c c o u n t f o r t h e s l a c k n e e d e d t o a d j u s t t h e c a b l e l e n g t h p r o p e r l y . P e n d i n g

f u r t h e r c a b l e , t h e s e a r e l e f t o u t o f t h e n a l a s s e m b l y .

7 . P l e x i - g l a s s D e c k s : P l e x i - g l a s s d e c k s w e r e s u p p o r t e d b y t h e v e r t i c a l t i e

r o d s f r o m t w o a d j a c e n t r i b r o d s o n e a c h s i d e . T h e s h a p e s w e r e c u t a s s h o w n

a n d t h e h o l e s w e r e c a r e f u l l y d r i l l e d a t r e q u i r e d l o c a t i o n s . T h e s e d e c k s w e r e h e l d

i n p l a c e u s i n g n u t s .

A f t e r a l l t h e p a r t s w e r e r e a d y t h e c e n t r a l s h a f t w a s c l e a n e d a n d p r o p e r l y

p l a c e d i n t h e w o o d e n f o u n d a t i o n b l o c k s . T h e i n n e r m o s t h e l i c a l r i n g w a s i n s t a l l e d

r s t . A f t e r t h a t t h e a s s e m b l y w a s h a m m e r e d l i g h t l y u s i n g a r u b b e r m a l l e t t o

e n s u r e a r i g i d c o n n e c t i o n b e t w e e n t h e j o i n t s a n d t h e c o n n e c t i n g r o d s ( F i g u r e

1 1 ) . A f t e r t h a t r e s t o f t h e s t r u c t u r e w a s a s s e m b l e d o n e r i n g a t a t i m e ( R i b

1 1


12/14

F i g u r e 1 1 : J o i n t s w e r e h a m m e r e d t o a t i g h t t . E a c h r i n g o f j o i n t s w a s a s s e m b l e d

a s a u n i t . T h e n a l f a b r i c a t i o n s t e p w a s t h e c u t t i n g a n d d r i l l i n g o f t h e p l e x i g l a s s

s t e p s o f t h e s t a i r c a s e .

r o d s , h e l i x r o d s a n d c r o s s b r a c e s ) f o l l o w e d b y l i g h t h a m m e r i n g t o e n s u r e r m

c o n n e c t i o n . O n c e t h e a r c h a s s e m b l y w a s r e a d y t h e v e r t i c a l t h r e a d e d t i e r o d s

w e r e s c r e w e d i n t o t h e j o i n t s . A f t e r t h a t t h e p l e x i - g l a s s d e c k w a s s c r e w e d u s i n g

n u t s a n d p o s i t i o n e d h o r i z o n t a l o n t h e v e r t i c a l t h r e a d e d r o d s o f a d j a c e n t r i b s .

T h e n a l r e s u l t h e w e d v e r y c l o s e l y ( a s e x p e c t e d ! ) t o t h e C A D m o d e l o f t h e

d e s i g n . T h o u g h c o a r s e , i t a c h e i v e d s o m e h i n t o f t h e e l e g a n c e a n d s t r e n g t h t h a t

s h e l l s t r u c t u r e s c a n e m b o d y ( F i g u r e 1 2 ) .

6 C o n c l u s i o n s a n d F u t u r e W o r k

T h e n a l m o d e l p r o v e d t h a t t h e c o m p l e x g e o m e t r y o f s h e l l s t r u c t u r e s c a n b e

a c c u r a t e l y c o n s t r u c t e d t h r o u g h c a r e f u l d e s i g n o f c o m p o n e n t p a r t s a n d 3 D d i g i t a l

f a b r i c a t i o n o f j o i n t s . T h i s a p p r o a c h i s p a r t i c u l a r l y u s e f u l b e c a u s e i t a l l o w s

a l l t h e p a r t s b e s i d e s t h e j o i n t s , e . g . , t h e s t r u c t u r a l m e m b e r s t h e m s e l v e s , t o

b e f a b r i c a t e d w i t h c o n v e n t i o n a l m a c h i n e s h o p t e c h n i q u e s , m e a n i n g t h a t t h e

r e l a t i v e l y e x p e n s i v e 3 D f a b r i c a t i o n o f p a r t s c a n b e l i m i t e d t o t h e j o i n t s w h e r e

t h e a d d e d a c c u r a c y o f 3 D f a b r i c a t i o n i s m o s t n e e d e d .

I n o r d e r t o t e s t t h e s t r u c t u r e u n d e r t h e d e s i g n l o a d s ( u n i f o r m g r a v i t y l o a d -

i n g o f t h e p l e x i g l a s s s t e p s ) , w e n e e d t o o r d e r a n e w r u n o f c a b l e a n d r e f r a m e

t h e s t r u c t u r e w i t h t h e c a b l e i n p l a c e a n d t i g h t e n e d t o t h e a p p r o p r i a t e t e n s i o n .

E v e n p r i o r t o d o i n g t h i s , h o w e v e r , i t i s c l e a r f r o m w o r k i n g w i t h t h e m o d e l d u r -

i n g a s s e m b l y t h a t t h e s m a l l e c c e n t r i c i t i e s ( t h a t i s , f a i l u r e s o f t h e c o n n e c t i n g

r o d s o r c a b l e t i e s t o l i n e u p d i r e c t l y w i t h t h e c e n t e r p o i n t o f t h e j o i n t s ) t h a t

w e r e d e s i g n e d i n t o t h e m o d e l t o f a c i l i t a t e c o n s t r u c t i o n o f t h e t i e - b a c k s a n d t o

a v o i d c l a s h e s b e t w e e n t h e r o d s i n s i d e t h e j o i n t s m a y h a v e a s i g n i c a n t e e c t o n

s t r u c t u r a l b e h a v i o r .

I n p a r t i c u l a r , t h e t i e - b a c k w a s d e s i g n e d s o m e w h a t o - c e n t e r f r o m t h e e d g e

j o i n t i n o r d e r t o f a c i l i t a t e e a s y j o i n i n g o f t h e c a b l e t o t h e j o i n t . H o w e v e r , t h i s w i l l

i n t r o d u c e s o m e b e n d i n g i n t o t h e j o i n t , l i m i t i n g t h e p e r f o r m a n c e o f t h e s t r u c t u r e .

1 2


13/14

F i g u r e 1 2 : T h e n a l p r o d u c t .

1 3


14/14

I t i s w o r t h n o t i n g t h a t t h e s e i s s u e s w o u l d n o t b e p r e s e n t i f t h e s t r u c t u r e w e r e

b u i l t a t l a r g e r s c a l e s , s i n c e t h e d e s i g n o f t h e j o i n t s w a s l i m i t e d b y t h e a b i l i t y o f

t h e a u t h o r s t o m a n i p u l a t e t h e m m a n u a l l y . A t l a r g e r s c a l e s , t h i s i s e a s i l y a v o i d e d

b y c a r e f u l j o i n t d e s i g n .

I d e a l l y , t h i s r e p o r t w i l l b e u p d a t e d s o o n w i t h m e a s u r e m e n t s o f t h e d i s p l a c e -

m e n t o f t h e s t r u c t u r e u n d e r l o a d , o n c e t h e c a b l e t i e - b a c k s a r e c o m p l e t e d .

7 A c k n o w l e d g e m e n t s

T h i s p r o j e c t w o u l d h a v e b e e n i m p o s s i b l e w i t h o u t t h e n a n c i a l s u p p o r t f o r t h e

p u r c h a s e o f m a t e r i a l s c o n t r i b u t e d b y P r o f e s s o r s C a r l o S e q u i n a n d S a n j a y G o v i n -

d j e e . T h e C i v i l E n g i n e e r i n g D e p a r t m e n t l a b s t a - J e H i g g i n b o t h a m a n d M a t t

C a t a l e t a - p r o v i d e d g e n e r o u s a s s i s t a n c e i n t h e f o r m o f t h e i r t i m e a n d e x p e r t i s e

i n t h e D a v i s H a l l m a c h i n e s h o p . W e a r e e x t r e m e l y g r a t e f u l f o r t h e i r s u p p o r t

a n d a s s i s t a n c e .

1 4

CS285 Final Paper_Toby&Pardeep

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