Morphogenesis of a toroidal Skywalk. Development, design and optimization

Morphogenesis of a Toroidal SkywalkDevelopment, design and optimization

Università di PisaScuola di IngegneriaTesi di laurea specialistica in Ingegneria edile e delle costruzioni civili

Relatori: Prof. Ing. Maurizio Froli Ing. Francesco Laccone

Candidato: Marco Pellegrino

IntroduzioneAnalisi preliminariForm FindingOttimizzazione strutturalePannellizzazioneProgetto

Introduzione

Grand Canyon skywalk Arizona – Hualapai Indian Reservation

Riferimenti contemporanei

Glacier skywalkJasper National Park - Canada

• Camminamento in vetro

• Travi scatolari

• Struttura anima piena e reticolare• Cavo post-teso

• Camminamento in vetro

• Struttura a spirali avvolgenti

• Guscio Vitreo• Camminamento in vetro

Progetto

Ingegneria parametrica

scripting

Gli script sono creati attraverso concatenazione di righe di codice.

Oggi esistono degli editor visuali, estremamente utilizzati nella generazione di architetture complesse.

Ingegneria parametrica

scriptingInput

Output

Analisipreliminari

Elemento traveCaratteristiche della sollecitazione

• Percorso semi circolare

CARATTERISTICHE DELLA SOLLECITAZIONE

• Doppiamente Incastrata

• Carico distribuito uniforme

Momento flettente

Momento torcente

Taglio

Momento flettente

Elemento traveCaratteristiche della sollecitazione

- Fibre tese superiori agli appoggi- Fibre tese inferiori in mezzeria- Fibre compresse inferiori agli

appoggi- Fibre compresse superiori in

mezzeria

Analisi del guscioCaratteristiche

• Sezione ellittica

5

7

• Guscio Toroidale

Analisi del guscioStato tensionale

Vista superiore Vista inferiore

Trazione

Compressione

TrazioneCompressione

Analisi del guscio

Direzioni principali

Analisi del guscio

Direzioni principali

Stato tensionale Direzioni principali

Form Finding

Form Finding

RICERCA DELLA FORMA DELLA STRUTTURA

Le architetture free-form sono complesse da disegnare e necessitano quindi dello sviluppo di algoritmi appositi.

Grazie a questi è anche possibile definire forme che abbiano delle caratteristiche più performanti.

Equazione parametrica della spirale

Form FindingCurve a passo costante

Form FindingCurve a passo costante

Form FindingCurve a passo costante

n = 3 n = 8

n = 16n = 12

Form FindingIspirazione

Stadio Nazionale di Pechino,Arup

Skylink, Francoforte Bollinger-Grohmann

Form FindingCurve avvolgenti

Spazio x,y,zSpazio u,v

u

v

Form FindingCurve avvolgenti

Spazio x,y,zSpazio u,v

Form FindingCurve avvolgenti

Spazio x,y,zSpazio u,v

Form FindingCurve avvolgenti

Spazio x,y,zSpazio u,v

OttimizzazioneStrutturale

Processo iterativo Algoritmi genetici

Ottimizzazione strutturale

Curve a passo costante

Curve generiche

Ottimizzazione strutturale

Processo iterativo

Ottimizzazione strutturale

Processo iterativoN° spirali = 6 n° avvolgimenti: 1…6

N° spirali = 8 n° avvolgimenti: 1…6

N° spirali =10 n° avvolgimenti: 1…6

N° spirali =16 n° avvolgimenti: 1…6

N° spirali =14 n° avvolgimenti: 1…6

N° spirali =12 n° avvolgimenti: 1…6

Ottimizzazione strutturale

Processo iterativo

38 cm 110’000 kg

Ottimizzazione strutturale

Processo iterativo

10 mm

15 mm

20 mm

450 x 220

Spessore profilo

Ottimizzazione strutturale

Algoritmo genetico

Ottimizzazione strutturale

Algoritmo genetico

massa

spostamento

Ottimizzazione strutturale

Algoritmo genetico

Pareto Front

Un insieme di soluzioni ottimali

Ottimizzazione strutturale

Algoritmo genetico

Pareto Front – 5 ‘ Pareto Front – 10 ‘ Pareto Front – 30 ‘

Mass 170021.5275Displacement 0.108832

0.530.750.790.80.490.330.20.215962669

Geno

me

Ottimizzazione strutturale

Algoritmo genetico

Mass 168225.3942Displacement 0.307878

0.540.980.830.970.490.30.20.1459621168

Geno

me

Ottimizzazione strutturale

Algoritmo genetico

Mass 152081.0362Displacement 0.184175

0.730.741

0.760.220.150.950.216823325

Geno

me

Ottimizzazione strutturale

Algoritmo genetico

Ottimizzazione strutturale

Algoritmo genetico

Mass 108.568Displacement 0.358926

0.250.50.751

0.250.50.75175757575

Geno

me

Comportamento delle spiraliSforzo normale

Spirale 1

Spirale 3 Spirale 4

Spirale 2

Trazionecompressione

42 cm

Compressione dei pannelli di vetro

Tesatura cavo

Forze risultati dopo la tesatura del cavo

Compressione dei pannelli di vetro

Stato tensionale

Presenza totale della sollecitazione di compressione nei pannelli

Vista superiore Vista inferiore

Pannellizzazione

PannellizzazioneAlgoritmo di ottimizzazione

Selezione del pannelloCreazione dello stampo cilindrico o toroidaleIl pannello viene posto di fronte allo stampo attraverso una trasformazione T

I vertici vengono proiettati sulla superficieLo stampo viene tagliato con 4 piani paralleli all’asse z passanti per i vertici

Il pannello viene creato e riposizionatoIl pannello è riposto sulla superficie iniziale

Pannellizzazionerisultati

TOT senza ottimizzazione: 627

TOT con ottimizzazzione: 374Risparmio 40 %

mold C1 C2 number € Pannelli € TOT4.224 - 26 2 523.097 30.892 24 2 481.923 38.171 13 2 263.097 23.265 24 5 1201.923 16.775 13 5 65double curvature

cilinder

Progetto

ProgettoDettagli costruttiviPlanimetria

Sezione

r = 20 metric = 63 metri

h = 5 metrib = 6,50 metri

ProgettoDettagli costruttivi

Attacco per vetro

ProgettoDettagli costruttivi

ProgettoDettagli costruttivi

Attacco per vetro

ProgettoDettagli costruttivi

ProgettoDettagli costruttivi

ProgettoRendering

Vista Concettuale

ProgettoRendering

Vista Concettuale

ProgettoRendering

Vista Concettuale

Progetto#VR

Realtà Virtuale Dinamica Realtà Virtuale statica

#VRVirtual Reality

Occhio destro

Occhio sinistro

#VRVirtual Reality

Grazie per

l’attenzione