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Morphogenesis of a toroidal Skywalk. Development, design and optimization

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This is my master thesis for my degree in civil engineer. It is about a development of a Skywalk. A lot of tool grasshopper was used in order to have an entire parametric project. I perform an optimization in order to save steel and find an optimum in term of stiffness. I also make a #VR experience. I hope you enjoy.

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Morphogenesis of a toroidal Skywalk. Development, design and optimization

  1. 1. Morphogenesis of a Toroidal Skywalk Development, design and optimization Università di Pisa Scuola di Ingegneria Tesi di laurea specialistica in Ingegneria edile e delle costruzioni civili Relatori: Prof. Ing. Maurizio Froli Ing. Francesco Laccone Candidato: Marco Pellegrino
  2. 2. Introduzione Analisi preliminari Form Finding Ottimizzazione strutturale Pannellizzazione Progetto
  3. 3. Introduzione
  4. 4. Grand Canyon skywalk Arizona – Hualapai Indian Reservation Riferimenti contemporanei Glacier skywalk Jasper National Park - Canada • Camminamento in vetro • Travi scatolari • Struttura anima piena e reticolare • Cavo post-teso • Camminamento in vetro
  5. 5. • Struttura a spirali avvolgenti • Guscio Vitreo • Camminamento in vetro Progetto
  6. 6. 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.
  7. 7. Ingegneria parametrica scriptingInput Output
  8. 8. Analisi preliminari
  9. 9. Elemento trave Caratteristiche della sollecitazione • Percorso semi circolare CARATTERISTICHE DELLA SOLLECITAZIONE • Doppiamente Incastrata • Carico distribuito uniforme Momento flettente Momento torcente Taglio
  10. 10. Momento flettente Elemento trave Caratteristiche della sollecitazione - Fibre tese superiori agli appoggi - Fibre tese inferiori in mezzeria - Fibre compresse inferiori agli appoggi - Fibre compresse superiori in mezzeria
  11. 11. Analisi del guscio Caratteristiche • Sezione ellittica 5 7 • Guscio Toroidale
  12. 12. Analisi del guscio Stato tensionale Vista superiore Vista Trazione Compression e TrazioneCompressione
  13. 13. Analisi del guscio Direzioni principali
  14. 14. Analisi del guscio Direzioni principali Stato tensionale Direzioni principali
  15. 15. Form Finding
  16. 16. 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.
  17. 17. Equazione parametrica della spirale Form Finding Curve a passo costante
  18. 18. Form Finding Curve a passo costante
  19. 19. Form Finding Curve a passo costante n = 3 n = 8 n = 16n = 12
  20. 20. Form Finding Ispirazione Stadio Nazionale di Pechino, Arup Skylink, Francoforte Bollinger-Grohmann
  21. 21. Form Finding Curve avvolgenti Spazio x,y,zSpazio u,v u v
  22. 22. Form Finding Curve avvolgenti Spazio x,y,zSpazio u,v
  23. 23. Form Finding Curve avvolgenti Spazio x,y,zSpazio u,v
  24. 24. Form Finding Curve avvolgenti Spazio x,y,zSpazio u,v
  25. 25. Ottimizzazione Strutturale
  26. 26. Processo iterativo Algoritmi genetici Ottimizzazione strutturale Curve a passo costante Curve generiche
  27. 27. Ottimizzazione strutturale Processo iterativo
  28. 28. 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
  29. 29. Ottimizzazione strutturale Processo iterativo 38 cm 110’000 kg
  30. 30. Ottimizzazione strutturale Processo iterativo 10 mm 15 mm 20 mm 450 x 220 Spessore profilo
  31. 31. Ottimizzazione strutturale Algoritmo genetico
  32. 32. Ottimizzazione strutturale Algoritmo genetico
  33. 33. massa spostamento Ottimizzazione strutturale Algoritmo genetico Pareto Front Un insieme di soluzioni ottimali
  34. 34. Ottimizzazione strutturale Algoritmo genetico Pareto Front – 5 ‘ Pareto Front – 10 ‘ Pareto Front – 30 ‘
  35. 35. Mass 170021.5275 Displacement 0.108832 0.53 0.75 0.79 0.8 0.49 0.33 0.2 0.21 59 62 6 69 Genome Ottimizzazione strutturale Algoritmo genetico
  36. 36. Mass 168225.3942 Displacement 0.307878 0.54 0.98 0.83 0.97 0.49 0.3 0.2 0.14 59 62 11 68 Genome Ottimizzazione strutturale Algoritmo genetico
  37. 37. Mass 152081.0362 Displacement 0.184175 0.73 0.74 1 0.76 0.22 0.15 0.95 0.21 68 23 3 25 Genome Ottimizzazione strutturale Algoritmo genetico
  38. 38. Ottimizzazione strutturale Algoritmo genetico Mass 108.568 Displacement 0.358926 0.25 0.5 0.75 1 0.25 0.5 0.75 1 75 75 75 75 Genome
  39. 39. Comportamento delle spirali Sforzo normale Spirale 1 Spirale 3 Spirale 4 Spirale 2 Trazione compressione 42 cm
  40. 40. Compressione dei pannelli di vetro Tesatura cavo Forze risultati dopo la tesatura del cavo
  41. 41. Compressione dei pannelli di vetro Stato tensionale Presenza totale della sollecitazione di compressione nei pannelli Vista superiore Vista inferiore
  42. 42. Pannellizzazione
  43. 43. Pannellizzazione Algoritmo di ottimizzazione Selezione del pannelloCreazione dello stampo cilindrico o toroidale Il pannello viene posto di fronte allo stampo attraverso una trasformazione T I vertici vengono proiettati sulla superficie Lo stampo viene tagliato con 4 piani paralleli all’asse z passanti per i vertici Il pannello viene creato e riposizionato Il pannello è riposto sulla superficie iniziale
  44. 44. Pannellizzazione risultati TOT senza ottimizzazione: 627 TOT con ottimizzazzione: 374 Risparmio 40 % mold C1 C2 number €Pannelli €TOT 4.224 - 26 2 52 3.097 30.892 24 2 48 1.923 38.171 13 2 26 3.097 23.265 24 5 120 1.923 16.775 13 5 65 doublecurvature cilinder
  45. 45. Progetto
  46. 46. Progetto Dettagli costruttiviPlanimetria Sezione r = 20 metri c = 63 metri h = 5 metri b = 6,50 metri
  47. 47. Progetto Dettagli costruttivi Attacco per vetro
  48. 48. Progetto Dettagli costruttivi Progetto Dettagli costruttivi Attacco per vetro
  49. 49. Progetto Dettagli costruttivi Progetto Dettagli costruttivi
  50. 50. Progetto Rendering Vista Concettuale
  51. 51. Progetto Rendering Vista Concettuale
  52. 52. Progetto Rendering Vista Concettuale
  53. 53. Progetto #VR Realtà Virtuale Dinamica Realtà Virtuale statica
  54. 54. #VR Virtual Reality Occhio destro Occhio sinistro
  55. 55. #VR Virtual Reality
  56. 56. Grazie per l’attenzione

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