Form-finding and Performance of Bending-active Structures. Proposals of Application to Lightweight Braced Arches.

Abstract

[ES] Hoy en día, la arquitectura moderna está orientada principalmente al empleo eficiente de materiales tecnológicos y sostenibles, la tecnificación del proceso de diseño, proyecto y construcción, y la búsqueda de soluciones muy ligeras. Estas ideas se reflejan en las estructuras flexo-activas, que recientemente han atraído considerable atención como nuevo paradigma para construir estructuras ligeras, tanto en el ámbito de la investigación como en la práctica.

El término "flexión activa" hace referencia a una categoría de estructuras en las que la flexión se emplea en el proceso de configuración de su forma. Los sistemas estructurales flexo-activos incluyen barras o láminas incurvadas cuya geometría es el resultado de su deformación elástica desde una configuración inicial recta o plana. Hasta el momento, el número de realizaciones es limitado; se trata sobre todo de aplicaciones experimentales con funcionalidad arquitectónica o artística. La obtención de la configuración de equilibrio es una de las principales dificultades que aparecen en la fase de concepción, debido precisamente a la no linealidad de la respuesta estructural de las barras activas, así como a la posible interacción con otros elementos estructurales como membranas o cables, que trabajan por forma, y cuya geometría no se puede fijar de modo arbitrario. Los métodos computaciones de determinación de forma para estructuras flexo-activas incluyen modelos de elementos finitos con cables virtuales no lineales que se acortan hasta alcanzar la configuración final, o algoritmos de relajación dinámica que consideran las variables que caracterizan la deformación de las barras activas.

Esta tesis doctoral tiene por objeto proporcionar un análisis en profundidad de la aplicabilidad del principio de flexión activa al diseño de estructuras ligeras, en particular a los puentes peatonales. Para ello, la investigación se aborda desde tres puntos de vista: a) modelización computacional; b) eficiencia estructural; c) diseño y construcción. En primer lugar, se lleva a cabo una revisión de la bibliografía existente, haciendo hincapié en los trabajos previos en el diseño de pasarelas con flexión activa. En el campo de la modelización computacional, se desarrolla un novedoso método numérico de determinación de forma para estructuras flexo-activas basado en el modelo geométricamente exacto para piezas alargadas (también conocido como la teoría de vigas de Reissner-Simó). Distintos ejemplos numéricos han sido reproducidos para mostrar la exactitud del método. La parte de la investigación relacionada con el análisis de la eficiencia estructural se centra en el comportamiento del sistema flexo-activo propuesto en esta tesis para el diseño de estructuras ligeras: el arco flexo-activo arriostrado (o atirantado). Se trata de un arco plano compuesto por una barra flexible y continuo que se activa por la acción de los cables principales que tiran de ambos extremos de la varilla, y de los puntales o cables secundarios que desvían el cable principal y actúan en ciertas secciones transversales. La parte computacional-analítica se completa con el desarrollo de un procedimiento numérico basado en algoritmos genéticos, con el fin de obtener configuraciones estructurales eficientes. La tesis finaliza con el diseño, fabricación y montaje de una pasarela flexo-activa hecha con tubos PRFV utilizando este tipo estructural, realizada en el laboratorio de modelos de la Universitat Politècnica de València.

[CA] Hui dia, l'arquitectura moderna està orientada principalment a l'ús eficient de materials tecnològics i sostenibles, la tecnificació del procés de disseny, projecte i construcció, i la cerca de solucions molt lleugeres. Aquestes idees es reflecteixen en les estructures flexo-actives, que recentment han atret considerable atenció com a nou paradigma per a construir estructures lleugeres, tant en l'àmbit de la investigació com en la pràctica.

El terme "flexió activa" fa referència a una categoria d'estructures en les quals la flexió s'empra en el procés de configuració de la seua forma. Els sistemes estructurals flexo-actius inclouen barres o làmines incorbades, la geometria de les quals és el resultat de la seua deformació elàstica des d'una configuració inicial recta o plana. Fins al moment, el nombre de realitzacions és limitat; es tracta sobretot d'aplicacions experimentals amb funcionalitat arquitectònica o artística. L'obtenció de la configuració d'equilibri és una de les principals dificultats que apareixen en la fase de concepció, degut precisament a la no linealitat de la resposta estructural de les barres actives, així com a la possible interacció amb altres elements estructurals com a membranes o cables, que treballen per forma, i la geometria de la qual no es pot fixar de manera arbitrària. Els mètodes computacions de determinació de forma per a estructures flexo-actives inclouen models d'elements finits amb cables virtuals no lineals que s'escurcen fins a aconseguir la configuració final, o algorismes de relaxació dinàmica que consideren les variables que caracteritzen la deformació de les barres actives.

Aquesta tesi doctoral té per objecte proporcionar una anàlisi en profunditat de l'aplicabilitat del principi de flexió activa al disseny d'estructures lleugeres, en particular als ponts per als vianants. Per a això, la investigació s'aborda des de tres punts de vista: a) modelització computacional; b) eficiència estructural; c) disseny i construcció. En primer lloc, es duu a terme una revisió de la bibliografia existent, amb recalcament en els treballs previs en el disseny de passarel·les amb flexió activa. En el camp de la modelització computacional, es desenvolupa un nou mètode numèric de determinació de forma per a estructures flexo-actives basat en el model geomètricament exacte per a peces allargades (també conegut com la teoria de bigues de Reissner-Simó). Diferents exemples numèrics han sigut reproduïts per a mostrar l'exactitud del mètode. La part de la investigació relacionada amb l'anàlisi de l'eficiència estructural se centra en el comportament del sistema flexo-actiu proposat en aquesta tesi doctoral per al disseny d'estructures lleugeres: l' arc flexo-actiu esbiaixat (o lligat). Es tracta d'un arc pla compost per un membre flexible i continu que s'activa per l'acció dels cables principals que tiren de tots dos extrems de la vareta, i dels puntals o cables secundaris que desvien el cable principal i actuen en certa secció transversal de la vareta. La part computacional-analítica es completa amb el desenvolupament d'un procediment numèric basat en algorismes de tipus genètic, amb la finalitat d'obtindre configuracions estructurals eficients. La tesi finalitza amb el disseny, fabricació i muntatge d'una passarel·la flexo-activa feta amb tubs PRFV utilitzant aquest tipus estructural, realitzada en el laboratori de models de la Universitat Politècnica de València.

[EN] Nowadays, modern architecture is focused on the search of efficient uses of technological and sustainable materials, high-tech concept-design-erection processes and the possibility to produce lightweight solutions with maximum elegance in shape. These ideas are reflected on bending-active structures, which recently attracted considerable attention as a new paradigm to build lightweight structures both in research and practice.

The concept 'active bending' refers to a category of structures in which bending is used in the process of shape configuration. Bending-active structural systems include curved rods or shells which have been elastically bent from an initial straight or plane configuration. As of now, the number of realisations is limited; they are mostly experimental ones, with architectural or artistic nature. Form finding of the equilibrium configuration is one of the main difficulties during the conceptual phase, due to the non-linearity of the structural response of the active members, and also to the interaction with other form-active structural elements as membranes or cables, whose geometry cannot be prescribed in advance. Computational form-finding methods for bending-active structures include finite element models with non-linear virtual links that are shortened to reach the final form, or dynamic relaxation (explicit) algorithms to cope with the variables describing the response of the active members.

This PhD thesis aims to provide an indepth analysis on the applicability of the active bending principle to the design of lightweight structures, in particular pedestrian bridges. For that purpose, the work is carried out from three points of view: (a) computational modelling and simulation; (b) structural performance and efficiency; (c) design and construction. First of all, a literature review on the topic and a overview of realisations in the fied of bending-active footbridges is provided. In the field of computational modelling, a novel form-finding method based on the geometrically exact rod model (or Reissner-Simo beam theory) is implemented. Numerical examples are also given to show the accuracy of the method. The part of the work related to the analysis of the structural performance and efficiency is focused on the bending-active configuration proposed in this PhD thesis for designing lightweight structures: the bending-active braced (or tied) arch. This is a simple planar arch composed of a continuous flexible member that is activated by the action of main cables pulling at both ends of the rod, and secondary struts or cables that deviate the main cable and act at certain cross-section of the rod. The computational-analytical part is completed with the development of a numerical procedure based on genetic algorithms to obtain efficient structural configurations. The thesis ends with the design, fabrication and assembling of a bending-active short footbridge made of GFRP tubes using this structural type, held in the laboratory of concept models of the Polytechnic University of Valencia.