Timber shell structures : form-finding and structural analysis of actively bent grid shells and segmental plate shells

Abstract

Shell structures are structurally efficient but difficult to manufacture and thus expansive. Actively bent grid shells and segmental plate shells could be alternatives. The first kind utilizes bended members to form a continuously curved geometry and thus reduce the complexity of the joints. The second kind utilizes the stability inherited in trivalent geometries to be able to build a shell without using bending stiff joints. Both these two types of timber shell structures could largely reduce the construction cost. That is why they are chosen as the research topics. The dynamic relaxation method (DR) is applied in this research as an important numerical method. It is used as the fundamental base for developing the form-finding tools of both actively bent grid shells and the segmental grid shells. A solver capable of the structural analysis of beam system is also developed here based on DR. Through the text, we show that DR could handle not only form-finding problems but also geometrically nonlinear analysis. The dissertation consists of four parts. Part I is the introduction. Part II and Part III present both the form-finding and analysis techniques of these two types of timber shell structures. The last part is the conclusions.

Kontinuierlich gekrümmte Schalenstrukturen sind aufgrund des Lastabtrags vorwiegend über Membrankräfte hocheffiziente Tragwerke; die bauliche Umsetzung hingegen ist schwierig und kostenintensiv. Biegeaktive Gitterschalen oder segmentierte Plattenschalen stellen Alternativstrukturen dar. Bei ersteren wird eine kontinuierlich gekrümmte Form mit Vierecksmaschen aus aktiv gebogenen Balken erzeugt, wodurch die Komplexität der Knotenverbindungen reduziert wird. Letztere nutzen die den trivalenten, räumlichen Geometrien eigene Stabilität zur Erzeugung eines Schalentragwerks mit biegeweichen Kantenverbindungen. In beiden Fällen können die Herstellungskosten gegenüber klassischen Schalenstrukturen erheblich gesenkt werden, weshalb diese Typen Thema der vorliegenden Forschungsarbeit sind. Forschungsbedarf besteht insbesondere bei numerischen Formfindungsmethoden und -werkzeugen, welche das tatsächliche Verhalten sowohl biegeaktiver Gitterschalen als auch segmentierter Plattenschalen vollständig abzubilden vermögen. Basis hierfür ist in dieser Arbeit die wichtige Methode der dynamischen Relaxation (DR), für welche ein neuer Gleichungslöser unter Einschluss des Balkenverhaltens mit Biegung und Torsion entwickelt wurde. Die vorliegende Forschung belegt, dass mit dieser neuen Methode nicht nur die Formfindung, sondern auch geometrisch nichtlineare Analysen möglich sind. Die Dissertation besteht aus vier Teilen: Nach der Einleitung (Abschnitt I) werden in den Teilen II und III die entwickelten Analyse- und Formfindungsmethoden anhand des Beispiels von zwei Holzschalenstrukturen als segmentierte Plattenschale und als biegeaktive Gitterschale dargelegt. Der vierte Teil bietet eine Zusammenfassung der Ergebnisse und einen Ausblick.