Meeting about the conception of structures / Présentation sur la conception des structures

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Meeting about the conception of structures by Mr Thomas Vilquin le 10/03/2008


I : The differents structure systems

To design the cover of big open space, different systems are possible. An important element to remember is that we have to work in traction/compression and use as less as possible inflexion.
Here we’ll talk about tree of them:

1-    Use of no curves
Example:
° « Pyramide du Louvre »: the biggest part of the structure is working in inflexion

2-    Use of one curve

This type of structure is very efficient to maintain the weight of the structure itself, but it’s difficult to stabilise in case of variable loads (like a burst of wind). Generally, it’s more efficient to work with a parabolic-shape, than with a half circle.

Example :
 
° « Caserne de pompier à Houten »: the parabola is working in compression and there’s no flexion.
° « Havel in Stockholm »: there’s a vertical suspension who pulls the materials downwards.

4-    Use of two curves


This system is more efficient that the one with only one curve, but the problem is still the resistance to inflexion.
We can describe 2 families of the ‘double curve’:

°Concurrent curves:

By this, we mean domes, …( example: ‘Comptoir des bois’  in ‘Marche-en Famenne’)
The structure can be in trellis, continuous or with a central access or side network.
The ‘pumped up’ structures can be found in this category too, but need a continuous use of a generator to pump up the oxygen. (Example: Pontiac Silverdome,1975 ).
The materials can be low-tech (which means: brick, concrete, wood…), only if the structure is well conceived.
These systems still have a worry of stabilisation, especially regarding the wind. A few solutions are possible: ridge the dome, increase the inflexion downwards or vein the structure (enhance the lower part of the curve).

° Divergent curves:

In this family we treat about the hyperbolic parabolic.
The divergent curves permit a better stability.
This category works principally with membranes.


Today, we have adapted these systems in two axes:
- Adding a third network of ‘Croix de Saint-André’ typed wires where the aim is to put triangles into the structure’s squares to make this one un-stretchable.
- integrate a ‘hyperbole of revolution’ that will make the system hyper-stable.

In this type of construction, we have to attentively look after the anchored into the ground to avoid it flies away.

II : Principles of calculating the structure.

To optimise the shape of these structures, we use the calculation of ‘hypars’. The principle is to choose the boundaries of the building structure, to create it in wire and to dive this model into a soapy water container. The soap bubbles stick to the constraining boundaries, while adopting the most efficient shape and using the less possible raw material. After this, we only have to photograph the result to see how the building will look like.

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Conférence sur la conception de structure par Mr Thomas Vilquin le 10/03/2008

I : Systèmes structurels

Pour la conception de la couverture d’un grand espace, sans obstacles, plusieurs systèmes sont possibles. Un élément très important à retenir est qu’il faut travailler le plus possible en compression/traction et éviter un maximum la flexion.
Citons 3 familles :

1-    Utilisation de “zero” courbures
Example:
° Pyramide du Louvre: Une grosse partie de la structure fonctionne en flexion

2-    Utilisation d’une courbure

Ce type de structure est efficace pour soutenir son poids propre mais il est difficile de la stabiliser en cas de charges variables (comme une bourrasque de vent). En général, il est plus efficace de travailler avec une forme en ‘parabole/chaînette’ plutôt qu’en ‘demi-cercle’.

Exemple :
°  Caserne de pompier à Houten : la parabole ou la chaînette va travailler en compression et non en flexion.
° Havel à Stockholm : suspente verticale qui tire le matériaux vers le bas.


3-    Utilisation de deux courbures, dans le même sens
Ce système est plus efficace que celui à une courbure, mais le problème est encore toujours la résistance à la flexion.
On peut noter deux familles dans les doubles courbures :

°Courbures concurrentes :
Par ceci nous entendons les coupoles et les dômes. (Exemple : Comptoir de bois à Marche en Famenne).
La structure peut être en treillis ou en continu ou encore par réseau latérale ou avec accès central. Les structures gonflées font aussi partie de cette catégorie, mais nécessite l’utilisation en continu d’un générateur pour pomper l’air. (Exemple : Pontiac Silverdome,1975 )
Les matériaux peuvent être low-tech (c'est-à-dire : brique, béton, bois, ..) si la structure est bien pensée.
Ces systèmes ont quand même un souci de stabilisation notamment par rapport au vent. Quelques solutions sont possibles : Strier la coupole, augmenter la flexion vers le bas ou encore nervurer (contreventer la partie basse de la courbure).

° Courbures divergentes :

Dans cette famille nous retrouvons les paraboloïdes hyperboliques.
La double courbure gauche (= courbures divergentes) permet une meilleure stabilisation.
Cette catégorie fonctionne principalement avec des membranes.

Aujourd’hui, nous avons adapté ces systèmes suivant deux axes :
-    Ajouter un troisième réseau de câbles types croix de Saint-André  ou l’objectif est de mettre des triangles dans les carrés de la structure afin de rendre celle-ci indéformable.
-    Intégrer une hyperbole de révolution rend le système hyper stable en lui-même.

Dans ce genre de construction, il faut aussi veiller attentivement à l’ancrage dans le sol pour éviter qu’elle ne s’envole.


II : Principe de calcul de ces structures


Afin d’optimiser la forme de ces structures, nous utilisons le calcul de hypars. Le principe consiste à choisir les frontières de la structure de l’édifice, de la créer en fil de fer et de plonger cette maquette filaire dans une bassine d’eau savonneuse. Les bulles de savon adhéreront dans ces limites contraignantes au fil de fer en adoptant la forme la plus adéquate et utilisant ainsi le moins de matière. Il ne suffit plus que de photographier le résultat pour savoir à quoi doit ressembler l’édifice. 





Par Mr Vilquin, chargé de cours pour la conception des structures à La Cambre