Adaptive timber components for buildings. A study on the hygroscopic behaviour of timber monolayers

This thesis will focus on current advancements in the design and construction of timber systems. In the initial part of this work, an extensive state of the art review will be carried out to identify and describe technologies adopted in timber buildings with the aim of providing an overview of the future trends of this form of construction. The thesis will then focus at a growing area of research in the field of building engineering that consists of adaptive timber solutions, explored to date architectural installation. For this purpose, analytical and numerical solutions will be proposed to describe the hygrometric behaviour of the timber and to gain insight into the main parameters governing the adaptive response. Closed-form solutions will be derived considering mono-layered representations of the timber components under different static configurations. A finite element formulation will be formulated and implemented based on the Euler-Bernoulli beam model assumptions and validated against the analytical solutions previously derived. The numerical model will then be applied to perform an extensive parametric study to evaluate the influence of different parameters of the timber component, e.g. geometry, dimensions and material properties, of the surrounding environmental conditions, e.g. relative humidity. In this stage it was essential the experimental juxtaposition to define the previous factors. In the final phase, relying on the collected data, it will be possible to carry out a timber complex prototype and analyse its behalf.

L’elaborato mira alla modellazione e progettazione di sistemi che, nell’ambito dell’architettura, utilizzano il legno come materiale principale. La prima fase della stesura è stata accompagnata dall’analisi dello stato dell’arte, definendo il bagaglio di conoscenze necessario allo sviluppo di soluzioni coerenti con gli attuali trend. Nello specifico, l’attenzione si è concentrata sull’assimilazione delle informazioni utili a definire le peculiarità di sistemi adattivi in legno. Le nozioni acquisite hanno quindi delineato la necessità di approfondire determinati aspetti del materiale, fondamentali per una sua concreta applicazione a soluzioni riproducibili. La continua esigenza del legno di stabilire un equilibrio con l’ambiente in cui si trova, ha individuato nella sua sensibilità igrometrica il parametro adattivo da indagare. L’elaborazione di un modello matematico in grado di fornire soluzioni in forma chiusa capaci di riprodurre il comportamento di elementi mono-strato in legno in diverse configurazioni statiche, è dunque risultata essenziale. Specificatamente, considerando le assunzioni analitiche dello schema di trave di Eulero-Bernoulli, è stata derivata e conseguentemente implementata una formulazione ad elementi finiti. Lo sviluppo dell’algoritmo è stato supportato da uno studio estensivo dei diversi parametri che influenzano il comportamento di componenti in legno, quali caratteristiche geometriche, materiche e dell’ambiente circostante, rivolgendo particolare attenzione a quelli legati alla humidity responsiveness. Fondamentale, in questa fase, è stato l’affiancamento sperimentale che ha permesso l’estrapolazione dei dati necessari alla validazione del modello teoretico. Le informazioni collezionate durante i sei mesi di test e quindi inserite nella formulazione ad elementi finiti hanno reso possibile, durante l’ultima fase del progetto di tesi, la modellazione comportamentale di soluzioni più complesse.