Form-finding of tensile & tensegrity structures

The thesis is devoted to the study and implementation of different methods of form-finding to tensile and tensegrity structures as both types of systems necessitate this initial step at the beginning of the analysis. A general overview is presented in Chapter 1 concerning the design of tensile structures, different tensile structural systems, and the different structural analysis approaches. Chapter 2 is devoted to the study of the Force Density Method (FDM). After the theoretical background of the method is presented, Matlab scripts are developed to find the form of two cable net structures. The analysis includes a study of the effect of varying the force density parame-ters. Chapter 3 focuses on membrane structures, and accordingly Surface Stress Density Method (SSDM) is presented. A case study of a truncated cone structure is analyzed, and the solution is compared with the analysis of a model created using Dlubal commercial software. The results are shown to be in very good agreement. Next, Dynamic Relaxation Method (DRM) is presented in Chapter 4. First, an explicit time integration scheme is presented, then wave propagation is studied using Matlab. The results are compared against a model analysed by Abaqus. Subsequently, the adoption of the explicit finite element is explained within the context of dynamic relaxation method. A case study involving a cable grid under imposed loading is analyzed and the results are compared to a model created on Dlubal. The values obtained are shown to be nearly identical. Departing from structures working purely in tension, tensegrity systems are studied next in Chapter 5. An overview of the more complicated behavior of tensegrity systems which includes stability considerations is presented. A numerical form-finding procedure is explained in detail, and a Matlab script is developed to compute the form of 2D and 3D tensegrity structures. The results are compared to the values present in the literature. The algorithm is shown to be very efficient while requiring only minimal initial information about the structure.

La tesi è dedicata allo studio e all'implementazione di diversi metodi di form-finding per strutture di trazione e tensegrità poiché entrambi i tipi di sistemi necessitano di questo primo passo all'inizio dell'analisi. Una introduzione generale è presentata nel Capitolo 1 riguardante la progettazione di tensostrutture, differenti sistemi tensostrutturali e di diversi approcci di analisi strutturale. Il Capitolo 2 è dedicato allo studio del Force Density Method (FDM). Dopo aver presentato il background teorico del metodo, vengono sviluppati gli script Matlab per trovare la forma di due strutture di rete di cavi. L'analisi include uno studio dell'effetto di variare i parametri di densità di forza. Il capitolo 3 si concentra sulle strutture della membrana e di conseguenza viene presentato il metodo SSDM (Surface Stress Density Method). Viene analizzato un caso di studio di una struttura conica e la soluzione viene confrontata con l'analisi di un modello creato utilizzando il software commerciale Dlubal. I risultati si sono dimostrati in ottimo accordo. Successivamente, il metodo di rilassamento dinamico (DRM) è presentato nel Capitolo 4. In primo luogo, viene presentato uno schema di integrazione temporale esplicito, quindi la propagazione delle onde viene studiata utilizzando Matlab. I risultati vengono confrontati con un modello analizzato da Abaqus. Successivamente, l'adozione dell'elemento fi nito esplicito viene spiegata nel contesto del metodo del rilassamento dinamico. Viene analizzato un caso di studio che coinvolge una griglia di cavi sotto carico imposto e i risultati vengono confrontati con un modello creato su Dlubal. I valori ottenuti si dimostrano quasi identici. Partendo dalle strutture che lavorano puramente in tensione, i sistemi di tensegrità vengono studiati successivamente nel Capitolo 5. Viene presentata una panoramica del comportamento più complicato dei sistemi di tensegrità che include considerazioni sulla stabilità. Viene spiegata in dettaglio una procedura numerica di individuazione della forma e viene sviluppato uno script Matlab per calcolare la forma di strutture tensegrità 2D e 3D. I risultati vengono confrontati con i valori presenti in letteratura. L'algoritmo si è dimostrato molto efficiente mentre richiede solo informazioni iniziali minime sulla struttura.