Rethinking concrete shells: combining structural efficiency with fabrication constraints

Concrete shell structures are characterised by high structural efficiency determined by their shape, which, if accurately designed, allows them to withstand out-of-plane actions with a pure membrane stress state. However, these structures are rarely built, because of the complex, time-consuming and expensive construction process. This is mainly related to the need of realizing and employing custom-made formworks, which cannot be reused. In this perspective, concrete additive manufacturing can be seen as an enabling technology, since formworks are not needed. However, this imposes several constraints. The objective of this thesis is not only to design an efficient shell, but also to consider the realization aspect in the design, analysing how this can affect the structural efficiency itself. For this purpose, two form finding methods have been applied: Thrust Network Analysis and Particle Spring Systems, aiming at obtaining ideal compression-dominated geometries. Then, an experimental evaluation of the fabrication process has been conducted via 3D printing with PLA (polylactic acid) small scale prototypes. Given the several issues encountered, the research has been directed towards the discretization of the structure in parts easy to realize and that, at the same time, would well approximate the initial shape. To this aim, two methods have been analysed: pre-rationalization and post-rationalization. This last has been preferred due to the major control over the shape and the pattern distribution. Finally, a finite element analysis has been conducted on the ideal continuous shell and on the discretised shell, comparing the results. The continuous shell did not confirm the expected results, but tensile stresses related to the presence of bending moments were detected in some parts of the structure. As for the second shell, concentration of stresses and bending moments was detected in correspondence of the geometrical discontinuities.

Le strutture a guscio in calcestruzzo sono caratterizzate da un’elevata efficienza strutturale, grazie alla loro forma che, se adeguatamente progettata, consente di sostenere le azioni agenti fuori dal piano attraverso azioni puramente membranali. Tuttavia, il loro impiego è limitato a causa del processo realizzativo molto complesso, lungo e costoso. Ciò è legato alla costruzione di apposite casseforme, la cui riutilizzabilità è pressoché nulla. In quest’ottica, la manifattura additiva con il calcestruzzo può costituire una soluzione tecnologica, in quanto l’utilizzo di queste non è necessario. Tuttavia, questo fattore impone anche numerosi vincoli. Questa tesi si pone quindi l’obiettivo di progettare una struttura a guscio non solo efficiente, ma che tenga anche conto dell’aspetto realizzativo, valutando come questo possa influenzare l’efficienza strutturale stessa. A tal fine, sono stati applicati algoritmi di form finding, quali Thrust Network Analysis e Particle Spring Systems, con l’intento di ottenere geometrie ideali, soggette puramente a compressione. Una prima analisi valutativa del processo realizzativo è stata svolta attraverso la stampa 3D di prototipi in PLA (acido polilattico) in scala ridotta. Visti i numerosi problemi riscontrati in questa fase, la ricerca è stata indirizzata verso l’individuazione di una discretizzazione della struttura in parti facili da realizzare, ma che allo stesso tempo ben approssimassero la forma iniziale. A questo scopo, sono stati analizzati due metodi su un caso studio: la pre-razionalizzazione e la post-razionalizzazione. Quest’ultimo è stato poi preferito grazie al maggior controllo sulla forma e la distribuzione della discretizzazione. In fine, è stata svolta un’analisi a elementi finiti sulla struttura “ideale” continua e su quella discretizzata, confrontandone i risultati. Il guscio continuo non ha confermato esattamente i risultati attesi, mostrando l’insorgere di sforzi di trazione correlati alla presenza di momenti flettenti in alcune parti della struttura. Relativamente alla seconda struttura, è stata rilevata una concentrazione degli sforzi e dei momenti flettenti in corrispondenza delle discontinuità geometriche.