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Cellular Cavity Structure and its Building Technology for Shell Structure with Thin Sheet Materials-- Geometrical Analysis and Structural Consideration in the Design and Building Processes

Wang, Xiang :
Cellular Cavity Structure and its Building Technology for Shell Structure with Thin Sheet Materials-- Geometrical Analysis and Structural Consideration in the Design and Building Processes.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2017)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Cellular Cavity Structure and its Building Technology for Shell Structure with Thin Sheet Materials-- Geometrical Analysis and Structural Consideration in the Design and Building Processes
Language: English
Abstract:

This research investigates a new structure concept and its building techniques for shell structures that can be built with thin sheet materials. Shell structures have been a desired structure type for both architects and structural engineers due to its efficient load-bearing behavior and also the elegant curved geometry. In the past decades, innovational structure concepts such as grid-shells and spatial framework structures have continuously pushed the development of shell structures towards a comprehensive type of structures which provides a better structural behavior of building materials. This dissertation argues for a material-driven design methodology of the new shell structure design through a well-rounded revisit of the development of shells in the past decades. And a new type of industrial materials has been selected for the innovational structure concept of the novel type of shells. The research is based on a comprehensive analysis of the materials’ application in the existing industrial and architectural design, as well as the theoretical analysis of the materials’ behavior and the corresponding fabrication techniques and structural consideration in designs. A novel structure concept is then generated with also the inspiration of the natural cellular structures. The main focus of the architectural analysis is the design procedure of the cellular cavity structure, including the form-finding process, the structural consideration of the stability problem of thin materials, the possible simple fabrication with the materials form a planar sheet form. At the same time, a collaborative design process is also discussed to enable a better cooperation between both architects and engineers. A novel shell was finally built as a demonstrator of such a structure concept. With a dome which reaches a span of 5 meters and a height of 2.5 meters and was built only with 1mm paperboard as major materials, the load-bearing capacity and the construction details of the cellular cavity structure is tested and evaluated. Finally, through the comparison with the recent parallel research and the popular experimental shell designs in the past several years, the cellular cavity structure is positioned into a series of relevant research fields. With the analysis of the limitations of this research, future works are also defined for the improvement and future development of this Ph.D. research.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Diese Forschung untersucht ein neues Strukturkonzept und seine Bautechniken für Schalenstrukturen, die mit Dünnschichtmaterialien gebaut werden können. Sowohl bei Architekten als auch bei Tragwerksingenieuren stellen Schalenkonstruktionen aufgrund ihres effizienten Tragverhaltens und der eleganten Kurvengeometrie einen gewünschten Strukturtyp dar. In den letzten Jahrzehnten haben innovative Strukturkonzepte wie Gitterschalen und räumliche Tragwerke die Entwicklung von Schalenstrukturen hin zu einer umfassenden Art von Strukturen, die ein besseres strukturelles Verhalten von Baumaterialien ermöglicht. Die vorliegende Dissertation plädiert für eine materialgetriebene Designmethodik des neuen Schalenstrukturdesigns durch eine umfassende Abrundung der Entwicklung von Schalen in den vergangenen Jahrzehnten und eine neue Art von Industriematerialien wurde für das innovative Strukturkonzept des neuen Schalenstruktur. Die Forschung basiert auf einer umfassenden Analyse der Anwendung der Materialien im bestehenden industriellen und architektonischen Design sowie der theoretischen Analyse des Materialverhaltens und der entsprechenden Herstellungstechniken und strukturellen Überlegungen in Entwürfen. Inspiriert von den natürlichen Zellstrukturen wird dann ein neues Strukturkonzept vorgeschlagen. Das Hauptaugenmerk der Architekturanalyse liegt auf dem Entwurfsverfahren der zellulären Hohlraumstruktur, einschließlich des Formfindungsprozesses, der strukturellen Berücksichtigung des Stabilitätsproblems dünner Materialien, der möglichen einfachen Herstellung mit den Materialien bilden eine planare Flächengebilde. Gleichzeitig wird ein kollaborativer Entwurfsprozess diskutiert, um eine bessere Zusammenarbeit zwischen Architekten und Ingenieuren zu ermöglichen. Ein neues Pavilion wurde schließlich als Demonstrator für ein solches Strukturkonzept gebaut: Mit einer Kuppel, die eine Spannweite von 5 Metern und eine Höhe von 2,5 Metern aufwies und nur mit 1 mm Karton als Hauptmaterialien, der Tragfähigkeit und der Konstruktion gebaut wurde Einzelheiten der zellulären Hohlraumstruktur werden getestet und bewertet. Durch den Vergleich mit der aktuellen Parallelentwicklung und den populären experimentellen Schalenentwürfen in den letzten Jahren wird die zelluläre Hohlraumstruktur in eine Reihe von relevanten Forschungsfeldern eingeteilt.Nach der Analyse der Grenzen dieser Forschung werden zukünftige Arbeiten auch definiert für die Verbesserung und zukünftige Entwicklung dieser Dissertation.German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 700 Künste und Unterhaltung > 720 Architektur
Divisions: 15 Fachbereich Architektur > Fachgruppe B: Gestalten und Darstellen > Digital Design
Date Deposited: 21 Nov 2017 11:00
Last Modified: 21 Nov 2017 11:00
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-69240
Referees: Tichelmann, Prof. Kasten and Tessmann, Prof. Oliver and Schneider, Prof. Jens
Refereed: 23 May 2017
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/6924
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