Parametric structural design of Catalan vaulting

Abstract

Denne masteroppgaven undersøker en parametrisk arbeidsflyt ved hjelp av parametriske verktøy for å modellere og analysere katalanske hvelv. Det er vel etablert at den katalanske hvelveteknikken har blitt brukt fra historien til i dag med noen utfordringer med å forstå den strukturelle oppførselen.

Denne oppgaven tar sikte på å bestemme den strukturelle ytelsen til slike strukturer ved hjelp av parametriske tilnærminger. Spesielt undersøker den arbeidsflyten for å modellere katalanske hvelv og faktorer som kan påvirke den strukturelle ytelsen under design.

I denne sammenhengen er det katalanske hvelvet også kjent som et ``Masonry vault'' ``Gustavino Vault'', ``timbrel vault'', ``thin-tiled vault'', ``laminated vault'', ``flat vault'', ``layered vault and ``Catalan turn'' er en type struktur som er bygget av en eller serier buer. Katalanske buer er avhengig av å legge tynne murstein (fliser) på langs vekslet med et mørtellag basert på gips eller kalk. Denne teknikken i bygningen kalles hvelving. Katalansk hvelv gjennomgår en akselerert periode med innovasjon innen materialutvikling og teknologiske tilnærminger som brukes for modellering, og analysen.

For bedre forståelse av denne teknikken, er det gjort en sammenligning mellom resultatene som er hentet fra en eksperimentell test utført på katalanske buer i Portugal i 2014 med resultatene som er hentet fra modellen har blitt modellert i denne masteroppgaven ved bruk av parametriske verktøy. Parametriske verktøy som Grasshopper, Karamba3D og Rhino ble brukt til å modellere og analysere én parametrisk modell.

Resultatene har vist at for å få en modell som simulerer de katalanske buene, bør mange trinn utføres i parametrisk modellering. Når det gjelder å etablere geometri, bør støttepunkter, tverrsnitt, belastninger, stivhet i ledd bestemmes og diskuteres nøye før den endelige modellen blir samlet og blir analysert for å få strukturelle resultater fra modellen.

Jeg konkluderer med at tverrsnittsdimensjoner og egenskaper for materialer, stivhet i ledd, geometrisk form, buedimensjoner og antall tynne murstein lag er kritiske faktorer som må tas i betraktning ved å bygge opp et katalansk hvelv i et parametrisk miljø.

This thesis investigates one parametric workflow using parametric tools to design and analyze Catalan arches. It is well-established that the Catalan vaulting technique has been used from history until today with some challenges in understanding the structural behavior.

This thesis aims to determine the structural performance of such structures using parametric approaches. Specifically, it investigates the workflow to design Catalan arches and factors that can impact the structural performance under design.

In this context, the Catalan vault is also known as a ``Masonry vault'' ``Gustavino Vault'', ``timbrel vault'', ``thin-tiled vault'', ``laminated vault'', ``flat vault'', ``layered vault and ``Catalan turn'' is one type of structure which is build of one or series of arches. Catalan arches depend on laying thin bricks(tiles) lengthwise alternated with a layer of mortar based on gypsum or lime. This technique in the building is called vaulting. Catalan vaulting is undergoing accelerated innovation on materials developments and technological approaches used for design and analysis.

To better understand this technique, one comparison has been made between the results carried out from one experimental test done on Catalan arches in Portugal in 2014 with the results gotten from the model designed in this thesis using parametric tools. Parametric tools as Grasshopper, Karamba3D, and Rhino were used to design and analyze one parametric model.

The results showed that many stages should be done in parametric design to get one model that simulates the Catalan arches. As establishing geometry, the support points, cross-sections, loads, rigidity of joints should be determined and discussed carefully before assembling the final model and starting analyzing to get structural results from the model.

I conclude that cross-section dimensions and properties of materials, the rigidity of joints, geometrical form, and arch dimensions are critical factors that must be considered in building Catalan arches in a parametric environment.