Master Thesis Giulia Curletto

UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI GENOVA SCUOLA POLITECNICA

TESI DI LAUREA MAGISTRALE IN ARCHITETTURA Ottobre 2013

PROGETTAZIONE PARAMETRICA INTEGRATA NELLA RICERCA DI FORME E STRUTTURE E APPLICAZIONE NEL PROGETTO DI PENSILINE PER STAZIONI DI SERVIZIO

Giulia CURLETTO

Genova, 29 Ottobre 2013

INDICE CAPITOLO 1 - Introduzione

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CAPITOLO 2 – Prospettive del disegno parametrico integrato nella progettazione architettonica 2.1 2.2 2.3 2.4

Introduzione: l’involucro a geometria complessa Architettura & tecnologia: l’influenza dell’informatica nel design architettonico Architettura & struttura: consapevolezza progettuale Conclusioni

CAPITOLO 3 - La progettazione di coperture a forma complessa 3.1 Introduzione 3.2 Una panoramica sul tema 3.3 Caratteristiche delle superfici sottili 3.4 Caratteristiche delle superfici grigliate 3.5 Cenni alle strutture a guscio e alla loro statica 3.4.1 Rappresentazione geometrica di una struttura a guscio 3.4.2 Forze esterne e caratteristiche di sollecitazione

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3.6 I problemi che interessano la progettazione integrata forma – struttura

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CAPITOLO 4 - La progettazione parametrica di geometrie complesse

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4.1 Introduzione 4.2 Un software per la progettazione parametrica: Grasshopper 4.3 Algoritmi generativi 4.4 Interfaccia con Rhinoceros 4.5 Rappresentazione parametrica di una curva 4.6 Rappresentazione parametrica di una superficie 4.7 Concetto di curvatura 4.8 Curvatura di una superficie 4.9 Modellazione parametrica di una superficie complessa 4.10 Conclusioni

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CAPITOLO 5 – Analisi e ottimizzazione di superfici strutturali nel disegno parametrico 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 5.7

Introduzione Un plug-in per l’analisi strutturale di modelli parametrici: Karamba Travi e superfici MESH Principali componenti per la realizzazione di un modello statico Elaborazione di algoritmi per la determinazione delle azioni sulle costruzioni Azioni della neve Azioni del vento

5.8 Combinazioni di carico 5.9 Interpretazione dei risultati 5.10 Confronto tra Karamba e Millipide 5.11 Il problema dell’ottimizzazione strutturale 5.12 Cenni agli algoritmi genetici 5.13 Esempio di caso studio: crematorio Meiso no Mori

CAPITOLO 6 – Cenni sull’evoluzione delle stazioni di servizio 6.1 6.2 6.3 6.4 6.5

Introduzione Cenni storici – alcune tappe fondamentali Evoluzione architettonica delle stazioni di servizio Dimensioni standard di una stazione di servizio La stazione tipo

CAPITOLO 7 - Il progetto: pensilina modulare per stazioni di servizio 7.1 Introduzione 7.2 Modelli di riferimento: pensiline a coperture 7.3 Obiettivi e schizzi di progetto 7.4 Modellazione parametrica della geometria 7.5 Analisi strutturale del modello 7.6 Ottimizzazione di forma del modello 7.7 Determinazione delle sezioni variabili nei raggi 7.8 Definizione del progetto della pensilina 7.9 Scelta del materiale per la copertura 7.10 Connessione tra pensiline 7.11 Rappresentazione del progetto 7.12 Dettagli costruttivi e giunti di connessione 7.13 Valutazione dei componenti della pensilina e considerazioni sul trasporto

CAPITOLO 8 - Conclusioni

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CAPITOLO 1 Introduzione

Negli anni recenti si assiste a una grande diffusione di geometrie irregolari, di forma astratta realizzate con tecniche e materiali innovativi. Questa tendenza è legata allo sviluppo di tecnologie informatiche avanzate e alla diffusione di sistemi di disegno assistito parametrico, che consentono di esplorare soluzioni progettuali differenziate nell’ambito di un medesimo concept.

Questo aspetto è particolarmente sentito nel progetto di involucri a superficie sottile o reticolare in cui la forma svolge un ruolo importante. Tuttavia a causa della complessità della configurazione, dell’effetto delle combinazioni di carico e del comportamento strutturale quando al sistema sono applicate forze esterne, risulta molto complesso analizzare la struttura, limitandone la progettazione.

Tradizionalmente si utilizzano strumenti di analisi e progettazione strutturale basati sul metodo degli elementi finiti (FEM) che consente di ottenere un’analisi accurata sulla forma strutturale. Tale modello presenta però difficoltà di aggiornamento delle modifiche, mentre di solito è utile poter rigenerare velocemente un nuovo modello per il progetto strutturale, come conseguenza delle trasformazioni del disegno architettonico.

Per superare questo ostacolo è necessario servirsi di uno strumento versatile da applicare sia nella fase di progettazione concettuale, che nella fase di analisi. Deve consentire di modificare la forma facilmente, di visualizzare il modello in tempo reale e di analizzarlo: per questi motivi una soluzione può essere quella di servirsi di uno strumento parametrico. Questo tipo di approccio alla modellazione consente di generare modelli parametrici facilmente modificabili attraverso le variabili iniziali e rende possibile incorporare le proprietà dei materiali, i vincoli di fabbricazione e le logiche di composizione in parametri. Lo sviluppo di questo metodo è accompagnato dal miglioramento della tecnologia, che attraverso programmi di modellazione 3D, come Rhinoceros, permette di visualizzare il modello in tempo reale e con estrema precisione. Dalle più semplici travi alle membrane più complesse le soluzioni di analisi strutturale vengono rapidamente calcolate e visualizzate dai programmi computazionali.

Questa tesi si concentra sull’analisi delle potenzialità e dei limiti di tale strumento parametrico nella progettazione integrata tra forma e struttura inerente allo sviluppo di involucri a superficie sottile e reticolare.

Una prima fase ha interessato lo studio e l’elaborazione di algoritmi realizzati con il software Grasshopper, plug-in di Rhinoceros di recente sviluppo il cui utilizzo necessita di un approccio di tipo logico/matematico. In particolare viene affrontato il tema della modellazione di superfici complesse, descrivendo diverse sequenze algoritmiche con relativi vantaggi e svantaggi. Viene poi studiato il programma Karamba, plug-in di Grasshopper sviluppato nel 2011, che permette di realizzare un’analisi accurata di modelli parametrici. Come osservato in precedenza, un limite nei programmi tradizionali di analisi riguarda la mancanza di connessione tra la fase di modellazione e quella di analisi; al contrario questo programma permette una progettazione integrata tra forma e struttura, aggiornando automaticamente i risultati ogni volta che viene effettuata una modifica ai parametri della geometria e

consentendo di vedere in tempo reale come i risultati di analisi cambiano al variare dei parametri di progetto.

In questa fase sono stati sviluppati algoritmi utili a determinare le azioni esterne agenti sul sistema inerenti a superfici complesse, concentrando l’attenzione sulle azioni della neve e del vento. L’idea è quella di proporre dei componenti “nuovi” che potrebbero essere aggiunti a quelli del programma per consentire di analizzare qualsiasi superficie. Si sono quindi generati algoritmi ad hoc di facile intuizione, che al loro interno contengono una complessa serie di operazioni necessarie a valutare correttamente il carico da applicare.

Infine si analizza il problema dell’ottimizzazione strutturale in ambiente parametrico, concentrando l’attenzione sul programma di ottimizzazione Galapagos, il cui impiego è in costante crescita.

Una seconda fase è incentrata sulla progettazione parametrica di una pensilina modulare per stazioni di servizio. L’obiettivo è quello di realizzare una copertura che rispecchi le tendenze del panorama architettonico contemporaneo e al tempo stesso sia riproducibile su larga scala, semplice da assemblare in cantiere ed economica da costruire. Per raggiungere questi obiettivi, a seguito di uno studio del panorama esistente delle pensiline e delle caratteristiche delle strutture a guscio, si è realizzata una copertura dalla superficie continua, sostenuta da una struttura in acciaio e poggiante su un sostegno centrale.

L’obiettivo che si propone è quello di realizzare un prodotto standardizzabile ed economico che sia il risultato di una progettazione integrata tra forma e struttura. Nell’elaborazione del progetto si noterà come le scelte costruttive, strutturali e dei materiali siano guidate da analisi della forma, della struttura e della relativa ottimizzazione. Si sfruttano le potenzialità della progettazione parametrica sviluppando un modello le cui caratteristiche di forma e struttura si evolvono continuamente fino a trovare la soluzione ottima in base ai parametri stabiliti.

Accanto a questi aspetti, che possono essere considerati più tecnici, si è mantenuta una forte componente architettonica ed estetica che ha portato a prediligere alcune soluzioni formali rispetto ad altre.

Per maggiori informazioni: Contatto: giuliacurl@gmail.com

Pubblicazione: G. Curletto, Parametric Modeling in form finding and application to design of modular canopies. Mobile and Rapidly Assembled Structures. WIT Transactions on The Built Environment, Vol. 136, p. 223-234, 2014.

Giulia Curletto Architect, Ph.D. Student in Structural Engineering