Successfully reported this slideshow.
We use your LinkedIn profile and activity data to personalize ads and to show you more relevant ads. You can change your ad preferences anytime.

Advance structure system Notes 2

Advance structure system

Related Books

Free with a 30 day trial from Scribd

See all
  • Login to see the comments

Advance structure system Notes 2

  1. 1. UNIT 1‐
  2. 2.    
  3. 3. Dome shells–might be domical shell  structures A rounded roof, with a circular base, shaped like an arch in all directions.. First used in much of the Middle East and North Africa whence it spread to other parts of the Islamic world, because of its distinctive form the dome has, like the minaret, become a symbol of Islamic architecture. Dome has double curvature and the resulting structure is much stiffer and stronger than a single curved surface, such as a barrel shell
  4. 4. UNIT 2      BEAM  A beam is a structural element that is capable of withstanding load primarily by resisting bending. The  bending force induced into the material of the beam as a result of the external loads, own weight, span and  external reactions to these loads is called a bending moment.  Beams are traditionally descriptions of building or civil engineering structural elements, but smaller  structures such as truck or automobile frames, machine frames, and other mechanical or structural  systems contain beam structures that are designed and analyzed in a similar fashion.  Types of beams  Generally beam are five types: that is given below  1. Simply supported beam  2. Fixed beam  3. over hanging beam  4. Continuous beam  5. Cantilever beam   
  5. 5.   Beams are characterized by their profile (the shape of their cross‐section), their length, and their material.  In contemporary construction, beams are typically made of steel, reinforced concrete, wood, composites,  or cased fluids (inflatable beams). One of the most common types of steel beam is the I‐beam or wide‐ flange beam (also known as a "universal beam" or, for stouter sections, a "universal column"). This is  commonly used in steel‐frame buildings and bridges. Other common beam profiles are the C‐channel,  the hollow structural section beam, the pipe, and the angle.  Beams are also described by how they are supported. Supports restrict lateral and/or rotational  movements so as to satisfy stability conditions as well as to limit the deformations to a certain allowance.  A simple beam is supported by a pin support at one end and a roller support at the other end. A beam with  a laterally and rotationally fixed support at one end with no support at the other end is called  a cantilever beam. A beam simply supported at two points and having one end or both ends extended  beyond the supports is called an overhanging beam.  Structural characteristics  Moment of inertia  The moment of inertia of an object about a given axis describes how difficult it is to change its angular  motion about that axis. Therefore, it encompasses not just how much mass the object has overall, but how  far each bit of mass is from the axis. The farther out the object's mass is, the more rotational inertia the  object has, and the more force is required to change its rotation rate.    Diagram of stiffness of a simple square beam (A) and universal beam (B). The universal beam flange  sections are three times further apart than the solid beam's upper and lower halves. The second moment 
  6. 6. of inertia of the universal beam is nine times that of the square beam of equal cross section (universal  beam web ignored for simplification)    Stress in beams  Internally, beams experience compressive, tensile and shear stresses as a result of the loads applied to  them. Typically, under gravity loads, the original length of the beam is slightly reduced to enclose a smaller  radius arc at the top of the beam, resulting in compression, while the same original beam length at the  bottom of the beam is slightly stretched to enclose a larger radius arc, and so is under tension. The same  original length of the middle of the beam, generally halfway between the top and bottom, is the same as  the radial arc of bending, and so it is under neither compression nor tension, and defines the neutral axis  (dotted line in the beam figure). Above the supports, the beam is exposed to shear stress. There are  some reinforced concrete beams in which the concrete is entirely in compression with tensile forces taken  by steel tendons. These beams are known as prestressed concrete beams, and are fabricated to produce a  compression more than the expected tension under loading conditions. High strength steel tendons are  stretched while the beam is cast over them. Then, when the concrete has cured, the tendons are slowly  released and the beam is immediately under eccentric axial loads. This eccentric loading creates an internal  moment, and, in turn, increases the moment carrying capacity of the beam. They are commonly used on  highway bridges.  The primary tool for structural analysis of beams is the Euler–Bernoulli beam equation. Europe has  superseded Euler‐Bernoulli equations with the Perry Robertson formula. Other mathematical methods for  determining the deflection of beams include "method of virtual work" and the "slope deflection method".  Engineers are interested in determining deflections because the beam may be in direct contact with  a brittle material such as glass. Beam deflections are also minimized for aesthetic reasons. A visibly sagging  beam, even if structurally safe, is unsightly and to be avoided. A stiffer beam (high modulus of  elasticity and high second moment of area) produces less deflection. Mathematical methods for  determining the beam forces (internal forces of the beam and the forces that are imposed on the beam  support) include the "moment distribution method", the force or flexibility method      CONCRETE SLAB  A concrete slab is a common structural element of modern buildings. Horizontal slabs of steelreinforced  concrete, typically between 100 and 500 millimeters thick, are most often used to construct floors and  ceilings, while thinner slabs are also used for exterior paving.  In many domestic and industrial buildings a thick concrete slab, supported on foundations or directly on  thesubsoil, is used to construct the ground floor of a building. These can either be "ground‐bearing" or  "suspended" slabs. In high rise buildings and skyscrapers, thinner, pre‐cast concrete slabs are slung  between the steel frames to form the floors and ceilings on each level.  On the technical drawings, reinforced concrete slabs are often abbreviated to "r.c.slab" or simply "r.c."  hod and the direct stiffness method.     
  7. 7. Design  For a suspended slab, there are a number of designs to improve the strength‐to‐weight ratio. In all cases  the top surface remains flat, and the underside is modulated:   Corrugated, usually where the concrete is poured into a corrugated steel tray. This improves strength  and prevents the slab bending under its own weight. The corrugations run across the short dimension,  from side to side.   A ribbed slab, giving considerable extra strength on one direction.   A waffle slab, giving added strength in both directions.  Reinforcement design   A one way slab needs moment resisting reinforcement only in its short‐direction because the moment  along long axes is so small that it can be neglected. When the ratio of the length of long direction to  short direction of a slab is greater than 2 it can be considered as a one way slab.   A two way slab needs moment resisting reinforcement in both directions. If the ratio of the lengths of  long and short side is less than two then movement in both direction should be considered in design.    Construction   A concrete slab may be prefabricated or in situ. Prefabricated concrete slabs are built in a factory  and transported to the site, ready to be lowered into place between steel or concrete beams. They  may be pre‐stressed (in the factory), post‐stressed (on site), or unstressed. It is vital that the  supporting structure is built to the correct dimensions, or the slabs may not fit.   In situ concrete slabs are built on the building site using formwork ‐ a type of boxing into which the  wet concrete is poured. If the slab is to be reinforced, the rebars are positioned within the  formwork before the concrete is poured in. Plastic tipped metal, or plastic bar chairs are used to  hold the rebar away from the bottom and sides of the form‐work, so that when the concrete sets it  completely envelops the reinforcement. For a ground slab, the form‐work may consist only of  sidewalls pushed into the ground. For a suspended slab, the form‐work is shaped like a tray, often  supported by a temporary scaffold until the concrete sets.   The formwork is commonly built from wooden planks and boards, plastic, or steel. On commercial  building sites today, plastic and steel are more common as they save labour. On low‐budget sites,  for instance when laying a concrete garden path, wooden planks are very common. After the  concrete has set the wood may be removed, or left there permanently.   In some cases formwork is not necessary ‐ for instance, a ground slab surrounded by brick or block  foundation walls, where the walls act as the sides of the tray and hardcore acts as the base.           
  8. 8.   ARCH  An arch is a structure that spans a space and supports structure and weight above it. Arches appeared as  early as the 2nd millennium BC in Mesopotamian brick architecture and their systematic use started with  the Ancient Romans who were the first to apply the technique to a wide range of structures.  An arch is a pure compression form. It can span a large area by resolving forces into compressive  stresses and, in turn eliminating tensile stresses. This is sometimes referred to as arch action. As the forces  in the arch are carried to the ground, the arch will push outward at the base, called thrust. As the rise, or  height of the arch decreases, the outward thrust increases.[4]  In order to maintain arch action and prevent  the arch from collapsing, the thrust needs to be restrained, either with internal ties, or external bracing,  such as abutments.   Fixed arch vs. hinged arch  The most common true arch configurations are the fixed arch, the two‐hinged arch, and the three‐hinged  arch.    The fixed arch is most often used in reinforced concrete bridge and tunnel construction, where  the spans are short. Because it is subject to additional internal stress caused by thermal  expansion and contraction, this type of arch is considered to be statically indeterminate.    The two‐hinged arch is most often used to bridge long spans. This type of arch has pinned  connections at the base. Unlike the fixed arch, the pinned base is able to rotate, allowing the  structure to move freely and compensate for the thermal expansion and contraction caused by  changes in outdoor temperature. Because the structure is pinned between the two base  connections, which can result in additional stresses, the two‐hinged arch is also statically  indeterminate, although not to the degree of the fixed arch   The three‐hinged arch is not only hinged at its base, like the two‐hinged arch, but at the mid‐ span as well. The additional connection at the mid‐span allows the three‐hinged arch to move in  two opposite directions, and compensate for any expansion and contraction. This type of arch is  thus not subject to additional stress caused by thermal change. The three‐hinged arch is  therefore said to be statically determinate.[6]  It is most often used for medium‐span structures,  such as large building roofs.  Another advantage of the three‐hinged arch is that the pinned bases are more easily developed  than fixed ones, allowing for shallow, bearing‐type foundations in medium‐span structures. In the  three‐hinged arch, "thermal expansion and contraction of the arch will cause vertical movements at  the peak pin joint but will have no appreciable effect on the bases," further simplifying the  foundation design.     Types of arches 
  9. 9. Arches have many forms, but all fall into three basic categories: Circular, pointed, and parabolic. Arches can  also be configured to produce vaults and arcades.[5]    Arches with a circular form, also referred to as rounded arch, were commonly employed by the  builders of ancient, heavy masonry arches. Ancient Roman builders relied heavily on the  rounded arch to span large, open areas. Several rounded arches placed in‐line, end‐to‐end,  form an arcade, such as the Roman aqueduct   Pointed arches were most often used by builders of Gothic‐style architecture. The advantage to  using a pointed arch, rather than a circular arch, is that the arch action in a pointed arch  produces less thrust at the base. This innovation allowed for taller and more closely spaced  openings, typical of Gothic architecture.    Vaults are essentially "adjacent arches [that] are assembled side by side." If vaults intersect,  complex forms are produced with the intersections. The forms, along with the "strongly  expressed ribs at the vault intersections, were dominant architectural features of Gothic  cathedrals."    The parabolic arch employs the principle that when weight is uniformly applied to an arch, the  internal compression resulting from that weight will follow a parabolic profile. Of any arch type,  the parabolic arch produces the most thrust at the base, but can span the largest areas. It is  commonly used in bridge design, where long spans are needed.      
  10. 10.   Force distribution in different types of arches    CATENARY  In physics and geometry, a catenary is the curve that an idealized hanging chain or cable assumes under its  own weight when supported only at its ends. The curve has a U‐like shape, superficially similar in  appearance to a parabola (though mathematically quite different). It also appears in the design of certain  types of arches and as a cross section of the catenoid—the shape assumed by a soap film bounded by two  parallel circular rings.  The catenary is also called the "alysoid", "chainette", or, particularly in the material sciences, "funicular".  Mathematically, the catenary curve is the graph of the hyperbolic cosine function. The surface of  revolution of the catenary curve, the catenoid, is a minimal surface, and is the only minimal surface of  revolution other than the plane. Catenaries and related curves are used in architecture and engineering, in  the design of bridges and arches, so that forces do not result in bending moments.           
  11. 11. Inverted catenary arch  Catenary arches are often used in the construction of kilns. To create the desired curve, the shape of a  hanging chain of the desired dimensions is transferred to a form which is then used as a guide for the  placement of bricks or other building material.   The Gateway Arch in St. Louis, Missouri, United States is sometimes said to be an (inverted) catenary, but  this is incorrect. It is close to a more general curve called a flattened catenary, with  equation y = A cosh(B x ), which is a catenary if A B = 1 .       Catenary bridges  In free‐hanging chains, the force exerted is uniform with respect to length of the chain, and so the chain  follows the catenary curve. The same is true of a simple suspension bridge or "catenary bridge," where the  roadway follows the cable.   A stressed ribbon bridge is a more sophisticated structure with the same catenary shape. However in  a suspension bridge with a suspended roadway, the chains or cables support the weight of the bridge, and  so do not hang freely. In most cases the roadway is flat, so when the weight of the cable  is negligible compared with the weight being supported, the force exerted is uniform with respect to  horizontal distance, and the result is a parabola, as discussed below (although the term "catenary" is often  still used, in an informal sense). If the cable is heavy then the resulting curve is between a catenary and a  parabola     
  12. 12. VAULT  A Vault is an architectural term for an arched form used to provide a space with a ceiling or roof. The parts  of a vault exert lateral thrust  that require a counter resistance. When vaults are built underground, the  ground gives all the resistance required. However, when the vault is built above ground, various  replacements are employed to supply the needed resistance. An example is the thicker walls used in the  case of barrel or continuous vaults. Buttresses are used to supply resistance when intersecting vaults are  employed.  The simplest kind of vault is the barrel vault (also called a wagon or tunnel vault) which is  generally semicircular in shape. The barrel vault is a continuous arch, the length being greater than its  diameter. As in building an arch, a temporary support is needed while rings of voussoirs are constructed  and the rings placed in position. Until the topmost voussoir, the keystone, is positioned the vault is not self‐ supporting. Where timber is easily obtained, this temporary support is provided by centering consisting of  a framed truss with a semicircular or segmental head, which supports the voussoirs until the ring of the  whole arch is completed. With a barrel vault, the centering can then be shifted on to support the next  rings.  Vault types   Dome   Amongst the earliest known examples of any form of vaulting is to be found in the neolithic village  of Khirokitia on Cyprus. Dating from ca. 6000 BCE, the circular buildings supported beehive  shaped corbel domed vaults of unfired mud‐bricks and also represent the first evidence for settlements  with an upper floor. Similar Beehive tombs, called tholoi, exist in Crete and Northern Iraq. Their  construction differs from that at Khirokitia in that most appear partially buried and make provision for  a dromos entry.  The inclusion of domes, however, represents a wider sense of the word vault. The distinction between the  two is that a vault is essentially an arch which is extruded into the third dimension, whereas a dome is an  arch revolved around its vertical axis.  Barrel vault  A barrel vault is the simplest form of a vault and resembles a barrel or tunnel cut lengthwise in half. The  effect is that of a structure composed of continuous semicircular or pointed sections.   The earliest known examples of barrel vaults were built by the Sumerians, possibly under  the ziggurat at Nippur in Babylonia, which was built of fired bricks cemented with clay mortar.       Groin vault  A groin vault or groined vault (also sometimes known as a double barrel vault or cross vault) is produced  by the intersection at right angles of two barrel vaults. The word groin refers to the edge between the 
  13. 13. intersecting vaults. Sometimes the arches of groin vaults are pointed instead of round. In comparison with  a barrel vault, a groin vault provides good economies of material and labor. The thrust is concentrated  along the groins or arises (the four diagonal edges formed along the points where the barrel vaults  intersect), so the vault need only be abutted at its four corners.  Rib vault  The intersection of two or three barrel vaults produces a rib vault or ribbed vault when they are edged  with an armature of piped masonry often carved in decorative patterns; compare groin vault, an older form  of vault construction. While the mechanics of the weight of a groin vault and its transmission outwards to  the supporting pillars remained as it had been, the new use of rib vaults demonstrates the skill of the  masons and the grandeur of the new ideas circulating at the introduction of Gothic architecture in the end  of the eleventh century. This technique was new in the late eleventh century, for example in the roofs of  the choir side aisles at Durham Cathedral. Ancestors of the Gothic rib vault in the Romanesque vaults can  be found at Caen and Durham, both sites of early Gothic constructions, and elsewhere.  DOMES  A dome is an element of architecture that resembles the hollow upper half of a sphere. Dome structures  made of various materials have a long architectural lineage extending into prehistory. A dome can be  thought of as an arch which has been rotated around its central vertical axis. Thus domes, like arches, have  a great deal of structural strength when properly built and can span large open spaces without interior  supports. Corbel domes achieve their shape by extending each horizontal layer of stones inward slightly  farther than the previous, lower, one until they meet at the top. These are sometimes  called false domes. True, or real, domes are formed with increasingly inward‐angled layers  of voussoirs which have ultimately turned 90 degrees from the base of the dome to the top. The optimal  shape for a masonry dome of equal thickness is a catenary curve, similar to the curve of a parabola. This  shape provides for perfect compression, without any of the tension or bending forces against which  masonry is weak. Hemispherical domes, by contrast, generate significant horizontal thrusts at their  haunches  .      TRUSSES  In architecture, a truss is a structure comprising one or more triangular units constructed with straight  members whose ends are connected at joints referred to as nodes. External forces and reactions to those  forces are considered to act only at the nodes and result in forces in the members which are either  tensile or compressive forces. Moments (torques) are explicitly excluded because, and only because, all the  joints in a truss are treated as revolute. 
  14. 14. A planar truss is one where all the members and nodes lie within a two dimensional plane, while a space  truss has members and nodes extending into three dimensions. The top beams in a truss are called top  chords and are generally in compression, the bottom beams are called bottom chords and are generally  in tension, the interior beams are called webs, and the areas inside the webs are called panels.   Characteristics of trusses  A truss consists of straight members connected at joints, traditionally termed panel points. Trusses are  composed of triangles because of the structural stability of that shape and design. A triangle is the simplest  geometric figure that will not change shape when the lengths of the sides are fixed. In comparison, both  the angles and the lengths of a four‐sided figure must be fixed for it to retain its shape.  Planar truss    Planar roof trusses  The simplest form of a truss is one single triangle. This type of truss is seen in a framed roof consisting  of rafters and a ceiling joist, and in other mechanical structures such as bicycles and aircraft. Because of the  stability of this shape and the methods of analysis used to calculate the forces within it, a truss composed  entirely of triangles is known as a simple truss.  The traditional diamond‐shape bicycle frame, which utilizes  two conjoined triangles, is an example of a simple truss.   A planar truss lies in a single plane. Planar trusses are typically used in parallel to form roofs and bridges.  The depth of a truss, or the height between the upper and lower chords, is what makes it an efficient  structural form. A solid girder or beam of equal strength would have substantial weight and material cost  as compared to a truss. For a given span, a deeper truss will require less material in the chords and greater  material in the verticals and diagonals. An optimum depth of the truss will maximize the efficiency.   Space frame truss  A space frame truss is a three‐dimensional framework of members pinned at their ends.  A tetrahedron shape is the simplest space truss, consisting of six members which meet at four joints. Large  planar structures may be composed from tetrahedrons with common edges and they are also employed in  the base structures of large free‐standing power line pylons 
  15. 15. SIMPLE TETRAHEDRON  Truss types  There are two basic types of truss:   The pitched truss, or common truss, is characterized by its triangular shape. It is most often used for  roof construction. Some common trusses are named according to their web configuration. The  chord size and web configuration are determined by span, load and spacing.   The parallel chord truss, or flat truss, gets its name from its parallel top and bottom chords. It is  often used for floor construction.  A combination of the two is a truncated truss, used in hip roof construction. A metal plate‐connected  wood truss is a roof or floor truss whose wood members are connected with metal connector plates.  Pratt truss   The Pratt truss was patented in 1844. The design uses vertical members  for compression and horizontal members to respond to tension. The continued popularity of the Pratt  truss is probably due to the fact that the configuration of the members means that longer diagonal  members are only in tension for gravity load effects. This allows these members to be used more  efficiently, as slenderness effects related to buckling under compression loads (which are compounded  by the length of the member) will typically not control the design. Therefore, for given planar truss with  a fixed depth, the Pratt configuration is usually the most efficient under static, vertical loading.  The Southern Pacific Railroad bridge in Tempe, Arizona is a 393 meter (1,291 foot) long truss bridge  built in 1912.[17]  The structure is composed of nine Pratt truss spans of varying lengths. The bridge is  still in use today.  The Wright Flyer used a Pratt truss in its wing construction, as the minimization of compression  member lengths allowed for lower aerodynamic drag.     Statics of trusses  A truss that is assumed to comprise members that are connected by means of pin joints, and which is  supported at both ends by means of hinged joints or rollers, is described as being statically determinate.  Newton's Laws apply to the structure as a whole, as well as to each node or joint. In order for any node  that may be subject to an external load or force to remain static in space, the following conditions must  hold: the sums of all (horizontal and vertical) forces, as well as all moments acting about the node equal  zero. Analysis of these conditions at each node yields the magnitude of the compression or tension forces. 
  16. 16. Trusses that are supported at more than two positions are said to be statically indeterminate, and the  application of Newton's Laws alone is not sufficient to determine the member forces.  In order for a truss with pin‐connected members to be stable, it must be entirely composed of triangles. In  mathematical terms, we have the following necessary condition for stability:    Where m is the total number of truss members, j is the total number of joints and r is the number of  reactions (equal to 3 generally) in a 2‐dimensional structure.  When , the truss is said to be statically determinate, because the (m+3) internal member  forces and support reactions can then be completely determined by 2j equilibrium equations, once we  know the external loads and the geometry of the truss. Given a certain number of joints, this is the  minimum number of members, in the sense that if any member is taken out (or fails), then the truss as  a whole fails. While the relation (a) is necessary, it is not sufficient for stability, which also depends on  the truss geometry, support conditions and the load carrying capacity of the members.  Some structures are built with more than this minimum number of truss members. Those structures  may survive even when some of the members fail. Their member forces depend on the  relative stiffness of the members, in addition to the equilibrium condition described.    Bowstring truss  Named for their shape, bowstring trusses were first used for arched truss bridges, often confused  with tied‐arch bridges.  Thousands of bowstring trusses were used during World War II for holding up the curved roofs of  aircraft hangars and other military buildings. Many variations exist in the arrangements of the  members connecting the nodes of the upper arc with those of the lower, straight sequence of  members, from nearly isosceles triangles to a variant of the Pratt truss.  King post truss  Main article: King post    One of the simplest truss styles to implement, the king post consists of two angled supports leaning  into a common vertical support.    The queen post truss, sometimes queenpost or queenspost, is similar to a king post truss in that the  outer supports are angled towards the center of the structure. The primary difference is the horizontal  extension at the center which relies on beam action to provide mechanical stability. This truss style is  only suitable for relatively short spans    Lenticular truss 
  17. 17.   The Waterville Bridge in Swatara State Park in Pennsylvania is a lenticular truss  Lenticular trusses, patented in 1878 by William Douglas, have the top and bottom chords of the truss  arched, forming a lens shape. A lenticular pony truss bridge is a bridge design that involves a lenticular  truss extending above and below the roadbed.  Town's lattice truss    American architect Ithiel Town designed Town's Lattice Truss as an alternative to heavy‐timber  bridges. His design, patented in 1820 and 1835, uses easy‐to‐handle planks arranged diagonally with  short spaces in between them.    Vierendeel truss  The Vierendeel truss is a structure where the members are not triangulated but form rectangular  openings, and is a frame with fixed joints that are capable of transferring and resisting bending  moments. As such, it does not fit the strict definition of a truss; regular trusses comprise members that  are commonly assumed to have pinned joints, with the implication that no moments exist at the  jointed ends.. Its use for bridges is rare due to higher costs compared to a triangulated truss.  The utility of this type of structure in buildings is that a large amount of the exterior envelope remains  unobstructed and can be used for fenestration and door openings. This is preferable to a braced‐frame  system, which would leave some areas obstructed by the diagonal braces.  Simple load transfer diagram in trusses    PORTAL FRAMES  Portal frame construction is a method of building and designing structures, primarily using steel or steel‐ reinforced precast concrete although they can also be constructed using laminated timber such as glulam.  The connections between the columns and the rafters are designed to be moment‐resistant, i.e. they can  carry bending forces. "They were first developed in the 1960s, and have now become the most common  form of enclosure for spans of 20 to 60 m"  Because of these very strong and rigid joints, some of the bending moment in the rafters is transferred to  the columns. This means that the size of the rafters can be reduced or the span can be increased for the 
  18. 18. same size rafters. This makes portal frames a very efficient construction technique to use for wide span  buildings.  Portal frame construction is therefore typically seen in warehouses, barns and other places where large,  open spaces are required at low cost and a pitched roof is acceptable.  Generally portal frames are used for single‐story buildings but they can be used for low‐rise buildings with  several floors where they can be economic if the floors do not span right across the building (in these  circumstances a skeleton frame, with internal columns, would be a more economic choice). A typical  configuration might be where there is office space built against one wall of a warehouse.  Portal frames can be clad with all sorts of material but the most popular solution, for reasons of economy  and speed, is some form of lightweight insulated metal cladding with cavity masonry work to the bottom  2m of the wall to provide security and impact resistance. The lightweight cladding would be carried on  sheeting rails spanning between the columns of the portal frames.  Portal frames can be defined as two‐dimensional rigid frames that have the basic characteristics of a rigid  joint between column and beam.  The main objective of this form of design is to reduce bending moment in the beam, which allows the  frame to act as one structural unit.  The transfer of stresses from the beam to the column results in rotational movement at the foundation,  which can be overcome by the introduction of a pin/hinge joint.  For warehouses and industrial buildings, sloping roof made of purlins and ac sheet roofing between portals  is provided. For assembly halls, portals with R.C slab roof cast monolithically is used.  Portal frames are designed for the following loads:   roof load   wind load  While designing, care should be taken for proper   joints   foundation   bracing 
  19. 19.     SPACE FRAMES  In architecture and structural engineering, a space frame or space structure is a truss‐like, lightweight rigid  structure constructed from interlocking struts in a geometric pattern. Space frames can be used to span  large areas with few interior supports. Like the truss, a space frame is strong because of the inherent  rigidity of the triangle; flexing loads (bending moments) are transmitted as tension and compression loads  along the length of each strut. The simplest form of space frame is a horizontal slab of interlocking square  pyramids and tetrahedral built from aluminium or tubular steel struts. In many ways this looks like the  horizontal jib of a tower crane repeated many times to make it wider. A stronger form is composed of  interlocking tetrahedral in which all the struts have unit length. More technically this is referred to as an 
  20. 20. isotropic vector matrix or in a single unit width an octet truss. More complex variations change the lengths  of the struts to curve the overall structure or may incorporate other geometrical shapes.  If a force is applied to the blue node, and the red bar is not present, the  behaviour of the structure depends completely on the bending rigidity of the blue node. If the red bar is  present, and the bending rigidity of the blue node is negligible compared to the contributing rigidity of the  red bar, the system can be calculated using a rigidity matrix, neglecting angular factors  Types  Within the meaning of space frame, we can find three systems clearly different between them:    Space plane covers.   Barrel vaults. Usually these types of space frames do not need to use tetrahedral modules or pyramids  as a part of its backing.   Spherical domes. The structure built in this way, in most cases, requires the use of tetrahedral modules  or pyramids shaping backing modules, and even, these domes would need some support by his cover.   
  21. 21.  UNIT 3    Describe the aesthetic theories of the expression of structural function in architectural form.   Write short notes on structure and form/ Geometry of form and structural function (2011, 2012)    It has long been recognized that an appreciation of the role of structure is essential to the understanding  of architecture. It was Vitruvius, writing at the time of the founding of the Roman Empire, who identified  the three basic components of architecture as firmitas, utilitas and venustas which were translated  these as ‘firmness’, ‘commodity’ and ‘delight’.    ‘Commodity’ refers to the practical functioning of the building;    ‘Delight’ is the term for the effect of the building on the aesthetic sensibilities of those  who  come into contact  with it.     ‘Firmness’ is the most basic quality. It is concerned with the ability of the building to preserve its  physical integrity and survive in the world as a physical object. The part of the building which  satisfies  the need for ‘firmness’ is the structure. Structure  is fundamental: without structure  there is no building and therefore  no ‘commodity’. Without well‐ designed structure there can  be no ‘delight’.   A building can be read as a structural object. Since structural elements are a part of architecture. They  define the inside and outside of a structure and define spaces. The relationship between structural  design and architectural design can take many forms however. At one extreme it is possible for an  architect  virtually to ignore structural considerations while inventing the form of a building and to  conceal entirely the structural elements in the completed version of the building.  Structure  and architecture may be related  in a wide variety of ways ranging between  the extremes  of  complete domination of the architecture by the structure to total disregard of structural requirements  in the determination of both the form of a building and of its aesthetic treatment. This infinite number   of possibilities is discussed here:  •  ornamentation  of structure  o a favoured structural system has been  allowed to influence, if not totally determine, the  overall form of the buildings  o the building consists of little more than  a visible structural armature adjusted in fairly  minor ways for visual reasons  o ex. Parthenon of Greece was ornamentation of constructional elements(beam and  columns)  •  structure  as ornament  o involves  the manipulation of structural elements by criteria which are principally visual.  o The  structure is given visual prominence but unlike in ornamentation  of structure, the  design process  is driven by visual rather than by technical  considerations. As a 
  22. 22. consequence the performance of these  structures is often less than ideal when  judged by technical   criteria.  •  structure   as architecture  o buildings which consisted of structure and  only structure, like igloo and tepee.   o eg. palazatto dello sport, italy  •  structure  as form generator  o The term structure as form generator describes a relationship  between  structure and architecture in which structural  requirements are allowed to influence strongly the forms of  buildings  even though  the structure itself is not necessarily  exposed.   o  In this type of relationship the configuration of elements  which is most sensible structurally  is accepted and the  architecture accommodated to it.  o the form‐generating possibilities of structure contribute to an architectural style.   o The vaulted structures of Roman antiquity are an example. The large interior spaces  of  the basilicas  and bath houses of Imperial Rome were roofed by vaults and domes.   Structure and form   Structural forms that ignores basic knowledge of the relationship between geometry and structural  behaviour results in a lack of structural efficiency. In the ‘high tech’ architecture of the 1980s for  example, the structural elements discipline  the plan of the building and form an important part of the  visual vocabulary. In the early Modern buildings  of Gropius, Mies van der Rohe, Le Corbusier and  others,  the forms which were adopted were greatly influenced  by the types of geometry which were  suitable for steel and reinforced concrete  structural frameworks.  Structures that give rise to unique building forms either come under the category of semi or fully form  active structures. These structures justify the use of structural elements for the design complexities they  are faced with, and these structural elements define a new aesthetic style for the building.   Fully form‐active structures are normally used only in circumstances where a special structural  requirement to achieve a high degree of structural efficiency exists, either because the span  involved is very large or because a structure of exceptionally  light weight is required.     They have geometries which are more complicated than post‐and‐beam or semi‐form‐active   types and they produce buildings  which have distinctive  shapes.    Included in this group are compressive shells, tensile  cable networks and air‐ supported tensile‐ membrane structures. Form‐ active shapes are frequently chosen  for the compressive   elements as well as for the tensile elements (see Fig. 7.18).  
  23. 23.  Form‐active structures are almost  invariably statically indeterminate and this, together with the  fact that they are difficult to construct, makes them very expensive in the present age, despite  the fact that they make an efficient use of structural material.    Many technical  difficulties, associated with  the behaviour of the structural members of  form active systems in response to dynamic  loads, arise in connection with their design.  o In the case of the compressive   version of the form‐active structure,  the penalty which is incurred if it is  not given the true form‐active  shape  for the load is that bending   stress occurs in the membrane. If  this happens unintentionally there is  a risk of strength failure, and it is  therefore  desirable that the exact  geometry of the true form‐active  shape should  be determined during the design process  and that the structure be made  to conform to it. Eg. Fig. 7.18       
  24. 24. UNIT 4  Q. Describe the following structural systems with neat sketches. (2012)a. single layered grids     b. double  layered grids  Q. With the help of neat sketches describe the following two types of cable suspended roofs: a. single  layered systems     b. double layered systems(2011)   Grids   A 'grid' is a structural system involving one or more planar layers of elements.   A 'single layer grid', or 'flat grid', consists of a planar arrangement of rigidly connected beam elements.  The external loading system for a flat grid consists of forces perpendicular to the plane of the grid and/or  moments whose axes lie in the plane of the grid.   Single layer geometries are used for moderate spans and for architectural applications.        The 'two‐way' pattern, shown in Fig. 1a, is the simplest pattern for a flat grid. It consists of two sets of  interconnected beams that run parallel to the boundary lines. The diagonal pattern consists of two  parallel sets of interconnected beams that are disposed obliquely with respect to the boundary lines.  An important point that should be borne in mind is that one should be careful in using single layer domes  unless the jointing system provides sufficient rigidity for the connections and that the elements are  designed for resisting bending and shear in addition to the axial forces. Otherwise, the structures will be  prone to snapthrough buckling.                   
  25. 25. Double Layer Grids    A 'double layer grid' consists of two (nominally) parallel layers of elements that are interconnected  together with 'web' elements. Views of some commonly used patterns of double layer grids are shown in  Fig. 3. In this figure, the 'top' layer elements are shown by thick lines and the 'bottom' layer elements as  well as the 'web' elements are shown by thin lines. The double layer grid of Fig. 3a consists of a two‐way  top layer and a two‐way bottom layer. In the case of the grid of Fig. 3b, both the top and bottom layers  have a diagonal pattern. There are also many double layer grids built with a two‐way pattern for one of  the layers and a diagonal pattern for the other layer.    A double layer grid of a different kind is shown in Fig. 3c. Here, the top and bottom layers are of an  identical shape and are positioned such that their plan views are coincident. Also, in this case all the web  elements lie in vertical planes. The result is a double layer grid that effectively consists of a number of  intersecting plane trusses. A grid of this type is referred to as a 'truss grid'. A truss grid may be regarded  as a flat grid whose elements are trusses.  A primary double layer grid pattern, such as the one shown in Fig. 3a, is often used as a basis for the  creation of various 'reduced forms' by removing a number of elements. An example of this is shown in Fig.  3d. This grid is obtained from the grid of Fig. 3a by removing the bottom layer and web elements that are  connected to a number of bottom layer nodes. A similar process is used for obtaining the reduced grid of  Fig. 3e from the grid of Fig. 3b. Also, the diagonal truss grid of Fig. 3f is obtained by removing the non‐ boundary third‐direction trusses of the grid of Fig. 3c.  Double‐layer grids, or flat surface space frames, consist of two planar networks of members forming the  top and bottom‐layers parallel to each other and interconnected by vertical and inclined web members. 
  26. 26. Double‐layer grids are characterized by hinged joints with no moment or torsional resistance; therefore, all  members can only resist tension or compression. Even in the case of connection by comparatively  rigid joints, the influence of bending or torsional moment is insignificant.    A Flat Double‐Layer Grid     Vierendeel geometries can be used for most circular domes. These are double‐layer frames with parallel  nodes in each layer connected with post members perpendicular to the dome's surface. The second layer  increases the bending strength and the buckling resistance without introducing unnecessary web  elements.      
  27. 27.  Double layer truss geometries are used whenever there are large or concentrated loads, column  supports, or for extremely long spans.  The doubling of the layers of the lattice grid shell, used for increased stiffness     Q. Describe the following structural systems with neat sketches. (2012)Braced domes  The rise of a braced dome can be as flat as one seventh of the diameter or as high as three fourths of the  diameter, which will constitute the greater part of a sphere. For diameters larger than 60 m, double‐layer  grids are recommended. The ratio of the thickness to the diameter of double‐layer braced dome is in  the range of 1/30 to 1/60; for long spans the thickness can be as small as 1/100 of the diameter.     Out of a large variety of possible types of braced domes, only four or five types proved to be frequently  used in practice.   1. Ribbed domes (write from notes)  2. Schwedler domes                   
  28. 28. 3. Three‐way grid domes    4. Lamella domes (write from notes)  5. Geodesic domes (write from notes)  Q. Write short notes on ribbed domes. (Apr, Dec. 2011)                       RIBBED DOME   A 'dome' is a structural system that consists of one or more layers of elements that are 'arched' in all  directions. The surface of a dome may be a part of a single surface such as a sphere or a paraboloid, or it  may consist of a patchwork of different surfaces.   A ribbed dome consists of a number of intersecting 'ribs' and 'rings'. A rib is a group of elements that lie  along a meridional line and a ring is a group of elements that constitute a horizontal polygon. A ribbed  dome will not be structurally stable unless it is designed as a rigidly‐jointed system. When the number of  ribs is large then there could be a problem regarding the 'overcrowding' of the elements near the crown.  One way of avoiding this problem is to cut back the upper parts of some of the ribs. Such an operation is  referred to as 'trimming'. An example of a 'trimmed ribbed dome' is shown in Fig. 5b when every other rib  is 'trimmed' to the level of the fourth ring from the top.                 
  29. 29.      Q. a. what are lamella domes? List some of their advantages. (2011)  b. with the help of neat sketches illustrate few types of lamella domes.  c. give examples of some constructed domes of this type.        
  30. 30.   Lamella: A lamella dome is formed by intersecting two‐way ribs diagonally to form a rhombus‐shaped grid  pattern. As in lamella braced barrel vault, each lamella element has a length that is twice the length of the  side of a diamond.     Lamella domes are generated with concentric rings, where each subsequent ring is rotated by a half  module. This reduces the length of the ring tubes as the geometry proceeds towards the apex. When the  tubes of the rings become too small (usually half the length of the first), they "consolidate" to the next  ring, joining the two divisions into one. The separation between rings in Lamella domes can be varied so  they are equilateral triangles forming each ring. Because the tubes of each ring are equal, the  manufacturing time is fast and assembly is easy. Lamella domes are beautiful and a favorite for  architectural applications.      A lamella dome is expected to have the following advantages:  1) Smooth transmission of member forces、 
  31. 31. 2) Easy manufacture of element and hinge‐detail.3) easy assembly TYPES OF LAMELLA DOMES  The lamella dome can further be distinguished into parallel and curved domes. For  parallel lamella as shown in Figure 24.14d, the circular plan is divided into several sectors (usually six or  eight), and each sector is subdivided by parallel ribs into rhombus grids of the same size. This type of  lamella dome is very popular in the United States. It is sometimes called a Kiewitt dome, after its  developer. For curved lamella as shown in Figure 24.14e, rhombus grids of different sizes, gradually  increasing from the center of the dome, are formed by diagonal ribs along the radial lines. Sometimes,  for the purpose of establishing purlins for roof decks, concentric rings are introduced, and a triangular  network is generated.    EXAMLES 1. Astrodome, modern domed stadium built in Houston, Texas, in 1965. The largest previous  coveredsports arenas provided only limited performing space and seated no more than 20,000 persons.  The Astrodome, however, built on the principle of the dome, completely protects a sports area suitable  forbaseball and American football, with seating for 66,000 spectators in six tiers. The plastic‐paneled dome,  spanning 642 feet (196 metres), is supported by a steel lattice; the entire interior is air‐conditioned at 74 °F  (23 °C) and fully lighted with power from its own electric‐generating system.     
  32. 32.   Example 2   the Cancun Hyatt        Q. Write short notes on geodesic domes. (2012)  The geodesic dome was developed by the American designer Buckminster Fuller, who turned architects’  attention to the advantages of braced domes in which the elements forming the framework of the  structure are lying on the great circle of a sphere. This is where the name ‘‘geodesic’’ came from 
  33. 33.     The framework of these intersecting elements forms a three‐way grid comprising virtually equilateral  spherical triangles. In Fuller’s original geodesic domes, he used an icosahedron as the basis for the  geodesic subdivision of a sphere; then, the spherical surface is divided into 20 equilateral triangles as  shown in Figure 24.15a. This is the maximum number of equilateral triangles into which a sphere can be  divided.     For domes of larger span, each of these triangles can be subdivided into six triangles by drawing medians  and bisecting the sides of each triangle. It is therefore possible to form 15 complete great circles regularly  arranged on the surface of a sphere (see Figure 24.15b). Practice shows that the primary type of bracing,  which is truly geodesic, is not sufficient since it would lead to an excessive length for members in geodesic  dome; therefore a secondary bracing has to be introduced.     To obtain a more or less regular network of the bracing bars, the edges of the basic triangle are divided  modularly. The number of modules into which each edge of the spherical icosahedron is divided depends  mainly on the size of the dome, its span, and the type of roof cladding. This subdivision is usually referred  to as ‘‘frequency,’’ as depicted in Figure 24.15c. It must be pointed out that during such a subdivision the  resulting triangles are no longer equilateral. The members forming the skeleton of the dome show slight  variation in their length. As the frequency of the subdivision increases, the member length reduces; the  number of components as well as the number of types of connecting joints increase.  Consequently, this reflects in the increase of the final price of geodesic dome and is one of the reasons  why geodesic domes, in spite of their undoubted advantages for smaller spans, do not compare equally  well with other types of braced domes for larger span.   
  34. 34.               PLATE TYPE DOMES   Plate-type domes are usually described as domes, totally or partly consisting of planes with more than 3 edges, braced by structural cladding such as plates or by bars in a triangular pattern. It seems that this concept may be extended to regarding the plate dome, or plate structure in general, as an independent and just as basic a structural family as the lattice structure, so basic in fact that it is the exact dual of the lattice structure.          NETWORK DOMES 
  35. 35.  
  36. 36.     UNIT‐5  1 .List different types of folded plate structures. give neat sketches.  a. Explain structural action of folded plates b. Illustrate different types of folded plates structures  which can be constructed using concrete.  2. Explain the action by which concrete folded plate resists load.  a. With the help of neat sketches illustrate the components of braced folded plate structure.    Types of folded plate structures: Folded structures are spatial structures formed by the elements in the  plane, different in form and materialization. Folded structures differ in: geometric form, the form of a    base over which they are performed, the manner of performance, methods of forming  stiffness, function and  position in the building, and the material they are made of. By using folded structures different spatial forms  can be made. The straight elements forming a folded construction can be of various shapes: rectangular,  trapezoidal or triangular.  Based on geometric shape folded structures can be divided into    Folded plate surfaces   folded plate frames,   spatial folded plate structures.  Folded structures in the plane are the structures in which all the highest points of the  elements and all the  elements of the lowest points of the folded structure belong to two parallel planes. Frame folded structures  represent constructional set in which the elements of each  segment of the folds mutually occupy a frame  spatial form. This type of folded structure is  spatial organization of two or more folds in the plane. Spatial  folded structures are the type of a structure in which a spatial constructive set  is formed by combining  mutually the elements of a folded structure.    The shape of folded structures affects the transmission of load and direction of relying  of folded structures. Based on these parameters we can do the division in (Fig. 2):   linear folded plate structure,   radial folded plate structure,   spatial folded plate structure        Folded structures have found the application in architectural  buildings and engineering structures. Based on the position in  the architectural structure, this type of construction can be  divided into: roof, floor and wall folded constructions. In  engineering structures, bridges be divided into: roof, floor and  wall folded constructions. The principle of greater stiffness of  individual constructive element, by the introduction of folded  form, has found application in many consumer products  The  largest number of examples of folded structures are roof  structures. The need for  acquiring the larger range and more  cost effective structure led to the emergence of this  type of  structure. The development of spatial structures led to the  exceptional formal   solutions which directly influenced the  aesthetics and visual identity of the building    APPLICATION OF FOLDED PLATE STRUCTURE 
  37. 37.         FOLDED PLATE STRUCTURE SYSTEMS BASED ON THE GEOMETRIC SHAPE.    Types Of Folded Plate Structures Constructed Using Concrete:    Folded structures made of reinforced concrete  Concrete is the most commonly applied material for creases. A large number of authors define  folded construction as the construction made only from reinforced concrete. The reason for this  statement is the fact that most of the folded structures are made of this material. Most commonly  applied form of the crease is a "V" shape whose static height depends    on the range and load.  Folded structures of boards, cast on site, which require casing, are generally made of wood. In cases  where the slope of the plate is greater than 30° double plating is required. In this case the  dimensions of folded plates are not limited. We can get  a great variety of types in this way.    Truss folded structures of reinforced concrete  The reinforced concrete can form a truss folded structures. An example of a folded structure formed  in such a way is a folded construction of a hangar at Gatwick airport in London. This structure was  formed as a trapezoidal folded construction, i.e. as a structure with three‐band bars that are not  placed next to each other, but at the distance from each other, and their mutual distance is roofed  by purlins. Such structure, formed by rods connected to a whole by pre‐stressing, represents a  trapezoidal crease in the cross section. It looks very elegant, with very small dimensions of the cross 
  38. 38.     section of rods and gives the impression of a steel construction This type of construction is not  common for folded structures of reinforced concrete.    Reinforced concrete folded structure performed in combination  of full‐wall and lattice bearers  Example of folded construction that is a combination of corrugated board and lattice  structure has  been carried out at Delft University in the building above the amphitheatre,  which was designed by  Van den Broek .Folded structure is made from cantilevered  overhang, length of 32 m. This design  has enabled a flexible space. It was performed as a full‐wall folded structure that changes into the  lattice structure above the supports.      Division Of Folded Structures According To The Material They Are Made Of  Depending on the material they are made of, folded structures can be divided into the  constructions  of: reinforced concrete, wood, metal, glass and plastic materials (polycarbonate, synthetic resin  reinforced with glass fibres, polyester resin, etc.). Their capacity, the possible form and application  depend on the material they are made of.    Metal folded structures  Metal folded structures can be derived from trapezoidal sheet or truss. Folded constructions  made  of metal, steel or aluminium, consist of belts and diagonal bars of infilling. The construction of such  folded structures does not require formwork or powerful pumps.  Deformation and stability in the  design of metal truss structures are of great importance. Height of trapezoidal plate affects the size  of a range that can also handle its load capacity.    Floor folded construction of steel sheet  Bridges made of steel structures have relatively small own weight, so we tend to form  their floor  structure of light weight. In this case, a trapezoidal sheet, as trapezoidal fold, is   one of the possible  bearings of a floor construction of the bridge. As a flat pavement over the trapezoidal are installed  flat sheet panels, and a wearing course runs through them.     Lattice folded structures of steel trusses  Folded structures can be made of steel trusses, over the various forms of base. Besides the roof  folded construction, the construction of boundary walls is performed as lattice folded structure. This  type of constructions can handle a wide range. They are used in the design of large halls, sports  facilities and exhibition pavilions, since their artistic expression contributes to the visual identity of  the object.      Folded structures of wood  Due to limitations of the possibility of overcoming the large ranges, as well as the  great use of wood  and wood products in a contemporary building was reduction of world reserves of wood, wood was  constrained by other materials (steel, reinforced concrete) early in the second half of the nineteenth  century .By the application of modern technological solutions weaknesses of wood as a material  were  reinforced concrete) early in the second half of the nineteenth century .By the eliminated and  a enabled application of modern technological solutions weaknesses of wood as a material were  eliminated and a and a great use of wood and wood products in a contemporary building was  enabled .    Folded structures made of wood are easy to transport, handle and assembly. This type of  prefabricated folds on the basis of the primary supporting structure of a fold segment can be divided  into: panel and truss.     
  39. 39.     Panel folded constructions of wood  Folded constructions of wood are usually formed as a panel. Wooden panel folded constructions  based on their primary structure can be divided into:     full wall panels,   panels with grid supporting structure,   panels with framework (panel) supporting structure,   panels with arch supporting structure.  Joints between the wooden panels are articulated; therefore it is necessary to install additional  stiffening elements ‐ the diaphragms, which can be set as full‐wall wooden elements or sticks  (wooden or metal).    Full‐wall panel folded constructions of wood  The elements of full‐ wall panel folded structure are constructed as compact elements of solid  timber or laminated elements ‐ plywood and the panel frame structure covered with veneer sheets.  Full wall element consists of cross‐laminated wood panels.      Folded construction of wooden trusses  Elements of folded structure could be formed of wooden trusses. By combining the trusses we can  get different forms of folded structures. Connection of trusses is done on site. Band sticks in the  deflections and hips of folded structure and infilling bars are made from solid timber or glued  laminated wood. The choice of dimensions of the cross‐ section of the rod of wooden truss is  affected by: the range, load, shape and dimensions of the element of a fold. Static calculation  determines the precise dimensions of each rod in the lattice of a wooden element. When installing,  the packages are formed on the ground.    Folded structures of glass  Glass as a building material has intensively been applied as a structural element. By using glass alone  or in combination with other materials, wall, roof and floor constructions can be made. Independent  glass plate under the force of pressure is deformed ‐ it flares up, and therefore, in order to prevent  the deformation of a glass plate we associate it with another element. If we want to prevent this  deformation with another glass plate, then this new feature is set at an angle relative to the base  glass plate, thus forming a folds shape and achieve a spatial rigidity of the glass element. The  possibility of making constructions of glass for a cylindrical folded structure is up to range 12 m. This  construction is   designed with glass triangular elements with links realized with metal brace. This  type of joint connection allows mutual stiffening of adjacent panels.    Folded structures of plastic materials  Products made of polyester resin had been widely used in the second half of the twentieth century.  This material has also found its application and in production of folded structures. There are  examples in practice where folded constructions have been derived from individual flat plate  elements or in combination of spatial elements of "V" or "Λ"  shape folds with a flat plate elements.  This type of folded structures is made of polyester resin has found application in the construction of  garden centre facilities.      Action by which folded plate structure resists load or structural action of folded plates:    Folded plates distribute loads along the surfaces of a plate and along the seams between the folds  ,across three dimensions ,producing structures composed of surface and linear elements.folded  plates .folded plates can be made of steel reinforced concrete or,steel plate or both in conjunction  with and reinforced by,,a linear truss system.folded plates built of steel reinforced concrete or steel  direct loads  along their surfaces.in addition  the gradual sub‐division of reinforced concrete or steel 
  40. 40.     folded plates increase the number of seams which direct the force lines that respond to the bending  moments of the structure.when the surface is folded ,increasing the depth of each of the folds  increases their overall  resistance ,enabling the surface of the plate to function as a beam.  Folded  plate and truss folded plates ,built of steel or steel –reinforced concrete plates and a linear steel  truss ,direct he loads along the surfaces and along the lines of  the truss. Increasing the depth of  their folds similarly increases resistance to bending moments ,with the inside of the plates section  cross –braced by a three dimensional truss.both the subsystems can produce a gradually changing  section that didtributes loads in a way which is similar to the structural atenaries ,arches or domes.            2. Write Short Notes on The Following,  a. Cyclonical Shells  b. Combination Of Cable And Struts  Combination Of Cable And Struts: Struts and cables may be utilised in different combinations to suit  different structural prerequisites resulting in varieties of shapes. Several varieties of tension tree  structures have been described, , where replacement of compression members  with tension  members leads to reinforcement of columns and reduction of beam sections.  Other gains from  introducing stay cables and bracing are reduced column stresses and Other gains from introducing  stay cables and bracing are reduced column stresses and obtained efficient self‐equilibrium systems.  Rods and/or cables may be utilised for staying, bracing and tying down column structures and may  be combined both in connection with obtained efficient self‐equilibrium systems. Rods and/or cables  may be utilised for staying, bracing and tying down column structures and may be combined both in  connection with each other and isolated as in tensegric structures. Tensegrity is a strictly defined  structural principle but there are numerous varieties on the tensegric theme including the grouping  of compressed members circumscribed by tension, segregation of tension and compression in  more  or less conventional truss systems, introduction of plate elements for shear capacity in  the basic  tensegrity unit etc. The structural essence in these tensegric typologies, as well as in pure tensegrity  structures, is the stabilising of structural members.  The roof structure over the central railway and bus terminal in Chur, Switzerland (by   Brosi/Orbist/Rice in 1988‐92) may be referred to in this context (Figure 2). The roof in  Chur is  constructed with a glazed single‐curved vault supported by steel arches spanning across a terminal  floor over‐decking a train station. The steel arches are complemented with sets of steel rods  stabilising the curve. In each set of bracing rods, two main rods are acting  as bottom chord  between the support points on each side at the vault base; between the support points six double  tension rods stabilise the curved steel tubes that act as primary structure. Another example is the  atrium of DZ Bank in Berlin (Gehry/Schlaich in 1998), where the shape of a free‐form double‐ curved glass roof is stabilised by a series of steel rods oriented like a fan. Both of these examples  use only cable bracing to stiffen the arch in a manner similar to a bicycle wheel with the arch in 
  41. 41.     compression and the cables in tension. Both of these examples use only cable bracing to stiffen the  arch in a manner similar to a bicycle wheel with the arch in compression and the cables in tension.  (Examples)  .  3.How are loads transferred in suspended roof structures .  a. illustrate some types of suspended roof structures.  b. How can you reduce flutter in suspended cable roof  structures.             
  42. 42.           Suspension roofs: Suspension roofs are frequently applied for covering of large area of exhibition  pavilions, sport stadiums, factories and airport halls.  Applications of these structures enable to  design aesthetic, economical and architecturally interesting constructions.           
  43. 43.                                           3. Illustrate the situations, in which the following structures are preferred,  a. space frames.  Space frames: If one looks at technical literature on structural engineering, one finds that the  meaning of the space frame has been very diverse or even confusing. In a very broad sense, space  frame is literally a three dimensional structure. However, in a more restricted sense, space frame  means some type of special structural action in three dimensions. Sometimes, structural engineers  and architects fail to convey what they really mean by the term. Thus it is appropriate to define here  the term space frame as understood throughout this section. A space frame is a structure system  assembled of linear elements so arranged that forces are transferred in a three‐dimensional manner.  In some cases, the constituent element may be two dimensional. Macroscopically a space frame  often takes the form of a flat or curved surface.      Advantages of Space Frames  1. One of the most important advantages of a space structure is its lightweight. This is mainly due to  the fact that material is distributed spatially in such a way that the load transfer mechanism is   primarily axial — tension or compression. Consequently, all material in any given element is utilized  to its full extent. Furthermore, most space frames are now constructed with steel or aluminium,  which decreases considerably their self‐weight. This is especially important in the case of long‐span  roofs, which led to a number of notable examples of applications.  2. The units of space frames are usually mass produced in the factory so that they can take full  advantage of the industrialized system of construction. Space frames can be built from simple   prefabricated units, which are often of standard size and shape. Such units can be easily transported  and rapidly assembled on site by semi‐skilled labor. Consequently, space frames can  be built at a  lower cost.    3. A space frame is usually sufficiently stiff in spite of its lightness. This is due to its  three‐ dimensional character and to the full participation of its constituent elements. Engineers appreciate  the inherent rigidity and great stiffness of space frames and their exceptional ability to resist  unsymmetrical or heavy concentrated load. Possessing greater rigidity, the space frames  allow also  greater flexibility in layout and positioning of columns.    4. Space frames possess a versatility of shape and form and can utilize a standard module to  generate   openness for both visual impact as well as the ability to accommodate variable space requirements  various flat space grids, latticed shell, or even free‐form shapes. Architects appreciate the visual   beauty and the impressive simplicity of lines in space frames. A trend is very noticeable in which the  A cable is highly elastic regarding to its cross section and its length. In the cable originates only normal tension  forces and an unloaded cable does not have clearly defined shape. A transferred load at the same time defines  its geometric configuration. For that reason geometric suspension cable structures should be stabilised. Fig. 1  shows an example of a simple suspension cable roof. Its shape can be effectively stabilised using a prestressed  concrete section with definite flexural toughness. The cylinder shell of the roof  is formed by a stress ribbon  then. The second type of frequently used cable roof structure is prestressed cable cell grid saddle shaped  or  hyper‐shaped (Fig. 2). The toughness of this structure is provided by prestressing with concave cables. The  prestressing of the cable cell grid should be designed as to eliminate its weakness by any kind of load.  Similarly, as for cylinder shell of simple curvature, it is very convenient to use a tough concrete roof deck. This  solution results in a distinctive enlargement of toughness and resistance against vertical  deformations caused  by concentrated loads.    Fig1:roof of simple curvature and fig2:roof of torision toughness and resistance against vertical deformations caused by  concentrated loads. 
  44. 44.     structural members are left exposed as a part of the architectural expression. Desire for always calls  for space frames as the most favourable solution.    Shell structures               
  45. 45.     .          A curved two‐dimensional structure is a shell. If a beam is defined by a straight line, an arch by a  curved line and a plate by a plane, then a shell is defined by a curved surface. Again  there is no  absolute rule as to how thin a structure has to be before it is called a shell.  The relationship  between a shell and a plate is similar to that between an arch and a beam. In each case the curved  object can use its curvature to resist a load perpendicular to its axis or surface by tensions or  compressions parallel to its axis or surface. Shell structures include birds’ eggs, concrete shells,  pressure vessels, ships hulls, sails, balloons, inflatable boats, car tyres, monocoque car bodies,  aircraft fuselages, masonry vaults and the skull. It may seem  odd to describe a balloon as a shell, but  it certainly corresponds to a structure formed from a thin curved surface. The balloon fabric is so  thin that it will immediately buckle in compression and can therefore only carry tension forces.  Masonry structures can only work in compression with the line of thrust within the cross‐section.  Reinforced concrete shells and steel car bodies  can work in both tension and compression, and may  also have appreciable bending stiffness. 
  46. 46.       Hyperbolic Paraboloid shells    The hyperbolic paraboloid or hypar is a translational surface formed by sliding a concave paraboloid  called generatrix parallel to itself along a convex parabola called directrix, which is perpendicular to  the  generatrix (.By cutting the surface vertically, parabolas can be obtained, and cutting horizontally will  give hyperbolas. Such a surface can also be formed by sliding a straight line along two other straight  lined skewed with respect to each other (Figure 24.16b). The hyperbolic paraboloid is a doubly ruled  surface; it can be defined by two families of intersecting straight lines, which form in plan projection  a rhombic grid. This is one of the main advantages of a hyperbolic paraboloid shell. Although it has a  double curvature anticlastic surface, it can be built by only using linear structural members. Thus,  single‐layer hypar shells can be fabricated from straight beams and double‐layer hypar shells from  linear latticed trusses. The single hypar unit shown in Figure 24.1 6 is suitable for use in the building  of square, rectangular, or elliptic plan. In practice, there exist an infinite number of ways of  combining hypar units to enclose a given building space.    Hyperbolic paraboloids:  DESIGN SIMPLICITY  A major advantage of the h/p is the design simplicity which  it offers.  Because forces in thin shell roofs act in three dimensions,  rather than in just two as in conventional post and lintel  construction, their design is usually complex and laborious  However the h/p can be analysed by simple statics; it is the  only three dimensional shape of which this is true. This  means it is much easier to understand its structural action and to  pre pare plans.        
  47. 47. ADVANCED STRUCTURAL SYSTEMS: UNIT 6  Curtain Walls    A curtain wall system is an outer covering of a building in which the outer walls are non‐structural, but merely  keep the weather out and the occupants in (or) An exterior wall supported wholly by the structural frame of a  building and carrying no loads other than its own weight and wind loads.  The wall transfers horizontal wind loads that are incident upon it to the main building structure through  connections at floors or columns of the building.    A curtain wall is designed to resist air and water infiltration, sway induced by wind and seismic forces acting on  the building and its own dead load weight forces.    Advantages of using curtain wall:     1. Curtain wall gives a building the most prominent character of building aesthetic, building  function, building energy conservation and structure.   2. Glass curtain wall, allows for the filtration of natural light into the building. Transparency and  interior spaciousness increases.  3. In addition to preventing air and moisture from entering the building, curtain walls can also act  as a fire stop, slowing or preventing the spread of fire between floors of the building.   4. Prefabrication and pre‐assembly in factories. Security, maintenance and resistance are  guaranteed by manufacturer and designer.  5. High slenderness, with thin sections.  6. Elimination of scaffolding take place due to efficient erecting from inside building.   7. Easier transporting, handling and storage of large units.   8. Simple and positive attachment of units to the building which can easily be removed and  replaced.   9. Light weight curtain wall result to reduction of overall weight.   10. The curtain wall is the most airtight and weather resistant cladding and exterior wall system  available.    Disadvantages of using curtain wall:     1. Need for regular maintenance ‐ sealant to keep out moisture and wind must be replaced every  10 years or so.   2. Cost and time required for installation‐ Curtain walls utilizing the stick system, for example,  require a great deal of time to assemble. Factory made assemblies reduce installation time and  cost but incurs greater costs for shipping and storage.  3. Performance  depends on the quality of the installation ‐ panes fixed during installation through  bolting or welding can loosen to cause the deformation of frames.   4. Another disadvantage is that curtain walls have weakest attribute of thermal performance.  Main Components of Curtain Walls  Bearing elements  Vertical mullions Horizontal transoms  Infilling panels  Glazing panels Spandrel panel 
  48. 48. Opening elements  Windows Anchors  Fastening elements Connecting pieces    Q) In what situations curtain walls are used? How many types of curtain walls are popularly used?  Illustrate their components with sketches.  A curtain wall system is an   - outer covering of a building   - that is non‐structural  (carries only its own dead weight and wind loads)  - But merely keep the weather out and the occupants in.   As the curtain wall is non structural   - Can be made of a lightweight material reducing construction costs.   - Mostly glass is used as the curtain wall ‐ a great advantage is that natural light can penetrate  deeper within the building.  Curtain walls were introduced due to the following needs:   • Smaller wall footprint = resulting in extra floor area available for occupants   • Parallel scheduling = resulting in faster erection   • Lighter structure = resulting in material and transportation savings   • Structural flexibility= resulting in easier seismic engineering   • Improved light access = resulting in a more flexible and economical architectural layout   • Structural independency= resulting in a more flexible architectural layout   Their development was allowed by industrialization and growth of prefabrication concept in the early  19th century and expressed in the first large fully glazed structure (Crystal Palace, London, United  Kingdom) in the year 1851 and the first independent frame building ( Menier Chocolate Factory near  Paris, France) in the year 1871.  Types of Curtain Walls Systems:  A wide variety of materials and designs are available to meet different requirements in curtain wall  construction. Curtain walls are classified by how they are built.  Five systems implemented most frequently:  1. Stick system;  2. Unit Panel system/ Unitized system;  3. Unit Mullion system;   4. Column cover and Spandrel systems; and   5. Point‐loaded Structural glazing systems.   
  49. 49.   Stick system:  In the stick system, mullions (sticks)  are fabricated in the shop and installed and glazed in  the field. Sticks are placed between floors vertically  to support individual components, such as  horizontal mullions, glazing, and spandrels. Loads  are transferred through connections at floors or  columns.  Not only is the stick system airtight and resistant to  water penetration, it’s cheap, and quick and easy to  install, making it one of the most commonly used  types of curtain walls.  Components: The stick system is assembled in the  field using various components, including anchors,  mullions, rails, vision glass, spandrel glass, insulation  and metal back pans.   In addition, there are various hardware components,  including connectors, setting blocks, corner blocks,  pressure plates, caps, gaskets and sealants.         The Unit Panel (Unitized) system: For large or  labour‐intensive projects, unit panel systems may be  a cost‐effective alternative to the stick system. Here  panels are fabricated and assembled at the shop,  and may be glazed there as well. The panels are then  taken to the field, where they are attached to a  building structure  It contains the same components as a stick‐built  curtain wall system, but most of the system  components are factory‐assembled under controlled  work conditions, instead of in the field.   The unitized system offers many advantages,  including higher quality. It allows for fabrication  lead‐time and rapid closure of the building.   
  50. 50. The Unit Mullion system: Similar to the stick  system, mullions are the first tube to be installed,  Spandrel and glazing, however, are inserted into the  stick system as a complete unit.  It is a compromise between the stick and unitized  systems. Pre‐assembled units are installed behind one‐  or two‐story individual mullions.  The advantage of this particular system is that it  provides some of the factory quality control of the  unitized system, costs a little less, and offers a shorter  manufacturing lead time because there is less  customization than with a fully unitized system.   Field labor time and building costs are more  comparable with the stick system.          Column Cover and Spandrel systems:  While column  cover and spandrel systems are similar to unit and mullion  systems, they differ in that the building frame is emphasized  with column covers, which act as sticks.  Units can be preassembled or completed onsite and feature  infill vision glass and spandrel panels between columns.   Spandrel glass is tinted, reflective‐coated or film‐coated and  is typically used for aesthetic reasons in the fenestration.  Solid insulated metal panels are often used in place of glass.  The beauty of this system is that it allows for the structural  framework of the building to be expressed in the façade  and visually integrated with the fenestration.   Since these systems are customized, manufacturing lead  times are longer and framing construction tolerances more  important, as the units must fit precisely within column  bays.     
  51. 51.   Point‐Loaded Structural glazing systems: In this system,  the vertical framing member can be comprised of stick, cable, or  another custom structure behind the glass. Glass is supported by  a system of four‐point brackets, and joints are sealed with  silicone.  Unlike the alternatives, this system eliminates any visible metal  framework.   The variety of available support systems, including tension  cables, trusses and glass mullions, offers considerable freedom  and aesthetic options within varying degrees of transparency,  stiffness and cost. Glass mullions are the most transparent and  are the usual choice for very large, monumental spaces in spite  of having very long lead times.   Product and installation costs are higher than conventional  frame‐supported curtain wall systems.    Q) Describe the construction of curtain walls with the help of neat sketches.  Q) Describe the steps involved in the construction of curtain walls. How are structural problems solved  during installation?  STEPS INVOLVED IN CONSTRUCTION OF CURTAIN WALLS:  I. FRAME FABRICATION ‐ the frame is composed of a series of profiles assembled to form the  frame and designed to support glazing or other infill panels. Curtain wall frames act  structurally to resist wind loading and to carry the weight of the wall.  - Stick system curtain walls comprise mullion (vertical) and transom (horizontal) framing members.   - Main pieces are Mullions, which are fastened to the building structure by anchor pieces.  - Transom elements spans between two mullions, and completes the mesh, where the glazing panels  are fixed.  - The frame profile comprises an outer section that serves to hold the infill material in place, prevent  water penetration and form an air seal. The inner section comprises a hollow structural box the  depth of which determines the strength and stiffness of the section.  - Most curtain walls are constructed from aluminium profiles. Some walls are constructed as an  assembly of windows with PVCu frames. These are supported in a structural frame the mullions and  transoms of which are aluminium sections sheathed with PVCu.    

×