Faculté de l'environnement naturel, architectural et construit ENAC, Section de génie civil, ENAC - Section de génie civil ENAC-SGC (Laboratoire d'informatique et de mécanique appliquées à la construction IMAC)

Une structure active de type tensegrité

Fest, Etienne ; Smith, Ian (Dir.)

Thèse sciences Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2002 ; no 2701.

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    Summary
    A tensegrity is a lightweight space reticulated structure consisting of compression members — struts — surrounded by a network of tension members — cables — that provide rigidity and stability. They can be easily dismantled and therefore, they provide innovative possibilities for reusable and modular structures. To date, tensegrity construction has been limited to sculptures. The number of full-scale prototypes built is increasing though few have been tested experimentally statically. Tensegrities are flexible structures and are thus often governed by serviceability criteria. They are able to adapt their shape by changing their selfstress, and when equipped with sensors and actuators, they can actively adapt to changing environments. In this way, they have the potential to become a part of an exhibition rather than merely provide shelter for one. Until now, most structural control research in civil engineering has focused on active control of structures in order to enhance safety under extreme loading. While maintaining serviceability was mentioned in early work as a goal of structural control, there has been little investigation in this area. Improving tensegrity performance througth active control needs to meet the following challenges: construction and design, structural analysis, finding and applying control commands. Full-scale prototypes of three-module, five-module and unique active fivemodule, modular and reusable tensegrity structures have been built and successfully tested. Shape is adapted through changing the length of a limited number of bars. Each module contains six struts and twenty-four cables of three different lengths. Good joint design is a priority for this type of structure. The thesis gives a detailed description of an assembly process, pin-joint design, elements and control set-up. Polyester reinforced fiber glass bars lighten the structure. Tensegrities are non-linear, highly coupled structures, that are sensitive to asymmetric loads and small environmental changes. Numerical and experimental tests show that active control satisfy serviceability criteria with a limited number of actuators. Tests show that the structure behaves linearly when subjected to vertical loads applied to a single joint. Non-linearities are detected for small displacements for loads applied to several joints and for adjusting combinations of telescoping compression members. Therefore, simplifications such as load superposition are not possible. Simulation of the nonlinear behavior using dynamic relaxation, an explicit analysis method, proved successful for predicting the response. Behavior and the control objectives, such as maintaining a constant roof slope, do not have closed loop form solutions. Therefore, stochastic search algorithms are required to find control commands. Simulated annealing search and PGSL proved successful for determining control commands. Storing good control commands improves control efficiency. Quasi-static control, through elongating active struts one by one, is effective and safe for maintaining the slope. The present work contributes to developing structures that, through computational control and recording previous good adjustments, improve their performance during service life. Finally, an extended active control concept is suggested for self repair.
    Zusammenfassung
    Tensegrities sind räumliche Tragwerke des Leichtbaus deren Steifigkeit und Stabilität durch den Eigenspannungszustand eines Systems aus Druck- und Zugelementen erreicht wird. Diese Strukturen, aus Stäben und Seilen bestehend, bieten Reversibilität, einen modularen Aufbau und eröffnen vielfältige Möglichkeiten für Architekten. Tensegrities wurden bis jetzt meist nur als Kunstwerke gebaut; trotz wachsender Zahl von Prototypen gibt es jedoch nur wenige experimentelle Untersuchungen zum statischen Tragverhalten. Da derartige Tragwerke eine relativ geringe Steifigkeit aufweisen, kommt der Gebrauchstauglichkeit besondere Bedeutung zu. Ausgerüstet mit Sensoren und Aktuatoren können Tensegrities durch Modifikation des Eigenspannungszustands ihre Form ändern, entwickeln sich zu aktiven Strukturen und bieten damit z. B. die Chance statt nur Bedachung auch Teil einer Exposition zu werden. Bis heute beschränkte sich die Forschung im Gebiet der Regelung von Tragwerken im Bauwesen vorwiegend auf die aktive Regelung zur Sicherstellung der Tragwerkssicherheit unter aussergewöhnlicher Belastung. Obwohl die Strukturkontrolle zur Gewährleistung der Gebrauchstauglichkeit in früher Literatur erwähnt ist, ist dieses Anwendungsfeld noch wenig erforscht. Eine Verbesserung der Tensegrity-Leistungsfähigkeit durch aktive Regelung muss den folgenden Herausforderungen genügen: Bau und Bemessung, Strukturanalyse sowie Suche und Anwendung von Steuerbefehlen. Passive Dreimodul- und Fünfmodulprototypen sowie ein einzigartiger aktiver Fünfmodul-Tensegrity-Prototyp wurden in anwendbaren Dimensionen gebaut und erfolgreich getestet. Die Form kann mittels Längenänderung der Druckstäbe angepasst werden. Jeder Modul setzt sich aus sechs Stäben und 24 verschiedenlangen Kabel zusammen. Die vorliegende Arbeit unterstreicht die Bedeutung der konstruktiven Durchbildung der Knotenpunkte, sie beschreibt detailliert die Tragwerksteile, die Verbindungen, die Montage und die Steuereinheit. Die Verwendung von polyesterverstärkten Glasfaserstäben für die Druckstäbe dient der Gewichtsreduzierung des Tragwerks. Tensegrities sind nicht-lineare, hochgradig gekoppelte Systeme, die empfindlich auf nichtsymmetrische Lasten und geringe Änderungen des Beanspruchungszustands reagieren. Numerische und experimentelle Versuche haben gezeigt, dass eine aktive Regelung mit einer beschränkten Anzahl an Aktuatoren die Gebrauchstauglichkeit gewährleisten kann. Obwohl sich Tensegrities unter vertikalen Einpunkt-Lasten linear verhalten, führen Mehrpunkt-Lasten und Modifikationen der Druckstablänge zu nicht-linearen Strukturantworten. Dadurch ist auch für kleine Verschiebungen das Superpositionsprinzip nicht gültig. Die dynamische Relaxation, eine explizite Methode der Strukturanalyse, erwies sich als robust und schnell für die numerische Simulation des nicht-linearen Verhaltens unter Anwendung stochastischer Suchtechniken wie Simulated annealing und PGSL. Diese werden notwendig, da es für bestimmte Verhaltens- und Kontrollziele, wie z. B. eine konstante Dachneigung unter veränderlicher Last keine geschlossenen analytischen Lösungen gibt. Die Speicherung von erfolgreichen Regelungsbefehlen verbessert die Steuerungseffizienz. Quasi-statische Regelung durch eine sequentielle Längenänderung der Stäbe führt effizient und sicher zur Erhaltung eines Kontroll- und Verhaltenziels. Die vorliegende Arbeit trägt zur Weiterentwicklung von neuartigen Tragwerken bei, im Besonderen im Hinblick auf ihre Nutzungsperformance. Schliesslich wird ein aktives Regelungskonzept zur Autoreparation vorgestellt.
    Résumé
    La structure de tensegrité est un système spatial réticulé dont la rigidité et la stabilité proviennent de la combinaison de compression dans les barres et de traction dans les câbles. Cette structure légère, facilement démontable, offre aux constructeurs des opportunités de modularité, réutilisation, et de réalisations architecturales inédites. Ce type de structures n'a été construit pour l'instant qu'à titre d'oeuvres d'art ; la construction de prototype est croissante, mais peu d'essais statiques ont été entrepris. La structure de tensegrité est souple et est ainsi gouvernée par un critère d'aptitude au service. Equipée de capteurs et d'actuateurs, pouvant adapter sa géométrie en modifiant son état d'autocontrainte, elle est prédisposée à être rendue active et à faire partie de l'exposition. Jusqu'à présent le contrôle des structures s'est principalement concentré sur des systèmes pouvant réagir aux sollicitations extrêmes. Bien que l'aptitude au service soit identifiée comme un objectif de contrôle, elle n'a pas suscité une attention particulière. Une structure modulaire à vocation réutilisable de type tensegrité composée d'abord de trois modules, puis de cinq modules et finalement une structure active, jouant sur la longueur des barres, unique et inédite composée de cinq modules, a été construite à une grandeur proche du réel et testées avec succès. Un module est composé de six éléments comprimés et de vingt quatre éléments tendus partagés entre trois longueurs distinctes. La thèse souligne l'importance de la conception judicieuse des assemblages pour de telles structures ; il décrit minutieusement le montage, les assemblages, les éléments et le dispositif de contrôle. Des barres, en polyester renforcées de fibres de verre, sont choisies pour alléger la structure. Les essais numériques et expérimentaux du contrôle actif en mode quasi-statique montrent que la mise en place d'un contrôle actif, avec un nombre limité d'actuateurs, permet de satisfaire un critère d'aptitude au service. Cela a été réalisé pour des structures sensibles aux charges asymétriques et aux faibles changements de sollicitations extérieures et caractérisées par un comportement non-linéaire et couplé. Le comportement de la structure est linéaire pour des charges ponctuelles. Par contre, il est non-linéaire pour des charges multiples ou des changements de longueur des éléments comprimés. De fait, la simplification de l'analyse structurale telle que la superposition, n'est pas valable même pour les petits déplacements. La relaxation dynamique, méthode d'analyse formulée explicitement, s'est montrée robuste et rapide pour simuler le comportement non-linéaire mesuré sur les structures. Le comportement et les objectifs de contrôle, soit le maintien de la pente initiale, n'ont pas de formulation directe. Les commandes de contrôle sont ainsi déterminées à l'aide de PGSL et le recuit simulé, algorithmes de recherche stochastique. Un contrôle en mode quasi-statique consistant à allonger une barre après l'autre s'est avéré efficace et sûr pour maintenir la pente. Les travaux réalisés sur le contrôle actif d'une tensegrité, utilisant les bonnes commandes stockées, sous un critère d'aptitude au service sont une contribution importante dans la projection de la création de structures améliorant leur comportement durant leur exploitation. Finalement, un concept étendue de structure active pour la réparation est proposé : « les structures autoréparables ».
    Riassunto
    Riassunto La struttura "tensegrity" è un sistema spaziale reticolare la cui rigidità e stabilità è data dalla combinazione di barre in compressione e cavi in trazione. Questa struttura leggera, facilmente smontabile, è modulare, riutilizzabile e permette soluzioni costruttive inedite. Ad oggi, questo tipo di struttura è stato impiegato solamente per realizzazioni di tipo artistico; la costruzione di prototipi è in crescita, anche se pochi test statici sono stati finora condotti. La struttura "tensegrity" è flessibile e govenata dal criterio di capacità di servizio. Dotata di sensori ed attuatori, è in grado di adattare la propria forma modificando lo stato delle tensioni interne. Fino ad oggi, la ricerca nel campo delle strutture attive si è focalizzata su sistemi in grado di reagire a sollecitazioni estreme. Poche indagini invece sono state fatte nel campo della capacità di servizio, benchè rientri tra gli obiettivi del controllo strutturale. Sono state costruite e testate con successo delle strutture a scala reale a moduli riutilizzabili: una costituita da tre moduli, una da cinque moduli ed infine una struttura attiva, unica ed innovativa, costituita da cinque moduli. Ogni modulo è composto da sei elementi compressi e ventiquattro elementi tesi di tre diverse lunghezze. La tesi sottolinea l'importanza di un'attenta progettazione per questo tipo di strutture e dà una dettagliata descrizione degli elementi utilizzati, dei dispositivi di controllo e del processo di assemblaggio. Per rendere la struttura più leggera, sono state impiegate delle barre in poliestere rinforzato con fibra di vetro. Le prove numeriche e sperimentali di controllo attivo condotte in modo quasi-statico mostrano che un controllo attivo con un numero limitato di attuatori permette di soddisfare il criterio di capacità di servizio. Ciò è stato realizzato per delle strutture sensibili ai carichi asimmetrici e ai leggeri cambiamenti di sollecitazione esterna e caratterizzate da un comportamento non lineare. Il comportamento della struttura è lineare per i carichi verticali applicati in un singolo punto; è invece non lineare per carichi applicati in più punti o al cambiamento di lunghezza degli elementi compressi. Dunque, un'analisi strutturale semplificata, come la sovrapposizione degli effetti, non è applicabile in questo caso, neanche per piccoli spostamenti. Il rilassamento dinamico, metodo di analisi esplicito, si è dimostrato essere un metodo robusto e rapido per simulare il comportamento non lineare misurato nelle strutture. Il comportamento e gli obiettivi di controllo, come il mantenimento della pendenza iniziale, non hanno una formulazione diretta. Dunque i comandi di controllo sono definiti da algoritmi di ricerca stocastica, come PGSL e "simulated annealing". Un controllo in modo quasi statico condotto allungando una barra dopo l'altra si è dimostrato efficace per mentenere la pendenza. Il lavoro svolto dà un contributo importante allo sviluppo delle strutture che migliorano il loro comportamento durante l'utilizzo. Infine, è proposto un concetto ampliato di struttura attiva : la struttura "autoriparabile".