Faculté de l'environnement naturel, architectural et construit ENAC, Section d'architecture, Institut de structures IS (Laboratoire de construction en composites CCLAB)

The development of material-adapted structural form

Dooley, Sean ; Keller, Thomas (Dir.)

Thèse sciences Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2004 ; no 2986.

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    Summary
    New structural materials can potentially change the technics and economics of the building and construction industry in a profound way. It is important to identify applications and develop forms that exploit a material's unique properties. The developer of a material can use the knowledge of how materials such as steel and reinforced concrete were first introduced to advance the development and application of new materials today. This project examines why structural forms have evolved as they have and what influences the process of creating form, or form-finding. The purpose of this analysis is to aid the development of structural forms that make the most efficient use of material and take advantage of a material's processing and constructive attributes. Such forms are called material-adapted. This thesis is based on the general history of structural materials used in construction. This research is summarized in six appended case studies that comprise the data of the thesis. The research has extended well beyond these case studies; some of this data is included in the main text. The research showed that the influences on form-finding are: Function; Material Properties; Processing Technologies; Connection Technology; Construction Process; Economics; Socio- Political Factors; Knowledge; and Technological Thought. A Form-Finding Influence Interaction Model summarizes the inter-relationships of these influences. It was first assumed that material-adapted form is determined by material properties alone. Further research showed this untrue. The hypothesis of this thesis is that material properties do not unilaterally determine material-adapted structural form. This statement is true because the nature of a material is a function of its properties and its processing and constructive attributes. A material's processing and constructive attributes are dependent on technology and organizational systems that are not specific to the material. It was further hypothesized that new materials are first used substitutionally in forms and applications of known materials. This concept was found to be misleading and untrue for a number of materials. The knowledge of this thesis was used to examine the current development of fiber reinforced polymer composite materials. It is shown that a material's development can be analyzed not only by the aforementioned influences, but also by characteristics of other material developments. This information is used to suggest how these materials might develop in the future.
    Résumé
    Les nouveaux matériaux structuraux sont en mesure d'apporter de profonds changements dans les techniques et l'économie de l'industrie de la construction. De nos jours, le concepteur d'un nouveau matériau pourra se baser, pour son développement, sur les connaissances acquises dans le cadre des premières applications et utilisations de matériaux tels que l'acier et le béton armé. La présente étude analyse les causes ayant abouti aux formes structurelles développées et les facteurs ayant influencés le processus de création de cette forme ou de la « forme recherchée ». L'objectif de cette analyse est de concevoir un système d'aide au développement de formes structurelles dites « adaptées au matériau » tirant avantage des caractéristiques constructives et de fabrication du matériau. Cette thèse est basée sur l'historique de l'évolution des matériaux de construction. Les connaissances sont résumées dans les six études de cas annexées. La recherche est allée audelà de celles-ci et certaines données sont incluses dans le rapport principal. L'étude démontre que les facteurs influençant la « forme recherchée » sont : la fonction, les propriétés du matériau, les technologies de production, les techniques de connexion, les procédés de construction, l'économie, les facteurs sociopolitiques, le savoir et les pensées technologiques. Un modèle d'interaction des facteurs d'influence pour la « forme recherchée » a été développé et résume les corrélations entre ces divers facteurs d'influence. Initialement il a été avancé que la « forme adaptée au matériau » était déterminée par les seules propriétés intrinsèques du matériau. Des recherches successives ont démontré que cette supposition était inexacte. L'hypothèse présentée dans la thèse tend à confirmer que les propriétés du matériau ne déterminent pas de manière unilatérale la forme dite « adaptée au matériau ». Ceci est vrai, puisque la nature d'un matériau est fonction non seulement de ses propriétés mais aussi de ses caractéristiques constructives et de fabrication. Ces dernières dépendent de la technologie et des systèmes d'organisation, paramètres non spécifiques au matériau. S'agissant de l'hypothèse qui sous-tend que les nouveaux matériaux ont initialement été utilisés comme matériaux de substitution sous les formes et applications propres aux matériaux existants, il s'est avéré qu'elle n'est pas applicable à tous les matériaux. Les enseignements tirés de cette thèse permettent d'examiner l'évolution du développement actuel des matériaux composites renforcés par des fibres. Il a été démontré que le développement d'un matériau peut être analysé non seulement à travers les facteurs d'influence précédemment mentionnés, mais aussi à travers les caractéristiques de développements d'autres matériaux. Ces informations sont susceptibles d'agir sur le possible futur développement des ces matériaux.