Modeling and Analysis of Plywood Shell Structures

Abstract

Hlavním cílem této diplomové práce je posoudit statický stav a únosnost střechy budovy NakashimaArtsBuildingv Pennsylvanii, U.S.A. Nosnou konstrukci střechy tvoří překližková skořepina ve tvaru hyperbolického paraboloidu (HP). Tato disertace navazuje na předchozí a probíhající průzkum budovy Nakashima ArtsBuilding, ze kterého byly získány informace o geometrii konstrukce i jejím stávajícím stavu poškození. Nejprve je zpracována rešerše teorie mělkých skořepin. Zjednodušené statické řešení a analytické řešení jsou provedeny pro HP skořepiny stejných rozměrů, jako je střecha na NakashimaArtsBuilding. Tyto konstrukce jsou pak analyzovány metodou konečných prvků (MKP) v programu ADINA. Porovnání výsledků nám umožňuje nejen diskutovat přesnost a omezení zjednodušeného a analytického řešení, ale také verifikovat konečněprvkový model. Následně jsou provedeny analýzy MKP, jejichž cílem je porozumět komplexnímu chování střešní konstrukce NakashimaArtsBuilding. Při uvážení různých okrajových podmínek a zatěžovacích stavů jsou identifikována a lokalizována slabá místa konstrukce. Tyto výsledky mohou posloužit k zacílení inspekčních prací na náchylné části konstrukce a k úpravě plánu údržby. Navíc je navrženo, aby bylo provedeno měření průhybů konstrukce v zimním období, kdy je zatížena sněhem. Porovnání změřených průhybů s výsledky numerických výpočtů umožní další validaci a zpřesnění modelu.

The main objective of the present thesis is to assess the static state and capacity of the roof at Nakashima Arts Building in Pennsylvania, U.S.A. The load carrying structure of the roof is a plywood hyperbolic paraboloid shell.This dissertation is a continuation of previous and ongoing studies of the Nakashima Arts Building, in which geometrical and damage survey was performed. First, the theory of shallow shells is reviewed. Simplified statics and analytical solutions of hyperbolic paraboloid shells are developed for structural models with the same dimensions as the Nakashima Arts Building roof. The same structures are then analyzed by the finite element method (FEM) with program ADINA. Comparison of the results allows us to discuss the accuracy and limitations of the simplified and analytical solutions, as well as to verify the FE model. Secondly, numerical analyses by FEM are carried out with the aim to understand the complex behavior of the Nakashima Arts Building roofstructure. Considering different configurations of boundary conditions and load cases allows us to determine and localize the vulnerabilities of the structure. Through these results it will be possible to focus inspection to the areas indicated as vulnerable and to adjust maintenance plans. Moreover, it is suggested to perform a measurements campaign of the roof deflection in winter time, when the snow load is acting, in order to compare deflections with the numerical results. This will allow further validation and refinement of the model.