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Voss surfaces: A design space for geodesic gridshells

Résumé

The design of envelopes with complex geometries often leads to construction challenges. To overcome these difficulties, resorting to discrete differential geometry proved successful by establishing close links between mesh properties and the existence of good fabrication, assembling and mechanical properties. In this paper, the design of a special family of structures, called geodesic shells, is addressed using Voss nets, a family of discrete surfaces. The use of discrete Voss surfaces ensures that the structure can be built from simply connected, initially straight laths, and covered with flat panels. These advantageous constructive properties arise from the existence of a conjugate network of geodesic curves on the underlying smooth surface. Here, a review of Voss nets is presented and particular attention is given to the projection of normal vectors on the unit sphere. This projection, called Gauss map, creates a dual net which unveils the remarkable characteristics of Voss nets. Then, based on the previous study, two generation methods are introduced. One enables the exploration and the deformation of Voss nets while the second provides a more direct computational technique. The application of theses methodologies is discussed alongside formal examples.

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Surface minimale
En mathématiques et en physique, une surface minimale est une surface minimisant son aire tout en réalisant une contrainte : un ensemble de points, ou le bord de la surface, est d'avance déterminé. Si un cerceau est retiré d'une bassine d'eau savonneuse, un disque de liquide reste fixé. Un souffle dessus déforme légèrement le disque en une calotte sphérique. Si l'étude fait appel à la mécanique des fluides, le traitement mathématique utilise le langage des surfaces minimales.
Connexité simple
En topologie générale et en topologie algébrique, la notion de simple connexité raffine celle de connexe par arcs. Dans un espace connexe par arcs, deux points quelconques peuvent toujours être reliés par un chemin. Dans un espace simplement connexe, cela est toujours possible d'une et une seule façon, l'unicité étant à comprendre au sens de « à déformation (isotopie) près ». Intuitivement, là où un espace connexe est simplement « d'un seul tenant », un espace simplement connexe est de plus sans « trou » ni « poignée ».
Dôme géodésique
En architecture, un dôme géodésique est une structure sphérique, ou partiellement sphérique, en treillis dont les barres suivent les grands cercles (géodésiques) de la sphère. L'intersection des barres géodésiques forme des éléments triangulaires qui possèdent chacun leur propre rigidité, provoquant la distribution des forces et des tensions sur l'ensemble de la structure qui est de ce fait autoporteuse, laissant l'intérieur entièrement disponible (pas de piliers).
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