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A framework to automate the design of digitally-fabricated timber plate structures

Résumé

The current study uses knowledge from digital architecture, computer science, engineering informatics, and structural engineering to formulate an algorithmic framework for integrated Computer-Aided Design (CAD) and Computer-Aided Engineering (CAE) of Integrally-Attached Timber Plate (IATP) structures. The algorithm is designed to take the CAD 3D geometry of an IATP structure as input and automates the construction and analysis of the corresponding CAE model using a macroscopic element, which is an alternative to continuum Finite Element (FE) models. Each component of the macro model is assigned a unique tag that is linked to the relevant geometric and structural parameters. The CAE model integrity is maintained through the use of the common data model (CDM) concept and object-oriented programming. The relevant algorithms are implemented in Rhinoceros 3D using RhinoCommon, a .NET software development kit. Once the CAE macro model is generated, it is introduced to the OpenSees computational platform for structural analysis. The algorithmic framework is demonstrated using two case structures: a prefabricated timber beam with standard geometry and a free-form timber plate arch. The results are verified with measurements from physical experiments and FE models, where the time needed to convert thousands of CAD assemblies to the corresponding CAE models for response simulation is considerably reduced.

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Conception assistée par ordinateur
vignette La conception assistée par ordinateur ou CAO (en anglais, computer aided design ou CAD) comprend l'ensemble des logiciels et des techniques de modélisation géométrique permettant de concevoir, de tester virtuellement – à l'aide d'un ordinateur et des techniques de simulation numérique – et de réaliser des produits manufacturés et les outils pour les fabriquer. Le grand public confond souvent CAO et DAO (dessin assisté par ordinateur) : la CAO n'a pas pour fonction première l'édition du dessin.
Ingénierie des structures
L'ingénierie des structures est un domaine de l'ingénierie et plus particulièrement du génie civil, traitant de la stabilité des constructions (conception et de l'analyse des structures). Une structure est soumise à différentes actions, permanentes ou variables dans le temps, statiques ou dynamiques, de nature mécanique ou thermique, et sa conception vise à satisfaire certains critères vis-à-vis de ces actions : Sécurité : sa résistance, son équilibre et sa stabilité doivent être assurés avec une probabilité choisie ; Performance : son fonctionnement et le confort associés doivent être garantis pour une durée suffisante ; Durabilité : la dégradation de la structure dans le temps doit être limitée et maîtrisée pour satisfaire les deux premiers critères.
Calcul des structures et modélisation
Le calcul des structures et la modélisation concernent deux domaines distincts : d'une part les applications spécifiques au patrimoine architectural, mobilier et naturel et d'autre part les applications industrielles. Le calcul des structures et leur modélisation est utilisé dans les domaines : de la conservation et mise en valeur du patrimoine architectural, mobilier et naturel, dans le cadre de missions d’assistance à la maître d’œuvre ou au maître d’ouvrage permettant d’arrêter un programme de travaux, d’applications industrielles.
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