Integrative Structural Design of non-Standard Building Systems: Coreless Filament-Wound Structures as a Case Study

Our society is experiencing the emergence of novel nonstandard building systems unlocked by digital technologies in the building sector. The utilisation of computational design processes and digital fabrication, coupled with the exploration of new materiality, bring the potential to break with conventional ways of building. However, they also demand new ways of designing and proving the structure's safety. This dissertation aims to develop an integrative structural design methodology and workflow to design, optimise and validate non-standard building systems. Therefore, a multiscale, digital-physical approach is proposed, which combines structural simulation with small-scale models and material testing, allowing the structure's optimisation and proof of safety. The first two chapters explain the research motivation,objectives and contextualisation. Historical remarks are given to understand the evolution of structural design and the key aspects that created innovation and non-standard systems in the past. Coreless filament winding (CFW) is also introduced here as a representative example of non-standard building systems. Chapter three contains the publications that describe the development of the integrative structural design methodologies through coreless filament wound structures as a case study. All the publications are supported by CFW specimens or full-scale built demonstrators, including BUGA Fibre Pavilion, Maison Fibre and LivMatS Pavilion. Chapters four and five summarise the results, generalising the workflow from CFW structures to non-standard building systems into four sub-methods: multi-level modelling and evaluation; structural characterisation; integrative design; and optimisation and safety verification. The discussion locates the integrative structural design in the historical context and analyses the strategies to prove the safety of other non-standard systems. The conclusion emphasises the potential of this methodology to shorten the gap between research and industry, facilitating the realisation of innovative structures. Unsere Gesellschaft erlebt das Aufkommen neuartiger nichtstandardisierter Gebäudesysteme, welche durch digitale Technologien im Bauwesen ermöglicht werden. Der computergestützte Auslegungsprozess in Verbindung mit digitaler Fertigung und Materialforschung ermöglichen es über konventionelle Bauweisen hinauszugehen. Dies erfordert jedoch auch neue Arten der Planung und der Führung von Sicherheitsnachweisen. Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung einer integrativen Methodik für die strukturelle Auslegung sowie das Erarbeiten eines Arbeitsablaufs für Entwurf, Optimierung und Validierung nicht-standardisierter Gebäudesysteme. Hierzu wird ein mehrskaliger digital-physikalischer Ansatz vorgestellt, welcher Struktursimulationen mit kleinmaßstäblichen Modellen und Materialtests kombiniert und so die Optimierung sowie den Sicherheitsnachweis der Struktur ermöglicht. In den ersten beiden Kapiteln werden Motivation, Ziele und Kontext der Forschung dargelegt. Anhand historischer Anmerkungen werden die Entwicklung der Tragwerksplanung wie auch die Schlüsselaspekte erläutert, welche in der Vergangenheit zu Innovationen und nicht- standardisierten Systeme geführt haben. Das kernlose Wickeln wird an dieser Stelle auch als repräsentatives Beispiel für nicht-standardisierte Gebäudesysteme vorgestellt. Kapitel drei enthält die Veröffentlichungen, in denen die Entwicklung der integrativen Tragwerksplanungsmethoden anhand von kernlos gewickelten Strukturen als Fallstudie beschrieben wird. Alle Veröffentlichungen stützen sich auf kernlos gewickelte Proben oder in Originalgröße gebaute Demonstratoren, darunter der BUGA Faser Pavillon, Maison Fibre und der LivMatS Pavillon. Die Kapitel vier und fünf fassen die Ergebnisse zusammen und verallgemeinern den Arbeitsablauf von kernlos gewickelten Strukturen auf nicht-standardisierte Gebäudesysteme in vier Untermethoden: mehrstufige Modellierung und Bewertung, strukturelle Charakterisierung, integrativer Auslegung sowie Optimierung und Sicherheitsüberprüfung. Die Diskussion verortet die integrative Strukturauslegung im historischen Kontext und analysiert die Strategien zum Nachweis der Sicherheit anderer nicht-standardisierter Systeme. In der Schlussfolgerung wird das Potenzial dieser Methodik hervorgehoben, die Diskrepanz zwischen Forschung und Industrie zu verringern und so das Vorantreiben innovativer Strukturen zu erleichtern.