Esta dissertação trata das metodologias de busca da forma (form finding) aplicadas a sistemas estruturais de cabos de aço retesados, destacando aquelas que foram amplamente utilizadas pelo arquiteto alemão Frei Otto: modelos físicos de correntes e molas e o método numérico das Densidades de Forças. O método de Relaxação Dinâmica, as soluções gráficas, modelos de correntes e pesos, assim como os de películas de sabão, também foram analisados de modo breve. O trabalho objetivou examinar as singularidades de tais metodologias de concepção estrutural. Tarefa que foi realizada, em primeiro lugar, por meio da revisão da literatura crítica acerca do emprego e do desenvolvimento das tecnologias de sistemas de cabos de aço retesados. Em seguida, partindo das obras examinadas, simulou-se quatro situações de projetos de estruturas retesadas, que foram executadas através da construção de modelos físicos e numéricos. As maquetes físicas foram construídas por meio de modelos de correntes e molas, e tiveram o intuito de fornecer dados de ordem qualitativa acerca do comportamento estrutural. As representações digitais, por sua vez, foram desenvolvidas com o método das Densidades de Forças, por intermédio do software Rhinoceros e do seu plug-in Grasshopper. Elas permitiram avaliar critérios quantitativos, como precisão, conformidade e eficiência. Por fim, os resultados obtidos através dos modelos físicos foram comparados aos experimentos digitais, com o intuito de analisar as especificidades de cada alternativa, buscando compreender as vantagens e limites de suas aplicações práticas. / This work presents two form finding methodologies applied to steel cable structures, physical model with springs and Force Density Method, both widely used by Frei Otto and his team. Other techniques are also studied; e.g. chains models, soap film models, graphic solutions and Dynamic Relaxation Method. Firstly, the historical developments of form-active structures were listed, together with a series of projects that became technical and conceptual milestones in the Brazilian and international scenario. Secondly, the process of manufacturing two form finding models is reported, one physical spring model and one numerical Force Density Method performed with computer-aided design (CAD) application Rhinoceros and its plug-in Grasshopper. Both models were carried out aiming to investigate their advantages and limits. Lastly, four experimental case studies were selected, based on projects studied in the first phase of this work. Diverse typologies and boundary conditions were chosen for comparative evaluation of the qualitative physical model and the numerical one. The appraisal of the modeling techniques\' efficiency and robustness levels was done through analysis of the differences between nodes\' coordinates and bars\' lengths obtained through each method.

Der Leichtbau zählt zu den Schlüsseltechnologien vieler Industriebranchen und favorisiert ressourcen- und energieeffiziente Strukturbauteile und Konstruktionen mit belastungs- und funktionsgerechten Eigenschaften. Unabhängig vom Einsatzgebiet besteht der Anspruch des Leichtbaus darin, Systeme zu gestalten und herzustellen, die sich infolge Ausnutzung aller Varianten von Tragstrukturen, Werkstoffen und Herstellungs-technologien durch ein geringeres Gewicht bei gleichzeitiger Verbesserung der Eigenschaften bzw. Erhöhung der Gebrauchsgüte auszeichnen. Entscheidende Voraussetzungen für die Anwendung des Leichtbaus sind leichte und hochbelastbare Werkstoffe, innovative filigrane Konstruktionen, sowie integrierte Systeme zur Erfassung von Beanspruchungen. An der Professur Strukturleichtbau und Kunststoffverarbeitung werden im Forschungsbereich Leichtbau im Bauwesen faser- und textilverstärkte, funktionsintegrierte Leichtbautragwerke entwickelt, gefertigt und prüftechnisch verifiziert und validiert. Dabei stehen die Methoden Materialleichtbau, Strukturleichtbau und Systemleichtbau im Vordergrund. Diese können auf unterschiedliche Art miteinander kombiniert werden. Die Substitution von Werkstoffen höherer Dichte durch leichtere Materialien und Werkstoffkombinationen unter Beibehaltung bzw. Steigerung von Festigkeits- und Steifigkeitseigenschaften wird als Materialleichtbau bezeichnet. Dabei erfolgt die Gewichtsreduzierung der Konstruktion durch das verwendete Material. Beim Strukturleichtbau werden Produkte unter Nutzung von neuen Strukturen leichter ausgeführt, was eine Ermittlung und Optimierung der Art, Anzahl und Anordnung der Bauteile, aus denen die tragende Struktur mit minimalem Gewicht gebildet wird, umfasst. Der Systemleichtbau favorisiert die leichtbaugerechte Optimierung der Tragkonstruktion. Ziel ist es, leichte hochbeanspruchte Konstruktionen und neue Gestaltungsvarianten für filigrane Tragwerke mit hoher Funktionsintegration zu entwickeln und gemeinsam mit Architekten, Planern und Bauunternehmen auf den Markt zu bringen, denn wir forschen für die Praxis. In der vorliegenden Veröffentlichung wird das Forschungsprojekt „Neue leichtbaugerechte Strukturkomponenten und Verarbeitungstechnologien für Anwendungen in Tragwerken“ von der Idee bis zum Referenzobjekt beschrieben.

The aim of this thesis is to attempt to solve technical and spatial issues in an architectural project by looking at a species of spider, Cyrtphora Citricola. This will be done using desk-based research, reference reading and testing models. The work of architect Frei Otto will also be used as a reference for technical and programmatic solutions in the architectural intervention. The thesis will attempt to answer the question, ‘What aspects of technical and spatial adaptability can be brought into an architectural context by studying spiders and their behavior?’ Spider silk is built up through a protein chain hierarchy, making for a unique structural material. As a species, spiders are particularly adaptable to different living conditions. The specific species Cyrtphora Citricola has a very unique way of building its web which has a tent-shaped formation. It is very adaptable to different sites and living conditions and shares similarities with the tent and netted roof structures designed by Otto. Being a pioneer in the fields of minimal architecture and tension construction, he claims architecture needs to integrate with nature as well as be light and minimal in order to solve the environmental problems we face in modern society. These theories have influenced this thesis and the resulting architectural project proposal. To gain further understanding of tensional structures, experiments using two different methods of model making have been explored. The first uses string and soap film to test the naturally occurring minimal surface of physical models and the second uses a similar method by programming computational software to act like the soap film. The project is summarized in one potential usage of the spider in architecture, an elementary school located in the planned neighborhood Tomtebo Strand, Umeå. The plot is currently all forest, which will be used in the project as a statement of adaptability. As a result of insufficient research surrounding spiders, the project developed into a modern recreation of Otto’s work with tensile construction. The purpose of the architectural project ‘NETWORK’ is to investigate how a large structure can adapt to any location, causing minimal impact. By studying spiders and spider technology and combining the research with the work of Otto; aspects of adaptability, technical function and aesthetical form have been combined to create a project which answers the thesis question.

This book documents an exploration of emergent and linear modes of defining space, form, and structure. The thesis highlights a dialog between analog and digital modeling techniques, in concept and project development. It identifies that analog modeling techniques, coupled with judgment, can be used to develop complex forms. The thesis project employs critical judgment and the textile techniques of crochet as a vehicle generate form. Crochet lends itself to this investigation because it is a serial process of fabrication that allows for the introduction of specific non-linear modifications. The resulting emergent forms produced by this mode of working can be precisely described by digital modeling techniques. These analog crochet models are translated into the digital through the employment of advanced digital modeling tools. This translation enables the visualization, development, testing, and execution of an architectural space, form, and structure. / Master of Architecture

Der Leichtbau zählt zu den Schlüsseltechnologien vieler Industriebranchen und favorisiert ressourcen- und energieeffiziente Strukturbauteile und Konstruktionen mit belastungs- und funktionsgerechten Eigenschaften. Unabhängig vom Einsatzgebiet besteht der Anspruch des Leichtbaus darin, Systeme zu gestalten und herzustellen, die sich infolge Ausnutzung aller Varianten von Tragstrukturen, Werkstoffen und Herstellungs-technologien durch ein geringeres Gewicht bei gleichzeitiger Verbesserung der Eigenschaften bzw. Erhöhung der Gebrauchsgüte auszeichnen. Entscheidende Voraussetzungen für die Anwendung des Leichtbaus sind leichte und hochbelastbare Werkstoffe, innovative filigrane Konstruktionen, sowie integrierte Systeme zur Erfassung von Beanspruchungen. An der Professur Strukturleichtbau und Kunststoffverarbeitung werden im Forschungsbereich Leichtbau im Bauwesen faser- und textilverstärkte, funktionsintegrierte Leichtbautragwerke entwickelt, gefertigt und prüftechnisch verifiziert und validiert. Dabei stehen die Methoden Materialleichtbau, Strukturleichtbau und Systemleichtbau im Vordergrund. Diese können auf unterschiedliche Art miteinander kombiniert werden. Die Substitution von Werkstoffen höherer Dichte durch leichtere Materialien und Werkstoffkombinationen unter Beibehaltung bzw. Steigerung von Festigkeits- und Steifigkeitseigenschaften wird als Materialleichtbau bezeichnet. Dabei erfolgt die Gewichtsreduzierung der Konstruktion durch das verwendete Material. Beim Strukturleichtbau werden Produkte unter Nutzung von neuen Strukturen leichter ausgeführt, was eine Ermittlung und Optimierung der Art, Anzahl und Anordnung der Bauteile, aus denen die tragende Struktur mit minimalem Gewicht gebildet wird, umfasst. Der Systemleichtbau favorisiert die leichtbaugerechte Optimierung der Tragkonstruktion. Ziel ist es, leichte hochbeanspruchte Konstruktionen und neue Gestaltungsvarianten für filigrane Tragwerke mit hoher Funktionsintegration zu entwickeln und gemeinsam mit Architekten, Planern und Bauunternehmen auf den Markt zu bringen, denn wir forschen für die Praxis. In der vorliegenden Veröffentlichung wird das Forschungsprojekt „Neue leichtbaugerechte Strukturkomponenten und Verarbeitungstechnologien für Anwendungen in Tragwerken“ von der Idee bis zum Referenzobjekt beschrieben.

La finalidad de esta tesis es la reconsideración de la aportación de Frei Otto a la arquitectura desde la reflexión teórica y la experiencia metodológica e investigadora por él realizada en estrecha cooperación con los colaboradores del Institut für leichte Flächentragwerke (Instituto de Estructuras Ligeras), por él fundado y dirigido, en la Universidad de Stuttgart. Planteamos como tesis la plena vigencia de su experiencia y su reflexión teórica, alejada de los planteamientos del high tech, al que tradicionalmente ha quedado asociado por la crítica, y proponemos su consideración en el contexto de la reflexión sobre la búsqueda de la adecuación entre el material y la forma resistente, que ha caracterizado a los ingenieros más innovadores en la creación de formas con los nuevos materiales del siglo XX. / Songel Gonzalez, JM. (2005). Frei Otto y el Instituto de Estructuras Ligeras de Stuttgart: una experiencia de sistematización en la búsqueda de la forma resistente [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/2346