Issuu on Google+

Structural Design Guidelines for Young Architects  STRUCTURAL DESIGN GUIDELINES  INTRODUCTION  The aim of this document/form is to allow you to intimate with your building or structure. This  intimacy means to achieve a deeply knowledge of the characteristics and main design  principles of your project. The final goal of this study is to “name” what you are proposing. You  might think that a name is not a great fortune, but to own a name is the door for further  evaluations and discussion. The name I want you to put to your building/structure/project  could be like this: 65WC+35GC+PC+F, that means that the structure design is conducted in a  65% by Wind load, in a 35% by gravity (weight), the material/technology that is going to  support the structural solution is Prestressed Concrete, and finally, the structural  strategy/layout   that is going to adapt the structural technology to the application that your  are working on, is a Frame disposition (beams and columns).  Below, some previous design stages are summarized; some of them are marked as Study that  means that you are invited to investigate about it, in order to achieve personal criteria to do a  structural selection/decision in further choosing stages.  STUDY nº1: SITE, ENVIRONMENT  Just the beginning of your journey; three investigations are required;   Is your design in danger to suffer, because its location, some of the following risks?   

‐STUDY 1.1 “CONTINUOUS NATURAL HAZARDS”  

      CHEMICAL ATTACK. The environment that surrounds your project is  going to seriously determine, the structural materials and technology of your selection. The  salty ambient that is present in close to sea cities or the chemicals that are easy to find in a  pool or in a factory, and situations like these, have terrible consequences on the DURABILITY of  your design, allowing dangerous processes as CORROSION. The common practice is to design  to last at least 50 years.        GROUND CHEMICAL ATTACK. Ground chemical composition might be  tested in order to adopt special measures at the building’s foundations. To determinate the  quality of the ground where you are designing is out of the scope of our study, but, some land  areas are well characterized in general terms, so maybe, you can get this information. For  example in Madrid everybody knows that the ground has a medium bearing capacity and the  chemical attack is very unusual.  ‐STUDY 1.2 “ACCIDENTAL NATURAL HAZARDS”        EARTHQUAKES. One of the greatest and challenging natural forces. It  has a tremendous impact on the structure and building’s shape.   

 

 

TSUNAMI 

 

 

 

SLOPE INSTABILITY. Depending on the cartography of the site  

 

 

Roberto Marin 


Structural Design Guidelines for Young Architects        FIRE. The structural integrity must be guaranteed for a period of time  depending on the use of the building to allow people to evacuate the building.   These natural issues could define a load (see next study), to invalidate a structural strategy or  material, or just could create a warning of use. A classic warning of use comes from FIRE  resistance. Steel is the worst material to resist fire but, if you have chosen laminate steel as  structural material, because your geometry (and/or the set of loads that your structure has to  resist) makes it appears as the most suitable technology, you must consider that the steel  probably will need to be protected with extra nonstructural materials.   ‐STUDY 1.3 “LEGISLATION”  I invite you to take some control about the current structural codes in the country or  region of your interest. I am not asking for a deep study, just to know something like how  British Standards or Eurocode defines building loading.  STUDY nº2: LOADS, USE, GEOMETRY and PROGRAM  You have to analyze your proposal with the aim to clarify which characteristics are going to  dominate its behavior. There are not clear rules to complete this stage, just the common  sense. If your structure is very tall and slender, wind action will be very important in the  design, if it is your desire to build a “tunnel like” building, earth pressure will determine the  structural strategy and construction, if your building is not very tall, not very irregular, not very  anything, you will have a structure mainly design to accommodate gravity loads. Of course  there are not pure situations, so you will have a combination of various different loads with  different levels of importance, defining different structural philosophies that you, as a  designer, have to combine in a single final layout. Following these reflections you will finally  get a set of “driver of philosophy” loads for your further structural conceptual design, like  “35%wind load + 40%seismic action + 25% gravity. The ratios doesn’t come from a  mathematical expression, it is just a symbolic number that I leave to your discretion in order to  evaluate the relevance of each one.  The main loads that could conduct the design, or activate a “driver of philosophy” are   

GRAVITY LOADS:  

 

 

‐SELF WEIGHT: The weight of the structural elements 

    ‐DEAD LOAD: The “permanent weight” of nonstructural elements like walls,  windows, finishing, etc        ‐LIVE LOAD: The weight that is caused by the USE of the building. The structure  of a theater is very different than a private house structure, just because the different amount  of people that can be standing. It is not a permanent load.   

 

‐SNOW 

 

LATERAL LOADS:  

 

‐WIND LOADING   

 

   

Roberto Marin 


Structural Design Guidelines for Young Architects   

 

‐EARTHQUAKE   

 

 

‐EARTH PRESURE 

 

ACCIDENTAL LOADS: 

 

 

‐VIBRATIONS  

 

 

‐BLAST 

For further information check your study 1.3 the national and international codes usually  define the loads that you have to consider in your design.    CHOOSING nº1: MATERIAL, TECHNOLOGY  The materials or technologies frequently used in construction are listed below. I leave to your  discretion its election (previous some investigation about how they work, of course),  subsequently, we will discuss together the feasibility of your solution and its properties.  CONCRETE. It provides great stiffness, a good stability against fire and a good durability. It has  time‐dependent ‐properties, like shrinkage and cracking so, If you load a concrete structure it  will suffer a deformation process (deflection) that last to the end of its life.     REINFORCED CONCRETE. It is the regular concrete. The concrete works as a stone  resisting compression forces, the steel bars handle the tension forces inside the concrete.    PRESTRESSED CONCRETE the tension forces in concrete are avoided with prestressed  steel bars   

POSTSTRESSED CONCRETE the same technique but applied after the concrete is made. 

STEEL. Laminated steel, it provides a greater flexibility and a greater resistance than concrete.  To materialize special joints is easier than in concrete. It doesn’t have time‐dependent‐ properties as particular as the concrete but, the problem of corrosion is more evident  WOOD its behavior depends on ambient parameters as humidity. Its structural bearing  capacity is lower than concrete or steel.   

NATURAL 

  LAMINATE. It provides a good behavior in chemical environments. Surprisingly it has a  great performance against fire.     CARBON FIBER. An advanced material that is very useful in retrofit projects.   CHOOSING nº2: STRATEGY, LAYOUT  Some common structural strategies are listed. I encouraged you to create your own new  strategy or your own blend of strategies.  Important note to strategy choosing: when we think about structures we always think about  resistance and forces, but your design must fulfill important limitations on deformations   

 

Roberto Marin 


Structural Design Guidelines for Young Architects  requirements.  Deformations can be as dangerous as a lower resistance in terms of security  (structural pathologies) but also, it can make the use of the building unfeasible. Laminated  Steel is especially sensible to deformations so, usually it is overdesign to avoid great  deformations.    The concept of deformations has been taken far beyond the deformation itself, you must  include vibrations, movements and other effects that can make the use of the building  uncomfortable. Remember the resonance problem of the London Millennium Footbridge.  C2.1 SKELETON. It is a classical contemporary. A combination of “one‐dimensional” structural  elements that creates a framework where the building leans. The idea is to distribute  structural elements of well‐known behavior. The designer anticipates the behavior of the  structure.     

  C2.1.1 FRAME. The classical among the classic. Just columns and beams 

   

 

C2.1.2 LONG SPAN FRAMES the structural elements take three‐dimensional layouts to  accommodate great spans. 

   

 

 

     

 

 

Roberto Marin 


Structural Design Guidelines for Young Architects  C2.1.3 NET. When geometry is complicated the easier way to create the skeleton is to  transfer the architectural form to a net of steel bars. limited engineering judgment, just trial  and error work by the hand of software applications.  

    C2.2 SKIN. exo‐structures made of a continuous structural element, as concrete sheets.  

    C2.3 CABLE. bridges classical approach. Useful for long span roofing. 

    C2.4 DOME 

   

 

Roberto Marin 


Structural Design Guidelines for Young Architects  C.2.5 TEXTILE. Tenso‐structures. Textile membranes 

  CHOOSING nº3: STRUCTURAL ELEMENTS  Your strategy needs some structural “units”, some of them are listed.  BEAMS. mainly flexion behavior, horizontal elements  COLUMNS. mainly axial behavior, vertical elements   WALLS. axial and shear behavior.  TRUSSES. 3D elements composed by a set of other elemental structural members.  

  SLABS.  FOOTINGS. superficial foundation elements  PILES. Deep foundation elements  SHELLS. All kind of thin 2D structural elements (mainly concrete made)  CHOOSING nº4: CONSTRUCTION PROCESS  Think about how you are going to build the structure. Many times, the structure, during the  construction process, is under a different loading state than in its final disposition.  You have to decide which parts are going to be done in the site and what kind of works you  prefer to do in a special workshop.   PRECAST 

 

 

Roberto Marin 


Structural Design Guidelines for Young Architects  IN SITU  RETROFIT PROJECTS. The structural project is more a stages history than a regular project  GENERAL STAGES  ZOOM IN‐ZOOM OUT, SUMMARY  You can complete this journey drawing the structural layout that you have created. It is not  necessary to draw something very precise but, four ZOOM levels are required.      First zoom level basic structural diagrams. Just lines to understand how your structural  system works 

                        

 

Second zoom level interaction with the rest of architectural elements, a more detailed  work to check interactions with the rest of architectural elements. It is understood that you  are not going to draw the correct dimensions of the structure, but try to make it reasonable.  

                   

 

 

 

Roberto Marin 


Strucctural Design Guidelines ffor Young Arrchitects  Third zoo om level DETAIL. Just a coouple of tech hnical drawin ngs to explai n how some e  nts are goingg to be linkedd one to each h other. Don n’t be afraid iif you don’t  structtural elemen exacttly know the number and d disposition  of screws, b bolts, welds, etc… just tryy to do it. 

           

 

Forth zoo om level construction proocess 

           

 

Roberto Marin R n 


Structural Design Guidelines for Young Architects, by ROBERTO MARÍN,