Structural optimization of Gridshells

Le terme gridshell désigne une coque discrète qui est obtenue par déformation élastique d'une grille bidirectionnelle continue plane sans rigidité en cisaillement puis rigidifiée par une troisième direction de barres. Ainsi défini, un gridshell a un potentiel structural intéressant et peut répondre à des exigences architecturales complexes. La recherche de forme de ces structures a été menée à travers l'histoire principalement par deux méthodes, la méthode du filet inversé et la relaxation dynamique. Ces deux méthodes permettent d'obtenir une forme approchée de celle proposée par l'architecte, dérivant d'une grille à plat et de conditions aux limites partiellement ou complètement imposées. Dans le cadre de cette thèse, nous nous sommes intéressés à générer un gridshell sur une surface à forme et contours imposés. Un outil numérique se basant sur la méthode du compas a été développé. Il permet de mailler un réseau de Tchebychev sur une surface connaissant son équation cartésienne. Un autre outil permettant le maillage se basant sur un calcul en éléments finis explicite a été mis en œuvre. La particularité de cette technique est de pouvoir tenir en compte des propriétés mécaniques de la structure et de simuler le comportement du gridshell. Des applications des deux méthodes sur des formes architecturalement intéressantes ont permis de voir les limitations de la possibilité de mailler une forme avec un réseau de Tchebychev. La méthode du compas a ensuite été couplée à des algorithmes métaheuristiques types génétiques. L'algorithme résultant permet d'optimiser un gridshell en minimisant la courbure dans les barres et donc les contraintes dans la structure introduites lors de la mise en forme. Il a été mis en œuvre et testé pour plusieurs surfacesGridshells are often defined as structures that have the shape and rigidity of a double curvature shell but they consist of a grid and not a continuous surface. They are obtained by elastic deformation of a two-way grid initially flat. The deformed grid is then rigidified using a third direction of bars. Thus, a gridshell has an interesting structural potential and can respond to complex architectural requirements. Two methods have been used through out history for the form finding of gridshells, the inversion method and the dynamic relaxation method. Both techniques lead to a deformed grid which is a result of calculations. The form obtained is closed to the one proposed by the architect. A numerical tool based on the compass method is developed in this thesis. It allows mapping aTchebychev net on an imposed form and imposed boundary conditions.Another tool based on an explicit dynamic finite element calculationis proposed. The particularity of this technique is to be able to take into account the mechanical properties of the structure and to simulate the gridshell behavior. Applications of both methods on differents forms show the limitations of mapping a Tchebychev net on an imposed form. The compass method has been coupled with geneticalgorithms. The algorithm optimizes the gridshell by minimizing the curvature in bars in order not to break the bars during the construction. It has been implemented and tested on several surface