Master Thesis: An Innovative sail-shaped shelter for the Ancient Ships Archaeological Site of Pisa. Reciprocal structures, or nexorade, are composed by the assembling of groups of three or more beams mutually connected by mono-lateral T joints. This kind of structures can be easily built in relatively unprepared sites, dismantled, transported and re-used even by not specialized hand-craft. The Thesis proposes the design of a reversible, reciprocal framed gridshell to shelter the Ancient Ships Archaeological Site of Pisa. A parametric workflow for both the form finding and the digital fabrication processes has been developed, and a prototype of accommodative steel T-joint for timber reciprocal beams has been realized. Finally, a laser cut model tested the feasibility of our design approach.

1. Università di Pisa
DESTeC, Scuola di Ingegneria
C.d.L. Ingegneria Edile-Architettura
Tesi di Laurea Magistrale
An innovative sail-shaped shelter
for the Ancient Ships archeological site of Pisa
Conception and parametric design
Candidata: Elena Corio
Relatori: M. Froli1, P. Cignoni2, N. Pietroni2, F. Laccone1
1DESTeC, Scuola di Ingegneria, Università di Pisa
2ISTI, CNR, Pisa
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2. Contenuti
• Concept della copertura
• Reciprocal Frame System
• Design parametrico
• Analisi e progettazione strutturale
• Progettazione architettonica
• Fabbricazione digitale
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3. Planimetria del Sito Archeologico delle Navi Antiche di Pisa
Concept della copertura
Caso di studio
Scavo di una nave romana
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4. Concept della copertura
Requisiti
La copertura deve soddisfare i seguenti requisiti:
• Ricoprire una distanza di circa 45 metri senza sostegni intermedi.
• Proteggere gli archeologi e gli scavi dalle intemperie.
• Consentire un facile accesso ai visitatori.
• Poter essere assemblata e disassemblata anche da manodopera non specializzata.
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5. Copertura in legno lamellare per il Sito Archeologico di Çatalhöyük
Concept della copertura
Esempi
Gridshell in vetro a copertura delle Terme Romane di Badenweiler
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6. Copertura in alluminio del Sito Archeologico di Bibracte, Francia Copertura di Bibracte in fase di costruzione
Concept della copertura
Esempi
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7. Concept della copertura
Proposta progettuale
Il sistema costruttivo scelto è quello delle Reciprocal Frame in legno:
• Le aste hanno dimensioni piccole rispetto alla luce da coprire.
• La copertura è reversibile e gli elementi possono essere riutilizzati.
• Le unioni possono essere eseguite senza l’uso di attrezzatura sofisticata.
• Il legno è un materiale rinnovabile e compatibile con la fabbricazione digitale.
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8. Reciprocal Frame System
Storia
Hogan, costruzione tipica degli Indiani Navajo Disegni di Leonardo da Vinci per un ponte temporaneo
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9. Relazione tra i pattern RF e i pattern delle pavimentazioni
Reciprocal Frame System
Complessità geometrica
Parametri geometrici
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10. Reciprocal Frame System
Semplicità di giunzione
Padiglione temporaneo progettato da Shigeru Ban e ARUP
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11. Grid shell in legno, Multihalle in Mannehim
Reciprocal Frame System
Coperture in legno
Reciprocal Frame Structure, Lamella roof, Università di Auburn
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12. Reciprocal Frame System
Il nostro contributo
La ricerca condotta ha i seguenti obiettivi:
• Estendere le RF alla progettazione di gridshell con grande luce.
• Sviluppare un workflow di progettazione parametrica.
• Progettare un giunto che ottimizzi la costruzione di architetture free form.
• Sperimentare la sequenza di assemblaggio con modelli fisici.
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Grasshopper MeshLab

13. Modello realizzato con catene appese, Gaudì
Design parametrico
Form finding
Modello fisico per la gridshell di Mannheim Multihalle
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14. Design parametrico
Algoritmi generativi
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Particle-Spring System
Reciprocal Frame Grid
Kangaroo

15. Prima ipotesi, forma quadrangolare
Design parametrico
Studio della forma
Seconda ipotesi, forma curvilinea
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16. Costruzione geometrica
Design parametrico
Particle-Spring System
Creazione di una superficie dalla curva di bordo
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Design parametrico
Remeshing
Design parametrico
Reciprocal Frame

17. Costruzione geometrica
Design parametrico
Particle-Spring System
Creazione di una superficie dalla curva di bordoDiscretizzazione della superficie e punti di ancoraggio
17
Design parametrico
Remeshing
Design parametrico
Reciprocal Frame

18. Costruzione geometrica
Design parametrico
Particle-Spring System
Creazione di una superficie dalla curva di bordoDiscretizzazione della superficie e punti di ancoraggioSuperficie a doppia curvatura ottenuta con form finding
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Design parametrico
Remeshing
Design parametrico
Reciprocal Frame

19. Costruzione geometrica
Design parametrico
Particle-Spring System
Creazione di una superficie dalla curva di bordoDiscretizzazione della superficie e punti di ancoraggioSuperficie a doppia curvatura ottenuta con form finding
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Tassellazione Voronoi
Design parametrico
Remeshing
Design parametrico
Reciprocal Frame

20. Costruzione geometrica
Design parametrico
Particle-Spring System
Creazione di una superficie dalla curva di bordoDiscretizzazione della superficie e punti di ancoraggioSuperficie a doppia curvatura ottenuta con form finding
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Tassellazione Voronoi
Design parametrico
Remeshing
Mesh triangolare
Design parametrico
Reciprocal Frame

21. Costruzione geometrica
Design parametrico
Particle-Spring System
Creazione di una superficie dalla curva di bordoDiscretizzazione della superficie e punti di ancoraggioSuperficie a doppia curvatura ottenuta con form finding
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Tassellazione Voronoi
Design parametrico
Remeshing
Mesh triangolareCostruzione geometrica
Design parametrico
Reciprocal Frame

22. Costruzione geometrica
Design parametrico
Particle-Spring System
Creazione di una superficie dalla curva di bordoDiscretizzazione della superficie e punti di ancoraggioSuperficie a doppia curvatura ottenuta con form finding
22
Tassellazione Voronoi
Design parametrico
Remeshing
Mesh triangolareCostruzione geometrica
Design parametrico
Reciprocal Frame

23. Costruzione geometrica
Design parametrico
Particle-Spring System
Creazione di una superficie dalla curva di bordoDiscretizzazione della superficie e punti di ancoraggioSuperficie a doppia curvatura ottenuta con form finding
23
Tassellazione Voronoi
Design parametrico
Remeshing
Mesh triangolareCostruzione geometrica
Design parametrico
Reciprocal Frame
Dynamic Relaxation

24. Analisi strutturale
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Modello strutturale in Karamba Analisi di Buckling in SAP 2000

25. 25
Progettazione strutturale
Giunto A
A
Snodo cardanico
Collegamento a spinotto
Trave lignea
Fori asolati
e bulloni ad attrito

26. 26
Progettazione strutturale
Giunto B
B
Arco ligneo
Giunto a cerniera
Collegamento a spinotto

27. 27
Progettazione strutturale
Giunto C
C
Trave rovescia in c.a.
Micropali
Trave lignea
Rinforzo laterale
Snodo cardanico

28. Progettazione architettonica
Viste assonometriche
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Vista Nord-Ovest Vista Sud-Ovest

29. Progettazione architettonica
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Planimetria

30. Progettazione architettonica
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Sezione A-A

31. Progettazione architettonica
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Prospetto Ovest

32. Progettazione architettonica
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Prospetto Nord

33. Progettazione architettonica
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Prospetto Sud

34. Progettazione architettonica
Viste prospettiche
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35. Fabbricazione digitale
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Tavola dei pezzi Taglio laser

36. Fabbricazione digitale
Sequenza di montaggio
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37. Fabbricazione digitale
Primo modello di studio
Modello digitale Modello fisico
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38. Fabbricazione digitale
Secondo modello di studio
Modello digitale Modello fisico
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39. Fabbricazione digitale
Modello finale
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Modello fisico

40. La soluzione proposta ha i seguenti vantaggi:
• La progettazione parametrica permette di applicare il sistema a geometrie diverse.
• Lo step di form finding ha permesso di ottenere una buona riposta strutturale.
• Il metodo di remeshing ha mantenuto la forma di partenza.
• I giunti sono standard e possono essere smontati e riutilizzati.
• La fabbricazione digitale permette di gestire la complessità geometrica.
Conclusioni
Risultati
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41. Il progetto è stato presentato a MARAS 2016,
5th International Conference on Mobile,
Adaptable and Rapidly Assembled
Structures, con un articolo dal titolo:
Conception and parametric design workflow
for a timber large-spanned reversible grid
shell to shelter the archaeological site of the
Roman Shipwrecks in Pisa, che verrà
pubblicato sull’International Journal of
Computational Methods and Experiments
Measurements.
Conclusioni
Risultati
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42. La ricerca futura riguarderà:
• L’analisi strutturale non lineare.
• Ottimizzazione della sequenza di montaggio.
• La progettazione di un sistema di rivestimento a scaglie.
Conclusioni
Possibili sviluppi
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