geometry and design of truss structures

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GEOMETRY AND THE DESIGN OF TRUSS STRUCTURES © SKIDMORE, OWINGS & MERRILL LLP 2017 Bill Baker, PE, SE, NAE, FREng Skidmore, Owings & Merrill LLP Geometry and Design of Truss Structures GEOMETRY AND THE DESIGN OF TRUSS STRUCTURES © SKIDMORE, OWINGS & MERRILL LLP 2017

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Page 1: Geometry and Design of Truss Structures

GEOMETRY AND THE DESIGN OF TRUSS STRUCTURES© SKIDMORE, OWINGS & MERRILL LLP 2017

Bill Baker, PE, SE, NAE, FREngSkidmore, Owings & Merrill LLP

Geometry and Design of Truss 

Structures

GEOMETRY AND THE DESIGN OF TRUSS STRUCTURES© SKIDMORE, OWINGS & MERRILL LLP 2017

Page 2: Geometry and Design of Truss Structures

GEOMETRY AND THE DESIGN OF TRUSS STRUCTURES© SKIDMORE, OWINGS & MERRILL LLP 2017

William F. Baker, Lauren L. Beghini, Arkadiusz Mazurek, Juan Carrion and Alessandro Beghini (2015). "Structural Innovation: Combining Classic Theories with New Technologies," Engineering Journal, American Institute of Steel Construction, Vol. 52, pp. 203‐217.

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Baker, W., McRobie, A., Mitchell, T., Mazurek, A., “Mechanisms and states of self‐stress of planar trusses  using  graphic  statics,  Part  I:  Introduction  and  background.”  Proceedings of theInternational Association for Shell and Spatial Structures (IASS) Symposium 2015, 2015,Amsterdam, The Netherlands.

Mitchell, T., Baker, W., McRobie, A., “Mechanisms and states of self‐stress of planar trusses using graphic statics, Part II: The Airy stress function and the fundamental theorem of linear algebra.”Proceedings of the International Association for Shell and Spatial Structures (IASS) Symposium2015, 2015, Amsterdam, The Netherlands.

McRobie, A., Baker, W., Michell, T., Konstantatou, M., “Mechanisms and states of  self‐stress of planar  trusses  using  graphic  statics,  Part  III:  Applications  and  extensions.”  Proceedings of theInternational Association for Shell and Spatial Structures (IASS) Symposium 2015, 2015,Amsterdam, The Netherlands.

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Systems are essential for efficiency.

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GEOMETRY IS A KEY COMPONENT OF STRUCTURAL SYSTEMS.

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Day One

Structure75%

Non-Structure

25%

EFFICIENT STRUCTURES CONSUME LESS RESOURCES

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TOPOLOGY

SHAPE

DOMAIN

SIZE

WHAT MATTERS

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Where to look for guidance on systems?

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Let’s start at the beginning of modern structural engineering:

The Mid‐19th Century.

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UNDERSTANDING OF STRUCTURAL BEHAVIOR BY THE MID‐1800’S

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A new problem: trusses.

First metal trusses (US: 1840  UK: 1845)

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Will focus not on the Maxwell‐Betti reciprocal theorem

but the little known Theorem of Load Paths

Today’s Presentation

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MAXWELL’S THEOREM ON LOAD PATHS

Maxwell’s theorem states that, for any truss, the following is true:

where

iiCCTT rPLFLF

cosiiii rPrP

iP

ir

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What does Maxwell’s Theorem on Load Paths tell us?

Page 17: Geometry and Design of Truss Structures

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The longer the tension load path is, the longer the compression load path has to be 

and vice versa.

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Inefficiencies are paid for exactly twice: once in tension and once in compression.

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Optimizing tension load path  automatically optimizes compression load path and vice 

versa.

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The Maxwell constant and either the tension load path or 

the compression load path determines total load path.

Page 21: Geometry and Design of Truss Structures

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If only tension members oronly compression members then load path is equal to Maxell’s Constant for all possible 

layouts.

Page 22: Geometry and Design of Truss Structures

GEOMETRY AND THE DESIGN OF TRUSS STRUCTURES© SKIDMORE, OWINGS & MERRILL LLP 2017 Equivalent Load Paths

FAB

FBCFCA

FAB

FBCFCA

FAB

FBCFCA

FAB

FBC

FCA

Applied Loads

EQUIVALENT OPTIMAL TRUSSES

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Load Path → Tonnage

Usually

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x

y

iP

irii LF ,

x

y

PROOF: MAXWELL’S THEOREM

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iii

ii rPLF

ii

ncompressioiii

tensioniii rPLFLF

WorkExternalWorkInternal x

y

iP

iP

ir

ir2

ii LF ,

ii LF ,

x

y

PROOF: MAXWELL’S THEOREM

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Cantilever with 3 to 1 span

MAXWELL’S THEOREM ON LOAD PATHS: AN EXAMPLE

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MAXWELL’S THEOREM ON LOAD PATHS: AN EXAMPLE

Cantilever with 3 to 1 span

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0rP

Cantilever with 3 to 1 span

MAXWELL’S THEOREM ON LOAD PATHS: AN EXAMPLE

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0rP

MAXWELL’S THEOREM ON LOAD PATHS: AN EXAMPLE

Cantilever with 3 to 1 span

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03 rP P

PBrPp

MAXWELL’S THEOREM ON LOAD PATHS: AN EXAMPLE

Cantilever with 3 to 1 span

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PBrP ii

MAXWELL’S THEOREM ON LOAD PATHS: AN EXAMPLE

Cantilever with 3 to 1 span

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PBLF TT 10

Moment diagram for truss geometry:

PBLF CC 9

PBLFLF CCTT

PBLFLF CCTT 19EB19

MAXWELL’S THEOREM ON LOAD PATHS: AN EXAMPLE

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PBLF TT 9

PBLF CC 8

PBLFLF CCTT

PBLFLF CCTT 17EB17

MAXWELL’S THEOREM ON LOAD PATHS: AN EXAMPLE

Pratt truss:

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PBLF TT 8

PBLF CC 7

PBLFLF CCTT

PBLFLF CCTT 15EB15

MAXWELL’S THEOREM ON LOAD PATHS: AN EXAMPLE

Warren truss:

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The most material efficient truss is also the stiffest truss!

MAXWELL’S THEOREM ON LOAD PATHS: AN EXAMPLE

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Moment Diagram Cantilever versus  Warren Truss Cantilever 

MAXWELL’S THEOREM ON LOAD PATHS: EQUAL DEFLECTION

12

60% More

27% More

Deflection

B

A

VV

Strength

Truss “A” Truss “B”

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Can we find a benchmark for our designs?

Page 38: Geometry and Design of Truss Structures

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How low can we go?

FT LT FC LC 13.92PB

MAXWELL’S THEOREM ON LOAD PATHS: AN EXAMPLE

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PBLF TT 7.7

PBLF CC 7.6

PBLFLF CCTT

PBLFLF CCTT 47.14EB47.14

Bounded optimal truss:

MAXWELL’S THEOREM ON LOAD PATHS: AN EXAMPLE

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PBLF TT 52.8

PBLF CC 52.7

PBLFLF CCTT

PBLFLF CCTT 04.16EB04.16

Cantilever with only compression chord:

MAXWELL’S THEOREM ON LOAD PATHS: AN EXAMPLE

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MAXWELL’S THEOREM ON LOAD PATHS: AN EXAMPLE

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PBLFLF CCTT 17.13

MAXWELL’S THEOREM ON LOAD PATHS: AN EXAMPLE

How low can we go?

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PBLF TT 8

PBLF CC 7

PBLFLF CCTT

PBLFLF CCTT 15EB15

Within 14% of Benchmark

MAXWELL’S THEOREM ON LOAD PATHS: AN EXAMPLE

Warren truss:

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Preliminary System Design Using Maxwell’s Theorem on Load Paths

Page 45: Geometry and Design of Truss Structures

EXCHANGE HOUSE, LONDON

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Page 47: Geometry and Design of Truss Structures

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APPLYING MAXWELL’S THEOREM: EXCHANGE HOUSE

Page 48: Geometry and Design of Truss Structures

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APPLYING MAXWELL’S THEOREM: CONCEPTUAL DESIGN OF EXCHANGE HOUSE

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Tension members:  Hangers

FT LThangers 2 Wydy

0

z 1 2 xB

2

dx0

B/2

4

15WBz2

APPLYING MAXWELL’S THEOREM: EXCHANGE HOUSE

Page 50: Geometry and Design of Truss Structures

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FT LTtie

WB3H8z

Tension members:  Tie

APPLYING MAXWELL’S THEOREM: EXCHANGE HOUSE

Page 51: Geometry and Design of Truss Structures

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FT LT FT LThangers FT LT

tie

415

WBz2 18zWB3H

Tension members:  Total

APPLYING MAXWELL’S THEOREM: EXCHANGE HOUSE

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FT LT z

0 8Bz15

B3H8z2 0 z 15B2H

643

Minimum total load path:

APPLYING MAXWELL’S THEOREM: EXCHANGE HOUSE

Page 53: Geometry and Design of Truss Structures

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P r BHW

H2

BH 2W2

APPLYING MAXWELL’S THEOREM: EXCHANGE HOUSE

Maxwell’s constant can be found using column support only:

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Use Basic Maxwell Theory Application

FLcolumns

only

APPLYING MAXWELL’S THEOREM: EXCHANGE HOUSE

Page 55: Geometry and Design of Truss Structures

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Use Basic Maxwell Theory Application

FLcolumns

only

2 FT LThangersand ties

APPLYING MAXWELL’S THEOREM: EXCHANGE HOUSE

Page 56: Geometry and Design of Truss Structures

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FLcolumns

only

2 FT LThangersand ties

FLtotal

Use Basic Maxwell Theory Application

APPLYING MAXWELL’S THEOREM: EXCHANGE HOUSE

Page 57: Geometry and Design of Truss Structures

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FLtotal 2 FT LT

P r

2 415

WBz2 WB3H

8z

WBH 2

2

BHW 815

z2

H

B2

4z

H2

Using the tension load path and the constant, the total load path can be computed:

Dividing by an average stress, the total tonnage of steel can now be estimated.

APPLYING MAXWELL’S THEOREM: EXCHANGE HOUSE

Page 58: Geometry and Design of Truss Structures

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The Arch Load Path was calculated but not explicitly.  How?

APPLYING MAXWELL’S THEOREM: EXCHANGE HOUSE

Page 59: Geometry and Design of Truss Structures

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Consider a segment of an arch:

APPLYING MAXWELL’S THEOREM: EXCHANGE HOUSE

Page 60: Geometry and Design of Truss Structures

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APPLYING MAXWELL’S THEOREM: EXCHANGE HOUSE

Total load path: FC LCarch FT LT

tie FT LT

hangers FC LC

columnsbelow arch

Page 61: Geometry and Design of Truss Structures

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Michell Trusses (1904)

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P

lN

(1±)l

P

Actual frame Virtually deformed frame

APPLICATION OF VIRTUAL WORK

Page 66: Geometry and Design of Truss Structures

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Mohr’s Circle:

n

2n

12

avg

n,max / 2y, xy / 2

Arbitrary strain

y

x

xy / 2

x, xy / 2

MICHELL’S OPTIMAL TRUSSES

Page 67: Geometry and Design of Truss Structures

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1

2

2

n12

avg

n,max / 2y, xy / 2

x, xy / 2

2n

MICHELL’S OPTIMAL TRUSSES

Mohr’s Circle:

Plane strain

Page 68: Geometry and Design of Truss Structures

GEOMETRY AND THE DESIGN OF TRUSS STRUCTURES© SKIDMORE, OWINGS & MERRILL LLP 2017

1

2

2

n12

avg

n,max / 2y, xy / 2

x, xy / 2

2n

MICHELL’S OPTIMAL TRUSSES

Mohr’s Circle:

Plane strain

Page 69: Geometry and Design of Truss Structures

GEOMETRY AND THE DESIGN OF TRUSS STRUCTURES© SKIDMORE, OWINGS & MERRILL LLP 2017

Under what conditions is  for all members in a frame?

• Frames consisting of orthogonal curves such as• Systems of tangents and involutes• Equiangular spirals (systems of concentric circles, rectangular networks of straight lines)

a

MICHELL’S OPTIMAL TRUSSES

Page 70: Geometry and Design of Truss Structures

GEOMETRY AND THE DESIGN OF TRUSS STRUCTURES© SKIDMORE, OWINGS & MERRILL LLP 2017

Conclusion: All tension (resp. compression) members have similar curvature variations.

Φ(α1 ,β1)

means Φ(α1 ,β1) - Φ(α0 ,β1) = Φ(α1 ,β0) - Φ(α0 ,β0)

Page 71: Geometry and Design of Truss Structures

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Minimum volume structures:

P allowable tensile stressQ allowable compressive stress

a AB a AC CBa AC CB

MICHELL’S OPTIMAL TRUSSES

Page 72: Geometry and Design of Truss Structures

GEOMETRY AND THE DESIGN OF TRUSS STRUCTURES© SKIDMORE, OWINGS & MERRILL LLP 2017

2a AB

P allowable tensile stressQ allowable compressive stressL moment of transmitted couple latitude of circles about pole

MICHELL’S OPTIMAL TRUSSES

Minimum volume structures:

Page 73: Geometry and Design of Truss Structures

GEOMETRY AND THE DESIGN OF TRUSS STRUCTURES© SKIDMORE, OWINGS & MERRILL LLP 2017

x3

y3

x2

y2

x1

y1

x

1.0 sym.

DISCRETE OPTIMAL TRUSSES

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DISCRETE OPTIMAL USING MathCAD

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1.0

CHARACTERISTICS OF DISCRETE OPTIMAL TRUSSES

Mazurek, A., Baker, W. F., Tort, C. “Geometrical Aspects of Optimum Truss‐Like Structures.” Structural and Multidisciplinary Optimization, 2011, Vol. 43, No. 2, pp. 231‐242.

Page 76: Geometry and Design of Truss Structures

GEOMETRY AND THE DESIGN OF TRUSS STRUCTURES© SKIDMORE, OWINGS & MERRILL LLP 2017

The entire geometry can be described by only one angle!

Mazurek, A., Baker, W. F., Tort, C. “Geometrical Aspects of Optimum Truss‐Like Structures.” Structural and Multidisciplinary Optimization, 2011, Vol. 43, No. 2, pp. 231‐242.

DISCRETE OPTIMAL TRUSSES

Page 77: Geometry and Design of Truss Structures

GEOMETRY AND THE DESIGN OF TRUSS STRUCTURES© SKIDMORE, OWINGS & MERRILL LLP 2017

Circular quads + discrete Michell turning condition = all quads have same angles.

MAZUREK’S CIRCULAR QUADS

Page 78: Geometry and Design of Truss Structures

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Circular quads.

MAZUREK’S CIRCULAR QUADS

Page 79: Geometry and Design of Truss Structures

GEOMETRY AND THE DESIGN OF TRUSS STRUCTURES© SKIDMORE, OWINGS & MERRILL LLP 2017 

We need to benchmark our designs.

Page 80: Geometry and Design of Truss Structures

Benchmarks α·P·L

π/2=1.57

0.5+π/4=1.29

~1.0

~0.76

1. Michell, 1904, Phil Mag.2. Beghini et al, 2013 Struct. Mult. Opt.

1.

2.

1.

2.

~0.9846

~0.7567

3.

3.

L

d

q

L

d

q

BENCHMARKS     α∙P∙L

GEOMETRY AND THE DESIGN OF TRUSS STRUCTURES© SKIDMORE, OWINGS & MERRILL LLP 2017 

Page 81: Geometry and Design of Truss Structures

GEOMETRY AND THE DESIGN OF TRUSS STRUCTURES© SKIDMORE, OWINGS & MERRILL LLP 2017 

Tools for finding optimal geometries

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GEOMETRY AND THE DESIGN OF TRUSS STRUCTURES© SKIDMORE, OWINGS & MERRILL LLP 2017

Material distribution using density methods

Talischi, C, G.H. Paulino, A. Pereira, I.F.M. Menezes. "PolyMesher: A general‐purpose mesh generator for polygonal elements written in Matlab." Structural and Multidisciplinary Optimization. Vol. 45, No. 3, pp. 309‐328, 2012.

Talischi, C., G.H. Paulino, A. Pereira, I.F.M. Menezes. "PolyTop: a Matlab implementation of a general topology optimization framework using unstructured polygonal finite element meshes." Structural and Multidisciplinary Optimization. Vol. 45, No. 3, pp. 329‐357, 2012.

?

TOPOLOGY OPTIMIZATION

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GEOMETRY AND THE DESIGN OF TRUSS STRUCTURES© SKIDMORE, OWINGS & MERRILL LLP 2017

Material distribution using density methods

TOPOLOGY OPTIMIZATION

Talischi, C, G.H. Paulino, A. Pereira, I.F.M. Menezes. "PolyMesher: A general‐purpose mesh generator for polygonal elements written in Matlab." Structural and Multidisciplinary Optimization. Vol. 45, No. 3, pp. 309‐328, 2012.

Talischi, C., G.H. Paulino, A. Pereira, I.F.M. Menezes. "PolyTop: a Matlab implementation of a general topology optimization framework using unstructured polygonal finite element meshes." Structural and Multidisciplinary Optimization. Vol. 45, No. 3, pp. 329‐357, 2012.

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Sokol, T. “A 99 line code for discretized Michell truss optimization written in Mathematica.” Structural and Multidisciplinary Optimization, Vol. 43, pp. 181‐190, 2011.

Ground structures approach:

Let’s assume this to be our benchmark solution. How do other designs compare?

TOPOLOGY OPTIMIZATION

Page 85: Geometry and Design of Truss Structures

GEOMETRY AND THE DESIGN OF TRUSS STRUCTURES© SKIDMORE, OWINGS & MERRILL LLP 2017

VV0

105.3%

Vol. Ratio for Const. Stress

Deflection for Const. Stress

Vol. Ratio for Equal Deflection

VV0

102.6% 0

102.6%

Discretized optimal truss:

TOPOLOGY OPTIMIZATION

Page 86: Geometry and Design of Truss Structures

GEOMETRY AND THE DESIGN OF TRUSS STRUCTURES© SKIDMORE, OWINGS & MERRILL LLP 2017

VV0

124.7%VV0

111.6% 0

111.6%

Lattice truss:

TOPOLOGY OPTIMIZATION

Vol. Ratio for Const. Stress

Deflection for Const. Stress

Vol. Ratio for Equal Deflection

Page 87: Geometry and Design of Truss Structures

GEOMETRY AND THE DESIGN OF TRUSS STRUCTURES© SKIDMORE, OWINGS & MERRILL LLP 2017

VV0

124.7%VV0

111.6% 0

111.6%

TOPOLOGY OPTIMIZATION

Warren truss:

Vol. Ratio for Const. Stress

Deflection for Const. Stress

Vol. Ratio for Equal Deflection

Page 88: Geometry and Design of Truss Structures

GEOMETRY AND THE DESIGN OF TRUSS STRUCTURES© SKIDMORE, OWINGS & MERRILL LLP 2017

VV0

129.2%VV0

113.7% 0

113.7%

Vol. Ratio for Const. Stress

Deflection for Const. Stress

Vol. Ratio for Equal Deflection

TOPOLOGY OPTIMIZATION

Combined Warren/Pratt truss:

Page 89: Geometry and Design of Truss Structures

GEOMETRY AND THE DESIGN OF TRUSS STRUCTURES© SKIDMORE, OWINGS & MERRILL LLP 2017

VV0

143.3%VV0

119.7% 0

119.7%

Vol. Ratio for Const. Stress

Deflection for Const. Stress

Vol. Ratio for Equal Deflection

TOPOLOGY OPTIMIZATION

Compression diagonal Pratt (Howe) truss:

Page 90: Geometry and Design of Truss Structures

GEOMETRY AND THE DESIGN OF TRUSS STRUCTURES© SKIDMORE, OWINGS & MERRILL LLP 2017

VV0

168.4%VV0

129.8% 0

129.8%

Vol. Ratio for Const. Stress

Deflection for Const. Stress

Vol. Ratio for Equal Deflection

TOPOLOGY OPTIMIZATION

Tension diagonal Pratt truss:

Page 91: Geometry and Design of Truss Structures

GEOMETRY AND THE DESIGN OF TRUSS STRUCTURES© SKIDMORE, OWINGS & MERRILL LLP 2017

Stocky Members Story Deep Truss Slender Members

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“Stocky  Members”

100%

109%

109%

110%

117%

122%

Discrete optimal truss

Lattice truss

Warren truss

Combined Warren/Pratt truss

Tension diagonal Pratt truss

Compression diagonal Howe truss

Page 93: Geometry and Design of Truss Structures

GEOMETRY AND THE DESIGN OF TRUSS STRUCTURES© SKIDMORE, OWINGS & MERRILL LLP 2017

100%

112%

113%

114%

128%

128%

“Stocky  Members”Discrete optimal truss

Lattice truss

Warren truss

Combined Warren/Pratt truss

Tension diagonal Pratt truss

Compression diagonal Howe truss

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GEOMETRY AND THE DESIGN OF TRUSS STRUCTURES© SKIDMORE, OWINGS & MERRILL LLP 2017

100%

165%

178%

173%

254%

158%

“Slender  Members”Discrete optimal truss

Lattice truss

Warren truss

Combined Warren/Pratt truss

Tension diagonal Pratt truss

Compression diagonal Howe truss

Page 95: Geometry and Design of Truss Structures

GEOMETRY AND THE DESIGN OF TRUSS STRUCTURES© SKIDMORE, OWINGS & MERRILL LLP 2017 Wind load case Unitary virtual load case

1

0 1

2

3

4

1

2

3

1

1

1

2

2

2

2

1

iii FAL , ,

VR

iii ii

iii

E

VLAAELfF

1

Minimum Tip Deflection

Optimize w.r.t. Volume

PRINCIPLE OF VIRTUAL WORK

Page 96: Geometry and Design of Truss Structures

GEOMETRY AND THE DESIGN OF TRUSS STRUCTURES© SKIDMORE, OWINGS & MERRILL LLP 2017 Wind load case Unitary virtual load case

1

0 1

2

3

4

1

2

3

1

1

1

2

2

2

2

1

iii FAL , ,

PRINCIPLE OF VIRTUAL WORK

E

VLAAELFFLF ii

ii

iiiii

2

)(

Minimum Compliance

Optimize w.r.t. Volume

Page 97: Geometry and Design of Truss Structures

GEOMETRY AND THE DESIGN OF TRUSS STRUCTURES© SKIDMORE, OWINGS & MERRILL LLP 2017 

Reciprocal Frames & Graphic Statics

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MAXWELL 1864

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Page 99: Geometry and Design of Truss Structures

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MAXWELL 1864

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Reciprocal diagrams of a gable truss:

Form Diagram Force Diagram

GRAPHIC STATICS

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GRAPHIC STATICS

Form Diagram Force Diagram

How is the force diagram constructed?

Step 1 – Create the force polygon by drawing the external forces end to end

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GRAPHIC STATICS

Force Diagram

How is the force diagram constructed?

Step 2 – identify Node 1 by drawing parallel lines on the force diagram corresponding to members A‐1 and G‐1

Form Diagram

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GRAPHIC STATICS

Force Diagram

How is the force diagram constructed?

Step 2 – identify Node 1 by drawing parallel lines on the force diagram corresponding to members A‐1 and G‐1

Form Diagram

Page 104: Geometry and Design of Truss Structures

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GRAPHIC STATICS

Force Diagram

How is the force diagram constructed?

Step 2 – identify Node 1 by drawing parallel lines on the force diagram corresponding to members A‐1 and G‐1

Form Diagram

Page 105: Geometry and Design of Truss Structures

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GRAPHIC STATICS

Force DiagramForm Diagram

How is the force diagram constructed?

Step 3 – identify Node 2 by drawing parallel lines on the force diagram corresponding to members 1‐2 and G‐2

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GRAPHIC STATICS

Force DiagramForm Diagram

How is the force diagram constructed?

Step 3 – identify Node 2 by drawing parallel lines on the force diagram corresponding to members 1‐2 and G‐2

Page 107: Geometry and Design of Truss Structures

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GRAPHIC STATICS

Force DiagramForm Diagram

How is the force diagram constructed?

Step 3 – identify Node 2 by drawing parallel lines on the force diagram corresponding to members 1‐2 and G‐2

Page 108: Geometry and Design of Truss Structures

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GRAPHIC STATICS

Force DiagramForm Diagram

How is the force diagram constructed?

Step 4 – identify Node 3 by drawing parallel lines on the force diagram corresponding to members 2‐3 and B‐3

Page 109: Geometry and Design of Truss Structures

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GRAPHIC STATICS

Force DiagramForm Diagram

How is the force diagram constructed?

Step 4 – identify Node 3 by drawing parallel lines on the force diagram corresponding to members 2‐3 and B‐3

Page 110: Geometry and Design of Truss Structures

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GRAPHIC STATICS

Force DiagramForm Diagram

How is the force diagram constructed?

Step 4 – identify Node 3 by drawing parallel lines on the force diagram corresponding to members 2‐3 and B‐3

Page 111: Geometry and Design of Truss Structures

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GRAPHIC STATICS

Force DiagramForm Diagram

How is the force diagram constructed?

Step 5 – identify Node 4 by drawing parallel lines on the force diagram corresponding to members 3‐4 and G‐4

Page 112: Geometry and Design of Truss Structures

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GRAPHIC STATICS

Force DiagramForm Diagram

How is the force diagram constructed?

Step 5 – identify Node 4 by drawing parallel lines on the force diagram corresponding to members 3‐4 and G‐4

Page 113: Geometry and Design of Truss Structures

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GRAPHIC STATICS

Force DiagramForm Diagram

How is the force diagram constructed?

Step 5 – identify Node 4 by drawing parallel lines on the force diagram corresponding to members 3‐4 and G‐4

Page 114: Geometry and Design of Truss Structures

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GRAPHIC STATICS

Force DiagramForm Diagram

How is the force diagram constructed?

Step 6 – identify Node 5 by drawing parallel lines on the force diagram corresponding to members 4‐5 and C‐5

Page 115: Geometry and Design of Truss Structures

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GRAPHIC STATICS

Force DiagramForm Diagram

How is the force diagram constructed?

Step 6 – identify Node 5 by drawing parallel lines on the force diagram corresponding to members 4‐5 and C‐5

Page 116: Geometry and Design of Truss Structures

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GRAPHIC STATICS

Force DiagramForm Diagram

How is the force diagram constructed?

Step 6 – identify Node 5 by drawing parallel lines on the force diagram corresponding to members 4‐5 and C‐5

Page 117: Geometry and Design of Truss Structures

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GRAPHIC STATICS

Force DiagramForm Diagram

How is the force diagram constructed?

Step 7 – identify Node 6 by drawing parallel lines on the force diagram corresponding to members 5‐6 and D‐6

Page 118: Geometry and Design of Truss Structures

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GRAPHIC STATICS

Force DiagramForm Diagram

How is the force diagram constructed?

Step 7 – identify Node 6 by drawing parallel lines on the force diagram corresponding to members 5‐6 and D‐6

Page 119: Geometry and Design of Truss Structures

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GRAPHIC STATICS

Force DiagramForm Diagram

How is the force diagram constructed?

Step 7 – identify Node 6 by drawing parallel lines on the force diagram corresponding to members 5‐6 and D‐6

Page 120: Geometry and Design of Truss Structures

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GRAPHIC STATICS

Force DiagramForm Diagram

How is the force diagram constructed?

Step 8 – Exploiting the symmetry of the truss, the rest of the force polygon can be drawn.

Page 121: Geometry and Design of Truss Structures

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GRAPHIC STATICS

Force DiagramForm Diagram

How is the force diagram constructed?

Step 8 – Exploiting the symmetry of the truss, the rest of the force polygon can be drawn.

Page 122: Geometry and Design of Truss Structures

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GRAPHIC STATICS

How can we make the force in the top chord constant?

Modify the force diagram and work backwards!

Force DiagramForm Diagram

Page 123: Geometry and Design of Truss Structures

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Graphic Staticsas a Design Tool.

Page 124: Geometry and Design of Truss Structures

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Force DiagramForm Diagram

GRAPHIC STATICS

How can we make the force in the top chord constant?

Modify the force diagram and work backwards!

Page 125: Geometry and Design of Truss Structures

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Lines a‐1, b‐3, c‐5, d‐6, e‐8 and f‐10 must be the 

same length

GRAPHIC STATICS

How can we make the force in the top chord constant?

Modify the force diagram and work backwards!

Force DiagramForm Diagram

Page 126: Geometry and Design of Truss Structures

GEOMETRY AND THE DESIGN OF TRUSS STRUCTURES© SKIDMORE, OWINGS & MERRILL LLP 2017

Lines a‐1, b‐3, c‐5, d‐6, e‐8 and f‐10 must be the 

same length

GRAPHIC STATICS

How can we make the force in the top chord constant?

Modify the force diagram and work backwards!

Force DiagramForm Diagram

Page 127: Geometry and Design of Truss Structures

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Lines a‐1, b‐3, c‐5, d‐6, e‐8 and f‐10 must be the 

same length

GRAPHIC STATICS

How can we make the force in the top chord constant?

Modify the force diagram and work backwards!

Force DiagramForm Diagram

Page 128: Geometry and Design of Truss Structures

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Lines a‐1, b‐3, c‐5, d‐6, e‐8 and f‐10 must be the 

same length

GRAPHIC STATICS

How can we make the force in the top chord constant?

Modify the force diagram and work backwards!

Force DiagramForm Diagram

Page 129: Geometry and Design of Truss Structures

GEOMETRY AND THE DESIGN OF TRUSS STRUCTURES© SKIDMORE, OWINGS & MERRILL LLP 2017

Lines a‐1, b‐3, c‐5, d‐6, e‐8 and f‐10 must be the 

same length

GRAPHIC STATICS

How can we make the force in the top chord constant?

Modify the force diagram and work backwards!

Force DiagramForm Diagram

Page 130: Geometry and Design of Truss Structures

GEOMETRY AND THE DESIGN OF TRUSS STRUCTURES© SKIDMORE, OWINGS & MERRILL LLP 2017

Lines a‐1, b‐3, c‐5, d‐6, e‐8 and f‐10 must be the 

same length

GRAPHIC STATICS

How can we make the force in the top chord constant?

Modify the force diagram and work backwards!

Force DiagramForm Diagram

Page 131: Geometry and Design of Truss Structures

GEOMETRY AND THE DESIGN OF TRUSS STRUCTURES© SKIDMORE, OWINGS & MERRILL LLP 2017

Lines a‐1, b‐3, c‐5, d‐6, e‐8 and f‐10 must be the 

same length

GRAPHIC STATICS

How can we make the force in the top chord constant?

Modify the force diagram and work backwards!

Force DiagramForm Diagram

Page 132: Geometry and Design of Truss Structures

GEOMETRY AND THE DESIGN OF TRUSS STRUCTURES© SKIDMORE, OWINGS & MERRILL LLP 2017

Lines a‐1, b‐3, c‐5, d‐6, e‐8 and f‐10 must be the 

same length

GRAPHIC STATICS

How can we make the force in the top chord constant?

Modify the force diagram and work backwards!

Force DiagramForm Diagram

Page 133: Geometry and Design of Truss Structures

GEOMETRY AND THE DESIGN OF TRUSS STRUCTURES© SKIDMORE, OWINGS & MERRILL LLP 2017

Lines a‐1, b‐3, c‐5, d‐6, e‐8 and f‐10 must be the 

same length

GRAPHIC STATICS

How can we make the force in the top chord constant?

Modify the force diagram and work backwards!

Force DiagramForm Diagram

Page 134: Geometry and Design of Truss Structures

GEOMETRY AND THE DESIGN OF TRUSS STRUCTURES© SKIDMORE, OWINGS & MERRILL LLP 2017

CONSTANT‐FORCE GABLE TRUSS

Magazzini Generali WarehouseRobert Maillart, 1924

Page 135: Geometry and Design of Truss Structures

GEOMETRY AND THE DESIGN OF TRUSS STRUCTURES© SKIDMORE, OWINGS & MERRILL LLP 2017

Shaping Structures: Statics, 1997Form and Forces: Designing Efficient, Expressive Structures ,2012

EDWARD ALLEN & WACLAW ZALEWSKI

Page 136: Geometry and Design of Truss Structures

GEOMETRY AND THE DESIGN OF TRUSS STRUCTURES© SKIDMORE, OWINGS & MERRILL LLP 2017

Wolfe, William S.  “Graphical Analysis: A Text Book on Graphic Statics.” McGraw‐Hill book Company, Incorporated, 1921

Page 137: Geometry and Design of Truss Structures

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Topology Optimization Plus Graphic Statics

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GRAPHIC STATICS PROVIDES THE INFORMATION NEEDED TO MINIMIZE THE LOAD PATH.

• The Force Diagram provides the member forces.

• The Form Diagram provides the member lengths.

Page 139: Geometry and Design of Truss Structures

GEOMETRY AND THE DESIGN OF TRUSS STRUCTURES© SKIDMORE, OWINGS & MERRILL LLP 2017

Discrete Optimal Design

Talischi, C., G.H. Paulino, A. Pereira, I.F.M. Menezes. "PolyTop: a Matlab implementation of a general topology optimization framework using unstructured polygonal finite element meshes." Structural and Multidisciplinary Optimization. Vol. 45, No. 3, pp. 329‐357, 2012.

TOPOLOGY OPTIMIZATION AND GRAPHIC STATICS: BRIDGE DESIGN PROBLEM

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What about unequal stresses or member buckling?

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But for the bridge problem, the Maxwell tells us:

CCTT LFLF

TT

CT

LPV11minmin

xx

The optimal geometry does NOT change if the compressive stress is a constant even if it is lower than the tensile stress!

So, the problems can be rewritten

TOPOLOGY OPTIMIZATION AND GRAPHIC STATICS: BRIDGE DESIGN PROBLEM WITH CONSTANT BUT DIFFERENT TENSION AND COMPRESSION STRESSES 

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CCTT LFLF

CCb

CTT

T

LPLLLPV 20 )/(11minmin

xx

Once again, for the bridge problem, the Maxwell tells us:

The optimal geometry DOES change if the compressive stress varies with length!

So, the problems can be rewritten

TOPOLOGY OPTIMIZATION AND GRAPHIC STATICS: BRIDGE DESIGN PROBLEM WITH STRESSES VARYING WITH LENGTH 

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For a constant force in the bottom chord and the compression stresses are constant, the optimal geometry is:

TOPOLOGY OPTIMIZATION AND GRAPHIC STATICS

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CCb

CTT

T

LPLLLPV 20 )/(11minmin

xx

TOPOLOGY OPTIMIZATION AND GRAPHIC STATICS

But if the compressive stresses are not constant but vary with the unbraced lengths, the truss becomes shallower!

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On the Geometric Nature of Truss Forms and Forces

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E

12

4 63

A C DB

5

e

1

2

4

6

3

a

c

d

b

5

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E

12

4 63

A C DB

5

e

1

2

4

6

3

a

c

d

b

5

f

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E

12

4 63

A C DB

5

e

1

2

4

6

3

a

c

d

b

5

F

f

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E

12

4 63

A C DB

5

e

1

2

4

6

3

a

c

d

b

5

F

f

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Mechanisms and states of self‐stress

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THREE VERSUS FOUR LEGGED STOOL.

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32 bVN

13862 N 03962 N 131062 N

smN

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032 bV

0m

0s

032 bV

1m

1s

TWO STRUCTURES WITH N = M – S = 0

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ApplicationsIs a structure stiff?

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A structure with N=0 is stiff if m = 0m =0 if s=0If not a projection of polyhedron, s=0If the reciprocal diagram cannot be drawn, s=0

N = 2 v – b – 3 = m- s = 0

This structure is stiff

IS THE STRUCTURE STIFF?

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N = 2 v – b – 3 = m- s = 0

A structure with N=0 is stiff if m = 0m =1 if s=1If it is a projection of polyhedron, s>=1, m>=1If the reciprocal diagram can be drawn, s>=1,m>=1

This structure is stressable and has a mechanism.If prestressed, it will have some stiffness but of a lower order.

IS THE STRUCTURE STIFF?

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TAKE‐AWAYS

• Maxwell’s theorem on load paths is simple and powerful.• Inefficiencies must be paid for twice• Minimize one – the other is also minimized• Useful tool for systems design

• Discrete Michell trusses are regular and ordered.

• Graphic Statics is a powerful design tool.

• Topology optimization tools (plus Graphic Statics or other analysis methods) make efficient layouts for complex problems accessible to the designer.

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WORDS OF CAUTION

• Check other load cases particularly non‐uniform load cases.

• Look out for structural mechanisms.

• Consider redundancy.

• If there is more than one dominated load case, try to develop a geometry that is appropriate.

• In the end, a structure only has one geometry; try to get the best.

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THANK  YOU!

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