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STRUCTURAL DESIGN LEARNING BY BUILDING REDUCED MODELS

A. MOHAMED, M. DREAN, J. COUDEN and J.­C. FAUROUX

French Institute for French Institute for Advanced MechanicsAdvanced Mechanics

FRANCEFRANCE

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•  Introduction

•  Design process

•  Active design learning

•  Learning by doing

•  Design solutions

•  Analysis of results

•  Conclusion

Presentation Outline 

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Structural  design  process

Loadings

Time effectsEnvironment

c

fC

Materials

TopologyGeometry

r

fR

Design  Models

AnalysisModels

DeformationsActions

s

fS

PerformanceCriteria

FabricationMethods

Economical Factors

Human Errors

Political Factors

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Learning  process

•  Reception step

•  External information (observations)

•  Internal information (introspective)

•  Processing step

•  Memorization

•  Reasoning: inductive / deductive

•  Reflection / action

•  Introspection / Interaction with others

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Increase learning  efficiency

• present phenomena related to theory

• balance conceptual information (intuitive) and 

concrete information (sensing)

• use extensively sketches, plots, schematics, and 

physical demonstrations

• demonstrate by physical analogies

• introduce general principles by experimental 

observations

• provid free time for students to think about the 

material being presented and for active student 

participation 

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Cooperative Learning

• suitable for subject­based learning

• organized through small groups that develop  interdependent and self­directed works

In opposition to competing learning, the cooperative learning aims to make Students work together to:            learn, solve problems, discuss and compare ideas, …

.

Academically weak students get the benefit of beingtutored by stronger classmates, 

and stronger students get the deep understanding that comes from teaching

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Problem­oriented learning

• Need for learning before solving the problem• Learning environment: active, cooperative, self­assessed 

  motivated and highly effective 

Before students learn some knowledge they are given a problem

Posing the problem before learning tends to motivate students 

Students know why they are learning the new knowledge 

Facilitate store of knowledge in memory for later recall 

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Learning by doing

• More productive work to do with allocated time• Efficient way of active learning

Introduce the  theory by productive works of the students

 The only way a skill can be developed is practice: 

• trying something, 

• seeing how well or poorly it works,

• reflecting on how to do it differently, 

• then trying it again and seeing if it works better.

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How to develop theEngineering Sense ?

• Solid scientific background

• Design principles

• Experience development

• Problem­oriented thinking

• Analogy­based understanding

• Interdisciplinary view and links

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Structural design process

Analysisof problemN

eeds

Embodimentof schemes

Conceptualdesign Detailing

Stat

emen

t of p

robl

em

Sele

cted

  sch

emes

Fina

l  pr

ojec

t

• Needs• Analysis of the problem• Conceptual design• Embodiment of schemes• Detailing• Final project

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Transverse active learningMultidisciplinarity

Design

  of  P

oducts

  and  S

tructu

res

Mod

eling 

and  C

hoice  o

f  Mate

rials

Geometr

ical  M

odeli

ng CAD 

Forming 

and A

ssembly 

Fabric

ation

  Meth

odolo

gy

Structu

ral  O

ptimiza

tion

Specification 

of  needs 

Structural

Prototype 

   12

Example 2: Bridge structureNeeds

800 mm

700 mm

100 mm 100 mm100 mm 100 mm100 mm 100 mm100 mm 100 mm

LoadingPoint

SupportSurface

(foundation)

120 

mm

70N/m

15N(150, 400, 200)

x y

z

160 mm

80m

m   

40m

m

100 mm

250 mmNavigation zone

300 mm250 mm

• Geometry and clearance

• Materials

• Vertical load

• Horizontal load

• Support points

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Solutions of type: Suspension

Suspended cable bridge

Rigid supported bridge

   14

Solution of type: Arch 

Suspended arch Composite compression arch

   15

Solution of type: Frame/truss

Rigid frame              Rigid 3D truss

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Evaluation criteria

•  Conceptual design of the structure

•  Structural performance: cost against rigidity

•  Creativity and originality of the work

•  Use of materials and fabrication facilities

•  Esthetic et care given to construction

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Evaluation 

1­ Mechanical performance

   18

Evaluation 2­ Innovation and esthetic

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ComparisonMechanical/originality 

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Faced Difficulties

• Organization difficulties

• Multidisciplinary way of thinking

• Implication of many courses

• useful application of knowledge

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Conclusion

• Learning­by­doing process

• Large Motivation

• Solid understanding of design basis

• Appreciation of practical difficulties

• Experimental­numerical links

• How­to­improve development