ABSTRACT

Funicular forms The term funicular, as it is used here, means “tension-only”  or “compression-only” for a given loading. This is typically considered as the shape taken by a hanging chain for  a given set of loads. Because flexible materials such as  chains, ropes, and textiles offer no resistance in bending  or compression, they can only form funicular structures that most efficiently follow the flow of tension forces.  The most efficient way to resist a force is through axial  tension, and the second most efficient mode of structural  resistance is axial compression. Bending, the method of  resistance used in frame structures, is relatively inefficient,  at least in terms of the amount of material required for the structure. The relative virtues of different structural  systems and geometries, and the choice of one system  over another, involve multiple factors, but in terms of pure  material consumption the answer is clear – funicular forms are extraordinarily efficient.    A key symmetry in nature is the mirrored, inverse,  relationship of tension and compression: if a flexible  hanging chain (a funicular tension structure) has each of its links welded together, and is then flipped upside-down  (inverted), it will stand as a funicular compression arch. The same strategy can be deployed in three dimensions  using a hanging sheet of fabric loaded with a thin layer  of wet concrete that is allowed to harden (see Chapter 11). Once inverted, the hard concrete acts as a funicular  compression vault supporting its self-weight. This makes  an architectural structure whose spatial surface is the shape of its own structural resistance to gravity.   The earliest example of this kind of form-finding for  an ideal arch in compression can be traced to the English  scientist Robert Hooke (1635-1703) who, in 1676, first  articulated this symmetry: “Ut pendet continuum flexile, sic stabit contiguum rigidum inversum” (“As hangs the flexible  line, so but inverted will stand the rigid arch”) (Heyman  1997). The form of the ideal arch depends on the applied loading. For a chain of constant weight per unit length,  the shape of a hanging chain acting under self-weight is a catenary (Figure 3.1). But if the load is uniformly distributed horizontally (as in a suspension bridge), the  ideal arch would take the form of a parabola, which is  slightly different. The chain or cable assumes different  geometries according to the loading. Thus, even a simple  two-dimensional arch has infinite possible forms that  act in pure compression, depending on the distribution  of weight and the rise of the arch. A simple experiment  with string and small weights can be used to explore the  families of funicular forms that are possible. The flexible  string will immediately solve the structural form problem  for any loading pattern by adjusting its shape accordingly.   To continue the analogy with Hooke’s hanging chain,  a three-dimensional web of hanging chains, technically  called a cable net, can describe a variety of dome shapes.  This is essentially how Robert Hooke envisioned the  primary masonry dome of St Paul’s Cathedral in London  in his collaboration with architect Christopher Wren  (1632-1723) – a cubico-parabolical conoid form which  is the ideal form of a compressive dome with zero hoop

Figure 3.1 Hooke’s hanging chain and the inverted rigid  catenary arch, as depicted by Poleni (1748)

forces (Heyman 1998). However, many more forms are  possible for shells. Three-dimensional funicular systems  are considerably more complex than two-dimensional  arches because of the multiple load paths that are  possible through a three-dimensional surface. Unlike a  two-dimensional arch, a three-dimensional shell can carry  a wide range of different loadings, through membrane  behavior, without introducing bending.    When flat fabric sheets are used to form threedimensional funicular structures, the geometric  possibilities become even more interesting. The warp and  weft threads of a woven fabric form a kind of a cable net.  By the shearing action of the warp and weft threads, a  flat woven sheet can, to a certain extent, produce smooth  double curvatures without buckling (see Figure 4.2, p. 53). However, deeper curvatures will start to produce buckles  in the sheet. Concentrated tension forces in the sheet will tend to produce pull-buckles along the principal lines of  force, as seen in Figure 3.2. (For more on pull-buckles  see Chapter 4, pp. 60-3.) These buckled shapes have the  potential to create structurally useful corrugations (see Chapter 11: Hanging sheet moulds, pp. 220-3). Such flatsheet behaviors introduce a new vocabulary for thin-shell  structures, waiting to be explored by architects, engineers,  and builders. Engineer Heinz Isler (1926-2009) derived  such forms from hanging physical models to provide stiffening corrugations near the edges of his compressive  shells in concrete (Chilton 2000).   Structural designers can take inspiration from any  number of sources, but Robert Hooke’s powerful axiom  provides a clear path forward. The tensile capacity of the formwork membrane and the compressive capacity  of concrete perfectly complement each other, while the  very act of casting provides the geometric inversion that can “flip” a convex tension-net geometry into a concave compression shell geometry. By minimizing bending  forces, designers can build more efficiently and can  make better use of limited resources. By understanding  and exploring the infinite possibilities for even highly  constrained design problems, designers can continue to  discover new structural forms for centuries to come.