1

2

We’re going to start by looking at the course as a whole, and the big themes that are going to run through all of the lectures that follow. I start every lecture with the first slide telling you what my objectives are for you. These are the objectives for you during the first class. I want you to understand the expectations. I’ll tell a little bit about myself to start and then I’m going to hear from you through this internet polling. I’m going to present what the objectives for the course are, and also introduce what are really the essential concepts that run through this course. So the major structural forms, all of these different forms for bridges: arch bridges, cable‐stayed bridges. There’s also different forms for tall buildings, and different forms for vaults. You’re going to know what those different forms are and how the forces are being carried in those structures and what that relationship between form and force is. So today I’m going to just start to introduce you to that concept. Then, we are going to look at this idea at what we call structural art. I should mention that this course is based on the scholarship of a colleague of mine, David Billington, who started teaching this course in 1974 and has been taught continuously since then. In his scholarship, he defined this concept of structural art, structural engineering as a form of art. For some, that’s a bit of a tricky concept, the idea of engineering as art. For some, it’s a novel idea. For some, it’s obvious. We’re going to go through that and understand the criteria that we look for to define a bridge, a building, a vaulted structure as “structural art.” And then finally, at the end of this lecture with a seven‐minute video, I’ll introduce to you the engineers, structural artists. These engineers who are really technically competent but are structural artists in their own right. 

3

Begin poll questions.

4

Engineering requires creativity. https://www.polleverywhere.com/multiple_choice_polls/BfxhTfCvPjctk0F

5

I am excited to learn about engineeringhttps://www.polleverywhere.com/multiple_choice_polls/neawQ8ey8xMCBzL

6

What are your expectations about the course? https://www.polleverywhere.com/free_text_polls/pIWZ6Cu3QXtBwvc

7

What do you expect to be the biggest challenge?https://www.polleverywhere.com/free_text_polls/2LzKuoZmO3T0U9U

8

SLIDE 1: As I said, first we have course objectives. So these are three main goals I have for you in this class. First is a physical understanding of major structural forms. It is the idea that you will learn how a suspension bridge works, how an arch bridge works, how a cable‐stayed bridge works. All these different ways to design tall buildings, vaulted structures, domes and shells. You’re going to learn about all of these forms and that relationship between form and force. The second one is the historical perspective. So we begin this course at the beginning of the industrial revolution where new materials, iron and steel, come about and with these new materials we have new forms for structures. So we’re not going to just look at the scientific aspects and calculations, but also the history of engineering and how that evolved, in particular for structural engineering. And then finally, the visual experience. Again this idea that structures, if they meet the criteria that we are using, can be defined as art. It’s not architectural art. Architectural art is a different form of art. This is the art of the structural engineer and we call that structural art. 

SLIDE 2: If we look back at Stonehenge, 2,000 or 3,000 BC, so we look at stone. This horizontal stone piece at the top, maybe spans 10 ft. Not a very large span. If you try to make these horizontal slabs of stone span very long, they will snap and break. You can maybe visualize that and understand why that is in a few weeks when we talk about reinforced concrete. Concrete is an artificial stone, a man‐made stone. Photo:Mavratti, Public Domain (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Stonehenge_on_27.01.08.jpg) 

OTHER NOTES:StonehengeArchaeologists believe it was built anywhere from 3000 BC to 2000 BC… stone spanning about 10 ft‐Before Industrial Revolution limited by materials‐Most common material was stone

‐S.H. = one of the oldest known stone structures‐If want to build beam out of stone, span must be short

‐Stone is poor in tension.  Represents what you can do up until the Industrial Rev. (also can do domes/arches)

9

SLIDE 3: So today, because of engineering, we are able to span not 10 feet but 1,000 feet. This is a bridge above the arctic circle which faces serious climate conditions. So how did we get there? These are the types of questions that we are going to be able to answer as the course develops. Photo: David Billington

OTHER NOTES:‐Bridge – 1000ft – harshest climate – 400 mi above arctic circle – taken at midnight‐Compare to a few feet in S.H.

10

11

SLIDE 4: I have included a few major structural forms up there, there are many more. I also have them in groups because they are essentially opposite to one another. 

SLIDE 5A: For example, we know that a horizontal cantilever is like a diving board of a pool being used outside of engineering terms. Here’s an example of a plank on a private ship. A cantilever is a structure that is supported on one side only and free on the other end. However, this is not the type of cantilever that we are going to be studying in this course. 

Photo: Painting by Howard Pyle (public domain)

12

SLIDE 5B: The horizontal cantilever that we are going to be studying in this course looks like this. Free on one end, supported on the other. And this is concrete, it is really heavy. So how could it even hold its own weight, much less wind and many other things going on? How is the structure able to cantilever off of here if it’s concrete? So we’re going to look at these types of structures, these type of horizontal cantilevers. 

Photo: Ignacio Paya Zaforteza

13

‐SLIDE 6: For vertical cantilevers, the design of the form is controlled by wind forces going horizontally. The Eiffel Tower is the classic vertical cantilever, supported at one end only (at the ground) and free at the other end. One’s vertical and one’s horizontal, but they are both cantilevers. We’re used to thinking of cantilevers are the horizontal ones, but the Eiffel Tower is an example of a vertical cantilever.  

Photo: Benh Lieu Song, Public Domain (http://en.wikipedia.org/wiki/File:Tour_Eiffel_Wikimedia_Commons.jpg)

14

SLIDE 7: Then we have a column. The obelisk is probably the most purest form of a column. Whereas the design of the vertical cantilever is controlled by forces of wind, the design of a column is controlled by gravity. Of course, the Eiffel Tower has gravity loads and you have to consider that, but the design is controlled by wind. Similarly, the Washington Monument of course experiences wind forces, but the design is controlled by gravity. 

Photo: David Billington

15

SLIDE 8: So these super tall buildings in Chicago, are they columns or cantilevers? It’s kind of a trick question. I put them up there because you’ll learn later on that for super tall buildings you have both gravity and wind that play important roles in the design. The trick is to control that wind, and we’re going to see clever ways that engineers have designed to do so. The taller your building is, that wind becomes super important, not for strength purposes but mostly for serviceability (accelerations and movements at the top of the building). At the top of the building you have your penthouse, and if it’s swaying too much people will get nauseous, and that’s not what you want. The building is not in danger of falling down, but the building may be swaying too much and making the occupants uncomfortable. So these are the considerations that we have to take into account. 

Photo: Maria Garlock

16

17

SLIDE 9: Finally, the other opposites: the cable and arch. A cable can only take tension. In a suspension bridge you have that cable that runs from tower to tower. It can only take tension. I can pull it, and it is still quite strong but I can’t squeeze it, it takes no force. A suspension bridge works in tension, not only the cable here but the suspenders connecting the deck to the cable are also working in tension. So tension is this pulling force, and cables can only take tension, not compression. The cable cannot transmit compression forces. So that’s the idea of the cable.

Photo: Flickr by bvi4092

SLIDE 10: And then the arch works in compression. So the arch is being squeezed, or compressed. 

Photo: Flickr by Stuart Gordon

Menai StraightsCraigellachieThomas Telford

18

SLIDE 9: So this is a bigger image. So you can see the main cable and the vertical suspenders connecting the deck to the cable, all working in tension. 

Photo: Flickr by bvi4092

Illustrate idea of cable with chain (tension, compression)

19

SLIDE 10: Whereas in the arch, the arch is working by being compressed, or squeezed. So the cable and the arch, opposite to one another. 

Photo: Flickr by Stuart Gordon

SLIDE 11: So now we move onto the historical perspective. As I mentioned, we see these new forms coming about because of the new materials being developed from the industrial revolution. The first bridges made out of iron, a material from the industrial revolution, were in Great Britain. 

SLIDE 12: And then came steel, which is iron with carbon and some other alloys but I won’t get too detailed with the material science of steel, but what you need to know is that steel is more ductile which means you can stretch it further before it breaks (the opposite of brittle) and is stronger than iron. So we see new forms come about because of steel. Photo: Bob Reitherman

OTHER NOTES: ‐Cat iron and wrought iron – Britain figured out how to make iron inexpensive enough‐Lead to structural steel (allows/carbon)Menai = ~550 ft; GGB = ~4200 ft

http://www.reliance‐foundry.com/blog/difference‐cast‐iron‐wroughtWrought or Cast? What’s the Difference?The simplest way to remember the difference is to know that wrought iron is metal that has been heated and then worked with tools to produce its shape and form, while cast iron has been melted and poured into a mold to give it the desired look.Cast iron is less pure as far as the metal properties are concerned, but because the metal is poured into precision‐made molds, you receive a more accurate end‐product. Even though it is more brittle, There are many differences between iron and steel. Primarily, iron is an element while steel is an alloy comprising of iron and carbon. However, in this alloy iron is present in a greater quantity. You can add various other metals to steel so as to produce alloys that have different properties. For example, if chromium is added to steel, stainless steel is the product. It is durable and doesn’t rust easily. In the construction industry steel is used on a large scale. This is because steel is stronger than iron and it has better tension and compression properties.

Read more: Difference Between Iron and Steel | Difference Between | Iron vs Steel http://www.differencebetween.net/object/difference‐between‐iron‐and‐steel/#ixzz2s6IiMwdL

20

SLIDE 13: And then you have steel reinforcing concrete, so steel and concrete working together, huge advantage you’re going to learn why. So now we see even newer forms from reinforced concrete, which is only possible with steel from the industrial revolution. Photo: David Billington

SLIDE 14: And then finally prestressed concrete. Very similar to reinforced concrete with a very important difference which enables more forms to come about due to prestressed concrete. These are really the four core materials that comprise of this development of new forms and make possible the art form of the engineer which we call structural art. Photo: David Billington

‐Steel combines with concrete – would then make stone span 1000’

21

SLIDE 15: So iron is a new material and at the beginning, people don’t really understand how to use it. We’re used to building with wood and stone, but with steel and iron, the weight per unit volume is about three times larger than that of stone. So if you take a cubic meter of iron versus a cubic meter of stone, the iron will weigh three times more. However, an iron bridge will be lighter than a stone bridge. Since iron is so much stronger than stone, you don’t need that much material. So now the problem is that you’re using little tiny pieces of iron because you don’t need so much cross‐sectional area which makes important this phenomena called buckling. Buckling is the idea that if you compress something that it will snap. So engineers don’t really understand yet how to use the material well. They don’t understand yet how if you get longer and longer with bridges, there are additional dangers that come about. There’s a potential for failure of these bridges.

Photo: Flickr by bvi4092

OTHER NOTES:‐Consequences

‐Lighter – solid block of iron weighs three times more than concrete, BUT also so much stronger that less iron is needed

‐Iron structure (not material) is:‐Permanent – need to be maintained‐Large scale – if build it light to make it economical, then protect against major failure

22

SLIDE 17: And that’s what happened for the Quebec bridge which was made out of iron and at some point collapsed. 

Photo: Jean‐Philippe Bourjoin, Wikimedia Commons (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Pont_de_Qu%C3%A9bec.jpg)

Quebec Bridge made extremely light

23

SLIDE 18: So with these experiences of collapses, engineers learned more and we’re going to get to talk about some of these failures as well, the early failures of important structures and what we learned from them.

Photo: Freres Neurdein, Wikimedia (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Pont_de_Quebec_1907.jpg)

‐Example of failure‐Unfortunate progress of building with this new material

‐1st requirement of Structural Art = safety

24

SLIDE 19: So there are three types of structures that we’re going to study. The towers that we’re looking at are the towers where the structure is expressed, so it is a form of architectural art. 

SLIDE 20: The John Hancock tower of Chicago, some of you are familiar, belongs to this category of structural art. At least from my opinion. I should mention that you’re free to disagree with me. The measure of art is subjective. So you’re free to disagree with anything I say, but you have to have an argument for me in return. Tell me why you disagree. Photo: Antoine Taveneux, Wikimedia Commons(https://commons.wikimedia.org/wiki/File:John_Hancock_Center2.jpg)

Hancock Tower – one of the highest, form given by the engineerimage: internet

25

SLIDE 21: We’re also going to be looking at vaults, which are these long‐spanning roof structures. Again, not architecture because here the form and the process of construction came from an engineer in this case (Nervi). Nervi knew how to not only engineer this to understand and calculate the forces, stress and deflections and also knew how to build something like that. And particularly for vaults, and all structures, if you don’t find a proper construction procedure, it will be very expensive to build. Construction and economy are tightly related. Here we see an example of a vaulted surface, and we’re going to see a lot more of that towards the end of the semester.

Photo: (Photo Moncalvo) Pg. 126, Nervi, Pier. "Aesthetics and Technology in Building." Harvard University Press, Cambridge, 1965. 

26

SLIDE 22: This bridge, the Verrazano Narrows was the bridge that inspired me to pursue structural engineering. It’s an unbelievably long‐span structure. Maybe we’re used to it, but I’ve had visitors come from other countries and they are just so impressed for someone who is not used to seeing such long‐spanning structures. Bridges have both vertical and horizontal elements, so in a way, they are comprised of towers and vaults. 

Photo: Maria Garlock

27

SLIDE 23: So how do we measure structural art? You’re going to see in every lecture, that everything is going to be measured from this point of view of efficiency, economy and elegance, again based on the scholarship of David Billington. Efficiency is associated with minimal materials, which is closely tied to form. The form of the structure is going to define how efficient you are in using your materials, of course with an appropriate safety factor so that the structure doesn’t collapse. Economy is closely tied to construction. Finally, it has to meet the criteria of elegance and here’s where it is subjective. The idea behind this is that the engineers behind the design had an aesthetic intent. Whether or not you like their aesthetic, that’s up to you, and these engineers you’ll see that people did not like the new art that these engineers were creating. Sometimes it took decades later before people became comfortable with it, which we will see examples of in the coming lectures. So those are the three criteria of structural art. 

Bridges: Zakim Bunker Hill – Christian MennThis is a poster for the exhibition that has traveled the world, hosted by the Princeton University Art MuseumDemonstrates that structure is an art form

28

SLIDE 24: The modern engineers as well as the engineers that we’ve studied in the past do calculations. This is different from for example people who built gothic cathedrals and the Pantheon and other classic structures more on a trial and error basis. So there were no calculations to predict stresses and deflections or things like that. Now, we are making calculations and we can predict stresses and deflections of a structure, which forms the baseline of the general perception of engineers. That we sit on our desk and calculate all day. But we do much more than that. We also have field experience, because like I said you must know how to build something before you design it. You can’t submit a design without having an idea of how it will be built. And finally, engineers use their imagination to create new forms. Another theme is discipline and play. Engineers are disciplined by the rigor of engineering. They are bound by engineering principles, but there’s some room to play inside those boundaries to produce these imaginative forms, to find forms that are not just technically beautiful but also aesthetic. 

SLIDE 25: Photo: David P. Billington

‐What we will study:‐Predict performance based on calculations (efficiency)

‐Stone = vulnerable in tension‐Steel – vulnerable in compression

‐Field experience (economy)– structural artist must also understand the building process‐Imagination (elegance) – must have the imagination of an artist.  Designers always had an aesthetic motive

29

SLIDE 26: Here’s an example of a bridge being built in a deep ravine, in the mountains of Switzerland. You can see the formwork that’s being set up to create one of the world’s historic landmark bridges.

Photo: Billington, Maillart, p. 88 (Salginatobel scaffolding)

Salginatobel bridge forms under construction

30

SLIDE 27: Here is the Salginatobel bridge, which we will get to in March. This is an example of the idea that the engineer knows how to build something over this very deep ravine. Photo: Stock image

‐Salginatobel – final form seen here‐Story of book:

‐Rae – historian of technology, died‐Volti – wanted to revise the book, contracted Billington – wanted to include bridge on the cover

‐Over 200 images, this bridge was chosen for the cover on an aesthetic basis

31

SLIDE 28: And then finally, another theme that you’ll see is the evolution of engineers who go through imitation, innovation and inspiration. Engineers start by imitating what they know. They look to their past and they see a bridge or a building and start by designing in the same exact way. And then they start innovating with new forms and materials. With that innovation, you need courage because you're going into place that no one has gone, daring to do something new. So they innovate. And then finally for inspiration, that’s when engineers created their masterpieces. That’s when everything comes together and they put together something that meets that criteria of structural art. So that is the course in nutshell. So when you start studying for your midterm and final exams, go back to the slides in this lecture because they form the core of everything that you’re going to be learning later on. 

‐Structural artists (best engineers) begin by imitating what they see‐Then they see how they can do something new that is useful (innovation)‐Allow imagination to take control to create ideal forms but have the technical competence to do so (inspiration)

32