Criteria for Roof Design

Exerpt from mail exchange Jan/Reinder

Functions for a proper roof:
1) There should be an outer layer to protect from sun and rain (water).
2) There should be a supporting structure to give the roof structural integrity.
3) There should be elements to connect all elements together to form one integrated structure (roof).

My (Jan) personal opinion is that function number three is the most difficult one.
Making elements is a challange, but making all elements working together as one roof is more difficult.
We are spoiled by (for us) cheap fasteners and things like tie wraps.

There are several ways to interconnect plastic parts: 1) clicking/snapping
2) welding (spotwelding or line welding using vibration or heat)
3) bonding using adhesive (very tricky with plastics but possible)
4) fastening (anything from tie-wraps to bolts)
5) lashing or sewing (rope, thread)
6) riveting
The big problem of fulfilling function number three is that only clicking/snapping, lashing and fastening is practical at any building site.
Fastening is probably too expensive: This often requires expensive elements (numerous fasteners)
lashing or sewing everything together can be done but any thread or wire cannot penetrate the upper sheet because the hole would become a leak path.
Riveting can be done by putting pieces of plastic into holes and melting and flattening the ends to form a connection.
The rivet can also be an integral part of one of the elements.
Riveting can be done and should be relatively easy. There is a risk of fire however.
The heatsource for the heating and flattening the rivet ends must be controlled (not to hot to prevent fire and hot enough to melt the plastic)
For this reason I would be reluctant to try this option.
My preliminary conclusion is that clicking/snapping should be the preferred solution at the construction site.
During fabrication of the tiles spotwelding is probably the best solution.
The next choice is where to seperate the elements.
There three several concepts:
1) conventional beams (for function 2) and tiles (for function 1)
*requires connecting beams and tiles at construction site -> requires clicking between tiles and beams

• requires long/large moulds/presses to create the long beams -> pressure can be created,

but possible problem with good heat distribution throughout mould 2) modular: each tile is a module with outer layer (for function 1) and part of the backup structure (for function 2)

• The end result should be a sort of sandwich construction (inner/lower and outer/upper sheet and structure in between)
• The outer/upper sheet is loaded in compression: It should be a corrugated sheet and should be watertight
• The lower/inner sheet is loaded in tension (if you neglect wind loads). It should be an open structure to allow ventilation, but not to open to prvide an air pocket for insulation.
• The outer/upper sheet connections are in compression: they can simply lean against each other.
• The inner/lower sheet is loaded in tension: They should be clicked together.
• The structure between the two sheets must preferably be interconnected between seperate modules.

Shear forces in the structure between the two sheets can also be transferred to the next module through the connection of the inner/lower sheets.

3) semi modular: each tile is a module with one sheet (say outer/upper sheet) and part of the backup structure.
Another sheet completes the sandwich structure of the roof and also provides for an inner/lower sheet and interconnection between modules.

The CAD pictures (send earlier) fit in the description of the number two concept. The inner skin is almost absent however and wall thicknesses are very thick.
The same idea could be worked out for thinwalled modules, but that would require folding, assembling and spotwelding flat sheets into 3D structures (see remark 1).
I also have an idea for concept three:
It is making a corrugated sheet for an outer sheet and a flat plate that can be folded together and spot welded to this outer sheet (see remark 1).
The inner sheet can then be clicked onto the tiles and also functions as a connecting element between tiles at the inside of the roof.
Putting sand into the structure makes the roof heavy enough to ensure that the upper sheet is always in compression and gives the roof a certain mass so the roof is not easily heated up or cooled down.

Remark 1: I know labour is cheap over there, but maybe not cheap enough to produce each tile manually as described?

Lesssons from Disaster Reduction
"Disaster Reduction", a consultancy directed by Krisno Nimpuno has taught me (Reinder) the following:

• In veel vluchtelingenkampen wil de overheid GEEN permanente constructies gebouwd hebben. Het moet uiterst tijdelijk zijn, ook al blijven in de harde praktijk mensen er jaren wonen. In die gevallen wordt alleen een stuk plastic zeil uitgedeeld. Wanden worden van aarde of stokken gemaakt.
• Een vlakke ondergrond in niet vanzelfsprekend.
• Een ronde vorm van een bouwsel maakt onderlinge aansluiting van onderkomens onmogelijk. Dat er genoeg ruimte beschikbaar is rondom zo'n rond bouwsel is ook niet vanzelfsprekend.
• De cement skin methode is extreem lux! 250 kilo cement aanvoeren in een complexe verpakking, liefst met een vliegtuig, best ooit denkbaar, maar heeft niets met armoede te maken en zal zelden betaalbaar zijn.
• Wanden, deur en ramen geven geen probleem, het dak wel. De overspannende constructie is relatief duur, de dakbedekking relatief kostbaar. De dure overspanning leidt tot kleine vertrekken, de kostbare dakbedekking (ook al is dat hard uitgerold, blik dun golfplaat) roest snel door, zorgt dat het overdag binnen gloeiend heet is en 's nachts te koud. Nee, het heeft nadelen om arm te zijn en te wonen in een krottenwijk!
• Als ik droom van een zinnige dakbedekking, gaat dat in de richting van wat je vindt op http://www.demotech.org/design/designA.html?d=70

Roof cover should answer these criteria:
1) waterdicht
2) isolerend
3) lokaal te maken (omstandigheden beter specificeren)
4) stevig/rigide
5) geschikt voor verschillende groottes (zeg 2 x 2 tot max 8 x 8 meter)
6) brandveilig
7) ademend/ventilerend

Wat ik tot nog toe geleerd heb over overspanningen (uit de technische realiteit)
1) niets is zo efficient als een koepelconstructie (alleen belangrijk als je laag gewicht nastreeft)
2) niets is zo stijf als een sandwichconstructie (isoleert ook goed)
3) niets anders als een modulair systeem is geschikt voor verschillende groottes

How primitive should product and production be?
Ik heb ook een beetje een idee nodig hoe primitief de productie moet zijn.
Als voorschotje hier alvast een voorzetje.

- Houten balken: aanwezig/alleen takken van max 2m/niet aanwezig?
- Klei en/of mest?
- afvalplastic (wat/hoeveel/soort)?
- wel/geen gebruik van plasticverwerkende machines (hoe complex? alleen warme pers of ook extruders e.d.?)
- elektriciteit aanwezig?
- touw/kabels kwaliteit/type? (om toch evt voorspanning aan te brengen)
- primitiviteit van koppelelementen? (Denk aan gebruik tiewraps, bouten, touw, popnagels, spijkers)
- Naast productie: Wat mag er nodig zijn voor de bouw/plaatsing van het dak? (Hamers, spijkers, haringen, zaag)