Bambu malzeme davranışına bir model olarak kabuk strüktür tasarım ve şekil optimizasyonu
Shell structure design and shape optimization as a model for material behavior of bamboo
Yazar: ESRA DEMİREL
Danışman: PROF. DR. LEMAN FİGEN GÜL
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Bilişim Ana Bilim Dalı / Mimari Tasarımda Bilişim Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2018
Konu: Mimarlık = Architecture
Dizin: Biyomimetik materyaller = Biomimetic materials ; Geometri optimizasyonu = Geometry optimisiation ; Mimari malzeme = Architectural material ; Şekil optimizasyonu = Shape optimization

Özet:
Bu tez çalışması, sayısal tasarım araçları ve malzemenin davranışının kullanılmasıyla, doğadaki strüktürlerin oluşumundan esinlenerek, kabuk strüktür tasarımına bir alternatif oluşturan, bütünleşik bir tasarım yaklaşımı önermektedir. Tasarım taslak aşamasından itibaren, parametrelerini ve kısıtlarını malzemenin mekanik özelliklerinden alan bir tasarım süreci ile kurgulanmıştır. Çalışmanın başlıca odağını, Voronoi çokgeni kullanılarak optimal formda kabuk strüktür üretimine yönelik gerçekleştirilen analizler ve sonuçları oluşturmaktadır. Doğadan esinlenen, minimum enerji ve malzeme kullanımı ile sağlam ve rijit kabuk strüktür oluşturmanın potansiyelleri ortaya koyulmuştur. Bu bağlamda kabuk strüktür uygulamalarında minimum enerji ve malzeme kullanılarak sürdürülebilir uygulamalar üretilmesi, tasarım süresine başından sonuna hakim olarak, karar verici konumda olunması hedeflenmiştir. Biyomimikri yaklaşımı ile kabuk strüktürde form bulma sürecinden elde edilen sonuçlar, malzemenin davranışının strüktürel verimliliğe etkilerinin biraz daha anlaşılmasına katkıda bulunma potansiyeline sahiptir.
Tez kapsamında ilk olarak konuya genel bir giriş yapılmış, tezin amacı, kapsamı ve yöntemi açıklanmıştır. İkinci ve üçüncü bölümde tez çalışmasında kullanılan yöntemler hakkında literatür araştırmaları aktarılmıştır. Dördüncü bölümde,  bahsedilen tüm bilgi ve yöntemlerin kullanılması ile bir model üretilmiş ve modelden edinilen bulgular değerlendirilerek aktarılmıştır. Beşinci bölümünde ise sonuç olarak elde edilen bulgular ve bilgiler özetlenerek, çalışmayı ilerletebilecek potansiyeller aktarılmıştır. 
Daha detaylı aktaracak olursak ikinci bölümde kabuk strüktür, alt sistem olarak yatay/hiper-eğrisel kabuk yüzeyleri ve grid kabuklar tanımlanmıştır, optik etkileri ve eğriselliğinin tanımlayıcı olduğu akustik etkileri aktarılmıştır. Mimari tasarımda form üretiminin nasıl evrildiği açıklanmıştır. Fiziksel form bulma yöntemlerinden kabuk strüktürde statik dengeyi sağlayan yüzeyler oluşturulmak üzere yararlanıldığına değinilmiştir. Form bulma yöntemlerinin sayısal tasarım araçlarının tasarım sürecine yansıması olan optimizasyon yöntemleri ve çeşitleri aktarılmıştır. Optimizasyon yöntemi olarak doğanın prensiplerini kullanan evrimsel algoritmalardan bahsedilmiştir. Strüktürel tasarımda form bulma süreci ile optimal geometrinin malzeme ile oluşmasından bahsedilerek, malzeme, strüktür ve formun birbiri içine girmiş ilişkisi üzerinde durulmuştur. Malzeme kullanımını minimize ederek verimli bir strüktür elde edilmesi, malzemeye nasıl şekil verildiği ile ilişkilsi ortaya koyularak, hafiflik kavramı kabuk strüktür bağlamında aktarılmıştır. Kabuk, strüktürel açıdan davranışını doğrudan malzemenin mekanik özelliklerinden alan özel bir strüktürdür. Bu bağlamada malzemenin limitleri ve özelliklerini keşfedebilmek için malzemenin davranışını belirleyen mekanik özellikleri açıklanmıştır. 
Tezin üçüncü bölümünde sayısal tasarım araçları ile malzeme-form-strüktür arasındaki ilişkiden bahsedilmiştir. Bu ilişkiden doğan eş öncelikli süreçlerin araştırılma alanından biri olan biyomimikri kavramı ve mimarlık disiplinine uygulanma yöntemleri güncel örneklerle birlikte aktarılmıştır. Strüktür-malzeme-form bağlamında doğanın nasıl bir stratejide işlediği irdelenmiştir. Doğadaki minimal yüzeylerin araştırılması ile bu kavramın kabuk strüktürde enerjiyi verimli şekilde dağıtması bağlamında sürdürülebilir strüktürler elde edilmesini sağladığı vurgulanmıştır. Çalışmada bambu gövdesinin mekanik davranışı, kabuğun strüktürel davranışı ile entegre edilmiştir. Bambu gövdesinin malzeme davranışı, elastik ve kayma modülü, öz ağırlığı, elastik limit değerleri sayısal tasarım araçlarına girdi olarak kullanılmıştır. Üzerine etki eden kuvvetlerle şekillenen formu, davranış ve organizma düzeyinde biyomimikriye bir örnek teşkil eden bambunun biyolojik model olarak mekanik özellikleri tanıtılmıştır. Üretim aşamasında bambunun tek başına veya liflerinin takviyeli kompozit olarak kullanılması durumları tartışılmıştır.
Dördüncü bölümde bambunun malzeme davranışı ve kabuğun strüktürel davranışından gelen geri beslemelerle bir dizi uygunluk simülasyonu analizi yapılmıştır. Rhinoceros üç boyutlu tasarım programının Grasshopper, Karamba eklentisi ile strüktürel performans analizleri, Octopus eklentisi kullanılarak evrimsel algoritma yöntemi ile strüktürel şekil optimizasyonu yapılmıştır. Bu optimizasyon ile hedeflenen, malzeme ile en uygun açıklık ve kalınlıktaki geometri bulunarak strüktürün yer değiştirmesini ve kütleyi minimize etmektir. Çok hedefli optimizasyon sonucu optimal strüktür ile optimizasyon öncesi model karşılaştırılarak değerlendirmeler aktarılmıştır.
Sonuç bölümünde genel bir değerlendirme yapılmış, üretilen modelin sahip olduğu geliştirmeye açık potansiyelleri aktarılmıştır. Çalışma neredeyse atık üretmeyen, minimum enerjili, hafif, hücresel formlu, doğal malzemelerin özellikleri ile kabuk strüktür tasarımına bir alternatif önermektedir. Evrimsel algoritmaları kullanarak yapılan optimizasyon süreci ile elde edilen bulgularda kabuk strüktürün ağırlığı, gerilme ve yerdeğiştirmesi önemli ölçüde azaltılabilir ve malzeme kullanma korunma dengesi gözeterek stabilite arttırılabilir olduğu sonucuna varılmıştır.  Malzeme davranışı ve strüktürel davranışı ile bütünleşik tasarım sürecinin sayısal tasarım ortamındaki potensiyelleri ortaya koyulmuştur.

Abstract:
The purpose of this thesis is to develop integrated design approach to shell structure with natural material properties by utilizing material behaviour and computational design tools. The study focuses on the analysis and outcomes obtained from optimal form finding in Voronoi shell structure. A design process has been accomplished by incorporating the constraints of the forces acting upon the material and the parameters of the mechanical properties by taking into consideration in the early stages. In nature, while the matter is forming the structure, the environment that its surrounded comprises effects on it. The process is inspired by the formation of natural structures and abstractions from nature have been transferred to the digital design environment. In this respect, underlying motivation to translate natural systems, behaviour and processes into design principles, minimizing energy and material usage that promises more sustainable structures to generate a robust, efficient, lightweight, rigid shell structure also by considering constraints on early stages thereby saving time and cost. Also, locate the designer to be in a decision-making position from the beginning to the end of the design process.
The thesis contains 5 chapters. Within the scope of the thesis, the first part provides a general introduction to the subject and reveals the purpose, scope and method of the research.  Chapter 2 and Chapter 3 comprise the methods that used in the study to support the idea that argued and background of the investigation. A detailed literature review is explained in these two chapters. Chapter 4 presents a model generated by using all the mentioned information and methods and the evaluation of the findings obtained from the model during optimization and simulation process and outcomes. Finally, Chapter 5 presents general conclusion and potential for further studies.
More explicitly, Chapter 2 contains shell structure definition, as a sub-system hyper-curved shell definition and grid shell description. Presents the effects of shell and horizontal tessellation example. According to load distribution along its hyper-surface, shell embeds the optical effects and acoustic effects of the shell determined by the curvature of its surface. Explains how form generation is evolved related to physical and digital methods. It is emphasized that the physical form-finding methods are utilized to create surfaces that provide static equilibrium in the shell structure. Optimization types and methods are explained as a reflection of form-finding methods to the computational design process. The optimization method is mentioned which uses Evolutionary Algorithms that rely on the natural principles such as mutation, selection, recombination and population. The form-finding process is discussed through materials optimal geometry in structural design while considering the relation between form, material and structure. The notion of the lightweight term, forming an efficient structure by minimizing the use of material interpreted through shaping material, in the context of the shell structure. Shell is a special structure that its structural behaviour directly determined by the mechanical properties of the material. In this context, the mechanical properties are described that defines material behaviour in order to explore the limits and properties of the material.
Chapter 3 presents Biomimicry term as an emerging field to study design solutions to problems by looking at the nature to explore potentials similar to architectural design, structural design and engineering with contemporary examples. The investigation of natural strategies is conveyed in the context of structure-form-material. The concept of nature's sustainable way illustrated by minimizing the material usage and distribution of energy efficiently, in context of the shell structure. In the study, the mechanical behaviour of the bamboo culm is formulated to the structural behaviour of the shell. Material behaviour of the bamboo culm; elastic and shear modulus, specific weight, yield strength values are transferred to digital design tool as input parameters. Bamboo mechanical properties introduced as a biological role model provided by the form, which is shaped by forces acting on it, represents a behaviour and organism level of biomimicry. Fabricating grid shell structure with bamboo as a raw material is discussed through its joint system and how effects force distrubution. Bamboo fibre revealed as fibre for reinforcement to variety materials, allows sustainable and more economic structure by alternate the synthetic fibres while providing stiffness and lightness, reducing convensionel fibre composites usage. 
Chapter 4 represents the core of the thesis, contains a series of feasibility simulation analysis correspondingly the shells structural behaviour and material behaviour of bamboo. Simulation models fırst part examining the density of Voronoi geometries effect on structural efficiency and the second part is the effect of the geometry thickness.  The shell structure is analysed under specific load and support conditions and the parameters have changed according to feedbacks from material behaviour. Rhinoceros 3D design program and Grasshopper plug-in are used as a computational design tool and Karamba plug-in to test structural performances. Octopus plug-in is used to provide structural shape optimization that uses evolutionary algorithms method. In the model, the fitness functions are determined according to the structural efficiency of the material. The fitness functions are determined to minimize, mass and displacement to be able to demonstrate the effect of the mechanical properties of the material on the shell structure efficiency. The variables of this fitness functions the opening and thickness of the geometries. Therewithal, keeping material tension capacity minimum to fit the structure within an optimal distance to the safety requirements. The result of the multi-objective optimization is represented by comparing the model before optimization.
Chapter 5 concludes the thesis and contains concluding remarks and findings for further studies, illustrates the potential of the generated model for further understanding to develop. The research promises an alternative to the design of the shell with energy efficiently, lightweight, cellular formed, the almost waste-free structure with utilizing the natural materials properties. The results obtained from the optimization process that uses evolutionary algorithms, the stress, mass and displacement of the shell structure can be reduced considerably and stability can be improved by considering the material responsible usage. The potential of the integrated design process in the digital design environment with material behaviour and structural behaviour are revealed.
The mechanical properties of the natural materials used in the model to produce solutions for different purposes to provide an alternative to the shell structure. The shell structure form is generated by using the Voronoi diagram (Voronoi tessellations). This cellular form arrangement can be seen all around nature and its underlying idea is to minimize the distance between the points results in a bunch of lines which uses minimum energy. In this context, a model generated utilizing computational design methods and proposes more sustainable structures with minimum energy and material usage. The results obtained from the form-finding process with biomimicry approach on shell structure have the potential to contribute to a better understanding of the material behaviour effects on the structural efficiency. 
In summary, Voronoi shell structure that was generated in this research should be considered as an alternative to structure design and possible to set of different input parameters, load and support conditions to achieve structurally efficient systems. Evolutionary algorithms can provide a various solution to defined problems. Using nature's principle as an approach to structural design in order to achieve multi-functional solutions have potential to further studies to explore nature's wisdom. In this investigation, computational design tools are provide getting closer to the better understanding of nature's structural forming strategies and shows the potentials by material behaviour.
The mechanical properties of the natural materials used in the model to produce solutions for different purposes to provide an alternative to the shell structure. The shell structure form is generated by using the Voronoi diagram (Voronoi tessellations). This cellular form arrangement can be seen all around nature and its underlying idea is to minimize the distance between the points results a bunch of lines which uses minimum energy. In this context, a model generated utilizing computational design methods and proposes more sustainable structures with minimum energy and material usage. The results obtained from the form-finding process with biomimicry approach on shell structure have the potential to contribute to a better understanding of the material behaviour effects on the structural efficiency. 
In summary, Voronoi shell structure that was generated in this research should be considered as an alternative to structure design and possible to set of different input parameters, load and support conditions to achieve structurally efficient systems. Evolutionary algorithms can provide a various solution to defined problems. Using nature's principle as an approach to structural design in order to achieve multi-functional solutions have potential to further studies to explore nature's wisdom. In this investigation, computational design tools are provide getting closer to the better understanding of nature's structural forming strategies and shows the potentials by material behaviour.