Bambu malzeme davranışına bir model olarak kabuk strüktür tasarım ve şekil optimizasyonu

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 yer değiştirmesi 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.