Computing and knitting: experiments on tailoring concrete and knitted textile for shell structures

Bu tezde, karmaşık biçimlerdeki beton kabuk strüktürlerin üretilebilirliği üzerine, malzeme özelliklerinden ve hesaplamalı tasarım araçlarından yararlanarak geliştirilen bütünleşik bir tasarım ve üretim yaklaşımı önerilmektedir. Araştırmada, beton ve örülmüş tekstilin kompozit kullanımı sırasında elde edilen bulgular ve çıktılar üzerine odaklanılmıştır. Başlangıçta esnek ve kolay biçimlenebilen bir malzemeden, ayrıca bir kalıba gerek duyulmadan, rijit bir strüktürel davranış gösteren hafif beton kabuk oluşturmanın potansiyelleri ele alınmıştır. Bu kapsamda, beton kabuk strüktür uygulamalarında kalıp ihtiyacı egale edilerek, üretim maliyetinin, üretim süresinin ve yoğun emek gerektiren işçiliğin minimize edilmesi ile malzeme kaynaklarının sorumlu bir şekilde kullanılması ve üretim kaynaklı atık miktarının sıfırlanması hedeflenmiştir. Tez genel olarak iki ana kısım ve beş bölümden oluşmuştur. İkinci ve üçüncü bölümleri kapsayan ilk kısım, çalışmanın gerçekleşmesini tetikleyen problemleri, araştırma bağlamını ve bu kapsamda kurgulanan metodolojiyi aktarmaktadır. Dördüncü ve beşinci bölümleri kapsayan ikinci kısımda ise, beton ve örülmüş tekstilin bir arada kullanımı ile ilgili dijital ve fiziksel ortamlarda gerçekleştirilen deneyler aktarılırken, süreç içerisinde karşılaşılan zorluklar, kısıtlamalar ve bunlara bağlı olarak ileride yapılacak çalışmalar için geliştirilen öneriler üzerinden bir tartışma başlatılarak çalışma sonlandırılmıştır. İkinci bölümde, betonarme ince kabuk strüktür örnekleri ve tekstilin bu örneklerdeki değişen rolü, form çalışmaları ve inşa edilebilirlik kısıtlamaları kapsamında, tarihsel akış içinde kısaca özetlenmiştir. Betonarme kabuk strüktürlere olan ilginin, giderek karmaşıklaşan biçimlerin inşa edilebilirlik problemleri ve rijit kalıp kullanımına paralel olarak azalma durumuna, günümüz dijital tasarım ve üretim araçlarıyla getirilen yeni bakış açıları irdelenmiştir. Söz konusu irdeleme, erken dönem örneklerinden günümüze kadar olan süre içerisinde eşik niteliği taşıyan gelişmeler vurgulanarak gerçekleştirilmiştir. Geleneksel kalıp yöntemlerinin getirdiği kısıtlamaları dert edinen çalışmalar araştırılmış, betonun dijital üretim araçlarıyla bütünleşik çalıştığı alternatif kalıp sistemlerine değinilerek, tekstilin kalıp olarak kullanıldığı örnekler üzerinde durulmuştur. Fiziksel model ile çalışmanın, uygulanan ilk betonarme kabuk strüktür örneklerden itibaren hem form arayışları hem de uygulanabilirliğin test edilebilmesi adına, kabuk strüktürler için taşıdığı önemden bahsedilmiştir. Ele alınan güncel örneklerde de uygulanan kapsamlı dijital simülasyonlara rağmen, fiziksel prototip üretimine duyulan ihtiyaç sebepleriyle birlikte vurgulanmıştır. Bölüm, karmaşık biçimlerin inşa edilebilirliğine ve form arayışlarına cevap olarak, tekstilin hem kalıp hem de donatı olarak kullanıldığı güncel örnekler ile tezde üretilen yaklaşımın var olan çalışmalardan farklılıklarına dikkat çekerek sonlandırılmıştır. Üçüncü bölümde malzeme, strüktür ve form arasındaki ilişki, kabuk strüktürler bağlamında ele alınıp detaylandırılmıştır. Monokok sistem olarak kabul edilen betonarme ince kabuklarda, strüktürel davranışın doğrudan form ve malzeme tarafından belirlenme durumu vurgulanmıştır. Açılan tartışmayı beslemek adına, hesaplamalı tasarım yöntemlerinin, tasarım ve üretim süreçlerinin entegre bir şekilde ilerlemesini sağladığı güncel kabuk strüktür örneklerine değinilmiştir. Daha sonra bir strüktürün hafif olma durumu malzeme üzerinden yorumlanmış ve önerilen yaklaşımda betonun bir kaplama gibi çalışmasından yola çıkılarak, olası çatlakların minimize edilmesi için malzemenin mikrostrüktürü ile bağlantı kurulmuştur. Paralel olarak, sistemin strüktürel davranışının iyileştirilmesinde malzemenin mekanik davranışının ve mikrostrüktürel yapısının etkileri üzerinde durulmuştur. Bu bağlamda sırasıyla malzemenin makro ve mikro strüktürü, elastisite ve plastisite özellikleri, gevrek olma durumu, çatlama ve kırılma davranışları ele alınmıştır. Uygulanacak deneyler için, hesaplamalı tasarım araçlarından yer alanılarak, kabuk ölçeğinden malzeme ölçeğine ve malzeme ölçeğinden kabuk ölçeğine geçişler ile desteklenen metodolojik bir çerçeve oluşturulmuştur. Dördüncü bölümde, örülmüş tekstil ve betonun birlikte tek bir kompozit malzeme olarak yapılandırılarak kullanımı üzerine yapılan bir dizi deneysel çalışma aktarılmıştır. Betonarme ince kabuk strüktürlerde uygulanabilir form alternatiflerinin elde edilebilmesi adına yapılan deneyler esnasında, fiziksel modellerden malzeme ile ilgili, dijital modellerden ise strüktürel davranış ile ilgili eş zamanlı geri bildirimler alınmış ve bu bildirimlerin birbirleriyle entegrasyonu sağlanmaya çalışılmıştır. Yapılan malzeme deneyleri hem mikro hem makro ölçekte ele alınmıştır. Bu sayede oluşturulan kompozit malzemenin potansiyellerinin ve kısıtlamalarının deneyimlenerek daha iyi tanınması hedeflenirken aynı zamanda malzemenin maksimum mekanik davranışı göstereceği, optimum çimento karışımının belirlenmesi için de bir veri havuzu oluşturulmuştur. Örgüyü oluşturan ipliklerin tüm liflerinin hazırlanan beton karışımı ile etkileşime girmesi sağlanmış ve bu şekilde kompoziti oluşturan malzemelerin birbirine en optimum şekilde tutunması ile çatlakların ilerleyerek kırılmaya sebep olması engellenmiştir. Dijital ortamda, forma yapılan müdahalelere eş zamanlı olarak strüktürel geri dönüş alınabilecek şekilde, Grasshopper ortamında parametrik bir model kurgulanmıştır. Örülmüş tübüler bir formun belirlenen ilmek noktalarından gerilerek çekilmesi, sabitlenmesine ve bu sırada gerilme etkisiyle formda meydana gelen değişiminin fiziksel olarak simüle edilmesi Kangaroo eklentisi ile sağlanmıştır. Örgünün sıklığına bağlı olarak, üzerine tutunan betonun farklı davranışlar göstermesi yapılan ilk malzeme deneyleri kapsamında fark edilmiş, bu durum strüktürel analizlerin iki farklı şekilde ilerlemesine sebep olmuştur. Bu doğrultuda ilk olarak, örgünün sıklaştığı bölgelerde betonun yüzey oluşturma eğilimi, formun bütüncül bir yüzey olarak kabul edilmesi ile strüktürel olarak analiz edilmiş, daha sonra örgünün seyrekleştiği bölgelerde betonun ip etrafında gösterdiği kaplama davranışı, örgüyü oluşturan her bir ipin ayrı birer taşıyıcı eleman olarak kabul edilmesi ile ayrıca analiz edilmiştir. Örülmüş tübüler bir formun üst ve alt kesitlerinden karkasa sabitlenmesi ve belirlenen noktalardan aşama aşama karkas üzerindeki noktalara çekilerek deforme edilmesi, alınan strüktürel geri dönüşlerle paralel olarak gerçekleştirilmiştir. Fiziksel modelin üretiminde kullanılacak örgü makinasının kısıtları ve malzemenin özelliklerinin de sürece birer girdi olarak dahil edilmesi sağlanmıştır. Genel olarak yapılan mikro ölçekmalzeme deneyleri üzerinden strüktürel davranışın iyileştirilmesi hedeflenirken aynı zamanda oluşturulan parametrik model ile form arayışının da strüktürel geri dönüşlerle süreç içinde beslenmesi sağlanmıştır. Son olarak beşinci bölümde, fiziksel deneylerden ve dijital ortamda yapılan çalışmalardan elde edilen bulgular genel olarak değerlendirilerek, bu bulguların ileride yapılacak çalışmalar için olası gelişim senaryoları tartışılmıştır. Tüm süreç boyunca karşılaşılan kısıtlamalar da yine bu bölümde detaylı bir şekilde aktarılarak, bu kısıtlamalara getirilebilecek çözüm alternatifleri doğrultusunda çalışmanın olası gelişim senaryolarına değinilmiştir. Çalışmanın bütününden elde edilen verilerin, beton ince kabuk strüktürlerin form, malzeme ve strüktürel davranış bağlamında, karmaşık doğasına dair anlaşılabilirliğin gelişmesine katkıda bulunması öngörülmüştür. Özetle, geliştirilen yaklaşım, betonarme kabuk strüktürlerde kalıp kullanımını elimine ederek, üretim maliyetleri ile yapım sürelerini minimize etmeye imkan verirken, daha sürdürülebilir strüktürel üretim süreçleri vaat etmektedir. Bu çalışmada kullanılan yöntem, çeşitli malzemeler, araçlar ve örme teknikleri ile başka ölçekteki strüktür çalışmalarında kullanılmak üzere evrilebilir ve/veya üretilmiş olan prototipler daha büyük ölçekli bir kabuk sisteminin bileşenleri haline getirilebilir.