Geri Dön

Experiments for design and optimization of thin shell structures

İnce kabuk strüktürlerin tasarımı ve optimizasyonu üzerine deneyler

PDF İndir

  1. Tez No: 512436
  2. Yazar: ERENALP SALTIK
  3. Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ SEMA ALAÇAM
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Mimarlık, Architecture
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2018
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Bilişim Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Mimari Tasarımda Bilişim Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 81

Özet

Kabuk strüktürler estetik kaygılar ve büyük açıklıklıkları geçebilmeleri sebebiyle mimarlar ve mühendisler tarafından uzun yıllardır ilgi odağı olmuşlardır. Bu strüktürler için ideal formu bulma çalışmaları zincirleri asıp yerçekimi etkisiyle ideal kemer formunu bulmaya çalışan Robert Hooke'a kadar götürülebilir. Hooke'un çalışmalarını ve Katalan tonozlarını gören Gaudi, zincirlerle ideal form bulma deneylerini üç boyuta taşımıştır. Betonarmenin gelişmesiyle birlikte İspanyol mimar Felix Candela yeni ve devrimci kabuk denemeleri ortaya koyabilmiştir. Kabuklarda genelde hiperbolik paraboloid kullanan Candela, 4 cm'lik kalınlığa kadar düşebilmiştir. Candela'nın çalışmalarını da gören ve bundan da etkilenen İsviçreli Heinz Isler, form bulma deneylerini daha da ileriye taşımıştır. İdeal forma ulaşmak için plastikle kapladığı kumaşları destek noktalarından asarak yerçekimi kuvvetiyle şekillenmelerini sağlamıştır. Daha sonra bu formları ters çevirerek sadece basınç kuvvetiyle çalışan ve kendi ağırlığını taşıyan formlarla büyük açıklıklar geçmeyi başarmıştır. Alandaki bir diğer öncü ise Alman Frei Otto'dur. Otto da yerçekimi ile form bulma işlemini kablo ağlar kullanarak yapmıştır. Bazı deneylerinde minimal yüzeylere ulaşmak için sabun köpüklerini kullanmıştır. Asma germe sistemler ve ilerleyen yıllarda ahşap grid kabuklar üzerinde çalışmıştır. Havacılık ve araba üretim sektöründeki gelişmeler formların matematiksel olarak tanımlanmasını ve bunların bilgisayar ortamına aktarılmasını kolaylaştırmıştır. Bununla birlikte bilgisayar destekli form bulma yöntemleri de ilerlemiştir. Çalışma kapsamında bu metodlar da anlatılmıştır. Bu metodların çalışma kapsamında anlatılanları Force Density Method(FDM), Thrust Network Analysis (TNA), Dynamic Relaxation (DR) ve Particle-Spring Method (PS) olarak tanımlanmıştır. FDM daha çok Frei Otto ve ekibinin kullandığı, malzemeden bağımsız olan bir form bulma yöntemidir. Membran strüktürler için daha uygundur. TNA Block Research Group tarafından geliştirilen yığma ve beton kabuklar için daha uygun olan bir form bulma yöntemidir. Bu yöntem de malzemeden bağımsızdır ve geometrik bir yöntem olduğu için süreci görmeye ve müdahale etmeye olanak sağlar. DR ise daha çok ahşap gridshell strüktürlerin tasarımında kullanılan bir form bulma yöntemidir. Bu yöntemde bağlantı noktaları çok önem taşır ve başarılı olabilmesi için karmaşık hesapların yanında fiziksel modellemenin de yapılması gerekir. PS ise Hooke ve Gaudi'nin geliştirdiği asılmış zincir yönteminin bilgisayar ortamına aktarılmış halidir. Formu oluşturan elemanları noktalar ve yaylara bölerek bunlar arasında bir denge kurmayı amaçlar. Hızlı form alternatifleri üretmek için uygun bir yöntemdir. Gauss eğriliği yüzeylerin üretimi ve dayanıklılığını belirleyen önemli bir kriterdir. Yüzeylerin üzerindeki ana eğrilerin durumuna göre belirlenir. Eğer bu eğrilerin eğrilikleri aynı yönde ise pozitif, farklı yönde ise negatif Gauss eğriliği olur. Eğer eğrilerden birisi düz ise Gauss eğriliği 0 olur ve bu yüzeyler tek eğrilikli yüzeylerdir. Eğer bu eğrilik sıfırdan farklı ise çift eğrilikli yüzeylerdir. Eğer yüzeyler düz çizgilerle oluşturulabiliyorlarsa ruled yüzeyler olurlar. Tek eğrilikli yüzeylerin hepsi böyle yüzeylerdir. Çift eğrilikli yüzeylerden de hiperbolik paraboloid gibi yüzeyler bu tür yüzeylerdir ve üretim kolaylığı açısından mimarların her zaman ilgisini çekmiştir. Bir de özel üretim gerektiren NURBS eğrileriyle tanımlanan serbest formlu yüzeyler vardır ve bunların üretimi için özel bir optimizasyon gerekir. Çalışmanın deneyler kısmında ilk olarak kabuk strüktürün form üretimi üzerine denemeler yapılmıştır. 20x20 metrelik bir alanı kaplayan üç farklı kabuk tasarlanmıştır. Formların tasarımında TNA metodu ve RhinoVault eklentisi kullanılmıştır. Bu metodun önemi malzemeden bağımsız bir form bulma yöntemi olması ve süreci görsel olarak kontrol etmeye olanak sağlamasıdır. Rastgele bir yüzey oluşturup onu optimize etmeye çalışmak yerine bu metod kullanılarak tasarımın erken aşamalarında kabuk strüktür gerekliliklerine uygun bir form tasarlamak amaçlanmıştır. Öncelikle kabukları oluşturmayı sağlayacak iki boyutlu temel yüzeyler tasarlanmıştır. Bu yüzeyler farklı sayıda destek noktaları ve açıklıklar içermektedir. Bu yüzeylerin oluşturulma biçimleri hesaplama zamanlarını ve üç boyutta dengeye ulaşılmasını etkilemektedir. Bu yüzeylerden form diyagramları oluşturulmuştur. Form diyagramlarından da kuvvet diyagramları oluşturulmuştur. Bu metod geometrik bir form bulma yöntemi olduğu için iki diyagram birbirleriyle etkileşim halindedir. Kuvvet diyagramları oluşturulduğu zaman açıklıklar, destek noktaları ve çok yük binen kısımlar okunabilmektedir. Daha sonraki aşamalarda dengeye ulaşmayı kolaylaştırmak için kuvvet diyagramındaki sorunlu noktalar bulunup müdahale edilmelidir. Bu müdahaleler yapıldıktan sonra yatay denge bulunmaya çalışılır. Bu sırada kabuk formu iki boyutta oluşmaya başlar. Eğer dengeye ulaşılamıyorsa form veya kuvvet diyagramında rahatlatma yapılması gerekir, ve dengeye ulaşana kadar bu süreç tekrarlanır. Dengeye ulaşmak için eklenti yüke bağlı olan yer değiştirmeyi minimumda tutmaya çalışır. Eğer yatay dengeye ulaşıldıysa düşey dengeye de ulaşılabilir. Bu durumda üç boyutlu kabuk form şekillenmiş olur. Bu formun üzerinde malzemeden bağımsız olarak yüke bağlı yer değiştirme renklerle gösterilebilir. Bu renklendirme bize bir ön bilgi verebilir fakat daha detaylı strüktürel analiz için formlar Karamba eklentisine aktarılmıştır. Karamba bir Sonlu Elemanlar Analizi eklentisidir. Mühendislikte kullanılan daha detaylı programlar olmasına rağmen mimarların iş akışına ve bilgi düzeyine uygun bir eklentidir. Üretilen formlar bu eklentide strüktürel modele çevrilmiştir. Analizin yapılabilmesi için bazı kısıtlamalar belirlenmiştir. Öncelikle destek noktaları tanımlanmış ve bunların uzayda hareket edebileceği düzlemler seçilmiştir. Daha sonra kabuğa etkiyen yük olarak yerçekimi seçilmiştir. Kabuk strüktürlerde ana yük strüktürün kendi ağırlığı dolayısıyla yerçekimidir. Yapının kesiti 5 cm kalınlığında kabuk strüktür olarak seçilmiş, malzeme olarak C25/C30 beton kullanılmıştır. Analiz sonuçlarını doğru değerlendirebilmek adına standart renk skalası eklenmiştir. Sonuçlarda bir çok veri elde edilmesine rağmen bu çalışma kapsamında yüke bağlı deformasyona odaklanılmıştır. Bu deformasyon görselleştirilmiş ve yük dolayısıyla çok yer değiştiren bölgeler gözlemlenmiştir. Bu bölgeler çalışmanın bir sonraki aşamasına temel oluşturmuştur. Ayrıca kuvvet akış çizgileri gösterilerek kabuk strüktürün yükü ne şekilde destek noktalarına ilettiği de gözlemlenebilmiştir. Çalışmanın son kısmında strüktürün ağırlığını azaltmak için kabuk yüzeyinde eksiltmeler yapılmıştır. Bu eksiltmeler iki farklı biçimde uygulanmıştır. Birinci yöntemde boşluklu bir yüzey olan tafoni imajı temel yüzey üzerine oturtulmuştur. Karamba'da yapılan analizde az deformasyona uğrayan bölgeler seçilip tafoni imajındaki parlaklık değerlerine göre çapı belirlenen çemberler oluşturulmuştur. Daha sonra bu çemberler silindir haline getirilerek kabuk yüzeyinden çıkartılmıştır. İkinci yöntemde ise yine aynı süreç kullanılmış fakat bu sefer çok deformasyona uğrayan bölgeler temel alınarak o bölgelerde yoğunlaşan bir Voronoi strüktürü oluşturulmuşur. Böylece çok deformasyona uğrayan noktalarda daha yoğun, az deformasyona uğrayan noktalarda daha boşluklu bir yapı ortaya çıkmıştır. Bu iki kabuk da tekrar Karamba'da analiz edilmiş ve deformasyon değerlerinin çok fazla değişmediği görülmüştür. Fakat boşlukların kenarlarında stres yükü artmıştır. Ayrıca kuvvet akışı çizgilerinin de buna göre değiştiği gözlemlenmiştir. Bu çalışma kapsamında tasarımın erken aşamalarında strüktürel kriterleri göz önüne almanın tasarımın ileriki aşamalarında kolaylık sağladığı görülmüştür. Rastgele formlar oluşturup onları bir kabuk strüktür haline getirmeye çalışmak yerine bu tür bir süreç izlenmesinin tasarıma etkileri gözlemlenebilmiştir. Ayrıca kabuk tasarımı için bir süreç önerilerek bu süreç kullanılarak sonsuz sayıda varyasyon üretilebilmesinin mümkün olduğu gösterilmiştir.

Özet (Çeviri)

Shell structures have been a focus of interest for many years by architects and engineers because of aesthetic concerns and their ability to cover large spans. Finding the ideal form for shell structures can be traced back to Robert Hooke, who has examined the ideal arch form by gravity-impacting chains. Inspired by Hooke's work and Catalan vaults, Gaudi has carried out experiments on finding ideal forms with chains in three dimensions. With the development of the reinforced concrete, the Spanish architect Felix Candela was able to reveal new and revolutionary shell experiments. Candela, who usually used hyperbolic paraboloid in shells, has reached to a thickness of 4 cm. Heinz Isler, who also saw and was impressed by Candela's work, further advanced form finding experiments. In order to reach the ideal form, the fabric which is covered with plastic is hanged from the support points so that they can be shaped by the force of gravity. Later on, these forms are reversed and large openings passed through the forms, which only work with compression and carry their own weight. Another pioneer in the area is the Frei Otto. Otto has also done gravitational form finding experiments using cable networks. In some experiments he used soap bubbles to reach minimal surfaces. He has worked on suspension systems and wood grid shells in the following years. Developments in the aviation and car manufacturing sector have facilitated mathematical identification of the forms and their transfer to the computer environment. Computer-assisted form finding methods have progressed, parallel to this situation. These methods are also described in the scope of the study. These methods are described as Force Density Method (FDM), Thrust Network Analysis (TNA), Dynamic Relaxation (DR) and Particle-Spring Method (PS). FDM is a form-finding method that Frei Otto and his team use more widely. It is more suitable for membrane structures. TNA is a form finding method more suitable for masonry and concrete shells developed by Block Research Group. This method is also independent of the material and it allows to see and intervene the process because it is a geometric method. DR, on the other hand, is a form finding method used mostly in the design of wooden gridshell structures. In this method, connection points are very important and physical modeling as well as complex calculations must be done in order to be successful. PS is a computerized version of the chain method developed by Hooke and Gaudi. It aims to find an equilibrium between the elements by dividing them into nodes and springs. It is a convenient way to produce quick form alternatives. Gaussian curvature is an important criterion that determines the production and durability of surfaces. It is determined by the state of the main curves over the surfaces. If the curvatures of these curves are in the same direction they are positive, if in different direction they are negative. If one of the curves is flat, the Gaussian curvature is 0 and these surfaces are single curved surfaces. If this curvature is different from zero, it is a double curved surface. If surfaces can be formed with straight lines, they become ruled surfaces. All single curved surfaces are such surfaces. Surfaces such as hyperbolic paraboloid are also such surfaces from double curvature surfaces, and architects have always been interested in them, because the ease of production of these types of ruled surfaces. There are also free-form surfaces defined by NURBS curves that require special production, and special optimization is required for their production. Within the scope of the study, three shell structures were designed by different base surfaces, and after they were analyzed, openings were extracted on them and weights were reduced and form alternatives were formed. The resulting forms were analyzed again and the structures were stayed in the structural safe zone. Thus, a process for the formation of shell structures has been proposed.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    676639

    Denizaltı mukavim teknesi için bir yapısal tasarım yaklaşımı ve sonlu elemanlar metoduna dayalı yapısal optimizasyon

    A structural design approach for submarine pressure hull and finite element based structural optimization

    SERHAT ŞENOL

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2021

    Gemi Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Gemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. AHMET ERGİN

  2. Tez No

    736166

    Design and optimization of variable stiffness composite structures modeled using Bézier curves

    Bézier eğrileriyle modellenen değişken katılıklı kompozit yapıların tasarımı ve optimizasyonu

    ONUR COŞKUN

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2022

    Havacılık ve Uzay Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. HALİT SÜLEYMAN TÜRKMEN

  3. Tez No

    556186

    Yolcu vagonu için çarpışma enerjisi sönümleyici tasarımı

    Energy absorber design for passenger wagon

    SELEN SAĞSÖZ KARAKULAK

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2019

    Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Raylı Sistemler Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ATA MUGAN

  4. Tez No

    863671

    Taze meyve ve sebzelerin ambalajlanmasında kullanılmak üzere poliüretan ve poliolefin bazlı çok katmanlı ve kompozit film üretimi

    Produce multi-layered and composite films based on polyurethane and polyolefin for the packaging of fresh fruits and vegetables

    TİLBE BENZER

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    Gıda Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Gıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. GÜRBÜZ GÜNEŞ

  5. Tez No

    416611

    Semi-empirical modeling and optimization of metal sputtering processes

    Metal ile saçtırma süreçlerinin yarı ampirik modellenmesi ve optimizasyonu

    ÖZGE ÇİMEN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2015

    Kimya MühendisliğiOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. SERKAN KINCAL

Geri Dön