Computational design and fabrication of material-efficient multi-morphological structures
Malzeme-verimli çoklu-morfolojik yapıların hesaplamalı tasarımı ve üretimi
- Tez No: 875230
- Danışmanlar: DOÇ. DR. SEVİL YAZICI
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Mimarlık, Architecture
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2024
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Bilişim Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Mimari Tasarımda Bilişim Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 117
Özet
Yapı endüstrisi operasyonları global kaynak tüketimi ve atık üretiminin büyük bölümünü oluşturmaktadır. Son yıllarda işlenen ve tüketilen hammadde miktarındaki hızlı artış, ciddi malzeme ve kaynak kıtlığı sorunlarını beraberinde getirmektedir. Bu nedenle, var olan tasarım ve üretim pratikleri üzerine düşünmek, malzeme tüketimini minimize edecek strüktürel tasarım stratejilerinin geliştirilmesine odaklanmak gerekmektedir. Bu noktada hafif yapılar (lightweight) yani az malzeme ile yüksek strüktürel performans sağlayan yapısal çözümlerin geliştirilmesi önem kazanmaktadır. Doğanın, hafif strüktürlerin tasarımında tam bir uzman olmasından ötürü, onun geliştirmiş olduğu çözümleri anlamak ve mevcut tasarım süreçlerine aktarmak anlamlı bir yaklaşımdır. Yüzlerce yıllık evrim ve formasyon süreçleri, doğada ki oluşumlara çeşitli malzeme kullanım ve strüktürel tasarım stratejileri, düşük enerji tüketimi ve kaynak kullanımı, yüksek dayanıklılık ve hafiflik gibi pek çok gereksinime yanıt verebilen optimum sonuçlar üretmesine olanak tanımıştır. Doğanın, bahsedilen bu gereksinimlere optimum çözümler geliştirebilmesinde ki temel etken, doğada formun ve strüktürün ona etki eden kuvvetler ile birlikte şekillenmesidir. Malzemenin dağılımı yani formun oluşumu, dış kuvvetlerin yoğunluğu ve yönelimi ile kontrol edilmektedir. Bu şekilde doğa, strüktürlerin oluşum sürecinde malzemeyi yalnızca gerekli yerlerde yoğunlaştırarak, insan yapımı form ve strüktürlerin aksine boşluklu ve hafif elemanlardan sağlam strüktürler üretebilmektedir. Ayrıca, temel yapısal elemanların geometrisinde gittiği farklılaşmalar ile malzeme dağılımını maksimum düzeyede kontrol ederek çevresel ve yapısal gereksinimlerini optimum şekilde karşılayabilmektedir. Bu bağlamda, tıpkı doğal sistemlerdeki gibi malzemeyi ve formu yerel koşullara göre organize etmek, strüktürel verimlilik açısından büyük potansiyel barındırdığı düşünülmektedir. Bu tez, doğadaki yapma biçimleri ve stratejilerinden öğrenerek yapı endüstrisinde malzemenin daha efektif biçimde kullanılmasını sağlayacak hafif yapısal çözümlerin üretimine odaklanmaktadır. Doğanın mikro-ölçekte geliştirmiş olduğu tasarım stratejilerini ve elemanlarını, hesaplamalı tasarım ve eklemeli imalat yöntemleri ile bir araya getirerek bütünleşik bir tasarım ve üretim yaklaşımı önermektedir. Temel yaklaşım, yüke duyarlı heterojen strüktürler üreterek malzemenin gerekli olduğu yeterde yeterince kullanılması üzerinedir. İnsan kemiği ve kelebek kanadı gibi biyolojik sistemlerin, malzemeyi farklı morfolojiler ve yüksek boşluklu yapısal elemanlar kullanarak kontrollü biçimde kullanması bu yaklaşımın ortaya çıkmasında kilit rol oynamaktadır. Çoğunlukla tek tip morfoloji kullanılarak homojen biçimde tasarlanan ve üretilen strüktürel sistemlerin, bu tarz bir yaklaşım kullanarak bölgesel/yerel mekanik ihtiyaçlara yanıt verebilen heterojen sistemlere evrilmesi neticesindeki malzeme tüketim senaryoları incelenmektedir. Ancak, bu tarz üretimlerin geleneksel yapım teknikleri ile elde eldimesinin zor olduğu öngürülerek, eklemeli imalat gibi nispeten yeni fabrikasyon teknikleri ile üretimine dair alternatif senaryolar da değerlendirilmektedir. Tez, doğadaki strüktürel çözümlerden öğrenmek ve edinilen bilgileri strüktürel tasarım pratiklerine aktarma gayesinden ötürü, ilk olarak doğanın oluşum/yapım süreçlerini analiz etmeye ve ortaya koymaya odaklanmaktadır. Doğada form-malzeme ve strüktürün birbirinden ayrılmaz bir bütün olması nedeniyle, malzemenin dolayısıyla formum oluşumu ölçekler arası ilişkiler ele alınarak incelenmektedir. Ardından malzeme yani strüktürü organize etmek için kullanılan temel prensipler ve elemanlar örnekler dahilinde ele alınmaktadır. Çok fonksiyonellik, strüktürel hiyerarşi, anizotropi ve strüktürel heterojenlik gibi doğanın dört temel tasarım ilkeleri açıklanmakta, strüktürel heterojenlik ilkesi üzerinde detaylı olarak durulmaktadır. Ayrıca farklı amaçlar ve kullanım durumları için geliştirilen sekiz temel strüktürel tasarım elemanı ele alınmakta, hücresel katılar olarak bilinen özel bir tür detaylı olarak incelenmektedir. Doğal sistemlerde gözlemlenen yapısal heterojenlik prensibi ve hücresel katı gibi boşluklu ancak sağlam geometriler, yenilikçi strüktürlerin tasarımına dair potansiyeller barındırdığı düşünülmektedir. Bu kapsamda tezin ikinci bölümü, hafif strüktürlerin mevcut tasarım ve üretim yöntemleri ile genel bilgileri aktarmaktadır. Son zamanlarda karmaşık geometri ve üretim aşamaları gerektiren hafif strüktürlerin üretiminde sıklıkla başvurulan eklemeli imalat teknikleri üzerinde durulmakta ve uygulama örnekleri aktarılmaktadır. Tezin üçüncü bölümünde farklı form ve davranış karakterine sahip strüktürlere de uyarlanabilecek malzeme-etkin tasarım ve üretime yönelik önerilen yöntem açıklanmaktadır. Bu yöntem, farklı tipolojideki hücresel elemanlarını yüke duyarlı olarak yapı dağıtma ve organize etme prensibine dayanmaktadır. Yöntem kapsamında, hesaplamalı tasarım ve modelleme, strüktürel performans analizi ve dijital fabrikasyon süreçlerine dair izlenen adımlar ve geliştirilen algoritmalar detaylı biçimde açıklanmaktadır. Dördüncü bölümde kabuk strüktürler özelinde detaylandırılan yöntem aşamalarının, uygulama sonuçları ve bulguları ortaya konmaktadır. Tek eğrilikli ve çift eğrilikli geometriler olmak üzeri üç farklı form ve strüktürel karakterdeki kabuk yapıları üzerinde yöntem adımları uygulanmış ve strüktürel simülasyon araçları ile yapılan analiz sonuçları grafik ve tablolar üzerinden kıyaslamalı biçimde okunmuştur. Önerilen heterojen tasarım ve üretim tekniğinin homojen üretim yöntemlerine kıyasla avantaj ve dezavantajları aynı formdaki kabuk yapıların simülasyon sonuçları üzerinden aktarılmıştır. Geliştirilen yönteme dair sonuçların üretilebilirliği göstermek üzere masaüstü tipi üç boyutlu yazıcı kullanarak 1/2 ölçekli detay ve 1/10 ölçekli genel model prototipleri üretilmiştir. Son olarak sonuç bölümünde, dijital ortamda gerçekleştirilen modelleme ve analiz süreçlerinin çıktıları ve fiziksel ortamda üretilen prototipler genel olarak değerlendirilmektedir. Çalışma sürecinde karşılaşılan kısıtlamalar ve üretilebilecek alternatif çözümlere değinilmiştir. Tezin mevcut tasarım ve üretim pratiklerine sağlayacağı katkılar, çalışmanın farklı tür malzeme ve teknikler ile kombinlemesi oluşabilecek alternatif kurgular ele alınmıştır. Sonuç olarak bu tez, doğanın ilke ve unsurlarına dayalı, malzeme kullanımı açısından verimli ve performans odaklı strüktürler tasarlamaya yönelik yeni bir yaklaşım sunmaktadır. Çalışmanın bulguları, inşaat sektörünün yarattığı kaynak kıtlığı ve aşırı malzeme kullanımı gibi küresel problemleri çözebilecek alternatif yöntemlerin geliştirilebilirliğini yürütülen vaka çalışmaları ve fiziksel prototipler ile kanıtlamaktadır. Eklemeli imalat yöntemlerinin hafif verimli strüktürlerin üretim süreçlerine entegrasyonu ile, üretimde otomasyon, yüksek hassasiyette karmaşık form ve strüktürlerin üretimi ve en önemlisi malzemeyi gerektiği yere yeterli miktarda ekleyerek tüketimin ve atığın azaltılması mümkün kılınmaktadır.
Özet (Çeviri)
Construction operations account for the majority of global resource consumption and waste generation. The rapid increase in the amount of raw materials processed and consumed in recent years has led to serious material and resource scarcity issues. Therefore, it is necessary to rethink existing design and fabrication practices and focus on the development of structural design strategies that minimize material consumption. At this point, the development of lightweight structures, that is, structural solutions that provide high structural performance with less material, gains more importance. Since nature is an expert in the design of lightweight structures, it makes sense to understand the solutions developed by nature and transfer them to current design processes. It has developed a variety of material utilization and structural design strategies over hundreds of years of evolution and formation processes, allowing it to produce optimum results that respond to many parameters such as low energy consumption and resource utilization, high durability, and lightness. The main factor in nature's ability to develop optimum solutions to these needs is that the form and structure of nature are shaped by the forces that affect them. The distribution of the material, that is, the formation of the form, is controlled by the intensity and orientation of external forces. In this way, nature can produce strong structures from hollow and light elements, unlike man-made forms and structures, by concentrating the material only in the necessary places during the formation process of the structures. In addition, it can meet environmental and structural requirements optimally by controlling the material distribution at the maximum level through the variations in the geometry of the basic structural elements. In this context, organizing the material and form according to local conditions, just like in natural systems, is thought to have great potential in terms of structural efficiency. This thesis focuses on learning from natural systems for material-efficient construction and transferring these techniques to structural design and construction by utilizing computational design and digital fabrication methods. It proposes an integrated design and manufacturing approach by combining nature's micro-scale design strategies and elements with computational design and digital fabrication methods. The basic approach is to produce load-responsive heterogeneous structures and to utilize the material as much as necessary. Biological systems such as human bones and butterfly wings are key to the emergence of this approach as they utilize materials in a controlled manner using different morphologies and high-void structural elements. The material consumption scenarios of structural systems, which are mostly designed and manufactured homogeneously using a uniform morphology, are examined as a result of the evolution of heterogeneous systems that can respond to regional/local mechanical needs using such an approach. However, it is anticipated that such productions are difficult to achieve with traditional construction techniques, and alternative scenarios for their production with relatively new fabrication techniques, such as additive manufacturing, are also evaluated. The thesis first attempts to analyze and uncover the processes involved in the formation and construction of nature, draw insights from structural solutions, and transfer the acquired knowledge to structural design practices. Since form-material and structure are inseparable from each other in nature, the formation of the material and, thus, the form is analyzed by considering the relationships between scales. Then, the basic principles and elements used to organize the material, i.e., the structure, are discussed with examples. The four basic design principles of nature, such as multifunctionality, structural hierarchy, anisotropy, and structural heterogeneity, are explained, and the principle of structural heterogeneity is elaborated in detail. In addition, eight basic structural design elements developed for different purposes and use cases are discussed, and a special type known as cellular solids is examined in detail. The principle of structural heterogeneity observed in natural systems and cellular solid geometries, such as lattices, is considered to hold potential for the design of innovative structures. In this context, the second part of the thesis provides an overview of the current design and fabrication methods for lightweight structures. Recently, additive manufacturing techniques, frequently used in producing lightweight structures that require complex geometry and manufacturing stages, have been emphasized, and application examples have been presented. The third part of the thesis describes the proposed methodology for material-efficient design and fabrication that can be adapted to structures with different forms and behavioral characteristics. This methodology is based on distributing and organizing cellular elements of different typologies in a load-sensitive manner. Within the scope of the methodology, the steps followed and algorithms developed for computational design and modeling, structural performance analysis, and digital fabrication processes are explained in detail. In the fourth section, the results and findings of the methodology detailing the shell structures are presented. The methodology steps are applied to shell structures of three different forms and structural characteristics, including single curvature and double curvature geometries, and the results of the analysis made with structural simulation tools are read comparatively through graphs and tables. The advantages and disadvantages of the proposed heterogeneous design and manufacturing technique compared to homogeneous manufacturing methods are presented through the simulation results of the shell structures in the same form. Scaled prototypes were produced using a desktop three-dimensional (3D) printer to demonstrate the manufacturability of the results of the developed methodology. Finally, in the conclusion section, the outputs of the modeling and analysis processes carried out in the digital environment and the prototypes produced in the physical environment are evaluated in general. The limitations encountered during the study process and alternative solutions that can be produced are mentioned. The contributions of the thesis to the existing design and production practices and the alternative fictions that can be created by combining the work with different types of materials and techniques are discussed. As a result, this thesis offers a new approach to designing efficient and performance-oriented structures in terms of material use, based on the principles and elements of nature. The findings of the study prove the feasibility of developing alternative methods that can solve global problems such as resource scarcity and excessive material use created by the construction industry, with case studies and physical prototypes. With the integration of additive manufacturing methods into the fabrication processes of lightweight structures, it is possible to reduce consumption and waste through automation in fabrication, the fabrication of complex forms and structures with high precision, and most importantly, by adding the material in sufficient quantities where needed.
Benzer Tezler
- Kısmi yüklü dalgakılavuzları ile mikrodalga cihazı tasarımının ters saçılma ve optimizasyon problemi olarak incelenmesi
Analysis of partially filled waveguides for the synthesis of microwave devices as an inverse and optimization problem
AHMET AYDOĞAN
Doktora
Türkçe
2017
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. FUNDA AKLEMAN YAPAR
- Architectural form exploration by soft computing: The case of post-disaster shelter
Esnek hesaplama aracılığıyla mimari biçim arayışları: Afet sonrası barınak örneği
FÜSUN CEMRE KARAOĞLAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2018
Mimarlıkİstanbul Teknik ÜniversitesiBilişim Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ SEMA ALAÇAM
- 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
ESRA DEMİREL
Yüksek Lisans
Türkçe
2018
Mimarlıkİstanbul Teknik ÜniversitesiBilişim Ana Bilim Dalı
PROF. DR. LEMAN FİGEN GÜL
- Hesaplamalı akışkanlar dinamiği yöntemi ile reküperatör tasarımı ve ısıl analizi
Designing recuperator and its thermal analysis with the method of computational fluid dynamics
ONUR ÖZCAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2016
Enerjiİstanbul Teknik ÜniversitesiEnerji Bilim ve Teknoloji Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ÜNER ÇOLAK
- Yaparak öğrenme ve dijital fabrikasyonun kesişimi: Kendi aracını tasarlamak
The intersection of learning by doing and digital fabrication: Designing your own tool
EKİN ÜNLÜ
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
Mimarlıkİstanbul Teknik ÜniversitesiMimarlık Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. SEMA ALAÇAM