Computational design of reciprocal frame structures: Incorporating force variables into design process
Kuvvet değişkenlerinin tasarım sürecine katılması ile karşılıklı çerçeve strüktürlerinin hesaplamalı tasarımı
- Tez No: 884418
- 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
Form bulma yöntemleri temel olarak kuvvetler ve dengede olma hali gibi mimarların genellikle yakından ilişkili olmadıkları terimler ile oluşturulur. Tasarımcı üslubu ile değerlendirildiğinde ise form bulma tamamen yaratıcı bir eylem olmasa da kuvvetlerin oluşumundan daha fazlasını ifade eder. Bu nedenle, mimarların kuvvetleri yönetme şekli form bulma yöntemleri üzerine farklı tasarım bakış açılarını içerir. Ancak mimarlar parametrik tasarım araçlarını genellikle tasarımı oluşturma aşamasında kullanırlar, strüktürel davranış değerlendirmesini ise daha sonra ayrı bir adım olarak gerçekleştirirler. Fizik tabanlı araçlar strüktürel davranışı tasarım sürecine dâhil etmeye imkân tanısa da tasarımcının tanımlı tasarım alanının dışında kalan çıktıları keşfettiği geniş geometri uzamına sahip değildir. Bu tez, formu hesaplamalı tasarım ve yapma aracılığıyla araştırırken strüktürel verimliliği ön plana getiren kapsamlı bir iş akışı oluşturmaktadır. Araştırma geometri, strüktür ve malzemenin birleşiminde olan Karşılıklı Çerçeve (KÇ) strüktür formlarını bulmaya odaklanmaktadır. KÇ strüktürler, geometrik konfigürasyonlarının ve strüktürel davranışlarının birbirine doğal olarak bağlı olması nedeniyle seçilmiştir. Malzemenin ve genel formun strüktürel davranışı belirlediği diğer mekânsal strüktürlerin aksine KÇ strüktürlerinin davranışları daha çok geometrik konfigürasyona dayanır. Tasarım parametrelerindeki herhangi bir değişim tüm geometrik konfigürasyonu bunun sonucunda da strüktürel davranışı etkiler. Form, tasarımı oluşturan geometri, strüktür ve malzeme değişkenlerinin uzlaşımında ortaya çıkar. Bu nedenle formun önceden belirlendiği yukarıdan aşağı (top-down) tasarım yaklaşımları etraflıca çalışılmıştır. Yakın zamanda yapılan çalışmalar, KÇ strüktürlerin yapısal davranışını geliştirmek üzerinedir ancak onlar da bu işlemi form bulma sürecinden sonra ayrı bir adım olarak gerçekleştirirler. Strüktürel olarak karşılıklı olmanın strüktürel davranışı eş zamanlı olarak geliştirdiği aşağıdan yukarı (bottom-up) çalışmalar oldukça sınırlıdır. Bu nedenle araştırma sorusu şu şekilde sorulmuştur: Bağımlı tasarım değişkenlerinin strüktürel davranışı etkilediği KÇ strüktürleri nasıl tasarlayabiliriz? KÇ strüktür elemanlarının birbirini desteklemesi strüktüre kendiliğinden dengede olma hali kazandırır. Elemanların uç noktalarında birleşen diğer strüktürlerden farklı olarak, bu strüktürler ikili olarak birbirleriyle elemanların gövdesi üzerinden birleşirler. Birleşme noktaları strüktürün temel geometrik nicelikleri olan bağlantı uzunluklarının (engagement length), bağlantı pencerelerinin (engagement windows) ve iki eleman aksının arasındaki en yakın uzaklığı temsil eden eksantrikliğin (eccentricity) oluşmasını sağlar. Buna ek olarak, bağlantı pencereleri aynı zamanda en basit KÇ strüktür çözümlemesi de olarak kabul edilen“fan”terimi ile ifade edilir. En az elemanla oluşturulabilecek fan tipi üçgen fanlardır. Eleman sayısına göre fanlar dörtgen, altıgen gibi diğer çokgen tiplerinden oluşturulabilir. KÇ strüktürlerinin ikili birleşme noktaları basit mafsal tasarımlarıyla çözülebilir. Ayrıca, basit eklem tasarımları strüktürün hızlı ve kolay bir araya gelmesini, sökülmesini sağlar. Strüktürün hızlı ve kolay bir araya gelmesi yapım aşamasında karbon salınımını düşürürken kolay sökülmesi de malzemenin tekrar kullanılmasını mümkün kılar. Ancak, mafsalların basitliği strüktürün karmaşık geometrisi ile ters düşer. Karmaşık geometri, elemanların iç etkileşimlerinin eş zamanlı olması nedeniyle strüktür formunun buna bağlı olarak da geometrinin önceden belirlenememesinden kaynaklanır. Karmaşık geometriye ek olarak, KÇ strüktürler strüktür dayanıklılığı için dezavantaj olarak kabul edilen bükme kuvveti ile çalışır. Bu nedenle bu tez strüktürel önceliği olan karşılıklı çerçeve strüktürleri hesaplamalı geometri, yapma ve tasarım aracılığıyla oluşturmayı hedeflemektedir. Araştırmanın metodolojisi üç temel süreçten oluşmaktadır. Bunlar sırasıyla (1) geometrik analiz, (2) fiziksel deneyler, (3) dijital form-bulma süreçleridir. Araştırmanın iş akışı bu üç temel sürecin sağladığı veri akışına dayanmaktadır. Geometrik analiz Rhino-Grasshopper modelleme ortamında bir algoritma geliştirilerek yapılmıştır. Geliştirilen algoritma karşılıklı çerçeve strüktürlerin geometrik verimliliğini aynı yüzeyi en az elemanla oluşturma anlamında değerlendirmektedir. Bu analizin sonucu eşkenar dörtgenlerin aynı NURBS (non-uniform rational B-spline) yüzeyden karşılıklı çerçeve strüktürü oluşturmak için daha az lineer elemana ihtiyaç duyduğunu göstermiştir. Bu nedenle, eşkenar dörtgen geometrisi fiziksel deneylerde daha kapsamlı araştırılmıştır. Mafsallar, Rhino geometrik modelleme ortamında, aralarında 60 derece olan iki silindir birbiriyle orta noktalarından birleşecek şekilde tasarlanmıştır. Tasarlanan mafsallar daha sonra 3 boyutlu (3B) yazıcı ile üretilerek fiziksel sürece dâhil edilmiştir. Mafsallar ve 5 mm çapa sahip olan dairesel kesitteki 50 cm'lik lineer ahşap elemanlar altıgen bir birim oluşturacak şekilde birleştirilmiştir. Bu altıgen birim karşılıklı çerçevelerin düğüm noktalarını temsil eden eşkenar üçgen fanlardan oluşmaktadır. Fiziksel deney süreçlerinde gerçekleştirilen hesaplamalı yapma eylemi strüktürel sertliği arttırılmış hacimsel çerçeve birimlerinin keşfedilmesini sağlamıştır. Hacimsel çerçeve birimler ile farklı strüktür konfigürasyonları denenmiştir. Bu deneyler sonucunda keşfedilen hacimsel çerçeve birim sayısal form bulma süreçleri için girdi oluşturmuştur. Sayısal form-bulma süreçleri, bir tür strüktürel form bulma yöntemi olan 3 Boyutlu Grafik Statik (3BGS) ile gerçekleştirilmiştir. Bu yöntem basınç ve gerilme altında çalışan en uygun formların bulunmasında kullanılır. 3BGS yöntemi diğer strüktürel form bulma araçlarından sezgisel olma özelliğiyle farklılaşır. Sezgisel olma özelliği, kuvvetleri görsel olarak çokyüzlü geometrik formlar ile temsil ederek, tasarımcının bu bilgiyle tasarlamasına olanak vermesinden kaynaklanır. Grafik statik yöntemi tasarımcıya birbiriyle ilişkili olan form ve kuvvet diyagramlarını tasarlatmayı sağlar. Bir diyagramdaki herhangi bir değişiklik eş zamanlı olarak diğer diyagramı etkiler. Bu nedenle bu ilişkili form ve kuvvet diyagramlarına“ikili diyagramlar”denilmektedir. İkili diyagramlar üç boyutlu çokyüzlüler için şu geometrik prensip ile çalışır: her çokyüzlü için yüzeylerin köşelere, köşelerin yüzeylere denk geldiği diğer bir çokyüzlü vardır. Yüzeye dik olan normal vektörleri ikili çokyüzlüdeki köşelerin yerlerini belirler. Yüzeylerin ve köşelerin arasındaki bu yer ilişkisi“karşılıklı olma”(reciprocity) terimi ile de ifade edilir. Bu duruma örnek vermek gerekirse küp sekizyüzlünün ikili formudur. Kübün sekiz köşesi sekizgenin sekiz yüzeyini oluştururken altı yüzü de sekizgenin altı köşesine denk gelmektedir. Fiziksel deneylerde keşfedilen hacimsel çerçeve birim geometrisi soyutlanarak çok yüzlü olan eşkenar dörtgensel on iki yüzlüye dönüştürülmüştür. 3BGS yönteminden yararlanmak için açık kaynaklı bir algoritmik tasarım eklentisi kullanılmıştır. Eşkenar dörtgensel on iki yüzlünün üç yüzü, hacimsel çerçeve birimin üç yüzüne eş olduğu için kuvvet diyagram bu yüzlere göre oluşturulmuştur. Bu bağlamda, eşkenar dörtgenlerin normal vektörleri belirlenmiş ve vektörlerin başlangıç ve bitiş noktaları birbirleriyle birleştirilerek alt ve üstte üçgen formlar oluşturulmuştur. Bu üçgen formlar, tasarlanacak çokyüzlünün alt ve üst yüzünü, vektör şiddeti de kenar uzunluklarını belirlemiştir. Ortaya çıkan kuvvet diyagramı üçgen prizmadır. 3BGS, kuvvet diyagramını temsil eden çokyüzlülerin bir araya gelmesi veya çokyüzlülerin kendi içinde alt bölümlere bölünmesiyle yeni dengede olan form diyagramları üretir. Bu nedenle oluşturulan üçgen prizma en az bir yüz diğerine komşu olacak şekilde döndürülüp ötelenerek bir araya getirilmiştir. Kümeleme işlemi tasarımcının değerlendirme ölçütlerine uyan sonuç ortaya çıkıncaya kadar devam etmiştir. Değerlendirme ölçütleri ortaya çıkan formun hacimsel özellik taşıması ve yine karşılıklı çerçeveye dönüştürülebilecek birleşim noktalarına sahip olmasını içermektedir. Ayrıca yine bu aşamada ikili diyagramların çalışma prensibi olan birbirine dik olma hali yinelemeli çözümleyici (iterative solver) kullanılarak sağlanmıştır. Ortaya çıkan form diyagramı basınç altında dengede kalabilmektedir. Bu form diğer adımda KÇ strüktürüne dönüştürülmüştür. KÇ strüktürüne dönüştürme işlemi bir dizi analitik geometri hesaplamalarıyla gerçekleştirilmiştir. Son olarak, elde edilen KÇ strüktür biriminin strüktürel davranışı incelenmiştir. Strüktür formunun basınç altında da çalışabildiği görülmüştür. Bu tez, hesaplamalı tasarım alanına tasarım sürecine kuvvet değişkenini de ekleyerek oluşturulmuş kapsamlı bir tasarım süreci geliştirerek katkıda bulunmuştur. Kuvvet değişkenini tasarım sürecine dâhil etmek mimarlar için yaygın bir eylem değildir. Bu araştırma göstermiştir ki geometri, strüktür ve malzemenin birlikte düşünüldüğü kapsamlı bir iş akışı strüktürel verimliliğin öne çıkarıldığı formlar keşfedilmesini sağlamaktadır. Sonuç olarak, mekanik terimlerle eşleştirilen strüktür önceliği yaratıcı süreç olarak adlandırdığımız tasarım sürecine katılarak hem verimli hem estetik formların ortaya çıkmasını sağlayabilir.
Özet (Çeviri)
Form-finding methods are mainly driven by forces and the state of equilibrium, terms architects do not typically engage with. Although form-finding is not a sheer creative act, it can be conceived of as more than just composing forces in a designerly way of speaking. Therefore, the way architects attempt to steer forces can encapsulate different design perspectives on form-finding methods. Architects usually use parametric design tools during the design exploration, afterward they evaluate the structural behaviour of their designs as a separate step. Even though physics-based engines allow for considering structural behaviour during the design process, they lack extended geometric space in which designers explore unexpected results that fall outside the defined design space. This thesis develops a comprehensive workflow that investigates a form through computational design and making processes while bringing structural efficiency forward. The research focuses on finding a reciprocal frame (RF) structure form at the convergence of geometry, structure, and material. RF structure is studied due to the intrinsic dependency between its geometric configuration and structural behaviour. RF structure behaviour mostly relies on its geometric configuration, unlike other spatial structures for which the material and overall form determine the structural behaviour. Any change in the design variables resonates in the whole geometric configuration thus the structural behaviour changes accordingly. Therefore, top-down design approaches in which the final form is pre-determined have been studied extensively. Recent studies of RF structures focus on improving its structural behaviour but they were realized as a separate step from form-finding process as well. There is a gap in investigating bottom-up approaches in which the structural reciprocity of the form enhances the structural behaviour simultaneously. Therefore, the following research question is asked: How can we create RF structures where interdependent design variables of structural reciprocity inform the structural behaviour? The research method consists of three main processes: 1) geometric analysis, 2) physical experiment, 3) digital form-finding. The workflow is predicated on the data flow of three processes provided during the research. Initially, geometric analysis is realized by developing a definition in an algorithmic design environment. The algorithm evaluates the geometrical efficiency of RF in terms of forming the same surface with the least material. The analysis results show that diamond or rhombus geometries can form an RF NURBS surface by requiring fewer linear elements. Therefore, rhombus geometry is investigated in the physical experiment process. The computational making process gives rise to the design of a Volumetric Frame Unit (VFU) which essentially increases the structural stiffness of RF. VFUs are joined together based on a rule-based design system to explore different RF configurations. The VFU's geometry provides an input for the digital form-finding process. Digital form finding process is undertaken through 3-Dimensional Graphic Statics (3DGS) which is an intuitive structural form-finding method. The intuitive part stems from its ability to design forces of the form visually through polyhedral shapes. Therefore, the VFU geometry is abstracted as a polyhedron which is a rhombic dodecahedron. The resulting form diagram of 3DGS which works in pure compression is transformed into an RF structure. Transformation into an RF is realized by following analytical geometric operations. Finally, the outcome is evaluated using structural analysis software. The results emphasise that the way elements assemble, and compose a volumetric configuration enables the structure to work under compression forces along with bending forces. This thesis contributes to the computational design field by developing an extended workflow incorporating the force variable into the design process, which is not prevalent for architects and designers. The research has demonstrated that the comprehensive design workflow in which geometry, structure, and material are intertwined paves the way for exploring outcomes with structural primacy. Consequently, structural primacy mostly associated with mechanical terms can be integrated into the design process which is recognized as a creative act to give rise to feasible and aesthetic forms.
Benzer Tezler
- GPU üzerinde yazılım tabanlı anten gerçeklenmesi
Realization of software-defined antenna on GPU
ABDULLAH BAKIRTAŞ
Yüksek Lisans
Türkçe
2015
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SELÇUK PAKER
- Benzin ve doğalgaz motorunun çevrim analizinin matematiksel model ile karşılaştırılması
The Comparison of the cycle analysis of gasoline and natural gas engines with the mathematical model
M.TURGUT ÖZAKTAŞ
- Microstructure design of magneto-dielectric materials via topology optimization
Manyetik-dielektrik malzeme mikroyapılarının topoloji optimizasyon yöntemi kullanılarak tasarlanması
YASSER EL-KAHLOUT
Doktora
İngilizce
2009
Mekatronik MühendisliğiSabancı ÜniversitesiMekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. GÜLLÜ KIZILTAŞ ŞENDUR
- Kentsel çevre ve yeşil altyapı bağlamında açık alanların performanslarının değerlendirilmesi ve optimizasyonuna yönelik parametrik bir model önerisi
A parametric model roposal for optimization analysis of urban open space performance in the context of green infrastructure and urban environment
SAFİYE ELİF SERDAR YAKUT
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Peyzaj Mimarlığıİstanbul Teknik ÜniversitesiPeyzaj Mimarlığı Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MELTEM ERDEM KAYA
- Statik elektrik alanlarının sınır elemanları yöntemiyle hesabı
Başlık çevirisi yok
H.DEMİR AYAZ
Yüksek Lisans
Türkçe
1998
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. ÖZCAN KALENDERLİ