Geri Dön

Zincir zırh örüntülerinin mimaride kılıf strüktürü olarak kullanımına yönelik hesaplamalı bir yöntem geliştirme

Development of a computational method for using chainmail patterns as envelope structures in architecture

PDF İndir

  1. Tez No: 921970
  2. Yazar: GÖKSU EDA TAŞLIBEYAZ
  3. Danışmanlar: PROF. DR. MERYEM BİRGÜL ÇOLAKOĞLU
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Mimarlık, Architecture
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2025
  8. Dil: Türkçe
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Bilişim Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Mimari Tasarımda Bilişim Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 125

Özet

Mimarlıkta yüzeylerin kaplanması; estetik, işlevsellik, dayanıklılık ve sürdürülebilirlik gibi amaçlara ulaşmak için kritik öneme sahiptir. Ancak, eğrisel yüzeylerin kaplanması, geleneksel malzemelerle ek kesme, bükme ve şekillendirme işlemleri gerektirdiğinden oldukça zahmetlidir. Bu sebeple, gelişmiş mekanik özelliklere ve yeni üretim tekniklerine sahip malzemeler gerekmektedir. Bu bağlamda zincir zırh örüntüler, birimlerinin geometrik şekilleri ve ayrık kenetlenen bağlantı biçimleri sayesinde hem esneklik hem de dayanıklılık sunan bir malzeme çeşidi olarak öne çıkmaktadır. Bu malzemelerin özgün mekanik özellikleri, birim elemanlarının şekli ve onların birbirine bağlanma biçimlerinden yani geometrilerinden kaynaklıdır. Tarihte zırh olarak kullanılan zincir zırh örüntüler; bilgisayar destekli tasarım ve dijital üretim teknolojilerinin gelişmesiyle robotik, moda ve havacılık gibi çeşitli disiplinlere uyarlanmıştır. Zincir zırh örüntüler, mimarlık için de önemli potansiyeller taşımasına rağmen, mimari literatürde oldukça yeni bir araştırma konusudur ve hakkında henüz kısıtlı sayıda araştırma mevcuttur. Yapılan araştırmalar; zincir zırh örüntülerini mimaride taşıyıcı bir form bulma yöntemi olarak, sıkıştırılıp rijit hale geçmelerini veya adaptif cephede şekil değiştirme elemanı olarak incelemiştir ancak yüzey kaplaması olarak potansiyeli henüz yeterince araştırılmamıştır. Bu sebeple tez çalışmasının amacı, eğrisel yüzeyleri sarabilen zincir zırh örüntülerden oluşan, esnek kılıf strüktürü tasarlamak için hesaplamalı bir yöntem geliştirmek ve zincir zırhın mimarlıktaki potansiyellerini keşfetmektir. Bu doğrultuda, Rhinoceros programının eklentisi olan Grasshopper'da hesaplamalı bir kılıf strüktürü tasarlama algoritması geliştirilmiştir. Gelişen dijital üretim teknolojilerinden önce, yapılışı uzun zaman ve ustalık gerektiren zincir zırh, günümüzde 3B yazıcı teknolojileri sayesinde tek seferde üretilebilmekte ve yenilikçi varyasyonlarıyla farklı alanlarda yeniden keşfedilmektedir. Ancak, zincir zırh örüntülerin başarılı bir şekilde 3B yazıcıda basılabilmesi için tasarım aşamasında çeşitli optimizasyonlara ihtiyaç duyulmaktadır. Örneğin birimlerin bağlantıları arasında yeterli boşluk bırakılması, esnekliği koruyup baskı sırasında yapışmayı önler. Zincir zırh gibi karmaşık ve detaylı tasarımlar için, gelişmiş hesaplamalı tasarım teknikleri, dijital üretimle detaylı ürünler üretmeyi kolaylaştırır. Bu sebeple tez çalışması kapsamında, zincir zırhlar, hesaplamalı tasarım yöntemleri kullanılarak optimize edilmiş, dijital üretim teknolojilerinden 3B baskı ile üretilmiş ve yenilikçi bir yaklaşımla mimarlıkta kullanılabilecek kılıf strüktürü tasarımları ortaya konmuştur. Çalışmada ilk olarak, çalışmayı besleyecek bir literatür taraması yapılarak: örüntü kavramı, zincir zırh örüntüsü, dijital üretim teknolojilerinden 3B baskı ve yüzey kaplama teknikleri araştırılmıştır. Sonrasında uygulama aşamasında ise, tasarım ve 3B baskı süreçlerinin birbirine paralel ve entegre bir şekilde ilerlediği bir araştırma yöntemi benimsenmiştir. Bu yaklaşım, doğruluğu kanıtlanmış tasarımların, süreç boyunca geliştirilerek kullanılmasını sağlamıştır. Yöntem olarak öncelikle, mevcut zincir zırhlar sistematik olarak gruplandırılmıştır ve aralarından seçilenlerin birimlerinde ve bağlantı biçimlerinde kontrollü değişikliklerin yapıldığı yedi adet deney tasarlanmıştır. Bu deneyler ile zincir zırh birimlerindeki birim şekillerinin, birim ölçeklerinin, köprü (bağlantı) tiplerinin, birim kalınlıklarının, köprü kalınlıklarının, köprü uzunluklarının ve birimler arası mesafenin mekanik özellikleri üzerindeki etkileri incelenmiştir. Bu deneyler doğrultusunda mevcut zincir zırh örüntülerinin toplam on üç farklı varyasyonu üretilmiş ve 3B yazıcıda polilaktik asit (PLA) filamenti ile basılmıştır. Bu varyasyonların esneklik kapasiteleri, bükülme miktarları ve küre kaplama performansları mm cinsinden ölçülerek, sonuçlar tablolar ile karşılaştırmalı olarak verilmiştir. Yapılan deneyler sayesinde, birim ve bağlantı özelliklerinden hangilerinin eğrisel yüzeyleri kaplamada potansiyel sahibi oldukları tespit edilerek, bu özellikteki zincir zırh örüntüleriyle çalışmaya devam edilmiştir. Deneylerden elde edilen bulgulara göre, seçilen özellikler ile birlikte, zincir zırh birimin zayıf bulunan özellikleri, geliştirilerek tekrar tasarlanmıştır. Gelişmiş birim, 3B yazıcıda destek gerektirmeyerek basılacak şekilde ve yazıcıda basmaya uygun boyutlarda tasarlanmıştır. Öncelikle, mevcut zincir zırh birimi ters çevrilerek birimlere 3B desen eklenebilme özelliği kazandırılmıştır. Ters çevrilen birimin destek ihtiyacı ortaya çıktığından, birimin merkezine bir destek strüktürü tasarlanmıştır. Daha sonra, zincir zırhların birbirleriyle ve kaplanacağı yüzeyle bağlantılarını sağlayacak“birleşim”ve“çıtçıt”modülleri, örüntü içinde farkedilmeyecek şekilde tasarlanmıştır. Geliştirilmiş tasarımda, daha fazla esneyebildiği anlaşılan“köprü-birim bitişik merkezi”köprü tipi ile daha fazla bükülme kapasitesine sahip olan“köprü-birim ayrı”köprü tipi ile çalışmaya devam edilmiştir. Ek olarak bu köprü tiplerinin birlikte kullanımını sağlayabilmek adına, iki köprü tipini de barındıran iki farklı birimi bağlayabilen“hibrit”birimler tasarıma eklenmiştir. Bu sayede yüzeyin eğim miktarına ve ihtiyaca göre uygun köprü tipi seçilebilmektedir. Daha sonra, Rhinoceros ve Grasshopper'da kılıf strüktürü oluşturmak için hesaplamalı bir yöntem geliştirilmiştir. Bu yöntem, kaplanmak istenen yüzeyi, istenilen boyutlarda yüzeylere ayırarak onları zincir zırh birimlerle doldurmak amacıyla geliştirilmiştir. Algoritma, eğrisel yüzeyi alıp, 3B yazıcı tablasına sığacak şekilde belirlenen maksimum ölçülerde eğrisel dörtgen parçalara ayırıp, onları düzgün dikdörtgenlere dönüştürür. Zincir zırh birimin ölçeği belirlenir ve dikdörtgenler algoritmada teker teker seçilerek, uygun birim sayısında altıgen gridlerle doldurulurlar. Gridlerle doldurulan dikdörtgenler, gridleri birbirine tam oturacak şekilde birleştirilir. Bu aşamada, kılıfın bütünü görülerek belirli kararlar alınır. Yüzey parçaları arasındaki birleşim modüllerinin yerleri belirlenir. Kaplanacak olan eğrisel yüzeyin eğim analizi yapılır ve yüzeydeki eğimin fazla bulunduğu alandaki birimlere, daha fazla bükülebilme özelliğine sahip olan köprü tipi, eğimi daha az olan alanlardaki birimlere diğer köprü tipi seçilirken iki farklı köprü tipine sahip birimleri birleştirmek için de hibrit birimler kullanılır. Böylelikle gridin bütününe bakılarak yüzey parçalarındaki köprü tipleri belirlenir. Kılıfın bütününe bakılarak son olarak, birim desenleri seçilerek finalize edilir. Sonraki aşamada, dikdörtgenler, gerekli köprü tipindeki birimlerle uygun adetlerde, algoritma tarafından otomatik olarak doldurulur ve birimlerin üzerlerine birim desenleri aktarılır. Son olarak, birleşim modülleri, yüzey parçalarından çıkarılır. Böylece yüzey parçaları, 3B yazıcıda basılmaya hazır hale gelir. Tasarlanan yüzey parçaları,“birleşim”ve“çıtçıt”modülleri ayrı ayrı 3B yazıcıda basılır ve birbirlerine takılarak kılıf strüktürünün bütünü elde edilir. Kendi kendini taşıyamayan kılıf şeklinde kullanılabilen zincir zırh, istenildiği takdirde algoritma tarafından oluşturulan ve kılıfla birlikte çalışabilen taşıyıcı strüktür eklentisiyle de kullanılabilmektedir. Çalışmanın son aşamasında, örnek bir final kılıf strüktürü tasarlanıp 3B yazıcıda basılıp birleştirilmiştir. Oluşturulan final ürünü, eğrisel yüzeyin şeklini başarıyla alıp eğimine uyum sağlayarak çalışmanın doğruluğunu kanıtlamıştır. Ek olarak, tasarlanan final kılıf strüktürünün, Blender'da kumaş simülasyonu ile dijital modeli oluşturularak, mimarlıktaki potansiyel kullanımlarına örnekler verilmiştir. Sonuçlar, zincir zırh örüntülerin eğimli yüzeyler için geleneksel kaplama yöntemlerinden çok daha iyi performans gösterdiğini ve giydirme cepheler, bölme duvarlar, akustik paneller ve asma tavanlar gibi çeşitli mimari uygulamalarda potansiyel sahibi olduğunu göstermektedir. Ayrıca zincir zırh örüntüsü, harekete uygun esneyebilen bir yapıda olduğundan ilerleyen çalışmalarda kılıfa hareket kazandıran etmenler eklenebilir. Gelecek çalışmalarda, giydirme cephe gibi çok daha büyük ölçeklerde kullanılması gerektiği durumlarda, çalışmada geliştirilen geometrik yapılarına sadık kalınarak farklı malzeme ve üretim çeşitleriyle kullanılmaya müsaittirler.

Özet (Çeviri)

Surface cladding in architecture is crucial for achieving goals such as aesthetics, functionality, durability, and sustainability. However, cladding curved surfaces is quite challenging as it requires additional cutting, bending, and shaping processes when using traditional materials. Therefore, materials with advanced mechanical properties and new production techniques are required. In this context, chainmail patterns stand out as a material that offers both flexibility and durability due to the geometric shapes of their units and the discrete, interlocking connection forms. The unique mechanical properties of these materials stem from the shape of the unit elements and their connection forms, i.e., their geometries. Historically used as armor, chainmail patterns have been adapted to various disciplines such as robotics, fashion, and aerospace with the advancement of computer-aided design and digital fabrication technologies. Although chainmail patterns have significant potential for architecture, they are still a new topic in architectural literature with limited research available. Existing studies have examined chainmail patterns as a method for finding structural forms in architecture, exploring their transition into compressed, rigid states or as adaptive shape-changing elements in facades, but their potential as surface cladding has not been sufficiently investigated. Therefore, the aim of this thesis is to develop a computational method for designing an envelope structure made of chainmail patterns capable of covering curved surfaces and to explore the potential of chainmail in architecture. In this regard, a computational algorithm for designing an envelope structure was developed in Grasshopper, a plugin for Rhinoceros. Before the development of digital fabrication technologies, chainmail, which required a long time and craftsmanship to produce, can now be produced in a single step with 3D printing technologies, allowing for the exploration of innovative variations in different fields. However, to successfully print chainmail patterns with a 3D printer, various optimizations are required during the design phase. For example, ensuring sufficient space between unit connections helps preserve flexibility and prevents sticking during printing. For complex and detailed designs like chainmail, advanced computational design techniques facilitate the production of detailed products through digital fabrication. Therefore, in this thesis, chainmail patterns have been optimized using computational design methods, produced with 3D printing technologies, and innovative envelope structure designs suitable for architectural use have been proposed. The study begins with a literature review feeding into the research, which explores the concept of patterns, chainmail patterns, 3D printing as a digital fabrication technology, and surface cladding techniques. In the application phase, a research methodology was adopted where the design and 3D printing processes proceed in parallel and integrated. This approach ensured that validated designs were developed and utilized throughout the process. As a method, existing chainmail patterns were systematically grouped, and seven experimental designs were created with controlled modifications in their unit shapes and connection forms. These experiments examined the effects of unit shapes, unit scales, bridge (connection) types, unit thicknesses, bridge thicknesses, bridge lengths, and inter-unit distances on the mechanical properties. Based on these experiments, thirteen different variations of existing chainmail patterns were produced parametrically in Grasshopper and printed with PLA filament on a 3D printer. The flexibility capacities, bending amounts, and sphere cladding performances of these variations were measured in millimeters and compared in tables. The experiments identified which features of the units and connections had potential for covering curved surfaces, and work continued with chainmail patterns exhibiting these properties. Based on the findings from the experiments, the weak features of the selected chainmail units were improved and redesigned. The improved unit was designed to be printed without the need for supports and in sizes suitable for the 3D printer. First, the existing chainmail unit was inverted to enable the addition of 3D patterns to the units. As support was needed for the inverted unit, a support structure was designed at its center. Then,“connection”and“snap”modules that would connect the chainmail units to each other and the surface they would cover were designed to be unobtrusive within the pattern. In the improved design, two bridge types—“bridge-unit adjacent center”with greater flexibility and“bridge-unit separate”with greater bending capacity—were continued. Additionally, to enable the use of both bridge types together,“hybrid”units that could connect two units with both types of bridges were added to the design. This allows the selection of the appropriate bridge type based on the surface's slope and requirements. Next, a computational method was developed in Rhinoceros and Grasshopper to create an envelope structure. This method was developed to divide the surface to be covered into sections of the desired size and fill them with chainmail units. The algorithm takes the curved surface, divides it into curved rectangular pieces of the maximum dimensions that fit the 3D printer's bed, and converts them into regular rectangles. The scale of the chainmail unit is determined, and the rectangles are selected one by one in the algorithm and filled with hexagonal grids in the appropriate number of units. The rectangles filled with grids are then combined so that the grids align perfectly. At this stage, decisions are made by considering the whole envelope. The placement of connection modules between the surface parts is determined, and the slope of the surface is analyzed. For the units in areas with higher slopes, the bridge type with greater bending capacity is selected, while for areas with less slope, the other bridge type is chosen. Hybrid units are used to combine units with two different bridge types. This way, the bridge types for the surface parts are determined by considering the entire grid. Finally, the unit patterns are selected, and the design is finalized. In the next step, the rectangles are automatically filled with units of the required bridge type in the appropriate quantities by the algorithm, and unit patterns are applied to the units. Lastly, the connection modules are removed from the surface parts, making them ready for 3D printing. The designed surface parts, along with the“connection”and“snap”modules, are printed separately and assembled to form the complete envelope structure. Chainmail, which cannot carry itself, can also be used with a carrier waffle structure addition generated by the algorithm to work in conjunction with the envelope. In the final stage of the study, a sample final envelope structure was designed, printed, and assembled with a 3D printer. The final product successfully conformed to the shape of the curved surface and adapted to its slope, validating the accuracy of the work. Additionally, the digital model of the final envelope structure was created using fabric simulation in Blender, and examples of its potential architectural uses were provided. The results show that chainmail patterns perform significantly better than traditional cladding methods for curved surfaces and have potential in various architectural applications, such as curtain walls, partition walls, acoustic panels, and suspended ceilings. Furthermore, since chainmail patterns are flexible and adaptable to motion, future work may incorporate elements that add movement to the envelope. In future studies, chainmail patterns can be used in much larger scales, such as in curtain walls, while adhering to the developed geometric structures and applying different materials and production methods.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    917763

    Zırh çeliği içeren hibrit kompozit yapıların balistik davranışlarının deneysel ve sayısal olarak incelenmesi

    Experimental and numerical investigation of ballistic behavior of hybrid composite structures containing armor steel

    MEHMET ÖZER

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2025

    Makine MühendisliğiManisa Celal Bayar Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. CAN ÇİVİ

  2. Tez No

    843030

    MXene (Ti3C2) nanoyapi takvi̇yeli̇ radar soğurucu bali̇sti̇k kompozi̇tleri̇n karakteri̇zasyonu

    Characterization of MXene (Ti3C2) nanostructure reinforced radar absorber ballistic composites

    BURAK HÜLAGÜ

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2023

    Makine MühendisliğiAtatürk Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. HAMİT AKBULUT

    PROF. DR. MEHMET ERTUĞRUL

  3. Tez No

    953378

    Processing and characterization of square-shaped B4C-ZRB2 composites reinforced with gnp via spark plasma sintering

    Gnp takiyeli kare şeklinde B4C-ZRB2 kompozitınin spark plazma sinterleme yöntemi ile üretımi ve karakterizasyonu

    BEHRAD MOKHTARI

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2025

    Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. FİLİZ ŞAHİN

  4. Tez No

    357532

    Orta ve İç Asya'da VI-IX. yüzyıllar arasında maden sanatı: Göktürk devri

    Metal art in central and inner asia between VI-IX.th centuries: Gokturk period

    JALE ÖZLEM OKTAY

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2013

    Sanat TarihiMimar Sinan Güzel Sanatlar Üniversitesi

    Sanat Tarihi Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. YAŞAR ÇORUHLU

  5. Tez No

    885519

    Rheological and foaming behavior of chain modified polyamide

    Zincir modifiyeli poliamidin reolojik ve köpürme davranışları

    FARNAZ NAZARI

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    Polimer Bilim ve Teknolojisiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Polimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. MOHAMMADREZA NOFAR

Geri Dön