Yığma kabuk strüktürlerin hesaplamalı tasarımına yönelik bütüncül bir yaklaşım
A holistic approach to computational design of masonry shell structures
- Tez No: 961896
- Danışmanlar: DOÇ. DR. BÜLENT ONUR TURAN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Mimarlık, Architecture
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: Türkçe
- Üniversite: Mimar Sinan Güzel Sanatlar Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Enformatik Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Bilgisayar Ortamında Sanat ve Tasarım Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 134
Özet
Kabuk strüktürler; geniş açıklıkları geçebilme kapasiteleri, serbest biçimli tasarımlara olanak tanımaları, malzeme kullanımında sağladıkları verimlilik ve tasarım esneklikleri sayesinde, geçmişten günümüze mimarlık ve mühendislik disiplinlerinde dikkat çeken strüktürel yapılar olmuştur. Bu strüktürlerin ilk örneklerini oluşturan yığma kabuk strüktürler, kendi ağırlıklarını ve dış yükleri yüzey boyunca etkin bir şekilde dağıtmaları sayesinde tarihsel süreçte dayanıklılıklarını koruyarak günümüze kadar ulaşmış; özellikle tonoz, kemer ve kubbe gibi biçimler, hem yapısal verimlilikleri hem de estetik nitelikleri ile bulundukları dönemin mimari anlayışını yansıtan temel öğeler olmuştur. Bu avantajlarının yanı sıra, yığma kabuk strüktürlerin tasarım ve üretim süreçleri; geometrik hassasiyet, yapısal denge gereklilikleri ve malzeme özelliklerinin dikkate alınması gibi birçok parametrenin birlikte değerlendirilmesini zorunlu kılan karmaşık bir yapıya sahiptir. Yığma kabuk strüktürlerin çok bileşenli ve karmaşık yapısının anlaşılması ve çözümlenmesi gerekliliği, bu çalışmanın ortaya çıkmasındaki temel motivasyonu oluşturmuştur. Bu bağlamda yapılan çalışmada, biçim, malzeme ve strüktürel performans arasındaki etkileşimin tasarımın erken evresinden itibaren birlikte değerlendirildiği bütüncül bir yaklaşım geliştirilmesi amaçlanmıştır. Çalışma, yığma kabuk strüktürlerin çok katmanlı ve bileşenli yapısına özgü karmaşık tasarım dinamiklerini analiz eden, tasarım tabanlı bir araştırma yöntemi sunmaktadır. Tasarım süreci; biçim bulma, yüzeyin tesselasyonu, malzeme özelliklerinin analizi ve kalınlık optimizasyonu olmak üzere dört aşamadan oluşmaktadır. İlk aşamada, Rhinoceros ortamında çalışan RhinoVault3 eklentisi kullanılarak biçim bulma işlemi gerçekleştirilmiştir. İtme Ağı Analizi temelli çalışan bu eklenti, tasarımcının iki boyutlu bir yüzey üzerinde kuvvet ağlarını etkileşimli olarak düzenlemesine ve sınır koşullarını değiştirmesine olanak tanıyarak, üç boyutlu yığma kabuk biçimlerinin sezgisel olarak elde edilmesini sağlamaktadır. İkinci aşamada, elde edilen yüzeyin alt parçalara bölünmesi amacıyla NGon eklentisi ile tesselasyon işlemi gerçekleştirilmiştir. Üçüncü aşamada, Karamba3D eklentisi kullanılarak malzemelerin mekanik özellikleri dijital modele entegre edilmiş ve performans analizleri yapılmıştır. Dördüncü aşamada ise Evrimsel Algoritma tabanlı tek hedefli optimizasyon aracı olan Galapagos eklentisi kullanılarak, yüzey kalınlığı maksimum deplasman değerini minimize edecek biçimde optimize edilmiştir. Bu çalışma kapsamında elde edilen bulgular, yığma kabuk strüktürlerin biçim, malzeme ve yapısal performans etkileşimine dayalı bütüncül bir tasarım yaklaşımının gerekliliğini ortaya koymuştur. Biçim bulma aşamasında RhinoVault3 eklentisi ile yalnızca basınca çalışan dengeli bir kabuk geometrisi elde edilmiş; açıklık, destek noktaları ve yükseklik gibi parametrelerin yapısal denge üzerinde belirleyici olduğu gözlemlenmiştir. Tesselasyon aşamasında, kuvvet yönlerine paralel veya dik bölümlenmelerin yapısal denge açısından önemli olduğu görülmüştür. Ayrıca tesselasyon işlemi, yük aktarımını geometrik bir düzen içinde tanımlayarak tasarımın hem biçimsel hem de yapısal açıdan rasyonelleştirilmesini sağlamıştır. Ancak yüzeyin eğriselliği, kuvvet yönlerinin karmaşıklığı ve yüzeydeki boşluklar gibi etkenler nedeniyle bu aşama, en fazla teknik zorlukla karşılaşılan aşama olmuştur. Malzeme analizlerinde, elastisite modülünün deplasman değerini en çok etkileyen parametre olduğu tespit edilmiş; C30 beton blokların en yüksek dayanımı gösterdiği, kerpiç tuğlanın ise düşük sertliği nedeniyle en yüksek deplasman değerini gösterdiği saptanmıştır. Kalınlık optimizasyonu sonucunda, deplasman dağılımı daha dengeli bir yapıya dönüşmüş olsa da, düşük elastisite modülüne sahip malzemelerde optimizasyon etkisinin sınırlı kaldığı görülmüştür. Evrimsel algoritmaların ise çoklu senaryo üretme kapasitesi sayesinde, tasarımın erken aşamalarında farklı parametrelerin birlikte değerlendirilmesine olanak sağlandığı; ancak kesin çözümler yerine tasarımcıyı yönlendiren alternatif seçenekler sunduğu görülmüştür. Tasarım sürecinin her aşamasında malzeme, biçim ve strüktürel performansa bağlı değişkenlerin beraber değerlendirilmesi, yığma kabuk strüktürlerin daha verimli ve dengeli biçimde tasarlanmasına katkı sağladığı gözlemlenmiştir.
Özet (Çeviri)
Shell structures have attracted significant attention in architectural and engineering disciplines from past to present due to their ability to span large distances, allow for free-form designs, ensure material efficiency, and offer flexibility in design. Among the earliest examples of these structures are masonry shell structures, which have withstood the test of time thanks to their ability to effectively distribute their self-weight and external loads across the surface. Forms such as vaults, arches, and domes have not only demonstrated structural efficiency but also served as key elements reflecting the architectural understanding of their time through their aesthetic qualities. Despite these advantages, the design and construction processes of masonry shell structures are inherently complex, requiring the simultaneous consideration of numerous parameters such as geometric precision, structural stability, and material properties. The necessity to understand and resolve the multifaceted and complex nature of masonry shell structures constitutes the main motivation of this study. In this context, the study aims to develop an integrated approach in which the interaction between material, form and structural performance is evaluated collectively from the early stages of the design process. This study presents a design-based research methodology that analyzes the complex design dynamics inherent to the multi-layered and multi-component nature of masonry shell structures. The design process consists of four stages: form-finding, surface tessellation, material property analysis, and thickness optimization. In the first stage, form-finding was carried out using the RhinoVault3 plugin, which operates within the Rhinoceros environment. RhinoVault3 enabled the generation of masonry shell forms that are in equilibrium under compression forces; parameters such as span, support locations, and surface openings were observed to have a direct impact on structural stability. In particular, asymmetric surfaces posed constraints on the design due to difficulties in controlling edge inclinations and support conditions. The simultaneous generation of form and force diagrams allowed the designer to intuitively assess structural behavior; however, the fact that RhinoVault3 operates solely within Rhinoceros and lacks parametric integration with Grasshopper limited flexibility in the design process. Moreover, the inability to define material properties necessitated the use of additional tools for performance analysis. These findings demonstrate that while RhinoVault3 is an effective tool for intuitive exploration during the early design phase, it presents limitations in terms of parametric flexibility and material-based performance evaluation. The tessellation phase was considered a critical step that affects both the formal organization and the structural performance of masonry shell structures. The direction of force flow was analyzed using Karamba3D, and based on this data, various tessellation patterns were tested using the NGon plugin. However, a subdivision fully aligned with the force directions could not be achieved, and the pattern offering the most appropriate solution was selected. It was observed that, in curved surfaces, the tessellation process is not merely a geometric arrangement, but rather a multidisciplinary design problem that must be addressed in line with engineering-oriented criteria such as force guidance, load transfer, and structural stability. In the material analysis phase, eight different building materials suitable for formwork-based construction and CNC processing were analyzed using the Finite Element Method (FEM). The material data used in the analysis were based on average values obtained from previous studies and may vary depending on the specific composition of each material. According to the results, the C30 concrete block exhibited the highest strength, while adobe brick showed the lowest. The Young's Modulus was identified as the parameter with the greatest influence on displacement values. The performance differences observed between materials under the same geometric form highlighted the critical importance of evaluating form and material simultaneously within the design process. In the thickness optimization phase, the Galapagos plugin -based on an Evolutionary Algorithm- was used to optimize the thickness values for each material with the objective of minimizing the maximum displacement. The results indicated that the displacement distribution became more balanced, and regions with high displacement values were reduced. Although the displacement distribution was improved through thickness optimization, the effectiveness of the optimization remained limited for materials with low elastic modulus. In such cases, strength-enhancing strategies through material composition modifications may be necessary. Rather than yielding a single definitive solution, evolutionary algorithms contributed to the decision-making process by offering multiple alternatives across different design scenarios. In conclusion, this study developed an integrated approach in which material knowledge is incorporated into the design process of masonry shell structures from the early stages. Evaluating material properties at the beginning of the process through computational tools enabled the generation of more efficient and rational solutions in a shorter time compared to traditional methods. Tools such as RhinoVault3, Karamba3D, and Galapagos allowed for the simultaneous evaluation of form, material, and performance by integrating form-finding, structural analysis, and optimization processes. This approach enhances material efficiency, facilitates the production process, and improves structural performance. The findings revealed that the complex nature of masonry shell structures necessitates interdisciplinary collaboration.
Benzer Tezler
- Experiments for design and optimization of thin shell structures
İnce kabuk strüktürlerin tasarımı ve optimizasyonu üzerine deneyler
ERENALP SALTIK
Yüksek Lisans
İngilizce
2018
Mimarlıkİstanbul Teknik ÜniversitesiBilişim Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ SEMA ALAÇAM
- Çok katlı konut yapılarında takviyeli yığma yapımın Türkiye koşullarına uygulanabilirliği açısından bir model önerisi
A model proposal for adaptation or reinforced masonry to circumstances of Turkey for residential buildings
AHMET VEFA ORHON
- Kabuk yapılar için evrimsel algoritma tabanlı parametrik tasarım önerisi
Evolutionary algorithm based parametric design proposal for shell structures
İHSAN ERDEM ER
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
MimarlıkYıldız Teknik ÜniversitesiMimarlık Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ TOGAN TONG
- Designing asymmetric shell systems by autoclaved aerated concrete blocks: A particle based computational model
Gazbeton blokları ile asimetrik kabuk sistemlerin tasarlanması: Parçacık tabanlı jenerik bir model
ESRA CEVİZCİ
Yüksek Lisans
İngilizce
2017
MimarlıkYaşar ÜniversitesiMimarlık Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. SEÇKİN KUTUCU
- Yığma duvarların katı cisim ve kabuk olarak modellenmesi ve sismik davranışının karşılaştırılması
Investigation of seismic behavior for masonry walls with solid and shell elements
PERİHAN YAĞCI
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Aydın Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MEHMET FATİH ALTAN