Yığma kabuk strüktürlerin hesaplamalı tasarımına yönelik bütüncül bir yaklaşım

Abstract

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.