Hesaplamalı tasarım ve analog yapma süreçlerinin bütünleştirilmesi üzerine bir metodoloji: Örme algoritmalarıyla oluşturulmuş lifli hafif strüktürler

Abstract

Artan çevresel kaygılar, bu kaygıların ana unsurlarından birisi olan inşaat sektöründe kullanılan malzemelerin ve üretim yöntemlerinin farklılaşması gerektiğini göstermektedir. Yaygın mimarlık uygulamalarında kullanılan yapı malzemeleri, bütünleşik tasarım çözümlerinin birer parçası olarak değil, tasarıma sonradan dahil olan unsurlar olarak değerlendirilmektedir. Bununla ilişkili olarak, performans koşullarına cevap veren optimal malzeme kullanımı yerine, ihtiyaç fazlası kullanımla doğal kaynakların gereğinden fazla tüketimi söz konusudur. Malzeme kullanım yönteminin malzemenin morfolojik yapısı ve davranışları doğrultusunda özelleştiği bir yaklaşım gereksinimi vardır. Lif takviyeli kompozit malzemeler ile inşa edilen hafif yapılar bu soruna potansiyel bir çözüm olarak ortaya çıkmıştır. Tez araştırması mimari yapılarda lif takviyeli kompozit malzemenin kullanımının yaygınlaşması için engel oluşturan unsurlardan arındırılmış bir yöntem geliştirmeyi amaçlamaktadır. Engellerden birisi lif takviyeli kompozit malzemelerin üretiminde kullanılan kalıplardır. Çeşitli mimari form gereksinimlerinin karşılanması için kalıp kullanımı maliyeti arttıran ve malzemenin kullanım yaygınlığını kısıtlayan unsurlardan birisidir. Tez araştırması kapsamında, malzemenin kalıpsız olarak kullanımına olanak veren algoritmik modelleme ortamında geliştirilmiş ve fiziksel ortamda analog üretimi bilgilendiren bir yöntem geliştirilmiştir. Araştırma yöntemi sayısal ortamda gerçekleştirilen iki adım içermektedir. İlk adım katener eğriler mantığı ile genetik algoritmalar kullanarak form bulma, ikinci adım ise oluşan formun strüktürel analizi ile fiziksel ortamda analog üretim yöntemi için veri oluşturmadır. Araştırma yöntemi fiziksel ortamda yapma adımı için analog yöntemler kullanmaktadır. Bunun sebebi günümüzde, tasarlama ve yapma olgusunun birbirinden ayrılması ve hesaplamalı tasarımın sayısal fabrikasyonla olan ilişkisinin çeşitli nedenlerle artmış olmasıdır. Yapma işlemi tasarımcı tarafından gerçekleştirildiği taktirde tasarımı ve tasarımcıyı bilgilendiren bir unsur olarak karşımıza çıkmaktadır. Buna ek olarak analog yapma eyleminin barındırdığı riskler yeni keşiflere yol açmaktadır. Doğası gereği lifli kompozit malzemeler anizotropik yapıdadır. Geliştirilen üretim yöntemi, fiziksel ortam yapma sürecinde liflerin ihtiyaç doğrultusunda yerleştirilerek kullanılması için kural-tabanlı geleneksel örme algoritmalarından bobin dantel yöntemini kullanmaktadır. Unutulmaya yüz tutmuş geleneksel bobin dantel üretim yöntemi, farklı örüntülerde üretim yapabilme ve basit kuralların tekrarı ile çeşitli sonuç ürünler üretebilme potansiyeline sahiptir. Fiziksel ortamda bobin dantel yönteminin kullanımı için gerekli örüntü bilgisi sayısal ortamdan sağlanmaktadır. Doğada bulunan lifli sistemler incelendiğinde mikro ölçekten makro ölçeğe kadar benzer malzemenin farklı morfolojik organizasyonlarla karma sistemler oluşturduğu gözlemlenir. Mimari ölçekte lifli kompozit malzemenin kullanımı için araştırma yöntemi farklı ölçek ve morfolojik yapılarda lifli malzemelerin bütünleştirilmesini içeren bir yaklaşım sergilemiştir. Araştırma yönteminin son aşamasında bobin dantel üretim yöntemi kullanılarak oluşturulan lifli organizasyonun farklı ölçek ve yapıda başka bir lifli organizasyon ile bütünleştirilir ve reçine emprenye edilerek kendi ağırlığı altında kalıpsız olarak şekil alması sağlanarak fiziksel üretim gerçekleştirilmiş olur. Tez çalışması araştırma yönteminin test edildiği bir prototip çalışmasını içermektedir. Bu prototip çalışmasında sayısal ortamda 10x15 metre boyutlarında bir kabuk yapısı tasarlanmış ve bu kabuk yapısının 1/10 ölçekli fiziksel üretimi gerçekleştirilmiştir. Analog üretimde karbon lifi, farklı ölçek ve yapıda kullanılan diğer lifli sistemin malzemesi olarak cam lifi kullanılmıştır. Tez araştırması sonucunda sayısal ortam verilerinin fiziksel ortamda analog yapma eylemini bilgilendirdiği, analog yapma eyleminde malzeme davranışının süreci yönlendirdiği bir iş akışı oluşturularak kalıpsız üretim gerçekleştirilebilmiştir. Fiziksel üretim sonucunda sayısal ortamda oluşturulan form ve fiziksel form arasında bazı farklılıklar tespit edilmiş bunların sebepleri tartışılmıştır. Farklı malzeme türlerinin bir arada kullanılmasından kaynaklı davranış farklılıkları bütünleşmede problemlere yol açmıştır. Prototip çalışması sırasında kullanılan analog yöntemlerde alınan riskler ve yapılan hatalar neticesinde yöntemin geliştirilebileceği potansiyellerin varlığı tespit edilmiştir. Sonuç olarak, araştırma kapsamında geliştirilen yöntem ile sayısal ortamda gerçekleştirilen form bulma ve kural-tabanlı örme algoritmaları kullanarak üretilen fiziksel formun lif takviyeli kompozit malzeme kullanımını yaygınlaştırabileceği ve bu sayede hafif yapıların üretiminde kullanılabileceği gözlemlenmiştir.