Modüler kabuk yapıları sisteminin uygulanabilirliğinin araştırılması / Research into the applicabiliyy of modular shell structural system

Abstract

MODÜLER KABUK YAPILARI SİSTEMİNİN UYGULANABİLİRLİĞİNİN ARAŞTIRILMASI Zeynep YILMAZ ÖZET Bu yüksek lisans tez araştırması, kabuk yapı formlarında kullanılacak malzemenin hafifliği, yeterli yük dayanımına sahip olması ve bir yapı sistemi dahilinde kolay uygulanabilmesi gereksinimine bir çözüm sunmak amacıyla, tarafımızdan geliştirilmiş bir kabuk yapı sistemi olan, Modüler Kabuk Yapıları (MKY) sistemini tanıtarak, bu çok kapsamlı sistemin inşaat mühendisliğine kazandırılması için gerekli ilk aşama detay bilgilerini içermektedir. MKY sisteminde ileri polimer kimyası teknolojisindeki reçine gelişmelerinden yararlanılarak, ve ön döküm tekniği kullanılarak önceden imal edilmiş, belli geometrideki modüllerin birbirine geçmesi yoluyla, parçacıklı kabuk yapı, değişken pek çok yüzeysel forma sahip olacak tarzda oluşturulabilir. Günümüzde monolitik ve yerinde yapılan (in-situ) kabuk yapılarda kullanılan, betonarme, çelik ve elyaf takviyeli polimerler sistemlerinden pek çok açıdan daha üstün bir yapı sistemi olduğu düşünülen MKY sistemi, genel anlamıyla, uygulamada pratik ve yapıyı hızlı inşa edebilme özelliğinin yanında, malzeme ve yapı sistemi olarak da pek çok teknolojik ilerlemeyi bünyesinde barındırmaktadır. Bu araştırmayla tanıtılan MKY sisteminde kendi içerisinde bireysel davranan modüller, tüm strüktür göz önünde bulundurulduğunda, bağlantı (geçme) noktalarındaki yük iletimi sayesinde (interlock), tek bir yapı gibi, kabuk yapının şekil fonksiyonunu oluşturur. Modüllerin birbirine geçmedeki (bağlantı detaylarındaki) toleransları sayesinde, her modül, komşu modülle bir açısal bağlantı yapar. Bu tolerans, global strüktürün oluşmasını sağlamaktadır. Bu araştırmayla modüllerin komşu modülle nasıl bir bağlantı yapması gerektiği tartışılarak, conta detayları ve bu toleranslar hakkında bilgiler verilmektedir. Sızdırmazlık contalarının şekil ve pozisyonunun detayları, optimum modül kalınlığının tespiti gibi başlıklarda bu araştırmada tartışılmaktadır. Yapılan maket ve prototip çalışmaları tanıtılmaktadır. Bu araştırma aynı zamanda, bu yeni yapı sisteminin yapı mühendisliği açısından temel alt yapısının nasıl oluşturulabileceğini açıklamakta ve temel tasarım kriterlerinin nasıl belirlenebileceği konusunda detaylar içermektedir. Sistemin bir bütün olarak yük iletme mekanizmasının teorik olarak nasıl olduğu standart kabuk yapıları tasarım prosedürleriyle karşılaştırılarak bu sistem için en uygun çözümün nasıl olacağı detaylarıyla araştırılmıştır. Tipik yüklemeler altında örnek çözümler verilerek, sistem standart teorik modellerle karşılaştırılmıştır. Katlanmış plaklar ve silindirik kabukların membran ve eğilme teorileri ve diğer mevcut kabuk yapılarının teorik detayları irdelenerek, bu sistemin hangi tasarım prensibine daha yakın olduğu ve muhtemel yapısal analiz yönteminin nasıl olabileceği araştırılarak, bu sistemin temel tasarım prensiplerine yaklaşmaya çalışılmıştır. Ayrıca polimer veya değişik malzemelerin (beton gibi) belli bir şekle sahip olacak tarzda kalıplanması yoluyla prefabrik olarak üretilebilecek olan bu yapı parçaları (modülleri) için gerekli olan muhtemel boyutsal ve şekilsel tasarımları da yapılmıştır. Bu araştırmada hafifliği ve yüksek dayanımından dolayı elyaf takviyeli oligamer malzemeler temel modül üretiminde kullanılacağı kabülüyle, bu malzemelerin mühendislik özellikleri, muhtemel prefabrik üretim yöntemlerinden polimer enjeksiyonlama sisteminın temel detayları da bu çalışmayla sunulmuştur. Ek olarak, bu tez çalışmasıyla önerilen sistemin uygulamaya geçirilebilmesi için gerekli olduğu düşünülen tüm detaylar ve yapı parçalarının bir bütün olarak davranabilmesi için nasıl bir bağlantı yapması gerektiği, enjeksiyonlama üretim için en basit ve ekonomik kalıp tasarımının göz önünde bulundurulması yoluyla bu bağlantıların nasıl olması gerektiği de araştırılmıştır. Bununla birlikte tasarım parametrelerinin hangi uluslararası standartlara uyması gerektiği de tartışılmaktadır. Bu sistem için uygun malzeme çeşitleri ve üretim metotları konusunda da detaylı bilgi verilmektedir. Bu yeni yapı sisteminin, uygulanabilmesi, tasarım kriterlerinin ve yapısal tasarım metodunun geliştirilebilmesi için gerekli temel parametrelerinin belirlenmesi, bu yayında açıklanan bağlantı detaylarıyla ancak mümkün olabilecektir. Bu yolla, mevcut kabuk yapı sistemlerindeki malzeme ve yapım aşamalarına, teknolojik anlamda modern alternatifler sunularak uygulamada pratiklik kazandırılması hedeflenmektedir. Sonuç olarak parçacıklı olarak kabuk yapılarının oluşturulmasının, mevcut malzeme teknolojisiyle rahatlıkla mümkün olduğu anlaşılmış olup, bu sistemin yapısal tasarım prensibi için de mevcut teorik altyapının yeterli olduğu bu tezle anlatılmış, muhtemel teorik yaklaşımlar verilmiş ve tasarım örneklemeleri yapılmışRESEARCH INTO THE APPLICABILIYY OF MODULAR SHELL STRUCTURAL SYSTEM Zeynep YILMAZ SUMMARY The main objective of this research is to identify the design criteria, fundamental design parameters and structural design theories of the proposed structural system designated as Modular Shell Structures (MSS). The MSS system is inspired from the connection details of human and animal tissue cells. When the tissue cells are considered as segments that are connected together and as they are assumed to be joined together with a suitable geometry and connection, the surface of this structural form appears seemingly a shell structure that is enveloped by the independent modules. This system is named as modular shell structures owing to this similarity. This new shell structural technique having potential to be alternative to overall shell structural systems, in principal, it has in fact better features such as its practicality in application and rapid construction, as well as providing new structural and architectural design alternatives as a structural material and system as a whole. In addition, it introduces the functionality concept to the overall shell structures. MSS with various surface forms can be constructed by connecting the pre-moulded and pre-fabricated modules having certain geometrical shapes. The oligamer resins in advanced chemistry that are widely used in production of FRC (Fibber Reinforced Composite) and PMC (Polymer Matrix Composites) will be utilised as a main material in the module production. MSS can provide the load distribution throughout the whole surface of structure as it is described for the general shell structures and if it is required, it provides space for trespassing daylights as it is to be in truss systems. The proposed system offers many new structural and architectural advantages. The research focuses on covering the following research areas in order to investigating MSS for industrial development in practice as well as it aims to build up the fundamental information required for the structural design and the technology that will be developed for this new system. The content of research program includes: designing the moulds required in the pre-moulding process in which the shapes of certain modules are to be formed, determining the suitable geometrical shapes and dimensions, designing the joint connection details of modules, identifying the load carrying capacity in the module connection, determining the structural limits, investigating the load carrying capacity of MSS that will be constructed in the computer environments and investigating the shape geometry of modules under typical structural loads. tır.