Search

A 3D printed bio-composite removable connection system for bamboo space structures is introduced in this paper. The system consists of a removable clipping connection for raw bamboo structures, adapted to the European market. The use of parametric design and 3D printing enables to have both design and production processes adapted to the non-uniform bamboo culm dimensions, while being standardisable. The resulting design possibilities are very large due to the high adaptability of the whole process. The efficiency of the introduced connection system has been validated experimentally. Standardized specimens of the bio-composite material, a connection detail (clip), and a structural component were examined experimentally to validate the design. A pyramidal structure made of bamboo culms of 30 mm of diameter and 4 mm in thickness was able to sustain a load of 7 kN in compression, proving the relevance of the proposed connection system. A finite element model was developed to model the clip behaviour and successfully compared to the experimental results.

Mütekabil elemanlar ifadesi, kısa kirişlerle geniş açıklıklar geçmekte tarih öncesi dönemlerden beri kullanılan çeşitli yapım yöntemlerini kapsar. En basit örneği kızılderili çadırlarında görülen bu sistemler, ortaçağ ve rönesans düşünürlerinin eskiz defterlerinde kendine yer edinebildiği gibi son dönemde de bir çok akademik çalışmanın konusu olmuştur. Bu tez çalışmasının ikinci bölümünde konu tarihi çerçevede ele alınmıştır. Yapı tarihinin birçok döneminde karşımıza çıkan bu kurgu, çok çeşitli malzeme ve örgü kuralına uyarlanmıştır. Temelde yürütülen mantık açıklığı geçmekte kısa kalan kirişlerle kurallı bir örgü sistemi oluşturmak ve açıklığı bu örgüyle geçmektir. Üçüncü bölümde teknolojinin gelişimi ile bu strüktürlerin yapım ve tasarımı arasındaki bağ incelenmiştir. Mütekabil elemanlar, her biri bir diğerini taşıyan ve bir diğeri tarafından taşınan kirişleme kurgusu ile yük aktarımını sağlayan, mimariye uyarlanmış bir örgü strüktür olarak ele alınabilir. Dijital tasarım araçlarının etkin kullanımı; eklemlerde yapılacak düzenlemeler ile hareketli strüktürler oluşturma potansiyeli ve konvansiyonel yapı malzemelerinden çeşitli kompozit malzemelerin kullanımına kadar, bu strüktürlerin yapımında rol alan teknolojik gelişmeler bu bölümde incelenmiştir. Dördüncü bölümde strüktürün özellkleri açıklanmıştır. Malzeme, kiriş boyutları, bağlantı detayı, örgü kuralı gibi detaylar ortaya çıkacak formu doğrudan etkilemektedir. Bu kararların verilmesi için strüktürün geometrik ve yapısal özelliklerine hakim olmak gerekir. Bir mütekabil kirişleme tamamlanmış merkez, modül ve kirişler gibi alt hiyerarşik sistemlerden oluşur. Kiriş sayısı, cinsi, kirişlerin biraraya gelişlerinde oluşturdukları bağlantı mesafesi gibi değerlere göre bir modülün temel özellikleri belirlenir. İlerleyen aşamada örgü kuralına göre modüller veya münferit kirişler eklenerek türetme gerçekleştirilir. Oluşturulan kirişlemede yük aktarımı için bağlantı noktalarının özelliklerinin belirlenmesi hayatidir. Kullanılan malzemeye bağlı olarak bağlantı şekilleri farklılık arzetse bile temel özellikler değişmeyecektir. Bir bağlantı noktasında en fazla iki eleman bir araya gelecektir. Bağlantılar normal kuvvetler ile eğilme momentini iletecek fakat bir miktar dönmeye imkan vererek burulma kuvvetini iletmeyecektir. Verimli bir tasarım yapılabilmesi için, bu sistemlerin sunduğu imkanları iyi değerlendirmek gerekir. Çokgen dizimleri temel alınarak, düzlemsel veya eğimli yüzeyler oluşturulabildiği gibi, düzgün ve yarı düzgün çokyüzlüleri temel alan kurallı üç boyutlu strüktürler de oluşturulabilir. Strüktür özelliklerinin kavranabilmesine yönelik çalışmalarda, yurtdışında hayata geçirilmiş örnekler analiz edilmiştir. Fatih Sultan Mehmet Üniversitesi’nde yapılan maket çalışmalarında elde edilen düzgün çokyüzlüler bu tez çalışmasının dördüncü bölümünde “4.1.2. Eğri Yüzeyli Sistemler” başlığı altında incelenmiştir. Aynı çalışmalarda sorgulanan tek tip kiriş kullanılarak oluşturulabilecek düzlemsel kirişlemeler ve “4.2.3.1. Düzgün Kirişleme” başlığı altında incelenmiştir. Mütekabil sistemler, son dönemde bilgisayar destekli tasarım ve üretim yöntemleri ile amorf biçimler, bağlantı detaylarının geliştirilmesi ile hareketli katlanabilir strüktürler oluşturma potansiyeli gibi hususlarda geliştirilmek üzere akademik çalışmalarda da ele alınmıştır. Beşinci bölümde mütekabil strüktürlerin konvansiyonel yapım yöntemlerine nispetle verimliliğini kıyaslamaya yönelik yapılan çalışmalar değerlendirilmiştir. 20.yüzyıl başında mütekabil strüktürler, kısa kirişlerden nitelikli işçilik gerektirmeden yapılabilmesi dolayısıyla 10-20 m arası açıklıklı konut yapılarında çatı örtü sistemi olarak önerilmiştir. Günümüzde ucuz üretim, kolay ve hızlı yapım imkanı, malzeme sürdürülebilirliği gibi özellikler bu strüktürlerin tercih sebebi olmaktadır. Ayrıca bu özellikleri, mütekabil strüktürlerin fuar yapıları, arkeolojik kazı alanı örtüsü ve afet sonrası barınak tasarımı gibi geçici yapılar için önerilmesine de sebep olmuştur. Ülkemizde yaygın olmayan konu hakkında yurtdışında yapılmış olan çalışmalar incelenerek derlenmiş, ek olarak Fatih Sultan Mehmet Vakıf Üniversitesi’nde yapılan çalışmalar değerlendirilmiştir. The term of “Reciprocal Frame Structures”, includes various spanning systems with short beams that have been used since pre-historic times. These structures, that their simplest example can be seen in the pit dwellings, could have taken place in the sketchbooks of medieval and reneassaince philosophers as well as they have been the subject of many recent academic researchs. In the second chapter of this thesis, the reciprocal frame structures are discussed from the historical aspect. This kind of assembly of the beams that are used in various time periods in architectural history, has been applied with many building materials and iteration rules. The basic sense of this structures is to interwave the short beams that are too short to span the roof; and use this resulting lattice as a roof or ceiling system. In the third chapter, the connection between technology and the design and bulding techniques of this structures is investigated. The roof structure supposed to act the forces through the short beams, that supports and in return is supported by another one. Developments on construction technologies of the reciprocal frame structures are questioned in this chapter such as the use of digital design tools actively in the design process; the potential of creating mobile structures via arrangements on joints; from the conventional building materials to the use of various composite materials of today. In the fourth chapter, the characteristics of these structures are explained. The details such as the material used, connection type and tesellation rules influences the final form directly. To be able to decide these details, one must have the knowledge of the geometrical and structural characteristics of the structure. A reciprocal frame structure contains sub-hierarchical systems such as components, modules and the beams. The basic characteristics of the module is defined by the number and the type of the beams, the engagement length etc. In the following stages, the iteration steps are achieved by adding single beams or modules to a basic module. In order to transfer the forces to the outer supports in the resuting grillage, defining the characteristics of the joints are crucial. The appearance of joints differs depending on the materials use as beams, however the basic properties will be the same for any type of joints. Two elements can meet at any connection point. The axial forces and the bending moments are transferred through a node; a node allows a little rotation not to transfer any of twisting forces. For an efficient design, the possibilities that these structures provide have to be evaluated well. It is possible to create planar or curved surfaces based on regular polygonal tiligs, as well as the three dimensional structures based on regular and semi regular polyhedrons. The studies that aimed the comprehension of the structures characteristics the the examples realized abroad are analyzed. Additionally, the reciprocal polyhedron that obtained as a result of the studies at Fatih Sultan Mehmet Waqf University, is analyzed in the fourth chapter of this thesis, under the title of “4.1.2 Systems of Curved Surfaces”. In the same studies, a possibilities of creating different grillages by using only one type of beam is investigated and presented under the title of “4.2.3.1. Regular Grillage” . Reciprocal structures are also investigated in the academic researchs, that focus on subjects such as creating free form structures with the help of digital computing and fabrication tools, the foldable mobile structures by developing the connections. In the fifth chapter the studies that aim to compare reciprocal structures to the conventional constructing methods are evaluated. In early nineteens, reciprocal frame structures were proposed and realized as a roofing system -with a different name of “lamella roof”- for houses that have 10-20 m spanning, for the reason of lower manufacturing costs of short beams and ease of construction that requires no qualified labour. These structures are preferred for their facilities of quick and easy construction, the material sustainability etc. In addition these facilities, are the reason why reciprocal frame structures are proposed as tempory structures such; expo pavillions, shelters of archeological excavation site and shelter design for after diseaster situations. The studies abroad are analysed and compiled as well as the evaluation of the studies at Fatih Sultan Mehmet Waqf University for this uncommon subject for our country.

Composite beams are now widely used in infrastructure such as steel-framed bridges, buildings and stadiums. Most of these composite beams have been built with welded shear studs due to the availability of detailed research on their properties, and standard design methods for using them. However, as composite beams age, their ability to withstand current and future loading requirements deteriorates. On the other hand, existing composite beams incorporating welded shear studs cannot be easily retrofitted to prolong their useful service life, nor can the steel and concrete components of these beams be separated securely to be reused due to the permanent fixing mechanism of the welded studs. This thesis attempts to investigate the design and behaviour of composite beams with innovative bolted connectors. The novel fixing mechanisms of these bolted connectors may enable composite beams to be retrofitted reliably and also be disassembled without much effort. With these aims in mind, the emphasis in this thesis is primarily on the following issues: investigating the ability of bolted and welded-stud connectors to achieve composite action in normal and retrofitted composite beams investigating the effects of time-dependent creep and shrinkage of concrete on the behaviour of composite beams incorporating either bolted connectors or welded-stud connectors investigating the feasibility of dismantling composite beams subjected to serviceability loading by removing connector bolts. This thesis comprises many experimental and numerical studies, including the flexural behaviour of composite beams with bolted and welded-stud connectors as well as the load–slip behaviour of the connectors. In addition, the behaviour of the beam and push-out test specimens in their respective experiments was simulated using finite element models developed in ABAQUS software. An extensive parametric study was also carried out using these models in order to gain further insight in to the behaviour of composite beams with bolted and welded-stud connectors in composite steel–concrete beams. The outcome of the experimental and numerical analyses is satisfying and also contains design recommendations. It is strongly hoped that the findings of this study may provide an important basis and guidelines for designing and constructing more robust and sustainable composite beam systems in the future.

ACİL DURUMLARDA KULLANILABİLECEK DEMONTABL YAPILARIN TASARIM KRİTERLERİNİN BELİRLENMESİNE YÖNELİK KAVRAMSAL BİR MODEL (Doktora Tezi) Mustafa Kemal ERVAN GAZI ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ Aralık 1995 OZ Bu tezde, acil durumlarda kullanılabilecek demontabl yapıların tasarım kriterlerinin belirlenmesine yönelik kavramsal bir modelin oluşturulması amaçlanmıştır. Bunun için öncelikle, bu konu ile ilgili yapılan ve uygulanan çalışmalar incelenerek irdelenmiştir. Sonra, acil durumlar için üretilecek demontabl yapıların ürüne ve sürece yönelik özellikleri üzerinde durulmuş ve uygun öneriler getirilmiştir. Detaylardan hedefe doğru takip edilecek amaç hiyerarşisi içerisinde her bir özellik için optimum alternatifi belirleyecek `kavramsal bir değerlendirme modeli` seçilmiş; değerlendirme yöntemi olarak `uygunluk değeri analizi` ve karar kriteri olarak da `en büyük beklenen değer` kullanılmıştır. Bilim kodu Anahtar kelimeler Sayfa adedi Tez yöneticisi 601.02.03; 601.02.02 Acil durum, demontabl yapı. 176 Prof. Dr. Ziya UTKUTU? Ill A CONCEPTUAL MODELING TOWARD THE DETERMINATION OF DESIGN CRITERION OF DEMONTABLE STRUCTURES IN THE CASE OF EMERGENCY (Ph. D. Thesis) Mustafa Kemâl ERVAN GAZI UNIVERSITY INSTITUTE OF SCIENCE AND TECHNOLOGY December 1995 ABSTRACT The aim of this thesis is to build a model to determine the design criterion of demontable structures in the case of emergency. For this purpose, relevant applications were investigated in the first place. Later, properties of the quality and the process of demontable structures were examined and suitable suggestions are made. Finally, `a conceptual evaluation model` is selected to determine the optimum alternative, according to the hierarchy of aims which is through details to end. `Appropriation value analysis` as evaluation method and `maximum expected value` as decision criterion is used. Science code Key words Page number Advisor 601.02.03 ; 601.02.02 Emergency, demontable structure. 176 Prof. Dr. Ziya UTKUTU? 187