İnşaat Sistemlerinde Tensegrity (Çek-Ger-Tümle) Modeli: Geleneksel Yapı Metotları, Çağımıza Nasıl Uyarlanıyor?

Yine geç saatte evinize geliyorsunuz ama trafikte geç kaldığınızdan ötürü değil, sadece uzayan bir toplantı söz konusu; artık eskisi gibi trafik yok neyse ki; yapay zeka ve otomasyon sistemleri onun üstesinden gelmiş. Yaşadığınız yer uzaktan dikkat çekiyor, havada uçuyormuş gibi duran siyah ışıltılı küreler adeta bir ışık şöleni sunuyorlar. Kişisel dronunuzdan direkt dairenize giriş yapıyorsunuz. Her tarafı şeffaf karanlık, parlak bir siyah inci tanesi gibi göklerde asılı tüm bu dairelerin bulunduğu yapının muazzam açık bir manzaraya 360 derece hakim olması gerçekten muhteşem.

Kapı, otomatik açılır ve bir platform sizin içeri kolayca girmeniz için uzanır, aynı zamanda drone’un kenetlendiği bir güvenlik sistemidir. Hayal edebileceğiniz konfor üst seviyede düşünülmüştür zaten, sizin ihtiyacınız olan günün yorgunluğunu hazır olan çayınız ile o eşsiz manzarayı seyrederek geçirmektir. Her biri diğerinden uzak, havada asılı duran bu dairelerin; tamamen münferit, ayrıcalıklı ve aynı zamanda düşük maliyetli, uygun fiyatlı ama bir o kadar güvenilir yapıda inşa edilmesi ve çok kısa bir sürede tamamlanması sizce mümkün mü?

Değişimin ve değişime gereksinimin olmadığı yerde akıl da yoktur. - Zaman Makinesi, H. G. Wells

***

Yüzyıllardır, hatta insanlığın var olmaya başladığı zamandan bu yana sığınma, temel bir ihtiyaç olmuştur. Gerek kendimizi korumak, gerekse bize ait olan eşyalarımızı muhafaza edebilmek adına ilk önceleri mağaralara, yerleşik hayata geçilmesiyle birlikte ahşap, kerpiç tek katlı yığma yapılara, araç gereç keşifleriyle birlikte taş yapılara ve bilimin ilerlemesiyle geçtiğimiz modern hayatta çelik ve betonarme yapılara sığındık. Kimyada olan muazzam gelişmeler ve malzeme biliminin gelişmesi; bizlere doğada aslen kendi halinde bulunmayan çeşitli, istenilen özelliklere mahsus kompozit malzemeler üretebilme imkanı tanıdı.

21. yüzyıla geldiğimizde adeta yazılım teknolojilerinin sunduğu hesap kolaylığıyla yaptığımız gerek simetrik gerek asimetik yapılara, giydirdiğimiz tüm mimari ürünlerle birlikte ülkeler, ihtişam ve prestij için birbirleriyle yarışır haline geldiler. Sadece son yüzyılda yaptığımız bu inanılmaz yapılar mimari ve yapısal olarak medeniyetimizin kaydettiği inanılmaz gelişmeyi tarihe not düşse de biz bu değişimi kanıksar vaziyette, ardında duran hesap sistemlerine, ince detaylara, uygun çözümlere ve kısacası dehaya aldırış etmeden aralarında dolanmaya devam etmekteyiz.

“Neden çoğu insan, gördüklerine hiç şaşırmadan yeryüzünde öylece dolanır durur, biliyor musun?” diye sordu babam.

Başımı salladım.

“Çünkü dünya bir alışkanlık haline gelmiştir onlar için!” (İskambil Kağıtlarının Esrarı - Jostein Gaarder)

CIO

Tarihin başlangıcından bugüne medeniyet olarak yaptığımız tüm yapıları inşa ederken aynı prensipleri esas alarak ilerledik ve ilerlemeye devam ediyoruz. Yapıların hizmet türüne göre şekillenen mimariyi ayakta tutabilecek konstrüksiyonu seçerek (genel olarak çelik ya da betonarme) bir statik model oluşturup, üzerine gelebilecek ölü (yapının kendi ağırlığı), canlı (yapıda bulunan hareketli yükler) ve dinamik (rüzgar, deprem vs.) yükleri tayin ederek hesaplarımızı yapıp, güvenli yapılar projelendirdik. Yaptığımız tüm bu yapıların hesapları her ne kadar kompleks, çok değişkenli fonksiyonların çözümünü gerektirse de temel olarak yükleri güvenli bir şekilde zemine iletmekten başka bir şey için değildi.

İnşaat Haber

Kullanılan malzemelerin çeşitli olması ve her malzemenin yükler altında oluşturduğu kendine münhasır davranışlarının, sınırları zorlayan iç gerilmelere dayanım sağlayabilmesi için bazen kullandığımız kesitleri arttırırken bazen malzeme kalitesini yükselttik. Her ne kadar optimizasyon yapılmaya çalışılsa da yapıların oluşturduğu maliyetler hep aynı kaldılar. Yükler altında oluşan gerilmeleri çözümleyebilmek günümüz koşullarında yazılımlar sayesinde hiç problem olmasa da kullanılan malzeme miktarını ve seçimini etkilediği için maliyetler hep yükseldi.

Peki gerilmeleri oluşturan kuvvetleri tek düzleme indirebilmek veya kullanılan malzeme miktarını düşürebilmek yerçekimine karşı verdiğimiz bu mücadelede daha ucuz yapıların yapılmasına imkan tanıyabilir mi?

Farklı Bir Yapı Metodu: Tensegrity (Çek, Ger, Tümle!)

1929'larda aramızdan ayrılan Litvanya asıllı Karl Johansson’ın ilk denemelerini yaptığı bu sistem, 1962 yılında Professor Buckminster Fuller tarafından patenti alınsa da, Kenneth Duane Snelson’ın (Haziran 29, 1927 – Aralık 22, 2016) yapmış olduğu sanatsal çalışmalarla kendini göstermeye başlamış ve bizlere bir vizyon kazandırmıştır. Fotoğrafçı ve heykeltraş olan Snelson, sanatını geleneksel formların dışına taşıyarak objeleri uzayda belli yerlere dağılmış düğüm noktalarına bağlı halat sistemleriyle taşıtmak istemiş ve kendi düzenlediği yapısal formlar ile çağın illüzyon etkisi yaratan yapılarına ilham oluşturmaya çalışmıştır. Bilinen ilk çalışması olan X-Modülü basit ama bir o kadar kompleks, algıların ötesine geçen yapıların oluşabilmesi için zemin hazırlamıştır.

Tensegriteit

Yaptığı diğer bir çok küçük ölçekli çalışmaları herkes tarafından ilgiyle izlenip, heyecanla karşılanırken, İngiltere'de düzenlenen bir festivalde Hidalgo Moya, Philip Powell and Felix Samuely tarafından dizayn edilen 90 metre yüksekliğinde, içten aydınlamalı, aluminyum giydirme cepheli Skylon ilk büyük ölçekli çalışma olarak 1951 yılında ortaya çıkartılmıştır. Yapının belli bir yükseklikte alttan ve üstten çelik halatlar ile sabitlenmesi ve görünen bir temele dayanağının olmaması, cismin havada süzülüyormuş izlenimi uyandırmasına, halk arasında “İngiliz ekonomisi gibi, herhangi bir görünen dayanağı yok” şakasının yapılmasına sebep olmuştur. Kenneth Snelson tensegrity prensibine dayanan ilk yapısını 1968 yılında Washington DC’de aluminyum ve çelik kullanarak yapabilmiştir. Şu anda Smithsonian Enstitüsü’nün sahibi olduğu 18 m x 6,18 m x 5,42 m ölçülerindeki bu yapıyı Hirshorn Museum’da halen görebilmekteyiz.

Wikipedia

Peki sanatsal bir akım olarak başlayan tensegrity sistemi, klasik fizik ve mühendislikte bizim için ne ifade ediyor ve buna nasıl bir tanımlama getiriyoruz?

Her ne kadar ilk tensegrity modeli olarak X-modülü ortaya çıkmış olsa da aslında modelde kullanılan bileşenlerin sistemin tanımına uymadığını söyleyebiliriz. En yaygın tanımıyla tensegrity şöyle izah edilebilir: Basma gerilimi altında bulunan elemanların, sürekliliği olan çekme gerilimi ağında, birbirinden bağımsız ve temassız bulunmasıdır.

Çekme ve basma gerilimleri altında bulunan rijit ve kablo elemanların oluşturduğu bu sistemler, basma kuvvetini karşılayabilecek demir, ahşap, cam vs rijit elemanlar olurken, çekme kuvvetini karşılayan kablolar ise çelik halat, lastik, ip vs. olup, bir araya geldiklerinde birbirine içsel olarak bağlı, bütünleşik güçlü bir yapı oluştururlar. Oluşturdukları bu yapılar aynı insan vücudunda bulunan kaslarımız ve kemiklerimizin birbiri içinde olduğu etkileşim gibi, herhangi bir tarafına etkiyen kuvvetin tüm sisteme iletilmesiyle bir bütün olarak tepki verip, birlikte çalışırlar; bir yerden uygulanan kuvvet sistemin başka bir tarafındaki gerilimleri arttırır; sistemi daha rijit hale getirip kuvvetlendirirken, bütünlüğünü güçlendirir.

Archdaily

Aslında tam olarak tanımına uymasa da bu sistemin özelliklerinden günümüze kadar kısmen faydalanmış, farklı mühendislik problemlerine dengeli çözümler üretmiş, bu sayede maliyetleri düşürürken işlevselliği arttırmış bulunmaktayız.

Bunlardan en yaygın olarak bildiğimiz bisiklet tekerlekleridir diyebiliriz. Yuvarlak saçtan yapılma ince bir cantın içine yayılmış çelik çubuklarların gerdirilmesi ile tüm çevresel kuvvetin merkezdeki çelik göbeğe taşınması ve bu sayede yuvarlak zayıf ve dayanıksız gözüken saçın güçlü, yük altında kolayca eğilip, bükülmeyen bir yapıya dönüşmesi bizi şaşırtabilir. Öngermeli olarak çalışan bu sistem, aslında tüm çepere etki ettirilen kuvvetler sayesinde yuvarlak saçın kendi iç gerilmelerini arttırmasıyla daha güçlü bir yapı elde etmesidir. Dışarıdan etkiyen bir kuvvet (ya da bir binici bisiklete bindiğinde) tekerleğin yani saçın tüm yüzeylerine iletileceğinden, tekerlek daha dayanıklı bir yapıya kavuşmuş olur, o yüzden zayıf ve hafif görünen bu saç ne eğilir ne de bükülür.

Bu mantığı yan yatırıp büyük bir ölçeğe taşırsak eğer; çelik halatlar ve çelik profiller sayesinde stadyum, alışveriş merkezi gibi bir çok geniş açıklıklı tavan sistemlerini düşük maliyetler ile tasarlayabiliriz. Bu yapılar konforumuzu arttırırken bir yandan zaman, maliyet ve yapım kolaylığı sağlayabilirler. Geniş açıklıkları kolonsuz ve desteksiz geçip kullanılabilir geniş alanlar elde edebiliriz.

Atlanta/Georgia’da 1992 yılında inşaatı tamamlanan futbol stadyumu bunun ilk örneklerindendir. Mimarisi Heery Internatıonal Thompson, Ventulett, Stainback & Ortakları, Rosser Fabrap International, Williams-Russel and Johnson şirketi ortaklığı tarafından yapılan, Weidlinger Asc. firmasının çatı sisteminin hesabını yaptığı bu stadyumun tavanı, cephesi boyunca tepesinde çepe çevre bulunan betonarme çerçevenin çelik halatlarla prizmatik bir dokuda alanı kaplayıp gerdirilerek öngerme verilmesinden ve üzerine örtülen teflon kaplama fiberglas örtüden ibarettir. Bu tavan sisteminin kendi ağırlığı 31kg kadar hafif olmasına rağmen 20 ton yüklü bir kamyonu taşıyabilecek kadar kuvvetli olması tarihte mühendislik alanında kırılan temel bir rekor olarak kayıtlara geçmiştir.^[11]

SitesGoogle

Aradan gecen 17 yılın ardından Avustralya Brisbane’de yapılan yaya köprüsü dünyanın en büyük hibrit tensegrity modeli olarak tasarlanmış ve 4 Ekim 2009’da kullanıma açılmıştır. Basmaya çalışan çelik çubuklar ve çekmeye çalışan çelik kabloların sinerjisi ortaya çok hafif bir yapı çıkartırken, inanılmaz şekilde kuvvetli bir yapı oluşturmaktadır. Sadece yatay çelik profiller tensegrity ilkesine uysa da fark yaratan dizaynı sayesinde 2011 Dünya Mimari Yarışmasında yılın dünya yapı trasformasyonu sağlayan köprüsü olarak değerlendilmiştir.

Wikipedia

Köprü, 18 modüler çelik platformun, 16 yatay çelik profil ve 20 çelik dik profil arasında kuvvetleri aktaran çelik kabloların taşıdığı 72 pre-cast döşemenin in situ dökülen betonlar ile yerlerine sabitlenmesiyle tamamlanmıştır. 80 adet ana galvaniz kaplı çelik kablonun, 252 yardımcı paslanmaz çelik kablo ile desteklendiği bu projede, dizayn ve yapım aşamasında görev yapan mühendislerin karşılaştığı en büyük zorluk; köprüyü oluşturan her bir parçanın bağlantılarını, havada belli bir konuma kolayca sabitleme imkanı olmadan yapmış olmalarıdır. Böylesine geleneklerin dışında yapılan, farklı yapısal metotlar ve tecrübe gerektiren bir inşaatın proje planında belirtilen sürede bitmesi projede yer alan ortakların büyük başarısıdır. Tüm yapısal zorluklara rağmen köprü tamamlandığında, teorik olarak hesaplanan değerin altında, 13 milimetre yatay yer değiştirme yapmıştır.

Sistemin yaygınlaşması önünde en büyük engel, amacımıza hizmet edebilecek değişik formların dizayn edilmesinin güçlüğü ve ortaya çıkartılan değişik mimaride yapıların, sahada uygulamasının yapılabilmesidir. Kurilpa köprüsünde sadece yatay elemanlarda kullanılan tensegrity sisteminin işleri ne kadar zorlaştırdığını düşünürsek, tam bir tensegrity uygulamasının dizayn, hesap ve saha montajının pratik bir şekilde yapılabilmesi için daha çok uygulama yapıp, tecrübe kazanmamız gerektiğini söyleyebiliriz.

Nihayetinde hayatımıza sanatsal çalışmalar ile giriş yapan tensegrity, yapısal olarak hem üniversitelerde hem özel sektörde algı yaratmış, bu konuda yatırım ve çalışmaların önünün açılması, ortaya fark yaratan, işlevsel ürünlerin çıkarılabileceği kanıtlanmıştır. Fakat tensegrity sistemler için geleneksel yapıların tasarımında destek aldığımız bilgisayar programlarının kullanmış olduğu sonlu elemanlar yaklaşımı ve lineer hesap modelleri, sadece üç boyuttan alınan simetrik ve iki boyutlu kesitlerin hesaplanmasında kolaylık sağlarken, kompleks ve formu net olmayan yapıların çözümüne uyarlandığında hatalar verebilmektedir.

Cignoni. 2017. Position-Based Tensegrity Design. ACM Trans. Graph. 36, 6,. Article 172

Farklı hesap yaklaşımlarının gerekliliği bazı kuruluşları harekete geçirmiş, yapılan çalışmalar sonunda ortaya tensegrity modele uygun çözümler üretilebilen yazılımlar çıkartılmaya başlanmıştır. Bu yazılımlarla yapılacak yapının kaba şekli ya da kaplayacağı alan oluşturulur. Bu geometrik şekil içinde çubuk ve kablolar ağında enstabil en uygun form bulunur. Bulunan bu form sadeleştirilerek uygulanabilir yapı oluşturulur ve üretim aşamasına geçilir.

Tensegrity Yapıların Artıları ve Eksileri

• Bu yapıların modüler olarak yapılabilmesi, bir bütünü oluşturan hücrelerin lojistik olarak nakliyatını kolaylaştırmaktadır.
• Birleşimde kullanılacak elemanların çelik olmasından ötürü, oluşacak hafif yapı özelliği üretim, nakliye ve montaj maliyetlerinin azalmasına sebep olacaktır.
• Sadece montaj ürünü olması sök-tak imkanı verdiğinden fuar, sempozyum vs. alan kullanımlarında birden fazla kuruluma imkan tanıyacaktır.
• Modelleme, sadece eksenel kuvvetler ile yapıldığından, son derece öngörülebilir hesaplar yapmamızı kolaylaştırmaktadır.
• Termal (ısıl) ve elektrik iletkenliği, mekanik işlevselliği sayesinde, yapılacak yapılara multi-fonksiyonel özellikler katılabilmektedir.
• Yapıların dayanıklılık ve rijitliği uygulanacak yükle doğru orantılı olarak ayarlanabilmekte ve istenilen dayanım, çevresel faktörlere göre ayarlanabilmektedir.

Bu saydığımız özelliklerin gerçek anlamda etkisi, anatomiden, heykeltaşçılığa, mimari ve robotik sistemlerden, oyuncak ve mobilya sektörüne büyük ölçekte olacaktır.

Sistemi uygulama alanlarımızın kısıtlı olması tamamen hesap sistemlerinde olan yetersizliğimizden ve sisteme yabancı olmamızdan kaynaklanmaktadır.

Sonuç

Elli yılı aşan çalışmaların olduğu böylesine farklı bir sistemin yapı sektöründe daha sık uygulamasının yapılması gerekirken, tamamlanan yapıların bir elin parmaklarını geçmeyecek kadar az olması ne kadar üzücü olsa da son yıllarda yapılan çalışmalar sistemin yaygınlaşması için ümit vaat etmektedir.

Şu ana kadar stadyum tavanlarında, fuar zeminlerinde ve köprülerde uygulamasının yapıldığı tensegrity yapı sistemleri, yazımızın başında giriş yaptığımız hikayedeki konut modeline çok uzak görünse de gelmiş olduğumuz şu noktada, hafif yapıların yapılmasına imkan tanımaktadır. Tasarımlarımızın hayata geçirilmesinin önündeki tek engelin hayallerimizin sınırı olduğu şu dönemde, ihtiyacımız olan şeyin değişime olan inanç ve girişilen işi tamamlayabilecek azim olduğu aşikardır. Robotik sistemlerden, uçuş mekaniğine devrim yaratacak olan tensegrity sistemi fırsatlarını, yapı sektörünün de yakalaması, yaratacağı uluslararası fayda düşünüldüğünde bir zorunluluktur.

Ne de olsa kendini yenileyemeyen, mazide kalmaya mahkumdur anlayışıyla, kuruluşların ve kişilerin, araştırmaları ve uygulamaları teşvik ederek sistemin yaygınlaşmasını sağlaması, uluslararası katkı oluşturmasının yanında, projelerde yer alan kurum ve kişilerin aynı zamanda daha rekabetçi kalarak varoluşlarını sürdürmesini kolaylaştıracaktır. Değişim zor ve acıdır; fakat gelişimin anahtarıdır.