Kafes strüktürler, çekme kuvvetine karşı direnç gösteren gergi çubuğu ve basınç kuvvetine karşı direnç gösteren dilmelerin mafsallı ve üçgen formlar şekline getirilmesiyle oluşmaktadır. Meydana getirilen bu taşıyıcı sistemlerde oluşan kuvvetler çubuk eksenleri doğrultusundadır. Çubuk ve düğüm noktalarında eğilme momenti veya kesme kuvveti oluşmamaktadır. Üçgenlerden oluşan taşıyıcı sistemler; kablolar, makaslar, uzay kafesler ve jeodezik kafesler olarak ayrılmaktadır.
Eşkenar bir üçgenin stabil geometrisi, kafes sistemin geometrik davranışının temelini oluşturmaktadır. Üçgen bir şekil, ancak kenar uzunlukları değiştirilecek olursa kararlılığını kaybetmektedir. Kenar uzunlukları eşit ve birbirlerine mesnetlenmiş üçgen sistem, basınç ve çekme kuvvetlerine karşı şeklini korumaktadır. Diğer çok kenarlı geometrik şekiller, formlarını koruyabilmek için bir veya birden fazla rijit noktaya ihtiyaç duyarlar.
Kablo Destekli Sistemler
Çelik halatlar, çelik ince germe çubukları ve kablo askılı strüktürel sistemlerde kullanılan elemanlara birer örnek oluşturmaktadır. Kablo askılı strüktürel sistemlere en basit örnek tek bir noktadan asılmış sistemlerdir. Ağırlık bağlantı noktasına etki etmektedir. Ayrıca bu noktaya bağlı olan kablonun gerilmesine yol açmaktadır. Kablolar ile iki noktadan desteklenmiş sistemler, tek noktadan bağlı sistemlerden daha kullanışlıdır. Bu sistemlerde desteklenecek olan yük sistemin tam ortasındadır. Bu nedenle kablolarda oluşacak olan gerilme yükün yarısı kadardır. Bu tipteki strüktürel sistemlerde kablonun ağırlığı, taşınan yükün ağırlığı yanında önemsenmeyecek kadar azdır. Çelik kablolar, taşıyıcı sistemde "V" şeklini alacak şekilde monte edilirler. Kablolarda oluşan çekme kuvvetinin büyüklüğünü, direnç gösterilen yük ve kabloların zemin ile bitişik olan eğimi etkilemektedir.
Önerilen Makale: Çelik malzemeler ve uygulamaları hakkında detaylı bilgi almak için
karbon çelikleri fiyatları sayfamızı ziyaret etmenizi tavsiye ederiz.
Kablo askılar birbirlerine yakın ve kablonun eğimi dik ise, kabloda oluşan çekme kuvveti yaklaşık yükün yarısına eşit olmaktadır. Bunun terli olarak eğer desteklerin arası geniş ve kablonun eğimi yatay çizgiye yakın ise, kablodaki çekme kuvvetinin büyüklüğü artmaktadır.
Kablo askı sistemli yapılarda amaç, çatıyı çelik kablolar yardımıyla bir dikmeye asarak strüktürel sistemi oluşturmaktır. Kablo askılı yapı strüktürleri, yatay açıklıkların üzerindeki çatıyı, yüksek bir dikmeden destek alan diagonal kablolarla taşmaktadırlar. Kablo, terim olarak esnek ve eğilme rijitliği olmayan bağ anlamında kullanılır.
Kablo askılı strüktürlerde, dikme temele rijit olarak bağlanır. Dikmeye etki eden yanal kuvvetlere karşı ek kablolar zıt yönlere yerleştirilerek denge sağlanmaya çalışılır. Daha geniş asma sistemlerde destekler arasına simetrik olarak yerleştirilen çelik kablolar dilmelerde oluşan yanal yükleri dengeler ve momenti minimuma indirir.
Kablo askılı sistemlerde kablo bir gergi elemanı durumundadır ve kendi ağırlığından kaynaklanan eğrilik dikkate alınmazsa kablo düzdür. Bu sistemler çekmeye çalışarak taşıma kapasitesini ve açıklık geçme oranın büyük ölçüde arttırmaktadır.
Kablo Destekli Sistemlerin Sınıflandırılması
Kablo askılı sistemlerin özelliklerinin daha iyi anlaşılabilmesi için ilk önce çeşitlerinin analizinin yapılması gerekmektedir. Kablo askılı sistem yapılar çok çeşitli şekiller ve büyüklüklerdedir. İlk görünüşte dikmeler, kablolar ve çatı kirişleri göze çarpmaktadır. Kablo askılı strüktürel sistemler, yapısal sınıflandırma içerisinde dikmeler, kablolar ve çatı kaplama elemanları arasındaki konum ve ilişki esas alınmak üzere ayırımları yapılmaktadır. Ayrıca kablo askılı sistemlerde kullanılan taşıyıcı elemanlar, mekanların strüktürel özelliklerini ve konseptlerini belirleyici niteliktedir. Bu yaklaşım mimarların, mühendislerin mekansal ve strüktürel düşüncelerin mekan, form ve taşıyıcı sistemin bütünleşmesi olarak yansımasıdır.
Sınıflandırmanın temelini hücresel birimler oluşturmaktadır. Bu sınıflandırmaya dikmeler, kablolar ve çatı kirişlemeleri de dahil edilebilmektedir. Bu hücrelerin sınırlarını, duvar ve dikme gibi fiziksel elemanlar oluşturmaktadır. Dolayısıyla bu yapısal elemanlar hücrelerin geometrisini meydana getirmektedirler.
Bu hücresel birimler bir veya daha fazla dikme ile değişik kategoriler oluşturmaktadır. Bu kategoriler iki alt kriter içerisinde toplanmaktadır. Birincisi geometrik farklılıklardır. Örnek olarak dikdörtgen formlar, kullanılan dilmelerin sayıları ve konumlandırılmalarına göre sınıflandırılmaktadır. Dikmenin, dikdörtgensel formun sonunda veya kenarlarında kullanılması sistemi başka bir kategoriye sokmaktadır. İkincisi bu hücrelerin değişik dikdörtgen düzlemler içerisindeki tekrarıyla çoklu hücresel sistemlerin ortaya çıkmasıdır.
Makaslar / Kafes Kirişler
Statik dengeyi koruyarak üzerine etkiyen sabit veya hareketli yüklerin eksenel çekme ve basınç kuvvetleri ile kavrayan çubuk elemanların bir düzen içinde bir araya geldikleri taşıyıcı sistemlerdir.
Makas sistemler, çubuk ve düğün noktalarının üçgen bir form düzeni içerisinde bir araya gelmelerinden oluşmaktadır. İki düğüm noktası arasında kullanılan çubuklar doğru eksenli ve sabit en kesitlidir. Düğüm noktalarında, çubuk eleman en kesitlerinin ağırlık merkezlerinden geçen doğrular bir noktada kesişmektedir. Makas sistemlerde çubuk ve düğün noktası birleşimlerinde perçin, bulon ve kaynak kullanılmaktadır.
Makas sistemlerde, yükler yalnızca düğüm noktalarına etki etmektedir. Bu noktaların üzerine etki eden yükler, üçgen oluşturulan çubuklar tarafından taşıyıcı sistemin tamamına dağıtılmaktadır. Bu üçgenler, basınç veya çekme kuvvetlerinin etkisi altındadır. Makas sistemlerde oluşan kuvvetler moment ve kesme kuvveti şeklinde olmamaktadır. Bazı eğme kuvvetleri sistemin üzerine dağılan yüklerin, sistemin birleşme noktalarında oluşturduğu sürtünmeden ortaya çıkmaktadır. Fakat bu kuvvetler eksenel kuvvetlerin yanında küçük bir büyüklüğe sahip olup genellikle analitik hesaplamalarda göz ardı edilmektedir.
Bir makas sistemin en küçük geometrik öğesi üçgendir. Üçgen strüktürel parçalar, üzerine etki eden kuvvetlere karşı çok dayanıklıdır. Ayrıca bütün çokgenler üçgen gibi stabil bir forma sahip değildir.
Eğer kablo iki ucundan kaymayacak şekilde destekleniyorsa yatay tepki karşılanmaktadır. Destek veren noktaların bir tanesi mafsallı, diğeri hareketli ise sistem dengede değildir. Her iki destek dikey kuvvetlere karşı direnç gösterir. Fakat hareketli birleşim noktaları yatay kuvvetlere direnç göstermemektedir. Hareketli destekler kablodaki yatay kuvvet oranına göre yer değiştirmektedir. Sistem mafsallı ve hareketli bir desteğe asılmıştır. İki destek arasındaki payanda basınç kuvvetine karşı direnç göstermektedir.
Eğilme momentine karşı makaslarda oluşan direnç kuvveti, makasın alt ve üst kısmındaki çubuklarla sağlanmaktadır. Bu çubuklar birbirlerine diagonal elemanlarla bağlanmaktadır. Üst çubuk basınç kuvvetlerine karşı, alt çubuk ise çekme kuvvetlerine karşı direnç göstermektedir. Bir makam derinliği moment kolum oluşturmaktadır. Makasın alt ve üst çubukları arasında kalan kısmı boş olduğundan her zaman aynı yükü taşıyabilen, aynı açıklığı geçen dolu bir kirişten daha hafiftir.
Makas Sistemlerin Sınıflandırılması
Makasların şekilleri, basınç ve çekme kuvvetlerine karşı direnç gösteren elemanların çeşitli üçgen biçimlerde bir araya gelmeleriyle oluşmaktadır. Şekilde basit makas formuna etki eden kuvvetler, bu formun gelişimi ve daha kompleks elemanların ortaya çıkışı gösterilmektedir. Kullanılan bütün birleşimler mafsallıdır. Ters çevrilen makaslarda dikmeler gergi çubukları, gergi çubukları da dikmeler haline gelmektedir. Ayrıca strüktürel elemanlara etki eden kuvvetler, zıt kuvvetler olarak değişmektedir.
Düzlem makaslar, çeşitli iç çubuk bölünmeleri ve dış şekilleri arasında yapılacak olan kombinasyonlarla farklı geometrilerde üretilebilirler. Düzlem makaslar üçgen, dikdörtgen, eğrisel veya merceksi (makasın üst ve alt çubukları eğri) olarak biçimlendirilmektedir. Şekillendirilmiş bu makaslar, küçük üçgen parçalara bölünmektedir. Bütün bu küçük üçgen parçalar birleşim noktalarından dolayı kesintili bir yapıya sahiptir.
Makaslar, eğimli çatılar için çok uygun bir strüktürel sistemdir. Bu sistem kullanılarak çatılarda dolaylı aydınlatma yapılabilmektedir. Ayrıca makas sistem çok büyük açıklıklarda kullanılabilmektedir. Örnek olarak Severin köprüsünde kullanılan makaslarla 300 m açıklık geçilmiştir. Fabrikalar ve spor alanları düz makasın en çok kullanıldığı yerlerden bazılarıdır. Bununla beraber makasları yangına karşı yalıtmak ekonomik açıdan çok masraflıdır. Bu nedenle yangın yalıtımı gereken binalarda makas sistem kullanılmaktadır.
Düzlem makaslar iki boyutlu, uzay kafes makaslar üç boyutlu şekle sahiptirler. Düzlem makas ve uzay kafes makas sistemler tek bir yönde açıklık geçebilmektedir. Makas sistemlerden ayrı bir sistem olan uzay kafes çatı sistemlerde yük her iki yönde taşımaktadır.
Uzay Kafes Sistemler
Uzay kafes strüktürler, çekme kuvvetine çalışan doğrusal çubuk biçimindeki öğelerle, yükleri çok yönlü bir yayılım sonucu zemine aktaran, boşluğun organize edilmesi ilkesine göre üretilen çağdaş strüktür sistemleridir.
Uzay kafes strüktür, büyük açıklıkların yatay düzlem çatı ile kaplanmasında sıklıkla kullanılmaktadır. Ayrıca uzay kafesler büyük açıklıklı mekanların üzerinde eğimli olarak da yerleştirilebilmektedir. Teknolojinin ilerlemesiyle birlikte bu sistem 100 m'yi geçen açıklkları örtebilmektedir. Sistemin en geniş kullanım alanları, spor salonları, uçak hangarları ve endüstri yapılandır. Ayrıca fuarlarda dev boyutlardaki pavyonların taşıyıcı sistemleri de uzay kafeslerden yapılmaktadır.
Uzay kafes sistemlerin yapım tekniklerinin gelişmesiyle birlikte, bu taşıyıcı sistemlerin montajı kolaylaşmıştır. Sistem yerde kurulup, vinçlerle yerine monte edilebilmektedir. Hatta montaj işlemi çatı örtüsü hareket ettirilmeden yerinde yapılabilmektedir. Sistem prefabrike parçalardan oluşmaktadır. Bu nedenle gerektiğinde sökülüp başka yerlere taşınabilmektedir.
Uzay kafeslerin montaj kolaylığı, kalıp ve iskele ihtiyacının olmaması inşaat maliyetini azaltmaktadır. Ayrıca uzay kafes sistemler, diğer taşıyıcı sistemlere nazaran çok hafif strüktürel sistemlerdir. Bu nedenle taşıyıcı sistem öğeleri ve temeller daha az bir maliyet ile inşa edilebilmektedir. Buna karşın uzay kafes sistemlerin düğün noktaları bileşenlerinin üretimi ve tasarım hesaplarının uzun sürmesi ile birlikte yüksek iş gücü gerektirmesi yapının maliyetini arttırıcı faktörlerdir.
Uzay kafes strüktürler, değişik formlarda inşa edilebilmektedir. Düzlem yüzeyler, tonoz ve kubbe biçimleri uzay kafes ile yapılabilmektedir.
Uzay kafes sistemlerin ekonomik derinliği %5 kadardır. Açıklık geçilen sistemde konsol kullanılmışsa, uzay kafesin derinliği bu konsolun %11 'i kadardır. Uzay sistemlerde ekonomik modül boyutu, geçilen açıklığın %7 veya %14 'ü kadardır.
Bu sistemler ile makas aşık sistemler karşılaştırıldığında, uzay kafeslerin iki veya daha fazla doğrultuda yük taşıdıkları görülmektedir. Bunun tam tersi olarak iki boyutlu makas sistemler tek bir yönde açıklık geçebilmektedir.
Uzay kafesler, etkili ve güvenilir strüktürel sistemlerdir. Taşıyıcı sistemi oluşturan her bir elemanın mukavemeti ile doğru orantılı olarak üzerlerine kuvvetler etki etmektedir. Uzay kafesin güvenliği, sistemden birkaç strüktürel elemanın eksilmesiyle değişmez. Sadece bazı kuvvetlerin yönü değişir. Diğer elemanlar, dirençleri ile doğru orantılı olarak eksilen strüktürel elemanlara etki eden kuvvetleri paylaşmaktadır. Üzerine direnç gösterebileceği kuvvetten daha büyük bir kuvvet etki ederse, bu sistemlerin dayanıklılığı ve emniyeti belli bir dereceye kadar devam etmektedir.
Uzay Kafes Sistemlerin Sınıflandırılması
Uzay kafes sistemler, düzlem yüzeyli ve eğri yüzeyli olmak üzere iki gruba ayrılmaktadır. Ayrıca uzay kafes strüktürler bir, iki ve üç tabakalı olarak da incelenebilmektedir.
Tensegrity ise; üç boyutlu uzay kafes konstrüksiyonun, kablolar ve destekler ile uygulandığı bir sistemdir. Bu nedenle taşıyıcı sistemlerin sınıflandırılmasında uzay kafeslerin içerisine girmektedir.
Düzlem Yüzeyli Uzay Kafesler
Düzlem yüzeyli uzay kafes, iki koordinatta açıklık geçebilen üç boyutlu makas sistemdir. Uzay kafes sistemi oluşturan elemanlar basınç veya çekme kuvvetinin etkisi altındadır. Kafes sistem, rijit birleşimlerle bağlanmış strüktürel elemanlar anlamına gelmektedir. Fakat uzay kafes rijit ve mafsallı birleşimlerin kullanılabildiği bir sistemdir.
Kafes sistemde bulunan üçgen geometriler, uzay kafes sistemlerde rijit piramitler şekline dönüşmektedir. Bu piramidal birimlerin yan yana kullanılmasıyla bir bütün olarak çalışan düz yüzeysel strüktürler elde edilmektedir. Bu yüzeysel strüktürler kare, dikdörtgen, poligon ve daire şeklindeki mekanlara uygun biçimlerde yapılabilmektedir.
Uzay kafes strüktürel sistemlerde birbirine benzer tekrarlanan modüller kullanılır. Bu modüllerin üst ve alt yüzeyleri birbirlerine paraleldir. Bunlar, dört kenarlı, üç kenarlı ve çok yüzlü piramitler olarak kullanılmaktadır.
Tensegrity Sistemler
Tensegrity, kablolar ve desteklerden oluşan üç boyutlu strüktürel bir sistemdir. Bu strüktürde kablolar devamlıdır. Fakat dikmeler tekildir. Hiçbir dikme bir başka dikmeye değmemektedir. 1948 yılında Heykeltıraş Kenneth Snelson tarafından icat edilmiştir.
Buckminster Fuller tarafından 1960 yılında geliştirilmiş ve patent alınmıştır. Bu strüktürel sistemin dayanıklılığını ve stabil oluşunu, sistemi oluşturan kablo ve onları dengeleyen dikmeler sağlamaktadır. 1961 yılında Fuller tensegriti sistemine, rüzgar kuvvetinin oluşturduğu titremeye dayanıklı hafif bir çatı strüktürü olarak patent almıştır. Bu patentin pratik alanda geniş çapta uygulaması David Geiger tarafindan sağlanmıştır. David Geiger, Fuller'in üçgensel oluşumlarını değiştirmiş, onun yerine dikmeleri ve kabloları birbirlerine dik olarak yerleştirmiştir. Böylelikle strüktürel sistemde oluşan kuvvetler basitleşmiştir.
Jeodezik Kubbeler
Jeodezik kubbeler küresel bir uzay kafes sisteme sahiptir. Jeodezik kubbe sistem, devamlı çekme veya basınç kuvvetinin etkisinde olan çizgisel strürüktürel elemanlardan oluşmuştur. Bu elemanlar, genellikle düz çubuklar şeklinde ve jeodezik yayların kirişleri durumundadır. Uzay kafes kubbeleri oluşturan çizgisel taşıyıcı elemanların araları plastik veya metal gibi malzemelerle kaplanabilmektedir. Jeodezik kubbeler, bir veya daha çok kenarlı bir prizmanm yüzeylerinin tekrar eden bölünmelerinden elde edilen formlara göre tasarlanmaktadır. Bu modüler yüzeylerin tekrar eden bölünmelerine frekans adı verilir. Modüler yüzey şekilleri, dört, altı, sekiz, on iki ve yirmi kenarlı prizmalara dayanmaktadır. Bu prizmaları oluşturan geometrik şekillerin kenar uzunlukları aynıdır.
Üçgen şekiller stabil bir forma sahiptir. Bu nedenle üçgen şekiller birçok jeodezik kubbenin temelini oluşturmaktadır. Üçgen yüzeylerin sık bir frekansta kullanımları, kubbelerin yüzeylerinin daha pürüzsüz olarak görünmelerini sağlamaktadır.
Kafes elemanlar yükleri temellere eksenel, basınç ve çekme kuvvetleri olarak iletmektedir. Yarım kare şeklindeki kubbenin düzgün ve eşit yüklenmesi için, kubbenin üst yüzeyindeki strüktürel elemanların basınç kuvvetinin etkisi altında, üst yatay çizginin hemen altında olan elemanların çekme kuvvetinin etkisi altında, tabana yakın olan elemanların ise basınç kuvvetinin etkisi altında olmaları gerekmektedir.
Kubbelerin şekilleri, temelde oluşabilecek olan tepki kuvvetlerinin yönlerini değiştirir. Yarım küre kubbeler taban düzlemiyle 90°'ye yakın bir şekilde bulunmaktadır. Yatay düzlemde paralel bir alt çizgiye sahiptir. Az sayıda yüzey kafes ünitelerden oluşur.
Çeyrek—küre boyutundaki kubbeler, yaklaşık olarak yarım kürenin yarısı yüksekliğinde olmaktadır. Ayrıca beş noktadan tabana temas etmektedir ve bu noktalardan destek almaktadır. Bu kubbelerin taşıyıcı sistemlerinde, büyük bir makas ve bu makası destekleyen basınç çemberinin kullanılması gerekmektedir.
Yarım kürenin dörtte üçü boyutundaki kubbeler çeyrek-küre kubbeler gibi beş noktadan desteklenmektedir. Taşıyıcı sistemin iç kısmında kullanılacak olan makas sistem kabuğun şekline uygun olmalıdır.
Yükler jeodezik sistem tarafından desteklenmektedir. Jeodezik uzay kafes sistemlerde alt ve üst katmanlardaki çubukların uzunluğu fazla, bu çubukların arasındaki üçgen geometrik şekillerin sıklığı az ise kafes derinliği büyük olmaktadır. Jeodezik sistemdeki üçgen geometrik şekillerin sıklığı arttırılırsa kafes sistemin derinliği azalmaktadır. Aynı zamanda bu kafesin derinliği konsantre yüklerin büyüklüğü ile ilgilidir. Geniş kubbelerde yüklere karşı kullanılan kafesin derinliği artırmaktadır. Ayrıca bu kubbelerdeki kafeslerin alt ve üst katmanlardaki çubukları çift kullanılmaktadır.
Jeodezik Kubbelerin Sınıflandırılması
Jeodezik kubbeler gerilmiş yüzeyli, tek ve çift katlı olmak üzere üç gruba ayrılmaktadır.
Tek ve Çift Katil Kubbeler
Tek katlı jeodezik kubbeler, hiçbir yüzey derinliği olmayan strüktürel yapılardır. Büyük açıklıklarda mafsallı çubuk birleşimleri stabil olmadığı için düğüm noktaları rijit hale getirilmekte veya ek destek ve gergilerle sisteme kararlılık kazandırmaktadır.
Gerilmiş Yüzeyli Kubbeler
Kubbelerin tasarımlarında, kaplamanın dayanıklılığının ana strüktürel sisteme hiçbir destek sağlamadığı varsayılır. Buckminster Fuller'in jeodezik kubbeleri, taşıyıcı sistem ve yüzey kaplamasından oluşmaktadır. Bu elemanlar birbirlerinden ayrı şekilde monte edilmektedir.
Donald Richter, Fuller'in tasarladığı jeodezik kubbe taşıyıcı sistemini temel alarak gerilmiş yüzeyli kubbeleri geliştirmiştir. Bu kubbelerde iskelet ve yüzeyi oluşturan kaplama malzemesi tek bir strüktürel eleman olarak hareket etmektedir. Richter'in kubbesinin temel ünitesi alüminyum panellerin elmas formunda kullanılmasıdır. Bu sistemde, yüzeyi çapraz bir şekilde geçen alüminyum çatı göğüslemeleri bulunmaktadır. İskelet ve yüzey malzemesini birleştirerek, Richter yüzey malzemesinin strüktürel gücünü kullanmıştır. Bu fikir uçak kanadının dizaynında kullanılan temel konstrüksiyon prensiplerine dayandırılmıştır. Bu paneller değişik boyutlarda üretilebilen nakliyesi kolay elemanlardır.
