uzay kafes sistemler
Genel

Uzay Kafes Sistemler Nedir? Tarihçesi, Hesaplama Yöntemleri ve Üstünlükleri

Uzay Kafes Sistemin Tanımı ve Kullanım Amacı

Uzay kafes sistemler; düzlem veya eğri birbirine paralel iki çubuklar ağı ile bu ağların herbirinin düğüm noktalarını, diğer ağın bazı düğüm noktalarına bağlayan çubuklardan kurulu taşıyıcı düzenlerdir.

Son birkaç yüzyıldaki nüfus patlamaları nedeniyle, günümüzde gelişmiş toplumlarda ortaya çıkan hizmet çeşitliliği sonucu sosyal, kültürel ve eğlenceye yönelik işlevler artmıştır. Bu işlevler sonucu büyük açıklık gerektiren oditoryumlar, spor yapıları, uçak hangarları, endüstri yapıları v.b. yapıların kolonsuz olarak örtülmelerine ilişkin çalışmalar sürdürülmektedir. Sosyalleşme ve toplumsal yaşantı biçimleri geliştikçe büyük açıklıklı yapılara duyulan gereksinim artmakta ve dolayısıyla yeni taşıyıcı sistem türlerinin gelişimi zorlanmaktadır.

Toplumsal gelişimin beraberinde getirdiği büyük açıklıklı yapılar ve bunların örtülmeleri konusuna, artık günümüzde geleneksel olarak kabul edilen yığma ve iskelet sistemler yetersiz kalmaktadır. Şöyle ki; taşıyıcı duvar ve kolonların kullanıldığı açıklıkların basit yatay öğelerle geçildiği yığma taşıyıcı sistemlerde açıklıklar, doğal gereçlerin boyutlarına bağlı olduğundan sınırlı olmaktadır. Taşıyıcı ve örtücü işlevindeki öğelerden oluşan iskelet taşıyıcı sistemlerde ise ortaya çıkan hücresel çözümler mimari tasarımı büyük ölçüde ve olumsuz yönde etkilemektedir. Belirli açıklıklardan sonra çok ağırlaşan bu taşıyıcı sistemler, ekonomik olmayan boyutlara da ulaşmaktadır.

Bu nedenlerle büyük açıklıklı yapıların kolonsuz örtülmesi konusunda yapılan yeni taşıyıcı sistemlerin araştırılması sırasında asıl amaç, en az gereç kullanarak en hafif ve ekonomik sistemler ile, olanakların elverdiği ölçüde büyük açıklıkları örtebilmektir. Bu amacı gerçekleştirmek için basit basınç ve basit çekme gerilmelerini içeren taşıyıcı sistemler gerekmektedir.

Basit çekmeye ve basınca çalışan doğrusal çubuk biçimindeki öğeler ile, yükleri çok yönlü bir yayılım sonucu zemine aktaran Uzay Kafes Sistemler; strüktür alanındaki bilgi birikimi, taşıyıcı sistem çözümleme yöntemlerindeki ve teknolojideki gelişmeler sonucunda, boşluğun doldurulması ilkesine göre üretilmiş çağdaş taşıyıcı sistemlerdir.

Uzay Kafes Sistemlerin Tarihsel Gelişimi

Ahşap gereç kullanımı ile gerçekleştirilen çatı çözümleri, kafes sistemlerin ilk uygulamalarıdır. 17. yüzyılda körüklü fırının bulunması ile üretilen demir, daha çok yük taşıma, ateşe dayanıklılık, kolaylıkla biçim verilebilmesi ve ucuz elde edilebilmesi gibi özellikleriyle ahşap gerecin yerini almıştır. Daha sonraları ise demire oranla daha sağlam, daha hafif ve daha kolay işlenebilirliği ile çelik, kafes sistem uygulamalarında önemli bir rol üstlenmiştir.

Ancak statik hesaplamalardaki zorluklar, farklı açılardaki çubukların bir düğüm noktasında birleştirilmesi güçlüğü ve uygun kalitede gereç yokluğu gibi konstrüktif ve teknolojik zorluklar, uzay kafes sistemlerin gelişimini engelleyen başlıca etkenler olmaktaydı. 20. yüzyıl başlarında bu sistemlerin statik analizlerinin yapılması (August Föppl’ ün çubuklarda kurulacak sistemler içinde en stabil en küçük çokgenin bir üçgen, en küçük hacmin ise dört üçgenden oluşan dörtyüzlü olduğunu ortaya koyması, Le Ricolais’ in doğada bulunan kristaller ve moleküller ile uzay kafes taşıyıcı sistemler arasında ilişki kurması gibi) ve 1923 yılında unistrut, 1942 yılında mero gibi seri üretime imkan tanıyan sistemlerin ortaya çıkması ile bu zorluklar aşılmıştır. Sistemin gelişimi İkinci Dünya Savaşı döneminde bir duraklama süreci yaşamış, tam anlamıyla sistemlerin araştırılması ve modüllerin tekrarı ile yapıların oluşturulması son 50-60 yıl içinde gerçekleşmiştir. B.Fuller savaş sonrasında jeodezik strüktürlerin kuramını ortaya atmıştır. Makovvski’ nin teorik ve pratik -etütleri de, çubuklara gelen güçleri hesaplamaya olanak verecek metodların elektronik hesap makinasıyla çözümünü sağlamıştır.

Artık günümüzde bu sistemlerin hesabı bilgisayar yardımıyla kısa sürede yapılabilmektedir. Çok sayıda çubukları tek bir yerde birleştiren düğüm noktaları ve iyi çözümlenmiş patentli uzay kafes sistemleri dünyanın birçok ülkesinde geliştirilmiştir.

Uzay Kafes Sistemin Üstünlükleri

Uzay kafes sistemler, geniş açıklıkları kolonsuz olarak geçilebilmesinin yanısıra birçok olumlu özelliği de beraberinde getirir. Sistemin üstünlükleri:

  • Hafiflik,
  • Rijitlik,
  • Bir elemanın yetersizliği durumunda, bir mukavemet ihtiyatı sağlayan yüksek mertebeden hiperstatiklik yaratma olanağı,
  • Hemen hemen hiçbir eğilme elemanı bulunmaması nedeni ile malzemeden en uygun şekilde yararlanma imkanı,
  • Projelendirilmelerinde önemli ölçüde serbestlik,
  • Hazır yapım ve montaj kolaylığı,
  • Sökme ve değiştirme kolaylığı,
  • Sökülen malzemelerin tekrar kullanılma olanağı,
  • Vasıfsız işçiler ile süratle montajının yapılabilmesidir.

Bu nedenlerle, uzay kafes sistem kullanımı fonksiyonel, estetik ve ekonomik sonuçlar doğurmaktadır.

Uzay Kafes Taşıyıcıların Hesap Metodları

Uzay kafes taşıyıcı sistemlerin yüksek hiperstatiklik derecesi ve büyük sayıda düğüm noktaları göz önüne alınırsa, hiperstatik sistemlerin geleneksel hesap yöntemlerinin elektronik bilgisayarlara başvurmadan kullanılamayacağı anlaşılır. Uzay kafes sistemlerin çözümünde genel olarak matris-kuvvet, matris-deplasman ve sonlu elemanlar yöntemleri kullanılmaktadır. Statik hesaplarda göz önüne alınması gereken yük kriterleri şunlardır:

a. Zati Yük

-Uzay kafes sistemi

-Aşık sistemi

-Kaplama

b. Hareketli yük

c. Servis yükleri

-Aydınlatma

-Havalandırma

-Temizlik

-Kedi yolları

-Asma tavanlar

-Tesisat yükleri

-Noktasal tekil yükler

d.Kar yükü

e.Rüzgar yükü

f.Deprem etkisi

g.Sıcaklık etkisi

Bu bölümde matris-deplasman ve sonlu elemanlar yöntemleri hakkında bilgi verilecektir.

Matris-Deplasman Metodu

Sistemlerin hesabının amacı, dış etkilerden meydana gelen iç kuvvetlerin deformasyonlarının ve deplasmanlarının hesaplanmasıdır. Her elemanın üzerinde bulunan düğüm noktalarındaki iç kuvvetlerin bileşenlerine uç kuvvetleri, deplasmanların bileşenlerine uç deplasmanları denir.

Matris-deplasman metodunun amacı, sistemlerde dış etkilerden meydana gelen uç kuvvetleri ile uç deplasmanlarının bulunmasıdır. Çünkü bunlardan hareketle tüm iç kuvvetler ve deplasmanlar bulunarak sistemin hesabı tamamlanabilmektedir,

Dış etkilerden meydana gelen uç kuvvetleri ile uç deplasmanlarının aşağıdaki üç şartı sağlaması gerekmektedir:

a.Denge şartları

-Düğüm noktalarının denge denklemleri,

-Elemanların denge denklemleri,

b.Geometrik uygunluk şartları

-Her düğüm noktasında birleşen elemanların o noktadaki uç deplasmanlarının birbirine eşit olması.

Hesaplarda:

-Şekil değiştirmelerin elastik olduğu,

-Çubukların prizmatik ve simetrik en kesitli oldukları,

-Dış kuvvetlerin, düğüm noktalarına uygulandığı varsayılır.

Rijit düğüm noktalı sistemler ve düğüm noktaları mafsallı sistemler için ayrı ayrı hesap yapılsa da, kullanılan bağıntılar aynıdır. Ancak düğüm noktaları mafsallı sistemlerde, yerel üçlü eksen takımı (x, y ve z)’ nın y ve z eksenleri işe karışmadığından hesaplar büyük ölçüde basitleşmektedir.

Sonlu Elemanlar Yöntemi

Sonlu elemanlar yönteminde, sürekli bir sistemi problemin karakterine uygun sonlu elemanlara ayırarak elde edilen elemanlar üzerinde iç ve dış kuvvetlerin enerjisinin minimizasyonu ve sonra bu elemanların birleştirilmesi ile sonuca gidilmektedir. Bunun sonucu olarak mesnet şartları sisteme ait özellikler, dış yüklerin sürekli ya da ani değişimleri kolayca göz önüne alınabilir. Dolayısıyla sonlu elemanlar yöntemi analitik metodlar ile çözülemeyen karışık problemlere uygulanabilir. Yüzeysel sistemin tipik bölgelerinde eleman boyları küçültülerek o bölgenin daha prezisyonlu incelenmesi mümkün olur. Diğer bir avantajı da sınır şartlarının problemin çözüm sırasına göre en son adımda hesaplara dahil edilmesidir. Böylece çeşitli sınır şartlarını probleme uygularken baştaki yoğun hesaplara girilmez. Yapının geometrisine uygun olarak elemanın şekli bir, iki veya üç boyutlu olabilir. Elemanın sınırları düz veya eğri çizgi olabilir. Eleman boyutları küçüldükçe problemin hata oranı azalmakta, ancak çözüm süresi uzamaktadır. Sistemi oluşturan elemanların herbirine sonlu elemanlar denir ve birleştikleri köşe noktalan da düğüm noktaları olarak adlandırılır. Sonlu eleman yüzeyinin şekil değiştirmesi düğüm noktalarının deplasman parametrelerine bağlı olarak ifade edilir.

 

Kaynak:
Mimar Yeşim Gülsün
http://hdl.handle.net/11527/11527

Paylaşmak Güzeldir

Bunlar da hoşunuza gidebilir...

Bir cevap yazın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir