Hibrit döşeme kirişleri: Tarihsel gelişim, tasarım örnekleri ve performans değerlendirmeleri

Abstract

Çalışmaya ilgili projeksiyonlara göre 2050 yılına kadar talep artışı yaşayacağı kesin olan yapı sektörünün ihtiyaçlarına mümkün olduğunca efektif karşılık verebilecek şekilde yenilikçi, hafif ve sürdürülebilir döşeme sistemleri tasarlamak üzere başlanmıştır. Hafiflik ve sürdürülebilirlik birbiri ile ilgili kavramlar olmakla birlikte, mimarlığın ve mühendisliğin geleceğine dair yapılan tüm projeksiyonlarda en çok öne çıkan kavramlardandır. Üstelik bu kavramlar estetik ve ekonomik çözümler ile birlikte düşünüldüğünde mimari tasarım açısından da optimal sonuçlar verilmesine katkı sağlamaktadırlar. İyi düşünülmüş yenilikçi yaklaşımlar mimari tasarıma yeni görsel/ işlevsel girdiler sağlayacak, hafifliği sayesinde kolay ve hızlı inşa edilebilirken kullanıcı güvenliğine azami özeni verebilecek, sürdürülebilir olmaları ile de artan taleplere karşılık vermeye çalışan sektör üzerindeki kaynak ve işgücü baskısını hafifletebilecektir. Yenilikçi sistemlere katkı sağlayacak bir çalışma yapabilmek adına öncelikle mevcut taşıyıcı sistemler üzerine araştırmalar yapılmış, sürdürülebilir ve hafif sistemler söz konusu olduğunda çalışmaya her iki amaca da hizmet etme potansiyeli barındıran ahşap sistemler ile devam edilmesinin daha uygun olacağı düşünülmüştür. Devam eden çalışmalarda, modern sistemlerde ahşap malzemelerin çelik elemanlar ile sıklıkla birlikte kullanıldığı görülmüştür. Çeliğin belirlenen hedeflere ulaşmakta yardımcı olabileceği kanısına varılarak ahşap-çelik hibrit (karma) eleman ve sistem araştırmalarına yönelinmiştir. Tez çalışmasının süre ve kapsamı dikkate alındığında, bir hibrit kirişin tasarım, dayanım ve sürdürülebilirlik performanslarına odaklanmaya karar verilmiştir. Böylelikle çalışmanın yol gösterebilecek ve devamı getirilebilecek seviyede olması hedeflenmiştir. Çalışma alanı ve kapsamı kararlaştırıldıktan sonra ahşap malzemenin gelişim süreci, kendine has özellikleri ve bunlara bağlı davranışları ile kullanım alanları incelenmiş ve edinilen bilgilere göre malzeme, eleman ve sistem ölçeklerinde kuvvetli ve zayıf yönler belirlenmiştir. Ahşap, en başta belirtilen hafiflik ve sürdürülebilirlik hedefleri için uygun bir malzeme olarak kabul edilse de uygun tasarım yöntemleri kullanılmadığında işlev göremeyecek duruma gelebilecek kadar düzensizlikler barındıran bir malzemedir. Örneğin ahşabın üretildiği ağacın morfolojik özelliklerinin analizi yapı elemanlarının şekil ve boyutlarını büyük bir hassasiyetle etkileyebilecektir; olası yanlış analizler bazen gereğinden büyük kesitlere yol açarak sistemi hafiflik ve sürdürülebilirlik hedeflerinden uzaklaştıracak, bazen ise kullanıcı güvenliğini tehlikeye atacak boyutta tasarım hatalarına neden olabilecektir. Tüm bu bilgiler ile ahşap taşıyıcı sistemlerin kendine özgü zayıf yönlerinin şimdiye kadarki modern ahşap taşıyıcı sistem tasarımlarında nasıl yönetildiği incelenmiştir. Bu sayede iyi çözümler analiz edilmiş ve eksik kalan yönlerin nasıl tamamlanabileceği üzerine fikirler üretilmiştir. Tüm bu süregelen analiz-sentez sürecinden sonra ön tasarımlara başlanmıştır. Araştırma ve tasarım süreci içerisinde çevresel ekonomiye dair veri ve istatistikler, gelecek senaryoları, üretim ve pazarlama konuları da öngörü ölçeğinde çalışmaya dahil edilmiştir, bu kavramlar açısından somut sonuçların paylaşılması gerekli görülmüştür. Yapılan araştırmalar kiriş tasarımlarına ve sonuç değerlendirme yöntemlerine girdi sağlamıştır. Tüm bu çalışmalar ışığında gerçekleştirilen bir dizi ön tasarım arasından analiz edilecek kiriş tasarımı kesinleştirilmiştir. Kiriş, başlıklarda ahşabın eksenel/eğilme dayanımından yararlanırken gövdede çeliğin kayma dayanımından faydalanma fikrinden yola çıkılarak hibrit şekilde tasarlanmıştır. Bu kiriş "hibrit kiriş" olarak anılmıştır. Hibrit kirişin fonksiyon ve dayanım açısından farklı varyasyonları üretilmiş, güçlendirme ve döşeme ile birlikte kompozit davranış senaryoları düşünülmüş, bunlar tamamen ahşap kirişlerle karşılaştırılacak şekilde de alternatifleri belirlenmiştir. Tasarlanan hibrit kirişin sürdürülebilirlik ve dayanıklılık girdileri kısmen literatürden sağlanabilmişken, dayanımı ile ilgili spesifik bilgi edinmek daha önce bu şekilde bir tasarım yapılmadığı için mümkün olmamıştır. Literatür araştırmalarından benzer kirişlerin dayanım/ davranış bilgileri edinilmiştir. Ancak tasarlanan her kirişin öncelikle ileri düzeyde yapısal olarak modellenmesi ve dayanım deneylerinin yapılması gerektiği açıktır. Bu çalışma süre ve kapsam açısından hesaplama kısmına kadar devam ettirilmiş, ileriki çalışmalara kapsamlı bir altlık ve yol gösterici olmuştur. Hibrit kirişin dayanım hesapları öncesi boyutlandırılabilmesi için literatürde kullanılmış yaygın boyutlardan yola çıkılmıştır. Bu yaygın boyutların Eurocode 3 ve Eurocode 5 standartlarında verilen ilgili bağıntılar ile değerlendirilebilmesi için Microsoft Excel programında interaktif bir hesap-tasarım kılavuzu oluşturulmuştur. Bu kılavuz, kirişin boyutları ve yükleme koşulları girdileri kullanılarak kirişin o koşullar altında taşıyabileceği yükü vermek amacıyla kullanılabilecek bir kiriş üreticisi olacaktır. Kirişin taşıyabileceği yük, mevcut laboratuvar çerçevelerinin ortalama maksimum yükü ve boyutları ile karşılaştırılmış ve ileriki deneylerde kullanılmak üzere elastik ve plastik evreler ile tam göçme gözlenebilecek şekilde son boyutlandırmalar yapılmıştır. Dayanım hesaplamaları öncelikle üç kirişin boyutlandırılması ile gerçekleştirilmiştir: - Birinci kiriş: Mekanik birleşimli ahşap kiriş - İkinci kiriş: Kaynaklı birleşimli trapezoidal çelik levha gövdeli kiriş - Üçüncü kiriş: Yapıştırıcı birleşimli ahşap başlıklı OSB gövdeli kiriş. Başta tasarlanan hibrit kirişin dayanım değerleri ilk iki kiriş üzerinden belirlenmiş ve uygulamada kullanılmakta olan benzer boyutlu üçüncü kiriş ile karşılaştırılmıştır. Sürdürülebilirlik çalışmalarının somut bir sonucu olarak ise kiriş başına gömülü karbon hesaplamaları yapılmıştır. Bu sonuçlar kiriş kütleleri üzerinden normalize edilerek daha uygun bir karşılaştırma zemini sağlanmış ve yine hibrit kiriş-üçüncü kiriş arasında gömülü karbon/dayanım/rijitlik üzerinden oluşabilecek anlamlı bağlantılar araştırılmıştır. Bir sektöre "yenilikçi sistemler" gibi görece büyük ölçekli bir girdi yaparken o sistemi yaygınlaştırmak adına tutarlı hedefler ve sonuçlar sunmanın önemli olduğu açıktır. Bu sorumlulukla yapılan girdinin olası dayanım, sürdürülebilirlik ve zamana bağlı dayanıklılık analizlerinin sonuçları önce olduğu şekliyle sunulmuş, sonrasında sektörün mevcut çözümleri ile belirtilen kavramlar üzerinden normalize edilerek karşılaştırılmış, diğer taraftan geliştirilmesi olası yönler de belirtilerek sürecin devamının optimize edilmesi hedeflenmiştir. Çalışmanın sonucunda ahşap ve çelik malzemelerin ortak kullanımıyla ortaya çıkan hibrit kirişlerin, malzemelerin benzer dayanım/ağırlık oranları ve kolay işlenebilirliği sayesinde iyi bir seçenek olabileceği görülmüştür. Bu sistemler hızlı ve hatasız üretilebilir, uzun ömürlü olabilir, mevcut elemanlara dikkate değer alternatifler olabilir ve günümüz yapı sektörünün döngüsel ekonomi vizyonuna katkı sağlayabilirler.