Özgün cam düğüm noktalarına sahip kablo-ağ cephelerin geliştirilmesi, tasarımı ve testi

Çalışma mimarlık teknolojisi ve mimarlık felsefesi konularını baz alarak rüzgâr yükleri etkisi altında bir kablo-net cephe tasarımı ve bu cepheler için özgün bir birleşim elemanı tasarlama, geliştirme, üretme ve test etme süreçlerine odaklanmıştır. Çalışmanın amacı, kapsamı ve beklenen çıktılar 1. Bölüm'de açklanırken, çalışmanın niteliğini arttıracak öğeler, kavramsal bağlamda cephenin mimari bir ''söylem'' haline gelme durumu ve hafif strüktürel sistemlerin kısa tarihi 2. Bölümde tartışılmış, 3. Bölüm strüktürel cam cephelerden biri olan kablo-ağ cephelerin teknik analizi üzerine yoğunlaşmıştır. 4. Bölümde ise ileriki çalışmalar için Çatalca'da bulunan Facade Testing Institute (FTI)'da sonradan gerçek boyutta inşa edilmesi planlanan, bir kablo-ağ cephe tasarlanmış ve etkin yükler altındaki davranışları hesaplanmıştır. 5. Bölüm'de kablo-ağ cam cephe için tasarlanmış olan ''Cam Tutamaç''ın mimari tasarımı, dijital strüktürel analizleri, prototip geliştirme süreçleri, gerçek malzemelerle ''Cam Tutamaç''ın üretimi ve 2 fazdan oluşan test süreci anlatılmıştır. 6. Bölüm olan sonuç bölümünde ise tüm çalışmanın çıktıları, olumlu ve olumsuz yönleri açıklanmıştır. Çalışmanın ana amaçları cephe tasarımının mimari tasarımdaki rolünü anlamak, kablo-net cephelerin strüktürel tasarımına hakim olmak, kablo-net cephelerin transparanlık (saydamlık) yüzdesini arttırabilecek bir komponent tasarımı gerçekleştirmek, kablo-net cephelerin tektoniğini kavramak, cam-metal kompozitler hakkında özlü bilgi vermek ve bunu komponent tasarımına yansıtarak etkin yüklere karşı yeterli dayanıma sahip olan bir ''Cam Tutamaç'' tasarlamak, geliştirmek, üretmek ve dayanım testlerini gerçekleştirmek olarak tanımlanabilir. Bu bağlamda tezin ileriki bölümlerinde literatür araştırmaları yapılmış ve araştırmalar sonucunda ortaya çıkan bulgular tasarım süreçlerine yansıtılmıştır. Literatür araştırması cephede transparanlık ve bunun iç-dış ile ilişkisinin kurgulanmasını, bu kurguda kablo-net cephenin bir ara mekân olarak potansiyellerinin belirlenmesini, bir kablo-net cephenin tekrar kurgulanması üzerine geliştirilen kavramsal bir komponent tasarımı metodolojisini, mimari akımların cephe tasarımına olan etkilerini ve Frie Otto odağında hafif strüktürlerin kısa tarihini kapsamaktadır. Ayrıca kavramsal tasarım ve yapı teknolojisi arasındaki ilişkiler çapraz okumalar ile güçlendirilmiş, mimarlık felsefesi ve yapı teknolojisi arasındaki yadsınamaz ilişkiler cephe ve komponent tasarımı üzerinden tekrar kurgulanmıştır. Bu kurgu özellikle bir sistemi, yapıyı ya da bir yapı bileşenini elementlerine ve-ya da iç boyutlarına ayırarak (dekompozisyon) element bazında bir sistemin potansiyellerini araştırmak üzerine odaklanmıştır. Bu potansiyeller hem fenomolojik bağlamı hem de teknolojik gelişmeleri ve bu gelişmeleri sistemlere ya da yapı bileşenlerine entegre etmeyi içinde barındırmaktadır. Kablo-net cepheler fenomolojik olarak ele alındığında transparanlık yüzdesi diğer cephelerden oldukça yüksek bir yapı elemanı sunmaktadır. Bu transparanlık yalnızca fiziksel olarak değil alt anlamlarıyla da yapı elemanını mimari olarak diğer cephelere göre daha farklı değerlendirmeye olanak sağlar. Transparanlık katmanlar arası ilişiklerin muğlaklaştığı iç-dış arasındaki ilişkilerin tekrar kurgulandığı bir sistemi temsil etmeye başlar. Bu nitelikli mimari ilişkileri içinde barındıran mimari öğeyi (cepheyi) detay tasarımı özelinde ele alıp teknolojiyi kullanarak geliştirmek hem mimari kavramsal tasarıma hem de yapı teknolojilerine katkı sağlayan bir süreci tanımlamaktadır. Bu bağlamda dekompoze edilmiş olan sistemler, farklı yapısal detaylar, farklı ve yenilikçi malzemeler ile tekrar tekrar bir araya getirilerek (rekompoze edilerek) tasarlanabilir ve bu tasarı yapı teknolojileri gerçeklenebilir hale gelir. Tüm bunların yanı sıra, modern mimarlık tarihi bu kavramsal yaklaşımların mimarlık pratiğindeki karşılıklarını kavramada oldukça önemli bir rehberdir. Modernizmle birlikte cephenin özgürlüğü mottosu yükselmiş, cephe taşıyıcı sistemden bağımsız hale gelerek kendi mimari artikülasyonlarını türetmeye başlamıştır. Ardından gelen postmodernizm ise modernizmin aksine cepheyi imgeleri temsil eden bir araç olarak ele almış ve gerektiğinde geleneksel yapı malzemeleri ve sistemlerinin kullanılabildiği bir araç olarak görmeye başlar. Ardından gelen dekonstrüktivizm ise cephe ve form ilişkisi üzerine odaklanarak, formları ve bu formlar üzerinde oluşan algıları yerinden etmeye odaklanmaktır. Dekonstrüktivizm ile algıların tekrar kurgulanması aynı zamanda form, taşıyıcılık ve detay tasarımı konularını da etkileyerek, cephe tasarımında farklı bakış açılarıyla tasarlama süreçlerini hızlandırmıştır. Son ve en önemli sayılabilecek mimari akım olarak high-tech örnek gösterilebilir. Bu akım ile birlikte artık taşıyıcı sistem kavramsal tasarımın bir öğesi haline gelecek, saklanan, üzeri kapatılan bir yapı bileşeni olmaktan çıkmaya başlayacaktır. Bu noktada yapılan tez çalışması, özellikle high-tech ile güçlü bağlar kurmaktadır. Kablo-ağ cephenin taşıyıcı sistem tasarımıyla mimari bir öğe olarak var olma durumu, kurgulanan strüktür-mimarlık ilişkisinin ne kadar nitelikli olabileceğini göstermektedir. Bu bağlamda hali hazırda var olan kablo-net cephe sistemlerinin taşıyıcı komponentlerinin mimari estetik kaygısı güderek yeniden tasarlanması hem yapı teknolojisine hem de kavramsal tasarıma oldukça önemli katkılar sağlayacaktır. Hafif strüktürel tasarımın kısa tarihine bakıldığında da strüktürün mimari bir öğe haline gelme durumu oldukça sık ortaya çıkar. Shukov ve Le Recolais'ın çağdaşı Frei Otto hem mimari hem de strüktürel tasarımlarını üstlendiği yapılarıyla gergili sistem tasarımı hakkında oldukça detaylı bir rehber görevi görmektedir. Bu sebeple, çalışmanın teknik analizleri ve tasarım süreçleri de Otto'un tasarım prensipleri baz alınarak sürdürülmüştür. 3.Bölüm ile birlikte strüktürel cam cephelerin sınıflandırılması ve strüktürel cam cephelerde olan kablo-net cephelerin tasarım prensipleri ve yapısal bileşenleri detaylı olarak incelenmiştir. Kablo-net cepheler binaların ana taşıyıcı sistemlerine gerektiğinde ikincil bir taşıyıcı sistem kurgulanarak entegre edilen, ana taşıyıcıları paslanmaz çelik halatlar olan, cam paneller ve bu cam panelleri halatlara bağlayan genellikle paslanmaz çelikten üretilen tutamaçlara sahip özgün, transparanlık oranı oldukça yüksek bir cephe sistemidir. Bu cephe sisteminin mimari ve strüktürel detay tasarımlarını anlamak amacıyla cephe bileşenleri bazında detaylı bir literatür araştırması yapılmış ve bileşenleri oluşturan malzemelerin mekanik özellikleri ulusal ve uluslararası standartlarda yararlanılarak derlenmiştir. Araştırmalar sonucunda özellikle paslanmaz çelik halatların mekanik özelikleri ve türlerine göre cam malzemenin strüktürel potansiyelleri belirlenmiştir. 4. bölümde, 2. ve 3. Bölüm'de yapılan araştırmalar ışığında Facade Testing Institute (FTI)'da bulunan 7,009 m x 11,986 m boyutlarında betonarme test standına entegre edilecek şekilde 5,136 m x 8,812 m boyutlarında bir kablo-ağ cephe tasarlanmıştır. Tasarlanan cephe 20 adet 1 m x 2m yalıtımlı cam paneller, Φ14 mm çelik halatlar, sabit ve ayarlanabilir kablo bağlantı aparatları, cam panelleri kablolara noktasal olarak bağlayan 12 adet ''Cam Tutamaç'', strüktürel ve dolgu silikonlarından oluşmaktadır. Ayrıca kablo-net strüktürü ana betonarme taşıyıcıya bağlayan çelik bir iskelet sistem tasarlanmış ve cephe tasarımına entegre edilmiştir. Mimari tasarımı tamamlanan kablo-ağ cephenin strüktürel dayanım analizleri, kablo-ağ, çelik iskelet ve yalıtımlı cam paneller için 3 ayrı fazda gerçekleştirilmiştir. Kablo-ağ cephenin strüktürel analizi Emniyet Gerilmelerine Göre Tasarım (ASD) prensipleri doğrultusunda ASCE-19-16 ve AISC 360-10 standartlarına göre SAP2000 programında yapılmıştır. Analizden önce cepheye etki eden yükler belirlenmiş ve ASCE7-10'a göre yük kombinasyonları kurgulanmıştır. Konusu geçen standartlar çerçevesinde limit dayanım ve deplasman değerleri 59,95 kN ve 110,36 mm (L/50) olarak belirlenmiştir. Ayrıca Sisteme etkiyen yükler, pozitif ve negatif rüzgâr yükü (W; +/-8x10-7 kN/m2), negatif ve pozitif sıcaklık (T; +/-30 °C), iki yönde etkilen deprem yükleri (EQX ve EQY), sistemin ölü yükü (D), cam panellerin ölü yükü (SDL; +6x10-7 kN/m2) ve son olarak strüktürün stabilitesini sağlayan ön germe kuvvetidir (PR, -35 kN). Buradaki en önemli nokta ön germe kuvvetinin optimizasyonudur. Sisteme etkiletecek olan ön germe kuvveti seçilen kablonun gerilme-şekildeğiştirme oranına (strain) bağlıdır. Bu nedenle, optimizasyon bu oranın değişimine göre yapılmıştır. Sonuç olarak en elverişsiz kombinasyon pozitif rüzgâr, pozitif sıcaklık, ölü yükler ve ön germe kuvvetinin olduğu LC04 kombinasyonu olarak belirlenmiştir. LC04 etkisindeki sabit mesnet ile bağlanmış cephede gözlemlenen maksimum tepki kuvveti 43,29 kN olarak cephenin orta aksında bulunan mesnet noktalarında görülmüştür. Bunun yanı sıra maksimum deplasman da 97,95 mm ile cephenin orta noktasında bulunan düğüm noktasında oluşmuştur. Analiz sonuçlarına bakıldığında; maksimum tepki kuvveti ve deplasman değerleri optimizasyon sonucunda limit değerlerin altında kalmayı başarmıştır. Kablo-ağ strüktürün analizi sonucunda elde edilen tepki kuvvetleri kullanılarak betonarme test standı ile cepheyi birbirine bağlayan çelik iskelet sistemin boyutlandırılması gerçekleştirilmiştir. Tasarım ve boyutlandırma kablo-ağ strüktürde olduğu gibi Emniyet Gerilmelerine Göre Tasarım (ASD) ve AISC 360-10'a göre yapılmıştır. Yapılan analiz ve tasarım sonucunda 260 mm x 260 mm x 12 mm kirişler ve bu kirişleri ikili olarak birbirine bağlayan 100 mm x 100 mm x 10 mm ebatlarında çaprazlar kullanılmıştır. Ayrıca kolonlar da 260 mm x 260 mm x 12 mm olarak boyutlandırılmıştır. Çelik iskeletin tasarımı sonrasında cephede kullanılacak olan cam panellerin DIN18008'e göre etkin rüzgâr yükleri altındaki davranışı SJ Mepla yazılımı kullanılarak analiz edilmiştir. Analiz sonuçlarına göre maksimum gerilme camların tutamaçlar ile sabitlendiği noktalarda 33,34 MPa olarak gözlemlenirken, maksimum deplasman ise 9,20 mm'dir. Cam panelin limit dayanım ve deplasman değerleri ise sırasıyla 80 MPa ve 10 mm'dir. Bu limit değerler göz önüne alındığında cam panelin ilgili standartları karşıladığı belirlenmiştir. Kablo-ağ cam cephenin tüm tasarım ve strüktürel analizleri tamamlanması ile birlikte bu cepheye etkiyen yükler göz önüne alınarak özgün bir ''Cam Tutamaç'' tasarlanarak prototip geliştirme, gerçek malzemeler ile üretimi, ön ve ana dayanım testlerinin yapılması işlemleri sırasıyla uygulanmıştır. Cam Tutamaç tasarımı ön mimari tasarım, final mimari tasarım ve strüktürel analiz olarak üç ana faz olarak gerçekleştirilmiştir. Öncü mimari tasarım kablo-net cephenin boyutları göz önüne alınarak 3 boyutlu olarak modellenmesi ve kavramsal tasarımını kapsar. Ardından uygulama detayında mimari çizimler ile Cam Tutamacın mimari tasarımı tamamlanmıştır. Yapılan tasarım cam-metal kompozit bir yapıda olup 170 mm x 170 mm x 170 mm boyutlarında prizmatik formdadır. Ayrıca Cam Tutamacı meydana getiren elementlerin; en dışta 2 katmanlı temperli lamine camdan oluşmuş ortasında havşa delikli bir kapak (TG103-1), haç şeklinde paslanmaz çelik bir gövde (SS104) ve bu gövdeye yapıştırılan iki adet 4 katmanlı lamine temperli cam modülü (TG103-2), yivli iki adet çubuğun haç şeklinde kaynaklanması ile oluşturulan paslanmaz çelik kablo yatağı (SS103) ve bu kablo yatağına lamine edilmiş 2 katman temperli cam (TG103-3), yivli bir adet paslanmaz çelik kablo yatağı (SS101) ve bu yatağa lamine edilmiş 2 katman temperli lamine cam (TG103-4) olduğu görülür. Tanımlanan katmanlar 4 adet içine diş açılmış paslanmaz çelik pim ve bu pimleri birbirine bağlayan M12 bulonlar ile birbirine bağlanmıştır. Ön kapak ise SS104 paslanmaz çelik gövdeye yine M12 bulon ile monte edilmiştir. Mekanik bağlantıların güvenli bir şekilde yük aktarması ve metal-cam arasındaki olası etkileşimi önlemek adına POM ve alüminyum malzemeden üretilmiş conta ve tamponlar tasarlanmıştır. Final mimari tasarım Cam Tutamacın strüktürel analizi ve öncü deneyler sonucunda tamamlanmıştır. Cam Tutamacın strüktürel analizi Solidworks yazılımı ile yapılmıştır. Analizde kullanılacak etkin yükler kablo-net cepheye etkiyen rüzgâr yükü (2,4 kN) ve cam panellerin ölü yükü (1,65 kN) baz alınarak hesaplanmıştır. Cam Tutamaç ön kapak, paslanmaz çelik gövde ve kabloları stabil hale getiren paslanmaz çelik-cam kompozit elemanlar olarak 3 ayrı fazda modellenmiş ve etkin yüklere göre analiz edilmiştir. Analiz sonuçlarına göre Cam Tutamaçta gözlenen maksimum gerilmeler; ön kapakta (TG103-1) 29 MPa, paslanmaz çelik gövdede 4 MPa ve paslanmaz çelik-metal kompozitlerde 5 MPa olarak belirlenmiştir. Elemanların limit dayanımları ise ilgili standartlara göre sırasıyla 80 Mpa, 195,45 MPa ve 80 MPa'dır. Bu değerlere göre tüm elemanların limit dayanımların altında kaldığı ve en elverişsiz elemanın ön kapak (SS103-1) olduğu sonucu görülmüştür. Ancak, dijital strüktürel analiz sonuçlarına ek olarak prototipleme süreci sonrasında metal-cam birleşimini sağlayan yapıştırıcıların strüktürel dayanımlarının deneysel olarak tespit edilmesi gerekmektedir. Cam Tutamaç'ın prototipleme süreci tasarımsal prototipleme ve mühendislik bağlamında prototipleme olarak iki ana fazda ilerletilmiştir. Tasarımsal prototiplemenin son adımı olarak dijital olarak 3 boyutlu modeli oluşturulmuş Cam Tutamaç, 3 boyutlu baskı makineleri ile gerçek boyutunda polimer esaslı bir malzeme olan poliamidten basılmış ve mimari detayları ile ilgili gereken kontroller yapılmıştır. Kontroller ışığında metal-cam etkileşimini önleyecek POM tamponlara ekler yapılmış ve tasarım revize edilmiştir. Tüm revizyonlardan sonra gerçek boyutlarda ve gerçek malzemeler kullanarak Cam Tutamaç'ın üretim sürecine geçilmiştir. Cam Tutamaç genel olarak strüktürel yapıştırma yöntemleri ile üretilen bir yapıya sahiptir. Bu bağlamda cam-metal birleşimleri, SS104 ve 2 adet TG103-2'nin yapıştırılma prosesi dışında Sentryglass laminasyon malzemesi ile yapılmıştır. Laminasyon süreci özellikle cam-metal birleşimleri için oldukça dikkat gerektiren ve ilgili uygulama rehberleri eşliğinde yürütülen bir çalışmadır. Laminasyondan beklenen en büyük performans yüzeylere kabarcık oluşmadan yapışmanın sağlanmasıdır. Bu bağlamda otoklav derece ve süreleri deneysel olarak belirlenmiş ve kabarcıksız bir yapışma tüm elemanlar için sağlanmıştır. Ancak SS104 ve 2 adet TG103-3 ün birbirine yapışma süreci için üç farklı yapıştırma malzemesi seçilerek uygulanmıştır. Bu malzemeler; Sentryglass laminasyon malzemesi, Sikasil SG500 strüktürel silikon ve metakrilat bazlı bir yapıştırıcı olan SikaFast-3131'dir. 3 ayrı malzeme ile yapıştırılmış 3 ayrı Cam Tutamaç numunesi için SS104 ün 2 adet TG103-1'e yapışmasını sağlayacak en uygun malzemeyi belirlemek amacıyla bir ön test uygulanmıştır. Ön test DIN18008-3'e göre kurgulanmış ve hedef dayanım değerleri 2,4 kN (akma dayanımı, Fa) ve 7,2 kN (kopma dayanımı, Fu) olarak belirlenmiştir. Facade Test Institute (FTI) 'da bulunan çekme cihazında yapılmış ve tüm süreçler kamera ile kayıt altına alınmıştır. Test sonuçlarına göre en iyi dayanıma sahip olan yapıştırıcı 10,36 kN Fa ve 11,54 kN Fu değerleriyle SikaFast-3131 olmuştur. Bu sonucun yanı sıra, Sikasil SG500'ün akma değeri 4,60 kN ve kopma değeri 6,84 kN olarak, Sentryglass'ın akma değeri 1,1 kN ve kopma değeri 4,48 kN olarak ölçülmüştür. Dayanım değerlerine ek olarak Cam Tutamaç'ın göçme modlarına bakıldığında; SikaFast-3131 ile yapıştırılmış numunede ön kapakta bulunan bulonun kayması ile göçme, diğer numunelerde ise yapıştırıcının kopması ile göçme gözlemlenmiştir. Bu nedenle, ilk aşamada M10 olarak tasarlanmış olan bulon çapları alüminyum contalar kullanılarak M12 olarak değiştirilmiş ve böylece Cam Tutamaç'ın mimari tasarımı tamamlanmıştır. Tüm bu süreçlerin ardından SikaFast-3131 ana deneylerde kullanılmak üzere hazırlanacak numunelere uygulanmıştır. Ana deneyler 5 adet numune üzerine uygulanmış, tüm deney süreçleri kamera ile kayıt altına alınmış, deney dataları ve bu datalar sonucunda oluşan kuvvet-yerdeğiştirme grafikleri de çekme test cihazının yazılımı sayesinde elde edilmiştir. Tüm bunlara ek olarak ortam koşullarına bakıldığında, sıcaklığın 30 °C ve ortam neminin %80 olduğu belirlenmiştir. Ana deney sonuçlara göre Cam Tutamaç'ın ortalama kopma dayanımı 19,22 kN, ortalama maksimum yer değiştirmesi ise 10,22 mm olarak belirlenmiştir. Ayrıca maksimum kopma dayanımı ve yer değiştirme değerleri 21,04 kN ve 12,68 mm olarak Numune 1'de gözlemlenirken, minimum kopma dayanımı ve yer değiştirme 16,30 kN (Numune 2) ve 7,93 (Numune 2 ve 3) mm olarak belirlenmiştir. Numunelerin süneklik oranlarına bakıldığında ortalama sünekliğin 1,33 olduğu, maksimum sünekliğin 1,59 değeri ile Numune 4'te ve minimum süneklik değerinin 1,00 olarak Numune 2'de olduğu görülmektedir. Bu bağlamda Numune 2'nin sünek olmayan bir davranış ile göçme moduna direk olarak geçtiği görülmektedir. Dayanım ve yer değiştirme değerlerine ek olarak Numune 1,2,3 ve 5 ön kapağın kırılması ile göçme haline geçerken, Numune 4'te bulon kayması şeklinde göçme meydana gelmiştir. Hiçbir numunede yapıştırıcı kaynaklı bir göçme gözlemlenmemiştir. Yukarıda açıklanan tüm süreçler göz önüne alındığında Cam Tutamaç DIN18008-3e göre belirlenen hedef dayanımların oldukça üzerinde bir strüktürel performansa sahip olduğu sonucu ortaya çıkmaktadır. Bununla birlikte, Cam Tutamaç'ın ortalama dayanımı 2,4 kN olan Fa değerinden 7,7 kat, 7,2 kN olan kopma değerinden 2,6 kat büyüktür. Bu bağlamda ileriki çalışmalar için Cam Tutamaç'ın optimizasyonu üzerine çalışmak oldukça yararlı olacaktır. Ayrıca tüm üretim süreçleri göz önüne alındığında; Cam Tutamaç'ın gerçek boyutlarda tasarlanmış ve inşa edilecek bir kablo-net cepheye rahatlıkla entegre olabilecek, cephenin transparanlığını %17 oranında arttırabilecek bir cam düğüm noktası komponenti olduğu açıkça görülmektedir.