MALZEME TABANLI TASARIM İNCELEMESİ

İncelenecek yapı, 2012 yılı Kasım ayında Hesaplamalı Tasarım Enstitüsü (Institute for Computational Design and Construction) ve Stuttgard Üniversitesi’ndeki Bina Yapıları ve Yapısal Tasarım Enstitüsü (Institute of Building Structures & Structural Design) fakülte  öğrencileri ve Tübingen Üniversitesi biyologları işbirliği içinde tasarlanmış bir araştırma pavilyonudur. Araştırmacılar, fiber kompozit sistemlerin tasarımı ve uygulaması için bütünleştirici bir hesaplamalı tasarım metodolojisi üzerine araştırma sunmaktadır. Önerilen yaklaşım, tutarlı bir hesaplamalı tasarım süreci içinde biyolojik analiz, malzeme tasarımı, yapısal analiz ve robotik üretim kısıtlamalarının eşzamanlı ve karşılıklı entegrasyonuna dayanmaktadır. Üretilen  deney pavilyonuna yaklaşımda önemli olan beş ana başlık biyomimetrik ilkeler, lifli kompozit malzeme, robotik imalat, hesaplamalı tasarım ve zaman şeklinde sıralanır. Biyomimetrik bir tasarım yaklaşımı tasarımcılara, belirlenen biyolojik rol modellinin derinlemesine bir analizi yolu ile doğal yapıların yeteneklerinin, esnekliğinin, verimliliğinin ve algılanan güzelliğinin teknolojik bir uygulamaya aktarılabilmesini sağlamaya çalışmaktadır (Hensel vd., 2010).

Şekil 3. (Reichert, vd., 2014).
Araştırma pavilyonunda, biyologlar ile birlikte yapılan araştırmalarda incelenecek model Amerikan ıstakozunun dış iskeleti olarak belirlenmiştir (Şekil 8, A, E). Biyolojik model seçilirken hiyerarşi, anizotropi, heterojenlik ve işlevsellik olmak üzere dört başlık üzerinde durulmuştur (Reichert vd., 2014). Bu başlıklar tasarım sürecinde soyutlanmış ve mimaride teknik uygulamaya aktarılması hedeflenmiştir.

Istakozların kitin dış isketeli incelendiğinde kütikül tabakasının yedi katmandan oluştuğu gözlenmiştir. Katmanlar üzerine yapılan araştırmalarda beşinci katmanın kabuğun farklı yerlerinde farklı dizilim gösterdiği tespit edilmiştir (Şekil 3 B, F). Yönsüz bir yük aktarımının gerekli olduğu alanlarda, katman beşteki dizilim geometrisi spiral şekle sahiptir (Şekil 3, F). Ortaya çıkan lif yapısı, her yönde eşit bir yük dağılımına izin verir. Öte yandan yönlü gerilim dağılımlarına maruz kalan alanlar, yönlendirilmiş bir yük aktarımı için optimize edilmiş tek yönlü bir katman yapısı sergiler (Şekil 3, B). Kitikül tabakasının bu yapısı projenin biyolojik ilkelerinin temelini oluşturmaktadır.

Araştırma pavilyonunun malzemesi karbon fiber ve cam fiber malzeme olarak belirlenmiştir. İki farklı fiber malzemenin seçilmesi estetik amaçlı değil, yapısal ve fabrikasyon hususlarından kaynaklanmaktadır (Reichert vd., 2014). Malzemenin üretim yöntemleri araştırılıp dört üretim yöntemi projede kullanılmak üzere belirlenmiştir. Kullanılan üretim yöntemleri üzerine yapılan araştırmaların sonucunda pavilyonun farklı ölçeklerde kopyasının üretimine ihtiyaç olmadığı çıkarılmıştır (Reichert vd., 2014). 2012 araştırma pavyonu bir sene içerisinde bitirilmesi planlanan bir yapıdır. Prototiplerin süreçten çıkarılması araştırmacılara hem zaman kazandırmış hem de yapılan araştırmalar üretimin doğrudan bir parçası haline gelmiştir.

Form bulma sürecinde farklı disiplinler arasında köprü kuran, birbirine bağlı parametrelerin hesaba katıldığı bir iş akışı geliştirilmesi gerekmektedir (Reichert vd., 2014). Projenin geliştirilmesi için, tasarım çözümlerini üretmek ve analiz etmek için üç dijital simülasyon modeli oluşturulmuştur. İlk olarak, Geometrik Temsil Modeli (Geometric Representation Model) pavilyonun son görünümünü keşfetmek için oluşturulmuş, beş parametreden oluşan bir modeldir (Reichert vd., 2014). İkinci olarak modelin sarma sırasını belirlemek için yinelemeli bir Sargı Simülasyonu Modeli (Iterative Winding Simulation Model) ve oluşacak modeldeki gerilim düzeylerini tespit etmek için Sonlu Elemanlar Yöntemi (Finite Elements Method) kullanılmıştır. Elde edilen veriler daha sonra, sistemin sertliğini artırmak amacıyla yerel (malzeme) ve genel (geometrik) parametreleri optimize ederek yapının genel verimliliğini artırmayı amaçlar. Tasarım kısıtlamaları, fabrikasyon yönleri ve mekanik davranış dikkate alınarak, tatmin edici bir çözüm sağlanana kadar süreç tekrarlanır. Son model olan Küresel Malzeme Simülasyonu Modeli (Global Material Simulation Model) Geometrik Temsil Modeli tarafından oluşturulan çeşitli yüzeyleri analiz eder ve uygun olmayan parametre yapılandırılmalarının tespit edilmesini sağlar. Modelde malzeme performansı, bölgeden bölgeye değişiklik gösterir. Rol modeldeki katmanlaşma, tasarım ilkelerine aktarılmıştır. Katmanların oluşturulmasında modeller arası bilgi akışı mevcuttur. Her katman için geometrik bir koordinat sisteminin oluşturulması gerekmektedir. Araştırma pavyonunda 100.000’den fazla koordinat bulunan bir sistemden oluşmaktadır (Reichert vd., 2014).

Pavilyonun hayata geçirilme evresi, tasarım süreci boyunca elde edilen veriler sayesinde şekillenmiştir. Altı eksenli robot, proje amaçlarına uygun şekilde üretilmiştir. Robotun pavilyonu dokuyabilmesi için bir çerçeve oluşturulmuştur. Çerçevenin diş sayısı yoğunluğu etkilemekte ve tasarım için önemli bir parametreyi temsil etmektedir. Pavilyonun üretimi, robotun sarım işlemini diğer parametrelerle de paralel olarak belirlenmiş      parametreler     çerçevesinde gerçekleşmektedir. Sarım işlemleri, belirlenmiş rol modelden soyutlanan ilkeler odağında dijital geometri modeline göre oluşturulmuş parametrik tanım sayesinde ortaya konulan desenler ve katmanlaşma ile oluşur (Reichert vd., 2014). Sarım mantığı, liflerin konumu ve yönünü belirlemektedir. Çerçeve, robot pavilyonu son haline getirdikten sonra malzemenin performansını ortaya çıkartması için gerekli süre boyunca kabukla birlikte kalmalıdır. Çerçeve yapısı, üretim tamamladıktan sonra yapıdan ayrılabilmesi için modüler olacak şekilde tasarlanmıştır. Bu sayede malzemenin sertleşme sürecinden sonra kompozit pavyon herhangi bir yapısal destekten ayrılabilir (Reichert vd., 2014). Çerçeve kaldırıldıktan sonra öz ağırlık ve yanal yükler artık zeminle oluşan arayüz destek noktalarına aktarılır.

Sonuç olarak ortaya 30 kilometreden fazla elyaf fitilin sürekli olarak sarılması ile sekiz metre çapında, üç buçuk metre yüksekliğinde, dört milimetre kalınlığında son derece ince, yerel olarak farklılaşan bir kabuk yapısı çıkmıştır. Yer yer yarı saydam dış yüzeyiyle oluşan pavilyon 320 kilogramdan hafiftir (Reichert vd., 2014)

Kaan Çorbacı (Gülberk Aktay’ın katkılarıyla…)