MIT mühendisleri, beton ve çelik kullanımını azaltan optimize edilmiş bir test kirişini dikilmiş kumaş kalıpta üretti.
Optimize edilmiş tasarım kumaşa uyarlandı
Topology optimization, yani bir yapının hangi bölgelerinde malzeme gerektiğini hesaplayarak daha verimli biçimler üretmeye yarayan tasarım yöntemi, mühendislerin daha az beton ve çelikle kiriş tasarlamasına yardım ediyor. Ancak bu yöntemle ortaya çıkan karmaşık formlar, çoğu zaman geleneksel sert kalıplara dökülmeye uygun ya da ekonomik olmuyor.
MIT mühendisleri, bu nedenle daha erişilebilir bir seçeneğe yöneldi: dikilmiş kumaş kalıp. Journal of Building Engineering’de yayımlanan çalışmada ekip, otomatik desen oluşturma süreciyle hazırlanan kumaş kalıplarla 3 metre uzunluğunda bir test kirişi tasarlayıp üretti. Aynı taşıma kapasitesi için tasarlanmış geleneksel bir kirişle karşılaştırıldığında, optimize edilmiş kiriş yaklaşık üçte bir oranında beton ve yarı yarıya daha az çelik donatı kullandı.
Kumaş kalıp nasıl çalıştı
Kumaş kalıplama, betonun tekstilden yapılmış bir kalıba dökülmesi esasına dayanıyor ve yıllardır farklı derinliklere sahip kirişler üretmek için deneniyor. Ancak ıslak betonun ağırlığı altında kumaşın esnemesi, nihai şeklin önceden tam olarak kestirilmesini zorlaştırıyor.
Çalışmanın kıdemli yazarı Josephine Carstensen, bu esnekliğin yalnızca bir sınırlama değil, doğru hesaplamayla avantaj haline gelebileceğini belirtiyor. Araştırmacıya göre, uygun hesaplamalı desen tasarımıyla kumaşın davranışı, optimize edilmiş yapısal biçimler üretmek için kullanılabiliyor. Çalışmanın ortak yazarı Jackson Jewett ise kumaş kalıbın ucuz, hafif ve hızlı bir alternatif olduğunu; kumaş parçalarının atölye dışında dikilip kutuya konarak şantiyeye kolayca taşınabileceğini söylüyor.
Beton ve çelik birlikte optimize edildi
Beton basınca dayanıklı, çekmeye ise zayıf olduğu için içinde çekme kuvvetlerini taşıyan çelik donatı bulunuyor. Araştırmacılar önce, grafik statik adı verilen yöntemle donatı çubuğunun izini belirledi. Bu yöntem, yapısal tasarımları neredeyse anında üretebiliyor ve çubuğun ağırlığı uzunluğu boyunca eşit paylaşmasını sağlayacak biçimde sade bir geometri oluşturabiliyor.
Daha yavaş çalışan topolojik optimizasyon ise betonun nereye gerektiğini ve yapısal katkısı düşük bölgelerden nerede malzeme çıkarılabileceğini belirledi. Jewett, iki yöntemin farklı işlerde güçlü olduğunu, ekibin de bu güçlü yönleri tek bir yöntemde birleştirmeye çalıştığını söylüyor. Ortaya çıkan kirişin üst kısmı, dar ve açılı ayakları ile çelik donatının yer aldığı ince bir alt bölümü var.
Ekip, 3 boyutlu kiriş tasarımını düz kumaş parçalarına dönüştüren otomatik bir süreç geliştirdi. Bu parçalara kesim ve dikiş işlemi uygulanarak, beton döküldüğünde kumaşın nasıl deforme olacağı da hesaba katılan bir kalıp oluşturuldu. Sonrasında basit bir ahşap çerçeve, kumaş kalıbı ayakta tuttu.
Döküm sırasında karışım ve dikiş sayısı belirleyici oldu
Çalışmanın başyazarı Mark Hellrich için en önemli uygulama aşaması beton karışımını doğru seçmekti. Dokuma pamuklu kumaş suyun bir kısmını dışarı geçirdiği için, çok akışkan bir karışım kalıptan su kaybedebiliyor. Aynı zamanda kumaşa daha fazla basınç uygulayarak tasarlanan formun dışına itilmesine de yol açabiliyor.
Ekip, orta derecede ıslak, kum oranı yüksek ve küçük taşlar içeren bir karışım kullandı. Böylece beton, kirişin dar ve açılı ayaklarından ve ince alt bölümünden takılmadan akabildi. Döküm sırasında karışım elle yerleştirildi; her katman ittirildi, kumaş dışarıdan vurularak ve yoğrularak şekillendirildi. Hellrich, bu aşamada kalıbın esnekliğinin avantaja dönüştüğünü, çünkü bu sayede betonun birbirine bağlı geçitlerden titreşim cihazı olmadan geçirilebildiğini söylüyor.
Beton yerleştirildikten sonra ıslak kumaş, kirişin son formunu ortaya çıkardı. Hellrich’e göre üç kirişin de yüzeyinde kırışıklık ya da katlanma oluşmadı. Üst yüzey tasarıma yakın kaldı; ana fark ise alt bölümde aşağı doğru bir sarkma ve açılı ayaklarda hafif içe kıvrılma oldu.
En iyi denge 56 parçalı kalıpta bulundu
Ekip, dikiş hassasiyetinin ne kadar önemli olduğunu görmek için aynı tasarım için 36, 56 ve 76 kumaş parçasından oluşan üç ayrı kalıp hazırladı. Kalıplanan kirişlerin 3 boyutlu taramaları hedef tasarımla karşılaştırıldığında, dikiş sayısı arttıkça ayrıntılarda daha iyi kontrol sağlandığı, ancak bunun toplam biçimi mutlaka daha doğru hale getirmediği görüldü.
Carstensen, daha fazla dikişin yerel kontrolü artırdığını; çünkü kumaşı daha küçük ve daha sınırlı panellere böldüğünü anlatıyor. Ancak desen karmaşıklaştıkça parça sayısı ve dikiş uzunluğu artıyor; bu da kesim, dikiş ve montaj sırasında oluşan küçük hataların kalıp boyunca birikmesine yol açabiliyor. Araştırmacılara göre 56 parçalı kalıp, önemli tasarım geometrisini yakalarken en karmaşık desenin getirdiği ek zaman, emek ve olası hatalardan kaçınan en iyi dengeyi verdi.
Ardından araştırmacılar, kirişlerden birini yük testine tabi tuttu. Bu testte üzerine giderek artan biçimde 36 su dolu kova yerleştirildi ve tasarım yükünün yaklaşık %30’una kadar çıkıldı. Kirişin altına asılan ağırlıklı ipler, aşağıya yerleştirilen hassas ölçüm cihazlarına bağlanarak yük eklendikçe ve kaldırıldıkça kirişin ne kadar eğildiğini izledi. Kirişin merkezindeki ölçülen sehim, yani yük altında aşağı doğru hareketi, bilgisayar modelinin tahminine yaklaşık %2 farkla uydu.
Maliyet bölgeye göre değişiyor
Ekibin bir kumaş kalıplı kirişi geleneksel bir kirişle karşılaştırdığı maliyet hesabında, bulunduğu yerin belirleyici olduğu görüldü. Küresel Güney’de, malzemelerin emeğe kıyasla daha pahalı olduğu yerlerde üç kumaş versiyonunun da daha ucuz olduğu; tasarrufun yaklaşık %10 ila %20 arasında değiştiği belirlendi. Küresel Kuzey’de ise dikiş için gereken işçilik maliyeti bu avantajı tersine çevirdi ve kumaş versiyonları yaklaşık %16 ila %55 daha pahalı hale geldi.
Bulgular, kumaş kalıbın özellikle tek seferlik ya da küçük partiler halinde üretilen özel şekilli beton bileşenlerde daha umut verici olduğunu gösteriyor. Açıkta kalan kirişler, çatı ya da uzun açıklıklı taşıyıcı elemanlar, yaya yapıları ve peyzaj unsurları bu gruba giriyor. Binalarda sık görülen tekrarlı ve dikdörtgen kirişlerde ise yeniden kullanılabilir geleneksel kalıplar, işçiliğin pahalı olduğu yerlerde hâlâ daha ekonomik seçenek olarak öne çıkıyor.
Carstensen’e göre başlamak için hedef bileşenin dijital deseni, bir dikiş makinesi, uygun kumaş ve basit bir ahşap destek çerçevesi yeterli olabilir. Araştırmacı, bunun robotik üretim, beton 3 boyutlu baskı ya da CNC ile işlenmiş kalıplara göre çok daha düşük bir ekipman eşiği sunduğunu söylüyor.
Ekip, 3 metrelik kirişi kısa bir bina açıklığına denk bir kavram kanıtı olarak tanımlıyor. Çalışma, önceki projede üretilen 1,2 metrelik kirişe göre de önemli bir adım olarak görülüyor. Carstensen, daha büyük bir kirişin yalnızca tasarımı büyütmek anlamına gelmediğini; kiriş uzadıkça kendi ağırlığının ve kumaş kalıba uygulanan basıncın değiştiğini, bu nedenle daha büyük bir kiriş için yeniden tasarım gerektiğini belirtiyor. Bir sonraki adımın ise birkaç kirişi kırılıncaya kadar test etmek olduğunu söylüyor.
Çalışmaya Carstensen, Jewett ve Hellrich’in yanı sıra Boston University’nin Bilgisayar Bilimi Bölümü’nden Abhinit Sati, Edward Chien ve Emily Whiting de katkı sundu. Araştırma, National Science Foundation tarafından kısmen desteklendi.
