Uzay Kafes Sistem Nedir? Özellikleri ve Çeşitleri

Uzay kafes sistem; kuvvetlerin üç boyutlu bir şekilde aktarıldığı, doğrusal elemanlardan oluşan bir yapısal sistemdir. Bazı durumlarda sistemi oluşturan elemanlar iki boyutlu olabilirler. Başka bir deyişle uzay kafes sistemler, düzlemsel kirişlerin üçüncü boyuta taşınmış şeklidir ve genellikle düzlemsel veya eğrisel formdalardır.

1. Uzay Kafes Sistemler Nerelerde Kullanılır?

Uzay kafes sistemlerin kullanım alanları oldukça geniştir. Bu sistemlerin en çok kullanıldığı alanlar sanayi tesisleri, uçak hangarları, spor salonları, depolar, fabrikalar, stadyumlar ve opera binaları olarak sıralanabilir. Birbiriyle düğüm noktalarından bağlı çubuk elemanlarından kurulu düzenler olan uzay kafes sistemler, tek veya çok katlı, düzlem veya eğrisel yüzeyler şeklinde oluşturulabilirler.

Uzay kafes sistemlerin geçilebileceği açıklıklar 20m- 120m arasında değişmektedir.

Bu sistemler farklı birimlerin (Modül) bir araya gelmesiyle oluşur. Bu birimler bazen küp, dodekahedron, ikosahedron, ikosidodekahedron, tetrahedron ve piramitler şeklindedir. Temel birimlerin özellikleri yüz sayısı, kenar sayısı ve köşe sayısına göre değişkenlik göstermektedir. Örneğin; dodekahedron, üç boyutlu bir form olarak 12 yüzü, 30 kenarı ve 20 köşesi varken, ikosahedron üçgen şeklinde olup 20 yüzü, 30 kenarı ve 12 köşesi vardır.

2. Uzay Kafes Sistemlerin Çeşitleri

Uzay kafes sistemler, en yaygın kullanılan uzaysal yapı sistemleridir. Bu yapı sistemlerine ait farklı sınıflandırmalar mevcut olabilir. Aşağıda, çalıştığı yön sayısı ve oluştuğu tabaka sayısına göre kategorilere ayrılmıştır.

2.1. Izgara Sistemlerin Paternlerine Göre Sınıflandırılması

Uzay kafes sistemler ızgara tipi yapılardır. Bu ızgara yapıları farklı şekillerde olabilmektedir. Uzay kafes sistemler, düğüm noktalarında kesişen elemanların iki, üç veya dört yönde çalışıyor olmalarına bağlı olarak; iki, üç veya dört yönde çalışan sistemler olarak kategorilere ayrılabilmektedir.

2.2. Tek, Çift ve Üç Katlı Uzay Kafes Sistemler

Uzay kafes sistemlerin ilk uygulamaları tek katlı uzay kafes sistemler olarak kullanılmıştır. Daha sonra geniş açıklıkların geçilebilmesi için bir araya getirilen ızgaraların birbiriyle rijit bir şekilde birleştirilmesiyle çift katlı sistemler geliştirilmiştir. Izgara yapısının en önemli özelliği yükün çok yönlü aktarılmasıdır. Tek katlı uzay kafes sistemlerde rijit birleşim uygulanırken çift katlı uzay kafes sistemler mafsallı birleşimli olabilirler. Ayrıca, tek katlı uzay kafes sistemler tek veya çift eğrilikli olmak zorundadır. Örneğin, tonoz veya kubbe tipi yapılar. Fakat açıklık çok küçük olduğunda aşağıda gösterildiği gibi düzlemsel tek katlı uzay kafes sistemler kullanılabilir.

Çift katlı uzay kafes sistemler bugüne kadar en yaygın olarak kullanılan uzay kafes sistemleridir. Bu sistemlerin yapısal derinliği açıklığı ile artar. Böylece, çok geniş açıklıklar için diyagonal çapraz elemanların uzunluğu da artmaktadır. Daha geniş açıklıklar için üç katlı uzay kafes sistemler uygun çözüm olabilmektedir. Nötr bir yüzeyde bulunan orta tabaka, çok az yapısal fonksiyona sahiptir veya hiç işlev göstermez. Ancak, çapraz elemanların uzunluğunu azaltır ve bu şekilde daha hafif kesitler kullanılabilir. Bunların yanı sıra, özel durumlarda çok katlı uzay kafes sistemler kullanılabilir.

2.2.1. Çift Katlı Uzay Kafes Sistemler

Çift katlı uzay kafes sistemler, çatı yapımında sıklıkla kullanıldığı için özel bir öneme sahiptir. Çeşitli ülkelerde çok katlı binaların çatı inşasında başarılı bir şekilde uygulanmıştır.

Bu sistemler, birbirine paralel üst ve alt olarak iki düzlemsel ızgara tabakasından ve bunları bağlayan çapraz elemanlardan oluşmaktadır. Çift katlı uzay kafes sistemlerin alt ve üst yatay eleman kümeleri aynı veya farklı dikey düzlemlerde oluşturulabilirler. Bu sistemleri oluşturan her bir alt yatay eleman kümesi, üstteki yatay elemanların altında aynı dikey düzlemde olabildiği gibi, farklı dikey düzlemlerde de olabilirler. Aşağıda düzlemsel çift katlı uzay kafes modeli gösterilmiştir.

Piyasada çeşitli tiplerde çift katlı uzay kafes sistemler mevcuttur ve bunların popülerliği her geçen yıl artmaktadır. Bu sistemler genel olarak Nodüler (Çubuk- Düğüm Sistemler) ve Modüler olarak sınıflandırılabilir.

2.2.1.1. Çubuk – Düğüm Sistemler

Çubuk-düğüm sistemler, standart küçük parçalar, mafsallar veya bileşenlerden oluşmaktadır. Başka bir deyişle, çubuk- düğüm sistemler, çubuk elemanları ve düğüm noktası bileşenlerinden oluşan sistemlerdir. En yaygın tipleri Mero sistemi, Triodetic sistemi, Unistrut sistemi, Octatube sistemi, Tuball sistemi ve Nodus sistemleridir.

2.2.1.2. Modüler Sistemler

Modüler sistemler, çeşitli tiplerde ve şekillerde (piramit veya altıgen) prefabrik modüller şeklinde üretilmektedir. Sahada bir araya getirilen modüller, bulonlar yardımıyla birleştirilmektedir. Bu sistemlerde elemanlar yerine prefabrik modüller vardır.
Modüler sistemlerin en yaygın kullanılan tipleri, Space Deck Sistemi ve Unibat Sistemidir. Şekil 2.16 ve 2.17’de bu yapı sistemleri ile ilgi şekiller gösterilmiştir.

Çubuk düğüm ve modüler sistem çeşitleri ile ilgili yazımıza buradan ulaşabilirsiniz.

3. Uzaysal Yapı Sistemlerin Avantajları ve Dezavantajları

Uzaysal yapı sistemlerinin geniş çaptaki popülaritesi, bu yapıların aşağıdaki avantajlarından kaynaklanmaktadır;

1. Hafiftir, yapısal olarak verimli ve optimum malzeme kullanılır.
2. Nitelikli işçi sınıfındaki eksiklik ve maliyetlerinin yüksek olması, prefabrike ve sanayileşmiş yapı biçimlerinin benimsenmesini desteklemiştir. Uzaysal yapı sistemleri fabrikalarda standart boyutlarda ve şekillerde seri olarak üretilen elemanlar ve birleşimlerden oluşmalarından dolayı, sahada kolay ve hızlı bir şekilde çok kalifiye olmayan işçilerle de kolaylıkla ve hızlı bir şekilde montaj edilebilmektedir. Bu nedenle bu tür yapılar mühendisler ve mimarlar tarafından giderek daha fazla tavsiye edilmektedir.
3. Bileşenlerin küçük boyutları nedeniyle taşıma işlemleri yürütmek ve bu yapıları kurmak geleneksel inşaat metotları ile kolay bir şekilde mümkün olmaktadır. Bu sayede inşaat süresinde tasarruf sağlanmaktadır (Fabrikada üretildikleri için hızlı üretim teknikleriyle üretilebiliyor, sahaya taşınabiliyor ve kolayca kurulabilmektedirler).
4. Uzaysal yapı sistemlerinin ağ yapısıdan dolayı bu sistemler hafiftir. Örneğin, 40m çaplı bir metal kubbenin birim yüzey alanı için kendiliğinden gelen ağırlık, aynı çaptaki beton kubbenin ağırlığından 15 mertebe daha hafiftir. Bu ağırlık kaybı, hiçbir rijitlik kaybı yaşanmadan elde edilen bir avantajdır.
5. Bileşenlerin küçük boyutları nedeniyle taşıma işlemleri yürütmek ve bu yapıları kurmak geleneksel inşaat metotları ile kolay bir şekilde mümkün olmaktadır. Bu sayede inşaat süresinde tasarruf sağlanmaktadır (fabrikada üretildikleri için hızlı üretim teknikleriyle üretilebiliyor, sahaya taşınabiliyor ve kolayca kurulabiliyor).
6. Uzaysal yapı sistemlerin sahip oldukları geometri, mimarlara ve mühendislere farklı şekillerde, mimari açıdan hoş görünümlü ve çok cazip yapılar yapma imkânı sunmaktadır.
7. Belirli açıklık/derinlik oranı için büyük bir rijitliğe sahiptirler.
8. Kolonların yerleşimi ve konumlandırılmasında daha fazla esnekliğe sahiptirler. Bazı yapısal bütünlüğüne zarar vermeden pozisyonlarının değişmesi mümkündür.
9. Çok katlı uzay kafes sistemlerde tavan elemanların içinden elektrik, su, mekanik tesisatları, klima kanalları geçirilebilmektedir.
10. Uzaysal yapı sistemleri büyük rijitliklere sahip olduklarından sehimler oldukça azdır. Uzaysal yapı sistemleri, avantajlarının yanında aynı zamanda birkaç dezavantaja sahiptir; Uzay kafes sistemleri imalat ve montaj aşamalarında oluşabilecek küçük kusurlara karşı çok hassas sistemlerdir. Bu kusurlar yapının yük taşıma performansını olumsuz şekilde etkilemektedir.

Uzaysal yapı sistemleri, avantajlarının yanında aynı zamanda birkaç dezavantaja sahiptir;

1. Uzay kafes sistemleri imalat ve montaj aşamalarında oluşabilecek küçük kusurlara karşı çok hassas sistemlerdir. Bu kusurlar yapının yük taşıma performansını olumsuz şekilde etkilemektedir.
2. Uzay kafes sistemler kısa açıklıklarda kullanılması durumunda diğer sistemlere göre daha maliyetli olabilmektedir.
3. Elemanların birleşim karmaşıklığı ve sayısının fazlalığı nedeniyle sistemin montaj süresi bazen uzayabilmektedir.
4. Geniş açıklıklı ve çok sayıda uzay kafes sistem elemanlarını yangına karşı korumak ekonomik olmadığından genellikle yangın dayanımı gerektirmeyen yapılarda ve yerler tercih edilmektedir.
5. Genellikle çelikten üretilen uzay kafes sistem elemanlarının korozyona karşı dayanımı oldukça azdır. Korozyonu önlemek için, boyama, fırınlama, galvanizleme gibi işlemlerin kullanılması maliyeti arttırıcı etki yapmaktadır

Kaynaklar:
Mojibullah NOORİ-RASTGELE DAĞITILLMIŞ ELEMAN BAŞLANGIÇ EĞRİLİK KUSURLARININ DÜZLEMSEL ÇİFT KATLI UZAY KAFES SİSTEMLERİN YÜK TAŞIMA KAPASİTELERİNE ETKİSİ
Uğur KARABULUT-GENİŞ AÇIKLIKLI UZAY KAFES SİSTEMLERİN İLGİLİ TÜRK VE AVRUPA STANDARTLARI UYARINCA KARŞILAŞTIRMALI OLARAK İNCELENMESİ
Subramanian, N. (Narayanan) 1999. Principles of space structures. New Delhi, İndia
Yadollahi, M. M., Gül, R., Polat, R., Yadollahi, B. M., Gül, M. S. 2011. The Effect of Initial Geometric Imperfection on the Load Bearing Capacity of Double Layer Barrel Vault Space Structures. 3rd ECCOMAS Thematic Conference on Computational Methods in Structural Dynamics and Earthquake Engineering,