Karbon Fiber, Yapı Malzemelerinin Süper Kahramanı Olabilir Mi?

Her iş gününde, Şikago’nun iş merkezi bölgesi Loop, bir yırtıcıdan kaçan yabani antilop sürüleri gibi karşıdan karşıya geçen bezgin insanlarla dolu olur. Bu insanların çoğu, önemini bilmeksizin, Field Building’in ya da zamanında aynı yerde bulunan ve 1931’de yıkılmış tarihi binanın, Home Insurance Building’in önünden geçip giderler. 1884’te inşa edilen bu bina, yapı çeliğinden yapılmış iskelet üzerine dikilen ilk yüksek yapıdır. Hafif, uygun fiyatlı ve dayanıklı yapı çeliği, yapıların ahşap ya da taştan yapılma binalara kıyasla daha uzun, güçlü ve hızlı şekilde inşa edilmesine olanak tanır.

Dünyanın ilk gökdeleni olarak kabul edilen Home Insurance Building, çeliğin kullanılabilir bir yapı malzemesi; çelik iskeletli yapınınsa uygulanabilir bir teknik olduğunu göstererek, mimarinin, mühendisliğin ve inşaat sektörlerinin seyrini sonsuza kadar değiştirdi. Yalnızca 10 kat (42 metre) yüksekliğinde olmasına karşın, The Home Insurance Building o zamandan bu yana inşa edilen tüm yüksek binaların atası olmuştur; buna halihazırda dünyanın en yüksek binası olan, Dubai’deki 206 katlı, yaklaşık 820 metre yüksekliğinde olan Burj Khalifa dahildir.

130 yıldan fazla bir süre sonra, çelik ve çelik iskelet, inşaat sektöründeki krallığını sürdürüyor. Ancak kompozit malzemelerdeki yenilikler ve robotik fabrikasyon teknikleri, yeni bir despotun yakında onları tahtından indireceği anlamına gelebilir. Ve eğer, Boston’daki Autodesk BUILD Space’te (Yapı, Yenilik, Öğrenme ve Tasarım kelimelerinin İngilizce baş harfleri) devam eden araştırmalar bir göstergeyse, bu malzeme bir dönüm noktası olabilir.

Sihirli Malzemeler

Karbon fiber, yapıların geleceği için, en umut veren kompozit malzemelerden biridir. Kristalli bir oluşumda birbirine bağlanan uzun, ince karbon atomu tellerinden (ki her bir tel insan saçından daha incedir) meydana gelen polimer, çelikten daha hafif, beş kat daha güçlü ve iki kat daha serttir. Bundan dolayı, kumaş halinde dokunabilen ya da kalıcı şekiller halinde dökülebilen tellerini iplik gibi büken imalatçılar arasında özellikle popülerdir. Bu işlem, bisiklet gövdeleri, olta kamışları ve uçak kanatlarından tutun yarış arabası gövdeleri, golf sopası milleri ve yelkenli direklerine kadar her şey için kullanılır.

Mimar ve BUILD Space’in yeni çalışanı Simon Kim, “Karbon fiber ve diğer kompozit malzemeler oldukça edimseldir; yani ağır değildirler ve devasa yükler taşıyabilirler,” diyor. Kendisi aynı zamanda, Cambridge, Massachusetts’teki Ibañez Kim mimarlık ve tasarım şirketinde yöneticidir.

Karbon fiberin böylesine eşsiz özellikleri olduğundan, Kim ve diğerleri bu malzemenin ideal bir yapı malzemesi olduğuna inanıyor. Kim, “Kompozit malzemeler hızlı imalat ve isteğe uyarlama için çok ilginç bir potansiyel gösteriyor,” diyor; ve geleneksel malzemeler kullanılarak yapılsa, aylar sürecek olan küçük bir evi, karbon fiberle inşa etmenin yalnızca birkaç hafta alacağını da ekliyor. “Kompozit yapılar oldukça çabuk dikilebilir; ve örneğin, müteahhitler ve taşeronlardan, malzeme tedarikine kadar uzmanlaşmış iş gücü ve iş akışı anlamında çok fazla şey gerektirmezler. Bu sebeple daha hızlı ilerliyoruz; sevkiyat zinciri daha kısa, malzeme miktarı daha az ve iş daha ucuza çıkıyor.”

Esnekliği ve hafifliği sayesinde, karbon fiber kolayca taşınabilir. “Modüller yerinden kaldırılabilir, başka yere götürülebilir ve gerektiği gibi daha büyük yapılar üretmek için birbirine bağlanabilir,” diyor. “”Bu da kompozit yapıları, her zaman iyi bir şey olmayan kalıcılık kuramının hakim olduğu geleneksel binalardan çok daha esnek hale getiriyor.”

Geleceği Kurmak

Gökdelenleri, sadece çeliğin gelişi ortaya çıkarmadı. Çeliğin avantajlarından yararlanmak üzere mimarlar, yeni bir yapı tekniğine ihtiyaç duydu: çelik iskeletli yapı. Karbon fiber gibi yenilikçi malzemeler için de aynı durum söz konusu: Bu malzemenin potansiyeli, laboratuvarlar ve şantiyeler arasındaki boşluğu doldurmak için son teknoloji imalat tekniklerinin geliştirilmesine bağlı.

BUILD Space’teki yeni görevleri süresince Kim ve iş arkadaşları olan Stuttgart Üniversitesi yüksek lisans öğrencileri Ayoub Lharchi ve Yencheng Lu, bu tür yöntemleri test edip tanıtmıştır. Araştırmacıların çalışması, kompozit malzemelerin mimarideki geleceğinin, çelik kadar güçlü olduğunu gösteriyor. Hatta çelikten bile daha güçlü.

Heykellerden Yapılara

Kim uzmanlık dönemine Boston’da, Haziran 2017’de başladı. Hedefi, karbon fiber yapıların sadece üstün işlevler değil aynı zamanda üstün formlar üretebildiğini göstermektir. Örneğin, onun karbon fiber takviyeli polimer kompozit malzemeleri oluşturmak için, farklı reçinelerin mukavemet özelliklerini değerlendiren deneyleri, gerçek hayattaki tesisatlarına bilgi sağlamıştır.

Kim, “Biz karbon fiberin sadece edimsel olarak ne yapabildiğini değil, aynı zamanda kültürel anlamda güzel olduğunu göstermek için geçici yapılar kullanıyoruz,” diyor. Kim, Pew araştırma merkezinin kaynak sağladığı “Ses Ormanı” projesinde karbon fiber takviyeli polimer yapıların görsel ve dokunsal özelliklerine dikkat çekmiştir. Kim, bu projeyi dünyada ilk gösterimi yapılacak Sophia’nın Ormanı adlı operası için, opera bestecisi Lembit Beecher’le birlikte tamamlamıştır. İlk kez Eylül 2017’de Philadelpia’da halkın beğenisine sunulan bu opera, Kim ve ekibinin BUILD Space’te yarattığı dokuz adet “ses heykelinden” oluşuyor. Her biri insan boyutunda olan bu heykeller, performans boyunca ortam sesleri çıkaran bir mekanik enstrümanı içinde barındıran, karbon fiber sarılı bir kabuktan ibarettir.

Kim’e göre, her ne kadar küçük ölçekte inşa edilmiş olsalar da; örümcek ağına ya da kozaya benzeyen portatif heykeller, karbon fiberin mimari potansiyeli hakkında ipucu veriyorlar. Kim, karbon fiber bölmeler ya da kapsüller eklenerek, başka bir amaçla kullanılmak üzere değiştirilen iklim kontrollü depolar gibi yapıların olduğu bir gelecek tasavvur ediyor. Temel olarak, binanın dış cephesi aynı kalır; ancak iç kısımlarda, Kim’in ses heykellerindeki işlemler ve ilkeler kullanılarak, modüler ofisler ya da konutlar üretilip isteğe göre uyarlanabilir.

Kim, “Yeni tesisler inşa edebiliriz ama aynı zamanda hiçbir yere gitmeyen ve yüzlerce yıldır mevcut olan yapılarımızın olduğu gerçeğiyle yüzleşmemiz gerek,” diyor. “Beton, tuğla ve taş duvarlı bu binaların yıkılıp yeniden yapılması, enerji dengeleri ve bırakılan ayak izi bakımından zordur. “Neden bu binaları, başka amaçlara yönelik kullanmayalım ve işlevlerini son derece iyi yapılmış, hafif ve uygun fiyatlı “eklemelerle” modernize etmeyelim?”

İmalatın Geleceğini Şekillendirmek

Doğal yaşam, spiraller ve kürelerden, eğrilere ve konilere kadar, ilginç geometrik şekillerle doludur. Hal böyleyken, inşa ettiğimiz dünya, fazla sık olarak üçgenlerden, dairelerden ve karelerden oluşur. İnşa edilen nesneler için muhtemel şekillerden oluşan daha geniş bir katalog oluşturmanın yollarını arayan Lharchi ve Lu, fiber takviyeli kompozitlerin (FRC) geometrik potansiyelini inceleyerek, uzmanlıklarını BUILD Space’te yaptılar.

Lharchi’ye göre, karbon, cam ve aramid fiberler dahil FRC’lerle yeni geometrik şekiller üretmek için etkili bir imalat yöntemi gerekiyor. “Fiberin en iyi kullanımı büyük ölçekli yapılar; örneğin, bir stadyumun çatısını kaplamak istiyorsunuz ve sütunların aşağıdaki alanı engellemesini istemiyorsunuz,” diyor. “Şu anda buna benzer bir şey inşa etmek isterseniz, 3B baskıyla ev yapmak için kullanılanlar gibi büyük bir makine kullanabilirsiniz ama bunu şantiyede hayal bile edemiyorum; ya da kolunun erişim mesafesinden dolayı sizi sınırlayacak bir endüstriyel robotik kol kullanabilirsiniz. Kesintisiz geniş ölçekli FRC (fiber takviyeli kompozit) bir yapı inşa etmek için pratik olan bir imalat yöntemi bulmaya çalışıyoruz.

Lharchi, gelecek vaat eden bir imalat yönteminin, kablo robotlar kullanacağını söylüyor. Lharchi BUILD Space’te, karbon fiberin davranışsal özelliklerini taklit etmek için halat kullanmış; ekibi de kablo robotlarının maharetlerini tanıtmıştır.

Birbirinin üstünde, paralel olarak çalışan iki kablo robotunun bulunduğu bir sistem geliştiren Lharchi, “Daha önce bir stadyumda hava kamerası gördüyseniz, bu cihaz temel olarak üzerinde kamera bulunan bir kablo robottur,” diyor. Robotlar kabloya zikzaklar çizdirirken, fiberi bir ileri bir geri hareket ettirerek, sarmal bir dizime benzeyen benzersiz geometrik şekiller sağlayacak şekilde dokuyorlar. “Ne zaman büyük ve hafif bir yapı oluşturmanız gerekse, karbon fiberi iyi bir seçimdir. Ucuz ve erişilebilir imalat yöntemlerini araştırarak, fiber konstrüksiyonun sahada kullanımını yaygınlaştırabileceğimizi umuyorum.”