ÇELİK KUBBE SİSTEMLER
1. Tarihçe
Kubbelerin bir yapı sistemi olarak, çok eski zamanlardan beri, büyük açıklıkları örtmek amacıyla kullanıldığı bilinmektedir. Özellikle estetik ve ekonomik açıdan sağladığı faydalar, mühendislerin her zaman kubbelere karşı özel bir ilgi duymalarına sebep olmuştur İlk zamanlar, dairesel plandaki yapıları örtmek için uygun bir çatı sistemi olmaları bakımından tercih edilen kubbeler, günümüzde, çok çeşitli düzlem geometrik şekillerde plana sahip yapıların örtülmesinde de yaygın olarak kullanılabilmektedirler.
Kubbe yapılar, önceleri kagir malzemeden inşa edilmekteydiler. Betonarme ve çelik üretim teknolojisindeki gelişmeler sayesinde, özellikle l9 Yüzyıl sonlarından itibaren Betonarme ve çelik kubbelerde inşa edilmeye başlandı. Günümüzde hala ayakta duran kagir iki kubbeye, Roma’ da bulunan PANTHEON (Ms l20-l24) ve İstanbul’ daki AYASOFYA (Ms. 532-537) örnek verilebilir. Bunlardan PANTHEON, 44 m. çapında ve dairesel bir plana sahiptir. Ayasofya’nın kubbesi ise Mimar Sinan tarafından birkaç kez onarımdan geçmiş ve kubbenin açılmaması için yanlardan desteklenmiştir. Bu günkü haliyle 32.6 m açıklığa karşılık l4 m yüksekliğe sahip olan Ayasofya kubbesinin tam küresel formda olduğu söylenemez.
Kagir kubbeler çok eskiden beri inşa edilmelerine rağmen, çeliğin kubbe inşasına girişi l8ll yıllarına rastlar. Pik, ya da kaba demir elemanların kullanıldığı ilk yıllardan sonra, çelik üretim teknolojisindeki hızlı gelişmelerin olduğu l9 yüzyılda, büyük açıklıkların örtülmesinde de çok değişik tipteki çelik kubbe sistemlerin kullanıldığını görüyoruz. Bu yüzyılda yapılmış (l867-l87l) vehala ayakta duran Royal Albert Hall’ ı örten Londra kubbesi eksen uzunlukları 76 ve 56 m olan oval bir plana sahiptir Çelik kubbelere genellikle dizayn edenlerin adlarıyla anılırlar. Föble, Zimmerman, Fuller, Mohr kubbelerini buna örnek verebiliriz. İngilizce literatürde “BracedDomes” olarak adlandırılan Kubbe Ağ-Kabuklar ifadesi, genel anlamda iskeleti hem çelik hem de ahşap olabilen kubbe ağ-kabukları kapsamaktadır.
2. Çelik Kubbe Sistemlerin Sınıflandırılması
Çelik kubbe sistemler dört ana grupta sınıflandırılabilirler .(Makowski, l988)
Makowski’ nin sınıflandırmasına göre ;
a) Tekhatlı (singlelayer) kubbeler
b) Çift hatlı (doublelayer) kubbeler
c) Gerdirilmiş deri tipinde kubbeler
d) Özel formda yüzeye sahip kubbeler
Çelik kubbe sistemlerin sınıflandırılması ve bu alanda hala karışıklıklara neden
olmaktadır. Çünkü gerek kubbenin geometrisinde sürekli yeni yeni formlarda elde edilmesi, gerekse taşıyıcı sistemde, değişik konstrüksiyonların ve düğüm sistemlerinin kullanılması sınıflandırmada belirli bir standarda gitmeyi zorlaştırmaktadır.
Yukarıdaki sınıflandırmaya göre en çok kullanılanı birinci tip kubbelerdir. Genellikle l00 m’ ye kadar açıklıkları geçmek için kullanılırlar l00 m’ den daha fazla açıklıkları geçmek için ise ikinci tip kubbeler kullanılır. İkinci tipe bir örnek vermek istersek, New Orleans spor stadyumunu örten dünyanın en büyük kubbesinin net açıklığı 2l3 m’ dir. Diğer taraftan son 20 yılda inşa edilmiş çelik kubbe, ağ-kabuklar gözden geçirilirse pratikte en çok kullanılanlarının 4 veya 5 tip oldukları görülür. Bunlar;
a) Nervürlü kubbeler (RibbedDomes)
b) Schwedler kubbeler (Ağ kubbeler)
c) Üç doğrultuda ızgara tek hatlı kubbeler
d) Paralel-lamella kubbeler
e) Geodezik kubbeler
e) Çift hatlı kubbeler
3. Radyal Nervürlü Kubbeler
Dolu gövdeli, petek kiriş,düzlem veya uzay kafes olarak düzenlenen radyal nervürlerin tabanda çekme çemberine tepede ise basınç çemberine veya birbirlerine bağlanması ile meydana getirilirler. Nervür elemanlar daha önce ayrı bir yerde imal edilirler ve sonra bir araya getirilirler. Bu özelliğinden dolayı radyal nervürlü kubbelerin prefabrikasyona uygun olduğunu söyleyebiliriz.
4. Schwedler Kubbeler
Schwedler kubbeler nervürlü kubbeler sınıfına girerler. Aralarındaki fark radyal nervürlerin Radyal Nervürlü kubbelerde her biri tek eleman olarak düşünülürken Schwedler kubbelerde 3 hatta 4 radyalnervür, kendi aralarında öyle düzenlenir ki kubbenin imalatında bu elemanların yan yana getirilmesi ile kubbe inşaatı tamamlanmış olur (Şekil 2). Radyal nervürler kubbenin tepesinde basınç çemberine rijit ya da mafsallı olarak, tabanda ise çekme çemberine genellikle mafsallı olarak bağlanırlar. Temele sadece düşey yükün gelmesi istenildiği durumlarda ise tabana konan çekme çemberine radyal nervürler rijit olarak bağlanır. Yapının stabilitesini artırmak için radyal nervürler birbirlerine yatay kararlılık bağları ile birleştirilir. Yatay kararlılık bağları arasına ise bazen tek bazen de çift köşegen elemanlar konulur. Köşegen elemanların tek veya çift olması durumuna göre de tek köşegenli veya çift köşegenli schwedler kubbeler olarak adlandırılırlar. Gerek yatay kararlılık bağları gerekse köşegen elemanlar schwedler kubbeleri radyal nervürlü kubbelerden ayıran en önemli farklardır. Schwedler kubbelerin yüksek hiperstatik özelliğine sahip olmaları, düğüm noktalarının kaynaklı birleşimine rağmen mafsallı gibi düşünmemizi sağlar. Bu özellik ise hesabın el ileyapılabilme kolaylığını getirir. Schwedler kubbelerin prefabrikasyona uygunluğu diğer bir avantajıdır.
5. Net-work Kubbeler (Ağ Kubbeler)
Bu tip kubbeler, schwedler kubbeler için kullanılan şekilden çıkartılmıştır. Fakat ondakinin tam aksine, aynı düzlemde üç çubuğa sahiptir. Bu yüzden kubbenin ağ sistemi mafsallı birleşim kabulüne göre bile, aktif olmayan bir çubuğa sahip değildir. Herhangi bir düğüm noktasına gelen yük, sistemin geometrisinden dolayı,bütün elemanlarda gerilmelere sebep olur. Ağ-kubbelerin çoğu1.Dünya savaşından önce Almanya’ da inşa edilmiştir. Son zamanlarda Almanya’nın Mero firması, hazır boru elemanları ve özeldüğüm (Mero Düğümü) sistemi kullanarak Ağ-kubbelerin daha yaygın kullanımını sağlamıştır .
6. Üç Doğrultuda Izgara Kubbeler
Bu gün Avrupa’nın birçok ülkesinde kullanılmakta olan bu tip kubbelere, İngiltere’ de l95l’ de Britain festivali için yapılan kubbeyi örnek verebiliriz Üç doğrultuda ızgara kubbelerin teorik analizi, simetrik olmayan yüklemeler altında bile malzeme tüketiminde eşit bir dağılım olduğunu göstermiştir. Son 20 yılda, Japonya’da bu tip pek çok özel ve büyük açıklıklı kubbe inşaa edilmiştir. Uje-Je (Japonya)spor kompleksi için yapılan üç doğrultuda ızgara bir kubbenin net açıklığı 42 m ve kullanılan çelik malzeme miktarı sadece l70 tondur (Makowski, l988).Ayrıca bu tip kubbeler, kare, dikdörtgen, daire, üçgen ve altıgen plandaki yapıları örtmek için en uygun olanıdır.
7. Lamella Kubbeler
Lamella kubbeler birbirine benzer çok sayıda birimlerden oluşur. Elmas ya da baklava dilimi şeklinde düzenlenmiş bu elemanlar Lamella olarak adlandırılır. Her bir Lamella birimi baklava dilimi (eşkenar dörtgen) ya da elmasın bir kenarının uzunluğunun iki katı bir uzunluğa sahiptir Kubbenin yüzeyindeki stabiliteyi çatı örtüsü veya aşıklar olarak kullanılan baklava dilimi şeklindeki bu elemanlar sağlar Lamella kubbe tipinde inşa edilen Houston kubbesi 9 hektar alanı örtmektedir. (Makowski, l988) Esas kubbenin dış çapı 2l7 m ve yüksekliği 63.4 m’ dir. Lamella kafeslerin derinliği l52 m’ dir .Toplam 2l50 ton çelik, 276 ton çekme çemberi 325l6 m2 alanı örtmek için esas kubbede kullanılmıştır. Lamella kubbeler Dr. Kiewitl tarafından geliştirilmiş ve büyük açıklıkları geçmek için daha uygun hale getirilmiştir. Lamella kubbelerin en önemli özelliği, yangın, sismik etki ve rüzgar yükleri etkisinde iyi bir yapısal davranış sergilemesidir. Japonya’da pek çok firma bu tip kubbelerin prefabrikasyon üretimi ile ilgilenmekte ve ayrıca geliştirmeye çalışmaktadırlar. 240 km/h hıza sahip rüzgar tesirinde, Miami’deki böyle bir kubbenin hiç hasar görmediğini söyleyebiliriz.
8. Geodezik Kubbeler
Çelik kubbe sistemlerin küresel formda olabilmeleri için düzgün beşgenlerin arasına düzgün olmyan altıgenlerin katılmasıyla elde edilirle). Geodezik kubbe Buckminster Fuller tarafından 1954’lerde geliştirilmiştir. İdeal prefabrikasyon bir sistem bütün düğüm noktaları için aynı özelliğe sahip basit düğüm sistemine ve özdeş elemanlara sahip olmalıdır. Bu gibi durumlarda elemanlar ve düğüm sistemleri büyük ekonomi sağlamaktadır. Diğer taraftan bu sayede çok değişik formlarda tek veya çift hatlı ızgara kubbeler üretmek mümkün olmaktadır. Bununla birlikte kubbe ağ-kabukları bu şekliyle herhangi bir sınıfa sokmak mümkün olmamaktadır. İşte, bu noktada Buckminster Fuller tarafından geliştirilen Geodezik Kubbelerin prefabrikasyona uygunluğu ve küresel formda kubbe üretiminde sağladığı avantajlar nedeni ile bu alanda önemli bir problem ortadan kalkmış oldu. İlk uygulanan Geodezik kubbeler herhangi teorik analize başvurulmadan inşaa edildi. Buradaki Geodezik kelimesi geometrik bir anlam ifade eder. Yoksa esas gerilme analizi metodunu ifade etmez. Son zamanlarda bilgisayarlar yardımı ile kolayca bunların analizi yapılabilmektedir.
9. Çift Hatlı Kubbeler
60 m’nin üzerinde açıklığa sahip alanların örtülmesinde hafif elemanlardan teşkil edilen tek hatlı kubbeler yeterli derecede stabil olamamaktırlar. Tecrübeler göstermiştir ki, özellikte kar yükü gibi simetrik olmayan yükler altında malzeme akma durumuna gelmeden, basınç çubuklarının instabilitesinden dolayı kubbe göçebilmektedir. Alüminyum gibi hafif malzemelerin kubbe inşasına girmesiyle önem kazanan bu durum gerçekte daha öncelerden bilinmekteydi. Elastik instabilite eğilimli narin elemanların kullanılması, yapının öz yüklerinde büyük azalımlara sebep olmuştur. Öz yüklerde büyük azalımlar sağlanırken aynı zamanda elemanların daha düşük kuvvetlerde burkulmaları problemi onaya çıkınca, bu problemin aşılması için çift hatlı Ağ-Kabuklar düşünülmüştür. Çift hatlı ağ kabuklar, narin elemanların sebep olduğu instabilite durumunu en aza indirgemiştir. Bunun başlıca sebebi düğüm noktalarındaki yüksek hiperstatikliktir. Herhangi bir düğüm noktasında elemanlardan biri burkularak taşıma gücünü kaybedince diğer elemanlar fazladan gelen tesirleri kolayca karşılayabilmektedirler. Her iki hatlı tipik bir ağ-kabuk olan kubbenin hatları birbirlerine ara elemanlarla bağlanmıştır. Yapılan araştırmalar, 60m’nin üzerindeki açıklıkların örtülmesinde hafif elemanlardan müteşekkil tek hatlı kubbelerine çift hatlı kubbe inşaatının daha ekonomik olduğunu göstermiştir (Makowski,1988)
Yukarıda açıkladığımız çelik kubbe sistemlerden başka, gerdirilmiş-deri geodezik kubbeleri ve Tridetic, kubbeleri aynı ad altında toplayabiliriz Diğer taraftan, dizayn edenlerin adlarına göre ise, Schlink kubbeleri, Zimmerman kubbeleri ve düğüm noktaları rijidliğine göre ise Rjjid Düğüm noktalı kubbeleri sayabiliriz.
