Modern yapı malzemeleri ile yeni yüzyıl

modern yapı

Dökme çelik yönteminin bulunuşuyla eylemine ilk modern malzeme katılırken, insanoğlu malzeme bilimiyle tanışır. Kireç ve benzeri hidrolik bağlayıcılar antik çağdan bu yana bilinse de, betonarme ancak portland çimentosunun keşfinden sonra bulunup malzemeleri arasına katılacaktır.

1920’lerde yapı eylemine giren plastikler, günümüzde ince yapıda yaygın kullanım bulsalar da, strüktürel kullanımları çeşitli nedenlerden ötürü yaygınlaşamamıştır: Kimyasal dengenin kararsızlığına bağlı olarak pek güvenilir olmamaları, ısıya karşı dirençlerinin düşük olması, elektrostatik etki nedeniyle toz çekmeleri vb. Bu olumsuzlukları taşımayan plastik uygulamaları, geleneksel malzemelere oranla yüksek maliyetleri nedeniyle tercih edilmemektedir. Malzemenin esneklik modülünün düşük olması nedeniyle ince katlar halinde kullanılan bu malzemeleri biçimleriyle çalıştırmak gerekir: Katlanmış plak, kabuk gibi. En geçerli çözümler, büyük mekânları pnömatik (şişirilmiş) zarlar ya da membran örtülerle örtmektir.

1950’li yıllardan itibaren yaygınlık kazanmaya başlayan karma () malzemeler, çoğu zaman organik bir olan bir matristen ve bu matrise gömülü elyaf güçlendirme öğesinden oluşur. Karma malzemelerde cam elyafı, elyafı ve aramid elyafları (kevlar vb.) yaygındır. Bunların yanında seramik elyafı ( karbür), polietilen, silis ve bor elyafı da yaygın olmamakla beraber kullanılmaktadır. Karma malzemeler, matrislerinin organik reçinelerden (plastikler) yapılması halinde reinforced polymer composite “RPC” ( kompozit, armürlü plastik, donatılı plastik) olarak anılmaktadır. Daha çok ince yapı uygulamalarında kullanılan kompozitlerin, yapı strüktürlerinde kullanımları şimdilik sınırlıdır.

Yapı eyleminin en çok kullanılan malzemesi hiç şüphesiz betonarmedir. Betonun alışılmış donatılar (çelik, bambu vs.) dışında fibre reinforced polymer “FRP” (fiber donatılı polimer) ile takviyesi 1960’lı yıllardan bu yana uygulanmaktadır. Modern beton malzemelere ilginç bir örnek ışık geçirgen betondur. Agregasındaki cam elyafı sayesinde ışık geçirgen özellik kazanan bu beton, dayanım ve kullanım olanakları açısından alışılagelen betonlardan farklı değildir. Uygun agrega seçimi ile betona başka ilginç özelliklerde sağlanabilmektedir: örneğin, agregada grafit ve çelik kullanarak elektrik akımı uygulandığı zaman ısınan beton ya da radyo dalgalarını soğuran ferrit kullanarak radarda görünmeyen beton yapmak olanaklıdır.

Yeni olanaklar sunan başka bir modern beton uygulaması ise, süper kritik karbondioksit (SCCO2) kullanarak betonun karbonlaşma sürecinin hızlandırılmasıdır. Böylece betonun korbondioksitle (CO2) reaksiyona girip kireçtaşına dönme süreci yıllar yerine  birkaç dakika içinde sağlanmaktadır. Sonuçta elde edilen beton, normalin iki katı basınç dayanımına kavuşurken, çekme dayanımı da yüzde 75 oranında artmaktadır . SCCO2 normal CO2’e 31°C sıcaklık üzerinde atmosfer basıncının 73 katı basınç uygulandığı zaman elde edilmektedir. Dolayısıyla pahalı ve zor bulunur bir malzeme değildir. (Düşük beton kalitesi nedeniyle tehlike altındaki mevcut betonarme yapıların strüktürü bu yöntemle kolayca güçlendirilebilir. Türkiye’deki bu tip yapıların depreme karşı güçlendirilmesi için bu yöntem iyi bir seçenektir. Malzemenin donatı çubuklarının paslanmasına sebep olmayacağı, hattâ paslanmayı engelleyeceği düşünülmektedir.) Bu teknoloji, SCCO2 içinde çözülmüş stiren gibi hafif hidrokarbonların beton bünyesine taşınıp polistren oluşumunu sağlayan kimyasal reaksiyonların başlatılması hafif ve büküldükten sonra eski biçimine dönebilecek kadar esnek betonların üretimi için de kullanılmaktadır. Dünyada sürdürülen beton araştırmaları arasında beden zırhları, yarı iletken parçalar, helikopter kanatları gibi alışılmadık uygulama alanlarını öngören araştırmalarda görülmektedir. Bunlar içinde en ilginç olanı, betona sünek davranış kazandırabilmek için sünek çimento (ductile cement) yapımının 6 laboratuvarlık bir ağ tarafından araştırıldığı nanoconcrete projesidir.  Hattâ, yüzyıl içersinde beton kökenli malzemelerin, çelik, kağıt, ahşap vb. alışılmış malzemelerin yerini büyük ölçüde alacağı düşünülüyor (Judge; 1997). Bu oldukça iddalı bir kabul olsa da, gelecekte yeni uygulama alanlarıyla birlikte betonun, yapı malzemesi olarak hâlâ vazgeçilmez bir malzeme olacağını göstermesi açısından anlamlıdır.

200 yıl kadar önce keşfedilmelerine ve yerkabuğunda bolca bulunmalarına karşın, alüminyum ancak 1940’larda, titanyumsa ancak 1950’lerde ticari kullanıma girebilmiştir. Bu metaller, çelik kadar erken ticari kullanıma sunulabilseydi, hiç kuşkusuz günümüzün yapı teknolojisi bambaşka bir hal alabilirdi. Bir karşılaştırma yaparsak, 1750 yılında ticari kullanıma giren çelik, bugün 8000’den fazla alaşım içeren bir malzeme grubu haline gelmiştir. (Aslına bakılırsa, çelik ticari açıdan alüminyum ve titanyum kadar güç elde edilmediği için doğaya şükretmeliyiz. Aksi takdirde, sanayi devrimi ve bunu izleyen teknolojik gelişme büyük bir sekteye uğrayacaktı). Titanyum, atmosferik koşullara ve aşınmaya karşı üstün direnci, hafifliğine karşın yüksek dayanımı nedeniyle mimari uygulamalarda özellikle kaplama ve strüktür malzemesi olarak giderek artan bir kullanım bulmaktadır. Gelecekte, yerkürede bolca bulunan minerallerinden ayrıştırmak için daha ekonomik yöntemler bulunup ucuzladığında, titanyum çeliğin yerini alacaktır (Orhon; 2005).

Gerçekten yeni malzemeler var mıdır?
Maddenin doğası gereği bakarsak, insanoğlunun “yoktan var etme” yetisi olmadığına göre, aslında maddesel açıdan yeni bir malzeme yoktur. Malzemeleri “yeni malzeme” ya da “modern malzeme” olarak adlandırmak, bunların sentez ve üretim yöntemlerinin bulunup kullanılmasıyla ancak sanayi devrimi sonrası olanaklı olmuştur. Bugün artık pek çok malzemeye özelliklerini veren doğal mekanizmalar bilinmekte; daha da önemlisi bu mekanizmalar denetlenerek istenen özelliklerin programlanabildiği tasarlanmış malzemeler yaratılmaktadır. Bu açıdan bakıldığında yeni malzeme bulmak demek, aslında malzemeyi istediğimiz gibi işleyip kullanabileceğimiz yeni yaklaşımlar bulmak demektir.

Bugün artık, atom boyutlarında yapıları (nanostrüktür) bile istenen bir amaca hizmet edebilecek şekilde düzenleme tekniklerine (nanoteknoloji) sahibiz. Malzemenin atomik düzenleniş biçiminin, malzemenin niteliklerinde ne derece belirleyici olduğuna en bilinen örnek karbon yapılarıdır (Resim 2). Karbon saf halde, üç boyutlu (3B) elmas yapıdan, iki boyutlu (2B) yarımetalik grafite, bir boyutlu (1B) nanotüplerden sıfır boyutlu (0B) nanotoplara kadar farklı kararlı yapılara sahip olabilmektedir. Sonuçta elmas bilinen en sert malzemeyken, kurşun kalemlerde kullandığımız grafit bilinen en yumuşak malzemelerden biridir. 1990’lı yıllarda keşfedilen karbon nanotop (0B) ve nanotüp (1B) yapıların sağlamlıkları inanılmaz düzeydedir. Karbon nanotoplar içerisinde en sağlamı ve özellikleri en iyi bilineni olan C60, jeodezik kubbeyi bulan ünlü mimar Buckminster Fuller’in anısına Buckminsterfullerine ya da Buckyball olarakta anılmaktadır. Hasarsız bir C60 nanotop, kendi ağırlığının 300 milyon katı bir ağırlığa dayanabilir; bu dayanım bilinen malzemeler arasında eşsizdir. Karbon nanotüplerse tek ya da iç içe geçmiş, uçları açık ya da kapalı silindirler biçiminde değişik çaplarda olabilmektedir. Laboratuvar deneylerinde tek duvarlı küçük çaplı karbon nanotüplerin gerilme mukavemeti 45.000 Mpa olarak belirlenmiştir (Erkoç, 2001). Bir fikir vermesi açısından belirtmek gerekirse, en sağlam çelik alaşımları 2 Mpa’da kopar. Üstelik karbon nanotüpler düğüm yapılabilecek kadar esnektir. Gelecekte karbon nanotüp demetleriyle yapılan karbon nanotüp lifler, üstün dayanımları ve esneklikleri ile süper malzemeler olacaktır. Bu liflerle dokunacak süper membranlar çok geniş yüzeylerin, hattâ kentlerin üzerini örtebilir. Karbon nanotüp liflerin, beton ve yapı plastikleri içerisinde güçlendirme malzemesi olarak kullanıldığı süper karma malzemelerle inanılmaz mimarlık ve mühendislik yapıları inşa edilebilir. Bu noktaya kadar aşılması gerekli engeller de yok değil. Öncelikle karbon nanotüplerin maliyetinin azaltılması (günümüzde maliyet 1000$/gram civarında) ve daha da önemlisi nanotüp yüzeylerinin fazla düzgün ve pürüzsüz olması nedeniyle matris malzeme içinden kayma probleminin giderilmesi gerekiyor. Karbon nanotoplarsa yapı malzemelerinin yüzeyinde nanometre kalınlıkta kaplama (nanokaplama) olarak kullanıma girmiştir. Bunlarla kaplanan yüzeylerde karbon nanotopların düzgün ve pürüzsüz yüzeyleri nedeniyle yabancı madde tutunamaz ve nanotopların olağanüstü sağlamlıkları nedeniyle kaplanan yüzey çizilmez. Günümüzde, malzeme niteliklerini iyileştiren başka kaplamalar da kullanıma sokulmuştur. Örneğin: ısı PCC (Protective Ceramic Coating- Seramik Kaplama). NASA’nın uzay araçlarını atmosfere girişlerinde sürtünmeden korumak üzere geliştirdiği zar kalınlığında bir ısı kalkanı olan bu kaplama, seramik, ahşap, çelik, plastik, cam elyafı gibi her türlü malzeme yüzeyine yangından olarak sürülerek uygulanmaktadır (Kushnir; 2001).

Akıllı malzeme özelliği gösteren kaplamalara ilginç bir örnek, New Castle Üniversitesi’nde geliştirilen piezoelektrik bir madde olan zirkonat titanat (PZT) içeren boyalardır. Piezoelektrik maddeler, üzerlerine güç uygulandığı zaman uygulanan güçle orantılı elektriksel bir gerilim oluşturur. Çelik konstrüksiyonlu binalarda yüzeye püskürtülerek uygulanan bu boya, uygulandığı malzemedeki basınç ve çekme gerilmelerindeki artışa bağlı olarak çevreye elektrik gerilimi vermektedir. Bu gerilimin izlenmesiyle yapının strüktürel davranışı izlenebilmektedir. Bu boya İngiltere’de Gateshead Milenyum Köprüsü’nde (2000) bu amaçla kullanılmıştır.

Uygulandığı malzemenin gerilimini izlemek dışında, ışıkla kendini temizlemek ya da sıcaklıkla renk değiştirmek gibi ilginç özellikler gösteren akıllı boyalar da üretilmiştir. Bu tip akıllı malzemeler sanatçılara da ilham vermektedir. Etkileşimli heykel sanatında bir öncü olan Japon Kiyoyuki Kikutake bu sanatçılardan biridir. Sanatçının Tokyo Modern Sanat Müzesi’nin önünde duran “Dünya” isimli paslanmaz çelik heykelinin bir kısmı, sıcaklığa bağlı olarak rengi kendiliğinden sarı ve kırmızı arasında değişen özel bir boya ile boyanmıştır. Heykel özellikle yaz aylarında, gün doğumundan gün batımına kadar çevre sıcaklığıyla etkileşerek önce sarıdan kırmızıya sonra tekrar sarıya dönmektedir. Gelecekte, geliştirilecek akıllı süper kaplamalar sayesinde, sıradan yapı malzemeleri bile dikkate değer özellikler kazanacaktır. Geleceğin yapıları için kendini temizleyen, bakım gerektirmeyen, çizilmez cepheler ya da yangına karşı yüksek güvenilirlik sıradan özellikler haline gelecektir.

Yeni malzemeler için esin, çoğunlukla doğadan (biyoesin) doğada bulunan canlı ve cansız yapılardan gelmektedir. Deniz mikro organizmalarının kabukları, köpek balığı derisi, midye kabukları, kemik dokusu vb. gibi biyotaklit (biomimetics) yoluyla malzeme teknolojilerine uygulanmaya çalışılmaktadır. Örneğin: Princeton Üniversitesi’nde seramik araştırmaları yapan Prof. Dr. İlhan Aksay’ın, midye kabukları üzerindeki çalışmasında bu doğal yapıların “seramik kompozit” yapısı araştırılmıştır. Bu yapının, moleküllerin düzenlenmesinde bir model olarak kullanımıyla yüksek teknoloji seramiklerinin tasarımı olanaklı olabilecektir. Bu seramikler gelecekte, kabuk mimarilerinin vazgeçilmez malzemesi olacaktır. Biyoesin’e bir başka örnek, kemik dokusundan hareketle yapılan jel (gel) malzeme araştırmalarıdır. Bu malzemeler, geleceğin güçlü ama hafif malzemelerini üretmek konusunda ümit vermektedir. Jel, biri katı madde diğeri dispersiyon (dağılım) maddesi olmak üzere iki bileşenden oluşan bir karışımı tanımlar. Dispersiyon maddenin hava olması durumunda oluşan yapı aerojel (aerogel), su olması durumunda ise hidrojel (hidrogel) olarak tanımlanmaktadır. Örneğin: Genleştirilmiş polistren köpük bir aeorojeldir. Günümüze kadar bulunan en hafif madde, katı madde olarak hacimce yüzde 0.02 silisyumdioksit kullanılan silikat-aerojeldir. Bu aerojel, düşük özgül ağırlığına (0.005 gr/cm3) rağmen yoğunluğunun 1600 katı kadar ağırlığı taşıyabilmektedir. Jel malzemelerde katı madde oranı artırıldıkça stabilitenin (dayanıklılık) artması buna karşılık maddenin hafifliğinden kaybedilmesi karakteristik özelliktir. Jel malzemenin dayanımı, katı maddenin dispersiyon madde içerisinde kurduğu geometrik yapıya -mikrostrüktür – bağımlıdır. Gelecekte, bu geometriyi kontrol edecek yöntemlerin bulunmasıyla dayanımı yüksek, süper jel malzemeler üretmek olanaklı olacaktır. Katı madde olarak metallerin kullanımı olağanüstü dayanıklı jeller yaratacaktır. Örneğin: Katı madde olarak titanyum (hacmen yüzde 10) kullanılan bir titanyum-aerojel, düşük özgül ağırlığına (yaklaşık 0.5 g/cm3) karşın mikrostrüktürüne bağlı olarak çelik kadar dayanımlı olabilir. Üstelik titanyumun üstün korozyon dayanımı vb. niteliklerini de taşıyacaktır. Malzemenin mikrostrüktür yapısı yerine nanostrüktür yapısına müdahale edilebilmesi durumundaysa elde edilecek malzeme dayanımları, karbon nanoyapılarda olduğu gibi inanılmaz olacaktır. Uygun teknolojinin bulunup yerleşmesiyle metal, seramik veya polimer tabanlı jel malzemeler, geleceğin yapı teknolojisinde temel malzeme haline gelebilirler. Gelecekte jel malzemeli yapı elemanları, statik çalışma özelliklerine en uygun mikrostrüktür bilgisayarlarla hesaplandıktan sonra, bu geometrinin kontrollü üretim alanlarında jel malzemeye uygulanmasıyla üretilmiş hafif ama dayanıklı elemanlar olacaktır.

Malzemenin kullanım etkinliğini, nanostrüktür veya mikrostrüktürle oynamaksızın artırmak da olanaklıdır. İşlem mühendisliği (process engineering), malzemenin nitelikleriyle daha iyi uyuşarak malzemenin kullanım etkinliğini artıracak özgün işleme teknikleri yaratmayı amaçlar. Buna iyi bir örnek Kanada’da geliştirilen “parallam” adlı süper dayanımlı lamine ahşap malzemedir. Malzeme, geleneksel ahşap malzemeden çok ince kesitte – yaklaşık 0.5 mmxO.5 mm – kesilen çubukların özel bir yapıştırıcıyla yapıştırıldıktan sonra mikrodalgalarla işleme tabi tutulmasıyla üretilmektedir. Sonuçta lamine ahşap tekniğinde elde edilebilecek en üst düzeyde malzeme etkinliğine ulaşılarak, çelikten daha ucuza malolan ancak aynı işi görebilecek bir ahşap malzeme elde edilmiştir.

İşlem mühendisliğine diğer bir örnek “Trio Iso Super 9” adı verilen metal tabanlı bir ısı yalıtım malzemesidir. Metaller yüksek ısı geçirgenlikleri nedeniyle ısı yalıtımı için seçilecek en son malzeme olarak düşünülebilir, ancak uygun bir işlem tekniğiyle en uygun malzeme haline getirilebilir. Trio Iso, çok ince metal tabakalarının havayla sıkıştırılmasıyla üretilmektedir. Sonuçta cam yününden 80 misli daha iyi ısı yalıtımı sağlayan, lifli, petekli ve yansıtıcılı ısı yalıtım malzemelerinin bütün avantajlarını taşıyan, mikroorganizma barındırmayan, çekme ve yırtılma dayanımı yüksek bir ısı yalıtım malzemesi elde edilmiştir.

Tasarlanmış malzeme üretimi giderek malzeme biliminde kuram haline gelse de, bunun tersi yöntem de hâlâ geçerlidir. Araştırmacılar, şaşırtıcı özellikleri olan bir malzeme bulduklarında hemen bu malzeme için uygulama alanlarını yaratmaya girişmektedirler. Buna iyi bir örnek, gelecekte yapı teknolojisinde önemli bir rol oynayabilecek olan şekil bellekli alaşımlardır. Plastik form değişikliğine uğradıktan sonra uygun yönde sıcaklık değişimi uygulandığında ilk konumuna dönebilen alaşımlara şekil bellekli alaşım (ŞBA) denmektedir. ŞBA ile yapılmış bir cisim, plastik biçim bozulmasına uğratılsa bile, belirli bir sıcaklığa maruz bırakıldığında kendiliğinden orijinal biçimine geri dönecektir. Alaşım, programlandığı sıcaklık derecesini ve biçimini adeta hafızasında tuttuğu için bu etkiye “Şekil Bellek Etkisi (ŞBE)” denmektedir. Bu etki ilk kez 1932 yılında altın-kadmiyum alaşımlarında sonra bakır-çinko alaşımlarında saptanmış, ancak asıl ilerleme 1962 yılında ağırlıkça eşit oranlarda nikel-titanyum içeren alaşım bulununca olmuştur. Bulunduğu laboratuvarın anısına “nitinol” (Nikel-Titanyum Naval Ordinance Laboratory) olarak adlandırılan bu alaşım, bugün bilinen en güçlü ŞBA’dır. Bir fikir vermek gerekirse nitinol (Ni-Ti), şekil bellek etkisi ile şekil değiştirirken santimetrekareye 187.500 kg’lık bir gerilme uygulayabilmektedir. ŞBA’lar günümüzdeki sıcaklık farkıyla çalışan motorlar vb. mekanik uygulamalarda yaygın kullanım bulmuştur. Yapı uygulamalarındaysa yangın denetimini sağlayan sprinkler sistemleriyle kullanıma girmiştir. Diğer ilginç bir uygulama, ŞBA ile yapılmış etkileşimli heykellerdir. Yapı dışı mekânlara konan bu heykeller, günboyu sıcaklığa bağlı olarak şekil değiştirmektedir. Bu malzemelerin geleceğin yapı teknolojisinde kullanım olanakları çok geniş olacaktır. Örneğin, yapı cephesindeki güneş kırıcıların ŞBA ile yapıldığını düşünelim. Bu elemanlar, güneşin ve dolayısıyla sıcaklığın durumuna göre kendiliğinden uygun konuma gelerek güneş denetimini gerçekleştireceklerdir. Sonuç, insan müdahalesine gerek kalmaksızın çevresel etkenlere kendiliğinden yanıt veren, adeta canlı bir yapıdır. Bunun dışında, ŞBA ile üretilen yapı elemanlarının, içlerine yerleştirilen ısı kontrol mekanizmalarıyla istenildiği anda hareket ettirilmesi de olanaklıdır. Örneğin, yapının taşıyıcı elemanları bu yolla yapılarak strüktürün değişik ve beklenmedik statik etkilere karşı yanıt vermesi sağlanabilir; böyle bir strüktür bir deprem halinde hassas bir sistem kontrolünde uygun yönde ve oranda eğilerek statik bütünlüğünü koruyacaktır. Şimdilik pahalı metallerden üretilen ŞBA’lar, ekonomik nedenlerle belirtilen yapı uygulamalarına girememiştir. Gelecekte alaşım metallerinin (örneğin: titanyum) ucuzlaması ya da yeni ŞBA’ların bulunmasıyla bu malzemeler, hiç kuşkusuz akıllı yapılar için vazgeçilmez olacaktır. Günümüzde yapı eylemi, sanayi öncesi toplumların düşlerinde bile görmediği teknolojik olanaklara ve çeşitliliğe kavuşmuştur. Yalnızca basit barınaklara gereksinim duyan Homo Erectus’un (basit taş aletler ile yapı eylemine giriştiği düşünülen ilk insan türü) aksine büyük yapı eylemlerine girişen Homo Sapiens (günümüz insanı) pek çok kişiye göre artık Homo Sapiens Technicus’tur. Homo Sapiens Technicus’un modern, yeni, akıllı malzemeleri gelecekte yapı eyleminde hayal bile edemediğimiz, geniş ufuklar açacaktır.

Bunlarda var

One comment on “Modern yapı malzemeleri ile yeni yüzyıl

Bir Cevap Yazın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir