Yusufçuk Kanadı Deseni, Kubbe ve Kemerleri Güçlendirmede Roma ve Modern Yöntemleri Geride Bırakıyor!

Yusufçuk kanadı deseni, mimaride kubbe ve kemerlerin güçlendirilmesinde en etkili yöntem olarak öne çıkıyor. Skoltech araştırmacıları ve İspanya’daki Granada Üniversitesi’nden meslektaşları, geleneksel ve alışılmadık yusufçuk kanadı esintili desenleri karşılaştırarak en verimli güçlendirme yöntemlerini belirledi. Araştırma, hem simetrik hem de asimetrik yüklere karşı farklı rijitlik nervür desenlerinin performansını analiz etti.

Thin-Walled Structures dergisinde yayınlanan çalışma, sayısal analiz ve fiziksel deneylere dayanıyor. Şaşırtıcı bir şekilde, yusufçuk kanadı deseni, incelenen diğer tüm düzenleri geride bıraktı. Yusufçuk kanadı deseninin mimarideki kubbe ve kemer yapılarına nasıl uygulanabileceği büyük bir ilgi uyandırdı.

Rijitlik Nervürlerinin Tarihsel Kullanımı ve Yeni Yaklaşımlar

Rijitlik nervürleri, antik Roma döneminden beri hem mühendislik hem de estetik nedenlerle daha ince yapılar oluşturmak için kullanılmıştır. Bu çözüm malzeme tasarrufu sağlar ve Gotik katedrallerdeki gibi daha karmaşık tasarımlara, daha geniş sütunsuz zemin açıklıklarına ve daha büyük pencerelere olanak tanır.

Tavanın ağırlığını dağıtmak için rijitlik nervürleri kullanımı inşaat mühendisliğine de yabancı değildir. Bazı metro istasyonları ve endüstriyel tesisler buna canlı bir örnektir. Bununla birlikte, nervür yerleşimi için geometrik desen seçimi söz konusu olduğunda, genellikle eski favorilere, örneğin iç kısımda kare bir nervür ağı bulunan beşik tonozlara ve erken Roma mimarisinden ve ondan esinlenen Rönesans kiliselerinden aşina olduğumuz çapraz tonozlara indirgeniyor.

Çalışmanın başyazarı, Skoltech Matematik ve Mekanik programından doktora öğrencisi Anastasiia Moskaleva, “Hangi nervür desenlerinin dikey ve asimetrik yüklere daha iyi dayanabileceğini görmek için birkaç nervür desenini analiz etmeye karar verdik” dedi. Yusufçuk kanadı deseni de bu analizlerin arasında yer aldı.

Moskaleva, “Geçen yılki çalışmada tasarlanan kavisli yüzeyli polimer kompozit kabuklar üzerinde sayısal simülasyonlar ve deneyler gerçekleştirdik. Her durumda nervürlere harcanan malzeme miktarını kabuğun kendisinde kullanılan malzemenin yarısı ile sınırlandırarak, beş farklı şekilde konumlandırılmış rijitlik nervürleri ile donattık” dedi.

Yusufçuk Kanadı Deseni ve Diğer Desenlerin Karşılaştırılması

Araştırmacılar tarafından başlangıçta araştırılan beş rijitlik nervürleri deseni, iki zaman onurlu tasarım -kasetli tavan ve çapraz tonoz- ile topolojik optimizasyon yoluyla elde edilen iki düzeni içeriyordu. Orta sütundaki üstteki desen, kabuğun her noktadaki kalınlığını optimize ederek, malzemeyi en çok ihtiyaç duyulan yere etkili bir şekilde yeniden dağıtarak üretildi.

Alttaki desen, üst üste iki kabukla başlayarak ve yalnızca alttaki kabuğu nervürler için tohum yapı olarak optimize ederek elde edildi. Son olarak, beşinci biyomimetik desen, kaplumbağa kabuklarında, yusufçuk kanatlarında ve başka yerlerde ortaya çıkıyor, ancak Voronoi diyagramı olarak bilinen matematiksel olarak saf biçiminde değil.

Hem fiziksel deney hem de sayısal simülasyon, topolojik olarak optimize edilmiş tasarımların, merkezi yüke dayanma konusunda geleneksel ve biyomimetik nervür düzenlerinden üstün olduğunu gösterdi. Ancak, kabaca çatının bir tarafına yığılmış kar veya birçok insanın bir gruptan diğerine hareket etmesine karşılık gelen asimetrik bir yük uygulandığında tablolar döndü.

Bu durumda, çapraz tonoz kraldı, ardından blok topolojik optimizasyon geldi. Önemli olarak, kasetli tavan ve Voronoi deseni, performansı simetrik yükten asimetrik yüke geçişle en az etkilenen iki seçenek olarak öne çıktı.

Moskaleva, “Bu bizi, her iki dünyanın da en iyisini elde etmek umuduyla Voronoi desenini dikey yük deneyinden en iyi optimize edilmiş düzenle birleştirmeye yöneltti” dedi. Yusufçuk kanadı deseni bu noktada ilham kaynağı oldu.

“Aslında tam olarak Voronoi desenini takip etmeyen yusufçuk kanadının yapısını dikkatlice inceledik ve içindeki sertleştirici nervürlerin iki ayrı grup oluşturduğunu düşünebileceğimizi bulduk. Bükülmeye karşı koyan daha sert tip var. Ve sonra kanadın genel yapısal bütünlüğünü sağlayan daha ince nervürler var. Ve bunu tonozlarda yeniden üretebileceğimizi düşündük” dedi.

Hibrit Yusufçuk Kanadı Deseni ve Üstün Performansı

Altıncı hibrit deseni elde etmek için ekip önce topolojik optimizasyonu tekrarladı, ancak malzeme harcamalarında daha sıkı bir kısıtlama ile nervür malzemesinin %70’ini bu birincil nervürlere ayırdı. Bunu, parametrik bir algoritmanın kalan malzemeyi kullandığı, Voronoi desenine göre daha ince ikincil nervürleri doldurduğu ek bir adım izledi. Fikir o kadar iyi çalıştı ki, yeni birleşik desen, hem merkezi hem de asimetrik yükler için beş başlangıç düzeninin her birini geride bıraktı.

Moskaleva, “Bu, topolojik optimizasyonun aslında yapısal tasarım için çok şey yapabileceğini gösteriyor. Yine de inşaat mühendisliğinde neredeyse hiç kullanılmıyor, yalnızca otomobil ve uçak parçaları gibi şeyler için makine mühendisliğinde kullanılıyor” dedi. Yusufçuk kanadı modelinin topolojik optimizasyona yeni bir boyut kattığını belirtti.

“Elbette, optimize edilmiş formlar oldukça karmaşık ve bu nedenle üretimde zorlu. Ancak standart bir binanın, örneğin bir otoparkın parçaları optimize edildikten ve talep üzerine çoğaltılabildikten sonra, korunan malzeme nedeniyle uzun vadede karşılığını verecektir. Ve sonra mimar için daha fazla yaratıcı özgürlük var.”

Moskaleva’ya göre, yusufçuk kanadı deseni, mimaride malzeme tasarrufu ve yapısal dayanıklılık açısından önemli avantajlar sunuyor. Bu yenilikçi yaklaşım, geleceğin yapı tasarımlarında önemli bir rol oynayabilir.

İlginç Bilgiler

• Yusufçukların kanatları, karmaşık bir damar ağı sayesinde olağanüstü bir dayanıklılığa sahiptir. Bu ağ, yusufçuk kanadı deseni olarak adlandırılan ve mimaride kullanılan bir yapısal güçlendirme tekniğine ilham kaynağı olmuştur.
• Yusufçuk kanadı deseni, geleneksel yöntemlere göre daha az malzeme kullanılarak daha güçlü yapılar oluşturulmasını sağlar.
• Topolojik optimizasyon, yusufçuk kanadı modelinin geliştirilmesinde önemli bir rol oynamıştır.

Soru-Cevap

Yusufçuk kanadı deseni nedir?
Yusufçuk kanadı deseni, yusufçukların kanatlarındaki damar ağından esinlenilen bir yapısal güçlendirme tekniğidir. Bu desen, kubbe ve kemer gibi yapıların daha güçlü ve daha hafif olmasını sağlar.

Yusufçuk kanadı deseni hangi avantajları sağlar?
Yusufçuk kanadı deseni, geleneksel yöntemlere kıyasla daha az malzeme kullanılarak daha dayanıklı yapılar inşa edilmesini sağlar. Bu da maliyet tasarrufu ve çevresel sürdürülebilirlik açısından önemli avantajlar sunar.

Yusufçuk kanadı deseni nerelerde kullanılabilir?
Yusufçuk kanadı deseni, kubbe, kemer, köprü ve gökdelen gibi çeşitli yapıların güçlendirilmesinde kullanılabilir. Ayrıca, uçak ve otomobil gibi taşıtlarda da uygulanabilir.

Kaynak: https://phys.org/news/2024-04-dragonfly-wing-pattern-reinforces-vaults.html