HygroShell: Kendi Kendini Şekillendiren, Hafif ve Sürdürülebilir Ahşap Yapı

Nüshet Çamuşoğlu / nushet@ekoyapidergisi.org
HygroShell, form ve yapı elde etmek için ahşabın higroskopik özelliklerinden yararlanır. (Higroskopik bir malzeme, ortamdaki nemi emebilen ve serbest bırakabilen bir malzemedir). "Kendi kendini inşa eden ahşap yapı sistemi" olarak tanımlanan HygroShell, ahşabın şekil değiştiren doğal yapısına erişmek için gelişmiş hesaplama yöntemlerinden yararlanıyor. Bu kendi kendini şekillendiren sistem, tek tek kavisli ahşap bileşenler kullanılarak yapılan geniş açıklıklı, hafif bir kabuğun tasarımı, inşası ve üretimi yoluyla gösterilmiştir.

Son yıllarda, beton ve çelik gibi her yerde bulunan yüksek karbonlu malzemelerin yerini alan ahşap malzemenin inşaat malzemesi olarak kullanılmasına yönelik ilgi giderek artmaktadır. Ahşap, karbon depolamak söz konusu olduğunda özellikle faydalıdır ve bunu bir yapının ömrü boyunca (yüzlerce yıl sürebilir) yapar. HygroShell, "yeni bir tür biyo-bazlı ve biyo-ilhamlı mimari" olarak tanımlanan şeyi araştırıyor.

HygroShell, Stuttgart Üniversitesi'ndeki disiplinler arası ITECH MSc Programı ve Integrative Computational Design and Construction for Architecture (IntCDC) Excellence Cluster'dan öğrenciler ve araştırmacılar tarafından bir araştırma pavyonu olarak geliştirilmiştir. Pavyon ilk kez Chicago Architecture Biennial'de (1 Kasım 2023 - 11 Şubat 2024 tarihleri arasında gerçekleşecek) görücüye çıktı.

HygroShell'in kendi kendini şekillendirme özellikleri

İlk hasat edildiğinde ahşap yüksek nem içeriğine sahiptir ve kurudukça doğal olarak küçülmeye başlar. Higromorfik bir malzeme olan ahşap, çevresel nemdeki değişikliklere tepki verir. HygroShell, ahşabın higromorfik özelliklerini iki katmanlı, çapraz katlı laminatlar oluşturarak kullanır: yüksek nem içeriğine sahip daha kalın bir "aktif" katman ve düşük nem içeriğine sahip daha ince bir " sınırlayıcı" katman. Aktif katmandaki ahşap kurumaya ve büzülmeye başladığında iki katmanlı tabakalar kıvrılır.

HygroShell proje ekibi, ahşabın doğal özelliklerini hedeflenen bir şekilde yönlendirmek için analitik olarak türetilmiş mekanik modeller kullandı ve sonuçta kavisli geometriler oluşturmak için düşük enerjili, pasif bir yöntem elde etti. Ekibe göre ahşabın anizotropisi, yapısal özellikleri (damar boyunca daha güçlü olduğu) ve malzemenin bolluğu, hem ekonomik hem de ölçekli olarak inşaatta kendi kendini şekillendirme konseptini tanıtmak için mükemmel olduğu anlamına geliyor.

Malzeme odaklı hesaplamalı tasarım 

HygroShell form, yapı ve üretim sürecini yönlendirmek için ahşapta bulunan doğal malzeme varyasyonlarını gösteren verileri kullanır. Proje ekibi, tasarım ve imalat süreci boyunca hassas malzeme bilgilerinin iletilmesini sağlamak için özel bir hesaplama iş akışı geliştirdi. Bu yaklaşım, genel şekillendirme sürecini ve nihai yapıyı etkileyen, damar yönelimi ve ahşabın nem içeriği gibi bir dizi faktörü dikkate almıştır.

Üretim süreci ladin kütüklerinin kesilmesi ve nem içeriğinin yüksek seviyede tutulmasının sağlanmasıyla başlar. Nem içeriği ve damar yönü de dahil olmak üzere her bir levha hakkında bilgi toplanır. Ayrıntılar dijital bir veri modeline eklenerek her bir levhanın fiziksel ve mekanik özellikleri hakkında fikir sahibi olunur. Levhalara daha sonra nem içeriklerine göre bir "eğrilik olasılığı" verilir.

Yeni nesil prefabrikasyon

HygroShell'in tanımlayıcı özelliği "fiziksel şekillendirme, yapı, bağlantı detaylandırma, hava koşullarına karşı koruma ve kaplamayı düz katman tabanlı prefabrikasyona yerleştirme yeteneği" olarak tanımlanıyor. Geleneksel prefabrikasyon yöntemlerinin aksine, standartlaştırılmış panellerle sınırlı değildir.

HygroShell'in prefabrikasyon sürecinin bir özeti:

10 x 3 metre ahşap çift katmanlı katmanlar, bir masa üzerinde düz bir şekilde uzanarak prefabrike edilecek şekilde tasarlanmıştır. Eğrilik, özel hesaplama iş akışı kullanılarak programlanmıştır. Yüksek nem içeriğine sahip yirmi milimetre kalınlığındaki ladin ahşap levhalar aktif katmana yerleştirilir - bunlar poliüretan yapıştırıcı ve Fransız klepe presleme ve vakum laminasyon kombinasyonu kullanılarak ince, dört milimetrelik çam kontrplak katmanlarına yapıştırılır.

Kontrollü atölye ortamında su geçirmez bir katman ve Güney Almanya'da geleneksel olan elmas şeklindeki ahşap zona eklenir. Terazi gibi hareket ederek, hava koşullarına karşı koruma sağlarken yüzey eğriliğine uyum sağlarlar.

Düz imalat ve montajın kullanılması, daha sonraki geometrik performansı sınırlamadan imalat sürecini kolaylaştırır. Paketlerin kompakt konfigürasyonu da taşıma hacimlerini en aza indirir.

Kendi kendini şekillendirme ve sürdürülebilirlik

Yerine ulaştığında, paketler dikey bir konuma yerleştirilir. Koşullandırılmamış bir ortamda hava ile kurutulduklarında düzden kavise doğru şekil değiştirirler. Doğal nemin ve mevsimsel değişikliklerin etkisini ele almak için proje ekibi, yinelemeli lazer tarama ve gömülü IMU sensörlerinin bir kombinasyonunu kullanarak eğriliği ve nem içeriğini izlemek için siber-fiziksel bir yaklaşım geliştirdi. Her bir bileşen nihai hedef şekline ulaştığında, vidalarla sabitleniyor ve dört milimetrelik bir kontrplak katman kavisli çift katmanların içine lamine ediliyor - bu, şekli yerinde kilitliyor ve form stabilitesini artırıyor.

HygroShell uzun açıklıklı bir çatı yapısı olarak tasarlanmış ve mühendisliği yapılmıştır. Üç mafsallı destek üzerinde duran kesişen kemer benzeri tonozlarla 9,5 metrelik bir açıklıktan oluşmaktadır. Yapısal derinlik 28 milimetre gibi ince bir boyutta. Proje ekibi, HygroShell'in "hafif sisteminin, kütleyi takviye olarak kullanmak yerine, sertliğini yüzey eğriliği ve kavisli kesişmeler yoluyla oluşturduğunu" açıklıyor.

HygroShell geleneksel ahşap kurutma tekniklerini bypass etme kabiliyetiyle düşük etkili ve sürdürülebilir inşaatın bir örneğidir. Proje ekibi ayrıca, kendi kendini şekillendirmenin kalıp ihtiyacını ortadan kaldırdığına ve şantiyelerde karmaşık endüstriyel makinelerin kullanımını kolaylaştırabileceğine işaret ediyor.

Bir konsept kanıtı olarak hizmet veren HygroShell, kendi kendini şekillendiren, hafif bir ahşap yapı sisteminin olanaklarını göstermekte ve uzunlamasına kavisli yüzey yapılarının inşasını kolaylaştırmaktadır. Bu yazı Stuttgart Üniversitesi tarafından hazırlanan detaylı HygroShell raporuna dayanmaktadır.