Çapraz lamine ahşap ve betonarme taşıyıcı sistemli tekil konut yapılarının çevresel etkilerinin karşılaştırmalı değerlendirmesi
Comparative evaluation of the environmental impacts of single-family buildings with cross laminated timber and reinforced concrete structural systems
Yazar: NÜKET BARUTÇU
Danışman: DOÇ. DR. FETHİYE ECEM EDİS
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Mimarlık Ana Bilim Dalı / Çevre Kontrolü ve Yapı Teknoloji Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2020
Konu: Mimarlık = Architecture
Dizin: Mimarlık = Architecture

Özet:
Dünyada gerçekleşen nüfus artışı, sanayileşme ve buna bağlı olarak kaynak kullanımının artması nedeniyle günümüzde birtakım çevresel problemler ortaya çıkmaktadır. İklim değişikliği, su kaynaklarının azalması ve kirlenmesi, ozon tabakasının incelmesi ile güneşin radyoaktif ışınlarının yeryüzüne ulaşması canlıların sağlığını ve geleceğini tehdit etmeye başlamıştır. Bu durum toplumların dikkatini çeken küresel bir sorun halini almış, ulusal ve uluslararası kuruluşlar ile bireyleri çeşitli önlemler almaya yöneltmiştir. Çevreye zararlı etkenlerin araştırılması, bu etkenlere karşı çevreye duyarlı çözümlerin getirilmesi amacıyla çeşitli alanlarda çalışmalar yapılmaktadır. Uluslararası düzeyde toplantılar ve anlaşmalar yapılarak çevresel etkileri en aza indirmenin gerekliliği vurgulanmaktadır. 
Yapılan çalışmalar neticesinde yapıların önemli oranda çevresel etkiye neden olduğu görülmüştür. Bu nedenle yapılarda çevresel açıdan daha sürdürülebilir tasarımların tercih edilmesi önemli bir konudur. Önceleri ahşap, taş, kerpiç gibi doğal malzemeler ile yapılar inşa edilirken kullanıcı beklentilerinin değişmesi ile bu malzemeler yetersiz kalmıştır. Sanayileşmenin artması betonarme ve çeliğin yapıda kullanımını arttırmıştır. Ancak beton, demir, çelik üretiminin kaynak kullanımını arttırdığı ve çevreye olumsuz etkilerinin yüksek olduğu düşünülmektedir. Betonarme yapıların yıkım aşamasında yüksek atığa neden olması ve bu atık malzemenin geri dönüşümünün günümüzde sınırlı olması betonarme yapıların sürdürülebilirlik açısından dezavantajları arasında görülmektedir. 
Gelişen teknoloji sayesinde doğal bir yapı malzemesi olan ahşabın dezavantajlı yönlerinin ortadan kaldırılması ve kullanım imkanlarının genişletilmesi yapı sektöründe yeniden önem kazanmasına neden olmuştur. Mühendislik ürünü ağaç malzeme türleri (örneğin tutkallı tabakalı ahşap, lamine kaplama ahşap vb.) ve buna yönelik yapım tekniklerinin betonarme ve çelik sistemlere kıyasla çevresel açıdan daha sürdürülebilir bir seçenek olduğu düşünülmektedir. Avusturya, Almanya, İngiltere ve Kanada gibi ülkelerde mühendislik ürünü ağaç malzemeler üzerine yoğun çalışmalar yapılmaktadır. Modern ahşap yapı teknikleri ile tasarlanan yapıların popülerliği giderek artmakta ve inşası da yaygınlaşmaktadır. 
Kullanımı artan mühendislik ürünü ağaç malzemelerden biri de çapraz lamine ahşaptır. Çapraz lamine ahşap, en az üç masif ahşap katmanının birbirlerine ortogonal şekilde tutkallanarak preslenmesi ile elde edilen ve taşıyıcı amaçlı olarak kullanılan bir ahşap malzemedir. Günümüzde, geleneksel ahşap sistemlere nazaran yapılarda daha geniş açıklıkların geçilmesine ve çok katlı ahşap yapıların inşa edilmesine olanak sağlamaktadır. Prefabrike bileşenler üretilebilmesi sayesinde şantiyedeki inşaat süresi ve işçilik azalabilmektedir. 
Çapraz lamine ahşap yapıların çevresel sürdürülebilirliği konusunda da çeşitli çalışmalar yapılmaktadır. Farklı ölçek ve işlevlere sahip çapraz lamine ahşap yapılar ile betonarme ve çelik taşıyıcı sistemli yapıların çevresel sürdürülebilirlik performansları karşılaştırmalı olarak incelenmektedir.
Bu çalışmada ise, çapraz lamine ahşap kullanılarak inşa edilmiş tekil konut yapıları ile betonarme taşıyıcı sistemli tekil konut yapılarının çevresel performası karşılaştırmalı olarak ele alınmıştır. Çapraz lamine ahşap yapıların taşıyıcı sistem tasarımının uzmanlaşma gerektirmesi nedeniyle çalışma için yeni bir çapraz lamine ahşap yapı tasarımı yapılmamıştır. Bunun yerine Türkiye'de ve dünyada inşa edilmiş çapraz lamine ahşap yapı örnekleri araştırılmıştır. Araştırma sonucunda, Türkiye'nin Bursa ve Ankara şehirlerinde bulunan iki çapraz lamine ahşap taşıyıcı sistemli tekil konut yapısı ile; İtalya'nın Roma ve Hollanda'nın Baarle-Nassau şehirlerinde bulunan iki çapraz lamine ahşap tekil konut yapısının çalışma kapsamında incelenmesi için onay alınmıştır.  Bu yapılar farklı deprem koşullarına göre tasarlanmış farklı panel kalınlıklarına ve değişen döşeme ile çatı sistemlerine sahiptir. Betonarme taşıyıcı sistemle karşılaştırma yapılabilmesi amacıyla, bu yapıların bulundukları deprem bölgesi koşulları dikkate alınarak aynı plana ve betonarme taşıyıcı sisteme sahip  seçenekleri oluşturulmuştur. Tüm seçeneklerin beşikten kapıya çevresel etkileri yaşam döngüsü değerlendirmesi yöntemi ile hesaplama yapan çevrimiçi bir araç kullanılarak karşılaştırılmıştır. 
Bu amaca yönelik olarak, binalar için Türkiye'deki yönetmelik ve standartlara uygun şekilde ısıl ve akustik konforu sağlayacak farklı yapı elemanı katmanlaşmaları belirlenmiştir. Bu katmanlaşmalar Türkiye'nin beş iklim bölgesi için oluşturulmuştur. Yapı cephelerinde ikincil taşıyıcılı ahşap kaplama sistem ve kompozit dıştan ısı yalıtım sistemi olmak üzere iki farklı cephe kaplama sistemi incelenmiştir. Yaşam döngüsü değerlendirmesi için, çapraz lamine ahşap ve diğer malzeme verilerinin yer alması, ücretsiz öğrenci lisansının bulunması sebebiyle çevrimiçi çalışan One Click LCA aracından yararlanılmıştır. One Click LCA, Avrupa ülkeleri için yaşam döngüsü değerlendirmesinde CML-IA 2012 metodolojisini kullanmaktadır. Çalışmada öncelikle ele alınan malzemelere ilişkin aracın veritabanında yer alan ürün verileri incelenmiştir. Ele alınan binalarda kullanılan malzemelerin bazıları için yaşam döngüsünün bazı aşamalarıdaki verilerin eksik olduğu görülmüştür. Bu nedenle tüm malzemelerin ortak olarak verilerinin bulunduğu yaşam döngüsü aşamalarının ele alınmasına karar verilmiş ve ham maddenin eldesi (A1), nakliyesi (A2) ve ürünün imalatı (A3) aşamalarındaki çevresel etkilerin değerlendirmesi yapılmıştır. 
Çalışma sonucunda TS EN 15978 standardında belirtilen etki kategorilerinde çevresel etki, kaynak kullanımı ve atık oluşumu başlıkları altında sonuçlar elde edilmiştir. Ele alınan dört konut yapısının sonuçları büyük oranda paralellik göstermektedir. Çapraz lamine ahşap örneklerin çevresel etkilerinin betonarme örneklere kıyasla çoğu etki kategorisi için daha az olduğu görülmüştür. 
İklim bölgelerine göre değişen ısıl performans gerekliliklerinin sonuçlar üzerindeki etkisi incelendiğinde, beş iklim bölgesi için sonuçlar incelenen tüm yapılar için paralel seyretmektedir. Bunun nedeni, iklim bölgelerine göre miktarı değişen malzemelerin (örneğin ısı yalıtım malzemesi, çok düşük miktarda da olsa dış cephe kaplama malzemeleri) sonuçlara etkisinin fazla olmaması, çevresel etki farklılıklarının büyük oranda taşıyıcı sistem ve dolgu malzemelerinden (çapraz lamine ahşap, beton, demir, gazbeton, tuğla) kaynaklanmasıdır. 
İncelenen iki farklı cephe sisteminin sonuçlara etkisi incelendiğinde, kompozit dıştan ısı yalıtımı sistemli yapı örneklerinin ikincil taşıyıcılı cephe kaplama sistemlilere göre çoğunlukla daha olumlu sonuçlar verdiği görülmektedir. İkincil taşıyıcılı cephelerde bulunan buhar geçirgen su yalıtım örtüsü çevresel etki sonuçlarını büyük oranda arttırmaktadır. 
Çalışma, çapraz lamine ahşap ve betonarme taşıyıcı sistemli tekil konut yapılarının çevresel etkilerinin karşılaştırmalı değerlendirilmesinde bir adımı oluşturmaktadır. Burada ele alınamayan bina yaşam döngüsünün diğer aşamaları için çalışmalar yapılabilir. İncelenen çapraz lamine ahşap yapıların çatı ve döşeme sistemlerindeki farklılıkların etkisi yapı planları ve büyüklükleri farklı olduğu için net olarak değerlendirilememiştir. Bunun için aynı plana ve büyüklüğe sahip yapıların incelenmesi gereklidir. Çapraz lamine ahşap üretimi Türkiye'de henüz az sayıda proje için gerçekleştirildiğinden ve buna bağlı olarak Türkiye'de çapraz lamine ahşap üretimi ile ilgili veriler bulunmadığından çevresel etkiler için bu çalışmada Avrupa verileri kullanılmıştır. Yerel verilerin oluşturulması sonrasında bunlar kullanılarak benzer çalışmaların yapılması ve sonuçların değerlendirilmesi de etkilerin daha doğru yorumlanması için önemlidir.

Abstract:
Due to the increase in population in the world, industrialization and the increase in resource use accordingly, some environmental problems are emerging today. Climate change, the decrease and pollution of water resources, the depletion of the ozone layer and reaching of the radioactive rays of the sun in turn began to threaten the health and future of living things. This situation has become a global problem that attracts the attention of the societies and has directed individuals, national and international organisations to take various measures. Studies are conducted in various fields in order to investigate environmentally hazardous factors and to generate environmentally sensitive solutions to these factors. The necessity of minimizing environmental impacts is emphasized by holding international meetings and agreements.
As a result of the studies, it has been observed that buildings and structures cause a significant environmental impact. For this reason, it is an important issue to prefer environmentally sustainable designs in buildings. While buildings were constructed in the old times with natural materials such as wood, stone and adobe, these materials became insufficient with the change of user expectations. Increase in industrialization has increased the use of reinforced concrete and steel in the buildings. However, it is also thought that concrete, iron and steel production increases resource comsumption and has also high negative effects on the environment. The disadvantages of reinforced concrete structures in terms of sustainability are that the reinforced concrete structures have high demolition waste and the recycling of this waste material is limited today.
The improvements by the developing technology in the disadvantaged aspects of wood, which is a natural building material, and the widening of its usage possibilities caused it to regain importance in the building sector. Engineered wood product types (eg glued laminated timber, laminated veneer lumber) and construction techniques used for these are considered to be more sustainable alternatives than reinforced concrete and steel systems. In countries such as Austria, Germany, England and Canada, intensive studies are carried out on engineered wood products. The popularity of structures designed with modern wooden building techniques is increasing and its construction is becoming widespread.
One of the increasingly used engineering wood products is cross laminated timber. Cross laminated timber is a structural timber product obtained by laminating at least three solid wood layers orthogonally with glue. Today, it allows for spanning larger distances in buildings in comparison to traditional timber systems and allows for construction of multi-storey timber structures. In results of the production of prefabricated components, construction time and workmanship on the construction site can also be reduced.
Various research studies are carried out on the environmental sustainability of cross laminated timber buildings. In these studies, environmental sustainability performances of cross laminated timber buildings at different scales and with different functions were compared with those of reinforced concrete and steel structures.
In this study, the environmental performance of single-family buildings constructed using cross-laminated wood and reinforced concrete were compared. Since the structural system design of the cross laminated timber buildings requires specialization, no new cross laminated timber structure design has been made for the study. Instead, cross laminated timber building examples built in Turkey and in the world were investigated. In conclusion, approval to examine within the context of this study was obtained for four cross laminated timber single-family buildings which are located in Ankara and Bursa-, in Turkey; and in Romae-, in Italy and in Baarle-Nassau-, in the Netherlands. These structures have different panel thicknesses and different floor and roof systems designed for different earthquake conditions. In order to compare them with buildings having reinforced concrete structure system, the alternatives with the same plan but with reinforced concrete structural system have been generated by considering the earthquake zone conditions of these structures. Their cradle to gate environmental impacts were compared using the life cycle assessment method by the help of an online evaluation tool.
For this purpose, different building element assemblies to provide thermal and acoustic requirements in accordance with the Turkish regulations and standards have been determined. This assemblies has been established for the five climatic regions of Turkey. Two different façade systems, timber cladding with a secondary structure and exterior thermal insulation composite system (ETICS), were examined. An online tool named One Click LCA is used for life cycle assessment due to the presence of cross laminated timber and other materials in its database and its free licence for students. One Click LCA uses the CML-IA 2012 methodology for life cycle assessment for European countries. Since the available common data in the database regarding the life cycle of the materials discussed in the study were for extraction of raw materials (A1), transportation (A2) and the manufacture of the product (A3), the environmental effects in the A1-A3 stages of the buildings life cycle were evaluated. 
As a outcome of the study, results were obtained in the impact categories specified in the TS EN 15978 standard, under the main headings of environmental impact, resource use and waste generation. The results of the four buildings discussed show parallelism to a great extent. Environmental impacts of cross laminated timber building examples were mostly less than those of reinforced concrete examples. 
When the effects of changing requirements depending on climate region on the environmental impact results are analyzed, it is seen that the results are parallel for the five climate region. The reason for this is that the materials, which vary in amount according to the climatic regions (eg thermal insulation material or exterior coating materials although small in amount) do not have much effect on the results, the environmental impact differences are largely due to the structural system and infill materials (cross laminated timber, concrete, iron, aerated concrete, brick).
When the impacts of different facade systems on the results are analyzed, the buildings with ETICS have better results compared to those of the timber cladding with secondary substructure. The vapour permeable water proofing membrane used in the latter system greatly increase the environmental impact results. 
This study constitutes a step in the comparative assessment of the environmental impact of single-family structures with a cross laminated timber and reinforced concrete structural systems. Studies can be conducted for other stages of the building life cycle, which cannot be addressed here. The effect of the differences in the roof and floor systems in the cross laminated timber buildings investigated could not be evaluated clearly, as the building plans and sizes were different. For this purpose, it is necessary to study buildings with the same plan and can be considered in the future studies. Cross laminated timber production is carried out for a small number of projects in Turkey. Accordingly, the European environmental impact data of cross laminated timber is used for this study because of lack of the data concerning the production of cross laminated timber in Turkey. Results can therefore be evaluated in the future by conducting similar studies using local data when available.