Çubuk ve panel giydirme cephe sistemlerinin yaşam dönemi performanslarının öneri deneysel prosedürle belirlenmesi
Lifetime performance evaluation of stick and panel curtain wall systems with proposed test procedure by full-scale testing
Yazar: ELİF TUĞBA YALAZ
Danışman: PROF. DR. GÜLTEN ASLIHAN ÜNLÜ ; PROF. DR. OĞUZ CEM ÇELİK
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Mimarlık Ana Bilim Dalı / Yapı Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2018
Konu: Mimarlık = Architecture
Dizin: Giydirme cepheler = Curtain walls ; Performans değerlendirme = Performance evaluation ; Yaşam süresi = Lifetime

Özet:
Binayı oluşturan her bir alt sistem yapının performansının sağlanmasında etkili olmaktadır. Özellikle yapı kabuğu iç ve dış ortam arasında filtre görevi görmesi, iç ortam koşullarının oluşturulması ve kullanıcı konforunun sağlamasında büyük öneme sahiptir. Günümüzde yapı teknolojilerindeki gelişmelere bağlı olarak yapı elemanlarında çevresel koşullara dayanım, hafiflik, incelik, dayanıklılık, yapım hızı ve estetik gibi beklentilerin öncelik kazanmasıyla birlikte giydirme cephe sistemleri özellikle yüksek binalarda sağladıkları avantajlara bağlı olarak en çok tercih edilen sistemlerden biri haline gelmiştir.                
Tarihsel süreç içerisinde giydirme cephe sistemleri teknolojinin de sağladığı olanaklara paralel olarak malzeme, sistem ve yapım tekniği açısından gelişmesini sürdürmektedir. Çubuk, panel ve yarı panel gibi farklı yapım teknikleriyle üretilen giydirme cephe sistemleri içerisinde alüminyum ve cam giydirme cepheler tüm dünyada uygulanmış pek çok bina örneğinin tasarım kararları arasında yer almaktadır. Her yapıya özgü tasarlanan giydirme cephe sistemlerinin performansı, binanın toplam performansını doğrudan etkilemekte ve cephe yaşam ömrünün düzenli bakım onarım ile de desteklenerek bina yaşam ömrüne eşit yaklaşık 30 ~ 50 yıl olması beklenmektedir. Giydirme cephe üreticileri ise genelde sistemlerine 20 yıl garanti vermelerine karşın bu süre zarfında ısıl, manyetik, biyolojik, kimyasal ve elektromanyetik etmenlere bağlı olarak sistemlerin performansında değişimler gözlenmektedir.
BS 7543 (2015) standardında belirtildiği üzere yapı ve yapı elemanlarının yaşam ömrünün belirlenmesinde deneysel yöntem (performans testleri), mevcut yapılara ait verilerin kullanılması ve ulusal veri tabanının kullanımı olmak üzere üç yöntem kullanılmaktadır. Deneysel yöntemde cepheye uygulanan zorunlu performans testleri yardımıyla söz konusu etmenler karşısındaki performansları test edilmekte ve binaya uygulanabilirlikleri yönünde karar alınabilmekle birlikte sistemlerin zorunlu testleri başarıyla geçmelerinin yaşam dönemi performansını ifade etmekte yetersiz kaldığı CWCT standardında da açıkça belirtilmektedir. Diğer yandan giydirme cephe sistemlerinin performanslarının belirlenmesinde yaşam dönemi performansının bilinmesinin önemli olduğu vurgulanmakla birlikte literatürde bu konuyla ilgili yer alan çalışmaların az sayıda olduğu görülmektedir.   
Tez çalışması kapsamında öncelikle giydirme cephe sistemi kavramı, türleri ve performans özellikleriyle ilgili kapsamlı bir literatür araştırması yapılmıştır. Daha sonra problemin belirlenmesine yönelik olarak bir ön çalışma gerçekleştirilmiştir. İlk aşamada İstanbul'da 2010 ~ 2014 yılları arasında inşaatı biten giydirme cepheli binalarda en fazla çubuk ve panel sistemin uygulanmış olduğu saptanmıştır. Daha sonra yapı ve yapı elemanlarının yaşam döneminin belirlenmesinde mevcut yapıların analizi bağlamında İstanbul'da 1996 ~ 2017 yılları arasında inşaatı biten 30 adet çubuk ve panel giydirme cepheli binada görülen hasarlar incelenmiş ve çubuk sistemin hasar görme riskinin panel sistemden daha yüksek olduğu ve performanslarında azalmaya neden olan en önemli faktörlerin başında da su ve hava geçirimsizliği ile taşıyıcılık olduğu tespit edilmiştir. Yaygın sistemler olan çubuk ve panel sistemlerin su ve hava geçirgenliği ile taşıyıcılık yaşam dönemi performansları İstanbul koşulları altında deneysel yöntemle karşılaştırmalı olarak değerlendirilmiştir.                                      
TS EN 13830'da yer alan zorunlu hava geçirimsizlik, su sızdırmazlık ve rüzgâr dayanımı testlerini içeren (Metod A) ve genişletilmiş hava geçirimsizlik, su sızdırmazlık, rüzgar dayanımı, dinamik su sızdırmazlık ve deprem dayanımı testlerini içeren (Metod B) deney prosedürlerinin sistemlerin yaşam dönemi performansının belirlenmesinde yetersiz kaldığı görülmüştür. Bu nedenle mevcut standartta yer alan genişletilmiş deney prosedürü CWCT'de yer alan deney prosedürüyle desteklenerek çalışma kapsamında ısıl döngü (yaşlandırma) testinin içeren yeni bir deney prosedürü önerilmiş ve gerçek ölçülerdeki çubuk ve panel sistem numuneleri üzerinde belirlenen prosedür (test yöntemi) kullanılarak deneysel çalışma gerçekleştirilmiştir. Önerilen deney prosedürü ile, cephe sistemleri extrem sıcaklık değişimlerine maruz bırakılmış ve numunelere etkiyen iklimsel değişikliklerin yaşlanmaya neden olarak uzun dönem performanslarını yansıttığı kabulüne dayanarak sistemlerin yaşam dönemi içerisindeki performans değişimlerinin ortaya konması amaçlanmıştır. Bu nedenle, İstanbul'da son 20 yıl içerisinde ölçülen en düşük ve en yüksek sıcaklık değerleri dikkate alınarak düzenlenen yaşlandırma testi, önerilen deney prosedürüne iki aşamada dâhil edilmiştir. Birinci aşamada sistemlerin ilk performansının/durumunun belirlenmesinin ardından sistemlerin yaşlandırılmasına bağlı olarak performansındaki değişim ortaya konulmuş ve sistemlerin zaman içerisinde maruz kalacağı etmenler göz önünde bulundurularak deney prosedürü geliştirilmiştir. İkinci aşamada ise sistemler şiddetli çevresel yüklere maruz bırakıldıktan sonra yeniden yaşlandırılarak yaşam dönemi içerisinde performanslarında görülebilecek değişimler ortaya konulmuştur. Çalışmanın sonucunda aynı koşullar altında çubuk sistemin hava ve su sızdırmazlık performansları açısından panel sisteme göre daha hassas olduğu sonucuna varılmıştır. Mevcut yapıların analizi yöntemine göre yapılan ön çalışmada da benzer sonuçların olması dikkate alındığında ısıl döngü testinin sistemlerin uygulama sürecinden önce yaşam dönemi performansıyla ilgili önemli bilgiler edinilmesini sağlayan önemli/gerekli bir test olduğu vurgulanmıştır.

Abstract:
Each subsystem of a building has a great impact on building performance. Especially, building envelope acting as a filter between interior and exterior environment is significant for creating indoor environment conditions and user comfort. Façade systems have emerged together with the increasing importance of concepts, such as, resistance to environmental conditions, lightness, thickness, durability, speed of construction and aesthetic, depending on the developments in construction technology and building elements. Curtain wall systems have become one of the most preferred/common systems depending on their advantages especially in high-rise buildings.   
In historical process, various developments have been recorded in construction techniques, systems and materials of curtain wall systems paralel to the advantages of technology. Curtain wall systems manufactured/produced with different construction techniques, such as stick, semi-panel and panel/unitized system and, aluminum and glass curtain walls are among the design decisions of many buildings examples applied all over the world. Stick systems are generally preferred in low-rise buildings while panel systems are preferred in high-rise buildings, when curtain wall systems are assessed in terms of cost and construction techniques used. Performance of curtain wall systems that specially designed for each building has directly effect on total building performance. It is expected that the lifetime of curtain wall systems should be 30 ~ 50 years which is equal to building's lifetime with proper design and maintaining process. However, system manufacturers generally give 20 years guarantee to their systems, various changes can be observed on the curtain walls due to the thermal, magnetic, biological, chemical and electromagnetic agents during this time process. Besides these factors, performance decrease may be originated from lifetime process, building-façade system interaction, and other external factors.    
As defined in BS 7543 (2015) standard, testing method, past performance data method and using national data can be used to define lifetime of the building and building elements. When testing method is considered for determining the lifetime performance of curtain wall systems, as it is clearly stated in the CWCT standard, with the help of mandatory performance tests systems' performance can be tested under specified condions and the decisions can be taken for applicability of the systems. However, passing the mandatory performance tests prove the applicability of the systems, it can be insufficient to indicate the lifetime performance of the systems. On the other hand, while lifetime performance of the systems is emphasized as one of the crucial topic to be investigated since, there are very limited studies in literature on lifetime performance assessment of curtain wall systems. 
From this point of view, within the scope of this study primarily curtain wall systems, system types and performance requirements were investigated by a detailed literature review. Then, a preliminary study was carried out to define the problem of the thesis with the test center. In the first step, it was determined that stick and panel systems were the most applied systems in buildings constructed with curtain wall, which were completed in Istanbul between 2010 ~ 2014. Then, in the context of the analysis of the past performance data, deficiencies and failures observed in the 30 buildings which were constructed with stick and panel systems between 1996 ~ 2017 in Istanbul are investigated. It was observed that possibility of deficiency occurrence decreased after the maintenance process in the curtain wall systems evaluated during 20 years time period indicating that maintenance process has an important role in improving the lifetime performance of such systems. The deficiency risk of stick system was found higher than panel systems. Within the external factors, it was determined that wind and sun were the most important factors causing deficiency and failures on façade systems. In the context of the preliminary study the problems were categorized as deficiency and failure. Deficieny, is defined as non-structural problems and failure is defined as structural problems that prevent the system function properly. At the end of the preliminary study weather (air & water) tightness and structural performances are found to be the most important factors, which cause performance loss due to the failures. Based on the results of the study, evaluation of air & water tightness and structural lifetime performance of stick and panel curtain walls, comparatively by using a full scale test method under Istanbul conditions was determined as the objective of the PhD study.       
Mandatory test method which includes air tightness, water penetration and wind resistance performance tests (Method A) and extended test method which includes air tightness, water penetration, wind resistance, dynamic water test and seismic resistance performance tests (Method B) in TS EN 13830 (2015) are insufficient to determine the lifetime performance of such systems. Thus, in the scope of the study, extended test method (Method B) given in TS EN 13830 is supported with CWCT test standard to propose a new test procedure which includes thermal cycling (aging test). The experimental study was carried out according to the new proposed test procedure by using 1:1 scale specimens made of stick and panel systems. With the proposed test method, façade systems were subjected to extreme temperature changes, and it was aimed to reveal the performance changes of the systems in their lifetime based on the assumption that the climatic changes, which affect the specimens reflect aging and their long-term performance. Thus, thermal cycling test was added to the proposed test procedure in two stages by using maximum and minimum temperature values of Istanbul by considering 20 years temperature data of the city. Primarily, effect of the first aging test on the systems was presented after defining the initial performance of the systems by conducting air tightness and water penetration tests. Then the test procedure was extended by taking into account the external factors, which curtain wall systems were exposed to during their lifetime. In the second stage, systems were exposed to severe environmental loads and then re-aged to reveal changes that could be seen in their performance during their lifetime. Stick and panel systems passed the first air tightness and water penetration tests. However, after the first thermal cycling test while panel system passed the second air tightness and water penetration tests, stick system's performance decreased. Water leakage was observed after the first thermal cycling test on the anchorage (between building-façade connections). Also, assessment results conducted according to air infiltration difference between first and second air infiltration tests showed that absolute value differences exceeded 0.30 m3/m2h indicating a performance loss of stick system. Water tightness performance of the panel system decreased after the second thermal cycling test. Test results were evaluated with curve fitting method in order to make a prediction on future performance of the systems. The assessments were taken into consideration in two different ways, both positive and negative sides according to each air test and air infiltration values that were measured under the same test pressure. When stick and panel systems' performances were compared at the end of the test procedure, the stick system was more fragile than the panel system in terms of air and water tightness performances. Considering the similar results that were obtained from the preliminary study conducted according to the analysis of past performance data method, it has been emphasized that thermal cycling test (aging test) is a crucial test to obtain significant information about lifetime performance of the systems before the application process by conducting full-scale performance tests. Thermal cycling and wind resistance tests have a significant impact on stick and panel systems lifetime performance considering variations of the test results. Results show that, besides performance tests, workmanship quality has an important role on performance of the systems.