Hibrit döşeme kirişleri: Tarihsel gelişim, tasarım örnekleri ve performans değerlendirmeleri
Hybrid floor beams: Historical development, design examples and performance evaluations
Yazar: TUĞÇE SOYTAŞ İNCİLİ
Danışman: PROF. DR. OĞUZ CEM ÇELİK
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Mimarlık Ana Bilim Dalı / Çevre Kontrolü ve Yapı Teknoloji Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Mimarlık = Architecture

Özet:
Çalışmaya ilgili projeksiyonlara göre 2050 yılına kadar talep artışı yaşayacağı kesin
olan yapı sektörünün ihtiyaçlarına mümkün olduğunca efektif karşılık verebilecek
şekilde yenilikçi, hafif ve sürdürülebilir döşeme sistemleri tasarlamak üzere
başlanmıştır. Hafiflik ve sürdürülebilirlik birbiri ile ilgili kavramlar olmakla birlikte,
mimarlığın ve mühendisliğin geleceğine dair yapılan tüm projeksiyonlarda en çok öne
çıkan kavramlardandır. Üstelik bu kavramlar estetik ve ekonomik çözümler ile birlikte
düşünüldüğünde mimari tasarım açısından da optimal sonuçlar verilmesine katkı
sağlamaktadırlar.
İyi düşünülmüş yenilikçi yaklaşımlar mimari tasarıma yeni görsel/ işlevsel girdiler
sağlayacak, hafifliği sayesinde kolay ve hızlı inşa edilebilirken kullanıcı güvenliğine
azami özeni verebilecek, sürdürülebilir olmaları ile de artan taleplere karşılık vermeye
çalışan sektör üzerindeki kaynak ve işgücü baskısını hafifletebilecektir.
Yenilikçi sistemlere katkı sağlayacak bir çalışma yapabilmek adına öncelikle mevcut
taşıyıcı sistemler üzerine araştırmalar yapılmış, sürdürülebilir ve hafif sistemler söz
konusu olduğunda çalışmaya her iki amaca da hizmet etme potansiyeli barındıran
ahşap sistemler ile devam edilmesinin daha uygun olacağı düşünülmüştür.
Devam eden çalışmalarda, modern sistemlerde ahşap malzemelerin çelik elemanlar ile
sıklıkla birlikte kullanıldığı görülmüştür. Çeliğin belirlenen hedeflere ulaşmakta
yardımcı olabileceği kanısına varılarak ahşap-çelik hibrit (karma) eleman ve sistem
araştırmalarına yönelinmiştir. Tez çalışmasının süre ve kapsamı dikkate alındığında,
bir hibrit kirişin tasarım, dayanım ve sürdürülebilirlik performanslarına odaklanmaya
karar verilmiştir. Böylelikle çalışmanın yol gösterebilecek ve devamı getirilebilecek
seviyede olması hedeflenmiştir.
Çalışma alanı ve kapsamı kararlaştırıldıktan sonra ahşap malzemenin gelişim süreci,
kendine has özellikleri ve bunlara bağlı davranışları ile kullanım alanları incelenmiş
ve edinilen bilgilere göre malzeme, eleman ve sistem ölçeklerinde kuvvetli ve zayıf
yönler belirlenmiştir.
Ahşap, en başta belirtilen hafiflik ve sürdürülebilirlik hedefleri için uygun bir malzeme
olarak kabul edilse de uygun tasarım yöntemleri kullanılmadığında işlev göremeyecek
duruma gelebilecek kadar düzensizlikler barındıran bir malzemedir. Örneğin ahşabın
üretildiği ağacın morfolojik özelliklerinin analizi yapı elemanlarının şekil ve
boyutlarını büyük bir hassasiyetle etkileyebilecektir; olası yanlış analizler bazen
gereğinden büyük kesitlere yol açarak sistemi hafiflik ve sürdürülebilirlik
hedeflerinden uzaklaştıracak, bazen ise kullanıcı güvenliğini tehlikeye atacak boyutta
tasarım hatalarına neden olabilecektir.
Tüm bu bilgiler ile ahşap taşıyıcı sistemlerin kendine özgü zayıf yönlerinin şimdiye
kadarki modern ahşap taşıyıcı sistem tasarımlarında nasıl yönetildiği incelenmiştir. Bu sayede iyi çözümler analiz edilmiş ve eksik kalan yönlerin nasıl tamamlanabileceği
üzerine fikirler üretilmiştir. Tüm bu süregelen analiz-sentez sürecinden sonra ön
tasarımlara başlanmıştır.
Araştırma ve tasarım süreci içerisinde çevresel ekonomiye dair veri ve istatistikler,
gelecek senaryoları, üretim ve pazarlama konuları da öngörü ölçeğinde çalışmaya
dahil edilmiştir, bu kavramlar açısından somut sonuçların paylaşılması gerekli
görülmüştür. Yapılan araştırmalar kiriş tasarımlarına ve sonuç değerlendirme
yöntemlerine girdi sağlamıştır.
Tüm bu çalışmalar ışığında gerçekleştirilen bir dizi ön tasarım arasından analiz
edilecek kiriş tasarımı kesinleştirilmiştir. Kiriş, başlıklarda ahşabın eksenel/eğilme
dayanımından yararlanırken gövdede çeliğin kayma dayanımından faydalanma
fikrinden yola çıkılarak hibrit şekilde tasarlanmıştır. Bu kiriş "hibrit kiriş" olarak
anılmıştır. Hibrit kirişin fonksiyon ve dayanım açısından farklı varyasyonları
üretilmiş, güçlendirme ve döşeme ile birlikte kompozit davranış senaryoları
düşünülmüş, bunlar tamamen ahşap kirişlerle karşılaştırılacak şekilde de alternatifleri
belirlenmiştir.
Tasarlanan hibrit kirişin sürdürülebilirlik ve dayanıklılık girdileri kısmen literatürden
sağlanabilmişken, dayanımı ile ilgili spesifik bilgi edinmek daha önce bu şekilde bir
tasarım yapılmadığı için mümkün olmamıştır. Literatür araştırmalarından benzer
kirişlerin dayanım/ davranış bilgileri edinilmiştir. Ancak tasarlanan her kirişin
öncelikle ileri düzeyde yapısal olarak modellenmesi ve dayanım deneylerinin
yapılması gerektiği açıktır. Bu çalışma süre ve kapsam açısından hesaplama kısmına
kadar devam ettirilmiş, ileriki çalışmalara kapsamlı bir altlık ve yol gösterici olmuştur.
Hibrit kirişin dayanım hesapları öncesi boyutlandırılabilmesi için literatürde
kullanılmış yaygın boyutlardan yola çıkılmıştır. Bu yaygın boyutların Eurocode 3 ve
Eurocode 5 standartlarında verilen ilgili bağıntılar ile değerlendirilebilmesi için
Microsoft Excel programında interaktif bir hesap-tasarım kılavuzu oluşturulmuştur.
Bu kılavuz, kirişin boyutları ve yükleme koşulları girdileri kullanılarak kirişin o
koşullar altında taşıyabileceği yükü vermek amacıyla kullanılabilecek bir kiriş üreticisi
olacaktır.
Kirişin taşıyabileceği yük, mevcut laboratuvar çerçevelerinin ortalama maksimum
yükü ve boyutları ile karşılaştırılmış ve ileriki deneylerde kullanılmak üzere elastik ve
plastik evreler ile tam göçme gözlenebilecek şekilde son boyutlandırmalar yapılmıştır.
Dayanım hesaplamaları öncelikle üç kirişin boyutlandırılması ile gerçekleştirilmiştir:
- Birinci kiriş: Mekanik birleşimli ahşap kiriş
- İkinci kiriş: Kaynaklı birleşimli trapezoidal çelik levha gövdeli kiriş
- Üçüncü kiriş: Yapıştırıcı birleşimli ahşap başlıklı OSB gövdeli kiriş.
Başta tasarlanan hibrit kirişin dayanım değerleri ilk iki kiriş üzerinden belirlenmiş ve
uygulamada kullanılmakta olan benzer boyutlu üçüncü kiriş ile karşılaştırılmıştır.
Sürdürülebilirlik çalışmalarının somut bir sonucu olarak ise kiriş başına gömülü
karbon hesaplamaları yapılmıştır. Bu sonuçlar kiriş kütleleri üzerinden normalize
edilerek daha uygun bir karşılaştırma zemini sağlanmış ve yine hibrit kiriş-üçüncü
kiriş arasında gömülü karbon/dayanım/rijitlik üzerinden oluşabilecek anlamlı
bağlantılar araştırılmıştır.
Bir sektöre "yenilikçi sistemler" gibi görece büyük ölçekli bir girdi yaparken o sistemi
yaygınlaştırmak adına tutarlı hedefler ve sonuçlar sunmanın önemli olduğu açıktır. Bu sorumlulukla yapılan girdinin olası dayanım, sürdürülebilirlik ve zamana bağlı
dayanıklılık analizlerinin sonuçları önce olduğu şekliyle sunulmuş, sonrasında
sektörün mevcut çözümleri ile belirtilen kavramlar üzerinden normalize edilerek
karşılaştırılmış, diğer taraftan geliştirilmesi olası yönler de belirtilerek sürecin
devamının optimize edilmesi hedeflenmiştir.
Çalışmanın sonucunda ahşap ve çelik malzemelerin ortak kullanımıyla ortaya çıkan
hibrit kirişlerin, malzemelerin benzer dayanım/ağırlık oranları ve kolay işlenebilirliği
sayesinde iyi bir seçenek olabileceği görülmüştür. Bu sistemler hızlı ve hatasız
üretilebilir, uzun ömürlü olabilir, mevcut elemanlara dikkate değer alternatifler olabilir
ve günümüz yapı sektörünün döngüsel ekonomi vizyonuna katkı sağlayabilirler.

Abstract:
This work was initiated with the aim of designing innovative, lightweight, and
sustainable building floor to effectively meet the demands of construction sector,
which is projected to experience an increase in demand by 2050 according to relevant
projections. Although lightweight construction and sustainability are sort of
interconnected concepts, they are among the most prominent themes in all projections
regarding the future of architecture and engineering. Furthermore, when these concepts
are considered alongside aesthetic and economic solutions, they contribute to
achieving optimal outcomes in architectural design.
As commonly agreed, well-conceived innovative approaches can provide new visual
and functional inputs for architectural design. They facilitate easy and rapid
construction due to their lightness, ensure maximum attention to user safety, and,
through their sustainability, help reduce the resource and labor pressure on an industry
striving to meet increasing demands.
To contribute to innovative systems, research was initially conducted on existing
structural systems. When sustainable and lightweight systems were considered, it was
deemed appropriate to proceed with timber flooring systems, which have the potential
to serve both purposes.
Further studies revealed that timber materials are frequently used with steel elements
in modern systems, leading to the idea that steel could aid in achieving the set goals,
thus directing the research towards timber-steel hybrid elements and systems.
Considering the scope and timeline of the thesis work, the focus was placed on the
design, strength, and sustainability performance of a hybrid beam, aiming to establish
a foundation that could guide future research.
After defining the study area and scope, the development process of timber, its unique
properties, and associated behaviors, as well as its applications, have been examined.
Based on the gathered information, the strengths and weaknesses at the material,
element, and system scales have been identified.
Although timber is considered suitable for achieving the initial goals of lightweight
and sustainable structures, it is a material with certain irregularities that could hinder
functionality if not properly designed. For example, morphological characteristics of
the tree from which timber is derived can significantly influence the shape and
dimensions of structural elements; inaccurate analyses may sometimes result in
oversized sections that stray from the goals of lightness and sustainability or,
conversely, lead to design errors that would jeopardize user safety.
Based on this information, how the unique weaknesses of timber structural systems
have been managed in previous modern timber structural designs is examined.
Effective solutions are analyzed, and ideas are generated for addressing remaining
deficiencies. After this iterative process of analysis and synthesis, preliminary designs
are initiated.
During the research and design process, data and statistics related to environmental
economics, future scenarios, production, and marketing are also incorporated into the
study on a foresight scale, and sharing concrete results regarding these concepts are
deemed necessary. The research provided inputs for beam designs and evaluation
methods.
Among a series of preliminary designs developed in light of these studies, the beam
design to be analyzed is finalized. The beam is designed as a hybrid by utilizing the
bending strength of timber in the flanges and the shear strength of steel in the web.
This beam is referred to as the "hybrid beam." Various versions of the hybrid beam
are created to address functionality and strength, considering composite behavior
scenarios with reinforcement and decking. Alternatives are established to enable
comparison with fully timber beams.
While sustainability and durability inputs for the designed hybrid beam could be
partially sourced from the literature, specific information regarding its strength was
unavailable, as no previous designs of this kind existed. Similar beams' strength and
behavior data were obtained from the literature, but it was clear that each designed
beam needed to be calculated first, then subjected to simulations and testing. This
study proceeded to the calculation stage, serving as a comprehensive foundation and
guide for future studies.
For the strength calculations, common dimensions used in the literature are initially
considered for the beam's dimensions. An interactive calculation-design guide is
created in Microsoft Excel to evaluate these dimensions using relevant equations from
Eurocodes 3 and 5. This guide serves as a beam generator, providing the load capacity
of the beam based on the input dimensions of the beam and loading conditions.
Load-bearing capacity of the beam is compared to the average maximum loads and
dimensions of existing laboratory frameworks, and final dimensions are established to
allow for the observation of elastic and plastic phases and complete failure during
future tests.
Strength calculations were initially performed for three beams:
- Timber beam with mechanical joints,
- Steel beam with a welded trapezoidal steel plate web,
- Timber beam with glued OSB web.
Strength values of the initially designed hybrid beam are determined based on the first
two beams and compared with the third beam, which is similar in size and commonly
used in the market.
As a concrete outcome of the sustainability studies, embedded carbon calculations
were performed per beam. These results were normalized based on the beam masses
to provide a comparable basis, and meaningful correlations between embedded carbon,
strength, and stiffness were explored between the hybrid beam and the third beam.
It is clear that when introducing relatively large-scale inputs like innovative systems
to industry, presenting consistent goals and results to encourage widespread adoption
is essential. With this responsibility, the potential outcomes of strength, sustainability,
and durability analyses are initially presented in their original form, normalized to facilitate comparisons with existing market solutions, and suggestions for possible
improvements are made by the concept developer to optimize the continuation of the
process.
In conclusion, it is understood that the strength-to-weight ratio and ease of workability
of timber-steel hybrids could make these materials suitable partners. These systems
can be produced quickly and accurately, can have a long lifespan, can offer significant
alternatives to existing components, and can contribute to the circular economy vision
of today's construction sector.