Tarihi mekanlarda kullanılan sıva yüzey kaplamalarının ses yutma katsayısının incelenmesi ve geliştirilmesi
Investigation and development of sound absorption coefficient of plaster surface coatings used in historical place
Yazar: TARIK SERHAT BOZKURT
Danışman: PROF. DR. SEVTAP YILMAZ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Mimarlık Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2019
Konu: Mimarlık = Architecture
Dizin: Mimari akustik = Architectural acoustic ; Tarihi koruma = Historic preservation ; Yapı malzemeleri = Building materials

Özet:
Tarihi yapıların korunabilmesi ve özgün yapılarına zarar verilmemesi gerekmektedir. Tarihi binaların restorasyonu sırasında, zengin iç mekân detayları korunmalıdır ve yüksek hacime sahip odaların özgün yapısına aykırı olarak bölünmesi önlenmelidir. Yüksek hacim özelliği taşıyan iç mekânların, özellikle de tonoz, kubbe formuna sahip yapıların özgün formuna uygun ve ilk kullanıldığı dönemin özelliklerini taşıyacağı şekilde korunması büyük önem taşımaktadır. 
Büyük oda hacmine sahip tarihi mekânların ilk tasarlandıkları ve döneminin özelliklerini taşıyacak şekilde korunması, özgün pencerelerin kapatılmaması, odaların hacimlerinin küçültülmemesi temel koruma felsefesine uygundur. Ancak, yüksek oda hacmine sahip olmaktan kaynaklanabilecek problemleri de göz önünde bulundurmak gerekir. Yüksek oda hacmine sahip tarihi mekânlarda uğultu problemleri, eko problemleri,  istenmeyen yansımalar, konuşmanın anlaşılabilirliğinin sağlanamaması ve buna benzer akustik problemler sıklıkla görülmektedir. Bu tarz tarihi mekânlarda konuşmanın anlaşılabilirliğinin sağlanabilmesi için çınlama süresinin istenen aralıkta tutulabilmesi gerekmektedir.  Oda hacmi yüksek tarihi mekânlarda çınlama süresinin istenen aralığa indirilebilmesi için yüzey kaplamalarının ses yutma katsayısının arttırılması çok büyük önem taşır. Aksi takdirde, çınlama süresi ile ilgili problemlerinin giderilebilmesi amacıyla tarihi yapılarda bina formunun değiştirilmesi, oda hacimlerinin küçültülmesi, özgün malzeme kaplamalarının değiştirilmesi veya binanın özgün yapısına zarar verecek başka müdahalelerin yapılması uygun bir yaklaşım tarzı olarak düşünülmemektedir. 
Sıva katmanlarına ait ses yutma katsayısının artırılması iç mekân akustiğini iyileştirebilmektedir. Ancak, malzeme seçiminin tarihsel yapıyla uyumlu olması ve bina yapısına zarar vermemesi önemli bir parametredir. Bu araştırmada, tarihi yapılarda kullanılan sıva katmanları araştırılmış ve sıva katmanında yapılacak değişikliklere göre ses yutma katsayısının arttırılması amaçlanmıştır. Tarihi sıva kaplamalarının ses yutma katsayısının arttırılması için araştırmalar yürütülmüş ve öncelikle tarihi sıva katmanlarının özellikleri incelenmiştir. Türkiye'de Roma, Bizans ve Osmanlı dönemlerinden kalma tarihi yapıların genellikle kireç bağlayıcılı harçlara dayalı olarak inşa edildiği görülmektedir. Bu sebeple, kireç bağlayıcılı sıvalar bu araştırmada incelenmiştir.
Araştırmanın ilk aşamasında, restorasyonda kullanılan harç karışımlarının ses yutma katsayıları incelenmiştir ve harç karışımlarının içeriği değiştirilmemiştir. Bağlayıcı tipine göre farklılaşan üç farklı karışım tipi analiz edilmek için seçilmiş, 3cm, 6 cm, 9cm ve 12 cm kalınlıklarında sıva katmanları üretilmiş, ses yutma katsayısı analizleri gerçekleştirilmiş ve toplam 12 farklı sıva katmanının ses yutma katsayısı ölçümü yapılmıştır. Ses yutma katsayısı ölçüm sonuçları analiz edilmiş ve bu araştırma kapsamında incelenen sıva karışımı tiplerinde,  sıva kalınlığının artması ile genel anlamda ses yutma katsayısının da arttığı tespit edilmiştir.  Farklı kalınlıktaki sıva katmanlarına ait ses yutma katsayısı ölçüm sonuçları MATLAB yazılımına aktarılmış ve frekansa dayalı ses yutma katsayısı sayısal analiz yöntemi (eğri uyarlama) kullanılarak değişen sıva kalınlıklarına göre modellenmiştir. Ses yutma katsayısı eğri modelleri kullanılarak, farklı kalınlıklardaki sıva katmanlarının ses yutma katsayısı öngörülebilecektir.
Araştırmanın ikinci aşamasında, tarihi binalarda kullanılan sıvaların içeriği değiştirilmiş ve tescilli eski eser tarihi binaların restorasyonu sırasında, binanın tarihi kimliğine zarar vermeden, sıva katmanında, ses emilim özelliklerini arttıracak materyallerin belirli bir oranında kullanılması önerilmiştir. Bu şekilde özgün bina yapısına zarar vermeden ses emilim düzeyinin arttırılmaya çalışılması koruma prensipleri açısından daha doğru bir yaklaşım olacağı düşünülmektedir. Çalışmanın bu aşamasında 50 farklı karışım tipi incelenmiş ve ses yutma katsayısının ölçümü için 3 cm kalınlığında numuneler üretilmiştir. Ses emilimini arttırmak için dere kumu, pomza ve perlit agrega tipinin harç karışımında kullanılması incelenmiştir. Ayrıca, polypropilen lif, keten lif ve kırıntı kauçuk eklentisinin ses yutma katsayısına olan etkisi araştırılmıştır.  Aşağıda maddelerle sıralanan karışım içeriğindeki değişiklikler uygulanmış ve değişikliklerin ses yutma katsayısı üzerindeki etkisi incelenmiştir.
-	Bağlayıcı/agrega oranının ses yutma katsayısı üzerindeki etkisi 
-	Agrega tane boyutlarının ses yutma katsayısı üzerindeki etkisi
-	Agrega tipinin ses yutma katsayısına olan etkisi
-	Farklı agrega kombinasyonlarının ses yutma katsayısına olan etkisi
-	Polypropilen lif katkısının ses yutma katsayısı üzerindeki etkisi
-	Keten lif katkısının ses yutma katsayısı üzerindeki etkisi
-	Kırıntı kauçuk katkısının ses yutma katsayısı üzerindeki etkisi araştırılmıştır. 
Yapılan karışım analizleri sonucunda,
-	Karışımlardaki bağlayıcı oranının artış göstermesi ses yutma katsayısını olumsuz etkileyebilmektedir.
-	Agrega tane boyutunun etkisi incelendiğinde, harç karışımında çok ince agrega (0 ile 2 mm arasında) kullanılmasının ses yutma katsayısını olumsuz etkileyebildiği gözlemlenmiştir.
-	Harç karışımındaki agrega tipinin değiştirilmesi ses yutma katsayısını arttırabilmektedir.  Özellikle, harç karışımında hafif agrega tipi kullanılması sıva katmanındaki ses yutma katsayısını olumlu etkileyebilmektedir.
-	Harç karışımındaki agrega kombinasyonunun ses yutma katsayısında etkili olduğu gözlenmiştir.
-	Karışımlarda polipropilen ve keten lif katkılarının kullanılması ses yutma katsayısını artırabilmektedir.
-	Kırık kauçuk katkı maddelerinin agrega yerine belirli oranlarda kullanılması ses yutma katsayısını artırabilmektedir ve özellikle düşük frekanslarda etkili olabilmektedir.
Harç karışım tipine dayalı olarak karışım analizi sonuçlarının değerlendirmesi ilgili bölümde detaylıca verilmektedir. Ses yutma katsayısı ölçüm sonuçlarına göre, değişen harç karışım oranlarının etkisini araştırmak için MATLAB yazılımında eğri uyarlama yöntemi kullanılarak numerik model eğrileri elde edilmiştir. Karışım içeriğinin ses yutma katsayısı üzerindeki etkisi, 1/3 oktav bant frekanslarındaki numerik model eğrileri kullanılarak incelenmiştir. Numerik model eğrilerini kullanarak ölçümü yapılmayan farklı harç karışım oranlarının ses yutma katsayıları hakkında yaklaşık öngörü yapılabilecektir.
Araştırma kapsamında toplam 62 farklı ses yutma katsayısı deneyi gerçekleştirilmiştir ve sadece ses yutma katsayısının ölçümü haricinde basınç dayanımı, eğilme dayanımı, açık gözeneklilik ve kapiler su emme katsayısı farklı karışım tiplerine göre analiz edilmiştir. Ölçüm sonuçları elde edildikten sonra, deneylerin sonuçları ayrıntılı olarak karşılaştırılmıştır. Ayrıca, ses yutma katsayısı ölçüm sonuçlarının etkisini inceleyebilmek amacıyla tarihi bir oda mekânı seçilmiş ve çınlama süresi analizleri gerçekleştirilmiştir. Empedans tüpü oktav bant ölçüm sonuçları London yöntemi kullanılarak çınlama odası ölçüm sonuçlarına dönüştürülmüştür. Sıva katmanındaki ses yutma katsayısı ölçüm sonuçlarının etkisi çınlama süresi analizlerinde gösterilmiştir. 
Özet olarak, doktora tezi araştırmasında ses yutma katsayısını arttırabilmek için laboratuvar analizleri gerçekleştirilmiştir. Bu araştırma, ses emilim özelliklerine sahip yeni sıva katmanları sunmayı amaçlamaktadır. Bu çalışmalarla üretilen karışımların sadece tarihi binalarda değil, aynı zamanda güncel teknolojilerin kullanımıyla inşa edilen binalarda da kullanılabileceği açıktır. Tarihi yapı ile uyumlu çalışacak şekilde harç karışım içeriğinde gerçekleştirilen değişimler ile ses yutma katsayısının arttırılabilmesi literatür araştırmaları açısından çok geniş bir araştırma konusu olmaktadır.

Abstract:
Historical structures must be protected and their original structures should not be damaged. During historical buildings restoration, the rich interior details need to be conserved and the separation of rooms of large volumes contrary to its original structure should be prevented. It is of great importance that interior spaces with large volumes, especially those with vault or dome ceilings, keep their initial form and retain their characteristics from the time when they were first used.
The conservation of rooms with large volumes in historical places without altering the characteristic design choices from the time they were first designed, retaining the original windows, and refraining from covering them, and maintaining the volume of the rooms are all in line with the philosophy of basic conservation. However, it is necessary to consider the problems which may arise from having a high room volume. Historical buildings with large room volumes are frequently beset by problems acoustics in terms of background noise, echo and unwanted reverberation, leading to speech intelligibility. To ensure speech intelligibility in such historical spaces, it is necessary for reverberation to be kept within a desirable range. Increasing the sound absorption coefficient of surface coatings is of utmost importance in order to decrease reverberation time to a desirable level. Otherwise, altering the shape of the building, reducing the volume of the rooms, changing the original coatings, or any other intervention that affects the authenticity of the structure of the building in an effort to reduce reverberation in not considered an appropriate approach.
Increasing the sound absorption coefficient of the plaster layers can improve the interior acoustics. However, it is important parameter that the material selection is compatible with the historical structure and does not harm the building structure.  In this research, the plaster layers used in historical buildings were investigated and it was aimed to increase the sound absorption coefficient according to the changes in the plaster layer. In order to increase the sound absorption coefficient of the historical plaster coatings, researches were carried out and the properties of the historical plaster layers were investigated. It is observed that historical structures from the Roman, Byzantine and Ottoman eras in Turkey are generally constructed from mortars based on lime binder. Hence, the mortars based on lime binder were examined in this research.
In the first stage of the research, sound absorption coefficients of mortar mixtures used in restoration were examined and the contents of the mortar mixtures were not changed. Three different mixture types with different binders were selected to analyze, plaster layers of 3 cm, 6 cm, 9 cm and 12 cm thicknesses were produced, sound-absorption coefficient analyses were carried out, and the sound-absorption coefficients of 12 different plaster layers in total were measured. The sound absorption results were analyzed and for the mortar mixture types examined within the scope of this research, it was determined in general that the sound absorption coefficient increased as plaster thickness was increased. The results of the sound absorption coefficient measurements of plaster layers of different thicknesses were inputted into MATLAB software and the frequency based sound absorption coefficient was modeled using the numerical analysis method (curve-fitting) according to the varying plaster thicknesses. Using the sound-absorption coefficient curve models, the sound absorption coefficients of plaster layers of different thicknesses can be estimated.
In the second stage of the research, the content of the plasters used on historical buildings were changed and it was suggested that during the restoration of registered historical buildings, a certain proportion of materials with the ability to absorb sound should be applied to the plaster layer, taking care not to damage the historical identity of the building. Taking these steps in an attempt to increase sound absorption levels without damaging the authenticity of the building structure is considered a more appropriate approach from a conservationist standpoint. At this stage of the study, 50 different mixture types were examined and the samples were produced in 3 cm thickness for the measurement of sound absorption coefficient. Using river sand, pumice and perlite aggregate type in the mortar mixture was examined in order to increase sound absorption. In addition, the effect of polypropylene fiber, flax fiber and crumb rubber additive on sound absorption coefficient was investigated. The changes applied to the mixture contents and the effects of the changes on the sound absorption coefficient were examined under the following headings: 
-	The effects of volumetric changes in the ratios of binders and aggregates on the sound absorption coefficient 
-	The effects of changes in the aggregate particle size on the sound absorption coefficient
-	The effects of aggregate type on the sound absorption coefficient
-	The effects of aggregate combination on the sound absorption coefficient
-	The effects of the polypropylene and flax fiber additive on the sound absorption coefficient
-	The effects of the crumb rubber additive on the sound absorption coefficient. 
The evaluation of the results of the mixture analyses revealed that:
-	Increasing the binder ratio in mixtures can have an adverse effect on the sound absorption coefficient.
-	It was observed that using superfine aggregate (between 0–2 mm) in the mortar mixture can have an adverse effect on the sound absorption coefficient when the effect of aggregate particle size was examined.
-	Changing aggregate type in the mortar mixture can increase on the sound absorption coefficient. Especially, the use of a lightweight aggregate type in the mortar mixture can positively affect the sound absorption coefficient in the plaster layer.
-	It was observed that the combination of aggregates in the mortar mixture was effective on the sound absorption coefficient.
-	The use of polypropylene and flax fiber additives in mixtures may increase the sound absorption coefficient. 
-	The use of crumb rubber additives in certain proportions in place of aggregate may increase the sound absorption coefficient, especially at low frequencies.
-	The use of crumb rubber additives in certain proportions in place of aggregates can increase the sound absorption coefficient and can be effective especially at low frequencies.
Evaluation of the results of the mixture analyses based on the type of mortar mixture are given in detail in the relevant section. According to the results of the sound absorption coefficient measurements, numerical model curves were obtained using a curve-fitting method in the MATLAB software to investigate the effect of varying mortar mixture ratios. The effect of the mixture content changes on the sound absorption coefficient was examined by using the numerical model curves at a 1/3 octave band frequency. Using the numerical model curves, approximately estimations can be made of the sound- absorption coefficients of varying mortar mixture ratios, other than those tested.
In the scope of the research, a total of 62 different sound absorption coefficient tests were performed and not only sound absorption tests but also compressive strength, flexural strength, open porosity and capillary water absorption experiments were analyzed according to different mixture type.  After the measurement results are obtained, the outcomes of the experiments were discussed in detail. Moreover, in order to examine the effect of sound absorption coefficient measurement results, a historical room space was chosen and reverberation time analyses were performed. Impedance tube octave band sound absorption results were converted into reverberation chamber sound absorption results by means of London model. The effect of sound absorption coefficient measurement results in the plaster layer were shown in the reverberation time analyses.
As a summary, in the doctoral thesis research, the laboratory analyses were carried out in order to increased sound absorption in the plaster layer. This research is aimed to offer new plaster layers with the ability of sound absorption properties.  It is apparent that the mixtures produced through these studies can be used not only in historical buildings but also in buildings constructed using current technologies.  The ability to increase the sound absorption coefficient by making changes to the mortar mixture content in a way that is compatible with the historical structure is a very broad research topic for future literature researches.