Yapı biyolojisi bilimi açısından toprak yapı malzemesi: Arkeolojik örnekler üzerinden bir irdeleme
Earthen building material from the perspective of building biology: A study on archaeological samples
Yazar: FİKRİYE PELİN KURTUL VACEK
Danışman: DOÇ. DR. SEDEN ACUN ÖZGÜNLER ; PROF. DR. ŞEBNEM SEDEF ÇOKAY KEPÇE
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Mimarlık Ana Bilim Dalı / Çevre Kontrolü ve Yapı Teknoloji Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Arkeoloji = Archeology ; Mimarlık = Architecture

Özet:
Endüstri Devrimi ile makineleşen teknoloji, pek çok alanda olduğu gibi, yapı malzemelerinin de üretim ve uygulama şekillerini etkilemiştir. Sentetik malzemelerin geliştirilmesi ve yapı malzemesi olarak kullanımlarının başlaması ile antik çağlardan beri yerel malzemelerle inşaa edilen yapılar değişime uğramıştır.
II. Dünya Savaşı'ndan büyük kayıplarla çıkan Almanya'da, tekrardan ayağa hızlıca kalkabilmek için, yapay yapı malzemeleri kullanılarak yoğun oranda ve hızlı bir şekilde toplu konut projeleri inşaa edilmiştir. Bu yapılardaki yaşamlarda, toplum genelinde daha önceden görülmemiş bazı hastalıkların başlamasıyla, aynı tip hastalıkların aynı tip yapılarda yaşayan insanlarda olduğu fark edilmiştir. Yapının insan sağlığı üzerinde olan etkisinin anlaşılması ve konu ile ilgili çalışmaların başlaması Yapı Biyolojisi Enstitüsü'nün temellerinin atılmasını sağlamıştır.
Yapay yapı malzemelerinin zararlarının insan ve çevre sağlığını tehdit edici boyutlara varmış olması tez çalışmasının yapılması için önemli bir itici güçtür. Bundan dolayı giriş kısmında sorun tanımlanarak yapay malzemelerin, özellikle iç mekan hava kalitesine olan olumsuz etkileri ortaya konulmakta ve bundan en çok etkilenenlerin çocuklar olduğunun altı çizilmektedir. IBN Standart değerlerini oluştururken hedef kitlesi olarak çocukları belirlemiştir çünkü çocuklar yetişkinlere göre daha hassas bir bünyeye sahiptirler. Enstitü'nün değerlendirmesine göre; eğer bir çocuk için oluşabilecek yapı kaynaklı hastalıkların önüne geçilebiliyor ise, yetişkin için zaten en optimum değerler yakalanmış olmaktadır. Lakin genel standart düzenlemelerinde çocuklar göz önünde bulundurulmamaktadır. Son yıllarda artan yapı malzemesi kaynaklı çocuk hastalıkları durumun önemini göstermektedir. 80'li yıllardan beri özellikle çocukların zamanlarının büyük oranını geçirdikleri okullarda yapılmış olan araştırmalar, sorunun uzun süre önce belirlendiğini fakat çözüm için gerekli uygulamaların göz ardı edildiğini göstermektedir. Çözüm için bir alternatif olabileceği düşünülen toprak yapı malzemesinin irdelenmesinin önemini ortaya koyan argümanlar yine giriş kısmında sunulmaktadır.  
Yapı Biyolojisi Bilimi'nin ve IBN'in oluşum hikayesine, yapı malzemesinin değişimini ve günümüzün malzeme sorunsalını tanımlamakta yardımcı olduğu için yer verilmiştir. Sağlık sorunları ve malzeme arasındaki ilişkiyi çalışmalarının merkezine koyan Yapı Biyolojisi'nin, enstitü ve konu ile ilgili kişiler tarafından yapılan farklı tanımları araştırılmıştır. Lakin, malzemenin de içinde yer aldığı yeni bir tanım yapma ihtiyacı duyulmuştur. IBN tarafından uygulanması önerilen 25 kurala ve ana ilkelerin sağlanması için kurgulanan yöntemlere, sağlıklı malzeme çalışmasında önemli olduğu için yer verilmiştir. Bu yöntemlerden biri olan malzeme değerlendirmesi, kriterler doğrultusunda malzemelerin insan ve çevre sağlığı ile olan uyumlarını puanlandırmaktadır. En yüksek puanı alan toprak yapı malzemesinin, yapı sistemi içinde uygunluğunu değerlendirebilmek için, bu çalışmada bir malzeme seçim yöntemi kurgulanmıştır. Malzeme Seçim Yöntemi kurgusuna Yapı Biyolojisi malzeme puanını entegre ederek bu puanı belirleyen kriterleri de yönteme almak, daha önce bu konu ile ilgili yapılan çalışmalarda bulunamamıştır. Doğru yöntem kullanımı, sağlıklı yapı malzemesi seçim ve karar alma aşamasında önemlidir. Bundan dolayı toprak yapı malzemesinin değerlendirilmesi için kurgulanmış seçim yöntemi örneği bu çalışmaya dahil edilmiştir.
Toprak yapı malzemesinin, hem malzeme hem de  malzeme seçim yöntem değerlendirmelerinde en yüksek puanlara ulaşabildiği ortaya konduktan sonra toprak türleri ve toprak malzemenin yapıda kullanım yerleri incelenmektedir. İyileştirme ve Stabilizasyon Yöntemleri açısından son yıllarda ülkemizde yapılan çalışmalara yer verilmektedir. Bu çalışmalarda genel olarak stabile etme yöntemi için yapay katkı maddelerinin katıldığı görülmektedir. Toprak karışıma katılan yapay katkı maddeleri, toprak yapı malzemesinin sahip olduğu sağlıklı özelliklerin değerini düşürmektedir. Stabilizasyon tekniklerini uygularken kullanılan katkı maddelerinin de doğal olması gerekliliği bu çalışmada belirtilmektedir.
Anadolu'da en eski dönemlerden beri toprak yapı malzemesinin kullanıldığı bilinmektedir. Antik dönemlerde insanların, toprak çeşitlerini tanıyabilmeleri ve stabilizasyon teknikleri için katkı maddesi olarak uygun doğal malzemeleri kullanabilmelerinden dolayı, unutulmuş eski reçetelerin modern çalışmalar için ufuk açıcı olabileceği düşünülmektedir. Bundan dolayı arkeolojik kazılarda ortaya çıkan toprak yapı malzemelerinin analiz sonuçları araştırılmış ve veriler doğrultusunda bir değerlendirme tablosu hazırlanmıştır. Tablo, toprak yapı malzemesi içerik verilerinin kolay anlaşılabilir olması için düzenlenmiştir. Toplanan veriler, Prehistorik ve Kalkolitik Dönemler'den olup, bu çalışma için daha sonraki dönemlere ait iki arkeolojik alanın toprak yapı malzeme örnekleri laboratuvar ortamında incelenmiştir. Küllüoba ve Daskyleion'a ait toprak yapı malzeme örneklerinin analizlerinden edinilen veriler tabloya eklenmiştir. Veri elde etme sürecinde yapılan analizler ve edinilen bilimsel sonuçlar ekler bölümünde gösterilmektedir.
Sonuç bölümünde ise, insan ve doğa sağlığının tehlikede olduğu bu noktada, 'Rönesans' yaşaması beklenen toprak yapı malzemesinin çalışılmasının, teknik açıdan geliştirilmesinin ve modernize edilirken sağlıklı niteliklerinin bozulmaması için toprağı ve stabilizasyon tekniklerini tanımanın önemi ifade edilmektedir. Yöresel ve dönemsel bilgilerin tekrardan ele alınmasının, belgeleme açısından olan öneminin yanı sıra, modern çalışmalara da ışık tutabilecek potansiyele sahip olduğu bu çalışmada anlaşılmıştır.

Abstract:
The present thesis deals with the effects of construction techniques as well as building materials on human health. In particular, it provides new data for the true impact of available building materials on the well-being of humans through the application of new evaluation criteria. As a result, the study highlights that earthern building materials provide a better indoor air quality with less harmful impact on the environment and human health than any other commonly used building material. The thesis further provides new data from ancient earth buildings structures and their components, which have been analysed for their ingredients. This new raw data is considered as useful new information for the development of new earth building materials for the future. 
The continuouing increase of illnesses that can be connected to construction techniques and materials used in buildings led to a recent growing interest in building materials and their effects on human health. Despite this, new synthetic chemicals are introduced into the market without any research carried out in advance designed to understand their impact on human and environmental health. 
This thesis provides in its first part an in-depth discussion of the the aforementioned problem through indoor air quality measurement study examples. Due to studies of  the Institute of Building Biology + Sustainability (IBN), we know that children are the most vulnerable, which are heavily affected by synthetical products, particularly in indoor areas. Their susceptibility is related partly to the fact that they spend most of their daytime inside educational buildings. Therefore, among the study examples considered in the thesis a special focus is dedicated on studies carried out in kindergardens and schools. The results suggest that indoor air quality and indoor air polluters deriving from building materials should be inspected in each educational building type because of their proven negative effects on health issues of children.
Given this situation, the thesis continues in the next section to look  for alternatives to the current building materials that cause health problems by utilizing knowledge developed by Building Biology. The science of Building Biology and IBN are described next in the thesis because they offer a guidance through developed standards, providing principles and material evaluations. Building Biology, which is a sub-branch of Building Science, is mainly concerned with the human health matters related to construction. Further, the institute dedicates importance to problems related to inner air quality (IAQ) and the materials used in artificial concepts such as cities, residential areas, buildings, indoor areas, furniture etc. The reason for setting standards based on material evaluation studies done by the IBN is the rise in illnesses caused by building materials as mentioned before. At a project level, Building Biology can offer choices for the selection of the right materials and the right design attitude. The impact of materials on man and nature is scored by IBN through assesment criterias. IBN defined 15 assessment criteria for the evaluation process that leads to a score range from min. 0 to max. 3, indicating the degree of ecological and health protection as a value in building material. These IBN material evaluation results show that earthen building material is the most compatible building material with human and environmental health. Clay products score at 2.6, which is the highest among  building materials considered in the study. Thus, one major outcome of the thesis is that earth constitutes an irreplaceable building material for the protection of human and environmental health.  
Further, the thesis underlines the fact that choosing the right material at the beginning of each new project will have effects on the final IAQ and users' health and thus constitutes an enormous responsibility for the architect. Given the serious consequences, the total score for each material type provided by IBN needs to be included in any overall construction evaluation system. Therefore, in this study, an international performance evaluation system (Arıoğlu) is used for the comparison of the different selected building materials. An overall evaluation system for comparing building materials after their application in the construction is needed since the material performance may change depending on its treatment and application in a building. This will provide a better understanding of the material's contribution for the future IAQ. This study demonstrates that simply the score of the raw building material is not enough for a material selection process. The necessity for a new evaluation table can be understood better when considering the material brick. Brick material does not show much difference at a material level to a clay product, but a big gap between them occurs when studied on the constructional system level. Brick material looses points due to the need for additional finishings. This difference has an effect on the air diffusion with consequences on the IAQ, which heavily affects both the quality of living in a given building as well as its biological effect. Considering also an overall construction evaluation system, earthen building material scored again highest among selected samples, which means it contributes to the IAQ at its best, both on the material level and on the constructional system level.
The unmatched good properties of earthen building material are demonstrated in this study through older studies and Building Materials Evaluation Tables. The material supplies sufficient fresh air and reduces air pollutants and irritants. Additionally, it avoids exposure to toxic molds, yeasts, and bacteria as well as dust and allergens. In case of electromagnetic fields and wireless radiation exposure, it creates a better indoor environment than the other building materials. Further, it holds the least amount of radioactivitiy. Moreover, it creates a well-balanced ratio between thermal insulation and heat retention as well as indoor surface and air temperature. Natural humidity-buffering materials keep the moisture content of new construction as low as possible thanks to its very high levels of hygroscopicity and air diffusion properties, which also helps to create the optimum air change.
The use of earthen building material in Anatolia dates back to ancient times. The differences in earthen material production and application techniques in different periods and regions in Anatolia, indicate the diversity of soil types and local stabilisation methods. Despite the rich cultural and technical heritage, the economic prosperity in many geographical regions brought the rapid transition from earth to concrete structures. Another factor for the diappearance of earthern buildings is their general association with social underdevelopment and poverty among people. However, as a result of the rising number of illnesses deriving from synthetic building materials shown by the studies carried out by the IBN, the earthen building material has begun to be seen again as a valueable alternative to commonly used materials. In the near future, it is expected that the earthen building material will have a "Renaissance period" due to its unique properties that can guarantee human and environmental health. It is thought that people will want to have a clean earthen wall instead of smelling the paint, glue, disturbing chemicals coming from insulation and other elements. However, the growing awareness of the properties and the rising utilisation of earth as a building material is undermined by our lack of knowledge related to earth as a building material and our limited know-how regarding the necessary construction methods. These shortcomings are caused by the interruption of the transfer of local knowledge and experience between past generations, which constitutes a major obstacle for the future development of earth as a building material. 
In recent years, synthetic stabilising materials have been used as additives in the studies to improve the properties of the earthen building material. Improvement and stabilisation are the processes that are used to give the soil the qualities required by the place and purpose of use of the structure. When these processes are completed, the soil becomes soil building material and is ready to be used in the building. In this thesis, recent Turkish academic studies, which have been carried out in order to improve soil properties by stabilising earthen construction materials, are listed. The present study emphasises the fact that using synthetics causes the material to lose its valuable properties at the level of the building system. For this reason, the results of earthen material analysis collected from ancient settlements in Anatolia were compiled. As such, it will document the knowledge of ancient people who knew the local soil types and stabilisation methods, which included the use of natural components during the preparation of earthen building materials. It is believed that this study will provide a guide for future studies aiming at developing new soil material mixtures and production techniques.
In order to do so, one part of the thesis was dedicated to previous studies on the subject of ancient earth building materials and its ingredients. This data was placed in an own evaluation table. Only the micro studies results were taken as a data, the results of the macro studies were not considered as reliable data source for the ingredients identified  in the analysis of ancient  material. The previous laboratory researches on the earthen building material from archaeological areas were all found to be dating back to the Neolithic and Chalcolithic periods. Thus, the present thesis also includes specific case studies from two sites in Anatolia, which were selected in order to close the existing chronologic gap: Küllüoba a site dating to the Bronze Age and the Iron Age site of Daskyleion. For the selected material samples from Küllüoba and Daskyleion all necessary permissions were taken from the authorities and the details are given in the thesis. Ancient earthen material examples were studied at the ITU Building Materials Laboratory and at the KURAM. 
The literature study and the analysis of the soil material selected from ancient places in Anatolia revealed that the ancient people knew the local soil types and used different stabilisation methods for different building elements. Therefore, in order to utilise adobe building material again in the future, it is important, from the technical point of view, to take into consideration in modern studies the wisdom of the ancient people, who knew the soil and who constructed soil structures by using natural additives in their stabilisation methods. The present thesis further highlights that the recognition of the Anatolian soil types used as building materials together with the technical developments in the use and application of soil as building material since antiquity, in particular the use of natural substances, which ensured a compact material without losing the healthy properties of the earth, are important for the continuity of human and environmental healthy building practices. 
It is hoped that this study will open new research ideas for earthen material stabilisation techniques and spread the possibility of a new "Rennaisance" of sustainable constructions in earth for a healthy environment and community.