Cephe kaplama sistemlerinin performans gereksinimleri açısından değerlendirilmesi
Evaluation of facade cladding systems with regard to performance requirements
Yazar: BÜŞRA SİRKECİ
Danışman: PROF. DR. LEYLA TANAÇAN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Mimarlık Ana Bilim Dalı / Çevre Kontrolü ve Yapı Teknoloji Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2017
Konu: Mimarlık = Architecture
Dizin: Bina cephesi = Building facade ; Cephe malzemeleri = Facade materials ; Dış cepheler = External fronts ; Kompozit malzemeler = Composite materials ; Levha malzemeler = Plate materials ; Metal konstrüksiyonlar = Metal constructions ; Metal malzemeler = Metal materials ; Mimari cephe = Architectural front ; Mimari malzeme = Architectural material ; Seramik kaplama malzemeleri = Ceramic covering equipments

Özet:
Mimari tasarım, değişen kullanıcı gereksinimlerine daha iyi çözümler sunmanın yanında yapı fiziği açısından da gerekli performans şartlarını sağlayanı bulma sürecidir. Bu tanım çerçevesinde günümüzde cephe kaplama sistemi yapımında genellikle hazır sistemler üzerinden seçim yapılmaktadır, ki bu durum malzemenin cinsinden kaynaklanan temel özelliklerinin dikkate alınarak yeni tasarım olanaklarının keşfedilmesine engel olabilmektedir. Cephe kaplaması performansı üzerinde sadece malzeme cinsi ve özeliklerinin değil malzeme biçiminin ve tespit yönteminin de olumlu ya da olumsuz etkisi bulunmaktadır. Malzeme cinsinden kaynaklanan özelikler, malzemenin güneş, yağmur, rüzgar gibi dış etkenler ve mekanik yükler karşısında zaman içindeki davranışını belirlemektedir. Malzemenin biçimi ve tespit yöntemi ise malzemeye etki eden bu yüklerin, yapı kabuğuna iletilmesini sağlamaktadır.
Bu noktada cephede kullanılabilen tüm malzemelerin ve tespit yöntemleri seçeneklerinin yapı yüksekliğine bağlı olarak öne çıkan performans ölçütleri açısından genel bir değerlendirme ve karşılaştırma yapılması, mimarlara malzeme seçimi konusunda geniş fikirler verecektir. Malzemenin tespit yöntemi ile cephe üzerinde biraraya gelerek oluşturduğu sistemin zaman içindeki davranışı incelenmelidir. Özellikle teknolojiinin gelişmesiyle birlikte kompozit malzemeler gibi yeni malzemelerin geliştirilmesi, firmaların fark yaratma çabasından doğan yeni cephe kaplama detaylarının geliştirilmesi malzeme piyasasındaki rekabet ortamını giderek arttırmaktadır. Cephe kaplama sistemi tasarımında karar verme sürecindeki mimarlar, bu rekabet ortamı içerisinde hem estetik olarak en tatmin edici olanı hem de teknik açıdan en ideal olanı bulma çabasındadırlar.  
Bu tezde farklı cephe kaplama sistemlerinin tespit güvenliği, yangın güvenliği ve atmosfer koşullarına dayanım açısından performanslarının karşılaştırılması hedeflenmektedir. Cephe kaplama sistemleri cepheden beklenen performans gereksinimleri açısından çok yönlü değerlendirme yönteminin geliştirilmesiyle ele alınmıştır. Çağdaş cephe kaplama sistemlerinde kullanılabilecek bütün malzeme gruplarına ait kaplama malzemelerinden oluşan çeşitli cephe sistemlerinin birlikte değerlendirilmesi mimarlara tasarım sürecinde daha geniş açıdan bakma ve hızlı karar verme imkanı sağlamaktadır. Bu nedenle bu çalışmada, aynı malzemeye ait farklı biçim ve tespit yöntemi alternatiflerinin cephe kaplama sistemi içerisindeki davranışı karşılaştırılmıştır ve aynı zamanda farklı malzemelerin de performansı karşılaştırılmıştır.

Tezin birinci bölümünde problemin tanımı, ortaya çıkma sebepleri, bu çalışmanın yapılma amacı ve kapsamı anlatılmaktadır. Araştırmaya konu olan cephe kaplama sistemi tanımlanmıştır, cepheyle olan ilişkisi ve giydirme cephe arasındaki fark belirtilmiştir.  

Tezin ikinci bölümünde cephe kaplaması için malzeme seçimini etkileyen etmenlerden işlev, coğrafi konum, iklimsel koşullar, bina form ve yüksekliğinin, malzeme, biçim ve tespit yöntemi özellikleri ile olan ilişkisi irdelenmiştir. Bir cephe kaplama malzemesinin görevlerinin kapsamı, cephenin görevleriyle karşılaştırılarak ortaya konmuştur. 

Bu çalışmada geliştirilen değerlendirme yöntemi girdi, işlem ve çıktı olmak üzere üç aşamadan oluşmaktadır.
Tezin üçüncü bölümü ise değerlendirme yönteminin girdilerini oluşturan cephe kaplama sistemleri ortaya konmuştur. Literatür ve firma kataloglarıyla piyasada üretilen, biçimlenmiş malzemeyi ifade eden cephe kaplama ürünleri ve bu ürünlere ait tespit yöntemi alternatifleri araştırılmıştır. Bu araştırma doğrultusunda performans ölçütleri açısından bir karşılaştırma yapılabilmesi için malzeme, biçim ve tespit yönteminin biraraya gelmesiyle oluşturulan cephe kaplama sistemlerinin herbiri sınıflandırılmış olup, bu sınıflandırmanın sonucunda '33'adet biçimlenmiş malzemeyi ifade eden ürün (mb) ve değerlendirilmek üzere '57' adet cephe kaplama sistemi (mkb)  ortaya konmuştur. Bu sınıflandırma şu şekilde yapılmıştır; malzeme cinsi (m), biçim (b) ve tespit yöntemi (k). Kaplama malzemeleri; metal, polimer, kil, çimento, ahşap, taş ve cam esaslı malzemelerden olabilmektedir. Kaplama malzemesi (m), malzemenin biçimsel olasılıklarına (b), göre karo/plak (A), levha (B) ve panel (C) olarak kullanılabilmektedir. Tespit yöntemi (k),  ise uygulama yerine göre ikiye ayrılmaktadır; duvar gövdesi üzerine tespit veya duvar gövdesine tespit edilmiş taşıyıcı nitelikteki metal alt konstrüksiyon sistemi üzerine tespittir. Duvar gövdesi üzerine tespitte kaplama malzemesi harç ile yapıştırılabilir (1) veya duvar gövdesine ankraj elemanlarıyla alt konstrüksiyon olmadan uygulanabilmektedir (2). Duvar gövdesine genellikle ankraj elemanlarıyla cıvatalarla tespit edilen taşıyıcı nitelikteki metal alt konstrüksiyon sistemi üzerine tespitte, kaplama malzemesi metal alt konstrüksiyon üzerine, özel yapıştırıcılarla yapıştırma (3), vida (4), klipsle asma (5), ve özel bağlantı elemanlarıyla asma (6) ile tespit edilebilmektedir. Malzeme kalınlığı, birim hacim ağırlığı, yapı yüksekliği ve cepheye etki eden ölü, dinamik ve sismik yüklere bağlı olarak bu elemanların biçimi ve boyutu değişmektedir.  
Tezin dördüncü bölümünde geliştirilen değerlendirme yönteminin işlem aşamaları anlatılmaktadır. Günümüzde yaygın olarak uygulanan cephe testleri ve bu testlerin yapılma nedenleri araştırılmıştır. Bu testler doğrultusunda, cephe kaplama sisteminden beklenilen üç ana performans ölçütleri ortaya konmuştur. Bunlardan en önemlisi çeşitli mekanik yükler karşısında can güvenliğini tehdit eden ölçütlerden tespit güvenliği ve kontrolsüz ısı/alev, zehirli gazların açığa çıkması karşısında yangın güvenliğidir. Ardından ısıl değişimlerin, yağmur suyunun ve çevredeki çeşitli gazların sebep olduğu atmosfer koşullarına karşı dayanım performans ölçütüdür. Her bir ana performans ölçütüne ilişkin malzeme özelliklerini ifade eden alt ölçütler yer almaktadır: tespit güvenliğinde; elastiklik modülü, basınç dayanımı, çekme dayanımı, ısıl genleşme katsayısı, birim hacim ağırlık, yangın güvenliğinde; tutuşma kolaylığı ve yangın yayılım hızı, ısı iletkenlik katsayısı ve ısıl genleşme katsayısı son olarak atmosfer koşullarına karşı dayanım açısından; su emicilik, ısı emicilik, ısıl genleşme katsayısı, korozyon ve sertliktir. 
Cephe kaplama sistemleri arasında bir değerlendirmenin ve karşılaştırmanın yapılabilmesi için sayısal büyüklüğün saptanması gerekmektedir. Bu sebeple hem ürün hemde tespit yöntemi seçeneklerinin yarar değer katsayıları sayısal olarak saptanmıştır. Cephe kaplama sisteminde kullanılabilen metal, polimer, kil, çimento, taş, cam ve ahşap esaslı belirlenmiş '33' adet ürünler herbir ana performans ölçütüne (A) ilişkin alt ölçütler (Xn) açısından yarar değer analizine göre yarar değer katsayıları ortaya konmaktadır. Ardından herbir ürünün (mb) ana performans ölçütüne ilişkin alt ölçütler (Xn) açısından elde ettiği yarar değer katsayıları toplanmaktadır (mb)X1 + (mb)X2...(mb)Xn = Σ(mb)Xn). Bu toplam değer Churchman ve Ackoff yöntemine göre belirlenen tespit yönteminin (kA) ana ölçütler açısından yarar değer katsayılarıyla çarpılmaktadır (∑mb)Xn.(kA). Bu son işlem üç ana performans kriterinde de herbir cephe kaplama sistemi için uygulanmaktadır ve elde edilen değer bir cephe kaplama sisteminin ana performans değerini ifade etmektedir.(mXn.kA). 

Tezin beşinci bölümü ise, geliştirilen yöntemin çıktılar aşamasıdır. Cephe kaplama sistemlerinin performans gereksinimlerine dair elde edilen toplam değerler (ΣmXn.kA) normalize edilmiş değerler üzerinden karşılaştırılmakta ve irdelenmektedir. Her malzeme grubuna ait cephe kaplama sistemleri kendi içerisinde normalize edilmiş değerlerle üç ana performans ölçütünü birlikte karşılaştırabilmek için çizelgelerde gösterilmiştir. 

Tezin altıncı bölümünde ise bu değerlendirme yönteminden elde edilen sonuçlar yorumlanmış, sebepler tartışılmış ve öneriler geliştirilmiştir. 
	Biçim ve tespit yöntemi aynı olup, malzeme cinsi farklı olan çeşitli cephe kaplama sistemleri performansının farklı olmasına neden olarak, kaplama malzemesinin iç yapısındaki farklılaşmayla malzeme özeliklerinin değişmesi gösterilebilir.
	Malzeme ve biçim aynı, tespit yöntemi farklı olan çeşitli cephe kaplama sistemleri performansının farklı olmasına neden olarak, konstrüksiyondan kaynaklanan hava tabakasının etkisi ve tespit malzemesinin özeliği söylenebilir.
	Malzeme cinsi ve tespit yöntemi aynı olup biçimi farklı olan çeşitli cephe kaplama sistemleri, tespit güvenliği ve atmosfer koşullarına dayanım performansı açısından belirgin bir fark gözlemlenmemesine rağmen çok tabakalı panel biçimindeki ürünlerin yangın güvenliği performansını  etkilediği gözlemlenmiştir.

Bir cephe kaplama sistemi tespit güvenliği, yangın güvenliği ve atmosfer koşullarına dayanımı açısından farklı performans sergileyeceği anlaşılmaktadır. Bu sebeple bir mimar cephe kaplama sistemi seçimi yaparken, binanın bulunduğu koşullara göre önceliklerini ortaya koyarak bu değerlendirme yönteminden yararlanabilir.

Abstract:
Architectural design is a process that not only offers better solutions to evolving user requirements but also seeks the one which meets relevant performance requirements in terms of building physics. Within the framework of this definition, the selection is made often from among ready-made systems for building today's facade cladding systems, which might prevent discovery of new design opportunities by taking into consideration the basic characteristics resulting from the type of material. The performance of a facade cladding is not only affected, positively or negatively, by material type and characteristics but also by the form of material and fastening method. The properties resulting from the type of material define the behavior of material in time against external factors and mechanical loads such as sun, rain, and wind. The form of material and fastening method ensure such loads affecting the material to be transmitted to the building envelope.
At this point, performing a general evaluation and comparison of all materials and fastening method options that can be used on the facade, in terms of major performance criteria depending on the building height, will provide architects with a broad range of insights about selection of materials. The behavior demonstrated in time by the system, which is created through combination of the material on the facade through fastening method, should be examined.  Particularly, as the technology advances, development of new materials such as composite materials and enhancement of new facade cladding details as a result of the efforts by companies to make a difference, have been increasingly driving the competitive environment in the material market. In this competitive environment, architects who are involved in the decision making process of facade coating system design, seek the one which is the most satisfactory from an aesthetic perspective and the most ideal in technical terms.  
This thesis aims to compare different facade cladding systems in terms of their performance, based on fastening safety, fire safety and resistance to atmospheric conditions. Facade cladding systems are addressed by advancing versatile evaluation method in terms of performance requirements expected from the facade. Joint evaluation of various facade systems composed of cladding materials from all material groups that can be used in modern facade cladding systems provides architects with the opportunity to adopt a broader perspective and to make fast decisions during the design process. Therefore, this study compares the behavior of different forms and fastening method alternatives for the same material within the facade cladding system as well as the performances of different materials.

The first section of the thesis provides the definition of the problem, reasons of its emergence, and the purpose and scope of this study. The facade coating system forming the subject matter of the research is defined and its relationship with the facade and its difference from the curtain wall are explained.  

The second section of the thesis discusses the relationship of the factors affecting the selection of facade cladding material such as function, geographical location, climate conditions, building form and height, with the properties related to the material, form and fastening method. The scope of the duties of a facade cladding material is established by comparing it with the roles of the facade. 

The evaluation method devised within this study is composed of three stages: input, process and output.

The third part of the thesis establishes the facade cladding systems that generate inputs for the evaluation method. The literature and firm catalogues are used to explore facade cladding products representing formed materials manufactured in the market, as well as the fastening method alternatives for these products. In line with this research, each facade cladding system composed by combining the material, form and fastening method is categorized in order to compare performance criteria and, as a result of this categorization, '33' products representing formed material and '57' facade cladding systems are identified for evaluation. This categorization is performed based on material type, form and fastening method.
A classification has been made in order to be able to make a comparison of performance criteria in alternative façade systems such that the material type (m), the form (b) and the type of construction (k) have been combined to establish facade cladding system (mkb). Each facade cladding system has a material code that is expressed with letters and a form and construction code that is expressed in numbers. Façade materials can be metal, polymer, clay, cement, wood, stone or glass based. The facing material can be used as tiles/slabs (A), sheets (B) or panels (C) in form. The construction installation type can be one of two types, fixing on the infill wall body or fixing on a metal sub-construction system that is fixed on the infill wall body. In fixing on the infill wall the facade material can be fixed using mortar (1) or applied on the infill wall body using anchorage elements without a base construction system (2). In fixing on a metal subconstruction system where fixing is usually done by bolts and anchorage elements on the infill wall body, the façade material can be fixed on the metal subconstruction by special adhesives (3), screw anchors (4), clips (5), special fittings (6). The material thickness, weight per unit volume, the height of the building and the dead, dynamic and seismic loads on the façade determine the form and size of these elements. Also, more than a single mechanical fixing method can be used in a given construction system. 

The fourth section of the thesis explains the process stages of the evaluation method developed. The most important ones among them are the fastening safety which is one of the criteria posing threat against safety of life due to various mechanical loads and the fire safety in case of uncontrolled heat/flames or release of poisonous gases. These are followed by the performance criterion related to resistance to atmospheric conditions caused by thermal changes, rain water and various environmental gases. 
The products and fixing methods that are used in facade systems have been analyzed with regard to determined performance criteria. There are material properties related to each performance criteria: safety of fixing; Modulus of Elasticity, compressive strength, tensile strength, coefficient of thermal expansion, weight of unit volume, and concerning fire safety; ease of ignition and flame speed, coefficient of thermal expansion and thermal conductivity as the last feature concerning resistance to atmosphere conditions; water absorption, heat absorption, coefficient of thermal expansion,  corrosion and, hardness.
The quantitative size must be determined in order to perform an evaluation and comparison of facade cladding systems. Therefore, the benefit value coefficients of the product and the fastening method options are identified in quantitative terms. For the '33' products identified as based on metal, polymer, clay, cement, stone, glass and wood, which can be used in facade cladding systems, the respective benefit value coefficients are established based on the benefit value analysis in terms of sub-criteria (Xn) for each major performance criterion (A). Then benefit value coefficients found for each product (mb) based on the sub-criteria (Xn) for the major performance criterion are summed up (mb)X1 + (mb)X2...(mb)Xn = Σ(mb)Xn). This total value is multiplied by the benefit value coefficients in terms of major criteria of the fastening method (kA) designated based on the Churchman and Ackoff method (∑mb)Xn.(kA). This final process is applied for each facade cladding system with all three major performance criteria (A) and the calculated value represents the major performance value of a facade cladding system.  (ΣmXn. kA).

The fifth section of the thesis is related to the outputs stage of the method developed. The total values calculated for performance requirements of facade cladding systems (ΣmXn. kA) are compared and discussed based on the normalized values. Facade cladding systems for each material group are shown in charts in order to compare internally normalized values together with three major performance criteria. 

Finally, the sixth section of the thesis interprets the results obtained from this evaluation method by discussing the related reasons and generating suggestions. 
	 It can be suggested that the reason for varying performances of facade cladding systems having the same form and fastening method but different type of materials is the change in material properties due to differentiation in the internal structure of the facade cladding material.
	 It can also be suggested that the reason for varying performances of facade cladding systems having the same material and form but different fastening method is the impact of the air layer resulting from the construction and properties of the fastener.
	 It is observed that various facade cladding systems having the same material type and fastening method but different form show no substantial difference in terms of fastening safety or performance of resistance against atmospheric conditions but the same has an impact on the fire safety performance of multi-layer panel type products.

It is understood that a facade cladding system is likely to demonstrate different performances in terms of fastening safety, fire safety and resistance to atmospheric conditions. Therefore, an architect can benefit from this evaluation method when selecting facade cladding systems by establishing the priorities according to the respective conditions applicable to the building.