Comparative evaluation among three strucrural systems for low-rise energy efficient residential buildings

Bu tezin amacı, enerji-etkin ya da sürdürülebilir yapı sistemleri olarak bilinen az katlı konutlarda kullanılan üç farklı yapı sisteminin, yapısall ve çevresel performans bakımından değerlendirmesidir. Bu üç yapı sistemi; hafif ahşap yapılar, hafif çelik yapılar ve 3D taşıyıcı paneller olarak alınmıştır. Sözü edilen yapı sistemlerinin en büyük özelliği prefabrike, standartlaşmış sistemler olarak fabrikada üretilip, inşaat sahasına taşınmasıdır. Bu yapı sistemlerinin diğer özelliği ise hafif olmalarıdır. Bu iki özellik, bu tür yapı sistemlerini diğer geleneksel yapım tekniklerine karşı büyük bir üstünlük sağlamaktadır. Prefabrikasyon, zaman ve enerji tasarrufuna neden olup inşaat atıklarının azaltılmasına, temiz ve kolay inşaat uygulamasına yardımcı olur. Bu üstünlüklerin yanı sıra taşıyıcı sistemin hafif olması, yapının yatay yüklere karşı daha iyi davranışına ve aynı zamanda temelin daha uygun olmasına yardımcı olur. Bunların dışında, hafiflik daha az malzeme kullanımı anlamına gelir ve sürdürülebilirlik açısından çok yararlıdır. Tezin hedefine ulaşması için, izlenen araştırma yöntemi konut yapımındaki sürdürülebilirliğin farklı boyutlarını tanıtarak başlar. Sürdürülebilirlik çok kapsamlı bir alandır. Bir binanın sürdürülebilirlik açısından değerlendirmesi ekonomik, ekolojik, sosyal açıları ve bina ile ilgili tüm meslekleri kapsamaktadır. Ancak, bu tez aşamasında, yalnızca inşaat uygulama ve malzeme performansı ile ilgili yönlerin değerlendirmesi amaçlanmaktadır ve sürdürülebilirlikle ilgili diğer kapsamların sabit olduğu varsayılmaktadır. Binanın çevresel performans bakımından değerlendirilmesi için belirli araçlar kullanılmaktadır. Tezin ilk bölümünde bu araçlardan söz edilmektedir. Yaşam döngüsü değerlendirmesi, malzeme yapımı için gereken enerji ve malzemelerin termal özellikleri bu bölümde binaların çevresel değerlendirmesi için gereken araçlar arasında ele alınmıştır. Bu üç taşıyıcı sistemin karşılaştırması amacıyla, örnek bir bina ele alınarak her üç yapısall sistemi aynı binaya uygulayıp yapısall hesapların yapılması gerekmektedir. Örnek binanın tanımı, plan, kesit ve cepheler için çizimler buna göre belirlenmiştir. Örnek bina, zemin kat ve bir üst kattan oluşan villa şeklinde tasarlanan bir konut yapısıdır. Zemin katın toplam alanı 124. 86 m2 dir ve bina 1. deprem bölgesinde yer almaktadır. Bu bölümden sonra gelen üç bölüm, her bir alternatif taşıyıcı sistemin tanıtımına ayrılmıştır. Bu bölümler sistemlerin genel tanıtımını, elemanları, yapım yöntemlerini, kullanılan standartlar ve sistemlerin yapısall tasarım yöntemlerini içerir. Ayrıca bu bölümlerde, sistemlerin yapısall analizi ve kesitlerin tasarımı örnek binaya uygulanarak yapılmaktadır. Her bir sistem için yük hesapları ve deprem hesapları ilgili bölümde verilmiştir. Sistemlerin yapısall analizi ve tasarımı ETABS yazılımı kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Ancak, hafif ahşap çerçeve sistemde yalnızca analiz için ETABS yazılımı kullanılmış ve tasarım aşaması Excel yazılımı kullanılarak, gerçekleştirilmiştir. Binalarda çok fazla eleman bulunduğundan, tüm kesitler için kontroller verilmemiş, ancak tüm hesaplar CD olarak sunulmuştur. Her bir sistemde bir ya da iki duvar, örnek olarak seçilimiş ve hesaplar ve kontroller duvar dikmeleri için verilmiştir. Ayrıca kiriş kontrolleri de belirli bir açıklık için gösterilmiştir.6. bölümün konusu sistemlerin yapısall tasarımından elde edilen sonuçların yapısall davranış v eve çevresel performans açısından değerlendirilmesidir. Değerlendirme, yapısall davranış ve çevresel performans olmak üzere iki kategoriye ayrılmaktadır. Yapısal davranış kategorisi, sistemlerin ağırlığı, kat kesme kuvvetleri ve mod şekillerine bağlı yapı periyotların değerlendirilmesini kapsamaktadır. Çevresel performans değerlendirmesi ise malzemenin enerji performansı, malzemenin yapılması için gereken enerji, dış duvar termal özellikleri dikkate alınarak gerçekleştirilir. Yapısal analiz ve tasarımları, alternatif yapıların tümü için gerçekleştirilir. Sayısal sonuçlar 3D panel sisteminde kat kesme kuvvetinin diğer iki yapıdan daha fazla olmasına karşın bu sistemin yatay yüklere karşı daha iyi yapısall davranışı olduğunu göstermektedir. Hesap sonuçlarına göre, hafif çelik taşıyıcı sistem, beklendiği üzere bu üç yapı arasında en hafif olanıdır. Kat yer değiştirmesi hafif çelik çerçeve için diğer yapısall sistemlerden daha yüksektir. Yapının ikinci modu, burulma modu olarak elde edilmiştir. Yapı ağırlığı hesaplamalarına göre ahşap bina diğer iki binadan daha ağırdır. Benzer şekilde, bu binada da ikinci mod burulma modudur. Yapı malzemelerinin yapılması için kullanılan enerji hesaplamaları iki aşamada yapılır. Birinci aşamada bütün yapının malzemeleri için gereken enerji hesaplanır. Bu hesaplama sonuçlarına göre, hafif çelik çerçeve sistemi için daha fazla enerji kullanılmaktadır. Bu yüksek değerin nedeni, döşeme ve dış duvar kaplamasında kullanılan vinil malzemelerdir. Yapı malzemeleri performansı hakkında daha iyi bir fikir üretmek için hesapların ikinci aşamasında ise yalnızca yapısall malzeme ve yalıtımı dikkate alınır. Bu hesaplamanın sonuçlarına göre, 3D duvar panelleri daha yüksek bir değere sahiptir. En düşük değer ise ahşap yapı sistemine aittir. Duvar malzemelerinin ısı performans hesaplarında, her sistemin dış duvar bölümü için U-değerleri ve TTC değeri belirlenir. Sonuç olarak, hafif çelik çerçeve ve hafif ahşap çerçeveden yapılmış duvarlar için daha düşük U-değerleri elde edilir. Ancak, ısı köprüsü genellikle bu tür çerçeveli yapılarda gerçekleştiği için bu konuya dikkat etmek önemlidir. 3D panellerden yapılan duvar için U-değeri daha yüksek olmasına karşın, bu sistemlerde ısı köprüsünün gerçekleşmemesi bu yapılar için büyük bir üstünlüktür. Termal kütle açısından, 3D duvar panelleri daha yüksek TTC değerine sahip olması, yaz ve kış aylarında daha iyi termal davranış göstermesine neden olur. Yangına karşı dayanımı açısından, 3D panellerin dayanımı diğer iki yapı sistemlerinden çok daha fazla olduğu açıktır. Yapıların inşaat uygulamaları göz önüne alındığında, hafif çelik çerçeve inşaatı sürdürülebilir yapı inşaatına çok iyi bir örnektir. Kolay ve temiz inşaat, minimum malzeme atığı, minimum inşaat malzemesi kullanımı bu yapısall sistemin üstünlüklerindendir. Topluca bir değerlendirme yapıldığında, değerlendirme sonuçlarını ölçmek için yukarıda belirtilen özellikler de dahil olmak üzere sistemler arasında bir sıralama sistemi geliştirilmiştir. İnşaat uygulaması, enerji verimliliği ve dayanıklılık açılarından taşıyıcı sistemler değerlendirilip performanslarına göre not verilir. Buna göre, ahşap çerçeveli sistem enerji verimliliği açısından en üst sırada yer almaktadır. Hafif çelik konstrüksiyon, uygulama aşamasında en iyi sistem olarak ortaya çıkmaktadır. 3D yapısall paneller ise, dayanıklılık açısından daha üstün performans sergilemektedir.