Comparative Evaluation Among Three Strucrural Systems For Low-rise Energy Efficient Residential Buildings

Tez (Yüksek Lisans) -- İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2012Thesis (M.Sc.) -- İstanbul Technical University, Institute of Science and Technology, 2012Bu tezin amacı, enerji-etkin ya da sürdürülebilir yapı sistemleri olarak bilinen az katlı konutlarda kullanılan üç farklı yapı sisteminin, yapısal 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 yanısıra taşıyıcı sistemin hafif olması, yapının yatay yüklere (özellikle deprem) 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 sözedilmektedir. Yaşam döngüsü değerlendirmesi (LCA), 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 yapısal sistemi aynı binaya uygulayıp yapısal 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 yapısal tasarım yöntemlerini içerir. Ayrıca bu bölümlerde, sistemlerin yapısal analizi ve kesitlerin tasarımı örnek binaya uygulanarak yapılmaktadır. Her bir sistem için yük hesapları ve deprem hesapları ilgili bölümde verilmiştir. Sistemlerin yapısal 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. Herbir 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 yapısal tasarımından elde edilen sonuçların yapısal davranış v eve çevresel performans açısından değerlendirilmesidir. Değerlendirme, yapısal 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 yapısal 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 yapısal 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 yapısal 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 yapısal 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 yapısal paneller ise, dayanıklılık açısından daha üstün performans sergilemektedir.The main purpose of this thesis is to evaluate three structural systems used in low- rise residential buildings, known as energy efficient or sustainable structural systems. These structural systems are named as: wood light frame structures, light gauge steel frame structures, and 3D panels, all of which are prefabricated and standardized sections, manufactured in factory and carried to construction site. These kinds of constructional systems have two important characteristics, which make these structures as one of the best alternatives for conventional construction in residential construction community: Prefabrication and lightness. Prefabrication makes the systems to have several advantages such as diminish in construction waste, ease of construction practice, clean construction, saving time and energy. In addition lightness of these systems makes them to have a better structural behavior against lateral loads (especially the earthquake effects), and also lead to lighter foundation system. Furthermore, lightness of the structure means less material use, which is to the benefit of sustainability. To achieve the target of thesis, the research procedure begins with introducing sustainability aspects in residential construction. It is mentioned in this section that aspects of sustainability is a very widespread and complicated subject, and encompasses economical, ecological and social features, all of which can be evaluated from all professions related to a building. However, in this thesis, only the aspects that are related to construction practice and material performance are considered, and the other aspects are assumed to be constant in all cases. The tools for evaluation environmental performance of the building are also discussed in this section. Life cycle assessment (LCA), embodied energy and the thermal properties of the materials are among the tools for environmental assessment of the buildings, which are discussed in this section. An example building is chosen in order to be designed using each of alternative structural systems. The description of the building, drawings for plans, sections and elevations are mentioned accordingly. The following three chapters are allocated to the introduction of each alternative structural system. The introduction part includes definition of systems, their components, construction methods, codes and specifications, and methods for structural design of the systems. The introduction section is followed by structural analysis and designing the sections of each system for single example building. Structural analysis and design of the systems are carried out using ETABS software. Except for wood light frame structure for which only the analyses are done by ETABS, and the design procedure is carried out manually by using an Excel chart. Chapter 6 is devoted to the assessment of the results obtained from structural design of the systems. The assessment includes two categories: assessment to structural behavior and environmental performance. For structural behavior, the weight of each system, story shears, story drifts, and building periods for modal shapes are extracted from software. The comparison among three structural systems is carried out considering these categories. For environmental performance, embodied energy, thermal properties of external wall sections-including insulation and thermal mass- are calculated and the systems are compared accordingly. As a total evaluation, a table including all of above-mentioned aspects is adjusted and a ranking system is developed in order to quantify the evaluation results. The aspects are organized into three categories named as construction practice, energy efficiency, and durability. Results of evaluation show that, wood light frame structure is ranked as the best in terms of energy efficiency, light gauge steel frame is ranked as the best system, considering construction practice, and 3D structural panels system is the better system in terms of durability.Yüksek LisansM.Sc