Ahşap-cam Kompozit Yapı Elemanlarının Küçük Ölçekli Numuneler Düzeyinde Deneysel Bir İnceleme

Abstract

Binalar, toplumumuzun kültür, sosyal ve ekonomik boyutlarının yanı sıra kentsel ve kırsal çevrelerin görünümünü üzerinde de büyük ve uzun vadeli bir etkiye sahiptir. Mimarinin, bina formlarının, malzeme ve yapıların mühendislik kriterlerinin yanı sıra, binalarda çevre bilinci ile büyüyen ekolojik özellikler de dikkate alınmalıdır. Bu durum düşünülerek, bina ve yapılardaki ahşabın gelecekteki rolü yeniden incelenmelidir. Ahşap ilk zamanlardan beri inşaatta kullanılan doğal bir inşaat malzemesidir. Ahşabın dayanımının ağırlığına oranı, çelik ve betonarme gibi yapı malzemeleri ile kıyasla daha yüksektir. Aynı zamanda, ahşap doğa koşullarına diğer yapı malzemelerine oranla daha dayanıklıdır. Ahşap ısı geçirgenliği düşük olduğundan, değişik iklim koşullarında çok iyi ısı izolasyonu özelliğine sahiptir. Yangına karşı direnci yüksektir. Kolaylıkla yanmasına rağmen, yanan kısmında oluşan kömür tabakası ısıyı az naklettiğinden içeriye doğru yanma hızı azalır. Bu davranış tipi, genellikle büyük kesitli ahşap elemanlarda (kolon, kiriş) görülür. Yanısıra, ahşap organik bir malzeme olduğu için çeşitli bitkisel, mantar ve hayvansal (böcek, kurt) parazitlerden zarar görür. Bu durumu önlemek için ahşap elemanları rutubetten korumak ve etrafından hava geçecek şekilde tasarlamak lazımdır. Ayrıca bazı zehirli sıvılarla ahşabı emprenye etmek yoluyla da mantarların ve parazitlerin etkisi önlenebilir. Dış etkenlerden doğru bir şekilde korunan ahşap elemanların kullanım ömürleri oldukça uzun olmaktadır. Ahşabın diğer dezavantajı ndan biri rutubet alıp vererek çalışmasıdır. Çalışma şekil değiştirme ve hacim değişikliğine sebep olduğundan konstrüksiyon için olumsuz etki yapar. Saydamlık günümüz mimarisinde önemli rol oynamakta ve tasarımlara yön vermektedir. Bunun dışında, doğal güneş ışığının varlığı, binalarda yaşayan ya da çalışan kişilerin sağlığını olumlu etkilediği bilinmektedir ve bu nedenle binalarda cam yüzeyler artırılmaktadır. Bu gelişime paralel olarak, özellikle gelişen çevre bilinci ile ekolojik ve sürdürülebilir yapı teknolojileri, yapı sektöründe önem kazanmaktadır. Cam yapılarda ışık geçirme, ısı yalıtımı, görüntü gösterme, güvenlik sağlama, istenilen ışıkları geçirme ve benzeri daha birçok basit ve birden fazla işlevin aynı zamanda karşılanması gibi karmaşık işlevlerin çözülmesinde kullanılan nadir malzemelerden biridir. Cam, ahşap yapılarda cephe elemanı olarak sıkça kullanılmasına rağmen, cam ve ahşabın taşıyıcı kompozit sistem elemanı olarak yeralması geleneksel yapı yöntemleri arasında çok sık rastlanmamaktadır. Ahşap-cam kompozit taşıyıcı elemanlar olarak, doğal ve ekolojik bir malzeme olan ahşabı ve şeffaf bir malzeme olan camı bir arada kullanmak mümkündür. Ayrıca, tasarım ve yapıştırma bağlantılarının geliştirilmesi gerekmektedir. Bunun yanı sıra, ahşap ürünlerinin cam bileşenleri ile eşsiz kombinasyonu, arabirimleri ve uyumluluğu konusunda daha derin araştırmalara da ihtiyaç bulunmaktadır. Araştırmanın ana konusu, ahşap-cam kompozit yapı elemanının optimizasyonu ve geliştirilmesi amacıyla, her malzemenin en iyi özelliklerinin kullanılmasıdır. Yapıştırıcılarla yapıştırılan cam ve ahşap malzemenin ısı genleşme katsayılarının birbirine yakın olması birleşim kuvvetini arttırmakta, ömrünü uzatmakta ve malzemeler arasındaki yük aktarımını mümkün kılmaktadır. Ahşap ve cam kompozit elemanının üretimi için ağır sanayiye ihtiyaç olmaması da önemli bir özelliktir. Tam aksine bu kompozit elemanlar hızlı ve düşük enerji sarfiyatı teknikleri ile imal edilmektedirler. Kullanılan malzemelerin ekolojik yapı tarzına daha uygun olması ahşap-cam kompozit elemanların değerini daha da arttırmaktadır. Bu araştırma kapsamında, yenilenebilir kaynaklara dayalı, çevreye duyarlı taşıyıcı sistem modüllerinin yaratılması, düşük enerji ile üretilen malzemelerin kullanılması, geri dönüşümlü ve bina içerisinde değiştirilebilir yapı elemanlarının kullanımının geliştirilmesi hedeflenmiştir. Cam ve ahşap malzemenin kullanıldığı yapılarda, doğru tasarım iyi uygulama ile buluştuğunda dış enerji kaynaklarından bağımsız, kendi enerjisini üretebilen akıllı yapılar inşa edilebilmektedir. Ancak bu olumlu gelişmelerin tersine, malzemenin yanlış kullanılması durumunda, ortaya olumsuz sonuçların çıkması kaçınılmazdır. Sunulan bu tezde, uluslararası projenin kapsamında, ahşap-cam kompozit yapı malzemesinin özelliklerinin daha iyi kavrayabilmek ve davranışlarını özümseyebilmek amacı ile, öncelikle ahşap ve cam ayrı ayrı, sonrasında ise iki malzemenin beraber ve onları birarada tutan yapıştırıcı incelenmiştir. Ayrıca bu malzemelerin gerek tek tek, gerekse kompozit olarak uygulanmasının, Türkiyedeki kullanılma durumları araştırılmıştır. Bu araştırmada, küçük ölçekli ve orta ölçekli numunelerin üzerine yapılan deneysel çalışmalar dikkate alınarak, ahşap-cam taşıyıcı elemanların geliştirilmesi planlamaktadır. Küçük ölçekli ve orta ölçekli deneylerde huş ağacından üretilmiş kontrplak, soda-kireç malzeme temperli cam ve Otto-Chemie markalı Ottocoll S-660 ahşap-cam yapıştırıcısı kullanılmıştır. Sunulan tez, camın taşıyıcı bir eleman olarak kullanılma olasılığını belirtmektedir. Bina yapısının bir parçası olarak kullanılan bu malzemenin, farklı sıcaklıklarda, çevresel etkiler veya yük süresi gibi çeşitli koşullarda uzun vadeli davranışını bilmek önemlidir. Bu amaç orta ölçekli deneyler ile elde edilmektedir. Ayrıca, küçük ölçekli deneyler durabilite ve mekanik dayanım testlerini içermektedir. Durabilite testleri, hızlandırılmış yaşlanma etkisi altında, malzemenin davranışını araştırmak amacıyla yapılmıştır. Ahşap-cam kompozit numunelerin mekanik mukavemeti, çekme-yapışma ve kayma deneyleri ile ölçülmüştür. Ahşap-cam kompozit küçük ölçekli numuneler üzerinde yapılan eskitme deneyleri kapsamında, donma-çözülme, ıslanma-kuruma, yüksek sıcaklığa dayanım, asitlere ve UV ışınlarına dayanım bulunmaktadır. Ayrıca, eskitme deneylerinden çıkan numuneler üzerinde tekrar mekanik deneyler uygulanarak, çevresel koşulların eskitici etkisinin numunelerin mevcut dayanımı üzerindeki etkisi de incelenmiştir. Durabilite deneylerinin yapılmasının amacı çevresel koşulların ahşap-cam kompozitlerin mekanik özelliklerine ve hacim sabitliğine etkisinin incelenmesidir. Türkiye’nin sert iklim koşulları binaların performansını etkilemektedir. Özellikle çevresel koşullar ahşap yapıları daha fazla etkilemektedir. Ahşap-cam kompozitleri açık havada kullanımı sonucu, çevresel koşullar ahşap kısımlarda deformasyon ve çürümelere sebep olmaktadırlar. Bundan dolayı, durabilite deneyleri ile ahşap-cam kompozitlerin performansı ölçülmüştür. Küçük ölçekli deneylerde suyun özellikle ahşabın üst yüzeyinde kalarak iç kısımlarda şişme-büzülme ile hasar oluşturması fark edilmiştir. Orta ölçekli deneylerde, sekiz adet orta ölçekli numune, deney düzeneğine monte edilmiş dış ortamda uzun süreli yükleme deneylerine maruz kalmıştır. Numunelerin üzeri bir sundurma ile örtülerek dış etkilerden kısmen korunması sağlanmıştır. Numunenin L-kesit kontrplak elemanlar ile üretilmiştir. Kontrplak kesitler camların düşey doğrultuda iki yanına yapıştırıcı ile yapıştırılmıştır. Numunelerin uzun süreli yüklemeleri için ahşaptan kutu şeklinde deney düzenekleri hazırlanmıştır. Yükleme, düzeneğin içerisinde bulunan ahşap hazneye, hedeflenen yüklemeye uygun miktarda kum doldurularak yapılmıştır. Numunelere yükleme iki farklı yük seviyesiyle yapılmıştır. Buna göre, camın iki yanında bulunan yapıştırıcı şeritleri, iki farklı gerilmeye maruz kalmış şekilde yüklenmiştir. Deney süresinde, günde bir kere camın rölatif düşey hareketi okunup ve kaydedilmiştir. Bu ölçüm, numunenin üzerinde orta seviyeye yerleştirilmiş olan mekanik yerdeğiştirme ölçerler (komparametreler) ile yapılmıştır. Bunun yanısıra her gün, havanın bağıl nemi ve ısısı otomatik ölçüm aleti ile ölçülüp kaydedilmiştir. orta ölçekli deneylerin sonucunda camın rölatif düşey hareketinin değeri küçük cıkmıştır ve bu iyi bir sonuçtur. Ürünün çok yönlü özellikleri ve mükemmel uyumuna, deneyler sonrası olumlu sonuçlara rağmen ilk hemen piyasada kabul gören ve eline geçiren bir ürün olması beklemek iyimser bir yaklaşım olabilir. Ancak projenin ana hedeflerinden biri, Türkiye’de yavaşta olsa örnekleri görülen ekolojik az enerji tüketen yapılar için olumlu bir yapı sistemi olması beklenmektedir. Ekolojik yapıların vazgeçilmez malzemesi olan ahşabın kullanım alanlarının arttırılması ve cam kullanımının, beton ve çelik ile beraber kullanılmasının dışında özendirilmesi beklenen sonuçlardan biridir. Böylece, Türkiye’de çok tanınmayan ahşap ve cam kompozit taşıyıcı elemanların daha yaygın olarak ve güvenle kullanılabilmesi için deneysel ve teorik çalışmalar yaparak, gerek ahşap-cam üzerinde daha fazla veri elde edilebilir. Ayrıca, tez, tasarım kavramlarını ve genel performansı artırmak amacıyla yapılan bileşenlerin performans değerlendirmelerini içermektedir. Ahşap-cam kompozit perde elemanları kullanılarak pilot projeler tasarlanmıştır. Bu projeler; dinlenme alanı, kiosk, turist bilgilendirme ofisi ve gölgeliktir. Doğal bir malzeme olan ahşabın yapıya kattığı sıcaklık ile camın şeffaflığı bu pilot projelerde bütünlük sağlamıştır. Sürdürülebilir ve ekolojik bir malzeme olan ahşabın yapısal eleman olarak tek başına kullanılması halinde diğer yapı malzemeleri ile beraber de kullanılmaktadır. Ahşap, diğer yapı malzemesi olarak cam ile beraber kullanılabilmesi için ahşap-cam kompozit yapı elemanın piyasaya tanıtılması ve diğer yapı sistemleri arasında yer alması için ahşap ve cam endüstrisiyle birlikte çalışılması yapılmıştır. Bu amaca yardımcı olmak ve genel eğilimi belirlemek için ahşap ve cam endüstrileriyle anket yoluyla iletişime geçilmiştir. Bu anketler, grafiksel olarak sonuçlandırılmıştır. Ahşap ve cam endüstrileri büyük oranda ahşap-cam kompozit yapı elemanının taşıyıcı özelliğinin iyi olabileceğini düşünmüştür. Ahşabın çalışması kontrol altına alınıp, camın olumsuz yönleri önlenebilirse yüksek mukavemetli bir yapı elemanı olacağı düşünülmektedir. Bu çalışmanın amacı, sanayiye ahşap-cam parçaları üretmek için gerekli bilgi katkısı sağlanmasıdır. Çalışmaya, ahşap, cam malzemeleri ve ahşap-cam kompoziti oluşturmak için malzemeleri bir araya getiren yapıştırıcıların özellikleri üzerine yapılan araştırma ile başlanmıştır. Bu çalışmanın ardından, deneyler, pilot projeler ve anketler anlatılmıştır.

Building has a major and long-term impact on the cultural, social and economic aspects of our society, as well as the appearance of our urban and rural environments. But now besides the architecture, the building forms, the engineering criteria of materials and structures, building must also consider the ecological characteristics with a growing environmental awareness. In the light of this, building and the future role of timber in our buildings must be re-examined. On the other side, it is well known that the presence of natural sunlight improves the health of the persons living or working in buildings, why the possibility to increase the glass surface in buildings. By the use of load bearing timber-glass composite elements, it is possible to use timber as a natural, ecological material and glass as a transparent material together. Also, it is necessary to develop design and bonding joints. The unique combination of timber products with glass components will also request deeper investigations regarding the interfaces and the compatibility. The main issue is optimising a composite system by using the best characteristics of each material in order to develop and advance a high competitive composite building system. This research intends to develop the timber-glass load bearing elements, taking into consideration experimental studies on small-sized specimens and long term behavior of medium-sized specimens. Small-sized experiments include durability and mechanical strength tests. The aim of these tests is to investigate the behavior of adhesion and the properties of timber-structural silicone joints in order to understand the failure modes and strength of this bonding. For this purpose, adhesion and shear strength tests on the timber-glass small-sized specimens were carried out in order to investigate the adhesion strength. Durability tests that were done in order to investigate the behavior of the material under the effect of accelerated aging. The aim of these tests is to determine the effects of environmental conditions on the mechanical properties and volume stability of the timber-glass composites. Durability tests include: Wetting-drying, freezing-thawing, UV-light, resistance to high temperature, resistance to acids tests. Influence of the durability tests on strengths was measured afterwards. In most of these tests, it has been concluded that, water settles in the upper level of the timber, deforming the inner structure of it by swelling and shrinking. As is known, transparency is one of the significant features of modern architecture. This thesis specifies the possibility of employing glass as a load-bearing element. In order to be able to use this material as part of the building structure it is essential to know its long-term behaviour under various conditions like different temperatures, environmental impacts or the load duration. This purpose is achieved by the medium-sized experiment. With the purpose of evaluating the behavior of the bonding between timber and glass materials, this experimental test has been carried out at the campus of Istanbul Technical University, Faculty of Architecture. The aim of medium size test is to determine the creep behavior of timber-glass composite elements under long-term loading at outdoor conditions. For the specimens, birch plywood, tempered soda-lime glass and two-component silicone adhesive were used. L-sectioned timber elements were bonded to the both sides of the glass by silicone adhesive. Eight medium size specimens were exposed to long-term loading at exterior conditions. The experimental setup for long-term loading was prepared in the form of wooden boxes. Loading of the specimens were performed by filling the wooden container with sand. Timber-glass composite specimens were attached to the loading boxes. The specimens were loaded under two different long term load levels. During the test, vertical displacement of the glass was recorded once a day. The results show displacement of glass in the specimens with higher load is more than specimens with lower load. Also, the little displacements of the medium-size specimens, is an appropriate result for using the elements in the structures of buildings. Furthermore, possible architectural design applications of timber and glass as composite structural materials are provided in this thesis. The pilot projects which have been designed are kiosk, resting place, tourist information center and canopy. Initiation of pilot projects will provide the possibility to experience the practicality and applicability of developed composite systems, and create different design and application solutions. The research also includes the questionnaire method to explore Turkish market for this product. In order to the new product take a place between other structural systems timber and glass questionnaires were performed. The intention of this study is to contribute to the knowledge required for the industry to be willing to produce timber-glass components for the market. As a result, many timber and glass industries have stated that timber-glass composite structural elements can have high load-bearing capacity. Also, according to the timber companies reviews, if the operation of timber can be controlled and disadvantageous properties of glass can be prevented, timber-glass composite can be a structural element with high strength. The research of thesis is began with the study on the properties of timber, glass materials and the adhesives which hold materials together to form timber-glass composite elements. The experiments, pilot projects and questionnaires are explained afterwards.