Ses yalıtım ve maliyet performansına bağlı duvar tipi seçimi için bir yaklaşım

Abstract

Türkiye'de inşaat sektörü ülkenin en önemli ekonomik sektörlerinden biridir. İnşaat sürecinde kaynak tüketiminin en aza indirilebilmesi için sürdürülebilir tasarım konusu son yıllarda daha çok önem kazanmaktadır. Sürdürülebilir bina tasarımlarında enerjinin korunması, yapının gelecekteki ihtiyaçlara uyum sağlaması ve çevreye duyarlı yapı malzemesi kullanımı ile birlikte kullanıcıların her türlü konfor şartlarının sağlanması zorunludur. Konforun sağlanması ısı, ışık, ses, su, yangın gibi faktörlerin kontrol altına alınması ile gerçekleşir. Bu parametrelerin sağlanmasında yapı malzemelerinin seçiminde doğru karar verilmesi önemlidir. İşitsel konforun ses yalıtımı ile sağlanması konusunda Türkiye'de, Çevre ve Şehircilik Bakanlığı tarafından 31 Mayıs 2017 tarihinde "Binaların Gürültüye Karşı Korunması Hakkında Yönetmelik" yayınlanmıştır. Yönetmelik, binaların akustik performansını sınıflandırmaktadır ve yeni yapılan binalar için, en az C performans sınıfı sağlanmalıdır. A veya B akustik performans sınıfını hedefleyen binalar için, "Akustik Performans Belgesi", binanın akustik koşullarını değerlendirmek ve belgelendirmek için hazırlanmaktadır. Hava doğuşlu ses yalıtım performansında C akustik performans sınıfı değerlerini sağlamak, B veya A sınıflarına yükseltmek ve sözkonusu performans belgesini alabilmek için, sınıflar arası kriterlerin de birbirine yakın olması nedeniyle yapı elemanlarının ses yalıtım performansı tasarım aşamasında mutlaka hesaplanmış olmalıdır. Türkiye'de tasarımcıların yararlanabileceği duvarların hava doğuşlu ses yalıtım performansını gösteren hazır bir el kitabı bulunmamakta; malzeme olarak ele alındığında Türkiye'de üretilen tek gövdeli yapı malzemeleri ise tek başına çoğunlukla istenilen değerleri sağlamakta yetersiz kalmaktadır. Bu nedenle tasarım aşamasında hesaplama yapılırken genellikle tek gövdeli yapı elemanının performansı belirlenmekte ve elemanın tasarımında iyileştirmeler yaparak en uygun duvar tipi elde edebilmektedir. Ses yalıtım performansını iyileştirmek için genel prensiplerden 1- kalınlık artışı ile kütle ve yoğunluğu arttırmak 2- çift gövdeli tasarım 3-esnek bağlantı oluşturmak 4- katmanlar arasına hava boşluğu uygulamak 5- hava boşluğu kalınlığını arttırmak 6- boşluktaki gözenekli malzeme kullanmak 7- duvarlar arasında ses köprüsü oluşturacak faktörlerden kaçınılması (Servis boruları bağlantı noktalarında, duvarlardan geçen kanallarda yalıtım vb.) uygulamaları gerekli olmaktadır. Ancak, karar aşamasında, bu uygulamaların diğer tasarım parametreleri üzerindeki etkisi de dikkate alınmalıdır. İlk olarak, bu uygulamalar bir binanın işlevini değerlendirmede önemli bir kriter olan "maliyeti" etkilemektedir. Dünyada kaynakların sınırlı olduğu göz önüne alındığında, maliyeti en aza indirmek her zaman projeler için temel amaç olmalıdır. İkincisi, yapı elemanlarına ilave katmanlar ağırlığı arttırmaktadır. Ancak, ülkemiz deprem kuşağında olduğu için hafif binalar tasarlamak önem taşımaktadır. Hafif duvar malzemeleri taşıyıcı sistem üzerindeki baskıyı azaltır ve depreme karşı direnci arttırır. Üçüncüsü, ses yalıtım performansını artırmak için daha kalın duvarlar tasarlamak hem birim maliyetini hem de ağırlıkları arttırmaktadır. Binalardaki ısı kazancını ve kayıplarını değiştirir, enerji tüketimini de etkiler. Bu nedenle, tasarımda optimum kalınlığın belirlenmesi önemlidir. Binaların Gürültüye Karşı Korunması Hakkında Yönetmelik'e uygun olup hava doğuşlu ses yalıtım performansının en üst düzeyde; maliyet, ağırlık, kalınlık ve ısı yalıtımında u değeri parametre değerlerinin ise minimum olduğu optimum iç ve dış duvarları bulmak çok sayıda alternatif söz konusu olduğunda mimarlar ve mühendisler için yapı elemanlarının tasarımında karar verme problemini ortaya koymaktadır. Bu nedenle çalışmada, karar verme durumlarında alternatifler arasında en iyi seçimin bulunmasına imkân veren Çok Kriterli Karar Verme (ÇKKY) yöntemleri ele alınmıştır. ÇKKY yöntemleri içerisinden TOPSIS (Technique for Order Preference by Similarity to Ideal Solution- İdeal Çözüme Benzerlik Yoluyla Sıralama Tercihi Tekniği) yöntemi, büyük ölçekli verilere uygun olması ve en iyi alternatifi hızlı bir şekilde belirlemesi nedeniyle tercih edilmiştir. Ancak parametreler arasında öncelik sırası bulunduğunda hangi parametreye ne kadar ağırlık (önem)katsayısı verileceği tasarımcı için sorun teşkil edebilmektedir. Bu nedenle aynı öncelik sırasını sağlayan farklı katsayılarla elde edilen TOPSIS sonuçlarını birlikte değerlendirerek tek bir sıralama elde etmek için Copeland yöntemi uygulanmıştır. TOPSIS ve Copeland yöntemlerinin birarada ele alındığı bütünleşik yaklaşım mimari alanda daha önce uygulanmamış olup bu tez çalışmasında önerilen yöntemdir. Çalışma kapsamında öncelikle ülkemiz inşaat sektörünün durumu incelenmiş, ulusal envanterler araştırılmıştır. Buna göre binalar çoğunlukla konut olarak ve taşıyıcı sistem tiplerine göre örme sistemle oluşturulmaktadır. Bu nedenle tez çalışmasında konutlarda iki bağımsız birim arasındaki yalnızca örme kagir iç (bölme) ve dış duvarlar (cephe) ele alınmıştır. Kagir duvarlar için yapı malzemesi olarak tuğla ve gazbeton bloklar tercih edilmiştir. Bunun nedeni Türkiye'de, TÜİK Bina Sayımına göre, tuğlanın en yaygın kullanılan malzeme olarak belirtilmesi ve Türkiye'nin Avrupa'nın en büyük küresel gazbeton üreticilerinden biri olmasıdır. Çalışmada yalnızca Türkiye'de üretilen ve standartlarda belirtilen kalınlık ve boyutlara göre duvar sistemleri tasarlanmıştır. Yapı elemanları ise öncelikle gövde özelliklerine, daha sonra kaplama ve kaplamanın tespitine göre, yalıtım malzemesi içerip içermeyişlerine ve toplam sistemin simetrik olup olmamasına göre çeşitlenmektedir. Duvar alternatiflerinin oluşturulmasına bu nedenle tek tabakalı duvarların tasarlanması ile başlanmıştır. Daha sonra alternatifler ses yalıtımını iyileştirmek için genel prensipler göz önünde tutularak çoğaltılmıştır. Oluşturulan duvar alternatifleri, iç duvarlarda iki oda arasında (kaynak ve alıcı oda) tek gövdeli, çift gövdeli ve alçı levha giydirme yapılan tek ve çift gövdeli duvar şeklinde olup dış duvarlarda benzer şekilde tek gövdeli, çift gövdeli ve içeriden ve dışarıdan ısı yalıtımı uygulaması yapılan tek ve çift gövdeli duvar şeklindedir. Uygulama ve malzeme kombinasyonlarına göre iç duvarlarda 490 adet, dış duvarlarda 574 adet duvar elde edilmiştir. Alternatiflerin iç duvarlarda ses yalıtım, maliyet, ağırlık, kalınlık parametreleri, dış duvarlarda ses yalıtım, maliyet, ağırlık, kalınlık ve ısı yalıtım parametrelerinin değerleri hesaplanmıştır. İç duvarlar için ses yalıtım limitleri, kaynak odasının gürültüye karşı hassas (derece I) ve alıcının odasının orta gürültülülük düzeyinde (OG) olması durumu göz önüne alınarak belirlenmiştir. Dış duvarlarda ise TS 825'e göre 2. bölgede yer alan İstanbul ili için U değeri limiti belirlenmiştir. Maliyet, ağırlık ve kalınlık parametreleri için hedeflenen durum değerlerin minimum olmasıdır. Hesaplama sonuçlarına göre istenilen hava doğuşlu ses yalıtımı veya U değeri sınır değerini sağlamayan alternatifler değerlendirmeden çıkarılmıştır. Son durumda iç duvarların 436 tanesi, dış duvarların ise 509 tanesi değerlendirmeye alınmıştır. Değerlendirilen duvar tiplerinin parametre değerleri hesaplanırken ses yalıtım değerlerinin hesaplanabilmesi için yapılan literatür araştırması ve kullanılan simülasyon programına girdi olarak kabul edilebilecek yapı malzemelerinin fiziksel özelliklerine ilişkin araştırmalar da bu çalışmada yer almaktadır. Yaklaşık yapım maliyeti tahmininde T.C. Çevre ve Şehircilik Bakanlığı'na ait İnşaat Birim Fiyat Yöntemi (BFY) kullanılmış olup Çalışmada 4734 Sayılı Kamu İhale Kanununa uygun Hakediş, Yaklaşık Maliyet, Teklif ve Kesin Hesap Programı olarak kullanılan "AMP- Hakediş ve Yaklaşık Maliyet Modülü" ile hesap yapılmıştır. Isı yalıtımı hesapları ve iç yüzeyden ısı yalıtımı yapılan duvarlar için yoğuşma kontrolü TS 825'e uygun olarak İZODER tarafından hazırlanan Hesap Programında yapılmıştır. Yangın kontrolü için A sınıfı hiç yanmaz malzemeler seçilmiştir. Optimum duvar alternatifinin belirlenebilmesi için Çok Kriterli Karar Verme (ÇKKY) Yöntemlerinden TOPSIS yöntemi ile yapılan hesaplamalarda, karar verilme aşamasında paramatreler için iç duvarlarda öncelik sırası 1. Ses Yalıtım, 2. Maliyet 3. Ağırlık = Kalınlık, dış duvarlarda ise 1. Ses Yalıtım, 2. Maliyet 3. Ağırlık = Kalınlık = U değeri durumunu sağlayacak şekilde belirlenmiştir. Yönetmelikte sınıflandırma olması ve kriterlerin sağlanması gerekliliği birinci önemde olmasının nedenidir. Maliyet konusu inşaat sektöründe sınırlı kaynakları en etkin şekilde kullanmak için ele alınmaktadır. Diğer parametreler de birbirleriyle eşit önemde kabul edilmiştir. Optimum duvarın belirlenmesinde verilen ağırlık katsayıları en önemli rolü oynamaktadır. Çalışmada öncelik koşullarını sağlayan eşit değerlere yakın 3 farklı ağırlık katsayısı verilmiş ve seçim yöntemleri içerisinden Copeland yöntemi ile tek bir sıralama elde edilmesi sağlanmıştır. Çalışmanın sonucu olarak TOPSIS ve Copeland birleşik yöntemlerinin uygulanmasının tasarım aşamasında optimum değerlerin elde edilmesi için kullanılabilir bir yaklaşım olduğu ortaya konulmaktadır. Bu yaklaşımın uygulanması, inşaat sektöründe alınacak yapısal kararlarda, farklı parametrelerin birarada etkilediği alternatifler arasından seçim yapılması gerekli durumlarda, parametrelerin öncelik sırası bilindiğinde ancak önem katsayısı verme konusunda kararsız kalındığında daha güvenilir sonuçların elde edilmesini sağlayarak mimar ve mühendislere yol gösterici olacaktır.

Construction sector is one of the most important economic sectors in Turkey. In construction process, in order to minimize resource consumption sustainable design has gained more importance in recent years. In sustainable building design, it is required to provide all kinds of comfort conditions for users, together with the conservation of energy, the adaptation of the building to future needs and use of environmentally friendly building materials. Comfort is achieved by controlling factors such as heat, light, sound, water and fire. It is important to make the correct decision in selection of building materials to provide these parameters. In Turkey, to provide acoustic comfort with sound insulation "Regulation on the Protection of Buildings Against Noise" was published by Ministry of Environment and Urbanization on May 31, 2017. The regulation classifies acoustic performance of buildings and for newly constructed buildings, at least C performance class must be achieved. For buildings targeting A or B acoustic performance class, "Acoustic Performance Certificate" is prepared to evaluate and certify the acoustic conditions of the building. In order to achieve C acoustic performance class values in airborne sound insulation performance, or to upgrade it to B or A classes and obtain the mentioned performance certificate and because the criteria between classes are also close to each other, sound insulation performance of the building elements must be calculated at the design stage. In Turkey, there is no any handbook available to designers showing the airborne sound insulation performance of walls. Considering the materials, single wall structures alone produced in Turkey are generally inadequate in providing the desired values. For this reason, when calculating at the design stage, generally performance of the single wall building element is determined and the most suitable wall type is obtained by making improvements in the design of the element. To improve the sound insulation performance, one of the applications from the general principles that are 1- increasing mass and density with increasing thickness 2- designing double wall 3- creating flexible connection 4- applying air gap between the layers 5- increasing the air gap thickness 6- using porous material in the cavity 7- avoiding the factors that will create sound bridges between walls (service pipes at connection points, insulation in channels passing through walls, etc.) are required. However, impact of these applications on other design parameters should also be considered at the decision stage. First, these practices affect "cost", an important criterion for evaluating the function of a building. Given the fact that the sources are limited in the world, minimizing cost should always be the main goal for projects. Second, additional layers to structural elements increase weights (loads). But, it is important to design lightweight buildings as our country is in an earthquake zone. Light wall materials reduce the pressure on load-bearing system and increase resistance to earthquake. Third, designing thicker walls to increase sound insulation performance increases both unit cost and weight. It changes the heat gains and losses in buildings and affects energy consumption as well. Therefore, it is important to determine the optimum thickness in design. Finding optimum internal and external walls which complies with the Regulation on the Protection of Buildings Against Noise and has the highest level of airborne sound insulation performance; with minimum values in cost, weight, thickness and thermal insulation u-values reveals the problem of decision making for architects and engineers in the design of building elements when there are many alternatives. Hence, Multi Criteria Decision Making (MCDM) methods that allow finding the best choice among the alternatives in decision-making situations are considered in this study. Among the MCDM methods, TOPSIS (Technique for Order Preference by Similarity to Ideal Solution) method was preferred because it is suitable for large-scale data and quickly determines the best alternative. However, when there is a priority order among the parameters, how much weight (importance) coefficient will be given to which parameter may pose a problem for the designer. For this reason, Copeland method was applied to obtain a single ranking by evaluating TOPSIS results with different coefficients meeting the same order. The integrated approach, in which TOPSIS and Copeland methods are handled together, is the approach suggested in this thesis and it has not been applied before in the architectural field. Within the scope of the study, first of all, situation of the construction industry in our country was examined and national inventories were researched. Accordingly, buildings are mostly built as residences and with masonry system according to the load-bearing system types. For this reason, only masonry internal (partition) and external walls (facade) were discussed in the thesis. Brick and autoclave aerated concrete blocks were preferred as building materials for masonry walls. The reason is that in Turkey, according to Turkey Statistical Institute Building Census, most widely used material referred to as brick and Turkey is one of Europe's largest global manufacturer of aerated concrete. In this study wall systems are designed according to the thicknesses and sizes specified in the standards and produced only in Turkey. Structural elements, on the other hand, vary according to the characteristics of the structure first, then coating, fixing of the coating, whether it contains insulation material and whether the total system is symmetrical. For this reason, the creation of wall alternatives started with the design of single walls. Later, alternatives were reproduced in consideration of general principles to improve sound insulation. Wall alternatives designed are in the form of a single-wall, double-wall and plasterboard wall lining between the two chambers (source and receiving room) for the internal walls, and similarly single-wall, double-wall and single-wall, double-wall with internal and external thermal insulation for the exterior walls. Examining the application and material combinations, 490 internal walls and 574 external walls were obtained. Sound insulation, cost, weight, thickness parameters for internal walls and sound insulation cost, weight, thickness and thermal insulation parameters for external walls of the alternatives were calculated. Sound insulation limits for internal walls were determined considering the source room is sensitive to noise (grade I) and the receiver's room is moderately noisy (MN). For external walls, U-value limit was determined for Istanbul city located in the 2nd zone according to TS 825. The target for cost, weight and thickness parameters is to obtain minimum values. According to the calculation results, alternatives that do not meet the desired airborne sound insulation or the U-value limit were excluded from the evaluation. In the last case, 436 internal walls and 509 external walls were evaluated. While calculating the parameter values, to calculate sound insulation values of the evaluated wall types, literature research conducted and researches on the physical properties of the building materials that can be considered as input to the simulation program used are also included in this study. In the approximate construction cost estimate, Construction Unit Price Method of the Ministry of Environment and Urbanization was used and calculations were made with the "AMP- Progress Payment and Approximate Cost Module", which is used as the Progress Payment, Approximate Cost, Bidding and Final Account Program in accordance with the Public Procurement Law No. 4734. Thermal insulation calculations and condensation control for internally insulated walls were made in the calculation program prepared by İZODER in accordance with TS 825. Class A non-combustible materials have been selected for fire control. To determine optimum wall alternative in the decision-making process, in the calculations made with TOPSIS method, priority order for the parameters in the decision process is 1st Sound Insulation, 2nd Cost, 3rd Weight = Thickness for internal walls and 1st Sound Insulation, 2nd Cost, 3rd Weight = Thickness= U value for external walls. The fact that there is a classification in the regulation and the requirement to meet the criteria is the reason why it is of first importance. Cost issue is addressed in the construction sector to use limited resources in the most efficient way. Other parameters are considered equally important to each other. In determining the optimum wall, weight coefficients given play the most important role. In the study, 3 different weight coefficients close to equal values that satisfy the priority conditions were given and a single ranking was obtained with the Copeland method among the selection methods. According to the priority order, given weight coefficients and Copeland calculation results, optimum interior (partition) wall was found to be as following: the wall number 99, code: TG- YD-10-P5-2A having section single wall construction made of 10 cm and 600 kg/m3 dry density horizontally perforated brick, 2 cm 2000 kg/ m3 cement plaster on one side, wall cladding on the other side consisting of double layer gypsum board 5 cm rockwool inside 5 cm airgap constructed with DU50 and DC50 metal cladding profiles. On the exterior walls (façade) optimum wall with the highest Copeland score was found as following: Number 98 and TG-G2-15-t5 (D) layer code single-wall, 15 cm thickness 400 kg/m3 dry density G2 class autoclaved aerated concrete body, 5 cm rockwool sheating is applied on one side and on the other side 2 cm 700 kg/ m3 interior plaster (expanded perlite aggregate) is applied. As a result of the study, it is revealed that the application of TOPSIS and Copeland combined methods is a applicable approach to obtain optimum values in the design phase. The implementation of this approach will guide architects and engineers by providing more reliable results in structural decisions to be taken in the construction sector, in cases where it is necessary to choose among the alternatives affected by different parameters, and when priority order of the parameters is known, but when there is indecision about giving importance coefficient. The implementation of the optimum walls will not only provide acoustic comfort in buildings but reduce construction costs and contribute to the national economy as well. In this study, interior and exterior walls were studied but in future studies this methodology can be used in the construction industry for other selection problems such as choosing exterior walls, glass types, floors, finishing materials etc. among the alternatives. In addition, by changing the criteria weights or by selecting more or different parameters, researchers will be able to obtain different information and results. Especially giving the cost parameter higher weight will prevent large losses in construction budgets.