Hibrit döşeme kirişleri: Tarihsel gelişim, tasarım örnekleri ve performans değerlendirmeleri
Hybrid floor beams: Historical development, design examples and performance evaluations
- Tez No: 909071
- Danışmanlar: PROF. DR. OĞUZ CEM ÇELİK
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Mimarlık, Architecture
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2024
- Dil: Türkçe
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Mimarlık Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Çevre Kontrolü ve Yapı Teknoloji Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 149
Özet
Çalışmaya ilgili projeksiyonlara göre 2050 yılına kadar talep artışı yaşayacağı kesin olan yapı sektörünün ihtiyaçlarına mümkün olduğunca efektif karşılık verebilecek şekilde yenilikçi, hafif ve sürdürülebilir döşeme sistemleri tasarlamak üzere başlanmıştır. Hafiflik ve sürdürülebilirlik birbiri ile ilgili kavramlar olmakla birlikte, mimarlığın ve mühendisliğin geleceğine dair yapılan tüm projeksiyonlarda en çok öne çıkan kavramlardandır. Üstelik bu kavramlar estetik ve ekonomik çözümler ile birlikte düşünüldüğünde mimari tasarım açısından da optimal sonuçlar verilmesine katkı sağlamaktadırlar. İyi düşünülmüş yenilikçi yaklaşımlar mimari tasarıma yeni görsel/ işlevsel girdiler sağlayacak, hafifliği sayesinde kolay ve hızlı inşa edilebilirken kullanıcı güvenliğine azami özeni verebilecek, sürdürülebilir olmaları ile de artan taleplere karşılık vermeye çalışan sektör üzerindeki kaynak ve işgücü baskısını hafifletebilecektir. Yenilikçi sistemlere katkı sağlayacak bir çalışma yapabilmek adına öncelikle mevcut taşıyıcı sistemler üzerine araştırmalar yapılmış, sürdürülebilir ve hafif sistemler söz konusu olduğunda çalışmaya her iki amaca da hizmet etme potansiyeli barındıran ahşap sistemler ile devam edilmesinin daha uygun olacağı düşünülmüştür. Devam eden çalışmalarda, modern sistemlerde ahşap malzemelerin çelik elemanlar ile sıklıkla birlikte kullanıldığı görülmüştür. Çeliğin belirlenen hedeflere ulaşmakta yardımcı olabileceği kanısına varılarak ahşap-çelik hibrit (karma) eleman ve sistem araştırmalarına yönelinmiştir. Tez çalışmasının süre ve kapsamı dikkate alındığında, bir hibrit kirişin tasarım, dayanım ve sürdürülebilirlik performanslarına odaklanmaya karar verilmiştir. Böylelikle çalışmanın yol gösterebilecek ve devamı getirilebilecek seviyede olması hedeflenmiştir. Çalışma alanı ve kapsamı kararlaştırıldıktan sonra ahşap malzemenin gelişim süreci, kendine has özellikleri ve bunlara bağlı davranışları ile kullanım alanları incelenmiş ve edinilen bilgilere göre malzeme, eleman ve sistem ölçeklerinde kuvvetli ve zayıf yönler belirlenmiştir. Ahşap, en başta belirtilen hafiflik ve sürdürülebilirlik hedefleri için uygun bir malzeme olarak kabul edilse de uygun tasarım yöntemleri kullanılmadığında işlev göremeyecek duruma gelebilecek kadar düzensizlikler barındıran bir malzemedir. Örneğin ahşabın üretildiği ağacın morfolojik özelliklerinin analizi yapı elemanlarının şekil ve boyutlarını büyük bir hassasiyetle etkileyebilecektir; olası yanlış analizler bazen gereğinden büyük kesitlere yol açarak sistemi hafiflik ve sürdürülebilirlik hedeflerinden uzaklaştıracak, bazen ise kullanıcı güvenliğini tehlikeye atacak boyutta tasarım hatalarına neden olabilecektir. Tüm bu bilgiler ile ahşap taşıyıcı sistemlerin kendine özgü zayıf yönlerinin şimdiye kadarki modern ahşap taşıyıcı sistem tasarımlarında nasıl yönetildiği incelenmiştir. Bu sayede iyi çözümler analiz edilmiş ve eksik kalan yönlerin nasıl tamamlanabileceği üzerine fikirler üretilmiştir. Tüm bu süregelen analiz-sentez sürecinden sonra ön tasarımlara başlanmıştır. Araştırma ve tasarım süreci içerisinde çevresel ekonomiye dair veri ve istatistikler, gelecek senaryoları, üretim ve pazarlama konuları da öngörü ölçeğinde çalışmaya dahil edilmiştir, bu kavramlar açısından somut sonuçların paylaşılması gerekli görülmüştür. Yapılan araştırmalar kiriş tasarımlarına ve sonuç değerlendirme yöntemlerine girdi sağlamıştır. Tüm bu çalışmalar ışığında gerçekleştirilen bir dizi ön tasarım arasından analiz edilecek kiriş tasarımı kesinleştirilmiştir. Kiriş, başlıklarda ahşabın eksenel/eğilme dayanımından yararlanırken gövdede çeliğin kayma dayanımından faydalanma fikrinden yola çıkılarak hibrit şekilde tasarlanmıştır. Bu kiriş“hibrit kiriş”olarak anılmıştır. Hibrit kirişin fonksiyon ve dayanım açısından farklı varyasyonları üretilmiş, güçlendirme ve döşeme ile birlikte kompozit davranış senaryoları düşünülmüş, bunlar tamamen ahşap kirişlerle karşılaştırılacak şekilde de alternatifleri belirlenmiştir. Tasarlanan hibrit kirişin sürdürülebilirlik ve dayanıklılık girdileri kısmen literatürden sağlanabilmişken, dayanımı ile ilgili spesifik bilgi edinmek daha önce bu şekilde bir tasarım yapılmadığı için mümkün olmamıştır. Literatür araştırmalarından benzer kirişlerin dayanım/ davranış bilgileri edinilmiştir. Ancak tasarlanan her kirişin öncelikle ileri düzeyde yapısal olarak modellenmesi ve dayanım deneylerinin yapılması gerektiği açıktır. Bu çalışma süre ve kapsam açısından hesaplama kısmına kadar devam ettirilmiş, ileriki çalışmalara kapsamlı bir altlık ve yol gösterici olmuştur. Hibrit kirişin dayanım hesapları öncesi boyutlandırılabilmesi için literatürde kullanılmış yaygın boyutlardan yola çıkılmıştır. Bu yaygın boyutların Eurocode 3 ve Eurocode 5 standartlarında verilen ilgili bağıntılar ile değerlendirilebilmesi için Microsoft Excel programında interaktif bir hesap-tasarım kılavuzu oluşturulmuştur. Bu kılavuz, kirişin boyutları ve yükleme koşulları girdileri kullanılarak kirişin o koşullar altında taşıyabileceği yükü vermek amacıyla kullanılabilecek bir kiriş üreticisi olacaktır. Kirişin taşıyabileceği yük, mevcut laboratuvar çerçevelerinin ortalama maksimum yükü ve boyutları ile karşılaştırılmış ve ileriki deneylerde kullanılmak üzere elastik ve plastik evreler ile tam göçme gözlenebilecek şekilde son boyutlandırmalar yapılmıştır. Dayanım hesaplamaları öncelikle üç kirişin boyutlandırılması ile gerçekleştirilmiştir: - Birinci kiriş: Mekanik birleşimli ahşap kiriş - İkinci kiriş: Kaynaklı birleşimli trapezoidal çelik levha gövdeli kiriş - Üçüncü kiriş: Yapıştırıcı birleşimli ahşap başlıklı OSB gövdeli kiriş. Başta tasarlanan hibrit kirişin dayanım değerleri ilk iki kiriş üzerinden belirlenmiş ve uygulamada kullanılmakta olan benzer boyutlu üçüncü kiriş ile karşılaştırılmıştır. Sürdürülebilirlik çalışmalarının somut bir sonucu olarak ise kiriş başına gömülü karbon hesaplamaları yapılmıştır. Bu sonuçlar kiriş kütleleri üzerinden normalize edilerek daha uygun bir karşılaştırma zemini sağlanmış ve yine hibrit kiriş-üçüncü kiriş arasında gömülü karbon/dayanım/rijitlik üzerinden oluşabilecek anlamlı bağlantılar araştırılmıştır. Bir sektöre“yenilikçi sistemler”gibi görece büyük ölçekli bir girdi yaparken o sistemi yaygınlaştırmak adına tutarlı hedefler ve sonuçlar sunmanın önemli olduğu açıktır. Bu sorumlulukla yapılan girdinin olası dayanım, sürdürülebilirlik ve zamana bağlı dayanıklılık analizlerinin sonuçları önce olduğu şekliyle sunulmuş, sonrasında sektörün mevcut çözümleri ile belirtilen kavramlar üzerinden normalize edilerek karşılaştırılmış, diğer taraftan geliştirilmesi olası yönler de belirtilerek sürecin devamının optimize edilmesi hedeflenmiştir. Çalışmanın sonucunda ahşap ve çelik malzemelerin ortak kullanımıyla ortaya çıkan hibrit kirişlerin, malzemelerin benzer dayanım/ağırlık oranları ve kolay işlenebilirliği sayesinde iyi bir seçenek olabileceği görülmüştür. Bu sistemler hızlı ve hatasız üretilebilir, uzun ömürlü olabilir, mevcut elemanlara dikkate değer alternatifler olabilir ve günümüz yapı sektörünün döngüsel ekonomi vizyonuna katkı sağlayabilirler.
Özet (Çeviri)
This work was initiated with the aim of designing innovative, lightweight, and sustainable building floor to effectively meet the demands of construction sector, which is projected to experience an increase in demand by 2050 according to relevant projections. Although lightweight construction and sustainability are sort of interconnected concepts, they are among the most prominent themes in all projections regarding the future of architecture and engineering. Furthermore, when these concepts are considered alongside aesthetic and economic solutions, they contribute to achieving optimal outcomes in architectural design. As commonly agreed, well-conceived innovative approaches can provide new visual and functional inputs for architectural design. They facilitate easy and rapid construction due to their lightness, ensure maximum attention to user safety, and, through their sustainability, help reduce the resource and labor pressure on an industry striving to meet increasing demands. To contribute to innovative systems, research was initially conducted on existing structural systems. When sustainable and lightweight systems were considered, it was deemed appropriate to proceed with timber flooring systems, which have the potential to serve both purposes. Further studies revealed that timber materials are frequently used with steel elements in modern systems, leading to the idea that steel could aid in achieving the set goals, thus directing the research towards timber-steel hybrid elements and systems. Considering the scope and timeline of the thesis work, the focus was placed on the design, strength, and sustainability performance of a hybrid beam, aiming to establish a foundation that could guide future research. After defining the study area and scope, the development process of timber, its unique properties, and associated behaviors, as well as its applications, have been examined. Based on the gathered information, the strengths and weaknesses at the material, element, and system scales have been identified. Although timber is considered suitable for achieving the initial goals of lightweight and sustainable structures, it is a material with certain irregularities that could hinder functionality if not properly designed. For example, morphological characteristics of the tree from which timber is derived can significantly influence the shape and dimensions of structural elements; inaccurate analyses may sometimes result in oversized sections that stray from the goals of lightness and sustainability or, conversely, lead to design errors that would jeopardize user safety. Based on this information, how the unique weaknesses of timber structural systems have been managed in previous modern timber structural designs is examined. Effective solutions are analyzed, and ideas are generated for addressing remaining deficiencies. After this iterative process of analysis and synthesis, preliminary designs are initiated. During the research and design process, data and statistics related to environmental economics, future scenarios, production, and marketing are also incorporated into the study on a foresight scale, and sharing concrete results regarding these concepts are deemed necessary. The research provided inputs for beam designs and evaluation methods. Among a series of preliminary designs developed in light of these studies, the beam design to be analyzed is finalized. The beam is designed as a hybrid by utilizing the bending strength of timber in the flanges and the shear strength of steel in the web. This beam is referred to as the“hybrid beam.”Various versions of the hybrid beam are created to address functionality and strength, considering composite behavior scenarios with reinforcement and decking. Alternatives are established to enable comparison with fully timber beams. While sustainability and durability inputs for the designed hybrid beam could be partially sourced from the literature, specific information regarding its strength was unavailable, as no previous designs of this kind existed. Similar beams' strength and behavior data were obtained from the literature, but it was clear that each designed beam needed to be calculated first, then subjected to simulations and testing. This study proceeded to the calculation stage, serving as a comprehensive foundation and guide for future studies. For the strength calculations, common dimensions used in the literature are initially considered for the beam's dimensions. An interactive calculation-design guide is created in Microsoft Excel to evaluate these dimensions using relevant equations from Eurocodes 3 and 5. This guide serves as a beam generator, providing the load capacity of the beam based on the input dimensions of the beam and loading conditions. Load-bearing capacity of the beam is compared to the average maximum loads and dimensions of existing laboratory frameworks, and final dimensions are established to allow for the observation of elastic and plastic phases and complete failure during future tests. Strength calculations were initially performed for three beams: - Timber beam with mechanical joints, - Steel beam with a welded trapezoidal steel plate web, - Timber beam with glued OSB web. Strength values of the initially designed hybrid beam are determined based on the first two beams and compared with the third beam, which is similar in size and commonly used in the market. As a concrete outcome of the sustainability studies, embedded carbon calculations were performed per beam. These results were normalized based on the beam masses to provide a comparable basis, and meaningful correlations between embedded carbon, strength, and stiffness were explored between the hybrid beam and the third beam. It is clear that when introducing relatively large-scale inputs like innovative systems to industry, presenting consistent goals and results to encourage widespread adoption is essential. With this responsibility, the potential outcomes of strength, sustainability, and durability analyses are initially presented in their original form, normalized to facilitate comparisons with existing market solutions, and suggestions for possible improvements are made by the concept developer to optimize the continuation of the process. In conclusion, it is understood that the strength-to-weight ratio and ease of workability of timber-steel hybrids could make these materials suitable partners. These systems can be produced quickly and accurately, can have a long lifespan, can offer significant alternatives to existing components, and can contribute to the circular economy vision of today's construction sector.
Benzer Tezler
- Betonarme taşıyıcı sistemlerin tasarımında maliyet optimizasyonu için çelik sistemlerin kullanılması
The usage of steel structural systems to optimize the total cost of reinforced concrete structural systems
VEYSEL KONUK
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. FETHİ KADIOĞLU
- 19. yy son çeyreğinde yeni malzeme ve yapım tekniği kullanımının istanbul'da inşa edilen üç dini yapı üzerinden çözümlenmesi
An analysis of the use of new materials and construction techniques in the last quarter of the 19th century on three religious buildings in istanbul
DENİZ SENA YALÇIN
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
Mimarlıkİstanbul Teknik ÜniversitesiMimarlık Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ GÜLSÜM TANYELİ
- Kendiliğinden yerleşen hibrit (karma) lif takviyeli betondan üretilen döşeme-kolon birleşim elemanlarında zımbalama performansının deneysel ve istatistiksel olarak incelenmesi
Investigation of punching performance in slab-column connection elements produced from self-compacting hybrid fiber reinforced concrete as experimental and statistical
MAHMUT BAŞSÜRÜCÜ
Doktora
Türkçe
2022
İnşaat Mühendisliğiİnönü Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. KAZIM TÜRK
- Modern ahşap hibrit yapı teknolojisi ve uygulama örnekleri
Contemporary wood-based hybrid construction technology and application examples
RÜVEYDA BARIŞ
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
MimarlıkMimar Sinan Güzel Sanatlar ÜniversitesiMimarlık Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ NABİ VOLKAN GÜR
- Parametric study of nonlinear finite element punching behavior of fiber-reinforced concrete slab
Elyaf takviyeli beton levhaların doğrusal olmayan sonlu elemanlar delme davranışlarının parametrik çalışması
RAYAN FAIZ HADI BOTO
Yüksek Lisans
İngilizce
2021
İnşaat MühendisliğiGaziantep Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MEHMET TOLGA GÖĞÜŞ
DR. MOHAMMED S. AL JAWAHERY