Türkiye'deki ahşap dış duvar sistemlerinin ısıl ve nemsel performansının test kabininde uzun dönem sürekli ölçme ve benzetim yöntemleriyle değerlendirilmesi
Evaluation of the hygrothermal performance of timber exterior wall systems in Turkey using long-term in-situ measurements and simulation methods
- Tez No: 944384
- Danışmanlar: PROF. DR. HÜLYA KUŞ
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Mimarlık, Architecture
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: Türkçe
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Mimarlık Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Yapı Bilimleri Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 283
Özet
Enerji tüketimindeki artış ve iklim değişikliği çevresel sorunları derinleştirirken; az atık üreten, uzun ömürlü ve enerji etkin bina uygulamalarına duyulan gereksinim her zamankinden daha belirgin hale gelmiştir. Bu durum, yapı sektöründe yerel, doğal, dayanıklı, düşük gömülü karbon değerlerine sahip, yeniden kullanılabilir ve geri dönüştürülebilir malzemelerin, özellikle ahşabın kullanımına yönelik küresel bir eğilimi beraberinde getirmiştir. Ahşap, esnekliği ve kuvvetleri dağıtabilme yeteneği sayesinde Türkiye gibi deprem riski yüksek ülkelerde güvenli bir yapı malzemesi olarak öne çıkmaktadır. Ayrıca ahşap, yüksek ısı yalıtım performansı ve higroskopik özellikleri ile iç mekanlarda sıcaklık ve bağıl nemi dengeleyerek konfor koşullarını sağlamak için gereken enerji miktarını azaltarak bina uygulamalarının enerji etkinliğini artırabilmektedir. Türkiye'deki geleneksel ahşap binalar, mimari mirasın önemli bir parçası olup restorasyon bekleyen çok sayıda tarihi ahşap bina bulunmaktadır. Ayrıca, modern ahşap bina örnekleri sınırlı sayıdadır ve artırılması gerekli görülmektedir. Geleneksel ahşap binaların doğru restorasyon ve iyileştirme yöntemleriyle korunması, yeni ahşap binaların ise enerji etkin tasarım ve inşası mimari mirasın sürdürülebilirliğinde önemli bir rol oynar. Mevcut uygulamalarda, genellikle ısıl performansa odaklanılarak çağın gereksinimlerini karşılamak hedeflenirken, nemin enerji verimliliği üzerindeki, özellikle uzun vadeli etkileri sıklıkla göz ardı edilmektedir. Nem kontrolü ile ısı yalıtımını bir arada ele alan bütünleşik bir yaklaşım, ahşap binaların ısıl ve nemsel (higrotermal) performansını geliştirerek enerji verimliliğini sağlar ve bu binaların ömrünü uzatır. Ahşap duvar sistemlerinin higrotermal performansına odaklanan bu tez çalışmasının amacı, Türkiye'nin Marmara Bölgesi'ndeki ılıman-nemli iklim koşullarının ve iklim değişikliği sonucunda artış gösteren aşırı hava olaylarının ahşap dış duvarların uzun dönem performansı üzerindeki etkilerini kullanım sırasında gerçek koşullar altında incelemek ve bu duvarların enerji verimliliğini ve uzun dönem kalıcılığını (dürabilitesini) artırmaya yönelik öneriler geliştirmektir. Çalışmada iki temel yöntem kullanılmıştır. Ölçme yönteminde, farklı katmanlaşmalara sahip ahşap dikmeli ve CLT panel duvarlardan oluşan bir test kabini tasarlanmış ve Sakarya Üniversitesi Kampüsü'nde inşa edilmiştir. Bu test kabinindeki duvarlarda üç yıl boyunca, gerçek çevresel koşullar altında, sürekli olarak sıcaklık ve bağıl nem ölçmeleri gerçekleştirilmiştir. Benzetim yönteminde, ölçümlerle doğrulanan tek boyutlu dinamik bir yazılıma alanda kaydedilen iklim verileri girilerek duvarlarda bağıl nem ve sıcaklık hesaplamaları yapılmıştır. Bu yöntem, ölçümlerin değerlendirilmesine katkı sağlamış ve ölçüm yapılmayan farklı durumların hesaplanmasıyla çalışmanın kapsamını genişletmiştir. Test kabinindeki duvarların katmanlaşmaları, Türkiye'deki geleneksel ahşap dikmeli binaların restorasyon uygulamalarından ve modern ahşap bina tasarımlarından yola çıkılarak belirlenmiştir. Duvarlar, ısı yalıtımı ve hava kesici örtü varlığına göre çeşitlendirilmiş ve hava olaylarından en fazla etkilenebilecek şekilde yönlendirilmiştir. Bu seçimlerle, farklı ahşap duvar uygulamalarının, ülkede ve dünyada yürürlükte olan standartların gerekliliklerini ne ölçüde sağladığı ve uzun dönemde gerçek mikro iklim etkileri altında performans gereksinimlerini karşılama durumları incelenmiştir. Benzetim hesaplamalarıyla, TS 825'in hem 2013 hem 2024 düzenlemelerinde belirtilen U-değerlerine uygun farklı yalıtım kalınlıklarının duvarların higrotermal davranışına etkileri analiz edilmiştir. Ayrıca, hava sızıntılarının, hava kesici ve buhar kesici örtü kullanımının ısı yalıtım kalınlığı artırılmış duvarların performansına etkileri değerlendirilmiştir. Bu çalışma, binaların higrotermal performansını gerçek çevresel koşullar altında uzun dönem sürekli ölçme yöntemiyle değerlendiren Türkiye'deki ilk bilimsel araştırma olmasıyla gelecekte yapılacak benzer çalışmalara öncülük edebilir. Marmara Bölgesi'nin iklim özelliklerini ve Türkiye'ye özgü ahşap duvar uygulamalarını ele almasıyla dünya literatürüne özgün bir katkı sunmaktadır. Ayrıca, ahşap bina sektörüne enerji verimliliği, nem yönetimi ve uzun dönem performans ve dürabilite hedefleri doğrultusunda önemli bir bilimsel temel sağlayarak rehberlik edecek niteliktedir.
Özet (Çeviri)
The global construction sector is undergoing a transformation in response to two urgent challenges: rising energy consumption and increasingly severe climate change consequences. These twin pressures have increased demand for building practices that prioritise low environmental impact, resource efficiency and long-term performance. Consequently, there is a growing international interest in locally sourced, renewable materials with a low embodied carbon footprint that are suitable for reuse and recycling. Timber is a prime example of such a material. Not only is timber naturally renewable, it also has mechanical, thermal, and hygroscopic advantages. It is a light yet strong material that can dissipate forces, making it particularly well-suited to earthquake-prone regions such as Turkey. Furthermore, its porous and hygroscopic structure enables it to buffer temperature and humidity fluctuations, providing passive regulation and reducing reliance on mechanical heating and cooling systems. This property contributes to energy efficiency and thermal comfort, particularly in variable climates. In the Turkish construction sector, timber holds particular importance. Traditional timber-framed houses form a significant part of the country's architectural heritage, particularly in the Marmara and Black Sea regions. While these buildings showcase centuries of climate-adapted timber architecture, many require restoration and the construction of new timber buildings remains limited. Effectively restoring traditional timber structures and designing and constructing modern, energy-efficient timber buildings offers a unique opportunity to combine cultural continuity with contemporary sustainability goals. Despite this potential, discussions about energy efficiency in contemporary building design tend to focus almost exclusively on thermal insulation, often overlooking the critical role of moisture dynamics. However, in porous materials like timber, moisture and heat transfer are coupled processes. Hygrothermal performance, referring to a material's combined thermal and moisture behaviour, plays a key role in determining energy efficiency, durability, indoor air quality and long-term structural integrity. This study addresses this issue by examining the hygrothermal performance of timber wall systems in real-world climatic conditions in a temperate, humid region of Turkey. Field measurements and dynamic simulation methods are integrated to assess how moisture and thermal behaviours evolve and influence the long-term efficiency and resilience of timber buildings. This study investigates the hygrothermal performance of timber external wall systems under real climatic conditions, with a focus on long-term behaviour. The research is based in the temperate, humid climate of the Marmara region in north-western Turkey, where seasonal fluctuations, high annual precipitation and an increasing number of extreme weather events due to climate change pose significant challenges to the durability of the building envelope and indoor comfort. The study primarily aims to evaluate the long-term response of timber-framed and CLT (cross-laminated timber) panel wall systems to real environmental impacts, taking layering and orientation into account. Specifically, the research seeks to answer the following questions: -How do the moisture and thermal behaviour of traditional and modern timber walls change when exposed to long-term real climate conditions? Is there any risk of surface or interstitial condensation and mould growth? -How do variations in wall layering, such as the presence or absence of thermal insulation, air barrier membranes and vapour retarders, affect hygrothermal performance? -How does wall orientation and exposure to prevailing microclimatic effects (e.g. wind-driven rain, solar radiation and long-wave radiation) affect the hygrothermal performance of the walls? -What effect does the ageing of the material have on the long-term hygrothermal performance of the walls? -To what extent do updated thermal regulations (e.g. revised U-value requirements in TS 825:2024) improve hygrothermal performance compared to previous standards? In addition to assessing the current situation, the study suggests practical design and material strategies to improve the energy efficiency and moisture safety of timber buildings. It also contributes to the ongoing discussion about how building envelopes should be designed to meet energy targets, ensuring long-term durability and indoor comfort. Furthermore, by examining the interaction between moisture and thermal behaviour over an extended period, this research goes beyond standard performance evaluations, offering a more practical and comprehensive perspective that is currently underrepresented in Turkish building science literature. The study employed a methodical approach with two stages: long-term field measurements and validated hygrothermal simulations. This dual strategy was designed to provide both empirical data and broader, scenario-based insights, enabling comprehensive evaluation of the performance of timber walls under real and potential conditions. To evaluate the hygrothermal performance of timber walls in real life, a full-scale test cabin was designed and built on Sakarya University's campus. This included external wall assemblies built using two distinct construction systems: traditional timber-framed (stud) walls and modern cross-laminated timber (CLT) panels. Each test wall features different combinations of layers, with or without thermal insulation and air barrier membranes. These variations enabled a direct comparison of the impact of material layering on thermal and moisture performance. The test walls were oriented towards the northwest, southeast and southwest to capture the impact of sun exposure, prevailing winds and driving rain. Sensors were placed at the interfaces of the wall layers and cavities to measure temperature and relative humidity continuously over a period of three years. Measurements were taken from inside and outside the test cabin as well as from the internal and external surfaces of each layer. This enabled detailed monitoring of surface and interstitial conditions throughout seasonal cycles. The cabin remained unoccupied during the measurement period, with a stable interior environment maintained using a heating system in the winter months and humidification in the final winter. This setup enabled indoor conditions typically found in inhabited buildings to be reproduced, while isolating the effects of external weather. In the simulation method, one-dimensional dynamic hygrothermal simulations were performed using WUFI (Wärme und Feuchte instationär), a widely accepted modelling tool for non-steady-state heat and moisture transfer. The input data for these simulations included temperature, relative humidity, solar radiation, wind and precipitation, which were obtained from the on-site meteorological station and field measurements. Material properties were derived from manufacturer data sheets and validated through existing literature. First, the simulation model was calibrated using the field measurements to ensure that the predicted temperature and humidity profiles within the wall assemblies closely aligned with the observed values. Once validated, the model was used to simulate additional scenarios not covered by the field measurements, including: -Wall assemblies designed to meet the updated TS 825:2024 thermal insulation requirements (U = 0.4 W/m²K). Variations in insulation thickness (6–9 cm for timber-framed walls and 3–5 cm for CLT panels). -Additional insulation on the exterior side of the timber-framed walls. -The effects of air leakage and the inclusion of vapour barrier membranes were also considered. This enabled the study to examine the influence of current and prospective building applications, and to assess optimal practices for timber wall design in humid regions susceptible to variable and extreme weather conditions. The timber-framed wall assemblies selected for this study were designed to reflect traditional and contemporary timber construction practices used in Turkey. This approach enabled us to compare the performance of wall types that differ in material composition and cultural and regulatory context. Cross-laminated timber (CLT) panel walls are a modern construction method increasingly used in high-performance, multi-story timber construction worldwide. However, its usage in Turkey is still rare. CLT differs fundamentally from framed walls as a massive wall system in terms of its thermal mass, vapor storage capacity, and overall response to moisture. Each wall was placed in the cabin facing a different direction—northwest, southeast, or southwest—to observe the effects of solar radiation, prevailing winds, and wind-driven rain on thermal and moisture behavior. The choice of orientation reflects the microclimatic characteristics of the Sakarya region, where fog, humidity, and seasonal rain are prominent factors. The test setup was designed to compare wall types and support design decisions for restoration and new construction under contemporary energy and durability requirements by combining heritage-informed construction techniques with modern timber detailing strategies and exposing them to realistic microclimatic impacts. This study has demonstrated that a comprehensive evaluation of timber wall performance must consider thermal insulation values and moisture dynamics under real environmental conditions. Although thermal upgrades, such as increased insulation thickness or improved airtightness, enhance energy efficiency, they may introduce new moisture-related risks if not properly designed. Therefore, successful timber wall design requires an integrated hygrothermal approach. The findings confirm that different timber wall types respond distinctly to environmental conditions. Lightweight timber-framed walls benefit from external insulation strategies that reduce the risk of condensation, whereas CLT panels require careful control of joint sealing and vapour flow to prevent moisture accumulation. The importance of wall orientation, ventilation gaps, and membrane selection was also emphasized. As the first study in Turkey to combine long-term field monitoring with validated dynamic simulations of timber wall assemblies, this research makes an original and timely contribution to national and international literature. It provides a rare empirical dataset under real-use conditions and offers a replicable methodology for future research. Beyond its academic value, the study serves as a guide for architects, engineers, and other building professionals involved in restoring traditional timber structures or constructing modern timber buildings. By highlighting the relationship between moisture control, thermal design, and long-term performance, the study supports the development of more resilient, energy-efficient, and durable timber buildings in humid climates. In a context where the use of timber in construction is again becoming necessary for environmental reasons and a cultural opportunity, this research bridges heritage and innovation, pioneering more informed, climate-responsive timber design in Turkey and beyond.
Benzer Tezler
- Türkiye'deki geleneksel ahşap çerçeve sistem konut yapılarında dış duvarların ısıl ve nemsel performansının değerlendirilmesi
Hygrothermal performance assessment of exterior walls of traditional timber framed houses in Türkiye
SEDA NUR ALKAN
Doktora
Türkçe
2023
Mimarlıkİstanbul Teknik ÜniversitesiMimarlık Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. FATİH YAZICIOĞLU
- Türkiye'de uygulanacak eğitim yapılarının mimari tasarım ve dış cephe kaplama malzemesi özelliklerine göre çevresel etki yüklerinin değerlendirilmesi
Evaluation of environmental impact loads based on architectural design and exterior cladding material characteristics in educational buildings
DİLFURUZ KARA
Yüksek Lisans
Türkçe
2025
Mimarlıkİstanbul Teknik ÜniversitesiMimarlık Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. CANER GÖÇER
- Yeni Cami'nin akustik açıdan performans değerlendirmesi
Evaluation of the acoustical performance of the New Mosque
EVREN YILDIRIM
Yüksek Lisans
Türkçe
2003
Mimarlıkİstanbul Teknik ÜniversitesiMimarlık Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SEVTAP YILMAZ DEMİRKALE
- İstanbul'da tescilli konut yapılarının dış duvar katmanlaşmalarının sürdürülebilirlik açısından değerlendirilmesi
Assessment of external wall details of registered historic buildings in Istanbul in terms of sustainability
ÖZLEM KARAGÖZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2015
Mimarlıkİstanbul Teknik ÜniversitesiMimarlık Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. FATİH YAZICIOĞLU
- Türkiye'deki ahşap parke endüstrisinin bugünkü durumu ve ileriye dönük pazar potansiyelinin araştırılması
Current condition of wooden parquet industry in Turkey and research of market potantial
ÖZKAN ÖZKARA
Yüksek Lisans
Türkçe
2004
Ağaç İşleriHacettepe ÜniversitesiAğaç İşleri Endüstri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Y.DOÇ.DR. İLKER USTA