Geri Dön

Comparative life cycle assessment of concrete structures on architectural design models: Marble waste integrated vs. standard concrete

Beton yapıların mimari tasarım modelleri üzerinde mermer atığı entegreli ve standart beton için karşılaştırmalı yaşam döngüsü değerlendirmesi

  1. Tez No: 958100
  2. Yazar: SEYYARE ECE AKDAĞ
  3. Danışmanlar: DOÇ. DR. AYŞEGÜL AKÇAY KAVAKOĞLU
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Mimarlık, Architecture
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2025
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Bilişim Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: 113

Özet

İnşaat sektörü, dünyadaki en büyük çevresel etkiye sahip sektörlerden biri olarak kabul edilmekte; özellikle enerji tüketimi, hammadde kullanımı ve sera gazı salımı açısından kritik bir rol oynamaktadır. Yapı üretimi süreçlerinin sürdürülebilirlik ilke ve hedefleri doğrultusunda yeniden kurgulanması, malzeme bazlı stratejilerin değerlendirilmesini zorunlu kılmıştır. Bu bağlamda, yapı malzemelerinin yaşam döngüsü boyunca çevresel etkilerinin analiz edilmesi ve alternatif, düşük karbonlu malzeme çözümlerinin teşvik edilmesi, sürdürülebilir mimarlığın temel bileşenlerinden biri haline gelmiştir. İnşaat sektörü kapsamında çevresel etkilerin iyileştirilmesi amacıyla atıkların sürdürülebilir malzeme kullanımları suretiyle azaltılması son zamanlarda keşfedilmekte ve üzerindeki ilgiyi korumakta olan bir husustur. Bu bakımdan üzerinde özellikle durulması gereken yaklaşımlardan birisi de atık malzemelerin yaşam döngüsünün her aşamasında inşaat süreçlerine entegre edilmesidir. Konuya bilişimsel mimarlık ile potansiyel bir metodolojik yaklaşım örneği sağlayabilmek adına, bu tez çalışmasında mimari tasarım modellerinde kullanım için mermer atıklarının beton yapılara entegrasyonu yaşam döngüsü analizi konusu üzerinden incelenmekte ve 9R döngüsel ekonomi modeli baz alınmaktadır (Reddetme-R0 (Refuse), Yeniden Düşünme-R1 (Rethink), Azaltma-R2 (Reduce), Yeniden Kullanma-R3 (Reuse), Tamir Etme-R4 (Repair), Tadil etme-R5 (Refurbish), Yeniden İmal Etme-R6 (Remanufacture), Yeni Bir Amaçla Kullanmak İçin Değiştirme-R7 (Repurpose), Geri Dönüştürme-R8 (Recycle) ve son olarak Enerji Elde Etmek İçin Kullanma-R9 (Recover). Mermer atığı tasarım ve inşaata ilişkin çok sayıda endüstri bakımından bir yan ürün teşkil etmektedir. Mermerin doğadan çıkarılmasından itibaren büyük miktarlarda ve farklı türlerde atıklar oluşmakta, çoğunlukla ise mermer kesme operasyonlarından kaynaklanan (tozdan) bulamaç şeklinde bir atık ortaya çıkmaktadır. Mevcut endüstriyel sistemler içerisinde bu atığın yönetimi ve değerlendirilmesi konusu üzerine çalışmalar yürütülmemiştir ve hatta bu atıklar mermer yataklarında doğada bırakılarak hem atıl hale getirilmiş hem çevresel kirliliğe sebebiyet vermis, hem de ekonomiye kazandırılmamıştır. Söz konusu atık malzemenin betonda çimentonun yerini alarak bir beton girdisi olarak yeniden değerlendirilmek suretiyle veya potansiyel olarak tuğla ve kiremit gibi diğer inşaat ürünlerinde kullanılmasıyla çevresel bakımdan sürdürülebilir bir çözüm sağlanarak mermer atıklarına potansiyel bir yaşam döngüsü stratejisi oluşturulabilecektir. Bu gibi inşaat malzemelerinde kullandırılmak üzere yapılan planlamalar ve çalışmalar ortaya çıkan malzemelerin döngüsel ekonomiye kazandırılması dışında aynı zamanda malzeme dayanımı ve performansı konusunu da gündeme getirmiştir. Dolayısıyla mevcutta yapılan çalışmalar üzerinden atık mermer tozlarının ve parçalarının hazır beton veya tuğla gibi inşaat malzemeleri içerisinde kullanımı hem dayanım özellikleri hem de döngüsel ekonomi çerçevesinde incelenecek şekilde bütünleyici literatür taraması olarak çalışılmıştır. Bu literatür taraması çalışması sonucunda elde edilen verilere dayanarak, toz şeklinde mermer atıklarının hazır betonda çimento yerine belirli oranlarda kullanımının hazır betonun karbon emisyonlarında ciddi oranda düşüş sağladığı ve aynı zamanda betonun basınç dayanımı gibi yapısal özelliklerinde iyileştirme gösterdiği saptanmıştır. Bu sonuçlara dayanarak, toz mermer atıklarının literatür taramasından elde edilen oranlarda (%0 ve %50 arasında) çimento yerine kullanımı üzerinden bu çalışmanın metodu üretilmiştir. Mermer atıkları yeniden değerlendirmek için olası bilişimsel tasarım çözümlerinin Döngüsel Ekonomi stratejisini belirlemek bakımından Yaşam Döngüsü Değerlendirmesi elzem bir yöntemdir. Bu sebeple, bu tez çalışması kapsamında, uygulamada mimari tasarımcıların malzeme seçimi bakımından tasarımlarının etkisini önceden değerlendirmek amacıyla kullanabileceği şekilde Grasshopper görsel programlama ortamında oluşturulup Rhinoceros 8 eklentisi olarak yayınlanmış bir Yaşam Döngüsü Değerlendirmesi aracı önerilmektedir. Çalışmanın bilişim kısmındaki akış Grasshopper arayüzünde Python kodlaması kullanılarak ve Grasshopper'da üç adımlı bir analiz gerçekleştirmek için çevresel veri tabanları ve ürün beyanları gibi ilave malzeme verilerinin eklenmesiyle bir yaşam döngüsü değerlendirme mekanizması geliştirilerek tasarlanmıştır. Bu analiz prototipi daha sonra, tasarım modelinden yapı malzemelerinin hacim verilerini otomatik olarak alarak, beton içindeki çimento miktarının istenen oranda mermer atığı ile değiştirilmesi sonucu tasarım modelinin karbon emisyonlarını hesaplayan bir eklenti oluşturmada kullanılmıştır. Araştırmanın temel amacı, mimari tasarım sürecine entegre edilebilecek bir yaşam döngüsü değerlendirme (LCA) aracı geliştirerek, mermer atığı entegreli beton kullanımının karbon ayak izi üzerindeki etkilerini ölçmek ve bu verileri tasarım kararlarıyla ilişkilendirerek sürdürülebilir malzeme kullanımını teşvik etmektir. Bu amaçla, Rhinoceros 3D modelleme ortamında geliştirilen farklı yapı tasarım senaryoları, Grasshopper platformu üzerinden tanımlanan parametrik bir LCA aracı ile analiz edilmiştir. Araç, yapı modeli katmanlarındaki beton, çelik, cam gibi malzeme hacimlerini otomatik olarak hesaplayarak ICE gibi çeşitli veritabanlarından alınan emisyon katsayılarıyla çevresel etki analizleri gerçekleştirmektedir. Rhinoceros 3D modelleme programında dijital yapı tasarım modelleri oluşturularak, modelin Yaşam Döngüsü Değerlendirme sistemiyla bağlantılandırılmasını sağlamak amacı ile LCACalculator eklentisi bir vaka çalışması yürütülerek test edilmiştir. Bu süreç döngüsel ekonomi stratejik yaklaşımının bu eklenti aracılığı ile test edilmesini de kapsamaktadır. Bu doğrultuda, yapı ölçeğinde Yaşam Döngüsü Değerlendirmesi sonuçları ve betondaki çimentonun mermer atığı ile belirli oranlarda değiştirilebilmesinin etkisi eş zamanlı olarak test edilerek, mermer atığının çimento yerine kullanılabilirliğinin yapı sürdürülebilirliğine olan potansiyel katkısı değerlendirilmiştir. Oluşturulan araç ile cam, beton (veya mermer atık entegre beton), demir ve tuğla malzemelerinin hacim verileri kullanılarak yapı tasarım modelinden bir LCA analizi ortaya çıkarması şeklinde planlanmıştır. Bu araç çalışır hale getirildikten sonra kullanılan Grasshopper kodu, Script Editor özelliği aracılığı ile bir eklenti olarak yayınlanmıştır. Bu araç sonrasında Autodesk'in açık erişimli yapı modellerinden bir modelin indirilip Rhinoceros 8 Programı'na aktarılması sonucu bir vaka analizi ile tamamlanmıştır. Yapılan bu vaka analizi sonucu, oluşturulan eklentinin sorunsuz çalıştığı yapıyı tarama, hacim verilerini model katmanlarından alma ve ilgili malzemeyle eşleştirerek LCA analizini istenen mermer atığı ikame oranında hesapladığı kontrol edilmiştir. Elde edilen sonuçlara dayanarak mermer atığının çimento yerine kullanımının sadece beton malzemesi özelinde değil, yapı döngüselliği ve yapı karbon ayak izi azaltımına ciddi oranda (yaklaşık 40%) etkide bulunduğu saptanmıştır. Tez kapsamında geliştirilen bu prototip LCA aracı, mimari tasarım sürecinde malzeme seçimlerinin çevresel etkilerini nicel olarak analiz etmeyi mümkün kılmakta ve kullanıcıya alternatif senaryoları değerlendirme imkânı sunmaktadır. Araç, her malzeme katmanını ayrı ayrı analiz ederek, mimari modellerin içerdiği hacimsel veriler üzerinden toplam karbon emisyonunu hesaplamakta ve bu değerleri standart beton ve mermer atığı entegreli beton kullanımıyla karşılaştırmalı olarak sunmaktadır. Tez kapsamında geliştirilen dijital araç, aynı zamanda mimarların tasarım kararlarını daha bilinçli ve veriye dayalı bir şekilde yönlendirmelerine olanak sağlamaktadır. Araç, tasarım modelindeki katmanlar (örneğin betonarme döşeme, kolon, perde duvar, cephe camı gibi) üzerinden hacim verilerini ayrıştırmakta ve her bir bileşenin çevresel etkisini ayrı ayrı hesaplamaktadır. Böylece, mimari tasarımın farklı aşamalarında çevresel performansın izlenebilir hale gelmesi, tasarım sürecine entegre çevresel geri bildirim döngüsü kurulmasına katkı sağlamaktadır. Geliştirilen prototip aracın, açık kaynaklı ve görsel programlama temelli yapısı sayesinde, gelecekte farklı veri tabanlarıyla entegre edilmesi, yeni malzeme türlerinin tanımlanması ve yaşam döngüsü modüllerinin genişletilmesi mümkündür. Bu bağlamda tez, sadece belirli bir malzeme karşılaştırması değil, aynı zamanda mimari tasarım sürecine entegre edilebilecek bir dijital karar destek mekanizması sunması açısından önem taşımaktadır. Sonuç olarak, bu tez çalışması mimari tasarım modelleri üzerinde yapılan karşılaştırmalı LCA analizi ile malzeme kaynaklı çevresel etkilerin görünür kılınmasını sağlamış, mermer atığı gibi endüstriyel artıkların döngüsel ekonomi perspektifiyle değerlendirilebileceğini ortaya koymuştur. Bu yaklaşım, malzeme seçimlerinin mimari tasarım sürecinde yalnızca yapısal ya da estetik değil, aynı zamanda çevresel kriterler doğrultusunda da değerlendirilebilmesini hedeflemektedir. Geliştirilen LCA aracı, özellikle erken tasarım aşamalarında karar vericilere çevresel performans verisi sunarak sürdürülebilir yapı üretim süreçlerine katkı sağlayacak bir dijital altyapı örneği olarak literatüre kazandırılmıştır. Bu tez çalışması kapsamında genel itibarıyla, doğadaki mermer atıklarının gelecekte döngüsel bir geçiş için potansiyel bir tasarım ve inşaat malzemesi olarak kullanılarak, betonun çevresel etkisinin azaltılması amacıyla mevcut yaygın kullanımının yeniden gözden geçirilmesi ve aynı zamanda parametrik ve veriye dayalı bilişim aracılığıyla ürünlerin performansının ve maliyet etkinliğinin iyileştirilmesi amaçlanmaktadır. Gelecekte yapılacak çalışmalarda, söz konusu aracın üretim, kullanım ve geri dönüşüm gibi diğer yaşam döngüsü modüllerini kapsayacak şekilde genişletilmesi, ayrıca ekonomik ve sosyal etki boyutlarının da entegre edilmesi önerilmektedir. Bu bağlamda tez, hem sürdürülebilir yapı tasarımı hem de malzeme döngüselliği açısından disiplinlerarası bir katkı sunmayı amaçlamaktadır. Diğer bir perspektiften, bu çalışmanın ortaya koyduğu dijital analiz yaklaşımı, gelecekte yapı bilgi modellemesi (BIM) ile tam entegre çalışan, gerçek zamanlı çevresel performans izleme sistemlerine dönüştürülebilir. Bu doğrultuda geliştirilecek araçlar, yalnızca tasarım aşamasında değil, yapım ve kullanım sürecinde de çevresel geri bildirim sunarak, dinamik bir sürdürülebilirlik takibi yapılmasına olanak sağlayabilir. Aynı zamanda, bu tür araçların yapay zeka destekli malzeme öneri sistemleri ile birleştirilmesi sayesinde, tasarımcılar yapı bileşenlerinin konumuna, işlevine ve kullanım süresine göre çevresel açıdan en uygun malzemeleri belirleyebileceklerdir. Bu yaklaşım, sürdürülebilir tasarımı sadece hedef değil, tasarımın ayrılmaz ve hesaplanabilir bir parçası haline getirme yolunda önemli bir adım olacaktır.

Özet (Çeviri)

Waste reduction to heal the environmental impact through the use of sustainable materials has been a recent exploration and aim for the construction industry. An approach to focus specifically on the subject is the integration of waste material into construction in all processes regarding their life cycle. To exemplify a possible methodological approach with computational architecture, this study explores the integration of marble waste in concrete structures within the scope of 9R (R0-Refuse, R1-Rethink, R2-Reduce, R3-Reuse, R4-Repair, R5-Refurbish, R6-Remanufacture, R7-Repurpose, R8-Recycle, R9-Recover) Framework of Circular Economy (CE) for its use in the early design phases. Marble Waste (MW) is a byproduct of the many industries related to design and construction, which generates vast amounts and different types of waste starting from its extraction from nature, mainly caused by the cutting operations leaving out (dust made) slurry form of waste. This waste material can potentially be utilized by strategizing the life cycle of the marble waste by repurposing it either as a concrete aggregate, replacing cement in concrete and potentially in other construction products like bricks and tiles, etc., providing an environmentally sustainable solution for waste reduction. Life Cycle Assessment (LCA) is a crucial method for strategizing a Circular Economy framework of possible computational design solutions to reconsider MW. Therefore, this study proposes an LCA assessing tool created in the Grasshopper visual programming environment and published as a Rhinoceros plug-in for practical use by architectural designers to pre-assess the impact of their design in terms of material choice. The computational workflow has been designed by the utilization of Python coding within Grasshopper interface and developing it as a life cycle assessing mechanism with further material data involvements like environmental databases and product declarations to conduct a three-step analysis on Grasshopper. This analysis prototype is later used to create the plug-in that takes material volume data from the design model to automatically calculate the emissions of the design model with the desired amount of MW replacing cement in concrete. Digital building design models in Rhinoceros 3D modeling software are created to test the LCACalculator plugin as a case study to be able to link the model to assessment system, testing of the strategic approach to CE with the LCA tool development. The results of building LCA and the effect of replacing cement in concrete with MW is therefore tested on the building scale, and results are evaluated to assess to what extent MW replacement with cement can create as an impact on building sustainability for the CE as a potential consideration of architectural design. Overall, this study aims to enlighten the way to reimagine the current widespread use of concrete to reduce its environmental impact, by utilizing MW existing in nature as a potential design and construction material for a circular transition in the future, while also improving the performance and cost-effectiveness of its products, through the use of parametric and data-driven computation.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    935266

    Türkiye'de karbon emisyonlarının azaltılmasına yönelik lamine masif ahşap mimarisi ve yöntemleri

    Laminated mass timber architecture and methods for reducing carbon emissions in Türkiye

    ÜLKEM ARTUÇ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2025

    Mimarlıkİstanbul Teknik Üniversitesi

    Mimarlık Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. SİNAN MERT ŞENER

  2. Tez No

    637993

    Çapraz lamine ahşap ve betonarme taşıyıcı sistemli tekil konut yapılarının çevresel etkilerinin karşılaştırmalı değerlendirmesi

    Comparative evaluation of the environmental impacts of single-family buildings with cross laminated timber and reinforced concrete structural systems

    NÜKET BARUTÇU

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2020

    Mimarlıkİstanbul Teknik Üniversitesi

    Mimarlık Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. FETHİYE ECEM EDİS

  3. Tez No

    756150

    Yaşam döngüsü değerlendirmesi bağlamında ürün seçiminde dijital tasarım araçlarının irdelenmesi

    Examination of digital design tools in product selection in the context of life cycle assessment

    ECEM KÖŞÜRGELİ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2022

    MimarlıkYıldız Teknik Üniversitesi

    Mimarlık Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. GÖKÇE TUNA TAYGUN

  4. Tez No

    787386

    Önüretimli panel duvar sisteminin çevresel etki ve enerji tüketimi bağlamında yerinde yapım dolgu duvar sistemi ile karşılaştırmalı değerlendirmesi

    Comparative evaluation of prefabricated panel wall system with on-site construction wall system in the context of environmental impact and energy consumption

    BUSE ALMİNA ARSLAN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2023

    MimarlıkMimar Sinan Güzel Sanatlar Üniversitesi

    Mimarlık Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MUSTAFA ÖZGÜNLER

  5. Tez No

    937507

    Çamaşır makinası kapak menteşesi tasarımı

    Washing machine door hinge design

    BURAK KARAÇANLI

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. ALİ GÖKŞENLİ

Geri Dön