TMMOB Makina Mühendisleri Odası Yalıtım Kongresi 23-24-25 Mart 01 Eskişehir-Türkiye HAZIR DIŞ DUVAR ELEMANLARININ ISISAL KONFOR AÇISINDAN İNCELENMESİ VE DEĞERLENDİRİLMESİ ÖZET Yrd.Doc.Dr. Gülay ZORER GEDİK Yıldız Teknik Üniversitesi, Mimarlık Fak. Yapı Fiziği Bilim Dalı, 0750 Beşiktaş/İstanbul e.posta:zorer@yildiz.edu.tr Günümüzde büro, toplu konut gibi katlı yapılarda kullanılan hazır dış duvar elemanları, yapım teknolojilerindeki gelişmelere bağlı olarak çok değişik biçimlerde oluşturulabilmektedir. Bu çalışmada hazır beton duvar elemanları sınıflandırılarak ısısal konfor açısından incelenmiştir. İncelemede, ülkemizde üretilen ve uygulanan hazır dış duvar elemanlarından seçilen örnekler, ısı yalıtım yönetmeliğinde (TS 25/Nisan 9) verilen dört derece gün bölgesinin Ocak ayı dış hava sıcaklığı ortalamalarına göre, iç yüzey sıcaklıkları ve yoğuşma açısından kontrol edilerek değerlendirilmiştir. Anahtar Sözcükler : Yapı kabuğu, hazır beton, ısısal konfor, yoğuşma. ı.gmiş Özellikle toplu konut büro türü yapılarda hazır beton dış duvar elemanları hızlı üretilmeleri ve kolayca takılmaları nedeniyle yaygın olarak kullanılmaktadır. Dış duvarları oluşturan hazır elemanlar, ülkemizde genellikle üretimlerinin kolay olması nedeniyle tek veya iki katmanlı olarak üretilmekte ve montajdan sonra tek katmanlı elemanlara içten veya dıştan ısı yalıtımı uygulanmaktadır. Ayrıca, iki katman arasında yalıtım uygulanan paneller de üretilmektedir. 2. KATMANLI YAPI KABUĞU OLUŞUMU Yapı teknolojisindeki gelişmeler ve buna bağlı değişimler kalın ve tek katmanlı eski kabuk yapısını değiştirmiş katmanlardan oluşan duvar kesitlerini gündeme getirmiştir. Bu durum özellikle dış sıcaklığın düşük olduğu bölgelerde katmanların doğru sıralanmasını, katmanlaşma seçenekleri için yoğuşma denetiminin yapılmasını ve yoğuşma olayını kabul edilebilir sınırlarda tutan katmanlaşma seçeneklerinin belirlenmesini gerektirmektedir. Soğuk hava koşullarında yapı içinden dışına doğru (sıcaktan soğuğa doğru) ısı alışı dolayısıyla ısı kaybı söz konusudur. Bu ısı kaybının azaltılmasında en temel etmen yapı kabuğunun ısısal direncinin yüksek olmasıdır. Yapı kabuğunun ısısal direncinin yüksek olması, gerek yapı içi hava sıcaklığının gerekse iç yüzey sıcaklığının ısısal konfor açısından gerekli düzeyde tutulmasını sağlar. Yapı kabuğunun iç yüzey sıcaklığı, yapı içi ısısal konforu etkileyen en önemli öğelerden biridir. Çünkü kişi ile yapı kabuğunun iç yüzeyi arasında ışınım yoluyla sürekli ısı alışverişi söz konusudur. İç yüzey sıcaklıklarının konfor sınırlarında olması yapı kabuğunun ısı geçirmezlik açısından da uygun olduğunu gösterir. Ancak yapı kabuğunun bu niteliğini koruyabilmesi, kabukta yoğuşma nedeniyle oluşabilecek bozulmaların ve bu bozulmalara bağlı olarak ısı geçişiyle ilgili fiziksel özelliklerde ortaya çıkabilecek değişmelerin önlemesiyle olanaklıdır. Bunun için, yapı.kabuğunu oluşturan katmanlar uygun bir biçimde düzenlenmeli; buhar yalıtım özelliği daha fazla olan katmanlar sıcak ortam yüzeyine yakın, ısı yalıtım özelliği yüksek Olan katmanlar sıcak ortam yüzeyinden olabildiğince uzaklaştırılmalıdır. Yapı kabuğu katmanlarının bu şekilde düzenlenmesi, daha sıcak ortamdan daha soğuk ortama doğru yayılan su buharının ilk katmanlarda tutulmasını sağlayacağından sıcak ortam havasında bulunan nem, ısı yalıtım özelliği olan katmanlara ulaşamayacaktır. Bu çalışmada hazır beton dış duvar elemanları tek, çift ve çok katmanlı olarak incelenmiştir. 56
2.1. Tek katmanlı dış duvar elemanları Tek katmanlı dış duvar elemanları, yüzeyleri sıvalı hafif beton ya da dolu kesitli olarak normal betondan üretilmektedirler. Hafif betondan üretilen tek katmanlı elemanların gerekli kalınlıkta ve ısı iletkenlik değerinin küçük olması için homojen bir yapıda (düzenli dağılmış küçük hava gözeneklerine sahip) olması önemlidir. Ayrıca, küçük gözenekli bu tür gereçlerde gözeneklerin uygun olmayan dağılımı kılcal emme olayına neden olabilir. Bu durumda yapı elemanı nemlenir ve ısı geçirgenliği artar. Tek katmanlı hafif beton elemanların üretimlerinin kolay olması ve ısı yalıtım değerlerinin yüksek olması yanında kırılmaya karşı dirençlerinin azlığı ve suya karşı sıva ya da koruyucu boya ile önlem alınmasını gerektirmesi gibi olumsuzlukları söz konusudur. Normal betondan üretilen elemanlar kırılmaya karşı dirençlidirler ve taşıyıcı olarak işlev görebilirler. Ancak yeterli ısı yalıtımı sağlayamazlar. Genellikle bu tür elemanlara montajdan sonra içerden ısı yalıtımı uygulanmakta, bu durum yalıtım gereci ile beton yüzey arasında yoğuşmaya neden olabilmektedir(l,2). 2.2. Çift katmanlı dış duvar elemanları İki katmanlı olarak düzenlenen hazır dış duvar elemanlarında amaç, hazır elemanın ısısal direncinin arttırılmasıdır. Yaygın olan uygulama, beton katmanla birlikte ısı yalıtım gerecinin içte veya dışta düzenlenmesidir. Yukarıda da açıklandığı gibi, ısı yalıtımının olabildiğince duvarın dış yüzüne yakın olarak düzenlenmesi gerekir. Böylece yoğuşma olasılığında ısı yalıtımının nemlenmesi önlenmiş ve duvarın ısı depolama kapasitesi arttırılmış olur. 2.3. Çok katmanlı dış duvar elemanları Çok katmanlı elemanlarda katmanların birleşimleri, imalat sırasında yada sonradan şantiyede gerçekleştirilebilir. İmalat sırasında yapılan paneller "sandviç", şantiyede yapılanlar ise "kompozit" panel adı altında anılırlar. Sandviç paneller dış ve iç beton katmanlarının bağlantı biçimlerine ve çalışma ilkelerine göre iki türlüdür. İç ve dış beton katmanların birbirine sık donatı veya hem donatı hem de betonla bağlanan türlerinde ısı köprüleri vardır. Aynı zamanda dış beton tabakanın ısı yalıtımıyla birleştiği yüzde yoğuşma olasılığı yüksektir. Bu sakınca ısı yalıtım katmanının iç yüzüne buhar kesici katman konularak önlenebilir. Ancak her durumda yoğuşma suyunun dışarıya atılması zorlaşır. Bu sakıncanın önlenmesi için hava boşluklu sandviç paneller üretilmektedir. Ayrı çalışan taşıyıcı katmanlı sandviç paneller, taşıyıcı katman, yalıtım, dış koruyucu katman ve gerekirse hava boşluğu olmak üzere üç veya dört katmandan oluşur (Şekil 1) (3). Bu panellerde hava boşluğu yoğuşma olasılığında suyu dışarı atmak için bırakılır. Ayrıca ısı yalıtım gereci iç beton katmanda ısı depolanmasını sağlar. Özellikle soğuk iklim bölgelerinde yaygın olarak uygulanan bir duvar kuruluşudur. Panel katmanları sırasıyla; Koruyucu dış katman (60-0 mm.), Hava boşluğu (40-60 mm.), Isı yalıtımı (40-90 mm.), Taşıyıcı iç katman (0-160 mm.), şeklinde düzenlenir. Bu tür panellerde koruyucu beton katman ile taşıyıcı beton katman arasında donatı bağlantısı yoktur. İki katman birbirine paslanmaz çelik ve kalınlıkları minimum olan bağlayıcı elemanlarla bağlanır. (1,2) Şekil 1. Çok katmanlı panel. (3) 3. HAZIR DIŞ DUVAR KESİTLERİNİN İNCELENMESİ VE DEĞERLENDİRİLMESİ Bu çalışmada, ülkemizde hazır dış duvar elemanı üreten başlıca firmaların ürettikleri dış duvar elemanlarının uygulanış biçimlerinden oluşturulan kesitler, ısı yalıtım yönetmeliğinde (TS 25 /Nisan 199) verilen dört derece gün bölgesinin Ocak ayı ortalama dış sıcaklık değerlerine göre, iç yüzey sıcaklıkları ve yoğuşma açısından incelenerek değerlendirilmiştir. Yapı kabuğunun iç yüzey sıcaklığı yapı içi ısısal konforu etkileyen en önemli öğelerden birisidir. Çünkü kişi ile yapı kabuğunun iç yüzeyi arasında ışınım yoluyla sürekli ısı alışverişi söz konusudur. İç yüzey sıcaklıklarının konfor sınırlarında olması yapı kabuğunun ısı geçirmezlik açısından da uygun olduğunu gösterir. Yapılan araştırmalara göre, hacmin kuru termometre sıcaklığı ile iç yüzey sıcaklıkları ayrımı < ±3 Ç olduğu zaman ışınımsal sıcaklık açısından konfor oluşur. Kesitlerin iç yüzey sıcaklığı açısından değerlendirilmesi kabul edilen bu sınır değerlere göre yapılmıştır. (4) 57
Yukarıda da belirtildiği gibi, kesitlerin iç yüzey sıcaklığı ve yoğuşma hesabında, ısı yalıtım yönetmeliğinde verilen dört derece gün bölgesinin en düşük dış sıcaklık ortalamalarına sahip Ocak ayı dış sıcaklık hesap değerleri, 1.Bölge C, 2.Bölge C, 3.Bölge C, 4.Bölge C ve bağıl nem değeri %0 olarak saptanmıştır. (5) İç ortama ilişkin hesap değerleri ise, ısısal konfor grafiklerinden iç ortam sıcaklığı C ve bağıl nem değeri %50 olarak belirlenmiştir. Duvar kesitleri iç yüzey sıcaklığı hesabı; kesitlerde önerilen gereçlerin yoğunluklarına göre ısı geçirgenlik katsayılarının (k) belirlenmesi, kesitteki kalınlıklarına göre gereçlerin ısısal dirençlerinin (r) bulunması, kesitin toplam ısı direncinden (R) ısı iletme katsayısının hesaplanması (K), K değerine ve iç-dış sıcaklık ayrımına göre, iç yüzey sıcaklığı ile hacmin iç hava sıcaklığı arasındaki ayrımın belirlenmesi ( ), biçimindedir (4). Ayrıca, yoğuşma kontrolü için, her bir kesitin belirlenen sıcaklıklarda içerden dışarıya ısı akımını gösteren grafik çizilerek katmanlardaki sıcaklık değerleri belirlenmiştir. Belirlenen bu sıcaklık değerlerine göre Doymuş Buhar Basıncı değerleri (DBB) belirlenerek, gereçlerin kalınlıklarına ve buhar geçirgenlik katsayılarına bağlı olarak buhar dirençleri hesaplanmıştır. Kesit katmanlarındaki Gerçek Buhar Basıncı (GBB) değerleri yine grafik yöntemle, iç ve dış buhar basınçlarına ve katmanlardaki buhar dirençlerine bağlı olarak belirlenmiştir. Ölçekli kesit üzerinde Doymuş Buhar Basıncı (DBB) ve Gerçek Buhar Basıncı (GBB) değerleri işaretlenerek yoğuşma bölgeleri saptanmıştır (6) Bunun yanında, kesitlerin yoğuşma denetimi ısı yalıtım yönetmeliğine göre de yapılarak, yoğuşma gerçekleşen kesitlerde yoğuşma suyu kütlesinirf (W T ) yönetmelikte verilen sınır değerleri aşıp aşmadığı ve buharlaşma döneminde buharlaşan su kütlesinin (W v ) yoğuşma suyu kütlesinden fazla olması durumu kontrol edilmiştir. Kesitlerin iç yüzey sıcaklığı ve yoğuşma kontrolü değerlendirme sonuçlan Tablo l'de yer almaktadır. Ülkemizdeki değişik firmaların ürettikleri dış duvar elemanlarının inceleme sonuçlarının yer aldığı Tablo l'de görüldüğü gibi, iç yüzey sıcaklığı ile hacmin iç hava sıcaklığı arasındaki ayrım (9 değeri), tüm kesitlerde 3 C'den küçüktür, dolayısıyla kesitler iç yüzey sıcaklığı açısından konfor sınırlarında kalmaktadır. Yoğuşma kontrolü sonuçlarına baktığımızda ise, içerden yalıtım uygulanan çift katmanlı ve çok katmanlı kesitlerde 1.Bölge dışında (DS= C) yoğuşma görülmektedir. Ancak yoğuşma suyu kütlesi, 6 numaralı beton sandviç panel hariç, yönetmelikte verilen sınır değerleri aşmamakta kesitler standarda uygun görülmektedir. 1 ve 2 numaralı kesitte yer alan ve 30 cm. kalınlıkta hafif beton paneller, gerekli ısı yalıtımını sağlamakta, gerek iç yüzey sıcaklığı gerekse yoğuşma açısından olumlu görülmektedir. Her iki kesitte de yalnızca 4. bölgede (DS= C) görülen yoğuşma, yönetmelikte verilen sınır değerlerini aşmadığı için zararsızdır. İçerden ısı yalıtım uygulaması olan 3, 4 ve 6 numaralı kesitler iç yüzey sıcaklığı ( IYS ) açısından olumlu olsa da yoğuşma açısından riskli kesitlerdir. 1. Bölge dışındaki tüm bölgelerde kesitlerde yoğuşma görülmekte, yoğuşma suyu kütlesi özellikle 4. bölgede 3 ve 4 numaralı kesitlerde sınır değerleri aşmasa da sınıra yakın olmakta, 6 numaralı kesitte ise sınır değeri ( W T =0.59kg/m 2 > 0.5 kg/m*) hava tabakası ile temas eden beton yüzeyde aşmaktadır. Isı yalıtım katmanının dış yüzünde yer alan soğuk beton panellerde, sıcaklığın ısı yalıtım katmanından sonra çok düşmesi, su buharının kesit içinde yoğuşmasına neden olmaktadır. Çok katmanlı kesitlerden 5 ve 7 numaralı kesitler 6 numaralı kesite göre çok daha olumlu görülmektedir. 5 numaralı kesitte 2, 3 ve 4. bölgelerde, 7 numaralı kesitte ise yalnızca 4.bölgede (DS= C) sınır değerlerden uzak, çok az miktarda yoğuşma görülmektedir. Bu kesitlerde ısı yalıtım katmanının iç kısmında yer alan beton elemanlar ısı depolama yapmakta, ısı yalıtım katmanının dış kısmındaki ince beton katmanlarda gerçek buhar basıncı değerleri düşük olmakta ve su buharı yoğuşmaya uğramadan geçebilmektedir. 7 numaralı kesit gerek iç yüzey sıcaklığı gerekse yoğuşma açısından en olumlu hazır beton duvar elemanı olarak görülmektedir. Bugün ülkemizde üretilmekte ve uygulanmakta hava boşluklu çok katmanlı sandviç panel olan 6 numaralı kesit ise tüm kesitler arasında en olumsuzudur. Bunun nedeni ısı yalıtım gerecinin içe bakan kısmında ısı depolama yapacak beton eleman kullanılmaması, 12 cm. kalınlığındaki tek beton panelin ısı yalıtımının dış yüzünde yer alması ve ısı yalıtımıyla bu beton panel arasında 1 cm. gibi yetersiz hava boşluğunun bırakılmasıdır. 5
TABLO 1.Kesitlerin iç yüzey sıcaklı ı ve yoğuşma kontrolü hesap sonuçları Kesit No 1 2 Hazır elemanın uygulanış kesiti (Dış-İç) 1.Çimento Sıva-3 cm. 2.Gazbeton Panel- cm. 3.Alçı Sıva-2 cm. 1.Çimento Sıva - 3 cm. 2.Gazbcton Panel-30 cm. 3-Alçı Sıva-2 cm. TEK KATMANLI HAZIR DUVAR ELEMANLARI DS ( C) İS ( C) 0( C) <3 1.92<3 2.15<3 2.90<3 0.9<3 7<3 1.53<3 2.07<3 İYS ( C) 1.62 1.0 17.5 17.10 19.02 1.63 1.47 17.93 Kesitte yoğuşma Var, WT=0.309 kg/m 2 Var, WT=0. 175 kg/m 2 3 4 l.bcton Panel- 12 cm. 2.İsı yal.(içlen, poliüretan köpük)- 3 cm. 3.Çimento Sıva - 2 cm. r 1.Beton Panel- 12 cm. 2.Isı yal.(içten, poliüretan köpük)-3 cm. 3.Çimento Sıva - 2 cm. ÇİFT KATMANLI HAZIR DUVAR ELEMANLARI 1.41<3 1.96<3 2.<3 2.97<3 7<3 1.90<3 2.13<3 2.7<3 1.59 1.04 17.0 17.03 1.63 1.10 17.7 17.13 Var, WT=0.193 kg/m 2 Standarda uvgun. Var, WT=0.269 İıg/nı 2 Standarda uvgıın. =0.475 kg/m 2 =0.10 kg/m 2 Standarda uvgun. Var, WT=0.255 kg/m 2 Var, WT=0.457 kg/m 2 ÇOK KATMANLI HAZIR DUVAR ELEMANLARI 5 6 7 l.beton-4 cm. 2.Isı yal.(poliüretan köpük)-4 cm. 3.Bcton-4 cm. 1.Beton - 12 cm. 2.Hava boşluğu - 1 cm. 3.1si Yalıtımı (iç)-3 cm. 4.Alçıpan levha 1.2 cm. l.koruma betonu-4 cm. 2.1sı yal. (Poliüretan Köpük)-4 cm. 3.Boşluklu beton-4 cm. 1.15<3 1.60<3 1.79<3 2.41<3 1.29<3 1.79<3 2.01<3 2.70<3 0.<3 1.<3 <3 1.6<3 1.5 1.40 1.21 17.59 1.71 1.21 17.99 17.30 19.12 1.77 1.62 1.14 Var, Wı=0.016 kg/m 2 Standarda uvcun. =0.04 kg/m 2 =Ü. 134 kg/m 2 Standarda Uvaun. =0.223 kg/m 2 Var, WT=0.325 kg/m 2 Standarda ııviinn. Var,W,=0.59>0.5 kg/m 2 Standarda uvgun deği Var, \V T =0.040 kg/m 2 4.SONUÇ Bu çalışmada incelenen ve ülkemizde uygulama kolaylığı nedeniyle sıkça kullanılan içerden yalıtımlı hazır beton elemanların özellikle ısı yalıtım yönetmeliğinde 4. derece gün bölgesine giren illerde kullanılmasından kaçınılmalıdır. Çok katmanlı panellerden ısı yalıtım katmanının iç kısmında ısı depolama yapacak beton katmanın yer aldığı paneller tercih edilmelidir. Dıştan yalıtımlı hazır beton elemanlar ise, oldukça iyi ısı depolama özelliğine sahip olduklarından gerek iç yüzey sıcaklığı gerekse yoğuşma açısından en olumlu kesitlerdir. 59
Sonuçta katmanlı kesit oluşumunda katmanların birbirine göre konumları, buhar geçirgenlik ve ısı yalıtım özellikleri çok önemlidir. Özellikle soğuk bölgelerde bu konuda çok dikkatli olunması gerekir. Uygulanacak her yapı kabuğunun, uygulandığı bölgenin iklim koşullarında yoğuşma kontrolünün yapılması gerekir. 5.KAYNAKLAR (1) Z..P. Pınar, "Prefabrike Yapılarda Yapı Kabuğunun Isısal Konfor Açısından İncelenmesi ve Değerlendirilmesi", Yüksek Lissans Tezi, YTÜ Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul, 1999, s. 15-19 (2) T.Göksal, "Beton Hazır Cephe Eleman Kuruluşları ve Uygulama Örnekleri", Beton Prefabrikasyon Dergisi, Nisan 1995, Sayı 34, S.9-14. (3).A.G. Barka ve M. Zorbozan, "Büyük Boyutlu Sandviç Cephe Panelleri ve Tasarım İlkeleri", Beton Prefabrikasyon Dergisi, Temmuz 1994, Sayı 31, s.5-9 (4) M. Şerefhanoğlu,, "Soğuk Hava Koşullarında Yapıların Dış Duvarlarının İç Yüzey Sıcaklıklarının Belirlenmesi ve Isısal Konfor Yönünden Değerlendirilmesi", Y.Ü.Basımevi, İstanbul, 193, s.2 (5)Anon, "Mecburi Standart Tebliği", T.C. Bayındırlık ve İskan Bakanlığı, Ankara 1999, s.21 (6)G. Zorer Gedik, "Soğuk İklim Bölgesinde Yalıtımlı Yapı Kabuğu Kesitlerinin İncelenmesi ve Değerlendirilmesi", Yapıda Yalıtım Konferansı Bildiriler Kitabı, İstanbul, 1999, s. 149 60