İstanbul teknik Üniversitesi Rektörlüğü Yapı ve Deprem Uygulama ve Araştırma Merkezi Arı Yolu, No:1 Maslak-İstanbul DIŞ CEPHE ISI YALITIMININ BİNA DEPREM GÜVENLİĞİ ÜZERİNE ETKİLERİ Teknik Rapor Hazırlayan Doç.Dr.Abdullah GEDİKLİ İ.T.Ü.İnşaat Fakültesi Ekim 2008, İstanbul
İZODER Isı Su Ses ve Yangın Yalıtımcıları Derneği Şerifali Çiftliği Hendem Cd. Kıble Sk. No:33 Yukarı Dudullu 34775 Ümraniye / İSTANBUL KONU: Dış cephe ısı yalıtım sistemleri; ısı yalıtım levhaları, ısı yalıtım yapıstırıcıları, özel dübeller, ısı yalıtım sıvaları ve son kat dekoratif kaplamlardan oluşmaktadır. Bu uygulamada ısı yalıtım levhaları yapıştırıcı ve dübeller ile sabitlenmektedir. Son zamanlarda yaygın olmamakla birlikte çok sayıda açılan dübel deliklerinin ve kullanılan malzemelerin binaya getirecegi ek yüklerin binaların güvenligini olumsuz yönde etkileyebilecegi endişesi kamuoyunda oluşmaya başlamıstır. Bu tür uygulamaların ülkemizdeki muhtelif bina tipleri için deprem güvenligini etkileyip etkilemedigi, etkiliyorsa ölçütünün ne olabilecegi konusunda teknik rapor hazırlanması. GİRİŞ Dış cephe ısı yalıtımında karşılaşılan soruların başında ek yüklerin ve dübel deliklerinin bir yapının deprem güvenliğini ne yönde etilediği gelmektedir. Yapıları çelik, betonarme, yığma ve karma yapılar olarak sınıflandırabiliriz. Çelik yapılar bu rapor kapsamı dışında kalmaktadır. Beton arme yapılar da kendi içinde tünel kalıp, perdeli, çerçeveli ve perde-çerçeveli sistemler olarak gruplara ayrılabilir. Yığma yapılar duvarları taşıyıcı nitelikte olan dolayısıyla taşıyıcı kesitleri diğer sistemlere göre en büyük olan sistemlerdir. Benzer durum betonarme tünel-kalıp sistemlerde de söz konusudur. Bu tarz yapılarda dış cephe ısı yalıtımı amacıyla açılacak dübel deliklerinin taşıyıcı sistemin kesitinde meydana getirecekleri kesit azalması önemsenmeyecek ölçüde az olacaktır. Betonarme kolon-kiriş sistemlerden oluşan taşıyıcı çerçevelerde kesitler diğer sistemlerdekine göre küçük olduğundan, bu tür sistemler diğer sistemlerden daha fazla risk altındadır. Ancak bu durumda dahi söz konusu risk kabul edilebilir mertebelerde olabilirmi? Bu raporun ana konusu bu soruya yanıt oluşturmaktadır.
DIŞ CEPHE ISI YALITIMINDA KULLANILAN MALZEMELER Dış cephe ısı yalıtım sistemlerinde kullanılan levhaların birim hacim ağırlıkları ve boyutları: Malzeme TS Levha Boyutları Maksimum Yoğunluk (mmxmm) EPS EN 13164 500x1000 25kg/m 3 30kg/m 3 XPS 7316 EN 13163 600x1250 35kg/m 3 Taşyünü 901 EN 13162 600x1200 150kg/m 3 Birim alanda kullanılan yapıştırıcı ağırlığı: 5kg/m 2 Levhaların üzerine uygulanan sıvanın birim alan ağırlığı: Katman Isı Yalıtım sıvası 5kg/m 2 Sıva Filesi 160gr/m 2 Son Kat Dekoratif Kaplama 3 kg/m 3 Maksimum Yoğunluk Dübel çap ve boyutları: Dübel yüzeyde en az 3cm genişlikte bir tutunma yüzeyine sabitlenmeli, gazbeton duvarlara en az 6cm, tuğla duvarlara en az 5cm ve beton duvarlara en az 4cm girmelidir. Delik boyu, dübel boyundan 1 cm büyük olacak şekilde açılmalıdır. Dübel uzunluğu: Yalıtım Kalınlığı + Yapıştırıcı kalınlığı (1-1,5cm) + Dış sıva kalınlığı (1,5-2cm) + Tutunma Yüzeyi Uzunluğu (Ankraj Derinliği) Delik Boyu: Dübel uzunluğu + 1cm Dübel Çapı: Ø8mm Dübel uzunlukları: 90mm-160mm Çelik ve plastik dübeller: Taşyünü ile yapılan dış cephe ısı yalıtım sistemi uygulamalarında çelik çivili dübeller kullanılmaktadır. Diğer ürünlerde ise plastik çivili dübeller kullanılmaktadır. DIŞ CEPHE ISI YALITIMINDA EK YÜKLERİN BİNA DEPREM GÜVENLİĞİNE ETKİSİ Yukarıdaki tablolardan görüldüğü üzere, taş yünü levhalar yoğunluğu en yüksek ısı yalıtım malzemesidir. Uygulamada taş yünü levha kalınlığının 10 cm den falza olmayacağı varsayımı ile duvar yüzeyine etkiyecek ek yük, Levha : 0.10x150 =15.0 kg/m2 Isı Yalıtım sıvası : 5.0 kg/m2 Sıva Filesi : - Son Kat Dekoratif Kaplama : 3.0 kg/m2 Toplam : 23.0 kg/m2
en fazla toplam 23.0 kg/m2 olacaktır. Kalınlığı 1.5 cm olan kum sıvanın dahi duvar yüzeyinde ağırlığı 0.015x2000 = 30 kg/m2 dir. Bu değer ek yüklerin yaklaşık 1.0 cm kalınlığında kum sıvaya karşı gelir ki acaba mantolama ile gelen ek yüklerin yapıya zararı olurmu? sorunun yersiz olduğu sonucuna varıyoruz. Örnek bir yapı üzerinde bu durumu mühendislik yönünden ele alalım. Hareketli yükler dahil olmak üzere bir binanın ağırlığı yaklaşık olarak 1 (ton/m2) x kullanım alanı (m2) şeklinde hesaplanabilir. Boyutları 20x20x3 m olan bir binanın bir kat ının yaklaşık ağırlığı W = 20x20x1 = 400 ton dur. Mantolama ile yapıya gelecek ek yük (23.0 kg/m2), pencere boşlukları dikkate alınmadan dahi W ek = 4x20x3x23.0 = 5.52 ton olur. Ek yükün yapının ağırlığına oranı W ek / W = %1.38 dir. Şimdi de bu ek yükün yapının hakim periyoduna etkisini araştıralım. Mart 2007 Türk Deprem Yönetmeliğine (2007TDY paragraf 2.7) göre Eşdeğer Deprem Yükü Yöntemi ile analiz yapılırsa Toplam Eşdeğer Deprem Yükü spektrum katsayısı (S) ve binanın ağırlığı ile doğru, deprem yükü azaltma katsayısı (R a ) ile ters orantılıdır (bkz. Deprem Yükü Azaltma Katsayısı, 2007TDY paragraf 2.5). Ele alacağımız örnek yapının hakim periyodu T A dan büyük olup ek yükler R a üzerinde etkiye sahip değildir. Spektrum katsayısı zemin cinsine bağlı olarak şekilde verildiği gibi belirlenir (2007TDY paragraf 2.4.3): Taşıyıcı sistemi kolon-kirişlerden oluşan 15 katlı bir yapının hakim periyodu yaklaşık 0.10x15 =1.50 saniyedir. Kütle (m), rijitlik (k) ve periyod (T) arasındaki ilişki T = 2 π m/ k olduğuna göre yapının mantolama yapıldıktan sonraki periyodu T = 1 + m / mt = 1+ 0.0138T = 1.0069T mantolu ek Başka bir deyişle örnek olarak 15 katlı bir yapı için
T = 1.50 1.0069=1.510 saniye olarak hesaplanır. mantolu Zemin cinsinin en zayıf (Z4) olduğu varsayımı ile, yapı periyodunun (T, T mantolu ) gerek halde gerekse mantolu halde zemin hakim periyodundan büyük olduğu, dolayısıyla spektrum katsayısı her iki halde de S = 2.5( T / T) B 0.8 olarak hesaplanacaktır. Ek yükün spektrum katsayısına etkisi T 1 S = = S = S B 0.8 0.8 mantolu 2.5( ) ( ) 0.9945 Tmantolu 1.0069 olur. Toplam Eşdeğer Deprem Yükü (taban kesme kuvveti) ise, V = 1.0138 0.9945 V = 1.0082V mantolu olur. Yani taban kesme kuvveti %0.82 kadar artar. Yapıda katların yanal yerdeğiştirmeleri (bkz. 2007TDY paragraf 2.7.2.1 ve 2.7.2.3) taban kesme kuvveti ile doğru orantılı oluğundan göreli kat ötelemeleri de %0.82 artar. Yani d mantolu = 1.0082d olur. Başka bir deyişle izin verilen yanal yerdeğiştirme miktarı %0.82 kadar aşılacak demektir ki, yapı sınır değerde tasarlanmış olsa dahi bu fark göz ardı edilebilir sınırlar içinde kalır. Örneğin kat yüksekliği 3m ve deprem yükü azaltma katsayısı R=4 olan bir yapı için izin verilen göreli kat ötelemesi yaklaşık 1.5 cm dir. Bu denli küçük farklılıklar mühendislik açısından bir kaygı teşkil etmezler. Keza bu kadar küçük değişiklikler zaten asıl hesaplamalarda yüklerin belirlenmesi konusunda yapılan istatistiki kabuller ile dikkate alınmıştır. Kaldı ki bu yaklaşık hesapda pencere boşlukları dikkate alınmamış, dolayısıyla beklenen deprem yükünün göreli kat ötelemeleri üzerindeki etkisi %0.82 nin altında gerçekleşecektir. Yukarıdaki sonuçlardan anlıyoruz ki binanın deprem güvenliği dış cephe ısı yalıtımı yapılmadan önce ne ise (sadece ek yükler dikkate alındığında) sonrasında da aynıdır. DÜBEL DELİKLERİNİN TAŞIYICI SİSTEME ETKİSİ Konutlarda uygulanagelen tipik kiriş kesitleri aşağıdaki şekillerde gösterilmiştir. Aynı boyutlara sahip tablalı ve yatık kirişlerde basınca çalışan beton kesit alanı (şekilde temsili olarak koyu renkli kısımlar) dikdörtgen kiriştekinden büyüktür. Dolayısıyla bir dübel deliğinin olumsuz etkisi en fazla diktdörtgen kesitlerde görülür.
boşluk h h h b Tablalı b b Dikdörtgen Yatık Dış cephe ısı yalıtımında 1.0 m2 alana en fazla 12 dübel uygulanmaktadır. Başka bir deyişle dübel aralıkları ortalama olarak 1.0/12 = 28 cm den az değildir. 28 cm maksimum etriye aralığından (20 cm) daha büyük olduğundan dübel deliklerinin kirişte kesilme etkisi yaratması söz konusu olmaz. Betonarme bir yapı elemanında beton basınç, donatılar da çekme kuvvetlerini karşılar. Yani betonarme hesapları betonun çekme gerilmesi almadığı varsayımı ile yapılır. Dolayısıyla kesitin basınca maruz kalan bölümündeki dübel deliğinin etkisi söz konu olur. Dübel delikleri söz konusu olduğunda tek (çekme) donatılı kirişler, çift (çekme+basınç) donatılı kirişlere göre daha fazla etkilenirler. Bu nedenle tek donatılı kirişler ele alınacaktır. Kiriş kesiti kusursuz olduğunda (deliksiz) betonun taşıyabileceği kuvvet F = 0.85 f b kc c cd w 1 ve basınç bölgesinin yüksekliği kc 1 f yd = ρ 0.85 f cd d formülleriyle hesaplanır.dübel deliği (φ10.50) söz konu ise betonun taşıyabileceği kuvvet yaklaşık olarak, F = 0.85 f ( b kc A ) c cd w 1 delik
şeklinde elde edilebilir. Kirişin moment taşıma gücü ise aşağıdaki formülle hesaplanır. M F d kc r = ( /2) c 1 Delikli ve deliksiz durumda moment taşıma kapasitelerinin oranı küçük delik alanı söz konusu olduğunda, M A = 1 0.85 delik cd r, delikli r, ρbwd f yd f M olarak bulunur. Sonuç olarak kesit tesirlerinin %0.82 artışı (ek yükler) da dikkate alınacak olursa bir yapıdaki örnek kirişimizin taşıma kapasitesi mantolu durum için M = 1 A 1 0.85 delik cd r, mantolu r, 1.0082 ρbwd f yd f M olarak elde edilir. Burada her yapı elemanının tam kapasite çalıştığını varsayıyoruz. Örneğin kesit ölçüleri b w = 25 cm, h = 30...75 cm aralığında değişen, betonu C16...30 ve donatısı S420 olan kirişlere açılan φ10/50 1 deliğin kirişlerin taşıma kapasitelerini ne ölçüde azaltacığını belirlemeye çalışalım. Ayrıca izin verilen çekme donatısı oranlarını (ρ=0.8 f ctd /f yd, TDY paragraf 3.4.2.1) 0.002 ile 0.02 aralığında düşünelim. Dübel delik alanı A delik = 5 cm2, faydalı yükseklik d = h-2 olur. f cd = f ck /1.5 ve S420 için f yd = 365 Mpa olur. Bu değerler kullanılarak, kiriş eğilme kapasitesinin, kiriş yüksekliğine, çekme donatısı oranına ve beton dayanım sınıfına bağlı olrak nasıl değiştiği aşağıdaki grafikte sunulmuştur. 1.00 ρ = 0.020 0.95 Mr,mantolu/Mr, 0.90 0.85 0.80 C16 C20 C25 C30 ρ = 0.002 0.75 0.70 30 40 50 60 70 d (cm) 1 Uygulamada kullanılan dübel çapı 8 mm ve beton yüzeylerde delik derinliği 50mm dir. Pas payı ve sıva kalınlıkları göz ardı edilmiştir.
Grafikten de anlaşıldığı üzere, üzerinde dübel deliği bulunan bir kirişin kesit yüksekliği azaldıkça, beton dayanım sınıfı yükseldikçe ya da çekme donatısı oranı azaldıkça kirişin eğilme kapasitesinde azalma gözlenmektedir. Yönetmeliklere uygun yapıldığı varsayılıp örnek olarak ele alınan yapıda dış cephe ısı yalıtımı yapılması halinde yapının taşıma gücü önceki halinin %98 ile %75 olur. Dış cephe kirişleri çoğunlukla yarım tablalı ya da yatık kirişlerdir ve dübel deliğinin bir kısmı da sıva içinde kalır ki bu durumlar dikkate alındığında kapasite azalma oranlarının daha yüksek (olumsuz etkilerin daha az) olacağı açıktır. Unutulmamalıdır ki ele aldığımız örnekte en olumsuz durum öngörülmüştür ve ayrıca bir yapının tüm elemanlarının aynı anda tam kapasite çalıştığını söylemek pek mümkün değildir. Yönetmeliklerde izin verilen minimum kolon kesitleri kiriş kesitinden daha küçük değildir. Dolayısıyla dübel delikleri kolonlarda kirişlerde olduğundan daha fazla etkiye sahip olmayacaktır. Bu nedenle kolonlar için örnekleme yapılmasına gerek duyulmamıştır. SONUÇ Mevcut bir yapı üzerinde açılacak deliklerin, tasarımda öngörülmeyen ek yüklerin yapı üzerinde hiçbir etkisi olmayacağını söylemek doğru olmaz. Ancak bu etkinin kabul edilebilir ölçülerde sınırlı kalıp kalmadığından söz edilebilir. Yönetmeliklere uygun yapılmış bir yapıda, dış cephe ısı yalıtımının ilgili yönetmeliklere uygun olarak yapılması halinde, yapının taşıma gücünde kayda değer bir azalma olmayacağı yukarıda yapmış olduğumuz inceleme sonucunda görülmüştür. KAYNAKLAR 1. Türk Deprem Yönetmeliği Mart 2007, T.C. Bayındırlık ve İskan Bakanlığı Afet İşleri Genel Müdürlüğü Deprem Araştırma Dairesi, www.deprem.gov.tr 2. TS500 Betonarme Yapıların Hesap ve Yapım Kuralları, Türk Standartları Enstitüsü, Ankara, 2000. 3. TS 498 (1987), Yapı Elemanlarının Boyutlandırılmalarında Alınacak Yüklerin Hesap Değerleri, Türk Standartları, Enstitüsü, Ankara 4. Z. Celep ve N. Kumbasar, Betonarme Yapılar, 2. baskı, Beta Dağıtım, 1998. 5. U. Ersoy, Betornarme Temel İlkeler ve Taşıma Gücü Hesabı, Evrim Yayınevi, 3.baskı, 1985. 6. M. Yalçın, Isı Yalıtımının Önemi, Isı Yalıtım Malzemeleri, TermoKlima, Ocak 1995 Doç.Dr. Abdullah GEDİKLİ İ.T.Ü. İnşaat Fakültesi 34469-Maslak/İstanbul