The Concrete Centre, yapısal sistemi değiştirerek beton çerçeveli binaların içerdiği karbonu azaltmak amacıyla beton yapıların yalın ve verimli tasarımına ilişkin en iyi uygulama kılavuzunu geliştirmek için Cembureau ve Arup ile birlikte çalışmaktadır. En iyi uygulama kılavuzu, ortaklar tarafından yürütülen bağımsız araştırma ve tasarım karşılaştırmalarına dayanmaktadır. Bu yazıda, The Concrete Centre tarafından hazırlanmış olan Concept yazılımı kullanarak ortaya konulan çalışmanın bir ön izlemesi sunulmaktadır. Kapsamlı rehberin 2022’nin başlarında The Concrete Centre tarafından yayımlanması bekleniyor.
Yapısal sistem değiştirilerek betonarme çerçeveli binalardaki karbon içeriğinde önemli azaltımlar yapılabilir. Bu yazıda, beton karışımı tasarımının etkisinden ziyade yapısal tasarımın etkisine odaklanılmaktadır. Bu yazı, tasarımcılara standart bir sistem olarak mevcut olan en verimli tasarımı seçmeleri için bilgi sağlamaktadır. Birleşik Krallık’ta halihazırda mevcut olmayan sistemler kullanılarak daha da verimli tasarımların yapılması mümkündür. Bu kısa kılavuzun odak noktası, karbon tasarrufunun hemen yapılabileceği hazır sistemlerdir.
Bu yazıdaki grafikler, 13 farklı sistemi kapsayan The Concrete Centre Concept yazılımına [1] ve buna karşılık The Concrete Centre yayını Economic Concrete Frames Elements (ECFE) [2]’ye dayanmaktadır.
Gömülü karbon, malzemelerin üretilmesinden dolayı salınan tüm CO2 anlamına gelir. Ham maddeleri çıkarmak ve taşımak için kullanılan enerjinin yanı sıra üretim süreçlerinden kaynaklanan emisyonlarda gömülü karbona dahildir. Bir binanın gömülü karbonu; inşaat malzemelerinden, inşaat sürecinden, içindeki tüm armatürlerden ve bağlantılardan kaynaklanan tüm emisyonları ve ayrıca kullanım ömrünün sonunda yapının sökülmesi ve elden çıkarılmasından kaynaklanan tüm emisyonları içerebilir.
Tasarım, yapı açıklığına ve uygulanan yüklere bağlıdır. Gömülü karbon açısından en verimli beton yapı, en düşük yük ile daha kısa açıklıkları içerir. Düz (kirişsiz) plaklar (döşeme) düşünülürse, 7 m2‘lik bir grid (ızgara) için uygulanan 5.0 kN/m2‘lik bir yük için gömülü karbon, 2.5 kN/m2‘lik bir yüke kıyasla %9 daha yüksektir ve uygulanan 10 kN/m2‘lik bir yük için gömülü karbon %42 daha yüksektir. 10 m’lik bir açıklık ve 2.5 kN/m2‘lik bir yük için gömülü karbon, aynı yüke sahip 5 m’lik bir açıklıktan %83 daha yüksektir. Bu durum, yapının gömülü karbonu göz önünde bulundurularak, müşteri ve mimar/mühendis ile yük ve açıklık tartışılırsa önemli tasarruflar yapılabileceğini göstermektedir.
Uzun yıllar boyunca, en uygun maliyetli yapısal sistem ve Birleşik Krallık’taki çoğu beton çerçevelerde kullanılan sistem, kirişsiz döşeme (flat slab) olmuştur. Bu, yapının ve kalıbın basitliğinden kaynaklanmaktadır. Kalıbın maliyeti, beton çerçevenin maliyetinin yaklaşık yarısı kadardır ve bu nedenle düz bir döşemenin basit kalıbı ve kolay inşa edilebilirliği, onu en çok tercih edilen seçenek haline getiren ana faktörler olmuştur. Bununla birlikte, kirişsiz döşeme normalde malzemenin en verimli kullanımı değildir ve diğer seçeneklerden daha yüksek bir karbon değerine sahip olabilir.
Malzeme açısından daha verimli döşemeler genel olarak daha kalın olduğundan, genel sistemin kalınlığı bu kılavuza dahil edilmiştir. Kirişli, dişli veya kaset döşemelerin tümü, geleneksel kirişsiz döşemeden daha kalındır. Çok fazla olasılık olduğu için kullanılan kaplama sisteminin gömülü karbonu dahil edilmemiştir, ancak daha kalın bir döşeme normalde daha geniş bir alan gerektiğinden kaplamanın toplam gömülü karbonunu artırma etkisine sahip olacaktır. Kıyaslama çalışmasında, kolonların ve temelin gömülü karbonu dahil edilmemiştir.
Gömülü karbon düşünüldüğünde binayı bir bütün olarak ele almak önemlidir. Bu çalışmadaki grafikler yalnızca betonarme döşeme için gömülü karbonu verir.
Bu kısa kılavuzdaki gömülü karbon verileri, yalnızca Şekil 1’de görüleceği üzere EN 15978 yaşam döngüsü aşamalarının A1-A3 aşamalarını kapsar. Binanın pratik olarak tamamlanmasından önce şantiyeye ve inşaata nakliye için ek gömülü karbon olacaktır.
Bu yayındaki tasarımlar, özel olarak maliyet için optimize edilmemiştir ancak yapısal sistem türleri için en uygun maliyetli olacaktır. Ayrıca inşaat hızı için de optimize edilmemişlerdir.
Şekil 1 – Yaşam döngüsü aşamaları
Karbon faktörü
Kullanılan gömülü karbon verileri, CEM II/A (%20 mineral katkılı) çimentolu tipik bir yapısal betona dayanmaktadır. Bu tip çimento her ülkede kolayca bulunabilir ancak daha düşük karbonlu çimentolar ve betonlar da mevcuttur, ancak bu kısa kılavuzda ele alınmamıştır. Tüm döşeme tipleri için (ard-germeli döşeme hariç) beton dayanımı C30/37 olarak alınmıştır. Bunun nedeni kısmen ECFE tablolarının C30/37’ye dayalı olmasıdır. Ard-germeli plakalar, erken yaşta gerdirme biraz daha yüksek dayanım gerektirdiğinden C32/40 betonuna dayanmaktadır.
Çelik donatının karbon faktörü 760 kgCO2/m2 olarak alınmıştır [3]. Ard-germe tendonları için karbon faktörü 1000 kgCO2/m2 olarak alınmıştır. Aşağıdaki grafiklerde verilen gömülü karbon değerleri, gösterilen tasarımlar için minimum gömülü karbon olarak alınmamalıdır ancak yükleme, sistem tipi ve grid için farklı yapısal seçenekler arasındaki karşılaştırmayı göstermeyi amaçlamaktadır. Betonun özellikleri değiştirilerek ve donatının kaynağı kontrol edilerek daha düşük gömülü karbon değerleri elde edilebilir. Projenin alanında hangi düşük karbonlu çimentoların mevcut olduğunu bilmek önemli olduğundan ve tedarikçi, uygulama ve performans gereksinimleri için en düşük karbon içeriğine ulaşmak için alternatifler sunabileceğinden dolatı beton tedarikçisini erken bir aşamada dahil edilmesi önerilir.
Tablo 1 – Beton dayanım sınıfı bazında gömülü karbon miktarı
Döşeme tipi
Bu çalışma için dört farklı yükleme koşulunda ve 4m ile 12m arasında açıklıklara sahip on farklı beton döşeme tipi incelenmiştir. Döşemenin gömülü karbonu ve herhangi bir destek kirişi grafiklerde gösterilmektedir.
En iyi çözüm, binanın tüm yaşam boyu karbon kullanımını göz önünde bulundurarak müşterinin, yüklenicinin ve tasarım ekibinin gereksinimlerini birleştiren çözüm olacaktır.
Yük
Grafiklerden görülebileceği gibi, tüm yapısal sistemlerin gömülü karbonu, döşeme üzerindeki yükten önemli ölçüde etkilenir. MEICON [4] çalışması, döşemeler için tasarım yüklemesinin genellikle standardın (EN1991-1-1) gerektirdiğinden daha büyük olarak alındığını göstermiştir. Yüklemedeki bu artış, çoğu durumda, koddaki izinler neredeyse tüm akla gelebilecek kullanımları kapsadığından, kullanımda daha fazla esneklik sağlamaz. Uaudl (nihai uygulanan düzgün yayılı yük), hareketli yük (LL) ve üst üste bindirilmiş ölü yük (SDL) olan, EN1990’a göre, 6.10b ifadesinin kullanıldığı varsayılarak çarpanlara ayrılan nihai uygulanan tek biçimli dağıtılmış yüktür.
Uaudl = 1.25 SDL + 1.5LL
Üst üste binen ölü yük (SDL), hizmetler, zemin ve tavan kaplamaları gibi kalıcı kaplamaların yüküdür. Tablo 2’de gösterildiği gibi bindirilmiş ölü yükler için bir tolerans yapılmıştır.
Kaplama aynı zamanda döşemenin kenarını da yükleyecektir ve kaplamanın 10 kN/m’lik bir yük yükleyeceği varsayılmaktadır.
Tablo 2 – Grafiklerde kullanılan yükler
Grid(ızgara) boyutu
Kolon açıklığı, yapısal sistemin gömülü karbonu üzerinde önemli bir etkiye sahiptir. 6 m’lik bir düz kütüğün şekillendirilmiş karbonu, 12 m’lik bir düz döşemenin gömülü karbonunun yarısından azdır. Bu kılavuzdaki değerler, kolonların boyutları kat sayısına bağlı olduğundan, kolonların gömülü karbonunu içermemektedir. Bununla birlikte, kolonlar, 4 m’lik bir grid için döşeme ve kirişlerdeki gömülü karbonun yaklaşık %15’i ve 8 m’lik bir grid için %5’tir. Bu, gömülü karbonun çoğunun çok kısa açıklıklar için bile döşemede olduğu anlamına gelir.
Kalınlık
Herhangi bir kiriş dahil olmak üzere tam derinlik sistemi (overall depth system), grafiklerde verilmiştir. Çünkü bu, gömülü karbonla birlikte önemli bir husustur. Daha kalın kirişler için kiriş ağındaki deliklerden hizmet almak (tesisat gibi) mümkündür, ancak daha sığ kirişler için herhangi bir hizmetin kirişin altından geçmesi gerekir. Bu, hizmetleri hem daha pahalı hale getirebilir hem de daha fazla malzemeye ihtiyaç duyulacağı için daha yüksek karbon içeriğine sahip olabilir. Hangisinin en uygun çözüm olduğu analiz edilirken bu dikkate alınmalıdır.
Temeller
Bu çalışmada temeller dikkate alınmamıştır.
Betonarme çerçeveli bir binanın faydaları
Bu çalışmada bir bütün olarak binaya değil, sadece yapıdaki gömülü karbona bakılmıştır. Yapı belirlenirken binanın ihtiyaç duyduğu tüm yaşam boyu karbon emisyonu dikkate alınmalıdır. Bu yayındaki tüm çözümler betonarme çerçeveli binalardır, bu nedenle termal kütle, doğal yangın direnci ve iyi akustik performanstan yararlanılmaktadır. Beton ayrıca duvarlar, kolonlar ve tavan için bitmiş yüzey sağlayarak tüm binanın içerdiği karbonu azaltabilir ve böylece diğer malzemelerin kullanımını azaltabilir. Betonarme yapılar dayanıklıdır ve az bakım gerektirir, böylece yapı uzun yıllar orijinal amacı için veya farklı bir amaç için yeniden kullanılabilir.
Termal kütle
Beton bir yapı, yüksek bir termal kütleye sahiptir. Açıkta kalan yüzeyler, enerji depolamasına izin vererek sıcaklık değişimlerini düzenler. Bu; yapının ve yapının inşasıyla ilişkili gömülü karbonu, ilk tesis maliyetlerini ve devam eden operasyonel karbonu azaltabilir.
Yangın
Doğal yangın direnci, beton yapıların genellikle ek yangın koruması gerektirmediği anlamına gelir. Bu, uygulanan herhangi bir yangın koruması ile ilişkili gömülü karbonu ve bu yangın korumasına yönelik süreyi, maliyetleri ve devam eden bakımı ortadan kaldırır. Aşağıdaki grafiklerde kabul edilen döşeme ve kiriş kalınlıkları ve kaplama gereksinimleri bir saatlik yangına dayanıklılık içindir. Yangına dayanıklılık süresi bir saatten fazla ise pas payı gereksinimlerinde hafif bir artış olabilir.
Akustik
Beton iyi bir akustik yalıtım sağlar. Bina Yönetmeliklerini karşılamak için genellikle duvarlara ve zeminlere ek kaplamalar gerekir. Betonun doğal kütlesi, ek yüzeylerin bazen en aza indirilebileceği veya hatta ortadan kaldırılabileceği anlamına gelir.
Aşağıdaki grafiklerde, örneğin daireler arasında akustik yalıtımın sağlanması için gerekli olabilecek herhangi bir ek döşeme kütlesi için herhangi bir pay verilmemiştir. Gerekiyorsa, ek bir işlem ekleneceği veya gereksinimlerin karşılanması için döşeme kalınlığının değiştirileceği varsayılmaktadır.
Titreşim
Beton binalarda, çoğu kullanım için titreşim kriterleri, normal tasarımda herhangi bir değişiklik yapılmadan karşılanır. Laboratuvarlar veya hastaneler gibi bazı kullanımlar için ek önlemler gerekebilir. Hastane zeminlerinin titreşim performansına ilişkin bağımsız bir çalışmada [5] beton, katı kriterleri karşılamak için önemli değişikliklere en az ihtiyaç duyan çözüm olarak ortaya çıkmıştır. Bu durum, kullanımda değişiklik için büyük bir esneklik sağlar ve ekstra kütle ve sertlik sağlamanın gömülü karbon ilavesini önler.
Kolonlarda gömülü karbonunun karşılaştırılması
Şekil 3 (a-c), beton dayanımının, donatı yüzdesinin ve en-boy (h/b) oranının değiştirilmesinin kolonların gömülü karbonu üzerindeki etkisini göstermektedir. Daha az donatı yüzdesine ve daha yüksek dayanımlı betona sahip kare kolon (h/b=1) kullanmanın daha düşük bir gömülü karbon sağlayacağı görülmektedir. İncelenen kolonların yüksekliği 3.5 metredir.
Şekil 3a – Beton dayanım sınıfının gömülü karbona etkisi Şekil 3b – Çelik donatı yüzdesinin gömülü karbona etkisi Şekil 3c – h/b oranının gömülü karbona etkisi
Şekil 4 – Döşeme tipleri
Şekil 5a – Gömülü karbon (kgCO2/m2) LL=2.5kN/m2Şekil 5b – Tüm sistem derinliği (overall system depth) LL=2.5kN/m2 Şekil 6a – Gömülü karbon (kgCO2/m2) LL=5/m2 Şekil 6b – Tüm sistem derinliği (overall system depth) LL=5kN/m2 Şekil 7a – Gömülü karbon (kgCO2/m2) LL=7.5kN/m2 Şekil 7b – Tüm sistem derinliği (overall system depth) LL=7.5kN/m2 Şekil 8a – Gömülü karbon (kgCO2/m2) LL=10kN/m2 Şekil 8b – Tüm sistem derinliği (overall system depth) LL=10kN/m2
Sonuç olarak; döşeme tipi, açıklıklar ve yükler betonarme çerçeveli bir yapının gömülü karbonunda çok önemli bir fark yaratır. Bununla birlikte, gömülü karbon bina düzeyinde değerlendirilmelidir.
Concept V4 can be accessed at www.concretecentre.com/concept
Economic Concrete Frame Elements – a handbook for the rapid sizing of concrete frames, The Concrete Centre, 2009
How to calculate embodied carbon, IStructE, 2020
Minimising floor loading report, MEICON study, University of Cambridge, 2019
Hospital Floor Vibration Study, Comparison of Hospital Floor Structures with respect to NHS Vibration Criteria, Study commissioned by The Concrete Centre, 2004
BetonveCimento.com için Patreon üzerinden destekte bulunmak ister misiniz?
İnş.Yük.Müh. olan Yasin Engin, lisans ve yüksek lisans eğitimini Boğaziçi Üniversitesi'nde tamamlamıştır. 16 yıldır beton ve çimento sektöründe çalışmaktadır. Web sitesindeki tüm yayınlar Yasin Engin tarafından paylaşım amacıyla hazırlanmıştır. Yayınlar kaynak gösterilerek kullanılabilmektedir.
(yasin.engin@gmail.com)
