Ahşap-çelik hibrit yapısal sistemlerin performanslarının yapısal davranış, maliyet ve çevresel etki açısından karşılaştırılması
Comparison of the performance of timber-steel hybrid structural systems in terms of structural behavior, cost and environmental impact
- Tez No: 1002773
- Danışmanlar: DOÇ. DR. HALET ALMILA BÜYÜKTAŞKIN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Mimarlık, Architecture
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2026
- Dil: Türkçe
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Mimarlık Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Çevre Kontrolü ve Yapı Teknoloji Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Son yıllarda yapı sektöründe sürdürülebilirlik, kaynak verimliliği ve karbon salımının azaltılması gibi konuların ön plana çıkmasıyla birlikte, geleneksel tek malzemeli taşıyıcı sistemler yerine farklı malzemelerin avantajlarını bir arada kullanan hibrit yapı sistemlerine olan ilgi artmıştır. Bu bağlamda ahşap-çelik hibrit yapılar, ahşabın düşük karbon ayak izi ve hafifliği ile çeliğin yüksek dayanım ve süneklik özelliklerini birleştirerek hem yapısal performans hem de çevresel sürdürülebilirlik açısından önemli bir alternatif sunmaktadır. Ancak bu tür hibrit sistemlerin yalnızca yapısal davranış açısından değil, aynı zamanda ekonomik ve çevresel etkilerinin birlikte değerlendirilmesi gerekmektedir. Bu tez çalışmasının amacı, ahşap-çelik hibrit yapısal sistem örneklerinin performanslarını yapısal davranış, maliyet ve çevresel etki kriterleri çerçevesinde bütüncül bir yaklaşımla karşılaştırmalı olarak incelemektir. Bu doğrultuda, ahşap ve çeliğin farklı yapısal eleman konfigürasyonlarında kullanıldığı dört taşıyıcı sistem alternatifi seçilmiş ve her bir sistem aynı tasarım koşulları altında analiz edilmiştir. Yapısal performans değerlendirmesi, SAP2000 yazılımı kullanılarak gerçekleştirilen doğrusal analizler sonucunda elde edilen veriler üzerinden yapılmıştır. Deprem etkileri altında yapıların davranışını temsil etmek amacıyla maksimum taban kesme kuvveti, yer değiştirme ve ivme değerleri temel yapısal parametreler olarak seçilmiştir. Elde edilen sonuçlar irdelenmiştir. Ekonomik değerlendirme kapsamında, taşıyıcı sistemlerde kullanılan yapısal elemanlara ait malzeme miktarları belirlenmiş ve güncel birim maliyetler esas alınarak toplam yapısal maliyetler hesaplanmıştır. Çevresel etki analizi ise yapı malzemelerinin birim kütle/hacim başına karbon emisyonu (GWP) değerleri kullanılarak gerçekleştirilmiş ve her bir taşıyıcı sistem için toplam karbon emisyonu değerleri elde edilmiştir. Maliyet ve karbon emisyonu verileri de taşıyıcı sistem alternatifleri için karşılaştırılmıştır. Çalışmanın son aşamasında, yapısal performans, maliyet ve karbon emisyonu değerleri birlikte ele alınarak taşıyıcı sistemlerin genel performansları değerlendirilmiştir. Bu çok kriterli değerlendirme yaklaşımı sayesinde, sistemlerin yalnızca yüksek yapısal performans göstermesi değil, aynı zamanda ekonomik olarak uygulanabilir ve çevresel açıdan sürdürülebilir olması da dikkate alınmıştır. Elde edilen bulgular, ahşap-çelik hibrit yapı sistemlerinin farklı tasarım önceliklerine göre değişen performans özelliklerine sahip olduğunu ve tasarım sürecinde tek bir kriter yerine çok kriterli bir değerlendirme yapılmasının gerekliliğini ortaya koymaktadır. Çalışma kapsamında incelenen dört farklı taşıyıcı sistem arasında, yapısal analiz sonuçları bakımından belirgin farklılıklar olduğu görülmüştür. Taban kesme kuvveti açısından CLT panel (çapraz lamine ahşap) döşeme ve CLT perde duvara sahip çelik çerçeve sistemi (Tasarım-3) en düşük değerlere sahipken, maksimum deplasmana bakıldığında CLT döşeme ve çelik çaprazlı çelik çerçeve sistemi (Tasarım-4) daha rijit bir davranış sergilemiştir. İvme değerleri incelendiğinde ise en yüksek değerler Tasarım-4'te, en düşük değerler trapez sac üzeri beton döşemeli ve CLT perde panelli çelik çerçeve sisteminde (Tasarım-2) elde edilmiştir. Bu bulgular, taşıyıcı sistem performansının tek bir yapısal parametre ile tanımlanamayacağını ortaya koymaktadır. Yapısal performans göstergelerinin birlikte değerlendirilmesi sonucunda en iyi yapısal performansın Tasarım-3'e ait olduğu belirlenmiştir. Maliyet açısından trapez sac üzeri beton döşemeli ve çelik çaprazlı çelik çerçeve sistemi (Tasarım-1) en ekonomik çözüm olarak öne çıkarken, CLT kullanımının yapı elemanlarında yoğun olduğu Tasarım-3 en yüksek maliyetli alternatif olmuştur. Çevresel etki (GWP) sonuçları bakımından, Tasarım-3'ün en avantajlı sistem olduğu görülmektedir. Yapısal performans, maliyet ve çevresel etkinin birlikte değerlendirildiği genel performans sonuçlarına göre ise Tasarım-4, en uygun taşıyıcı sistem alternatifi olarak belirlenmiştir.
Özet (Çeviri)
The global construction industry is undergoing a transformative process in line with sustainability goals, as it is responsible for a significant portion of total energy consumption and carbon emissions. Although reinforced concrete and steel, commonly used in traditional structural systems, possess some advantages like high load-bearing capacities, they impose a substantial environmental burden due to the high energy intensity inherent in raw material extraction and production processes. At this juncture, timber stands out as a renewable resource with the capacity for carbon sequestration during its growth cycle. In recent years, with the increasing emphasis on sustainability, resource efficiency, and the reduction of carbon emissions in the construction sector, interest has grown in hybrid structural systems that combine the advantages of different materials, rather than relying on traditional single-material load-bearing systems. In this context, timber–steel hybrid structures offer a significant alternative in terms of both structural performance and environmental sustainability by combining the low carbon footprint and lightweight nature of timber with the high strength and ductility characteristics of steel. However, such hybrid systems need to be evaluated not only in terms of structural behavior but also through a combined assessment of their economic and environmental impacts. The aim of this thesis is to comparatively examine the performance of timber–steel hybrid structural system examples within a holistic framework based on structural behavior, cost, and environmental impact criteria. Accordingly, four load-bearing system alternatives in which timber and steel are used in different structural element configurations were selected, and each system was analyzed under the same design conditions. In this study, four distinct hybrid structural system designs were developed and evaluated under the same floor plan and architectural constraints. Design variations arise solely from the structural configuration and material distribution; all conditions affecting structural behavior—geometry, loads, story height, and connection assumptions—were kept constant across all models. Thus, it was intended that any observed differences in performance stem entirely from the material choices within the structural system. For all buildings, the base dimensions are 15 m x 18 m, with a total floor area of 270 m². The structures consist of four stories with a story height of 3 m, reaching a total height of 12 m. Grid spacings were selected as 6 m along the x-axis and 5 m along the y-axis. For the steel elements utilized in the designs, the modulus of elasticity was taken as 210 GPa, the shear modulus as 81 GPa, and poisson's ratio as 0.3. These values are compliant with the parameters specified in the Regulation on the Design and Construction of Steel Structures (ÇYTHYE). For concrete components, C25 class concrete was employed. The mechanical properties for timber materials were determined in accordance with CLT (Cross-Laminated Timber) grades and glulam material characteristics. Accordingly, the modulus of elasticity for CLT panels was defined as 11 GPa, and the shear modulus as 690 MPa. A key assumption in the modeling process is that the connection zones are considered semi-rigid, ensuring they do not disproportionately reduce global stiffness. Furthermore, steel-to-timber connections were represented in alignment with bolted and plate-reinforced connection behaviors commonly cited in the literature. The details of the designed structures are as follows: • Design-1 consists of a steel frame with a composite slab (concrete over trapezoidal steel decking) supported by steel bracing. Here, vertical loads are carried by steel columns and beams, while lateral loads are resisted by bracing elements placed within the steel frames. The steel-braced system provides rigidity against lateral effects such as earthquakes and wind, limiting inter-story drift. • Design-2 is a steel frame system with Cross-Laminated Timber (CLT) shear walls and a composite slab over trapezoidal steel decking. While vertical loads are borne by steel columns and beams, CLT shear walls play an active role in resisting lateral loads. • Design-3 comprises CLT shear walls integrated into a steel frame with CLT floor slabs. Vertical loads are transferred to the steel beams and columns through CLT slabs, while CLT shear walls resist lateral loads. This system is significantly lighter than a steel frame with concrete slabs. The relatively low weight of CLT elements contributes to limiting seismic effects by reducing the total mass of the structure, while their suitability for prefabrication accelerates the construction process. • Design-4 features a steel-braced steel frame system with CLT floor slabs. In this configuration, CLT slabs transfer vertical loads to the steel frame, which forms the primary skeleton, while steel braces handle lateral loads. The lightness of the CLT slabs reduces the total mass, thereby mitigating seismic impact. When comparing the weights of these designs, Design-2 was the heaviest at 5030.2 kN, followed by Design-1 at 4571.9 kN. Design-3 ranked third with a weight of 1799.9 kN, while Design-4 was the lightest at 1263.3 kN. The structural performance evaluation was carried out based on the results obtained from linear analyses performed using the SAP2000 software. Seismic loads compliant with the Turkish Seismis Code (TBDY-2018) were defined for each model. To represent the behavior of the structures under seismic effects, base shear force, maximum displacement, and acceleration values were selected as the primary structural parameters. The obtained results were examined. Within the scope of the economic evaluation, the quantities of structural elements used in the load-bearing systems were determined, and total structural costs were calculated based on current unit material costs. The environmental impact analysis was conducted using the 'craddle to grave' carbon emission (Global Warming Potential, GWP) values per unit mass/volume of the construction materials, and total carbon emission values were obtained for each load-bearing system. Cost and carbon emission data were also compared for the load-bearing system alternatives. In the final stage of the study, the overall performances of the structural systems were evaluated by considering structural performance, cost, and carbon emission values together. Since these values are not directly comparable, they were transformed into values between 0(min) and 1(max) using the max-min normalization method, rendering each parameter dimensionless. To represent structural performance as a single parameter, the average of normalized base shear, acceleration, and displacement values was calculated. Subsequently, a weighted total of the normalized structural performance, cost, and environmental impact values was calculated to obtain the general performance score. Coefficients of 0.4, 0.3, and 0.3 were used for weighting, respectively. This weighting reflects that structural safety is the priority, while economic and environmental criteria are also essential decision parameters. This multi-criteria evaluation approach ensures that systems are considered not only for high structural performance but also for economic viability and environmental sustainability. Among the four load-bearing systems examined in this study, significant differences were observed in terms of structural analysis results. In terms of base shear force, the steel frame system with CLT slabs and CLT shear walls (Design-3) exhibited the lowest values, while the steel frame system with CLT slabs and steel bracing (Design-4) demonstrated a stiffer behavior when maximum displacement values were considered. An examination of acceleration values revealed that the highest values were obtained for Design-4, whereas the lowest values were observed for the steel frame system with concrete slab on trapezoidal steel decking and CLT shear wall panels (Design-2). These findings indicate that the performance of load-bearing systems cannot be defined by a single structural parameter. Based on the combined evaluation of structural performance indicators, Design-3 was identified as the system with the best overall structural performance. In terms of cost, the steel frame system with concrete slab on trapezoidal steel decking and steel bracing (Design-1) emerged as the most economical solution, while Design-3, which in which the use of CLT in structural elements is intensive, proved to be the most costly alternative. In terms of environmental impact (GWP) results, Design-3 is observed to be the most advantageous system. According to the overall performance results obtained through the combined assessment of structural performance, cost, and environmental impact, Design-4 was determined to be the most suitable load-bearing system alternative.
Benzer Tezler
- Hibrit döşeme kirişleri: Tarihsel gelişim, tasarım örnekleri ve performans değerlendirmeleri
Hybrid floor beams: Historical development, design examples and performance evaluations
TUĞÇE SOYTAŞ İNCİLİ
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Mimarlıkİstanbul Teknik ÜniversitesiMimarlık Ana Bilim Dalı
PROF. DR. OĞUZ CEM ÇELİK
- Ahşap esaslı hibrit sistemler: Uzman görüşleriyle bir değerlendirme
Wood-based hybrid systems: An evaluation through expert opinions
İREM TOMAKİN TURHAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2025
MimarlıkGebze Teknik ÜniversitesiMimarlık Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. SANİYE KARAMAN ÖZTAŞ
- A multidimensional evaluation of timber as a structural system in the turkish construction sector
Türk inşaat sektöründe taşıyıcı sistem olarak ahşap kullanımının farklı açılardan değerlendirilmesi
SEDA İLHAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2025
Mimarlıkİzmir Ekonomi ÜniversitesiMimarlık Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ İLKER KAHRAMAN
- Endüstriyel ahşap ürünlerin ahşap hibrit yapılarda kullanımı: örnek yapılar üzerinden değerlendirme
The use of industrial wood products in wooden hybrid structures: evaluation on sample buildings
HÜSNA AL ADAK
- Yenilenebilir hibrit bariyer tasarımı ve çarpışma performansının belirlenmesi
Renewable hybrid barrier design and determination of crash performance
EMRE BİRİNCİ
Doktora
Türkçe
2021
Ağaç İşleriKarabük ÜniversitesiOrman Endüstri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. HÜSEYİN YÖRÜR
DR. ÖĞR. ÜYESİ HALİL İBRAHİM YUMRUTAŞ