3.YAPISAL TASARIMI ETKİLEYEN FİZİKSEL SORUNLAR

1. 3.YAPISAL TASARIMI ETKİLEYEN FİZİKSEL SORUNLAR Yapısal tasarım kavramıyla, bir yapının mimari tasarım dışında kalan ve bina, mekan ve yapı elemanı düzeyinde tasarımını etkileyen strüktürel, konstrüktif, fiziksel, kimyasal ve teknolojik parametrelerin tümü kastedilmektedir. Bu bağlamda, yapı ve yapı elemanları ele alındığında bu parametrelerin her birisinin bu elemanları etkilediği açıktır. Dolayısıyla, yapıyı ve yapı ele- manlarını tasarlarken bu elemanlarda oluşan ısıl sorunların, su ve sesle ilgili, yangınla ilgili sorunların mutlaka ele alınması ve yapı elemanının bu sorunların üstesinden gelebilecek şekilde tasarlanmış olması kaçınılmaz bir zorunluluktur.

2. 3.1. YAPI ELEMANlNDA ISILSORUNLAR Mimarlığın temel elemanı olan mekanın insan yaşamının gerektirdiği her türlü konfor koşullarına sahip olması, mimarın yerine getirmeye çalışacağı birincil işlevlerden birisidir.

3. Isıl sorunların öncelikli önemi, doğal çevreyle mimarın oluşturacağı yapma çevre (mekan) arasında ayırıcı bir yapı elemanının varlığım gerektirir. Mekan dışında kalan doğal atmosfer, mevsim, gece-gündüz, coğrafi enlem, yön ve benzeri parametrelere bağlı olarak ısıl yönden sürekli değişik bir karakter gösterir. Böyle bir değişkenlik içerisinde insanın kendisini dış etkilerden koruyabilmesi, sağlıklı bir şekilde yaşayabilmesi için gerekli konfor koşulları en iyi düzeyde sağlanmalıdır. Bu gereklilik mekan elemanları ve ilave enerjiyle sağlanır

4. Yaz-kış ve gece-gündüz arasındaki ısıl farklılıklar mimarın oluşturacağı mekanın tasarlanmasında veri oluşturan tasarım parametrelerinden birisidir. Soğuk dönemde mekanı sıcak tutmak, sıcak dönemde de mekanı serin tutabilmek için gerekli enerjiyi minimum düzeyde tutabilecek uygun tasarlanmış elemanlara ve malzemelere gereksinme vardır. Ancak, iki mekan arasında bir sıcaklık farkı oluştuğunda da aradaki ayırıcı elemanda önemli ısıl sorunların ortaya çıkacağı bilinmelidir

5. İnsanların yaşadığı mekanlarda ısı akımlarıyla birlikte onun ayrılmaz bir parçası olan buhar akımları ve bunların birlikte oluşturacağı sorunlar da gündeme gelir.

6. 3.1.1. ISI VE SICAKLIK İLİŞKİSİ Sıcaklık, bir cisimdeki moleküler hareketin artmasıyla yükselen skaler bir büyüklüktür. Bir cismi oluşturan atomlar ya da moleküller, ortam sıcaklığının artışına bağlı olarak titreşimlerini artırır ya da ortam sıcaklığının azalışına bağlı olarak titreşimlerini azaltır.

7. Başka bir deyişle, bu titreşimin artması fiziksel olarak cismin sıcaklığının artması şeklinde kendini gösterir. Bu tanıma göre, cisimlerde sıcaklık yükseldikçe atomların titreşimlerinin genlikleri artacağından boyda uzama, hacimde büyüme gibi fiziksel sonuçlar ortaya çıkar.

8. Cismin iç yapısında ise, bağ kuvvetleri arasında çözülmeler oluşur ve cisim fiziksel olarak katı halden sıvı hale, sıvı halden de gaz haline geçebilir. Cismin sıcaklığının azalmasıyla bu olay tersine dönebilir. Bundan yararlanılarak sıcaklığın derecelendirilmesi ve ölçülmesi yöntemleri geliştirilmiştir.

9. Sıcaklık bir enerji seviyesi olarak kabul edilir ve "C, OK gibi sıcaklık birimleriyle ifade edilir. Doğada elde edilebilecek en düşük sıcaklık derecesi Helyum gazının katılaşma sıcaklığı olan -273°C, Kelvin tarafından mutlak sıfır diye adlandırılmış ve OK sıcaklığının başlangıç noktası olarak alınmıştır. Buna benzer şekilde, 760 mm Hg basıncı altında saf suyun buz halinden sıvı hale geçmesi noktasındaki sıcaklık Celsius tarafından OaC, yine aynı koşullarda suyun sıvı halinden gaz haline geçmesindeki sıcaklık da 100°C olarak kabul edilmiştir.

10. Bu iki değerin arası 100 eşit aralığa bölünerek her birisi ı'c olarak alınmıştır. Buna göre, mutlak sıfır olarak kabul edilen Kelvin sıcaklığının başlangıcı -273'C ye karşılık gelmektedir. Başka bir deyişle, suyun kaynama sıcaklığı 373°K olarak ifade edilebilir.

11. Sıcaklığın OK veya "C ile ölçülmesine karşılık, ısı bir enerji türü olduğu için büyüklüğü Joule, Kalori gibi enerji birimleriyle ifade edilir. Bu nedenle -yüksek sıcaklıktaki enerji seviyesinden düşük sıcaklıktaki. enerji seviyesine doğru bir akım oluşur ve buna ısı akımı denir.

12. 3.1.2.ISI AKIMLARI Isı enerjisinin sıcaklıkları farklı' iki ortam arasında birinden diğerine geçişi aşağıda belirtilen üç şekilde oluşur; • Isı iletimi (kondüksiyon), • Isı taşınımı (konveksiyon, • Isıışınımı (radyasyon).

13. 3.1.2.1. ISI İLETİMİ (KONDÜKSİYON) Isı iletimi katı cisimlerde ısı enerjisinin geçiş şeklidir. Enerji, cismi oluşturan moleküllerin titreşimi sonucu bir molekülden diğerine aktarılarak yayılır. Bütün katı cisimlerde ısı enerjisinin geçişi bu şekilde olur. Molekülleri sıkı paketlenmiş cisimlerde bu etkileşim daha kolay gerçekleşeceği için ısı enerjisinin geçişi daha kolay olur.

14. Metaller gibi serbest elektron içeren cisimlerde özellikle serbest elektronlar ısı iletimine önemli ölçüde yardımcı olurlar. Mikro yapıdaki bu özelliğe karşılık cismin makro yapısındaki gözeneklilik; boşluk içerme gibi düzensiz bünye yapısına ilişkin özellikler ısı iletimi açısından olumsuz bir ortam oluşturur ve cisim ısıyı daha az iletir hale gelir.

15. Boşluklu veya serbest elektron içermeyen metal dışındaki cisimlerde bu özellik, ısı yalıtkanlığının makro düzeydeki karakteristik bir ifadesidir. İşte bu nedenlerle, bir katı cisim yukarıda açıklanan biçimde bir yapı gösterdiği takdirde bu cismin ısı iletkenlik özelliği azalır

16. 3.1.2.2. ISI TAŞINIMI (KONVEKSİYON) Isı enerjisinin sıvı ve gaz gibi akışkanlardaki geçiş şekli ısı taşınımıdiye adlandırılır. Sıcak bir katı cisme temas eden sıvı ya da gaz bir ortam gözönüne alındığında, sıcaklığı yüksek katı cisimle temas eden gaz veya sıvı moleküllerinin ısıl titreşimleri bu yüzeyden enerji alarak artacaktır.

17. Bunun sonucunda katı cisme temas eden moleküllerin kapladıkları hacim büyüyeceğinden ve ortama göre daha hafif olacaklarından yükselecekler v~ böylece onların yerine geçen benzer moleküller de yüzeyden enerji alarak taşınım hareketini başlatacak ve devam ettireceklerdir.

18. Bu olay sonucunda, yüksek seviyeden düşük seviyeye enerji taşınacağından yüksek enerji seviyeli cismin enerjisi azalacak ve soğuyacaktır. Örneğin bu olay, kış mevsiminde bir hacmin penceresi önündeki havanın bu mekanizmayla soğuyarak aşağı inmesi biçiminde kendini gösterir. Yabancı dilde 'convection' adı verilen bu olayı önleyerek ısı kaybını en aza indirmek amacıyla, özellikle pencerelerde çift cam kullanılmaktadır

19. 3.1.2.3.ISI IŞINIMI (RADYASYON) Bütün katı ve sıvı cisimler sürekli olarak yüzeylerinden ısı ışınımları yayarlar, buna ışınımdenir. Bu yayınım cismin yüzey sıcaklığına ve yüzey özelliklerine bağlıdır.

20. Çevredeki nesnelerden tümüyle bağımsızdır ve bu ısı ışınımının taşınabilmesi için herhangi bir taşıyıcı ortama gerek yoktur. Öyle ki, boşlukta bile yayılabilir.

21. Bilindiği gibi, dünyaya 150 milyon km uzaklıkta bulunan Güneş'ten yayılan ısı ışınımı (radyasyon) Dünya ile Güneş arasında herhangi bir ortam olmaksızın Dünya'ya ulaşıp onu ısıtabilmektedir, Bunun gibi sıcaklığı yüksek cisimlerden daha düşük sıcaklıktaki cisimlere doğru bir ısı ışınımı oluşur. Diğer bir deyişle, bütün cisimler ışınım yoluyla ısı enerjisi yayarlar.

22. Buna ilişkin olarak ısı enerjisinin ışınlanmasına bağlı genel bir kural koymak olanaksızdır. Bazen ele alınan cismin karakteristik özelliklerin- den bağımsız birtakım tanımlar yapılabilir. Bunlardan birisi de siyah cisim kavramıdır. Bu kavrama göre siyah cisim kendisine gelen görünür ya da görünmez bütün ışınlan emer. Ancak, bu anlamda gerçek bir cisim mevcut 01-mamakla birlikte teorik hesaplar yönünden bu tür bir kavramsal cismin varlığı ortaya konmuştur

23. Siyah boyalı bir cisim aynı koşullar altında beyaz boyalı bir cisimle yanyana konulduğunda (güneş altında) siyah cisim tüm renk ve ısı ışınımla- rım emdiği için sıcaklığı beyaza göre daha da yükselecektir. Siyah bir cisim tarafından birim alanda ve zamanda uzaya yayılan toplam enerji Stephan- Boltzmann yasasına göre, cismin mutlak sıcaklığının dördüncü kuvvetiyle orantılı olarak ifade edilebilir:

24. Burada E ışınlama ya da yayınlamada açığa çıkan enerji, o ise Stephan-Boltzmann sabitidir

25. 3.1.3.Yapı Elemanında Isı Akımı, Sıcaklık Gradyanı, Hesap Ve Çizimi Yapı elemanlarında ısı akımına ilişkin olayları daha kolay. kavrayabilmek açısından sabit ısı rejimlerinde (stasyoner); • Yapı elemanının iki yüzeyinin sıcaklığının değişınediği ve aradaki sıcaklık farkının sabit kaldığı, • Yapı elemanını oluşturan malzemenin homojen ve izotrop olduğu varsayıldığında, böyle bir yapı elemanının birim alanından, birim zamanda geçen ısı eneıjisi miktarı Fourier yasasına göre şöyledir:

26. Bu bağıntıda, λ: Yapı elemanını oluşturan cisme. ait ısı iletkenlik katsayısı d: Yapı elemanının kalınlığı t 1 : Yapı elemanının bir yüzünün sıcaklık derecesi t2: Yapı elemanının diğer yüzünün sıcaklık derecesi' dirancak burada tı> t2olarak alınmıştır.

27. Bağıntıdaki Q’nun işareti, ısı enerjisinin yüksek düzeyden düşük düzeye doğru akması nedeniyle (-) olması gerekirken pratik düşüncelerle ve kolaylık sağlamak amacıyla burada göz önüne alınmamaktadır. Bu açıklamalar bağlamında (A) ısı iletkenlik katsayısı; 1 m kalınlığındaki bir cismin paralel iki yüzü arasında 1°C lik sıcaklık farkı olduğunda, 1 mZ alanından birim zamanda geçen ısı enerjisi miktarıdır

28. . Buna göre kullanılan zaman, alan ve eneıji kavramlarının birimleri gözönüne alındığında A'nın birimi Joule/m sn'iC olur. Burada Joule/sn, Watt olduğu için güç birimi olarak yerine konduğunda A, W/moC olur. Eskiden birim olarak kullanılan kcal/mh'tC değerleri yeni birime çevrilmek istendiğinde kcal/mhC olarak verilen değer 1.16 dönüşüm katsayısıyla çarpılmalıdır. (Bazı literatürde "C yerine OK konarak A'nın birimi W/moK olarak verilmektedir. Ancak hesaplar sıcaklık farkları esas alınarak yapıldığından birimin içinde "C veya OK bulunmasının bir önemi yoktur.)

29. Yapı elemanının birden fazla katmandan oluşması halinde, her katmanın ısı iletkenlik katsayıları toplanıp yukarıdaki formüle göre hesap yapılamayacağından, onun yerine yapı elemanını oluşturan her bir katmanın kalınlığının ısı iletkenlik katsayısına bölümü olan (d /A), yani her bir katmanın direnç değerleri toplanarak yapı elemanının toplam ısıl direnci bulunabilir.

30. Buna göre bağıntı; • şeklini alır. Bu bağıntıdaki A, yapı elemanının ısı geçirgenliğidir. 1/ A ise yapı elemanının ısı geçirgenlik direncidir

31. Böylece Fourier bağıntısı; ya da

32. Tek veya çok katmanlı bir yapı elemanı her iki yüzünden havayla temas halinde olduğu için, burada katı cisimden havaya ya da havadan katı cisme bir ısı taşınımı (konveksiyon) söz konusudur. Bu durumda, iki ortam arasındaki bu türden bir ısı geçişini hesaplayabilmek için yüzeysel ısı iletim katsayısı (a) kavramı kullanılır (a aynı zamanda yüzey film katsayısı ya da konveksiyon katsayısı diye de adlandırılır).

33. Isı taşınımı yoluyla olan ısı akımı, bu durumda; Burada, • Q: Birim alandan birim zamanda geçen ısı akımı miktarı, • a: Yüzeyselısı iletim katsayısı! (yVlm20C) , • to: Ortam sıcaklığı (oC), • ty: Yapı elemanının yüzey sıcaklığı (oC) olup, a, yüzeyin pürüzlülüğüne, elemanı çevreleyen hava hareketinin hızına, yüzeyin yatay veya düşey oluşuna, her durumda dış ya da iç yüzey oluşuna, kısaca yapı elemanının konumuna bağlı olarak değişir.

34. Tablo 3.1. a ve 1/a değerleri tablosu. (TS825)

35. Bir ortamdan diğer bir ortama ısı geçişine ait hesapları yapabilmek için yüzey geçiş katsayılarının (Tablo 3.1) ve her bir katmanın ısı iletkenlik katsayısı ve kalınlığının bilinmesi yeterlidir. Bu verilerle; bağıntısıyla A (m2) alandan Z (sn) zamanda geçen ısı akımı Watt olarak bulunur

36. Bu bağıntıdaki (k) elemanın ısı geçirme katsayısı olarak; bağıntısıyla hesaplanır. Bu bağıntıda TS 825'deki tanımlara göre; • 1/k; Elemanın ısı geçirme direnci (m20C/W), • 1/ α 1.: Elemanın iç.yüzey ısı iletim direnci (m 2 °C/W), • 1/Λ; Yapı elemanının ısı iletkenlik direnci, diğer bir deyişle ısı geçirgenliğinin aritmetik olarak tersi (W/m2 °C), • 1/αd; Elemanın dış yüzey ısı iletim direnci (m2oC/W), • t i ; İç sıcaklık (°C), • td ; Dış sıcaklık (°C) şeklinde tarif edilir.

37. Yukarıda verilen Bağıntısındaki A (alan) ve Z (zaman), 1m2 ve 1 sn olarak alındığında bağıntı; Q=k(ti-td) (W/m2) halini alır. Bu bağıntı; Q= (ti - td)/(1/k) (W/m2) şeklinde yazılıp yeniden düzenlendiğinde; Q 1/k=(ti – td) (0c) olur.

38. 1/k yerine açık ifadesi olan bağıntı konduğunda;

39. Isı akımının, yani Q 'nun, her bir katmanın direnci ile çarpımı sonucunda bulunan değerin o katmanın iki yüzeyi arasındaki sıcaklık farkını verir. Zira, eşitliğin sağ tarafı iç ve dış ortamlar arasındaki sıcaklık farkıdır ve sol taraftaki sıcaklık farklarının toplamına eşittir. Böylece, bir veya birden fazla katmandan oluşan bir yapı elemanında ısı enerjisinin elemanın her bir katmanının yüzeyinde oluşturduğu sıcaklık dereceleri aşağıdaki şekilde hesaplanabilir:

40. Bu şekilde bulunan sıcaklık farkları iç ortam sıcaklığından sırasıyla çıkarılarak her katmanın yüzeyindeki sıcaklık derecesi bulunur ve işleme devam edilerek sonuçta dış sıcaklık değerine ulaşılır. Örneğin üç katmandan oluşan bir duvarda; değerleri bulunur. Burada, ti; iç ortam sıcaklığı td; dış ortam sıcaklığı tiy.; duvarın iç yüzey sıcaklığı tdy; duvarın dış yüzey sıcaklığı tı; ınci katman ile 2nci katman ara sıcaklığı göstermektedir.

41. δti, δtı .. δt1ı, δtd sıcaklık farklarının toplamı iç v~ dış ortam sıcaklık farklarının toplamına eşittir. Hesaplarda hata yapma olasılığını azaltmak için bir kontrol ölçütü olarak kullanılmalıdır. Konuyu daha da belirgin hale getirmek için ileride sayısal bir örnek verilmiştir.

42. 3.1.4.SÖNÜM, FAZ FARKI VE ISI BİRİKTİRME KAPASİTESİ (ISIL SIĞA) Yapı kabuğu niteliğindeki bir yapı elemanımn yönetmeliklerce belirlenen bir ısı yalıtımı sağlaması her. zaman için gerekliyse de tek başına bu özellik yeterli değildir. Yapı elemanının, ısıl konforu sağlaması yönünden, tamamlanmış belirli bir sıcaklığın altına düşmemesi, yani bünyesinde bir miktar ısı enerjisi biriktirmesi de beklenir. Bu özelliğe ısıl eylemsizlik (termik atalet) denmektedir.

43. Isıl eylemsizliği belirleyen üç parametre vardır. Bunlar; sönüm ve faz farkı ile ısı biriktirmedir. Sönüm; iç ve dıştaki sıcaklık değişim genliklerinin oramdır. Diğer bir deyişle sönüm, kabuğun dıştaki sıcaklık değişikliklerini içeriye iletmede gösterdiği ısı1 eylemsizliktir Bu değer ne kadar büyükse o eleman ısıl yönden o kadar iyi eleman demektir. Şekil 3.1 'deki ABI AiBi oranına sönüm denir. Sönümü büyük olan bir yapı elemanı ısıl eylemsizlik yönünden iyi bir elemandır.

44. Şekil3.1-Söniim ve faz farkı grafiği. (Şekil, iç hacimde ısıtma yapılamadığına göre çizilmiştir).

45. Diger yandan faz farkı ise, yapı kabuğunun dışındaki sıcaklık düşmesinin içeriye yansımasının kabuk tarafından geciktirilmesi olarak tanımlanır. Başka bir deyişle, faz farkı, kabuk dışındaki ısıl değişiklikleri içeri aktarma-da kabuğun gösterdiği ısıl gecikmeyi zaman olarak ifade eden bir kavramdır. Örneğin, Şekil 3.1'deki gibi bir dış kabukta dış sıcaklık +15°C'den -5oC'ye saat 21 :00' de düşüyorsa; içteki sıcaklığın da +22°C' den + 16°C'ye düşmesi sabah saat 4:00'te oluşuyorsa yedi saatlik bir faz farkı var demektir. Bu fark ne kadar uzun sürede oluşuyorsa duvar ısıl davranış bakımından o kadar iyidir denebilir.

46. Yapı elemanının ısı biriktirmesi ve faz farkı oluşturmasında ısıl difüzyon katsayısı da önemlidir. Bu katsayı ısı enerjisinin yapı elemanında hangi derinliğe kadar yayılabildiğini gösterir. Isıl difizyonkatsayısı, bağıntısıyla gösterilir.

47. Bu bağıntıda, • λ; Isı iletkenlik katsayısı • δ; Homojen malzemenin yoğunluğu c; Isınma ısısı ,(özgülısı) şeklinde tarif edilir. • Yapı elemanının tek katmanlı basit hali için bağıntı, d 2 =at şeklinde yazılabilir. Burada t, geçen zamanı; d ise bu zaman sonunda ısı enerjisinin elemanın içinde ulaşabildiği derinliği göstermektedir.

48. Isı biriktirme kapasitesi (ısıl sığa) (Sp), kabuğu oluşturan malzemenin yoğunluğu (8), ısı iletkenlik katsayısı (A), ve özgül ısısına (c) (Tablo 3.II) bağlı olarak ifade edilen bir kavramdır. Q, depolanan ısı miktarını belirtmek üzere; şekilde yazıldığında, T, sıcaklık değişim aralığıdır CC). Sp ısı biriktirme kapasitesi ise, bağıntısıyla ifade edilir.

49. Burada; • p; çevrim periyodunu, • c; özgülısıyı, • λ; ısı iletkenlik katsayısını • Pı; homojen malzemenin yoğunluğunu göstermektedir. pc çarpımına hacimsel özgül ısı denir. Bağıntıdaki p periyodu, 24 saat olarak alındığında, bağıntı haline gelir.

50. Bu bağıntı tek katmanlı yapı elemanları için geçerlidir. S24 değerine günlük ısı biriktirme kapasitesi denir. Birimi W/m2 °C'dir. Bütün bu açıklamalar göz önüne alındığında, hafif bir yapı elemanının ısı iletkenlik yönünden ekonomik olduğunu, ancak yeterli ısıl eylemsizlik sağlamadığını belirtmekte yarar vardır. Buradan görüldüğü gibi, bir duvarın yüksek miktarda ısı biriktirebilmesi için kütlesinin büyük olması gerekmektedir; kütlesi büyük bir malzemenin ise yoğunluğu fazla olacağından A 'sı da büyüyecek, sonuçta bu malzemeden yapılmış bir duvar fazla ısı depolayacak ve iletecektir.