Determination of Technological Properties and Evaluation of Earthquake Resistance of Wood-Based Composite Panels for Modular and Energy-Independent Structures

Abstract

This study aims to comparatively evaluate timber-based Structural Insulated Panel (SIP) systems against conventional reinforced concrete structures in terms of earthquake safety, energy efficiency, and sustainability criteria. In the research, six different panel combinations were produced using stone wool, glass wool, and EPS foam as insulation materials, and OSB and cement-bonded particleboard (betopan) as facing materials. Thermal conductivity and fire resistance tests were conducted on these combinations. According to the test results, the lowest thermal conductivity value was obtained in EPS foam-filled panels (~0.66 W/m·K), while the highest fire resistance was achieved in panels containing stone wool (31.2 mm). Despite its high insulation capacity, EPS foam is recommended only for low-risk structures due to its poor fire performance. Cost analysis revealed that SIP systems offer approximately 13% lower costs and up to 80% shorter construction times compared to reinforced concrete structures. Literature data on seismic performance indicate that timber panels stand out with their high ductility, controlled deformation, and effective energy dissipation capacity. Furthermore, when integrated with photovoltaic panels and air-source heat pumps, SIP systems can provide energy-independent housing solutions with a low carbon footprint. In conclusion, SIP panel systems combine rapid production, low cost, high insulation and fire resistance, earthquake safety, and environmental sustainability, making them an innovative and applicable construction approach, particularly in earthquake-prone regions

Keywords

• Timber structure
• SIP panel
• seismic performance
• energy efficiency
• sustainable architecture.

Modüler ve Enerji Bağımsız Yapılar İçin Ahşap Esaslı Kompozit Panellerin Teknolojik Özelliklerinin Belirlenmesi ve Deprem Direnci Açısından Değerlendirilmesi

Abstract

Bu çalışma, deprem güvenliği, enerji verimliliği ve sürdürülebilirlik kriterleri açısından ahşap temelli Yapısal Yalıtımlı Panel (SIP) sistemlerinin, geleneksel betonarme yapılarla karşılaştırmalı olarak değerlendirilmesini amaçlamaktadır. Araştırmada, yalıtım malzemesi olarak taş yünü, cam yünü ve EPS strafor; kaplama malzemesi olarak ise OSB ve betopan kullanılarak altı farklı panel kombinasyonu oluşturulmuş, bu kombinasyonlar üzerinde ısı iletkenlik ve yangın dayanım testleri yapılmıştır. Test sonuçlarına göre, en düşük ısı iletkenlik değeri OSB + Strafor + OSB kombinasyonunda (0.6586 W/m·K) elde edilirken; en yüksek yangın dayanımı, alev ilerleme mesafesinin en düşük olduğu (31.2 mm) Betopan + Taş Yünü + OSB kombinasyonunda gözlemlenmiştir. Strafor, yüksek yalıtım kapasitesine rağmen düşük yangın performansı nedeniyle sadece düşük riskli yapılarda önerilmektedir. Maliyet analizinde SIP sistemlerin betonarme yapılara kıyasla yaklaşık %13 daha düşük maliyet ve %80’e varan yapım süresi avantajı sunduğu belirlenmiştir. Deprem performansı açısından literatür verileri, ahşap panellerin yüksek süneklik, kontrollü deformasyon ve etkin enerji sönümleme kabiliyeti ile öne çıktığını ortaya koymaktadır. Ayrıca, fotovoltaik paneller ve hava kaynaklı ısı pompaları ile entegre edildiğinde, SIP sistemler enerji bağımsız, düşük karbon ayak izine sahip konut çözümleri sağlayabilmektedir. Sonuç olarak, SIP panel sistemleri; hızlı üretim, düşük maliyet, yüksek yalıtım ve yangın dayanımı, deprem güvenliği ve çevresel sürdürülebilirlik unsurlarını bir arada sunarak, özellikle deprem bölgelerinde uygulanabilir, yenilikçi bir yapı yaklaşımı olarak değerlendirilmektedir.

Keywords

• Ahşap yapı
• SIP panel
• deprem dayanımı
• enerji verimliliği
• sürdürülebilir mimari

References

1. [1] B. Gün and H. Anıktar, “Ahşap yapıların sismik dayanımı ve çağdaş tasarım yaklaşımları,” Deprem Mühendisliği ve Yapı Dinamiği Dergisi, vol. 7, no. 1, pp. 19–34, 2021.
2. [2] İ. Ü. Karagöz, “Ahşap yapı üretimine yönelik standart panel tasarımı ve sonlu elemanlar yöntemi ile analizi,” Ph.D. dissertation, Fen Bilimleri Enstitüsü, Gazi Üniversitesi, 2016.
3. [3] A. Dodoo, L. Gustavsson, and R. Sathre, “Lifecycle carbon implications of conventional and low-energy multi-storey timber building systems,” Energy and Buildings, vol. 82, pp. 194–210, 2014.
4. [4] Ö. Çalışkan, E. Meriç, and M. Yüncüler, “Ahşap ve ahşap yapıların dünü, bugünü ve yarını,” Bilecik Şeyh Edebali Üniversitesi Fen Bilimleri Dergisi, vol. 6, no. 1, pp. 109–118, 2019.
5. [5] S. Akşar, “Geleneksel ve çağdaş ahşap yapıların yaşam döngüsü değerlendirilmesinin karşılaştırmalı analizi,” M.S. thesis, Fen Bilimleri Enstitüsü, Yıldız Teknik Üniversitesi, İstanbul, 2022.
6. [6] International Organization for Standardization, ISO 8301: Thermal Insulation—Determination of Steady-State Thermal Resistance and Related Properties, ISO, 2019.
7. [7] B. Gün and S. Anıktar, “Çevre ve şehircilik uygulamalarında betonarme-ahşap yapı karşılaştırması,” İstanbul Sabahattin Zaim Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi, vol. 2, no. 3, pp. 19–25, 2020.
8. [8] R. E. Smith, Prefab Architecture: A Guide to Modular Design and Construction. Hoboken, NJ, USA: John Wiley & Sons, 2011.

9. [9] R. M. Lawson, R. G. Ogden, and R. Bergin, “Application of modular construction in high-rise buildings,” Journal of Architectural Engineering, vol. 18, no. 2, pp. 148–154, 2012.
10. [10] TEİAŞ, Türkiye Elektrik Üretim İstatistikleri. Türkiye Elektrik İletim A.Ş., 2023.
11. [11] International Energy Agency, “The decade for demand-side action,” 2023. [Online]. Available: https://www.iea.org/reports/energy-efficiency-2023. Accessed: Apr. 2, 2025.
12. [12] M. Gürdal, “Hava ve toprak kaynaklı ısı pompası kullanımı için teorik enerji ve ekserji analizi: Kastamonu ili örneği,” Yüzüncü Yıl Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi, vol. 28, no. 1, pp. 140–153, 2023.
13. [13] E. Mıhlayanlar, Ş. Dilmaç, and A. Güner, “Analysis of the effect of production process parameters and density of expanded polystyrene insulation boards on mechanical properties and thermal conductivity,” Materials & Design, vol. 29, no. 2, pp. 344–352, 2008.
14. [14] L. Tsantaridis, Reaction to Fire Performance of Wood Products and Other Building Materials. SP Technical Research Institute of Sweden, Rep. 2010:36, 2010.
15. [15] M. Sonderegger and P. Niemz, “Thermal conductivity and water vapour transmission properties of wood-based panels,” European Journal of Wood and Wood Products, vol. 67, no. 3, pp. 313–321, 2009.
16. [16] Afet ve Acil Durum Yönetimi Başkanlığı, “Deprem detay sayfası.” [Online]. Available: https://deprem.afad.gov.tr/event-detail/0;eaEventId=543428. Accessed: Mar. 3, 2025.
17. [17] M. Çalışkan, K. Yıldırım, and A. Demir, “Geleneksel ahşap yapıların deprem davranışı ve sürdürülebilir yapı tasarımına katkıları,” Yapı Teknolojileri Dergisi, vol. 15, no. 2, pp. 45–58, 2019.
18. [18] M. A. Mullens and M. Arif, “Structural insulated panels: Impact on the residential construction process,” Journal of Construction Engineering and Management, vol. 132, no. 7, pp. 786–794, 2006.
19. [19] M. Panjehpour, A. A. A. Ali, and Y. L. Voo, “Structural insulated panels: Past, present, and future,” Journal of Engineering, Project, and Production Management, vol. 3, no. 1, pp. 2–8, 2013.