MİMARLIK
394
MART-NİSAN 2017
 
MİMARLIK'tan

MİMARLIK DÜNYASINDAN

YAYINLAR



KÜNYE
GÜNCEL

Çelik Taşıyıcı Binalar ve Yangın Dayanımı

Abdurrahman Kılıç, Prof. Dr., İTÜ İmalat Mühendisliği Bölümü

19 Ocak 2017 tarihinde çıkan bir yangın sonrasında çöken İran’daki Plasco binası, çelik yapıların yangın dayanımına ilişkin soruları tekrar gündeme getirdi. Gerekli pasif koruma sistemlerinin kurulması ve malzemenin yalıtımının yapılması durumunda risklerin önemli ölçüde azaltıldığını belirten yazar, önlemlerin tasarım aşamasından itibaren düşünülmesi gerektiğinin altını çiziyor.

Bina güvenliği denildiğinde ilk akla gelen binanın çökmemesi ve yanmamasıdır. Özellikle Dünya Ticaret Merkezi’nin 11 Eylül 2001 günü yıkılmasından sonra çelik taşıyıcılı binaların yangına dayanımı konusunda araştırmalara önem verildi. Yakın geçmişte de Tarhan’daki çelik taşıyıcılı Plasco binası yangın sırasında çöktü. Dünya Ticaret Merkezi’nin ve Plasco binasının taşıyıcıları çelik olduğu için çöktüğünü söylemek doğru olmaz. Örneğin, Dünya Ticaret Merkezi’nin çökmesine çarpmanın oluşturduğu sarsıntı sonrasında uçaktaki 91 m³ (73 ton) jet yakıtının oluşturduğu sıcaklık neden olmuştur. 2007 yılı içinde yanan Plasco binası ise 1962 yılında yapılan, yağmurlama sistemi ve hiçbir yangın koruması olmayan binadır. Dünya Ticaret Merkezi haricinde çöken binaların hiçbirinde yağmurlama koruma sistemi ve pasif koruma sistemi bulunmamaktadır.

Yangında hasar görerek çöken çelik, betonarme, briket ve ahşap birçok bina bulunmaktadır. 1970-2002 yılları arasında yangın sırasında çöken 22 binanın taşıyıcıları yapı malzemelerine göre sınıflandırıldığında; 7 binanın betonarme, 6 binanın çelik, 5 binanın tuğla, 2 binanın ahşap olduğu ve 2 binanın taşıyıcısının belirlenmediği görülmektedir.(1) Bu binalardan, 9 bina ofis, 8 bina konut, 3 bina ticaret ve 2 bina çok amaçlı olarak kullanılmaktadır. Bunlar içerisinde 6 binanın kat sayısı 21 kattan daha fazladır. Görüldüğü gibi, sadece çelik taşıyıcılı binaların yangında çöktüğünü düşünmemelidir. Binanın yapı malzemesine uygun koruma önlemlerinin alınmaması durumunda bütün binalar yangında çökebilmektedir.

YANGIN SONRASI ÇÖKEN BİNALAR

Avrupa Birliği Yapı Malzemeleri Direktifi’ne (89/106/EEC) göre, yapıların karşılamaları gereken ve malzemelerin teknik özelliklerini etkileyen altı temel unsurdan birincisi mekanik dayanım, ikincisi ise yangın durumunda emniyettir.(2) Bu direktif, büyük binaların projelerinde yapının bir yangın durumunda çökmemesi için korunma esaslarını temel tasarım kıstası olarak belirtmektedir.

Yangınlarda karşılaşılan yüksek sıcaklıklar, metal yapı malzemelerinin mekanik özeliklerinde önemli değişmelere ve bu malzemelerde önemli genleşmelere yol açar. Deneyler, sıcaklık arttıkça karbon çeliğinde akma sınırının düştüğünü ve belirli bir sıcaklıktan sonra artık akma sınırı oluşmadığını göstermiştir. Bunun anlamı, normal sıcaklıklara kıyasla plastik şekil değiştirmelerin daha düşük gerilmeler altında olmaya başladığı ve aynı gerilme altında toplam şekil değiştirmenin daha büyük olduğudur.

Yanan ve kısmen veya tamamen çöken önemli yüksek binalar, taşıyıcı malzemeleri, kat sayıları, kullanım amaçları ve hasar durumu Tablo 1’de verilmiştir. Tablodaki yüksek binalar içerisinde sadece Dünya Ticaret Merkezi’nde yağmurlama sistemi bulunmamaktadır. Tablodaki binalarda pasif koruma sistemlerinin olup olmadığı ise bilinmemesine rağmen muhtemelen koruma tedbirleri de bulunmadığı söylenebilmektedir.

En son yanarak çöken 17 katlı Plasco binası, İşadamı Habib Elghanian tarafından 1962 yılında inşa ettirilen ve hiçbir yangın koruma önlemi olmayan bir binadır. İnşa edildiği zaman İran’daki en yüksek yapı olan ve plastik şirketinin adını taşıyan bina, yapıldığı yıllarda Tahran’ın simgesi olmuştur. 1979'daki İran İslam Devrimi’nden sonra Elghanian yeni rejim tarafından idam edilmiş ve bina Devrim Vakfı’na verilmiştir. Yangından önce, zemin katta büyük bir alışveriş merkezi, üst katında bir restoran ve çeşitli giyim atölyeleri bulunuyordu ve üst katlar konut olarak kullanılıyordu. Yangın 19 Ocak 2017’de yerel saatle 07:50’de dokuzuncu katta başlamıştır. Yangına müdahale için on ayrı itfaiye birliği birkaç saat boyunca yangını durdurmaya çalışmış, fakat binada otomatik söndürme sistemi olmadığı ve yanıcı madde fazla olduğundan yangını kontrol altına alamamıştır. Önce binanın kuzey duvarı ve birkaç dakika sonra da binanın geri kalan kısmı çökmüştür. Bu sırada söndürme yapan itfaiyecilerden 30’u hayatını kaybetmiş, çok sayıda yaralanma olmuştur.

ÇELİK TAŞIYICILARIN ÖZELLİKLERİ

Günümüzde projelerin birçoğu, yapının şeklini oluşturmak, yüke dayanım gücünü vermek ve daha küçük kesitlerde taşıyıcı kullanmak için çelik olarak tasarlanmaktadır. Çelik taşıyıcılar, özellikle deprem güvenliği ve kolay uygulanabilirliği nedeniyle yüksek binalarda tercih edilmektedir. Son yıllarda sadece yüksek yapılarda değil, aynı zaman da düşük katlı binalarda da çelik konstrüksiyonun tercih edilmeye başlandığı da görülmektedir.

Yapıdaki taşıyıcı sistemin eğilmelere bükülmelere ve sonuçta da çökmeye neden olacak bir sıcaklığa kadar ısıtılmasına izin verilmez. Örneğin, çelik kirişler için genel başarısızlık sıcaklığı 540°C olarak kabul edilir. Bu sıcaklık mutlak olmayıp, kullanılan çeliğin özelliklerine ve uygulanan yük faktörüne bağlı olarak değişebilir. Yangından korunma sisteminin, hem mimar hem de inşaat mühendisi tarafından ön tasarım aşamalarında dikkatli bir şekilde göz önüne alınması gerekir.

Isı iletim katsayısı yüksek olan çelik, ısınma durumunda gerilim sınırını çok kolay aşabilir. Gerilim sınırı aşıldığında gerilme esnekliği kaybolur ve kalıcı şekil değişmeleri meydana gelir. Çok zayıf olan ve basınç altında bulunan yapı kısımları, yüksek sıcaklıklarda taşıma özelliğini kaybeder. Isınan çelik uzar, birleştiği noktalarda değişiklikler meydana getirir ve bazen bütün konstrüksiyonu yıkabilecek güçte kuvvet oluşturur. Sıcaklıktan dolayı meydana gelen bu hacim değişiklikleri, çelik kiriş ve çelik kolonların taşıma gücünü kaybetmesine ve çökmesine neden olabilir. Kolonlar ise, genellikle her taraftan ısı geçişine açık oldukları için, çökme olasılığı çok yüksek bir yapı elemanıdır. Çok yük taşıyan kolonlardan sadece birinin kırılması bile bütün binanın çökmesi demektir. Bu yüzden yangına karşı çok dayanıklı olmalıdır.

Çeliğin uzama katsayısı, ahşabın yaklaşık üç katıdır. Örneğin, başlangıçta uzunluğu 5 m. olan 20°C sıcaklıktaki çelik taşıyıcı, yangın sebebiyle 640°C sıcaklığa ısındığında boyu yaklaşık 5 cm. artar. Toplam uzunluk arttıkça taşıyıcıların dayandığı veya uzamadan dolayı ittiği duvarlara büyük güçler uygulanır. Bu nedenle bu tür yapılar, özellikle yangınlardan dolayı yükselen sıcaklıklar nedeniyle meydana gelen uzamalardan korumak için ulaşılacak sıcaklık hesaplanmalı ve gerekiyorsa yangına karşı yalıtılmalıdır.

Çeliğin çekme mukavemeti başlangıçta 150-300°C değerlerinde biraz arttıktan sonra, daha yüksek sıcaklıklarda hızla azalır ve yangınlarda kolayca erişilen 600°C sıcaklığında emniyet gerilmesinin altına düşer. Yüksek sıcaklıklarda bağ kuvvetlerinin azalması, çeliğin elastisite modülünün azalmasına neden olur. Elastisite modülünün değeri 20°C’dekine kıyasla, 400°C’de % 15 ve 600°C’de ise % 40 kadar azalır. Çevre sıcaklığına göre mukavemeti ise, sıcaklığı 700°C olduğunda % 23’e, 800°C’de % 11’e, 900°C’de % 6’ya düşer ve yaklaşık 1500°C sıcaklıkta erir. Uzamalar ısıl gerilmelerin oluşmasına ve normal olarak yüksek sıcaklıklarda burkulma yapmayan kolonun burkulmasına ve daha düşük taşıma gücü göstermesine neden olabilir.

ÇELİK TAŞIYICILARIN YANGIN DAYANIMI

Çelik iskeletli yapıların yangın bakımından özel önemi vardır. Bunlarda, yanmazlıktan çok ısıl şekil değiştirmelerin oluşumu göz önüne alınır. Birçok standart, çelik yapıları özel bir sınıf olarak ele almıştır. Çelik yapıların tasarımına ilişkin bilgi veren Eurocode 3 (EN 1993) standartlarının ikinci bölümü, çelik taşıyıcıların yalıtımına ayrılmıştır ve çeşitli hesap yöntemleri verilmiştir.

Binaların Yangından Korunması Hakkında Yönetmelik(3) hükümlerine göre, çelik kolon ve kirişlerin yangın durumunda özelliklerini kaybetmemesi için yangına karşı yalıtılması gerekmektedir. Yönetmelikte, çevreye yangın yayma tehlikesi olmayan ve yangın sırasında içindeki yanıcı maddeler yüzünden yapının çelik elemanlarında 540°C’nin üzerinde bir sıcaklık artışına sebep olmayacak bütün çelik yapılar yangına karşı dayanıklı kabul edilmektedir. Alanı 5000 m²’den az olan tek katlı yapılar hariç olmak üzere, diğer çelik yapılarda, çeliğin sıcaktan uygun şekilde yalıtılması gerektiği belirtilmektedir. Binanın, kullanım şekline ve yüksekliğine bağlı olarak binanın belli bir süre çökmeden korunması gerekir. Yönetmelikte EK 3/C’ye göre yapıda yağmurlama olup olmamasına, kullanım şekline ve yapı yüksekliğine bağlı olarak yangına dayanım (direnç) süreleri verilmiştir. Yangın dayanım süresi, bir yapı bölümünün belirli bir yangın yükü altında, kendisinden beklenen görevleri yerine getirmeye devam ettiği zaman süresidir. Burada sözü edilen görevler; yüke dayanım, hacim örtme ve ısıl difüzyonu sınırlama fonksiyonlarıdır. Hacim örten yapı elemanlarında, ateşe bakmayan arka yüzlerde sıcaklık artmasının 140°C’yi aşmaması ve buralarda kendiliğinden yanabilir gazlar oluşmaması istenir. Eğilmeye çalışan elemanlarda ise sehimlerin artma hızının belirli sınırları aşmaması gerekir.

Çıplak çeliğin de belli bir derece yangına direnci olduğu unutulmamalıdır. Çelik 550°C’de oda sıcaklığındaki akma gerilmesinin %50’sine yaklaşır. Yangın şartlarına, yüklenmeye, bağlantılara, uç baskılara, alanın geometrisine ve benzerine bağlı olarak çıplak çelik o alan için güvenilir olarak varsayılmış tasarım yangınlarına uygun direnç gösterdiği görülmüştür.

Yapılarda çıplak çeliğin kullanıldığı yaygın uygulamalar içinde az katlı binalar, açık otoparklar ve dış yapı elemanları yer alır. Çelik profillerin ısınma problemindeki en önemli faktörlerden biri de “F/V profil faktörü” adı verilen, aleve maruz kalacak alanın ısınacak kütleye oranıdır. F/V oranı ile yangına dayanım süresi ters orantılı olarak değişir ve F/V oranı küçüldükçe yangına dayanım süresi artar.

Yangın direnci olan inşaat çeliği alaşımları, 600°C’de oda sıcaklığındaki akma gerilmesinin 2/3’ünü tutacak şekilde geliştirilmektedir. Bu çeliğe akma gerilmesi üzerine etki yapan molibden gibi elementlerin katılmasıyla sağlanır.(4) Bu malzemeyi kullanarak inşa edilmiş birkaç yapı mevcuttur. İlave yangına karşı dayanıklılık derecesi yangına dayanıklı çeliğe, klasik yangına dirençli kaplamaların uygulanmasıyla elde edilebilir.

Yenilik yaratıcı araştırmalar ve gelişmiş üretim uygulamalarıyla yeni çelik formülleri görülmektedir. Bu yeni çelikler halen Japonya ve diğer Asya ülkelerinde sınırlı kullanım yerleri bulmuştur. Yangına dayanıklı çelikler olarak atıf yapılan bu malzemeler endüstri içinde yer bulmaktadır. Yangına dayanıklı çeliklerin araştırıcıları, bu malzemelerin yüksek sıcaklık seviyelerindeki özelliklerinin daha geleneksel çelik formülleriyle karşılaştırıldıklarında daha az mukavemet kaybı gösterdiklerini, ancak yangına dayanıklı çeliklerin pasif koruma önlemlerinin yerini alamayacağını belirtmektedirler. Buna karşılık bu teknolojinin, yapı çökmeden önce ilave zaman kazandıracağı ve yapıyı koruyucu malzemelerin iflas etmesinden sonra bile yapının daha uzun süre ayakta kalmasını sağlayacağı kesindir. Yangına dayanıklı çelik kullanılmasının örnekleri Japonya, Çin ve Almanya’da mevcuttur. Sınırlı sayıdaki uygulamalar arasında otopark, spor salonu, demiryolu istasyonu ve ofis binaları sayılabilir.

ÇELİK TAŞIYICILARIN YANGINA KORUNMASI

Modern binalarda çoklu yangın koruma sistemleri kullanılmaktadır. Yağmurlama sistemleri gibi aktif sistemler, gelişen bir yangını kontrol altına almak için tasarlanmıştır. Algılama ve alarm sistemleri, binadakilerin ve yangın söndürme görevlilerinin yangın durumunda erkenden uyarılmalarını sağlamak üzere geliştirilmiştir. Sabit boru hatları, yangın dolapları ve yangın söndürücüler dâhil olmak üzere manuel sistemler itfaiyecilere yangınlarla mücadelede yardımcı olur. Çıkış yolları, binada bulunanların bir yangın sırasında binadan güvenli bir şekilde çıkmalarını sağlar.(5) Bölme duvarlar yangının yayılımı yavaşlatır.

Pasif yangın koruma sistemleri, yapısal unsurları yangın sırasında ciddi hasar veya çökmelerden korumak için tasarlanmıştır. Yapısal çelik pasif korumaları, alçı levha montajları veya yapısal elemanların betonarme kaplanması için sprey uygulanmış yangın dirençli malzemeleridir.(6) Tipik olarak pasif yangın koruma sistemleri, yapı mühendisin az veya hiç katılımı olmadan proje mimarı tarafından tasarlanır ve projelerde belirtilir.

Yangından koruma malzemeleri pazarı belli bir süredir büyük ölçüde değişmemiştir. Alçı esaslı ürünler, çimentolu ürünler, yangına dayanıklı boyalar ve benzerleri kullanılmaktadır. Çelik taşıyıcıları yangına karşı korumak için püskürtme, plakalarla kaplama, prefabrik levhalarla kutuya alma, kabaran boyalarla boyama, beton ile doldurma ve su ile doldurma gibi yöntemler kullanılmaktadır.(7) Uygulanacak korunma sistemi ise estetik görünüm, dayanıklılık, çevre ile uyum, korozyona dayanıklılık, yer gereksinimi ve maliyeti gibi çok sayıda faktöre bağlıdır.

Birçok durumda, özellikle yüksek binalarda veya büyük yapılarda, yükleri taşıması ve harekete direnç göstermesi gereken çelik kütlesi çok büyüktür. Bu nedenle çeliğin kütlesi, yangın tarafından zayıflatılmaya (mühendislik analizleriyle belirlenebilen bir süre boyunca) kendi doğasında olan bir direnç gösterir. Bu tarz zaman periyotları bina yönetmeliğinde gerekli olan süreden fazla da olabilir. Yapının temel tasarımında çeliğin kütlesini yükselterek, yangına direnç gösteren gruplarının veya püskürtme uygulanmış kaplamaya olan ihtiyacın ortadan kaldırılabileceği önerilmektedir. Aynı zamanda ilave çeliğin getireceği ek maliyet, ilave yangına dirençli malzeme tedariki ve montajı masrafından daha düşük olabilir. Böyle bir yaklaşım performans esaslı alternatif çözüm olarak araştırılmalıdır.

SONUÇ

Günümüzde, yapılarda alınan yangından koruma önlemlerindeki ve yangın söndürme tekniğindeki gelişmeler yangın tehlikesini azaltmıştır. Gerekli optimum yalıtım kalınlığı ve çelik taşıyıcıların yangına karşı korunup korunmayacağı, profil faktörüne, taşıdığı yüke, yanıcı maddenin yangın yüküne, yangın yerinin taşıyıcıya olan mesafesine, taşıyıcının kullanıldığı mahalin yüksekliğine bağlıdır. Her çelik taşıyıcının yalıtılmasına gerek olmayabilir. Gerekli olup olmadığına karar vermek için ortamın yangın yüküne bağlı olarak çelik taşıyıcının sıcaklığı hesaplanmalı ve sıcaklığı 540°C’nin üzerine çıkması durumunda yalıtılmalıdır. Yalıtım kalınlığı, yalıtım malzemesinin özelliklerine ve istenilen yangına dayanım süresine göre belirlenmeli; uygulanacak yalıtım sistemine ise taşıyıcıların kaplanıp kaplanmayacağına, binanın kullanım amacına, dayanım süresine ve maliyetine göre karar verilmelidir.

NOTLAR

1. Beitel, J. J.; Iwankiw, N. R., 2005, “Historical Survey of Multi-Story Building Collapses Due to Fire”, FPE 3rd Quarter.

2. CPD (89/106/EEC) Construction Product Directive, Official Journal of the European Union L 40, s.92, 11.02.1989.

3. Binaların Yangından Korunması Hakkında Yönetmelik, 2007-2015.

4. Marrion, C; Custer, Richard L. P.; Johann, Matt; Meacham, Brian, Temmuz 2004, Materials, Systems and Technologies ”, NIST Fire Protection of Structural Steel in High-Rise Buildings, Civil Engineering Research Foundation, NIST GCR 04-872.

5.  Outinen, J.; Kansa, J., 2009, “Fire Protection Of Steel Structures Using Sprinkler Systems”, Proceedings of International Conference Applications of Structural Fire Engineering,

19-20 Şubat 2009, Prag.

6. DeStefano, J. ve diğerleri, 2008, Structural Engineer’s Guide to Fire Protection, Council of American Structural Engineers.

7. Kılıç, A, 2008, “Çelik Taşıcıların Yangın Dayanımı”, Yangın Güvenlik Dergisi, sayı:118.

 

Bu icerik 381 defa görüntülenmiştir.