Çelik Konstrüksüyon Binalar ve Yangın Dayanımı

Çelik gibi betonarme ve yığma binalarda da yangın kaynaklı çökmeler yaşanmıştır. 1970-2002 yılları arasında yangın etkisiyle çöken 20 binanın taşıyıcıları yapı malzemelerine göre sınıflandırıldığında; 7 binanın betonarme, 6 binanın çelik, 5 binanın tuğla, 2 binanın ahşap olduğu belirlenmiştir. Bunlar içerisinde 6 binanın kat sayısı 21 kattan daha fazladır. Sadece çelik taşıyıcılı binaların yangında çöktüğünü düşünmek doğru bir yaklaşım olmaz. Odaklanılması gereken asıl mesele binaların yapı malzemelerine uygun yangın koruma önlemlerinin alınmaması durumudur.

YANGIN SONRASI ÇÖKEN BİNALAR

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

Yangın sonucunda ortaya yüksek sıcaklıklar, metal malzemelerin mekanik özeliklerinde önemli değişmelere ve  genleşmelere yol açar. Deneyler, sıcaklık arttıkça karbon çeliğinde akma dayanımının 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.

Yanarak çöken 17 katlı Plasco binası, İşadamı Habib Elghanian tarafından 1962 yılında inşa ettirilen ve hiçbir yangın koruma önlemine sahip olmayan bir binadır. İnşa edildiği zaman İran’daki en yüksek yapı olan ve plastik şirketinin adını taşıyan bina, yapıldığı yıllarda Tahran’ın simgesi olmuştur. Yangın 19 Ocak 2017’de yerel saatle 07:50’de dokuzuncu katta başlamıştır. Yangına müdahale için on ayrı itfaiye birliği birkaç saat boyunca yangını söndürmeye çalışmış, fakat binada otomatik söndürme sistemi olmadığı ve yanıcı madde fazla olduğu için yangın kontrol altına alınamamıştır. 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 TAŞIYICI SİSTEMLERİN ISI İLE İLGİLİ ÖZELLİKLERİ

Çelik taşıyıcılar,  özellikle deprem güvenliği, hafifliği ve kolay uygulanabilirliği nedeniyle yüksek binalarda tercih edilmektedir. Son zamanlarda sadece yüksek yapılarda değil, aynı zaman da az katlı binalarda da çelik konstrüksiyonun tercih edilmeye başlandığı da görülmektedir.

Yapılardaki taşıyıcı sistemin hasar almasına ve ardından sonuçta da çökmeye neden olacak bir sıcaklığa kadar ısınmasına 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. 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.

Çeliğin çekme dayanımı 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 konstrüksiyon yapıların yangın bakımından özel önemi vardır. Çelik yapı tasarımına ilişkin Eurocode 3 (EN 1993) standartlarının ikinci bölümü, çelik taşıyıcıların yalıtımına ayrılmıştır ve çeşitli hesap yöntemleri verilmiştir. Binaların Yangından Korunması Hakkında Yönetmelik 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.

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 YANGIN 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. 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. Tipik olarak pasif yangın koruma sistemleri, yapı mühendisin az veya hiç katılımı olmadan proje mimarı tarafından tasarlanır ve projelerde belirtilir.

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 olarak 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.

Ayrıca yapılacak çalışmalarla yangın sırasında yapının dayanabildiği sınırlı zamanlarda yapıların terk edilebilmesinin sağlanmasıi insanların bu konuda eğitilip bilinçlendirilmesi gerekmektedir.