Çelik Taşıyıcı Sistemlerde Yangın Güvenliği

Çelik, birçok yönden yapılarda kullanım avantajı olan bir malzeme olup yapılarda kullanılan diğer bütün metaller gibi yanmaz özelliktedir. Fakat yüksek sıcaklıklara karşı direncinin yetersiz oluşu en olumsuz tarafıdır. Yumuşak çelik 250° C 'ye (482°F) kadar olan sıcaklıklar için, normal değerine 400° C 'de (752° F) döner. Yumuşak çelik için eğilme ve gerilme sıcaklığı çalışma gerilimi yaklaşık 550° C'ye (1022° F) kadar düşebilir fakat soğutma esnasında dayanıklılığını yeniden kazanır. Soğuk çalışılan yüksek dayanımlı çelikler ise dayanım bakımından büyük azalmalar gösterirler. Genellikle yapısal çelik işlerinin kritik sıcaklığı 550° C ve öngerilimli beton işlerinde kullanılan çeliklerin kritik sıcaklığı da 400 - 450° C olarak kabul edilir. Yumuşak çeliklerin tersine soğuk çalışılan çelikler mümkün olduğunca, orijinal yumuşak çelik formundaki eski haline dönüşmesinden dolayı, dayanıklılıkta sürekli bir azalmaya uğrar. Bu nedenle bu tip çeliklerin kullanıldığı yapılar kısa süreli yangınlardan dolayı devamlı deformasyon gösterir.

Ahşap ve betonarmeye oranla çeliğin başlıca yararları;

a) Yapı çeliğinin pratik olarak homojen ve izotrop bir malzeme oluşu, boyutlama hesaplarında kullanılan güvenlik katsayısı değerinin, diğer malzemelerdekine oranla oldukça küçük alınabilmesine imkan sağlar. Mukavemetinin yüksek oluşu nedeniyle, sistemin taşımakla yükümlü olduğu toplam yük içinde çeliğin kendi ağırlığının payı az olur. Bu bakımdan çok büyük açıklıkların geçilmesinde çelik en elverişli malzeme niteliğindedir. Hafif metaller çeliğe göre daha elverişli olmasına karşın pahalıdırlar. Taşıyıcı sistemlerde açıklık büyüdükçe, sistemin kendi ağırlığı içindeki payı da büyür.

b) Kesit dış ölçüleri belirli bir çelik kolonun taşıma gücü, aynı kesit ölçülerinde ve aynı kullanım şartları için yapılan betonarme kolona oranla çok daha fazladır. 

c) Yukarıdaki özellikler nedeniyle çelik taşıyıcı iskeletin kendi ağırlığının yapının toplam ağırlığı içindeki payı az olacağından temellere gelen yükler de, betonarme iskeletli yapınınkine oranla daha az olacaktır. Temel zemini sağlam olmayan yerlerdeki yapılar için bazen sadece bu özellik, taşıyıcı iskelet malzemesi olarak çeliğin seçilmesine neden olmaktadır. 

d) Yapı çeliğinin elastisite modülü (E= 2.100.000 kg / cm²) 'de ahşaba (E= 100.000 kg / cm²) oranla çok yüksektir. Bu nedenle sehimler, titreşimler, stabilite problemleri gibi eğilme rijitliğinin önemli rol aldığı boyutlandırma problemlerinde çelik daha az malzeme kullanımını gerektiren sonuçlar verir. 

e) Çelik taşıyıcı iskelet elemanları işçiliğinin büyük bir kısmı düzgün ve iyi malzeme donanımına sahip atölyelerde, uzmanlar denetiminde, vasıflı işçiler tarafından yapılabilir. İmalat kusuru bulunması olasılığı azdır. Şantiye de ise sadece, bitmiş parçaların bir araya getirilmesi ve montaj işi yapılır. Bu çalışma hava şartlarından bağımsız olarak, yılın her günü yapılabilir. Sonuç olarak yapının çelik taşıyıcı iskeleti, aynı tip ve hacimdeki betonarme iskelete oranla çok daha kısa sürede tamamlanabilir ve yapı işletmeye açılabilir. Bu nedenle, bazı durumlarda, maliyeti daha yüksek olmasına rağmen çelik iskelet tercih edilmektedir. 

f) Mevcut bir yapının çelik taşıyıcı iskeleti, ihtiyaca göre ve elbette belirli sınırlar içinde, çok kolayca takviye edilebilir veya iskelette değişiklikler yapılabilir. Betonarme iskelette bu işlemin sınırları dar, yapılmaları ise güç ve hatta bazen imkansızdır. 

g) Çelik taşıyıcı iskelet elemanları bulundukları yapıdan kısmen veya tamamen söküldüklerinde, çıkan malzeme bir başka yapıda ve hatta değişik şartlarda kayıpsız olarak tekrar kullanılabilir. Böyle bir yapı herhangi bir nedenle yıkılsa ve enkaz haline gelse, yani içindeki çelik malzeme artık kullanılmayacak hurda niteliğinde olsa bile gene bir değeri vardır, hurda fiyatına satılarak paraya çevrilmek suretiyle önemli bir gelir sağlanabilir. Buna karşılık betonarme iskelet yıkıldığında bir moloz yığını haline gelir, içinden çıkarılabilecek demir ise çoğu zaman yıkma masraflarını bile karşılamaz. 

Önerilen Makale: Islah çeliği malzemeler ve uygulamaları hakkında detaylı bilgi almak için ıslah çeliği fiyatları sayfamızı ziyaret etmenizi tavsiye ederiz.
 

Çeliğin ısı iletimine direnç göstermediği, dolayısıyla çelik elemanın her noktasında sıcaklığın aynı olduğu varsayılmaktadır. Çelik elemanın üzerindeki ısı yalıtım malzemesinin ısısal sığasının da ihmal edilebilir seviyede olduğu ve yangına açık yüzü ile çelikle temastaki iç yüzü arasındaki sıcaklık değişiminin doğrusal olduğu da, ağır yalıtımlar dışında kabul edilir ve yangın ortamındaki çelik elemanlardaki sıcaklık artışı da ısı akımına bağlı olarak değişebilir.
 
Çeliği korumada kullanılan yalıtım malzemelerinin çoğu su içerir. Gözeneklerdeki serbest su 100° C 'de buharlaşır ve bu sürede ısı büyük ölçüde harcandığından bu sıcaklıkta çelik elemana ısı akımı yavaşlar. Kristalleşme suyu içeren sıva vb. malzemelerde durum daha karmaşıktır ve 100° C'den daha yüksek sıcaklık derecelerinde de nemin etkisine benzer durumlarla karşılaşılabilir. Nemli malzemede sıcaklık artış hesabı, nemin getirdiği t_v gecikmesi göz önüne alınarak yapılır. 
 

Bir taşıyıcı sistem elemanının, hem şekil değiştirmelerinin belirli sınırlar içinde kalması, hem de verilmiş bir yükü taşıyabilmesi gerekir. Ölü ya da sabit yüklere eklenen yararlı ya da hareketli yüklere deprem durumuna benzer bir azaltma getirilebilir. Eurocode'a göre, hareketli yükler yangın durumunda % 50 azaltılabilir ve yangın durumunda çelikte, yük arttırma katsayısı, 1.0 alınmakla birlikte, akma sınırı her zaman 1.1'e bölündüğünden, pratikte 1.1 kabul edilir. Çeliğin yüksek sıcaklıktaki burkulmasını hesaplamada Eurocode 3 burkulma eğrileri kullanılmaktadır.
 
Çelik eleman birleşimlerinin yalıtımı en az elemanların yalıtım kalınlığında yapılmalıdır. Bu durumda birleşimlerin ayrıca kontrolü gerekmez. Çelik elemanlardaki sınır durumlar tanım olarak, taşıyıcı sistem veya onun bir elemanı görevini tam olarak yerine getiremediğinde bir sınır duruma ulaşır. Göçme sınır durumunda ise, taşıyıcı sistem veya onun bir elemanının taşıma gücü, yangın koşullarında üzerine etki yapan yükün düzeyine indiğinde erişilir. 
 

Çelik yapılarda taşıyıcı sistemin yangına karşı korunması karşılaşılan en önemli problemlerden biridir. Çeliği korumada kullanılan başlıca yalıtım türleri şunlardır: 

Beton ile kaplama 

Çıplak çelik bir kolonun yangına direnci sadece 5 dakika iken 5 cm kalınlığında betonla zarflanmasıyla 130 dakikaya kadar çıkarılabilir. Zarflamada kullanılan elemanlar ise beton, alçı, vb. yanmayan ve ısınma ısısı son derece yüksek malzemelerdir. Beton örtü, çelik kolonları yangına karşı korumanın yanında darbe ve dış tesirlere karşı da dayanıklı duruma getirir. Tel kafes veya tel etriye kullanılması betonun mukavemetini artırır. 

B160 kalitesinde bir beton örtünün yangına karşı F90’llık bir emniyet sağlayabilmesi için en az 40 mm'lik bir kalınlıkta olması gerekir. Düşey kalıplar kullanılıyorsa, beton dökümü kolonun montajından önce veya sonra olabilir. Yatay kalıp durumunda ise montajdan önce beton dökülmesi gerekir. Profil kolonlar dikdörtgen kesit olacak şekilde betonlanacaksa, ağırlığı azaltmak amacıyla iç kısma hafif beton dökülür. Çeliği kaplamada ve izole etmede kullanılan beton kaplama çelik kolonun her yüzeyini kaplar. Betonun çeliği korumada sadece termal olarak hareket edeceği fark edilir. Betonun taşıyıcı kapasitesi ve olası çelik-beton etkisi ise hesaplamalarda ihmal edilir. 

Levha ile kaplama 

Yapısal çeliği korumak için genelde dört çeşit levha ürünü kullanılır. 

• Alçıtaşı levha, 
• Fiberle güçlendirilmiş kalsiyum silikat levha,
• Vermikülit - sodyum silikat levha, 
• Mineral fiber levha. 

Her bir durumda çeliği saran levhaların bağları montajın performansını etkileyen kritik parametre anlamındadır. Çelik kaplı ve çelik kaplı olmayan alçı taşı duvar levha bağlarının genelde kullanılan iki çeşidi vardır. Ayrıca levha ürünler, duvar montajlarında çelik makasların çevresinde bir zarf oluşturmak için de kullanılabilir.

Sprey Malzemelerle Kaplama 

Pek çok uygulama şekilleri vardır. Sprey uygulamalı malzemeler, çimentolu plasterler, mineral fiberler vb. malzemelerdir. Sıva vermiculite veya asbestin diğer bağlayıcı maddelerle karıştırılarak çelik kolona püskürtülmesiyle yapılır. Ekonomik olması nedeniyle sıklıkla uygulanmaktadır. Püskürtme işlemi yapının kirlenmesine yol açtığından, uygulanacağı zaman iyi seçilmeli ve sıva üst yüzeyi pürüzlü olacağından kolon başka bir malzemeyle de ayrıca kaplanmalıdır. Sıcakta şişen yalıtım malzemeleri de püskürtülerek veya boya gibi sürülerek uygulanabilirler. Sıcakta şişerek hava kesecikleri oluştururlar ve yalıtımı bu şekilde sağlarlar. 0.25 ila 2.5 mm kalınlığında solventli ince tipleri ve 4 ila 16 mm kalınlığında epoksi reçinesi esaslı kalın tipleri mevcuttur.
 
Kolonların Su Dolanımı ile Yangından Korunması 

Su, hem büyük ısı özgül katsayısı, hem de buharlaşırken yuttuğu büyük ısı nedeniyle çok iyi bir soğutucudur. Bu metodun kullanıldığı bir deneyde, sıcaklık yükselmesinde 15 derecelik bir azalma olduğu gözlenmiştir. Yalnız kolonların korunması durumunda, su genelde sürekli dolu olduğundan, içine potasyum karbonat ya da benzeri bir antijel katılarak donmaya karşı önlem alınırken, çelik elemanların hesabında da hidrostatik iç su basıncına dikkat edilmelidir. Yüksek katlı binalarda şebekenin yükseklik boyunca bölünmesi gerekebilir. Yangın olmadıkça korozyondan korkulması gerekmez. Ancak su değişmediği için, içerdiği sınırlı oksijen korozyonu sürdürmez. Özellikle su değiştiriliyorsa, potasyum nitrat gibi korozyon önleyici katkılar kullanılarak, çelik taşıyıcı elemanlar, yangının neden olduğu mukavemet azalmasından çok iyi bir şekilde korunabilir.