EOTA TR069 ile Sonradan Ekilen Donatı Bağlantılarının Yangın Tasarımı

1. GİRİŞ

Mevcut betonarme elemanlara yeni beton elemanların yapısal olarak bağlanması, güçlendirme, kat ilavesi, konsol/döşeme uzatmaları ve deprem sonrası onarım uygulamalarında sıklıkla karşılaşılan bir gereksinimdir. Bu bağlantı, geleneksel olarak yeni dökülecek elemanın donatısının mevcut elemana kadar uzatılıp döküm öncesi yerleştirilmesiyle (cast-in) sağlanabildiği gibi, mevcut sertleşmiş betona açılan deliklere kimyasal harç (epoksi, akrilik/vinilester veya inorganik-çimento esaslı) enjekte edilerek donatı çubuğunun sonradan yerleştirilmesiyle de (post-installed rebar, PIR – ülkemizde yaygın kullanımıyla “filiz ekimi”) sağlanabilmektedir. Kimyasal ankrajlı yöntemin; kalıp gerektirmemesi, mevcut yapıyı bozmaması ve inşaat süresini kısaltması gibi üstünlükleri, bu tekniğin yaygınlaşmasının temel nedenleridir [1], [2].

Yapısal güvenlik, Avrupa Birliği yangın güvenliği rehberinde tanımlanan yedi temel unsurdan biridir: önleme, tespit, erken müdahale, tahliye, bölme, yapısal güvenlik ve itfaiye söndürme. Bu unsurlardan yapısal güvenlik, bir yangın esnasında taşıyıcı sistemin belirli bir süre boyunca (genellikle 30 ile 240 dakika arasında) yeterli taşıma kapasitesini koruyabilmesini ifade eder ve doğrudan can güvenliği ile tahliye süresiyle ilişkilidir. Betonarme elemanlarda kullanılan cast-in donatı için bu davranış, EN 1992-1-2 (CEN, 2004b) kapsamında iyi tanımlanmış olup, çelik için 500 °C’lik bir “kritik sıcaklık” esas alınarak beton örtüsü (paspayı) belirlenir [3]. Ne var ki bu yaklaşım, filiz ekiminde kullanılan kimyasal harçlara doğrudan uygulanamaz; zira özellikle organik esaslı (epoksi, vinilester) harçlar, çelik ve betona kıyasla çok daha düşük sıcaklıklarda (yaklaşık 80–200 °C mertebesinde camsı geçiş sıcaklığı civarında) önemli oranda bağ dayanımı kaybına uğramaktadır [4,5]. Bu nedenle filiz ekimi bağlantılarının yangın durumu için tasarımı, uzmanlık gerektiren, ürüne özgü ve halen aktif olarak geliştirilmekte olan bir mühendislik problemidir.

Bu çalışmanın amacı, (i) filiz ekimi uygulamalarının yangın açısından sınıflandırılmasını, (ii) kimyasal harçların yüksek sıcaklık altındaki davranışına ilişkin literatür bulgularını, (iii) Avrupa Teknik Değerlendirme Kuruluşu (EOTA) tarafından yayımlanan TR069 Teknik Raporu’nun sıcaklık tabanlı tasarım metodolojisini ve (iv) bu yöntemin 2026 yılı itibarıyla moment etkili uç ankrajlarına genişletilmesiyle elde edilen sahadan örnekleri, akademik literatürle ilişkilendirerek sunmaktır.

2. FİLİZ EKİMİ UYGULAMALARININ SINIFLANDIRILMASI

Yangın tasarımı açısından filiz ekimi uygulamaları, gömü boyunca gelişen sıcaklık dağılımının niteliğine göre iki ana kategoriye ayrılabilir:

Bindirmeli bağlantılar (lap splice / uzatma bağlantıları): Mevcut bir elemanın betonu içerisine, yeni dökülecek beton elemanın donatısıyla bindirilecek şekilde derin gömü boyunda donatı ekilmesidir (tipik çap aralığı Ø12–Ø32 mm). Donatı, açık yüzeye paralel konumlandığından, gömü boyunun tamamı yangın esnasında benzer bir sıcaklığa maruz kalır; dolayısıyla bağ dayanımı kaybı donatı boyunca yaklaşık düzgün (uniform) biçimde gerçekleşir. Bağ dayanımının etkisi ancak yüksek dayanımlı beton sınıflarında ve yüksek sıcaklıklarda belirleyici hâle gelir.

Yapısal ekler / uç ankrajları (end anchorage / structural joints): Mevcut elemanda genellikle bindirilecek bir donatı bulunmadığı durumlarda, orta ile derin gömü boyu aralığında uygulanan ve doğrudan bağ dayanımına bağımlı olan bağlantı tipidir (tipik çap aralığı Ø12–Ø40 mm). Donatı açık yüzeye açılı konumlandığından (örneğin bir köşe/konsol bağlantısında), gömü derinliği boyunca sıcaklık düzgün dağılmaz; yüzeye yakın bölgelerde sıcaklık hızla düşer. Bu düzensiz (non-uniform) sıcaklık dağılımı, bağ dayanımı kaybının donatı boyunca homojen olmamasına yol açar ve hesap yönteminin bu değişkenliği dikkate alması gerektirir.

Bu iki uygulama tipi arasındaki ayrım, izleyen bölümde ele alınan hesap yönteminin (Bağ Direnci Entegrasyon Yöntemi) temelini oluşturur; zira yöntem, sıcaklık profilinin gömü boyunca sabit ya da değişken olmasına göre farklılık gösteren bir entegrasyon işlemine dayanmaktadır [6,7].

3. KİMYASAL HARÇLARIN YÜKSEK SICAKLIK ALTINDA DAVRANIŞI

EN 1992-1-2 (CEN, 2004b), basit mesnetli kirişler ve döşemeler için gerekli eksen mesafesini belirlerken çeliğin “kritik sıcaklığı”nı yaklaşık 500 °C olarak kabul eder; bu değer, standart yükleme koşulları altında çeliğin dayanımının yeterli bir güvenlik payıyla korunduğu sıcaklık eşiğini temsil eder [3]. Ne var ki bu kabul, kimyasal harç–beton ara yüzeyindeki bağ davranışı için geçerli değildir. Pinoteau vd. epoksi esaslı polimer harçların camsı geçiş sıcaklığının (Tg) genellikle 80–130 °C aralığında olduğunu ve bu sıcaklığın üzerinde çekme dayanımının hızla 2,5 MPa’nın altına düştüğünü deneysel olarak göstermiştir [4]. Benzer şekilde Al-Mansouri vd. ve Lahouar vd., organik esaslı harçların bağ dayanımının 100–300 °C aralığında önemli ölçüde azaldığını, buna karşın beton ve çeliğin dayanım kaybının çok daha yüksek sıcaklıklarda gerçekleştiğini teyit etmiştir [5,8]. Bu durum, cast-in donatı için türetilmiş 500 °C’lik kritik sıcaklık kabulünün doğrudan uygulanması hâlinde, gerekli beton örtüsünün ciddi biçimde eksik hesaplanacağı ve bağlantının yangın güvenliğinin sağlanamayacağı anlamına gelmektedir.

İnorganik (çimento esaslı) harçlar ise farklı bir sıcaklık-dayanım ilişkisi sergiler. Bu tür harçlar, esasen “enjekte edilebilir beton” olarak nitelendirilebilir; ortam sıcaklığındaki bağ dayanımları organik harçlara kıyasla daha düşük olsa da, sıcaklıkla birlikte dayanım kaybı çok daha yavaş gerçekleşir. Nitekim üretici test verilerine göre (C30/37 beton sınıfı, Ø12 mm donatı için), hızlı ve yavaş priz alan organik harçlar 20 °C’de daha yüksek bağ dayanımı sergilerken, sıcaklık artışıyla birlikte inorganik harcın bağ dayanımı eğrisi organik harçların eğrisini yaklaşık 48 °C ve 83 °C civarında keserek üstüne çıkmaktadır. Bu “performans kesişim noktası” (tipping point), yangın koşulları altında harç seçiminin ortam sıcaklığındaki bağ dayanımı yerine, sıcaklık-bağ dayanımı azalma eğrisinin tamamı esas alınarak yapılması gerektiğini göstermektedir. Zhang vd. organik ankraj harçlarının yüksek sıcaklık sonrası (post-heating) kalıntı dayanımını incelemiş ve maruz kalınan sıcaklık ile ısıtma süresine bağlı olarak dayanım kaybının kalıcı olabileceğini ortaya koymuştur [9]. Muciaccia vd. ise farklı test düzeneklerinin (sabit yük–artan sıcaklık ve sabit sıcaklık–artan yük yaklaşımları) elde edilen bağ dayanımı-sıcaklık eğrilerini önemli ölçüde etkilediğini, dolayısıyla test protokolünün standartlaştırılmasının kritik olduğunu belirtmiştir [10].

4. YANGIN TASARIM METODOLOJİLERİ

4.1. Zaman Tabanlı (Geleneksel) Yaklaşım

Filiz ekimi bağlantılarının yangın tasarımında ilk kullanılan yöntemler, esasen Eurocode’un beton konik kopması (concrete cone breakout) modelinin zaman tabanlı olarak uyarlanmasına dayanır. Bu yaklaşımda yangın direnci yalnızca standart R30, R60, R90 ve R120 sınıfları için ve yalnızca standart ISO 834 sıcaklık-zaman eğrisi (ISO, 1999) için hesaplanabilir; yangın maruziyeti tek taraflı kabul edilir; ek bir yüzeyden maruziyet söz konusu ise beton örtüsünün en az min(300 mm; 2·lᵦ,fi) olması istenir; yalnızca C20/25 beton sınıfı kullanılabilir ve koruyucu önlemlerin (yangın panosu, sprey) sağladığı fayda ancak fiziksel yangın testleriyle kanıtlanabilir [11].

Bu yöntem, tarihsel olarak EOTA TR023 (EOTA, 2006) kapsamında bindirmeli bağlantılar ve basit mesnetli uç ankrajları için geliştirilmiş, sanayi uygulamasında “rijit düğüm (rigid node)” yöntemi olarak da anılmıştır [12]. Yöntemin muhafazakâr varsayımları, tasarımda sıklıkla daha büyük gömü boyu, daha kalın beton örtüsü veya ilave yangın koruma önlemleri gerektirmesine yol açmaktadır.

4.2. Sıcaklık Tabanlı Yaklaşım: Bağ Direnci Entegrasyon Yöntemi (RIM)

Zaman tabanlı yöntemin sınırlarını aşmak amacıyla, Fransız Bina ve Yapı Bilimsel ve Teknik Merkezi (CSTB) bünyesinde Pinoteau tarafından yürütülen doktora çalışması kapsamında “Bağ Direnci Entegrasyon Yöntemi” (Resistance Integration Method, RIM) geliştirilmiştir [6,13]. Yöntemin temel prensibi, harcın bağ dayanımının sabit bir kritik sıcaklık değeriyle değil, sürekli bir bağ gerilmesi–sıcaklık azalma eğrisiyle temsil edilmesi ve bu eğrinin, donatı boyunca değişen sıcaklık profiliyle birlikte “entegre edilerek” (integrating) toplam kapasitenin hesaplanmasıdır.

Bu yaklaşım, EAD 330087 kapsamında standartlaştırılan test protokolüyle beslenir: Ø12 mm donatı, 120 mm gömü boyunda ve sabit yük altında artan sıcaklığa maruz bırakılarak (en az 20 numune üzerinde) bağ gerilmesi–sıcaklık azalma eğrisi elde edilir [14].

RIM yönteminin geçerliliği, çok sayıda deneysel çalışmayla doğrulanmıştır. Pinoteau vd., ısıtma hızının bağ göçmesi üzerindeki etkisini incelemiş; Lahouar vd., yüksek sıcaklık altında yapıştırılmış ankrajların mekanik davranışını deneysel olarak araştırmıştır [4,8]. Lahouar vd. donatı boyunca sıcaklık dağılımına maruz kimyasal ankrajlar için doğrusal olmayan bir “shear-lag” modeli önermiş; Lahouar vd. ise yöntemi, 2,94 × 2 × 0,15 m³ boyutlarında bir betonarme döşeme üzerinde standart ISO 834-1 yangın koşulları altında tam ölçekli olarak doğrulamıştır [7,15]. Al-Mansouri vd. yöntemi test koşullarının (ısıtma hızı, ölçüm noktaları) etkisi açısından irdelemiş [5,16]; Al-Mansouri vd. ise yöntemi filiz ekiminin ötesinde, genel yapıştırılmış (bonded) ankrajlara da genişleterek CSTB ve Kaiserslautern Üniversitesi’nde yürütülen iki ayrı deney programının sonuçlarıyla karşılaştırmalı olarak doğrulamıştır [17,18].

Bu çalışmaların ortak sonucu, sıcaklık tabanlı entegrasyon yaklaşımının, ürüne özgü test verileriyle beslendiğinde, farklı gömü boyu, donatı çapı, beton örtüsü ve yangın maruziyet süresi kombinasyonları için tutarlı ve deneylerle uyumlu sonuçlar verdiğidir. Her iki yaklaşımın karşılaştırılması Tablo 2.’de verilmiştir.

Tablo 1. Zaman tabanlı ve sıcaklık tabanlı yangın tasarım modellerinin karşılaştırılması

4.3. EOTA TR069 Kapsamındaki Üç Adımlı Hesap Prosedürü

RIM yönteminin mühendislik pratiğine aktarılmış hâli, EOTA TR069 Teknik Raporu’nda üç adımlı bir prosedür olarak tanımlanmıştır

Adım 1 – Sıcaklık profilinin belirlenmesi:

Uygulamaya özgü geometri (bindirmeli bağlantı veya uç ankrajı) ve malzeme özellikleri (EN 1992-1-1 ve EN 1992-1-2’de verilen ısıl özellikler) kullanılarak sonlu elemanlar yöntemiyle üç boyutlu ısı transferi simülasyonları gerçekleştirilir [3,20]. Bindirmeli bağlantılarda gömü boyunca yaklaşık sabit bir sıcaklık dağılımı, uç ankrajlarında ise gömü derinliğine bağlı olarak değişen (non-uniform) bir sıcaklık dağılımı elde edilir.

Adım 2 – Azaltılmış bağ ve ayrılma (splitting) dayanımının belirlenmesi:

İlgili ürünün Avrupa Teknik Değerlendirmesinde (ETA) yer alan azaltma katsayısı–sıcaklık eğrisi (kᵦ,fi(θ)) kullanılarak, donatı boyunca her konumdaki azaltılmış tasarım bağ dayanımı (fᵦd,fi) hesaplanır. Moment etkili bağlantılarda sıyrılma (pull-out, kfi,p(θ)) ve ayrılma (splitting, kfi,sp(θ)) göçme modları için ayrı azaltma eğrileri kullanılır; iki eğri arasında bir kesişim bulunmaması durumunda tasarımda daha düşük (belirleyici) eğri esas alınır.

Adım 3 – Ankraj boyu/kapasite doğrulaması:

Azaltılmış bağ dayanımı, varsayılan bir ankraj uzunluğu için entegrasyon yöntemiyle bütünleştirilerek yangın altındaki taşıma kapasitesi (NRd,fi) hesaplanır; sıyrılma ve ayrılma göçme modları ayrı ayrı doğrulanır.

Beton konik kopması sıcaklık tabanlı bir azaltma faktörüyle aşağıdaki şekilde kontrol edilir:

NRk,c,fi = k(θc) · NRk,c

Donatı akma dayanımı EN 1992-1-2’dekiyle aynı yöntemle ayrıca doğrulanır. Beton konik kopmasının yüksek sıcaklıkta deneysel doğrulaması, Al-Mansouri vd.’nin oda ve yüksek sıcaklıkta yürüttüğü deneysel çalışmayla desteklenmiştir [21].

4.4. Moment Etkili Uç Ankrajlarının Yangın Tasarımı: 2026 Güncellemesi

EOTA TR069’un ilk sürümleri (2020), sıcaklık tabanlı yöntemi yalnızca momentsiz bağlantılar ve bindirmeli bağlantılar için tanımlamaktaydı; moment etkisi taşıyan uç ankrajlarının yangın tasarımı (örneğin konsol bağlantıları) ise ancak özel geliştirilen ve zaman tabanlı, muhafazakâr “rijit düğüm” yöntemiyle veya beton örtüsünün artırılması ile koruyucu yangın panosu/spreyi uygulamasıyla, yani fiziksel test sonuçlarına dayanılarak yapılabilmekteydi [19].2026 yılında yayımlanan güncel EAD 332402 ve buna bağlı TR069 revizyonu ile birlikte, moment etkili uç ankrajları için de sıcaklık tabanlı, entegrasyon temelli tasarım mümkün hâle gelmiştir. Bu güncellemeyle, ilgili ürünlerin ETA’larında sıyrılma ve ayrılma için ayrı sıcaklık-azaltma eğrileri tanımlanmakta; 240 dakikaya kadar yangın direnci gereksinimleri karşılanabilmekte ve beton konik kopması ile donatı akması ayrı doğrulama adımları olarak eklenmektedir.Bu gelişmenin en önemli pratik sonucu, önceden zorunlu olan koruyucu yangın kaplaması veya sprey uygulamasının artık gerekmemesidir; bu durum hem malzeme/işçilik tasarrufu hem de sürdürülebilirlik açısından belirgin faydalar sağlamaktadır.