Filiz Ekiminde Yangın Tasarımı

1. GİRİŞ

Yangınlar, her tür yapı için can ve mal güvenliğini tehdit eden önemli bir risk olmaya devam etmektedir. Yangına maruz kalan beton elemanların taşıma kapasitesi ve stabilitesi azalabilir, bu durum kısmi veya tam göçmelere yol açabilir. Bu nedenle yapısal yangın güvenliği, Eurocode'lar da dahil olmak üzere başlıca yapı standartlarının temel gerekliliklerinden biridir. Eurocode'lar, güvenli tahliye, etkin kurtarma faaliyetleri ve kontrollü yangınla mücadeleyi sağlamak amacıyla yapısal elemanlar ve bağlantıları için asgari yangın dayanımı sürelerini tanımlamaktadır (bkz. Şekil 1).

_{Şekil 1. Tüm Yapı Türlerinde Güvenlik Gereklilikleri}

Sonradan yerleştirilen donatılar (post-installed rebar), farklı zamanlarda dökülmüş beton elemanları birbirine bağlayarak mevcut ve yeni elemanlar arasında monolitik davranış oluşturmak amacıyla yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu uygulamalar, hem planlı hem de öngörülemeyen inşaat ihtiyaçları için güvenilir, hızlı ve ekonomik çözümler sunar. Sonradan yerleştirilen donatılara olan ihtiyaç, çoğunlukla filiz donatıların veya manşonların beton dökümü sırasında unutulduğu planlanmamış durumlarda ortaya çıkar. Bununla birlikte, iş akışını optimize etmek ve hızlandırmak amacıyla planlı inşaat faaliyetlerinde de kullanılabilir. Ayrıca bu tür bağlantılar, bina ve altyapı yapılarının güçlendirilmesi ve iyileştirilmesi çalışmalarında büyük önem taşımaktadır.

Yapı yönetmelikleri, geleneksel betonarme sistemlerin yangın tasarımı için genellikle tablo değerlerine veya basitleştirilmiş yöntemlere dayanan açık rehberlik sağlarken, sonradan yerleştirilen donatı uygulamaları gibi alternatif yapım yöntemleri, enjeksiyon harçlarının beton ve çeliğe kıyasla farklı termal ve fiziksel davranış göstermesi nedeniyle daha gelişmiş tasarım yaklaşımları ve mühendislik değerlendirmeleri gerektirir. Bu tür sistemlerin öngörülen yangın güvenliği gerekliliklerini karşıladığının doğrulanması, yapısal tasarım mühendisinin sorumluluğundadır.

Şimdi, sonradan yerleştirilen donatı uygulamalarının yangın tasarımı prosedürünü detaylı olarak inceleyelim.

2. SONRADAN YERLEŞTİRİLEN DONATI UYGULAMALARININ SINIFLANDIRILMASI

Sonradan yerleştirilen donatı bağlantılarının uygulama alanı genel olarak iki gruba ayrılabilir: döşeme, kiriş, perde ve kolon gibi yapı elemanlarının uzatılmasında kullanılan bindirme ekleri (lap splice) ile döşeme-duvar veya kolon-döşeme bağlantıları gibi elemanların birleştirilmesini sağlayan uç ankrajlar (end anchorage). Bu bağlantılar, moment etkisinin bulunduğu veya bulunmadığı durumlarda uygulanabilir (bkz. Şekil 2).

_{Şekil 2. Sonradan Yerleştirilen Donatı Uygulamalarının Genel Sınıflandırılması}

Basit mesnetli uç ankrajlar, duvar üzerine oturan bir döşeme örneğinde olduğu gibi moment oluşturmadan yalnızca kesme kuvvetlerini veya eksenel yükleri aktarır. Ancak uygulamada birçok bağlantı, kolon, perde veya döşeme gibi beton elemanlar arasında kısmi ya da tam ankastre davranış nedeniyle momentlerin oluştuğu yarı rijit veya rijit birleşimler olarak çalışmaktadır. EN 1992-1-1 tasarım hükümleri, bu tür rijit bağlantıları bindirme eki (lap splice) düzenlemeleri ile sınırlandırmaktadır. Bununla birlikte, güçlendirme projeleri veya aşamalı inşaat uygulamalarında bu çözüm her zaman uygulanabilir olmayabilir. Bu duruma çözüm olarak EOTA Teknik Raporu TR 069, mevcut elemanlarda bindirme eki gereksinimini ortadan kaldıran ve düz sonradan yerleştirilen donatı bağlantılarıyla rijit uç ankrajların tasarlanmasına olanak sağlayan bir tasarım metodolojisi sunmaktadır.

3. YANGINA MARUZ KALMA DURUMUNDA YERİNDE DÖKME DONATI İLE SONRADAN YERLEŞTİRİLEN DONATI ARASINDAKİ TEMEL FARKLAR

Yangına maruz kalma durumunda sonradan yerleştirilen donatıların davranışı, enjeksiyon harçlarının farklı termal ve mekanik özellikleri nedeniyle, yerinde dökme donatıların davranışından önemli ölçüde farklılık göstermektedir (bkz. Şekil 3). Organik esaslı harçların aderans dayanımı sıcaklığın artmasıyla hızla azalmakta olup, bu dayanım kaybının seviyesi kullanılan ürüne bağlı olarak değişmektedir. Organik ve hibrit harçlar, çelik ve betona kıyasla çok daha düşük sıcaklıklarda taşıma kapasitesini kaybettiğinden, doğru bir yangın tasarımı için zamana ve sıcaklığa bağlı aderans dayanımı azalmasının anlaşılması büyük önem taşımaktadır. Hilti HIT-FP 700-R, enjeksiyonla uygulanan inorganik kalsiyum alüminat esaslı bir çimento harcı olarak geliştirilmiş olup, 500°C'nin üzerindeki yüksek sıcaklıklarda dahi aderans kapasitesinde oldukça düşük bir azalma göstermektedir.

_{Şekil 3. Yangına Maruz Kalma Durumunda Enjeksiyon Harcı, Beton ve Çeliğin Performans Azalma Eğrileri}

Sonradan yerleştirilen donatı uygulamalarında sıcaklık dağılımı, beton örtüsü kalınlığına, ankraj derinliğine ve yangına maruz kalma süresine bağlıdır. Bindirme eki (lap splice) kullanılan uygulamalarda, en yaygın durumlarda ankraj boyunca sıcaklık dağılımı genellikle sabit kabul edilmektedir (bkz. Şekil 4a). Uç ankraj (end anchorage) uygulamalarında ise sıcaklık dağılımı, sonradan yerleştirilen donatının ankraj derinliği boyunca genellikle değişkenlik göstermektedir (bkz. Şekil 4b).

_{Şekil 4. Sonradan Yerleştirilen Donatı Bağlantılarında Tipik Sıcaklık Dağılımı}

4. TASARIM ÇERÇEVESİ VE EKSİK HALKA

Sonradan yerleştirilen donatıların tasarımı, EN 1992-1-1 (statik durum) ve EN 1992-1-2 (yangın durumu) standartlarında doğrudan ele alınmamaktadır. Yerinde dökme donatılar için yangın tasarım doğrulama yöntemleri EN 1992-1-2 kapsamında aşağıdaki şekilde tanımlanmaktadır:

• Tablo yöntemi (Tabulated data):

  Farklı yangın dayanım sınıfları için minimum beton kesit boyutları ve beton örtüsü kullanılır.

• Basitleştirilmiş hesap yöntemi (Simplified calculation):

  İzoterm veya bölge yöntemi kullanılarak yangın etkisi altında azaltılmış kesit analizi yapılır.

• Gelişmiş yöntem (Advanced method):

  Tüm yapının termal-mekanik sonlu elemanlar analizleri gerçekleştirilir.

Uygulamada en yaygın kullanılan yaklaşım tablo yöntemidir. Bu yöntem, yapısal elemanın detaylandırılmasının donatı çeliği sıcaklığının hiçbir zaman 500°C'yi aşmaması esasına dayanır. Bu şart sağlandığında yangın durumu genellikle tasarımı belirleyen kritik yükleme durumu olmaz.Ancak bu yaklaşım, sonradan yerleştirilen donatılara doğrudan uygulanamaz. Çünkü organik esaslı enjeksiyon harçları, 500°C'nin çok altındaki sıcaklıklarda aderans dayanımlarını hızla kaybetmektedir (bkz. Şekil 3). Bu durum çoğu zaman daha büyük beton örtüsü kalınlıkları veya daha derin ankraj boyları gerektirir. Ancak bu çözümler mevcut yapı elemanlarında uygulanması zor veya ekonomik olmayan seçenekler olabilir.Bunun yanı sıra EN 1992-1-1 kapsamındaki mevcut tasarım hükümleri, sonradan yerleştirilen donatı uygulamalarını bindirme ekleri (lap splice) ve momentsiz uç ankrajlar ile sınırlandırmaktadır. Bu sınırlamayı aşmak amacıyla EOTA TR 069, geliştirilmiş aderans-yarma davranışına dayanan, moment aktaran uç ankraj bağlantıları için bir tasarım yöntemi sunmuştur.Başlangıçta yalnızca statik ve deprem durumlarını kapsayan bu yaklaşım, günümüzde yangın tasarım metodolojisini de içermektedir. Böylece mühendisler, moment aktaran sonradan yerleştirilen donatı uygulamalarını 240 dakikaya kadar yangın dayanım sınıfları için tasarlayabilmekte ve bu alandaki önemli bir tasarım boşluğu giderilmektedir (bkz. Tablo 1).

_{Tablo 1. Sonradan Yerleştirilen Donatı Uygulamaları için Tasarım Çerçevesi}

5. SONRADAN YERLEŞTİRİLEN DONATI UYGULAMALARININ YANGIN TASARIMI

Statik tasarımda, yükler ve malzeme dayanımları için kullanılan kısmi güvenlik katsayıları, yapının normal kullanım ömrü boyunca yeterli güvenlik seviyesini sağlayacak şekilde seçilmektedir. Örneğin, tasarım yükleri genellikle artırılır (γG = 1,35 kalıcı yükler için, γQ = 1,50 hareketli yükler için), malzeme dayanımları ise azaltılır (γM = 1,15 çelik için, γM = 1,50 beton için). Bu katsayılar, yapı ömrü boyunca meydana gelebilecek göçmeye karşı yeterli güvenilirliğin sağlanmasına yardımcı olur.Ancak yangın durumunda tasarım yaklaşımı değişmektedir. Amaç artık her türlü hasarı önlemek değil, yapının gerekli yangın dayanım süresi (R) boyunca taşıyıcılığını ve stabilitesini korumasını sağlamaktır. Tam gelişmiş bir yangının, statik tasarımda dikkate alınan en elverişsiz yüklerle aynı anda gerçekleşme olasılığı düşük olduğundan, EN 1992-1-2, yangın tasarımı için daha düşük güvenlik katsayılarının kullanılmasına izin vermektedir. Bu durumda malzemeler için genellikle γM,fi = 1,0 alınırken, statik tasarım yük etkilerine (Ed) yaklaşık ηfi ≈ 0,7 yük azaltma katsayısı uygulanmaktadır.Yangın tasarımında kullanılan bu daha düşük yük ve malzeme katsayıları, EN 1992-1-2'deki tablo yönteminin temelini oluşturmaktadır. Bu yaklaşımda, azaltılmış yük seviyeleri ve malzeme dayanımları esas alınarak minimum eleman boyutları ile beton örtüsü değerleri tablolar halinde verilmekte ve ilave bir hesap yapılmasına gerek kalmadan yangın tasarımı gerçekleştirilebilmektedir.

Yangın Etkisi Altında Bindirme Eki Boyunun Tasarımı

Bindirme eki boyunun tasarımı, EN 1992-1-1'in 8. bölümünde statik yük durumu için verilen tasarım hükümleri kullanılarak yapılabilir. Ancak bu hesapta, normal durum için kullanılan f_bd,PIR yerine, ilgili ETA'da yangın durumu için tanımlanan azaltılmış aderans dayanımı f_bd,fi değeri kullanılmalıdır.Yangın altındaki tasarım aderans dayanımı (f_bd,fi ), sıcaklık arttıkça azalmaktadır. Bu azalma eğrisi daha sonra, ilgili beton sınıfı için yerinde dökme donatıya ait referans aderans dayanımı esas alınarak k_fi(θ) azaltma katsayısına dönüştürülmektedir. Bu katsayı, yangın sırasında sıcaklığa bağlı aderans dayanımı kaybının tasarım hesaplarında dikkate alınmasını sağlamaktadır (bkz. Şekil 5).

Yangın Etkisi Altında Eurocode'a Göre Uç Ankrajların (Moment Aktarmayan) Tasarımı

Yangın tasarımına ilişkin temel prensipler, bindirme eklerinin tasarımında kullanılan prensiplere benzerdir ve ilgili ETA dokümanında verilen azaltılmış aderans dayanımı yaklaşımına dayanır. Ancak uç ankrajlar veya birleşim bağlantılarında, sıcaklık dağılımı genellikle donatının ankraj boyu boyunca değişkenlik göstermektedir (bkz. Şekil 6).Yangın durumunda, ara yüzeyden itibaren ankraj boyu boyunca herhangi bir x noktasındaki tasarım aderans gerilmesi (f_bd,fi) hesaplanır. Daha sonra, sonradan yerleştirilen donatı için varsayılan bir ankraj boyuna karşılık gelen yangın altındaki aderans taşıma kapasitesi (N_Rd,fi ) entegrasyon yöntemi kullanılarak belirlenir. Hesaplanan kapasitenin, yangın durumundaki tasarım yükünden (N_Ed,fi ) daha küçük olmaması gerekir. Bu nedenle tasarım genellikle iteratif bir süreç izlenerek gerçekleştirilir.Eurocode'da uç ankrajların yangın tasarımına ilişkin hükümler yalnızca basit mesnetli ankrajlar (moment aktarmayan bağlantılar) için geçerlidir. Bu hükümler, moment etkisindeki bağlantılar için uygulanamaz. Bu tür basit mesnetli uç ankraj uygulamalarında dahi, beton elemanlar arasında oluşabilecek kısmi ankastre davranışın üst donatılar üzerindeki etkilerinin değerlendirilmesi için mühendislik yorumuna ve deneyimine ihtiyaç duyulmaktadır.

_{Şekil 6. Eurocode'a Göre Yangın Etkisi Altında Moment Aktarmayan Uç Ankrajların Tasarımı}

Yangın Etkisi Altında Moment Aktaran Uç Ankrajların EOTA TR 069'a Göre Tasarımı

Yangın koşullarında beton konisi göçmesi dayanımının değerlendirilmesinde sıcaklık esaslı bir yöntem kullanılmaktadır. Zamana dayalı yöntemden farklı olarak bu yaklaşım, belirli bir yangın süresi ile sınırlı değildir ve 120 dakikanın üzerindeki yangın maruziyet süreleri için de (240 dakikaya kadar ve hatta daha uzun sürelerde) kullanılabilmektedir. Belirli bir yangın dayanım süresi için beton konisi tasarım dayanımının (N_Rd,c,fi ) belirlenmesi, EOTA TR 069'da verilen adımlar izlenerek gerçekleştirilmektedir.

Sıyırma (pull-out) ve yarılma (splitting) dayanımlarının değerlendirilmesinde ise ilgili ETA dokümanlarında verilen ve sıcaklığa bağlı olarak tanımlanan sıyırma ve yarılma azaltma katsayıları kullanılmaktadır. Bu katsayılar yardımıyla, uygulamaya ait sıcaklık profiline bağlı dayanım azalım eğrileri elde edilmektedir (bkz. Şekil 7).

Daha sonra yarılma ve sıyırma göçme modları için gerekli tasarım ankraj boyları hesaplanmakta ve yangın durumundaki toplam yük taşıma kapasitesi entegrasyon yöntemi kullanılarak belirlenmektedir. Bu yaklaşım, moment aktaran sonradan yerleştirilen donatı bağlantılarının yüksek sıcaklıklar altındaki davranışının güvenilir şekilde değerlendirilmesine olanak sağlamaktadır.

6. SONRADAN YERLEŞTİRİLEN DONATILARIN YANGIN TASARIMI İÇİN HILTI ÜRÜN ÇÖZÜMLERİ

Hilti, sonradan yerleştirilen donatı bağlantılarının yangın tasarımı için onaylanmış enjeksiyon harçlarından oluşan bir ürün portföyü sunmaktadır. Bu ürünler arasında HIT-HY 200-R V3 ve HIT-RE 500 V4 bulunmaktadır. Bu çözümler, özellikle moment aktaran uygulamalar ile 240 dakikaya kadar (R240) yangın dayanımı gerektiren projelerde tercih edilmektedir.HIT-HY 200-R V3 ve HIT-RE 500 V4, yangın etkisi altındaki sonradan yerleştirilen donatı uygulamalarında güvenilir performans sağlayarak, yüksek yangın dayanımı gerektiren tasarımların gerçekleştirilmesine olanak tanımaktadır.

7. PROFIS ENGINEERING YAZILIMI İLE TASARIM

Yönetmeliklere tam uyumlu ve daha güvenli betonarme bağlantı tasarımlarınıza başlamak için, Hilti'nin geliştirdiği PROFIS Engineering yazılımını kullanabilirsiniz. Gelişmiş sonradan yerleştirilen donatı modülü sayesinde PROFIS, farklı parametreleri dikkate alan güncel yangın simülasyonlarını bünyesinde barındırarak, tasarımcıların yüksek sıcaklıklar altında donatı ve enjeksiyon harcı performansını daha gerçekçi şekilde değerlendirmesine olanak tanımaktadır.PROFIS Engineering, tüm sonradan yerleştirilen donatı uygulamalarında 240 dakikaya kadar yangın maruziyet süresi seçilmesine imkan verir. Ayrıca kullanıcılar isterlerse donatı sıcaklığını doğrudan manuel olarak da tanımlayabilirler. Farklı uygulamalar için yangına maruz kalan yüzeylerin seçilebilmesine yönelik özelliklerin de yakında PROFIS'e eklenmesi planlanmaktadır.Yazılım, farklı onaylı enjeksiyon harçlarının statik, sismik ve yangın yükleri altındaki performanslarının hızlı bir şekilde karşılaştırılmasını sağlar ve tasarımı belirleyen kritik durumu anında gösterir. Böylece tasarım süresi kısalırken doğruluk ve verimlilik artırılmış olur.

8. HILTI SPEC2SITE ÇÖZÜMLERİ

Hilti, yangın etkisi altındaki yapısal sonradan yerleştirilen donatı bağlantıları için onaylı çeşitli çözümler sunduğundan, kullanıcıların uygulamalarına en uygun çözümü kolayca bulabilmelerini ve seçebilmelerini amaçlamaktadır. Bu doğrultuda sunulan SPEC2SITE çözümleri, projelerin daha verimli, daha güvenli ve daha sürdürülebilir şekilde hayata geçirilmesine yardımcı olmaktadır.

SPEC2SITE yaklaşımı; sonradan yerleştirilen donatı uygulamalarının yangın tasarımı ihtiyaçlarını karşılamak için kapsamlı bir çözüm portföyü sunmaktadır. Bu portföy; farklı tasarım yöntemlerini, onaylı ürünleri, tasarım yazılımlarını, mühendislik hizmetlerini, Engineering Center'da yer alan teknik literatürü ve Hilti'nin doğrudan satış ekibinin teknik desteğini bir araya getirmektedir (bkz. Şekil 8).

Daha fazla bilgi almak veya sorularınızı iletmek için, Mühendislik Departmanımız ile iletişime geçebilirsiniz: Profis.TRTeam@hilti.com