• Sonuç bulunamadı

3. KURAMSAL TEMELLER

3.1. Yangının Betonarme Elemanlara Etkileri

3.1.2. Yangının betona etkisi

Yapılarda beton sıklıkla kullanıldığı için betonun yangın direncinin araştırılması ihtiyacı doğmuştur. Ancak gerçek bir yangında beton karmaşık, yüksek ve geçici bir sıcaklık etkisine maruz kalmaktadır. Bu nedenle betonda gerçek yangın etkisini araştırmak oldukça zordur. Beton yangın etkisinde ilk etapta önemli bir zarar görmez ve yangın esnasında zehirli gaz ile duman çıkarmaz. Ancak betonun yangına karşı olan bu dayanıklılığı sınırlı bir süre içindir. 600ºC sıcaklığa maruz kalan beton bir eleman dayanımının yaklaşık olarak % 70’ini kaybetmektedir (Gülce, 2009).

Yangın etkisine maruz kalan donatılı beton sıcaklığın yükselmesine bağlı olarak dayanımlarını ve rijitliklerini büyük ölçüde kaybederler. Yangın etkisi altındaki donatılı beton yüksek sıcaklık etkisiyle betonda parça atmaya bağlı olarak beton kısmını kaybedebilir. Bunun neticesinde donatılarda sıcaklık yükselir sonrasında donatılı betonlarda dayanım azalır ve kalıcı hasarlar oluşur. Orta dereceli bir yangın etkisinde kalan donatılı betonda önemli derecede bir deformasyon veya betonda parça atma olmayabilir. Buna rağmen yangın görmüş bir bina yangın tamamen söndürülmüş olsa dahi hemen kullanıma açılmamalıdır. Parça atma ve kesit alanındaki beton kaybı gibi durumlar her ne kadar gözle hemen anlaşılsa da yangın sonrası donatılı betondaki dayanım kaybı ve yeni gerilme dağılımı o kadar belirgin olmayabilir (Kodur and Agrawal, 2016).

Beton yüksek sıcaklık etkisine maruz kaldığında betonda üç tür bozulma meydana gelir. İlk bozulma etkisi 100°C’de başlayan ve 300°C’de dayanım kayıplarına sebebiyet veren dehidratasyon olayıdır. İkinci tür bozulma betonda ısınmaya bağlı olarak parça atma olayının meydana gelmesidir. Son bozulma ise betonda parça atma olayına bağlı olarak kesitte meydana gelen azalmadır (Bezgin, 2015).

30

Yüksek sıcaklık altında betonun kimyasal bileşimi, fiziksel yapısı ve nem muhtevası değişir. Bu değişimler betonun termal özelliklerinde farklılaşmalara neden olur. Bu değişimler betonda çimento pastasında, agregalarda ve çimento pastası ile agregalar arasındaki bileşim yerlerinde gözlenir. Yüksek sıcaklıklara kadar betonu ısıtmak çimento pastasındaki C-S-H jelinde (150-300°C), portlandit (450°C) ve kalsiyum karbonatta (700°C) dehidratasyonlara ve ayrışmalara neden olur. Ayrıca betonda yüksek sıcaklıklara kadar ısınma agregalarda serbest suyun buharlaşmasına, hidrokarbona agregaların dehidratasyonuna ve büyük hacim artışlarına sebebiyet veren kristal yapı değişimlerine neden olur. Yaşanan tüm bu değişimler betonun termal yapısını etkiler ve büyük miktarda enerji emilimini sağlar (Xing et al. 2015).

Betonda meydana gelen bu değişimler kalitenin düşmesine sebebiyet verir. Betonda meydana gelen bu bozulma yangının tipine, yangının ulaştığı en yüksek sıcaklığa ve yangının süresine bağlıdır (Bodnarova et al., 2013).

Beton gözenekli bir malzemedir ve bu gözenekler hem sıvı hem de buhar halindeki su ile doludur. Yangın esnasında yükselen sıcaklık betonun dayanım ve elastisite modülü gibi mekanik özelliklerini etkilemekle kalmaz, ayrıca bu durum betondaki nem kaybını da etkiler. Yangından kaynaklanan ısı betondaki sıvı halde ki suyun buharlaşmasına neden olur. Eğer betondaki buharlaşma oranı betondaki buhar kaybından fazlaysa gözenek basıncı artar ve bu değer çekme kuvvetinden büyük hale gelirse betonda patlayarak parça atmalar oluşabilir, bu durumda yapının çökmesine neden olabilir. Yüksek performanslı betonların sahip oldukları yoğun içyapı nedeniyle su buharının dışarı atılması daha zordur bu durum betonda parça atma ihtimalini ortaya çıkarır. Bu nedenle yüksek performanslı betonlarda nem muhtevası çok önemli bir rol oynar. Nem muhtevası arttıkça parça atmaya olan eğilimde artar (Kızılkanat et al., 2013).

Yüksek dayanımlı betonlar üzerine yapılan çeşitli çalışmalar gösteriyor ki yüksek sıcaklık etkisinde kalan yüksek dayanımlı betonlar için esas sorun teşkil eden durum kavlamadır. Kavlama durumu yüksek dayanımlı betonun düşük su/çimento oranı nedeniyle meydana gelir ve bu durum hem pratikte hem de laboratuvar ortamında gözlenmektedir. Beton yüksek sıcaklığa maruz kaldığında sıcak olan yüzey tabakası serin olan iç taraftan ayrışır ve kavlar. Meydana gelen bu kavlamanın

31

şiddetini etkileyen faktörler betonun basınç dayanımı, nem muhtevası, ısınma oranı, beton elemanın şekli ve boyutlarıdır (Ergün et al., 2013). Kavlama neticesinde sıcaklığın daha iç bölgelere ve donatıya etkisi kolaylaşır (Kodur and Sultan, 2003).

Yüksek dayanımlı betonların yangın dayanımı yangının karakterine, beton karışım özelliklerine ve yapısal dizayn özelliklerine bağlıdır. Yangının yoğunluğu, yangının boyutu, yangının ne kadar ısı açığa çıkardığı ve sıcaklığın artış hızı parçalanma oranını ve yüksek dayanımlı betonun yangına dayanım süresini belirler.

Yüksek dayanımlı betonun yangın direncini belirleyen malzeme özellikleri ise beton dayanımı, beton yoğunluğu, silis dumanı, nem muhtevası, lif kullanımı ve kullanılan agrega tipidir. Dizayn boyutunda yüksek dayanımlı betonun yangın dayanımına etriye aralıkları, etriyelerin kullanım yerleri, yük seviyeleri ve yapısal eleman boyutu etki etmektedir (Kodur and Phan, 2007).

Beton yüksek sıcaklığa maruz kaldığında mekaniksel özelliklerinin bozulmasına neden olan fiziksel ve kimyasal değişimleri incelemenin en genel yolu incelemeyi ikiye bölmektir. İlk olarak harcın incelenmesi sonrasında ise betonu harç, agrega ve harç ile agrega arasındaki yüzey olarak bir bütün şeklinde incelemektir (Mendes et al., 2012).

3.1.2.1. Yangının çimento harcına etkisi

Çimento hamuru %70-80 tabakalı C-S-H jeli, %20 Ca(OH)2 ve diğer kimyasal bileşenlerden oluşur (Gülce, 2009). Beton yüksek sıcaklık etkisine maruz kaldığında bu bileşenlerde bir takım değişimler meydana gelmektedir. 110°C’nin üzerindeki sıcaklıklarda C-S-H’ın kimyasal bağ suyunun serbest hale geçmesi gibi dehidratasyonlar oluşur. Çimento harcının en önemli bileşenlerinden biri olan Ca(OH)2 530 °C civarında ayrışır ve CaO’ya dönüşür bu dönüşüm betonun %33 oranında büzülmesine neden olur. Yangın genellikle su ile söndürülmektedir bu ise CaO’nun Ca(OH)2’ye dönüşmesine neden olur bu dönüşümde ise betonda yaklaşık

%44’lük bir hacim artışına neden olur (Gülce, 2009; Kızılkanat, 2010). Hacimdeki bu değişimler neticesinde betonda çatlaklar ve parçalanmalar meydana gelir. Yüksek sıcaklık etkisi betonda 500°C’nin üstünde ki sıcaklıklarda kendini daha çok belli eder. Çimento harcına mukavemet veren CSH jeli 600°C’nin üstünde ayrışmaya

32

başlar. 800°C’de beton genellikle parçalanır ve 1150°C’de feldispat erir, çimento harcı içindeki diğer mineraller cam fazına geçer. Sonuç olarak mikro yapıdaki bu büyük değişimler betonu etkileyerek betonun dayanımını ve durabilitesini azaltır (Arıöz, 2007).

Beton harcında yüksek sıcaklığa bağlı olarak meydana gelen serbest suyun buharlaşması ve dehidratasyonlar sonucu oluşan buhar basıncı özellikle yüksek yoğunluklu ve düşük poroziteli betonlarda iç termal stresin oluşmasına neden olmaktadır. Sıcaklığın artmasına bağlı olarak yükselen buhar basıncı betonun porozitesinin düşük olması nedeniyle kaçacak yer bulamaz ve betonda çatlamalara ve agrega ile harç arasında termal uyumsuzlukların oluşmasına neden olur (Khalaf and Huang, 2016).

3.1.2.2. Yangının agregalara etkileri

Agregalar betonda %60-80 arasında bir hacmi doldururlar. Özelliklerindeki farklılıklar ısıtma sırasında betonun termal genleşme katsayısı ve termal iletkenliğini ve performansını önemli derecede etkiler. Agregaların yüksek sıcaklıkta betona etkisi mineral yapılarına bağlıdır ve yüksek sıcaklığa dayanıklı oldukları söylenebilir (Güler, 2010). Pek çok beton agregası 500°C’ye kadar kararlılığını korur ve silis esaslı olmayan agregalar genellikle 600°C’den düşük sıcaklıklarda değişim ve ayrışmaya uğramazlar. Silisli agregalar kuvars (SiO2) içerirler ve yüksek sıcaklık etkisinde bazı fiziksel değişimlere uğrarlar. Bunlardan en iyi bilinen kristal değişimi, 500-650°C arasında α-kuvarsın β-kuvarsa dönüşmesidir. Bu dönüşüm esnasında kuvars da yaklaşık %5,7’lik bir hacim artışı meydana gelir (Kızılkanat, 2010). 1000-1200°C’lerde β kuvars yavaş yavaş α kristobalite dönüşür. Bu β kuvarsın yapısında geri dönüşü olmayan yapısal bozulmalara sebep olur (Uçarkoşar, 2013). Kireç taşı ve dolomit gibi karbonat kökenli agregalar 700°C’ye kadar stabillerdir. Bu sıcaklık değerinden sonra karbonat kökenli agregalarda kalsiyum karbonat (CaCO3), kireç (CaO) ve karbondioksite (CO2) ayrışır. Soğuma sırasında CaO %40’lık hacim artışına neden olan hidratasyona uğrar (Bodnarova et al., 2013). Granit ve bazalt gibi volkanik kayaçlar ise 1000ºC’ye kadar kararlı yapıda kalabilmektedir. Ancak sıcaklığın aniden artması ve azalması parçalanmalara neden olabilir. Pomza, köpük

33

cüruf ve genleştirilmiş kil ürünleri gibi hafif agregaların yangın dirençleri yüksektir (Gülce, 2009).

Agregalardaki fiziko-kimyasal değişimler agregaların mineral yapılarına göre farklılık göstermektedir. Bu nedenle betonun yüksek sıcaklıklardaki termal davranışlarını belirlemekte agrega seçimi çok önemli bir rol oynamaktadır (Xing et al, 2015).

Doğal agregaların yüksek sıcaklıklarda mekanik özellikleri değişmemelidir.

Öncelikle basınç dayanımlarında azalma olmamalıdır ve hacim artışı meydana gelmemelidir. Agregalar belirlenen bir sıcaklığa kadar termal olarak stabil olmalı, kütle kaybına uğramamalı ve dayanım kaybı ihmal edilebilir düzeyde olmalıdır.

Bazalt, diyabaz ve andezit bu tariflere en uygun doğal kayalardır. Silisli agregalar ve granit ise en az uygun olan kayalardır. Yüksek sıcaklık etkisinde silisli agregalarda yüksek oranda çatlaklar, granitte ise çok fazla büzülmeler meydana gelir. Kireç taşı ise şaşırtıcı bir biçimde yüksek sıcaklık etkisi için uygun bir kayaçtır. Bunun nedeni kireç taşında meydana gelen değişimler için 500°C’nin üzerinde sıcaklıklar gereklidir ve bu durum ince bir tabakayı etkiler, bu durum iç kısmın çok iyi bir biçimde korunmasını sağlar (Bodnarova et al., 2013).

Benzer Belgeler