Yüksek Sıcaklığın Beton Üzerindeki Etkileri

(1)

ĠSTANBUL TEKNĠK ÜNĠVERSĠTESĠ  FEN BĠLĠMLERĠ ENSTĠTÜSÜ

YÜKSEK SICAKLIĞIN BETON ÜZERĠNDEKĠ

ETKĠLERĠ

YÜKSEK LĠSANS TEZĠ Alper UYSAL

Tez Danışmanı: Prof. Dr. Saim AKYÜZ

ARALIK 2004

Anabilim Dalı: Ġnşaat Mühendisliği Programı: Yapı Mühendisliği

(2)

ĠSTANBUL TEKNĠK ÜNĠVERSĠTESĠ  FEN BĠLĠMLERĠ ENSTĠTÜSÜ

YÜKSEK SICAKLIĞIN BETON ÜZERĠNDEKĠ

ETKĠLERĠ

YÜKSEK LĠSANS TEZĠ Alper UYSAL

501011053

Tez Danışmanı: Prof. Dr. Saim AKYÜZ

ARALIK 2004

Anabilim Dalı: Ġnşaat Mühendisliği Programı: Yapı Mühendisliği

(3)

ÖNSÖZ

Yüksek Lisans eğitimim ve tez çalışmam süresince yardımlarını ve yakın ilgisini esirgemeyip, beni destekleyen değerli hocam Prof. Dr. Saim AKYÜZ’e teşekkürlerimi bildirmeyi bir borç bilirim.

Ayrıca bu günlere gelmemde büyük emeği olan ve tüm hayatım boyunca beni her yönden destekleyen aileme şükranlarımı sunarım.

Aralık-2004 Alper UYSAL

(4)

İÇİNDEKİLER

KISALTMALAR v

TABLO LİSTESİ vi

ŞEKİL LİSTESİ vii

SEMBOL LİSTESİ xii

ÖZET xiii

SUMMARY xiv

1. GİRİŞ 1

2. YÜKSEK SICAKLIK 2

2.1. Yangın Olayı 2

2.2. Yangında Sıcaklığın Gelişimi 2 2.3. Malzemelerin Yangına İlişkin Nitelikleri 4

2.4. Malzemelerin Yüksek Sıcaklıklardaki Özellikleri 4

2.5. Betonun Termik Özellikleri 6

2.5.1. Isı iletim katsayısı 6

2.5.2. Özgül ısı 7

2.5.3. Termik genleşme katsayısı 7

2.5.4. Yangına dayanıklılık 9

2.6. Yüksek Sıcaklığa Dayanıklı Agregalar 10

2.7. Yüksek Sıcaklıklara Dayanıklılık 11

2.8. Yüksek Sıcaklıkların Betonarme Malzemelerine Etkileri 12 2.8.1. Yüksek sıcaklıklarda çelik özelliklerindeki değişimler 12 2.8.2. Yüksek sıcaklıklarda betonun davranışı 13 3. YÜKSEK SICAKLIĞIN BETON VE ÇİMENTO HARCINA ETKİLERİNİ

İNCELEYEN DENEYSEL ÇALIŞMALAR 17

3.1. Yangından Hasar Görmüş Bir Yapının Betonlarında Hasar İncelemesi 17 3.1.1. Giriş 17

3.1.2. Yapı elemanlarında sıcaklık dağılımı 17

3.1.3. Sonuçlar 20

3.2. Kalker Katkılı Portland Çimentolarının Yangın Direnci 21

3.2.1. Malzemeler ve deney yöntemi 21

3.2.2. Basınç dayanım sonuçları 22

(5)

3.2.4. Sonuç 24

3.3. Yüksek Sıcaklığa Dayanıklı Harç Geliştirilmesi 25

3.3.1. Deneysel çalışmalar 25

3.3.2. Deney sonuçları ve tartışma 26

3.3.3. Uçucu külün basınç ve eğilme dayanımı üzerindeki etkisi 27

3.3.4. Pomza kumu ve tuğla kırıklarının basınç ve eğilme dayanımı üzerindeki etkisi 27

3.3.5. Sonuç 28

3.4. Yüksek Sıcaklık Etkisinde Kalan Çimento Harçlarında Hasar Oranının Renk Ölçümü İle Araştırılması 30

3.4.1. Yüksek sıcaklığın betonun rengine etkileri 30

3.4.2. Deney sonuçlarının incelenmesi 32

3.4.3. Sonuç 33

4. BİR VE İKİ BOYUTLU ISI İLETİMİ DURUMUNUN MATEMATİKSEL MODELLENMESİ 35

4.1. Zamanla Değişen Rejimde Tek Boyutu Isı İletimi 35

4.2. Zamanla Değişen Rejimde Tek Boyutu Isı İletimin Sınır Şartlarına Bağlı Özel Çözümü 38

4.3. Zamanla Değişen Rejimde İki Boyutlu Isı İletimi 41

4.4. Zamanla Değişen Rejimde Çok Boyutlu Isı İletimine Bir Boyutlu Yaklaşım 44 4.5. Önemli Sınır Koşullarına Göre Zamanla Değişen Rejimde Bir Boyutlu Isı İletiminin İncelenmesi 46

4.5.1. (0≤x≤L) aralığında tek yönden izolasyonlu durum 46

4.5.2. Sonsuz kalınlıklı perde durumu 47

4.6. Matematiksel Modelleme İle Bulunan Çözümlerin Perde, Kolon, Döşeme ve Kiriş Yapı Elemanlarına Uygulanması 52

4.6.1. Farklı yüksek sıcaklığa maruz kalma süreleri için sıcaklık dağılımları 54 4.6.2. Farklı boyutlara sahip perde, kolon, döşeme ve kiriş elemanlarda sıcaklık dağılımı 57

4.6.3. Farklı ısı iletim katsayısı ve yoğunluğa sahip elemanlarda sıcaklık dağılımı 60

3. SONUÇLAR VE TARTIŞMA 62

KAYNAKLAR 64

EKLER 66

(6)

KISALTMALAR

CSH : Kalsiyum Silikat Hidrat

Ç : Çimento

İSO : International Organization for Standardization

PÇ : Portland Çimentosu

PK : Pomza Kumu

SHK : Standart Harç Karışımı

TK : Tuğla Kırığı

TSE : Türk Standartları Enstitüsü

(7)

TABLO LİSTESİ

Sayfa No

Tablo 2.1. Yangının merkezindeki zaman-sıcaklık ilişkisi………... 3 Tablo 3.1. Döşemelerde tek taraflı yangın durumunda 90 dakika sonra

sıcaklık dağılımı………... 18 Tablo 3.2. Bir tarafından izole edilmiş sonsuz uzunluklu değişik kalınlıklı

beton perdelerde sıcaklık dağılımı (0C) ………... 19 Tablo 3.3. Farklı sıcaklıklara maruz bırakılan harçların basınç dayanımları… 22 Tablo 3.4. Tüm karışımların 28 günlük basınç dayanımları, eğilme

dayanımları ve kalan dayanım oranları ………... 26 Tablo 3.5. Numune grupları ……….. 31 Tablo 3.6. Silis esaslı kum ile üretilen harçların basınç dayanımları (N/mm2). 32 Tablo 3.7. Kalker esaslı kum ile üretilen harçların basınç dayanımları

(8)

ŞEKİL LİSTESİ Sayfa No Şekil 2.1 Şekil 2.2 Şekil 3.1 Şekil 3.2 Şekil 4.1 Şekil 4.2 Şekil 4.3 Şekil 4.4 Şekil 4.5 Şekil 4.6 Şekil 4.7 Şekil 4.8 Şekil 4.9 Şekil 4.10 Şekil 4.11 Şekil 4.12 Şekil 4.13 Şekil 4.14 Şekil 4.15 Şekil 4.16 Şekil A.1 Şekil A.2 Şekil A.3

: Yangının merkezindeki sıcaklık-zaman ilişkisi……… : Yangın sırasında betonun durumu……… : Bir tarafından izole edilmiş sonsuz uzunluklu perde……… : 7000C’lik ortamda değişik kalınlıktaki perdelerin içindeki

sıcaklık………... : İki yönlü sıcaklığa maruz sonsuz uzunluklu perde durumu…….

: Dikdörtgen prizması elemanlarda çok boyutlu ısı iletimi………. : Bir tarafından izolasyonlu sonsuz uzunluklu perde durumu……. : L kalınlıklı perde elemanın çift yönlü olarak yüksek sıcaklığa

maruz kalma durumu………. : Lx ve Ly kenar uzunluklarına sahip kolon elemanın dört

yüzünden yüksek sıcaklığa maruz kalma durumu………. : d kalınlıklı döşeme elemanın çift yönlü olarak yüksek sıcaklığa

maruz kalma durumu………. : L kalınlıklı ve h yüksekliğine sahip kiriş elemanın üç yönden

yüksek sıcaklığa maruz kalma durumu……….. : 20cm kalınlıklı perde elemanın 8000C’ye farklı süreler için

maruz kalması……… : 40cm kalınlıklı perde elemanın 8000C’ye farklı süreler için

maruz kalması……… : Lx=40cm, Ly=40cm boyutlarına sahip kolon elemanın

8000C’ye farklı süreler için maruz kalması………... : Lx=60cm, Ly=60cm boyutlarına sahip kolon eleman………….. : Farklı kalınlıklara sahip perde elemanlar için sıcaklık

dağılımı……….. : Lx=Ly olmak üzere farklı boyutlara sahip kolon elemanlar için

sıcaklık dağılımı………. : Farklı kalınlıklara sahip döşeme elemanlar için sıcaklık

dağılımı……….. : Farklı kiriş yüksekliğine (h) sahip, L=30cm kalınlıklı kiriş

elemanlarda sıcaklık dağılımı……… : Sonsuz uzunluklu ve aynı kalınlığa sahip perde elemanlarda

farklı ısı iletim katsayısı ve yoğunluk durumları için sıcaklık dağılımları……….. : 800°C'ye yarım saat maruz kalan 20cm kalınlıklı perdede

sıcaklık dağılımı………. : 800°C'ye 1 saat maruz kalan 20cm kalınlıklı perdede sıcaklık

dağılımı……….. : 800°C'ye 2 saat maruz kalan 20cm kalınlıklı perdede sıcaklık

dağılımı……….. 3 16 19 20 39 45 47 52 53 53 54 55 55 56 57 58 58 59 59 61 67 68 69

(9)

Şekil A.4 Şekil A.5 Şekil A.6 Şekil A.7 Şekil A.8 Şekil A.9 Şekil A.10 Şekil A.11 Şekil A.12 Şekil A.13 Şekil A.14 Şekil A.15 Şekil A.16 Şekil A.17 Şekil A.18 Şekil A.19 Şekil A.20 Şekil A.21 Şekil A.22 Şekil A.23 Şekil A.24 Şekil A.25 Şekil A.26 Şekil A.27 Şekil A.28

: 800°C'ye 3 saat maruz kalan 20cm kalınlıklı perdede sıcaklık dağılımı……….. : 800°C'ye 5 saat maruz kalan 20cm kalınlıklı perdede sıcaklık

dağılımı……….. : 800°C'ye yarım saat maruz kalan 40cm kalınlıklı perdede

dağılımı……….. : 800°C'ye yarım saat maruz kalan 60cm kalınlıklı perdede

dağılımı……….. : 800°C'ye yarım saat maruz kalan Lx=Ly=20cm boyutlu kolon

için sıcaklık dağılımı (x ekseni için)……….. : 800°C'ye yarım saat maruz kalan Lx=Ly=20cm boyutlu kolon

için sıcaklık dağılımı (y ekseni için)……….. : 800°C'ye 1 saat maruz kalan Lx=Ly=20cm boyutlu kolon için

sıcaklık dağılımı (x ekseni için)………. : 800°C'ye 1 saat maruz kalan Lx=Ly=20cm boyutlu kolon için

sıcaklık dağılımı (y ekseni için)………. : 800°C'ye 2 saat maruz kalan Lx=Ly=20cm boyutlu kolon için

sıcaklık dağılımı (y ekseni için)………. : 800°C'ye yarım saat maruz kalan Lx=Ly=40cm boyutlu kolon

sıcaklık dağılımı (x ekseni için)………. 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 83 83 85 85 87 87 89 89 91 91 93 93 95

(10)

Şekil A.29 Şekil A.30 Şekil A.31 Şekil A.32 Şekil A.33 Şekil A.34 Şekil A.35 Şekil A.36 Şekil A.37 Şekil A.38 Şekil A.39 Şekil A.40 Şekil A.41 Şekil A.42 Şekil A.43 Şekil A.44 Şekil A.45 Şekil A.46 Şekil A.47 Şekil A.48 Şekil A.49 Şekil A.50 Şekil A.51 Şekil A.52 Şekil A.53 Şekil A.54 Şekil A.55 Şekil A.56

: 800°C'ye 1 saat maruz kalan Lx=Ly=40cm boyutlu kolon için sıcaklık dağılımı (y ekseni için)………. : 800°C'ye 2 saat maruz kalan Lx=Ly=40cm boyutlu kolon için

sıcaklık dağılımı (y ekseni için)………. : 800°C'ye yarım saat maruz kalan Lx=Ly=60cm boyutlu kolon

sıcaklık dağılımı (y ekseni için)………. : 800°C'ye maruz kalan 10cm kalınlıklı perdede sıcaklık dağılımı. : 800°C'ye maruz kalan 20cm kalınlıklı perdede sıcaklık dağılımı. : 800°C'ye maruz kalan 30cm kalınlıklı perdede sıcaklık dağılımı. : 800°C'ye maruz kalan 40cm kalınlıklı perdede sıcaklık dağılımı. : 800°C'ye maruz kalan 50cm kalınlıklı perdede sıcaklık dağılımı. : 800°C'ye maruz kalan 60cm kalınlıklı perdede sıcaklık dağılımı. : 800°C'ye maruz kalan 80cm kalınlıklı perdede sıcaklık dağılımı. : 800°C'ye maruz kalan Lx=Ly=20cm boyutlu kolonda sıcaklık

dağılımı (x ekseni için)……….. : 800°C'ye maruz kalan Lx=Ly=20cm boyutlu kolonda sıcaklık

dağılımı (y ekseni için)……….. : 800°C'ye maruz kalan Lx=Ly=30cm boyutlu kolonda sıcaklık

dağılımı (y ekseni için)……….. 95 97 97 99 99 101 101 103 103 105 105 107 107 109 109 111 111 113 114 115 116 117 118 119 121 121 123 123

(11)

Şekil A.57 Şekil A.58 Şekil A.59 Şekil A.60 Şekil A.61 Şekil A.62 Şekil A.63 Şekil A.64 Şekil A.65 Şekil A.66 Şekil A.67 Şekil A.68 Şekil A.69 Şekil A.70 Şekil A.71 Şekil A.72 Şekil A.73 Şekil A.74 Şekil A.75 Şekil A.76 Şekil A.77 Şekil A.78 Şekil A.79 Şekil A.80

: 800°C'ye maruz kalan Lx=Ly=40cm boyutlu kolonda sıcaklık dağılımı (x ekseni için)……….. : 800°C'ye maruz kalan Lx=Ly=40cm boyutlu kolonda sıcaklık

dağılımı (y ekseni için)……….. : 800°C'ye maruz kalan Lx=30cm, Ly=60cm boyutlu kolonda

sıcaklık dağılımı (x ekseni için)………. : 800°C'ye maruz kalan Lx=30cm, Ly=60cm boyutlu kolonda

sıcaklık dağılımı (y ekseni için)………. : 800°C'ye maruz kalan Lx=60cm, Ly=40cm boyutlu kolonda

sıcaklık dağılımı (x ekseni için)………. : 800°C'ye maruz kalan Lx=60cm, Ly=40cm boyutlu kolonda

sıcaklık dağılımı (y ekseni için)………. : 1=800°C 2=600°C'ye maruz kalan d=15cm kalınlıklı

döşemede sıcaklık dağılımı……… : 1=800°C 2=600°C'ye maruz kalan d=20cm kalınlıklı

döşemede sıcaklık dağılımı……… : 1=800°C 2=600°C'ye maruz kalan d=25cm kalınlıklı

döşemede sıcaklık dağılımı……… : 800°C'ye maruz kalan L=30cm kalınlıklı kirişte h=0cm'de

sıcaklık dağılımı………. : 800°C'ye maruz kalan L=30cm kalınlıklı kirişte h=5cm'de

sıcaklık dağılımı………. : k=1,8 (kcal/mh°C) için 40cm kalınlıklı perdede sıcaklık

dağılımı……….. : k=1,5 (kcal/mh°C) için 40cm kalınlıklı perdede sıcaklık

dağılımı……….. 125 125 127 127 129 129 131 131 133 133 135 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 146 147 148

(12)

Şekil A.81 Şekil A.82 Şekil A.83

: k=0,77 (kcal/mh°C) için 40cm kalınlıklı perdede sıcaklık

dağılımı……….. 149 150 151

(13)

SEMBOL LİSTESİ

A : Cisim alanı

A,B,C,Cn….. : İntegrasyon sabitleri

b/d : Kolon veya kriş eleman en-boy değeri c : Özgül ısı (kcal/kg°C)

Fs : Fourier sinüs transformasyonu

G,erf : Gauss hata fonksiyonu

k : Isı iletim katsayısı (kcal/mh°C)

L : Cisim uzunluğu

Lx,Ly : x ve y eksenlerindeki uzunluklar

Q : Birim zamanda ısı transferi miktarı (kcal/h) t : Zaman, süre (h)

V : Cisim hacmi (m3)

x : Belirli bir yöndeki uzunluk x,y,z : Koordinat takımı eksenleri α : Isısal yayılma katsayısı (m2/h)

ά,άv : termik genleşme ve hacimsel termik genleşme katsayıları

δ,β,w : İntegrasyonda kullanılan yardımcı sabitler

ΔL : Birim uzama

ΔV : Birim hacim artışı θ,θn : Sıcaklık değerleri (°C)

θi0 : Cisim içi sıcaklık değeri (°C)

θy : Cisim yüzey sıcaklık değeri (°C)

ρ : Özgül ağırlık (kg/m3) ρ.c : Isısal sığa (kcal/m3°C)

(14)

YÜKSEK SICAKLIĞIN BETON ÜZERİNDEKİ ETKİLERİ

ÖZET

Günümüzde halen yüksek sıcaklık etkilerinin sadece özel yapılar için tasarım aşamasında hesaba alınması büyük bir problemdir. Çünkü yüksek sıcaklık etkisi başlığı altında yangın etkisi de bulunmaktadır. Yangın etkisi de tüm yapıları etkileyecek bir durum olduğundan yapıların tasarımında bu durum hesaba katılmalıdır. Projelendirme aşamasında yani elemanların boyutlandırılmasında bu etkinin göz önünde bulundurulması çok önemlidir.

Yüksek sıcaklığın betonarme yapı elemanları üzerindeki etkileri çeşitli 0_{C değerleri}

için bilinmektedir. Önemli olan konu bu sıcaklık değerlerinin yapı elemanlarının boyutlarına ve fiziksel özelliklerine bağlı olarak nasıl dağıldığının tespitidir. Çünkü projelendirme sırasında; eleman içersinde meydana gelecek sıcaklık dağılımı değerleri boyutlandırma için önemlidir.

Yapılan bu çalışmada çeşitli betonarme yapı elemanları için ısı iletimi durumları incelenmiştir. Öncelikle ele alınan yapı elemanları matematiksel olarak modellenmiştir. Daha sonra uygun sınır koşulları için özel çözümler elde edilmiştir. Hesaplar için perde, kolon, döşeme ve kiriş betonarme elemanlar kullanılmıştır. Perde elemanların iki yüzeyinden, kolon elemanların da dört yüzeyinden yüksek sıcaklık etkisine maruz kaldığı düşünülmüştür. Yine döşeme elemanlar için y1>y2 olmak üzere; alt yüzeyinden y1 ve üst yüzeyinden y2 sıcaklık değerinin tesir ettiği durumlar için çözümler yapılmıştır. Kiriş elemanlarda ise etkinin üç yüzeyden de tesir ettiği düşünülmüştür.

Kullanılmak istenen beton cinsine göre; ısı iletimi katsayısı (k), özgül yoğunluk (), özgül ısı (c) ve ısısal yayınım katsayıları () kullanılarak değişik yüksek sıcaklık değerleri için (0_{C) sonuçlar elde edilmiştir. Bulunan bu sonuçlar grafik tabloları}

haline getirilerek yapı elemanları içersindeki sıcaklık dağılımları incelenmiştir. Yapılan bu incelemeler sonucunda betonarme yapı elemanlarındaki boyut artışının ve fiziksel özelliklerin iyileştirilmesinin yangın dayanımı üzerindeki olumlu etkileri açıklanmıştır.

(15)

IMPACTS OF HIGH TEMPERATURE ON CONCRETE

SUMMARY

Today, it is a major problem to take the impacts of high temperature into consideration for only special constructions during the design phase. Because under the “impacts of high temperature” heading, the fire effect is covered as well. As the fire effect is a factor that impacts all constructions, it should be taken into account during the phase of designing constructions. It is very critical to consider such effect during the phase of projection, in other words during the phase of sizing the construction materials.

The impacts of high temperature on reinforced concrete construction materials are known for various oC values. The vital point here is to establish how this range of temperature values breaks down by the dimensions and physical properties of the construction materials. Because during the projection phase, the temperature distribution values occurring in a specific construction material are very significant for the sizing process.

In this study, the cases of heat transfer for various reinforced concrete construction materials have been investigated. First of all, the construction materials discussed have mathematically been modeled. Next, specific solutions for appropriate boundary conditions have been obtained. For the calculations, reinforced concrete construction materials such as sheetwall, column and slab have been employed. The sheetwall and column elements were presumed to have been exposed to the impact of high temperature from their two surfaces and four surfaces respectively. Again for the slab elements, taking y1 > y2; special solutions for the cases, where the temperature value of y1 is imposed from the lower surface and y2 from the upper surface, have been developed. As to the beam elements, such impact was presumed to have been imposed from all the three surfaces.

o

C results have been obtained for various high temperature values, using the relevant heat transfer coefficient (k), specific density (p), specific heat (c) and heat diffusion coefficients () depending on the given type of concrete. The results derived have been compiled and transformed into graphical tables and temperature distributions in the construction materials have been studied.

As a consequence of such studies, the positive effects of the elongation of reinforced concrete construction materials and the improvement of their physical properties on fire resistance have been described.

(16)

1. GĠRĠġ

Yapı elemanları için önemli özelliklerden biriside, yüksek sıcaklıklara göstermiş oldukları dayanıklılıktır. Fakat bu özellik yapı tasarımı aşamasında pek dikkate alınmamakla birlikte sadece özel amaçlı yapılarda, fabrika, termik santraller, yüksek sıcaklıklı bacalar vb. gibi yapılarda irdelenmektedir. Normal bir yapının yüksek sıcaklığa maruz kalma durumu pek fazla önemsenmemektedir. Fakat endüstriyel gelişim, daha çok enerji kullanımını, fazla enerji kullanımı da yangın riskini beraberinde getirmektedir. Yangın etkisi de yapı elemanları için en önemli yüksek sıcaklık faktörlerinden biri olduğundan, her yapı için yüksek sıcaklık durumu göz önünde bulundurulmalıdır.

Yapılan bu çalışmada yüksek sıcaklık durumları için, bir ve iki boyutlu ısı iletimi durumları incelenmiştir. Bu durumlar için gerekli matematiksel modellemeler yardımı ile yapı elemanlarının içersindeki sıcaklık dağılımları irdelenmiş, bulunan bu sıcaklık dağılımlarının eleman üzerinde oluşturduğu etkiler hakkında bilgiler sunulmuştur. Yapılan bu araştırmalar sonucunda yüksek sıcaklık etkisinin eleman boyutuyla olan önemli ilişkisi ve malzemenin fiziksel özelliklerine bağlılığı anlatılmıştır.

(17)

2. YÜKSEK SICAKLIK 2.1. Yangın Olayı

Bir yangının çıkması ve gelişmesi için üç elemanın birlikte bulunması gerekir; yanıcı bir malzeme, oksijen ve ısı kaynağı. Tutuşmanın asgari sıcaklığı, yanıcı malzemenin cinsine, şekline, yüzeyine ve porozitesine bağlıdır. Yanış hızı ise, yanma yerinde oksijenin yenilenme olanaklarıyla orantılıdır. Bir yangında θ sıcaklığının t zamanına bağlı değişim diyagramının incelenmesi, yangın olayını üç aşamaya ayırır. Çıkış ve gelişme aşamasından etkin yanışa geçiş genelde kısa bir zaman aralığında gerçekleşir ve genel tutuşma olarak adlandırılır. Yüksek sıcaklığın beton üzerindeki etkileri araştırılır iken etkin yanış durumu göz önüne alınacak ve sonuçlar verilecektir. Süresi 5 ila 30 dakika arasında değişen birinci çıkış ve gelişme aşamasında, sıcaklık görsel olarak düşük kalır. Bu aşamada, yapı taşıyıcı elemanları ısısal olarak etkilenmezler. İkinci etkin yanış döneminde; ısı üretimi ile sıcaklık artar ve yapı taşıyıcı elemanları bundan etkilenirler. Bu aşama yangın mukavemet hesaplarında göz önüne alınmalıdır. Üçüncü sönme safhasında, sıcaklık azalır [1]. Ancak yeterince yüksek kalması sürdüğünden, yapı elemanları üzerinde hasar verici etkisi devam etmektedir.

2.2. Yangında Sıcaklığın GeliĢimi

Yangının ikinci safhasında iletilen ısı miktarı yaklaşık olarak sabittir ve yangın yükü ile doğrudan bağlantılıdır. Buna karşılık süre ve erişilen sıcaklık derecesi, hava alma olanaklarına ve malzemenin cins, yüzey alanı ve özelliklerine göre değişir. İki yanma türünden söz edilebilir. [1-3]

a: Büyük bir yangın yükünün etkisi, yetersiz bir havalanmada, yangına taze hava gelişi ile sınırlanır. Hava gelişinin artışı, hacimde sıcaklığın yükselmesine, yanış hızının artmasına ve süresinin azalmasına yol açar.

b: Yangın yükü düşük, ancak bol hava olanağı olan bir yangında, yanıcı maddenin yüzey özellikleri etkilidir. Aşırı havalanma sıcaklığı düşürür, yangın hızı ve süresi üzerinde ise etkisizdir.

(18)

En yüksek sıcaklıklara ise bu iki tür yangının kesişme bölgesinde, büyük yangın yükü ve hava ile yeterli beslenmede ulaşılır. Bütün bu irdelemelerden, sıcaklığın gelişiminin bir yangından bir diğerine büyük farklar gösterebileceği açıkça anlaşılabilir.

Birçok ülkede yapılan deneysel ve kuramsal araştırmalar sonunda, ISO tarafından standardize edilen sıcaklık zaman bağıntısı (ISO–834);

θt – θ0 = 345 log10 (8t + 1) (2.1)

olup burada, t dakika olarak yangın süresini (2.aşama), θt ºC olarak yangında erişilen

sıcaklığı, θ0 ise genel olarak 20 ºC kabul edilen başlangıç sıcaklığını

göstermektedirler. Bu bağıntıya göre hesaplanmış olan sıcaklık değerleri tablo 2.1‟de verilmiş ve sıcaklık ile zaman logaritmik değişimi şekil 2.1‟de gösterilmiştir. [2,3] Tablo 2.1 Yangının merkezindeki Zaman-Sıcaklık ilişkisi

Yangın Merkezinde Sıcaklık-Zaman İlişkisi

0 200 400 600 800 1000 1200 0 50 100 150 200 250 300 t (dakika)

Şekil 2.1 Yangının merkezindeki Sıcaklık-Zaman ilişkisi t (dakika) θt – θ0 ºC 0 0 5 556 10 658 15 719 30 822 60 925 90 986 120 1029 180 1090 240 1133 θt – θ0 ºC

(19)

2.3. Malzemelerin Yangına ĠliĢkin Nitelikleri

Malzemeler açısından üzerinde durulması gerekli yangına ilişkin karakteristikleri yalnız; kolay tutuşabilme eğilimi, yanarken ortaya çıkardığı ısı miktarı ile hızı değildir. Bunların yanında ve en az aynı önemde olmak üzere, ateş ve sıcaklığın taşıyıcı sistem malzemelerinin mekanik mukavemetlerine, boyutlarına, fiziksel ve kimyasal durumlarına etkilerinin de bilinmesi gereklidir.

Yapıda kullanılan malzemelerin yangına ilişkin nitelikleri iki ayrı açıdan incelenebilir; [2]

a: Yangının yayılmasını besleyebilecek bir madde olup olmadıkları (malzemenin yanabilirliği)

b: Yapıda, yangın sırasında üzerlerine düşen görevi (taşıyıcı eleman, bölme elemanı vb.) tam güvenle yerine getirebilme süreleri (malzemenin yangın mukavemeti). Bu iki inceleme açısı birbirlerinden çok farklı sonuçlar doğurabilir. Yanmaz bir malzeme yangında sıfır mukavemet gösterebileceği gibi (metal levha), yanıcı hatta tutuşucu bir başka malzeme yangında yüksek bir mukavemete sahip olabilir (masif ahşap eleman örneği).

Yangında mukavemet kavramı, malzemenin yapıda kullanılma amacının bir fonksiyonu olarak belirlenir ve sıcakta mekanik mukavemet, ısı yalıtkanlığı gibi özelliklerini kapsar. Bu kavram yapının; döşemeler, kirişler, çatılar, duvarlar ve benzerleri gibi taşıyıcı elemanlarında birinci derecede önem kazanır. Dolgu, bölme, kaplama, koruyucu, yalıtıcı ve dekoratif elemanlarda da önemini korur. Yangında mukavemet her şeyden önce bir süredir; yanan bir yapıdaki insanların en kıymetli eşyalarıyla birlikte güvenli bir yere sığınıp itfaiyenin yetişerek etkili olmasına yeterli bir süredir. Bu nedenle ölçümü zamana bağlı olarak yapılır. Yangına 1saat, 3saat, 5saat dayanıklı elemanlar gibi.

2.4. Malzemelerin Yüksek Sıcaklıklardaki Özellikleri

Bir taşıyıcı sistemin veya elemanın yangın süresindeki mukavemeti ve şekil değiştirmeleri malzemenin ısısal ve mekanik özelliklerine bağlıdır. Genelde bu özellikler de sıcaklığa bağlı olarak değişirler. [2,4-8]

(20)

Yangında ısı, yanmakta olan bölgeden konveksiyon ve ışıma ile iletilir. Bu ısının bir bölümü malzeme tarafından yansıtılırken bir bölümü de emilir. Emilen ısı malzemenin içine kondüksiyon ile ulaşır ve sıcaklık yükselmesine neden olur. Bu konunun analizinde iki özellik etkin rol oynar; (k) ısı iletkenlik katsayısı, (ρ) kütlesel yoğunluğu ile (c) özgül ısı katsayısının çarpımı olan (ρ.c) ısısal sığa. Isı iletimine ilişkin sorunlarda bu iki özellik ayrı ayrı etkin olabildikleri gibi birlikte de etkili olabilirler ve bu durumda (α = k / ρ c) bağıntısıyla tanımlanan ısıl yayınım katsayısı olarak adlandırılırlar. Isı problemlerinde malzemenin ısı emme oranları da etkin olmakla birlikte, pratikte güvenlik tarafında kalan bir yaklaşımla, bu özellik ihmal edilebilinir.

Malzemenin şekil değiştirme durumunu etkileyen bir diğer ısıya ilişkin özelliği de (ά) ısısal genleşme katsayısıdır.

a: ) Isı İletim Katsayısı (k)

Bir malzemenin ısı iletim katsayısı (k), (L) kalınlık ve (A) alanlı bir hacmin, (θ1)

sıcaklığındaki bir yüzünden (θ0) sıcaklığındaki diğer yüzüne, birim zamanda iletilen

(Q) ısı miktarı olarak tanımlanabilir.

) (₁₀    A L t Q k (2.2)

Katsayıda birim olarak (kcal/mhºC) veya (W/mºC) genellikle kullanılmaktadır. Isı iletim katsayısı, gerçekte sabit olmayıp sıcaklığa bağlı olarak değişir.

b: ) Isısal Sığa (ρ c)

Bir malzemenin ısısal sığası, birim kütlesinin sıcaklığını bir derece yükseltmek için gerekli ısı miktarı olarak ifade edilebilinir. Katı malzemelerde, sabit hacim veya sabit basınç altında ölçülen ısısal sığalar pek fark göstermezler. Bileşenlerinden (ρ) yoğunluğun birimi (kg/m3_{), (c) özgül ısı katsayısının genellikle (kcal/kgºC) veya}

(21)

c: ) Isıl Yayınım Katsayısı (α)

Isıl yayınım katsayısı, ısı iletim katsayısının ısısal sığaya oranı olarak tanımlanır. Yüzey sıcaklığının malzemenin içine olan ısı iletişimini belirler. Birimi (m2

/h) şeklindedir. c k     (2.3)

2.5. Betonun Termik Özellikleri

Bazı özel yapılarda beton normal sıcaklığın üstünde bir ortam içinde bulunur. Örneğin betonarmeden yapılmış bir fabrika bacasında beton 400 ºC dolayında bir sıcaklık ile temas halindedir. Sıcaklığın mevsimlere göre büyük ölçüde değişmesi hallerinde bu durumun hiperstatik yapılar üzerinde meydana getirdiği etkileri de göz önünde bulundurmak gereklidir. Meydana gelen yangınlarda beton 600-1000 ºC ye kadar yükselebilen bir sıcaklık ile karşı karşıyadır. Bu gibi durumlarda önümüze çıkan sorunların çözümünde ve ayrıca konut yada iş yerinde istenen termik izolasyonun sağlanması için betonun termik özelliklerinin bilinmesi gereklidir. Beton için gerekli olan bu değerler ısı iletim katsayısı, betonun özgül ısısı, termik genleşme katsayısı ve yangına dayanıklılıktır. [6-9]

2.5.1. Isı Ġletim Katsayısı (k)

Isı iletim katsayısı genel malzeme özelliklerinde verildiği gibi; 1m kalınlığındaki bir cismin iki tarafındaki sıcaklık farkı 1 ºC iken cismin 1m2_{‟lik alanından 1saatte geçen}

ısı miktarı (kcal cinsinden) ifade edilir ise; bu ifadeye ısı iletim katsayısı denir (kcal/mh°C). Bu katsayı ne kadar büyük ise ısı kaybı o kadar fazla olacak ve bundan dolayı kapalı bir hacim içinde sıcaklık derecesinin aynı kalmasını sağlamak için daha fazla yakıt tüketmek gerekecektir. Isı iletim katsayısına etkiyen en önemli faktörlerin başında cismin boşluk durumu ve su içeriği gelmektedir. Havanın ısıyı iyi iletmemesinden dolayı bir cisimde boşlukların fazla olması (k) değerinin düşmesine yol açar. Boşluk ile cisimlerin birim ağırlıkları arasındaki bağ göz önünde tutulursa şu sonucu söylemek mümkündür. Bir cismin birim ağırlığı ne kadar küçük ise ısı iletim katsayısı da o kadar küçük değerler almaktadır. Cismin su ve rutubet içeriği de suyun ısıyı havaya göre daha fazla geçirmesinden dolayı ısı iletim katsayısını etkiler. Buna göre rutubet içeriği fazla olan cisimlerde (k) daha büyük değerler almaktadır.

(22)

Beton için bu özellikler göz önüne alındığında şu verileri vermek mümkündür. Betonlarda (k) katsayısı birim ağırlıkla beraber artmaktadır. Birim ağırlığı 2400 kg/m3 olan rutubet içeriği en düşük durumda olan betonda (k) 1,8-1,4 kcal/mh°C değerini alırken, birim ağırlığın 2000 kg/m3

e düşmesi halinde (k) değerinde 0,75 kcal/mh°C değeri mertebesine doğru bir azalma görülür. Bu durumun doğal bir sonucu hafif betonlarda (k)‟nın oldukça küçük değerler almasıdır. Birim ağırlığı 600 – 1600 kg/m3 _{arasında bulunan hafif betonların (k) değeri 0,25 – 0,54 kcal/mh°C}

aralığında değerler almaktadır. Bundan dolayı bu tür betonların ısı yalıtımı işlerinde geniş kullanım alanları bulunmaktadır.

Yukarıda açıklandığı gibi betonların rutubet içeriğinin artması (k)‟nın artmasına yol açar. Betonun kuru halinden dengeli şekilde rutubetli durumuna geçmesi halinde (k) da %35 dolaylarına varan bir artış meydana gelir. Rutubetin bu etkisinden dolayı beton bileşiminin ve bu arada karma suyu miktarının (k) üzerinde bir etkisi olabilir. Betonu oluşturan cisimler arasında (k)‟yı en çok etkileyen bir faktör de beton üretiminde kullanılan agregaların mineralojik karakteristikleridir. Genellikle bazalt ve trakit kökenli agregaların betonda yer alması halinde (k) büyük değerler almaz. Buna karşı kuvartz esaslı agregaların kullanılması betonların ısı iletim katsayısını büyük ölçüde arttırır. Esası kalker ve dolomit olan agregalarla (k)‟sı 1,4 kcal/mh°C dolaylarında olan betonlar elde edilir.

2.5.2. Özgül Isı (c)

Betonların özgül ısısı, başka bir deyimle cismin sıcaklığını arttırmak için sarf edilmesi gereken ısı miktarı 0,20 – 0,28 kcal/kg°C arasında değişir. Bu büyüklüğün betonun üretiminde kullanılan agreganın mineralojik kökeni ile büyük bir ilgisi yoktur. Buna karşılık betonların su içeriğinin artması özgül ısının artmasına neden olur. Betonun birim ağırlığının azalması halinde ise bu karakteristik bir artış gösterir. 2.5.3. Termik GenleĢme Katsayısı

Bir cismin ısıtılması atomların daha fazla titreşim yapmasına neden olarak bunun sonunda cismin boyutlarında bir artış meydana getirir. Sıcaklığın 1°C artması ile cismin birim boyutunda meydana gelen artış o cismin lineer termik genleşme katsayısıdır. Bu karatersitik (ά) ile gösterilirse sıcaklık derecesinin (θ1)‟den (θ2)‟ye

çıkması halinde meydana gelen ΔL uzaması, L1(θ1) sıcaklığındaki cismin uzunluğu

(23)

ΔL=L

1

.ά

1

.(θ

2

- θ

1

)

(2.4)

(ά) katsayısı katı cisimlerde çok küçük değerler almasına rağmen ısı değişikliğinin meydana getirdiği genleşmelerin veya uzamaların serbest bir şekilde gerçekleşmemesi cismin içinde bir takım gerilmeler doğurur. Isı değişikliğinin büyük ölçüde meydana gelmesi halinde bu gerilmeler büyük değerler alarak yapılarda bazı hasarlar meydana getirir. Bunlar bazı çatlakların oluşması, bunun sonunda mukavemetin azalması, yapının etkisi altında bulunan yüklerin meydana getirdiği gerilmelere, termik gerilmelerin bunlara eklenmesiyle toplam gerilmenin daha büyük değer alması ve bütün bu gelişmelerin sonu olarak yapının emniyet durumunun azalmasıdır.

Yukarıda kısaca açıklanan durumdan dolayı ve ayrıca hidratasyon ısısının meydana getirdiği ısı farkları nedeniyle termik genleşme katsayısı beton için çok önemli bir karakteristiktir. Bu önemli karakteristik beton bileşimine, beton üretiminde kullanılan agrega türüne bağlı olarak önemli sayılabilecek değişmeler gösterebilir. Bu durumun başlıca nedeni de hidratasyonunu pratik bakımdan tamamlamış bulunan çimento hamurunun genleşme katsayısı ile agreganın genleşme katsayısının birbirlerinden farklı değerler almasıdır. Çimento hamurunun bu karakteristiği 11x10-6

ile 20x10-6 arasında değerler alırken agregalarınki bu değerlerden belirgin ölçüde daha küçüktür. Bu durumun bir sonucu olarak beton çimento dozajı azaldıkça betonun termik genleşme katsayısı daha küçük değerler almaktadır. Belirtmeye lüzum yoktur ki betonun termik genleşme katsayısı bu malzemenin üretiminde kullanılan agregaların termik genleşme katsayısı ile birlikte artmakta ve azalmaktadır. Hatta bu konuda yapılan bazı deneysel araştırmalar bu iki termik genleşme katsayısı arasında (biri agrega, biri betonun) lineer bir bağlantı bulunabileceğini ortaya koymuştur. Termik genleşme katsayısı bakımından en küçük değere sahip doğal taş kalker olup bunu sırasıyla granit, dolerit ve silisli taşlar izlemektedir.

Bu konuda ilginç olan bir husus da termik genleşme katsayısının ortam rutubetine bağlı olarak değişmesidir. Rutubet %40 değerinden itibaren artmaya başlarsa bu karakteristik rutubet miktarı ile birlikte artar, rutubet %70 civarındaki iken maksimuma ulaşır, bu değerden itibaren ortamın rutubeti artarken azalmaya yönelir.

(24)

Bu durum doğrudan doğruya çimento hamurundaki suyun, rutubetin değişmesiyle hareket etmesinden ve bunun meydana getirdiği olaylardan kaynaklanmaktadır. Yukarıda belirtilen hususlar ortam sıcaklık derecesinin yaşadığımız sınırlar içinde kalması halinde geçerlidir. Sıcaklık derecesinin 320o_{C‟nin üstüne çıkması halinde bu}

özelliğin değerinde belirgin bir artış olur. Buna karşılık sıcaklık derecesinin sıfırın altına düşmesi halinde (-5°C dolaylarında) termik genleşme katsayısı minimum değerini alır. Sıcaklık derecesi daha da değişirse bu sefer bu karakteristiğin değeri artmaya başlar ve sonunda oda sıcaklığındaki değerini alır.

Özetlenecek olursa, termik genleşme katsayısı çok küçük olan agregalar kullanıldığı haller dışında normal koşullar altında üretilen betonların termik genleşme katsayısı 10x10-6-12x10-6 arasında değerler almaktadır. Çeliklerinde bu özelliğinin, bu değerlere eşit olması, bu iki malzemenin yani betonun ve çeliğin birlikte kullanılmasının mümkün olmasını sağlamakla birlikte geniş bir uygulama alanı olan betonarme yapı sisteminin ortaya atılmasına neden olmuştur.

Yukarıda anlatılan lineer termik genleşme katsayısıdır. Bazı hallerde sıcaklık derecesinin artmasıyla cismin hacminde ne miktarda bir artış olduğunun bilinmesi gerekebilir. Bu hacim artışı da (hacimsel termik genleşme) katsayısının (άv) nin

yardımıyla kolaylıkla hesap edilebilir. Bilindiği gibi άv ile lineer genleşme katsayısı

arasında şöyle bir bağlantı vardır: άv=3ά

Buna göre sıcaklık artışı ile meydana gelen hacim artışı şu şekildedir;

ΔV=V1.άv(θ1- θ2) (2.5)

2.5.4. Yangına Dayanıklılık

Betonarme yapıların yangına dayanıklılığı yapının taşıyıcı sistemi ile, betonun yüksek sıcaklıktaki davranışına bağlıdır. Genel olarak beton kısa süren (birkaç saat) ve sıcaklık derecesi 600o_{C‟yi geçmeyen yangınlarda donatılardan daha iyi bir}

dayanıklılık gösterir. 600o_{C‟de beton mukavemetinin yarısını kaybedebilir. Sıcaklık}

derecesinin 800oC‟ye çıkması halinde, hidratelerin içinde bulunan suyu kaybetmesi sonunda mukavemetteki azalma %80‟e varabilir ki bu da yapının yıkılmasına yol açar.

(25)

Yüksek sıcaklıkta beton mukavemetindeki azalmalar birçok faktörün etkisi altındadır. Çimento dozajının düşük olduğu betonlarda yangın, zararlı etkisini daha az gösterir. Yangına dayanıklılık bakımından agrega türleri de büyük rol oynar. Genellikle silis içermeyen agregalarla, örneğin kalker kökenli, püskürük kökenli agregalarla üretilen betonların yangına karşı davranışı daha iyidir. Özellikle dolomit esaslı kalkerli agrega kullanmakla yangına dayanıklı betonlar elde edilir. Bunun nedeni karbonatın kalsinasyonunda ısının emilmesinin sıcaklık artışını geciktirmesidir. Bu arada termik iletkenlik katsayısı düşük betonlar, başka bir deyimle hafif betonlar (birim ağırlığı 1,6 kg/dm3

den küçük olanlar) normal betonlara göre yangından daha az zarar görür. Yangın bakımından önemli bir nokta da betonun içerdiği rutubet ve su miktarıdır. Rutubet içeriliğinin fazla olması halinde, suyun genleşme katsayısının daha büyük olmasından dolayı yangına dayanıklılığı önemli ölçüde azaltır.

Yangına dayanıklılık konusunda malzeme ile ilgili olmayan bir husus vardır ki o da yapı elemanlarının kesit boyutudur. Boyutlar ne kadar küçük ise zararlı etki o kadar büyüktür. Bundan dolayı büyük boyutlara sahip olan kütle boyutlarının genellikle yangından zarar görmediğini kabul etmek mümkündür.

Şunu da belirtelim ki yangın görmüş fakat ayakta kalmış binaların durumu iyi incelendikten sonra yapının yıkılmasına ve takviye edilerek onarılmasın karar verilmelidir. Onarım yoluna gidildiği takdirde torkret denilen özel bir beton kullanılarak bu işin başarılı bir şekilde sonuçlandırılması mümkündür.

2.6. Yüksek Sıcaklığa Dayanıklı Agregalar

Bazı fabrikalarda strüktür malzemesi olarak kullanılan beton, devamlı olarak yüksek sıcaklığa maruz kalmaktadır. Böyle durumda betonun çatlamaması ve sahip olduğu özellikleri kaybetmemesi gereklidir. Betonun bu çeşit bir özelliğe sahip olması geniş ölçüde kullanılan agreganın durumuna bağlıdır. [6-9]

Beton 300oC‟ye kadar bir sıcaklık içinde kalacak ise önceden anlatılan agregaların kullanılması mümkündür. Sıcaklık derecesi 300o

-800oC dereceleri arasında ise şamot parçaları, yani fazla pişirilmiş kil agreganın yerini almalıdır. Sıcaklık 1300o_C‟yi

aştığı vakit, sıcaklığa dayanıklılığı ile bilinen şu agregaları kullanmak zorunluluğu vardır.

(26)

Siliminat (AL2SiO3)

Korindon (AL2O3)

Kromit (FeCr2O4)

Bu son durumda yüksek sıcaklığa dayanıklı bir bağlayıcı madde olan alüminli çimento kullanılarak beton üretilmelidir.

2.7. Yüksek Sıcaklıklara Dayanıklılık

Yangın, baca, füze rampaları, bazı kimyasal ürün fabrikaları vb. betonun yüksek sıcaklıklara (>600o_{) maruz kalmasına yol açar. Genellikle beton yüksek sıcaklıktan}

hasar görür.

Normal Portland ile yapılmış bir beton 150oC‟den, hatta 100oC‟den itibaren değişime uğramaya başlar. Önce kılcal, sonra jel boşluklarında su buharlaşır ve büzülme olur. Çatlakların belirmesi ile çekme dayanımı düşer, 300o_{C‟den itibaren basınç dayanımı}

da azalmaya başlar, zira alüminli ve demir oksitli bileşenlerde dehidratasyon (kristal suyunu kaybetme) başlamıştır. 400o_{C civarında Ca(OH)}

2‟de CaO‟ya dönüşür, hacmi

%30 mertebesinde büzülür. Söndürme sırasında püskürtülen su CaO‟yu tekrar Ca(OH)2„ye çevirir, bu defa da hacim genişleyerek hasar meydana gelir. 400oC

aşılınca silis jelleri de parçalanmaya başlar, 600o

C-700oC aşıldığında tüm öğeler harap olmuştur.

Bu arada agregaların silisli veya kalkerli oluşlarının da etkisi vardır. Kuvartz 570o

C de allotropik formu olan tridimite %16 hacim genişlemesiyle dönüşür ve betonu patlatır. Kalkerlerin kirece dönüşümü daha yüksek sıcaklıklarda, 800-900o

C civarındadır. Yani kalker agregalı betonlar yangına nispeten dayanırlar. Sıcaklık 300oC‟yi aşınca beton pembemsi bir renk alır. 600oC‟yi aşan betonların mukavemeti ilk mukavemetlerinin ancak %20‟si olabilir.

Yüksek sıcaklığa dayanması istenen betonlarda özel agregalar gereklidir: bazalt, yüksek fırın cürufu, ateş tuğlası kırıkları, manyezi tuğla kırıkları gibi. Bu arada çimentonun da dayanıklılığının arttırılması gereklidir. Özel pişmiş kil‟den öğütülerek elde edilen şamot toprağı bir oranda yararlıdır. Ancak en iyi çözüm Portland çimentosundan vazgeçmek ve yerine alüminli çimento kullanmaktır. [1,3,6-9]

(27)

2.8. Yüksek Sıcaklıkların Betonarme Malzemelerine Etkileri 2.8.1. Yüksek Sıcaklıklarda Çelik Özelliklerindeki DeğiĢimler

Çelik ve beton yanıcılık açısından, yapılan sınıflandırmalarda A1 sınıfı "hiç yanmaz" malzemeler gurubuna girerler. Bunların yangınlardaki hasarları malzeme kaybı değildir. Hasar; dayanım, akma sınırı ve elastisite modülündeki azalmalar ve içyapı değişiklikleri olarak ortaya çıkar. [1,2]

Betonarmede kullanılan çelikler düşük karbonlu Ç-I, soğukta burulmuş düşük karbonlu Ç-IIIb ve orta karbonlu Ç-IIIa çelikleridir. Sıcaklık arttıkça bu çeliklerin tümünde akma sınırlarında ve çekme dayanımlarında büyük düşmeler gözlenir. 200oC bölgesinde gözlenen çekme dayanımındaki artış, dislokasyonların yoğun olduğu tane sınırlarına azot atomlarının difüzyonu nedeniyledir; ancak 300o

C aşıldığında bu etki kaybolur, dayanım ve akma sınırlarındaki düşme başlar. Sıcaklık 600oC'ye yükselince çekme dayanımı güvenlik gerilmesinin altına iner. Yangınlarda 600oC'ye kolaylıkla erişildiği ve hatta 1200oC'ye varıldığı bilinmektedir. Bu sıcaklıklarda çeliğin geri dönmeyen (plastik) deformasyonlar yapacağı açıkça bellidir.

Yapı elemanlarında, çeliğin üzerinde kullanım amacına uygun olarak bir gerilme bulunur. Bu gerilme nedeniyle oluşan uzama, yüksek sıcaklıklarda elastisite modülünün daha küçük değerler alması sonucu fazlalaşır. Elastisite modülündeki bu azalma 400oC de % 15, 600oC'de ise % 40 mertebelerindedir. Böylece çelik, elastisite modülündeki azalma, termik genleşme ve plastik deformasyonların başlaması sonucu aşırı uzamalara maruz kalacaktır. Betonun yeterince termik izolasyon sağlamadığı konumlarda çelik donatı burkulacak beton kılıfını patlatarak dışarı fırlayacaktır. Onarımda elemanın değiştirilmesinden veya mantolanmasından başka bir çözüm yoktur.

Yangın sona erdikten sonra 600o

C 'lik bir termik şoka maruz kalan çelik, az karbonlu (Ç-I) veya orta karbonlu (Ç-IIIa) çeliği ise akma sınırındaki düşmeler kalıcı olmazlar. Yangın uzun sürerse, örneğin 4–6 saat gibi, soğukta burulmuş (Ç-IIIb) çeliğinin (Ç-I) seviyesine inmesi olasılığı vardır. Yangında varılan sıcaklık ve yangın süresi dikkate alınarak çeliklerden numuneler çıkarılması ve çekme deneyleri yapılması güvenli bir davranıştır.

(28)

Soğuduktan sonra tüm çelik cinslerinde elastisite modülleri eski değerleri olan 2.1x105MPa değerine dönerler. [1,2]

2.8.2. Yüksek Sıcaklıklarda Betonun DavranıĢı

Betonun yüksek sıcaklıklardan etkilenmesi çimento hamuru fazı ve agrega türlerine bağlı olarak gelişir. Çimento hamuru jel yapıdadır. Jel yapıyı oluşturan CSH (kalsiyum silikat hidrat) katı öğeleri adsorpsiyon suyu vasıtasıyla (Van der Waals bağı) birbirlerine bağlanmışlardır. Jel adsorbe suyu ve CSH'ların içindeki hidrat suları kolaylıkla buharlaşmayan su türleridir. Buna karşılık nispeten daha geniş olan kılcal boşluklardaki serbest su 100o

C civarında buharlaşıp uçabilir. Yangının ilk aşamasında buharlaşan bu su, betonun rötre yapmasına neden olur. Çimento türüne, üretim sırasındaki su/çimento oranına bağlı olarak serbest su, beton hacminin %4'üne kadar varan değerler alır. Bu mertebede bir suyun kaybı ile oluşacak büzülme ve beton içinde beliren buhar basıncı, donatı beton örtüsünün (pas payı) çatlamasına ve parçalanarak kopmasına yol açar. Böylece çelik daha yangının başında sıcakla doğrudan temas haline geçer.

Çimento hamurunda CSH yanında bulunan diğer önemli bileşen Ca (OH)₂'dir. 300oC den itibaren CSH'ın kimyasal bağlı suyu ve jel suyu kaybolmaya başlar. Ca(OH)₂'nin sönmemiş kirece (CaO) dönüşmesi ise 400–500o

C civarında meydana gelir. Bu dönüşme yaklaşık % 33'e varan bir büzüşme ile meydana gelir. Betonun 300o

C'a kadar yangına dayandığı kabul edilir. Serbest suyun aşırı olmadığı durumlar için bu yargı doğrudur. 300o

C 'lik bu sıcaklık yükselmesinin üç defadan fazla tekrar etmesi durumunda mikro çatlakların arttığı ve elastisite modülünün düştüğü gözlenmiştir. 300oC 'dan itibaren CSH kristallerinin parçalanması betonda geri dönüşü olmayan bir hasara yol açmaktadır. Öte yandan Ca(OH)₂'nin dekompozisyonu ve hacim büzülmesi ise hasarı, 530o

C 'den sonra büyük boyutlara vardırmaktadır. Yangın sırasında sıkılan su, oluşan CaO'nun tekrar Ca(OH)₂'ye dönüşmesine sebep olur. Bu olay ise % 44 mertebesinde bir hacim artması ile meydana gelir. Boşluklu bir yapıya dönüşmüş olan beton Ca(OH)₂'nin süzülmesine imkan verir ve yangın sonrası yapılan incelemede gözlenen kireç lekeleri 550o

C 'nin aşıldığını kanıtlar. Yüksek fırın cüruflu çimentolarla üretilen betonlarda bu hasar olmayacaktır.

(29)

Beton agregalarının yangın süresindeki etkileri ısınma süresinde belirmeye başlar. Çimento hamur fazından farklı termik genleşme katsayısına sahip olan agregalar bu faz içinde kayma gerilmeleri oluştururlar ve betonun çatlayarak sürekliliğini kaybetmesine neden olurlar. Agregaların asıl önemli etkisi mineral yapılarından kaynaklanır. Kumların büyük çoğunluğunu teşkil eden kuvartz, 570o

C 'de polimorfik bir değişime uğrar, alfa kuvartz'dan beta kuvartz'a dönme olayı % 15 mertebesinde bir hacim genişlemesiyle meydana gelir. Doğal olarak bu genişleme betonda hasara sebep olur. Kalker ve dolomitten oluşan agregalarda ise CaO ve MgO'ya dönüşüm 800oC - 900oC civarında meydana gelir. Bazalt gibi camsı püskürük kayaçların agregalarının ayrışması 1000o

C 'yi aşabilir.

Muhtelif sıcaklıklarda ortaya çıkan hasarlar betonların dayanımlarının büyük oranda düşmesine hatta yok olmasına sebep olurlar. Bu arada betonun rengi değişir ve bu değişiklikler varılan sıcaklık derecelerini belirlemekte yararlı olurlar.

Yüksek sıcaklıklar, elastisite modülü üzerinde de etkin olurlar. Hemen hemen lineer bir azalma olur. Bu azalma betondaki mikro çatlakların ve boşluk oranının artmasına ve malzemenin yumuşamasına bağlıdır.

Yüksek su/çimento oranı ile üretilen betonların basınç dayanımlarındaki azalmanın nispeten düşük hızla geliştiği öne sürülmektedir. Bu iddianın doğruluğu tartışmalıdır. Basınç dayanımlarındaki azalma eleman yüklüyken ve sıcaklık yüksekken daha düşüktür. Ancak betonun dayanımı soğuduktan sonra büyük oranda düşmekte ve 600oC'ye maruz kalan bu betonun dayanımı % 70 oranında eksilmektedir.

Son yıllarda süper akışkanlaştırıcı katkılar sayesinde dayanımları ve durabiliteleri çok yüksek, "yüksek performanslı betonlar" üretilmekte ve bunlar gökdelen inşaatlarında tercih edilmektedir. Üstün nitelikleri yanında bu betonların yüksek sıcaklıklara dayanıklılıkları istenilen düzeye kavuşturulamamıştır. 250o

C sıcaklığa kadar bu betonların davranışları olumludur, soğumadan sonraki dayanımları normal betonlarınkine oranla yüksektir, hatta silis dumanı içerenlerin dayanımlarında bir artış dahi gözlenmiştir. Ancak sıcaklık 300o

C 'a vardığında çeperde bir patlama ile birlikte yarılmalar ve kapak atmalar meydana gelmektedir. Yüksek performanslı betonlarda geniş kılcal boşluklar yoktur, serbest su ise eser miktardadır. Sıcaklık 300oC 'ı aşınca jel boşluklarında serbestlik kazanan su, buhara dönüşmekte ve içinde bulunduğu dar boşluklar nedeniyle büyük basınçlar oluşturmaktadır. Bu basınçlar

(30)

etkisi ile kapak atmalar meydana gelmektedir. Problemi halletmek üzere betona polipropilen lifler katılmaktadır. Bunlar çatlak gelişimini yavaşlatmaları yanında, eriyerek beton içinde boşluklar yaratmakta, böylece yüksek basınçlı su buharının iletimini de sağlamaktadırlar. Bu çözüm yüksek performanslı betonların yangın riskini bir oranda sınırlayan bir önlem sayılmaktadır.

Betonarmenin göçmesinde en etkin faktör, özellikle kolonlardaki ve düğüm noktalarındaki çeliğin hasar görmesi sonucu ortaya çıkar. Yeterli pas payının varlığı, binanın sıvanmış durumda olması çelikleri önemli oranda korur. Termik difüzyon katsayısı, k / c·ρ (k = ısı iletkenlik katsayısı, c = özgül ısı, ρ = özgül ağırlık) çok büyük olan çelikte sıcaklık artışı dakikada 40 dereceden fazladır; bu durumda 10 - 20 dakika arasında çelik sıcaklığı 600 dereceye varabilir. Halbuki 3 cm kalınlığında bir donatı beton örtüsü bulunduğu takdirde 600o

C 'lik ve bir saatlik yangın yüklemesinde çeliğin sıcaklığı 350o

C 'yi aşmamaktadır. Çeliği örten betonun boşluklu yapısı ve bu yapı içinde serbestçe hareket eden su buharı ısı izolasyonu sağlayarak çeliğin sıcaklığının artmasını önlemektedir. Yüksek performanslı betonlarda 600o

C civarında kapak atma olayının başlaması pas payının bu ısı yalıtımı fonksiyonunu yitirmesine yol açar.

İkinci etkin faktör doğal olarak beton basınç dayanımının düşmesidir. Bu faktör de kolonların taşıma gücünü zedeler ve kolonun gevrek bir kırılma ile göçmesine yol açar. Burada dikkate alınması gereken bir nokta da betonun yumuşaması, boşluklu bir yapıya dönüşmesidir. Sıcaklık şokuna maruz kalmış bir betonda sünme kapasitesi artar, yani sabit yük altında ve zaman içinde deformasyonlar artmaya devam eder. Bu nedenle yangının hemen akabinde göçmeyen bazı kolonların gözleme alınması ve deformasyonlarının izlenmesi güvenlik açısından gerekir. [6-10]

(31)

Şekil 2.2 Yangın sırasında betonun durumu

5000C 3000C

Agrega taneleri Yüksek sıcaklıkla

(32)

3. YÜKSEK SICAKLIĞIN BETON VE ÇĠMENTO HARCINA ETKĠLERĠNĠ ĠNCELEYEN DENEYSEL ÇALIġMALAR

3.1. Yangından Hasar GörmüĢ Bir Yapının Betonlarında Hasar Ġncelemesi [11] 3.1.1. GiriĢ

Betonun yüksek sıcaklığın etkisinde kalması halinde dayanımlarında önemli düşüşler ortaya çıkmaktadır. Betondaki sıcaklığın 250-300o_{C „deki durumu bir sınır olarak}

kabul edilmektedir. Bu sıcaklığın altında ortaya çıkan hasarın önemsiz olduğu belirtilirken, bunun üzerine çıkıldığında, önemli hasarların olduğuna dikkat çekilmektedir. Yangın sırasında sıcaklığın betonun içine zamanla ilerlemesi ile sıcaklığın bu sınırların üstüne çıktığı bölgeler hasara uğrar ve yapının taşıyıcı kısmı giderek azalır.

Betonun ısı iletim katsayısı açık olarak betonu oluşturan bileşenlere bağlıdır. Dolayısıyla karışım oranları ve sıkıştırma ısı iletkenliğini önemli ölçüde etkiler. Yangın sırasında betonun boşluklarındaki suyun kaçması betonun ısı iletkenliğini bir miktar düşürür ve bunun sonucunda hasar gören tabaka ısı izolasyonu gibi davranır. Genleşme olgusu da betonun performansında önemli bir etkendir. Genleşme, yapı elemanlarında bir kırılmaya neden olacak gerilmelerin doğmasına neden olabilir. Agrega ve hamur fazının farklı genleşme kapasiteleri beton içinde çekme gerilmelerinin doğmasına sebep olur. Yüksek sıcaklıkta bu gerilmeler hamur fazında özellikle de agrega-hamur fazı arasında çatlakların oluşumuna, dolayısıyla da hasara neden olur ve hasar görmüş bu bölge yine ısı izolasyonu görevi yapar.

3.1.2. Yapı Elemanlarında Sıcaklık Dağılımı

Yapı elemanlarında sıcaklık dağılımı, döşemelerde tek taraflı yangın durumunda dikdörtgen kirişlerde üç tarafından yangın etkisinde kalması halinde ve kolonlarda dört yüzünden yangın etkisinde kalması durumunda incelenmiş ve yapılan çalışmalar ile değişik boyuttaki elemanların içinde oluşan sıcaklıklar yaklaşık olarak şu değerlerde elde edilmiştir.

(33)

Tablo 3.1 Döşemelerde tek taraflı yangın durumunda 90 dakika sonra sıcaklık değişimi Sıcaklık 0 C DöĢeme Kalınlığı 10 cm 15 cm 200 8,0 cm içeride 8,0 cm içeride 300 6,0 cm içeride 6,5 cm içeride 400 4,0 cm içeride ≈4,0 cm içeride 500 3,5 cm içeride ≈3,5 cm içeride

Üç tarafından yangın etkisinde kalan dikdörtgen kirişlerde kiriş boyutları küçüldükçe yangın daha da etkili olmaktadır. Örneğin b/d=160/320 mm/mm için 90 dakika sonra kiriş tabanından 2 cm yukarıda sıcaklık 7000

C olurken b/d=300/600 mm/mm için bu değer 6500_{C olmaktadır. Benzer şekilde yine 90 dakikalık yangında kiriş tabanından}

5 cm yukarıda sıcaklık sırasıyla 5000

C ve 3500C olmaktadır.

Dört yan yüzünden yangın etkisinde olan kolonlarda, boyutlar küçüldükçe yangın etkisi artmaktadır. Örnek olarak 30x30 cm‟lik kare bir kolonda 90 dakika sonra yüzeyden 15 cm içeride sıcaklık 1000_{C, 4 cm içeride 400}0_{C, 3cm içeride 700}0

C olmaktadır. Buradan kolonun boyutu büyüdükçe, aynı uzaklıklardaki sıcaklıkların düştüğü anlaşılmaktadır.

Şekil 3.1‟de gösterilen, kalınlıkları 20cm ile 70cm arasında değişen sonsuz uzunluklu 4 farklı beton perde örnek olarak alınıp, bu perdelerin içinde değişik x uzaklıklarındaki sıcaklıklar en büyük sıcaklığın 7000_{C ulaştığı bir yangının 2. saati}

için uygun ısı iletimi formülasyonları ile hesaplanır ise aşağıdaki tablo 3.2‟de verilen yaklaşık değerler elde edilmektedir. Değerler hesaplanırken betonun ısıl yayınım katsayısı α=0,02 m2

(34)

Şekil 3.1 Bir tarafından izole edilmiş sonsuz uzunluklu perde

Tablo 3.2 Bir tarafından izole edilmiş sonsuz uzunluklu değişik kalınlıklı beton perdelerde sıcaklık dağılımı (0

C) L(cm) 20 40 50 70 x(cm) 0 700 700 700 700 2 697 695 691 676 4 694 690 682 651 6 691 685 673 627 8 688 681 664 603 10 685 676 654 578 12 682 671 645 554 14 679 666 636 530 16 676 662 628 506 18 673 657 619 481 20 670 652 610 457

Değişiklik kalınlıklı, bir tarafı izole edilmiş perdeler için sıcaklığın, yangına maruz kalan kenarından uzaklık (x) ile sıcaklığı değişimi tabloda verilmiştir. Tablo incelendiğinde, perde kenarından içeriye doğru gidildiğinde sıcaklığın düştüğü görülmektedir. Değişik kalınlıktaki perdelerde aynı x mesafesi için elde edilen sıcaklıklar incelendiğinde ise perde kalınlığı arttıkça aynı derinlikteki sıcaklığın azaldığı görülmektedir. (Şekil 3.2)

x

L

(35)

400 450 500 550 600 650 700 750 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 x (cm) S ıc ak lı k perde 20cm perde 40cm perde 50cm perde 70cm

Şekil 3.2 7000_{C‟lik ortamda değişik kalınlıktaki perdelerin içindeki sıcaklık değişimi}

Döşemelerde, kirişlerde, kolonlarda ve perdelerde eleman boyutu ile aynı x mesafesindeki sıcaklık değişimleri incelendiğinde yapısal elemanların tümünde; eleman boyutu arttıkça eleman içindeki sıcaklığın azaldığı, dolayısıyla yangına dayanıklılığın arttığı görülmektedir.

Buradan taşıyıcı sistem oluşturulurken yangına karşı dayanıklılık düşünüldüğünde yapıda sadece perdeler kullanmak yerine, bunun yanında büyük boyutlu kolonlarında kullanılması yangına karşı dayanıklılığı arttıracağı söylenebilir.

3.1.3. Sonuçlar

 Kolon kiriş, döşeme ve perdelerde, eleman boyutu büyüdükçe eleman içinde herhangi bir x uzaklığındaki sıcaklık, yangının t‟inci dakikasında daha düşük olmaktadır. Bu da eleman boyutu büyüdükçe yangından görülen hasarın azalacağını açıkça göstermektedir. Buna bağlı olarak taşıyıcı sistemi sadece perdelerden oluşan bir binanın yangın güvenliği ile büyük boyutlu kolonlar içeren bir yapının yangın dayanıklılığı aynı olmayacaktır. Taşıyıcı sistem düzenlenirken yangın sırasında ve sonrasındaki davranışlar da dikkate alınırsa sadece perdelerden oluşan bir sistem yerine, büyük boyutlu kolonlar veya tuğla, alçı panolarla mantolanarak korunmuş kolonlar ve perdeler içeren bir sistem tercih edilebilir.

 Yangın hasarı yapının üst katlarına çıkıldıkça artmaktadır. Üst katlarda yapı üzerindeki yüklere göre kolon boyutları küçülürken bu sonuç da dikkate alınmalı ve kolon boyutlandırmasında yangın etkisi de düşünülmelidir.

(36)

 Yangın hasarı, en az kolonların alt kısımlarında oluşurken en fazla hasar kolonların üst bölgelerinde, kirişlere yakın yerlerde ve döşemelerin altlarında meydana gelmektedir.

3.2. Kalker Katkılı Portland Çimentolarının Yangın Direnci [12]

Çimento konusunda yeni Avrupa Standartlarının (EN197-1, EN197-2) kabulü ile katkılı çimentoların üretiminde ve kullanımında eskiye nazaran büyük artış gözlenmektedir. Kalkerin, katkılı çimentolarda %35‟e kadar majör katkı bileşeni olarak, katkısız çimentolarda ise %5‟e kadar minör ilave bileşen olarak büyük ölçüde kullanılmaya başlanması ile kalkerli çimentoların beton dayanıklılığına olan etkilerinin incelenmesi önem kazanmıştır. Yapılan bu çalışmada da kalker etkisinin yangına karşı Portland çimentosuna kazandırdığı özellikler incelenmiştir.

3.2.1. Malzemeler ve Deney Yöntemi

Yapılan çalışmada kullanılan Portland kalkerli çimentolar, 5kg‟lık bilyeli değirmende öğütülerek laboratuar ortamında hazırlanmıştır. Öğütme esnasında referans Portland çimentosu ve diğer Portland kalkerli çimentoların incelikleri eşit tutulmuştur. Numunelerin basınç dayanımlarının tespiti için TS EN196-1 standardına uygun harçlar hazırlanmıştır. 28 gün kürlenen harçlar önce oda sıcaklığında (200

C) basınç dayanım deneyine tabi tutulmuş, daha sonra sırasıyla 100, 250, 500, 650, ve 8500C‟lere kadar fırında ısıtılıp, yine fırının içinde soğutulduktan sonra basınç dayanımları tespit edilmiştir. Isıtma süresi her numunede toplam 4 saat olup, hedeflenen sıcaklığa maruz kalma süresi 3 saat, hedeflenen sıcaklığa çıkış süresi ise 1 saat olarak belirlenmiştir. Numunelerin basınç dayanım testleri TS EN196-1 standardına uygun olarak yapılmıştır.

Mikro yapı incelemeleri için, normal Portland çimentolu ve kalker katkılı çimentolu harç prizmalarından 30x30mm boyutlu kesit numuneleri hazırlanmıştır. Kesit numuneleri, basınç dayanımı ölçümü yapılan harç prizmaları ile aynı ısıtma programına tabi tutulmuştur. Isıtma programı sonrasında, fırın atmosferinde hava ile soğutmaya bırakılan numunelerin yüzeyleri kaplanarak, tarama elektron mikroskobunda mikro yapı incelemeleri yapılmıştır.