Makale

Çelik Yapılarda Yapısal Yangın Etkileri Ve Pasif Koruma

Gelişen teknolojinin getirdiği yeni malzemeler ve yapım teknikleri ile pek çok seçeneğin ve seçme olasılığının var olduğu karmaşık tasarım ve inşa süreçlerinin sonuç ürünü olan binalar, değişen mekansal ihtiyaçlar, kent merkezlerindeki sınırlı arazi koşulları ve/veya bazı simgesel kaygılar ile yükselirken ya da genişlerken, farklı görsel etkilerin arayışına da cevap vermektedir.

Prof. Dr. Figen BEYHAN
Gazi Üniversitesi Mimarlık Fakültesi

Giriş
Hayatın içerisindeki tüm eylemlerin gerçekleştirilmesi için ihtiyaç duyulan yapılı çevreler, tasarım ve inşa özelliklerine bağlı olarak, içerisinde sürdürülen yaşamların niteliğini de belirlemektedir. Gelişen teknolojinin getirdiği yeni malzemeler ve yapım teknikleri ile pek çok seçeneğin ve seçme olasılığının var olduğu karmaşık tasarım ve inşa süreçlerinin sonuç ürünü olan binalar, değişen mekansal ihtiyaçlar, kent merkezlerindeki sınırlı arazi koşulları ve/veya bazı simgesel kaygılar ile yükselirken ya da genişlerken, farklı görsel etkilerin arayışına da cevap vermektedir. Bazen işlev formu, bazen form işlevi beraberinde getirmektedir. Hedeflenen forma ulaşmak için ise farklı malzeme olanaklarına ve yapım sistemlerine ihtiyaç duyulmaktadır. Bu çerçevede, birincil taşıyıcı sistemlerin mimarideki görsel zenginliğe katkısı, kabuk formların değişken yorumu, binaya getirdiği hafiflik ve buna bağlı olarak ikincil taşıyıcılarda ihtiyaç duyulan esneklik ve işlenebilirlik, çelik uygulamalarının binalardaki kullanımını her geçen gün yaygınlaştırmaktadır.

Ancak, tasarım ve yapım süreçlerinden gelen her tercih kendi olanaklarını ve kendi risklerini beraberinde getirmektedir. Ve çelik, tüm olanak ve avantajları ile birlikte yanmaz bir malzeme olmasına rağmen, belirli bir sıcaklık (kritik sıcaklık) karşısında taşıyıcılığını, çok yüksek sıcaklıklarda ise tüm mekanik özelliklerini yitirmektedir. Aynı zamanda çok iyi bir iletken olan çelik, yangın anında yüksek sıcaklığı kolaylıkla ve kısa zamanda diğer yapı elemanlarına ileteceğinden, kritik sıcaklığa ulaşılan zamanı kısaltmaktadır. Bu durum çelik uygulamaların yer aldığı binalarda yapısal yangın güvenliğinin sağlanmasını zorunlu kılmaktadır. Tamamen ortadan kaldırılması söz konusu olmayan yangın, tasarım aşamasından itibaren bir bağlam olarak dikkate alındığında ve yapısal yangın güvenliği başta olmak üzere aktif yangın güvenlik önlemlerinin de desteği ile öngörülecek stratejiler doğrultusunda kontrol altına alınabilecek, yönetilebilir bir risktir. Büyük kalabalıklara ev sahipliği yapan binalar başta olmak üzere, tüm yapılı çevrelerde yasal bir yükümlülük olan yangın güvenliğinin sağlanması son derece önemlidir. Binalarda yangın güvenliği sağlanmasının en önemli/temel amaçları, binayı tanıyan ve tanımayan tüm bina kullanıcılarının en kısa sürede binadan tahliye edilebilmesi ve ilgili ekiplerin yangınla mücadele edebilmesi için uygun koşulların sağlanmasıdır. Kullanıcı yükü fazla olan yüksek binalarda, tahliye süresi ve ekiplerin binanın her noktasına donanımlarıyla birlikte ulaşımı süreçlerinde yaşanabilecek engeller ve olanaksızlıklar nedeniyle yangın güvenliği özellikle irdelenmeli, gereken süreler boyunca yapının çökmesinin engellenmesi amacıyla tüm yapı eleman ve bileşenleri yangına güvenli olarak tasarlanmalı ve inşa edilmelidir. Önceki yıllarda yaşanan yangın olayları incelendiğinde, tehlikenin boyutları ve binaların yangın karşısında göstermiş olduğu zayıflıkları çok daha iyi kavrayabilmek;böylece güçlendirebilmek amacıyla güvenlik önlemlerini içeren taktiksel planlamalar geliştirmek mümkündür. Bu çerçevede çelik yapı eleman ve bileşenlerinin yangın durumundaki davranış süreçlerini bilmek ve bu tip binalarda yaşanan yangınlarının ortaya koyduğu deneyimlerden öğretiler çıkarmak önemlidir. Bu amaçla çalışma kapsamında Madrid’de yer alan Windsor Tower Binası ile Los Angeles’taki First Interstate Banka Binası’nda yaşanan yangın olaylarının analizleri yapılmıştır.

Windsor Tower Binası Yangını
Madrid’in ilk gökdelen binalarından biri olan Windsor Tower Binası, 1974-78 yılları arasında mimar Gabinete Alas – Casariego tarafından tasarlanmış ve inşa edilmiştir. 32 katlı olup, 106 m yüksekliğine sahip olan bina, Ticaret merkezi/ofis olarak işlevlendirilmiş, sahip olduğu 20 000 m2 kapalı hacmi ile binaya aşina olan ve olmayan farklı profillerdeki büyük kalabalıklara ev sahipliği yapmak üzere tasarlanmıştır. Binada ortalama 1000 m2 taban alanına sahip 3 bodrum katı, zemin kat ve “açık plan” olarak tasarlanan 28 ofis katı bulunmaktadır. İspanya’nın 1970’lerde sahip olduğu yönetmeliğe göre yapılmış olduğu için herhangi bir yangın güvenlik önlemi düşünülmemiştir. Ancak olayın yaşanmasından hemen önce binada başlanan yenileme çalışmaları çerçevesinde dış çeperde yer alan çelik kolonlara yangın yalıtımı, sprey boya ile çelik kirişlere yangın koruması, yağmurlama sistemlerinin tesisi, yangın merdiveni ilavesi ve yeni bir alüminyum kaplama sistemi inşa süreçleri devam etmekteydi.

Taşıyıcı Sistem ve Çekirdek Çözümleri:
İç kısımda betonarme kolonlar ve çelik kirişlerle desteklenen betonarme döşemeler ile dış çeperde çelik kolonlardan oluşan bir taşıyıcı sisteme ve temel yan duvarları ile uyumlu kuzey-güney doğrultusunda iki düşey hat boyunca betonarme kolonlarla desteklenen betonarme çekirdeğe sahiptir. Tipik bir katta 360 mm derinliğinde çelik I-kiriş ve çelik çevre kolonlar ile betonarme çekirdek, iç kısımda betonarme kolonlar tarafından desteklenmiş iki yönlü uzanan 280 mm derinliğinde kaset döşeme mevcuttur. Cephe Kuruluşu: Çeperde yer alan yuvarlak çelik kolonlara tutturulmuş alüminyum çerçeveli yansıtıcı cam panellerden oluşan büyük cam yüzeylere sahip giydirme cephe olarak düzenlenmiştir. Cephe sisteminin yatay ve düşey kayıtları çelik kolonlara mon te edilmiş ve bunun üzerine yeni bir cephe strüktürü eklenmiştir.

Yangın Günü: 12 Şubat 2005 günü, saat 23.00’de yaşanan yangın olayında, başlama saatinin mesai sonrası olması nedeniyle bina kullanıcıları tehlike ile karşı karşıya kalmamışlardır. Aksi durumda büyük can kayıpları ortaya çıkabilirdi. Yangın olayının gerekçesi kısa devre olarak kayıtlara geçmiştir.

Binanın 21. katında başlayan ve ortalama 820 oC sıcaklığa ulaşan yangın, yaklaşık 1820 saat boyunca devam etmiştir. Yedi itfaiye eri yaralanmış ve kalıntılarının yıkılması 22 milyon Euro ya mal olan binanın yıkımı ağustos 2005’te tamamlanabilmiştir.

Yeni yönetmeliklerden gelen yükümlülüklerin yerine getirilmesini de içeren bir yenileme sürecinde yaşanan yangın olayı kısa sürede (yaklaşık 1 saat) üst katlara yayılmıştır. Çünkü 17. kata kadar yapılan yangından koruma uygulamaları, yenileme aşağıdan yukarıya doğru sürdürüldüğü için bu kattan itibaren dış tarafta yer alan çelik kolonlara henüz uygulanmamıştı. Alt katlarda ise 9. ve 15. katların yalıtım uygulamaları henüz tamamlanmamıştı. Dikey millerdeki boşluklar ve yangın kapıları tam olarak takılmamış; cephe kaplaması ve zemin döşemesi arasındaki tüm boşluklar da yanmaz malzeme ile kaplanmamıştı. Döşeme kenarları ile giydirme cephenin arasında kalan boşluklarda gerekli olan yangın durdurucuların olmaması hafif cephe strüktürel elemanlarının çok kısa bir sürede aşırı ısınmasına ve genleşerek cephe yüzeyinin döşeme kenarından dışarıya doğru açılmasına/şişmesine yol açmıştır. Böylece oluşan basınç yüzünden camlar kırılmadan önce yangın ve yan ürünleri katlar arasında kolaylıkla yayılmıştır.

Olay sırasında binanın tamamen çökmesi korkusu ile çevre yollar ve binalar tamamen boşaltılmıştır. 9. ve 15. katlardaki kolanlar eriyerek tamamen eğilmesine rağmen, eğilen kolonların yükünün ayakta kalan BA kolonlar tarafından taşınmış olması nedeniyle alt katlardaki konstrüksiyonda bir çökme meydana gelmemiştir. Üst katlarda ise döşemelerin büyük oranda çöktüğü büyük bir yıkım gerçekleşmiştir. Halen kurulum aşamasında olan yağmurlama sistemlerinin eksikliği yangının kontrol altına alınmasının önüne geçmiş, yoğun duman tabakası ve yüksek sıcaklık söndürme ekiplerinin binaya yaklaşmasını engellemiştir.

Yüksek sıcaklık ile yalıtım ve yapı malzemelerinde sayısız patlamalar meydana gelmiş, düşey kompartımanların olmayışı ve döşemeler ile cephede var olan boşlukların yetkin bir şekilde yalıtılmamış olması, kısa süre içerisinde birden fazla kata yangının kolaylıkla yayılmasına neden olmuştur. Öte yandan; “Betonarme merkezi çekirdek, perde duvarlar, kolonlar, kaset döşeme ve yük transfer katlarının varlığı böyle şiddetli bir yangında çok iyi bir performans sergilemiştir.” Düşüncesi, çok katlı bina yangınları için çekirdek çözümlerinin önemini ortaya koymuştur.

First Interstate Banka Binası
(Aon Center) ve Yangını
The Luckman Partnership tarafından ofis binası olarak tasarlanan ve 1973 yılında inşa edilen First Interstate Banka Binası, Los Angeles’ın o zamanki en yüksek binasıdır. Normal bir günde yaklaşık 4000 kişiye ev sahipliği yapan 262 m yüksekliğindeki bina 62 katlı ve tabanda 2000 m2’ye oturtulmuştur.

Taşıyıcı Sistem ve Çekirdek Çözümleri:
Püskürtme sıva ile yangına karşı korunmuş çelik taşıyıcı sisteme sahiptir ve döşemelerde ise hafif beton kullanılmıştır. 3 bodrum katında yer alan 579 araç kapasiteli kapalı otopark yalıtımlı beton strüktürle desteklenmiştir. Bodrumda yer alan bu otoparkta üç asansör ofis binası ile ve 2. Bodrum katta hem yaya hem de taşıtların kullanabileceği bir tünel, sokak ile bağlantı kurmaktadır. 4 ana merdiven, yolcu asansörleri, 3 servis ve yük asansörü, 2 yürüyen merdivenden oluşan çekirdek binanın merkezine konumlandırılmıştır. Strüktürleri betonarme olan merdivenlerin 2 tanesi ana havalandırma bacasına komşudur. Ana merdivenler aynı zamanda yangın ve acil çıkış merdiveni olarak kullanılmaktadır.

Cephe Kuruluşu: Döşeme kenarlarına ve çelik kolonlara sabitlenmiş cam ve alüminyum giydirme cephe olarak inşa edilmiştir. Boşluk, konsol veya geri çekme gibi herhangi bir alev saptırıcının olmadığı düz bir cephe geometrisine sahiptir.

Yangın Günü: 04 Mayıs 1988 günü, saat 22.38’de, kesin olmamakla birlikte elektrik kontağı nedeniyle bir yangın olayına maruz kalmıştır ve yangın yaklaşık 3 saat 40 dakika sürmüştür. 12. katta başlayan ve 16. kata kadar yayılan yangın ancak beş katın hepsi tamamen yandıktan sonra kontrol altına alınabilmiştir.

Yangın anında bazıları temizlik, bakım ve onarım işçileri, bazıları ise geç saatlere kadar ofiste çalışan işçilerden olmak üzere, binada 50 kişi bulunmaktaydı. Yine yangının mesai saatleri içerisinde olmaması büyük can kayıplarının önüne geçmiştir. Yangın güvenlik kapısı yerleştirilmeyen servis asansör kuyuları baca gibi çalışarak yüksek sıcaklık ve yoğun dumanın üst katlara kolaylıkla yayılmasına neden olmuş; böylece ortamda oluşan aşırı sıcaklık ve duman, merdivenlerdeki acil ışık sisteminin çalışmasını da durdurmuştur. Etkilenen 5 kat boyunca tüm dış cephede camlar kırılarak binanın çevresine dağılmıştır. Kırılan cam parçaları ve enkaz yüzünden su hortumları birçok kez kesilmiş ve yenilenmek zorunda kalınmıştır. Ayrıca zaman zaman yangın pompalarındaki mevcut su basıncı azalarak müdahalenin gecikmesine neden olmuştur. Yapıda bodrum katlar ve tünel hariç hiçbir yerde otomatik yangın söndürme sistemi bulunmamaktaydı. Çünkü yapıldığı tarihte yürürlükte olan yönetmeliklerde böyle bir zorunluluk yer almamaktaydı. Ancak binanın çelik strüktürü yangına karşı çok iyi yalıtılmış, bina genelinde duman dedektörleri, alarm sistemi ve sabit boru hortumu sistemi tesis edilmiştir.

Örnek Bina: DEXIA-BIL Ana Ofis Binası Luksemburg’da Dexia-Bil Ana Ofis Binası olarak Claude Vasconi ve Jean Petit tarafından 2003-2006 yılları arasında tasarlanarak inşa edilen bina, 2006 yılının sonunda 1200 çalışanı ile faaliyete başlamıştır. Toplam 67200 m2 kapalı hacme sahip olan kompleks, 33 m yüksekliğinde çelik taşıyıcılı cam bir çatı ile örtülmüş olan atriumun çevresinde 3 bloktan oluşmaktadır. 19 katlı A Blok 75 m yüksekliğe sahip bir ofis kulesidir. B ve C Blokları ise 39 m yüksekliğine sahiptir. Ayrıca 1400 araç kapasiteli 4 bodrum katı mevcuttur.

Taşıyıcı Sistem: Tamamı kompozit çerçeve/ iskelet sistemdir. Eş/karşılıklı kolonlar ve kirişler çıplak olarak saklanmıştır ve korunmamış çelik yüzeyler ile çeliğin filigran dokusunu tamamen ortada bırakmaktadır. Bu nedenle aktif yangın güvenlik önlemlerinin varlığı son derece önemsenmiş, EN 1991-12’de var olan aktif yangın güvenlik önlemlerinin tamamı uygulanmıştır. Kolonların tamamı en dışta dairesel bir çelik tüp ile iç kısımda yer alan merkezi bir çelik profilden oluşmuştur ve çelik tüpün içi beton ile doldurularak iç kısımda kalan merkezi çelik profil dış ortamdan gelecek yüksek sıcaklık etkisinden korunmuştur. Bu kolonlar kavisli cephenin tüm düşeyinde yer alan döşemelerden çok özel niteliklere sahip kompozit kirişlere doğru gelen yükleri desteklemektedirler. Özel mimari kaygılara cevap veren kompozit kirişler farklı yüksekliklerle kesişim noktalarına kaynaklanarak oluşturulmuştur ve en çok 6 ile 15.4 m iki hat şeklinde devam etmektedir. 35 derecenin üzerinde çeşitli açılarla orta destekten 2.7 m mesafede boylamasına aksa göre ana akstan içeriye içine doğru bükülmüş olan kirişlerin oluşturduğu ağ, çeşitli boyutlarda çeşitli açıklıklar içermektedir. Orta destek çelik bir kiriş olarak tanımlanabileceği için, bu desteğin belli bir elastisitede esneklik vereceği hesaplanmıştır. Sistemin güvenilir sınırlar içerisinde kaldığı, kirişlerde 1/1 model yapılarak akredite bir laboratuarda test edilmek suretiyle ve kolonlarda simülasyon programı ile doğrulanmıştır.

Sonuç
Pasif yangın güvenlik önlemlerini kapsayan bir kavram olarak yapısal yangın korunumu, yangına maruz kalan binaların dayanımı ve bina kullanıcılarının binadan tahliye edilerek güvenlik bölgelerine ulaşması ile yangına müdahale ekiplerinin yangınla mücadelesi için yapının ayakta kalabilmesi, çökmemesi bağlamında son derece önemlidir. Aslında yanmaz bir malzeme olmasına rağmen çelik, özellikle yüksek sıcaklıklar karşısında tüm özelliklerini kaybetmektedir. Bu nedenle binalarda kullanılan çelik eleman ve bileşenlerin yangın karşısındaki davranış modellerinin önceden hesap edilerek, yüksek sıcaklıklarla karşı karşıya kalmasının önüne geçecek stratejilerin geliştirilmesi gerekmektedir. Risk bölgeleri gözetilerek yangın kompartıman alanlarının en az yönetmeliklerde istenen süreler kadar yangına dayanıklı konstrüksiyonlarla inşa edilmesi ve yangını ilk başladığı anlarda keşfederek daha büyümeden söndürmeye yönelik sistemlerin standartlar çerçevesinde tesis edilmesi, başlayacak herhangi bir yangın olayının yayılmadan söndürülmesini sağlayacağı için etkin pasif güvenlik önlemleridir. Yangına maruz kalması muhtemel çelik elemanların ve bileşenlerin kütlesel, çevreyi sarma veya kutuya alma yöntemleri ile yalıtılması, çelik bileşenlerin içerisinden su dolaştırılarak soğutulması yöntemiyle veya kolonların korunumlu bina cephesinin dışında konumlandırılması yöntemi ile yüksek ısıdan korunması yangın güvenliğinin sağlanması amacıyla kullanılan diğer yaygın uygulamalardır. Binanın özelliklerine bağlı olarak yapılacak hesaplamalar ve denetlemek amaçlı kullanılan simülasyon programlarının öngörüsüyle tasarlanacak olan özel kompozit çelik eleman ve bileşenlerinin kullanılması da yangın karşısındaki dayanımın artırılabilmesinde etkili olabilmektedir. Özetle, binaların tasarım ve inşasında getirmiş olduğu pek çok avantaj nedeniyle her geçen gün kullanımı yaygınlaşan çelik, doğru tasarım ve uygulamalar ile yangın durumunda da avantajlı olabilmektedir.

Kaynaklar:
1. Y. Mimar Yakup HAZAN Arşivi
2. http://www.pbase.com/hqhe/image/142789438
3. KILIÇ, A., “Betonarme ve Çelik Yapılar Yangın Güvenliği”, (http://www.tibder.org.tr/makaleler/betonarme_ve_celik_yapilar_yangin_guvenligi.pdf) 4. NIST NCSTAR 1, Federal Building and Fire Safety Investigation of the World Trade Center Disaster: Final Report on the Collapses of the World Trade Center Towers, U.S. Government Printing Office, Washington. (2005).
5.http://tu-dresden.de/die_tu_dresden/ fakultaeten/fakultaet_bauingenieurwesen/ish/stahlbau/ studium/ diplomarbeiten/2007/kurzfassungen/2007_07_kallert
6. Smith, R., “Fire Rated Caldding of Structural Steel”, İnternational Fire Protection Magazine, s10, 2002.
7. Güler, B.&Keyder E., “Çelik Yapıların Yangından Korunması”, ECAS2002 Uluslararası Yapı ve Deprem Mühendisliği Sempozyumu, 14 Ekim 2002.
8. INTEMAC Report NIT 2-05, “Fire in the Windsor building, Madrid. Survey of the fire resistance and residual bearing capacity of the structure after the fire”, December 2005.
9. BS 5950-8: 2003 Structural use of steelwork in building – Code of practice for fire resistant design.
10. SCI Publication P-113, “Investigation of Broadgate Phase 8 fire”, June 1991.
11. Federal Emergency Management Agency. (1988). Interstate Bank Building Fire – Los Angeles, California (May 4, 1988). United States Fire Administration Technical Report Series.
12. http://web.archive.org/ web/20030829045943/http://www.iklimnet.com/hotelfires/ interstatebank.html.
13. J. B. SCHLEICH, “Fire Engineering, Architecture and Sustainability”, International Symposium “Steel Structures: Culture & Sustainability 2010”, 21-23 September 2010, İstanbul