TR|EN
Güncel
E-Bülten Aboneliği
Casp 2022
Tevfik Seno Arda Lisesi
Yayınlar > Çelik Yapılar
Sayı: 59 - Mart 2019

Teknik Makale


ÇELİK KÖPRÜLERDE YANGIN

Mustafa Salih Korkmaz Yangın Mühendisi, Efektis ERA Çeliğin en zayıf yönlerinden birisi ısıya karşı çok duyarlı olmasıdır. Çelik, malzeme olarak yanıcı olmamakla birlikte ısı yükseldikçe mukavemetinde ve elastiklik modülünde hızlı düşüşler meydana gelir.

Ulaşım, insanları ve eşyaları taşımak için ekonominin bel kemiğidir. Taşımacılıkların çoğu ya yollar ya da demiryolları ile gerçekleşir. Köprüler, doğal engeller veya inşa edilmiş tesisler üzerinde trafik akışını kolaylaştırmak için karayolu ve demiryollarının önemli bir bileşenidir. Kentleşmenin son eğilimleri ve yüksek trafik talebi, karayolları / demiryollarındaki köprü sayısını arttırmıştır.
Çok eski tarihten beri kullanılan köprüler öncelikle taş ve ahşaptan yapılmaktaydı.
Köprü taşıyıcı sistemlerinde çelik 19. yy içerisinde yoğun olarak kullanılmaya başlandı.
İlk demir köprü İngiltere’de Coalbookdale’deki Severn, nehri üzerinde 1779 yılında yapıldı. Bu tarihten itibaren günümüze kadar çelik köprü inşaatı dünyada büyük şekilde yaygınlaşmaya başladı.
Ülkemizde de son 15 yılda köprü yapım çalışmaları kapsamında 229 km uzunluğunda 2.226 adet köprünün yapımı tamamlanmıştır.
947 adet köprünün bakım ve onarımı ve 218 adet tarihi köprünün de restorasyonu tamamlanmıştır. 2023 yılına kadar yol ağımızda toplam 673 km uzunluğunda 9.071 adet köprü ve viyadüğün trafiğe hizmet vermesi hedeflenmektedir.
Çelik, dünyadaki pek çok benzersiz mimari yapı ile örneklenen, teknolojik ve operasyonel özelliklerin harika bir kombinasyonundan dolayı inşaatta sıklıkla kullanılmaktadır.
Çeliği, diğer yapı elemanlarına göre avantajlı hale getiren ve deprem riski yüksek olan bölgelerde kullanılmasını ön plana çıkartan, bazı üstün özelliklere sahip olmasıdır. Homojen bir malzeme olması, üretiminin belirli bir denetim altında yapılması,
yüksek mukavemetli olması, elastisite modülünün yüksek olması şeklinde yazılabilecek bu üstün özelliklerinin yanında çeliğin bazı zayıf yönleri de vardır.
Çeliğin en zayıf yönlerinden birisi ısıya karşı çok duyarlı olmasıdır. Çelik, malzeme olarak yanıcı olmamakla birlikte ısı yükseldikçe mukavemetinde ve elastiklik modülünde hızlı düşüşler meydana gelir.
Özellikle, ısı 200 0C nin üzerine çıktığında çeliğin mukavemet değerlerinde meydana gelen azalmalar belirginleşir. Çelik yapılar için sayısız teknik çözüm ve gereksinimler nedeniyle, farklı yapılar için aynı çözümleri beklemek zordur.
İlk olarak, çelik yapıların yangından korunma çözümü, önemi genellikle inşaatın işlevine bağlı olan bir dizi faktörü göz önünde bulundurur. Bu nedenle, çelik yapıların yangından korunma yollarını tanımlayan temel kriterleri belirlemek önemlidir.
Köprü yangınlarının en yaygın nedeni, yakıt tankerlerinin köprü parçaları veya diğer araçlarla çarpışmasıdır. Köprü yangınları, hidrokarbon yangını olarak adlandırılır.
Benzinden kaynaklı çıkan köprü yangını, binalardaki yangınlardan çok daha yoğundur.
Yüksek yoğunluklu köprü yangınları yapısal üyelere yönelik ciddi bir tehdit oluşturabilir ve yangın yoğunluğu, yangın tipi, köprüde kullanılan malzeme dâhil birçok faktöre bağlı olarak köprülerin çökmesine neden olabilir. Köprülerdeki yapısal üyeler tipik olarak beton ve çelik gibi geleneksel malzemelerden yapılır. Çelik elemanlar, yüksek ısı iletkenliği, çeliğin mukavemet ve sertliğinin hızlı bozulması nedeniyle yüksek sıcaklığa çok duyarlıdır. Sıcaklık kaynaklı sürünme ve yerel burkulma gibi faktörler, çelik kirişlerde yüksek deformasyona neden olabilir.
Sonuç olarak, çelik elemanlar, beton elemanlara göre düşük yangın dayanımı gösterirler ve çelik yapı elemanı yük taşıma kapasitesini hızla kaybedebilir ve korunmasız olduğunda 20-30 dakikada çökebilir.
Yangın kaynaklı çöküşte, çelik köprüler beton köprülerden daha savunmasız olabilir.
New York Ulaştırma Bakanlığı ülke çapında bir anket gerçekleştirmiştir ve 1960-2008 döneminde 1746 köprü çöküş vakası meydana geldiğini bildirilmiştir. (NYDOT, 2008). Bu araştırma Kaliforniya dâhil 18 eyalette gerçekleştirilip ve köprü tipi, malzeme tipi ve köprü çöküşünün nedenini incelenmiştir.
Sonuç olarak aşağıdaki rakamlar ortaya çıkmıştır.
• Sel nedeniyle 1001 köprü
• Çarpışma, aşırı yüklenme ve bozulma nedeniyle 515 köprü
• Yangınlar nedeniyle 52 köprü ( 23 Çelik Köprü – 5 Beton Köprü – 24 Ahşap Köprü)
• Deprem nedeniyle 19 köprü
 
Binalarda çelik yapı elemanlarında yangın tehlikesi, kodlarda ve standartlarda öngörülen aktif ve pasif yangın koruma sistemleri ile en aza indirilir. Bu hükümler, büyük farklılıklar nedeniyle köprülere doğrudan uygulanmayabilir. Yangın yoğunluğu, tasarım amaçları ve malzemenin özellikleri vs.
Bugüne kadar, yangın tehlikesine dayanacak köprülerin tasarlanması için kodlarda ve standartlarda özel bir gereklilik bulunmamaktadır.
Bunun sebebi, köprünün yangınla çarpışma olasılığının nadir görülmesi ve yangın tehlikesi için tüm köprülerin tasarlanmasının pratik olmamasının ortak varsayımından kaynaklanmaktadır. Dahası, köprü yangınlarının sadece birkaçı köprü yapı elemanlarının bütünlüğünü tehlikeye atabilecek büyük yangınlara dönüşmektedir.
Buna ek olarak, binaların aksine, taşıtların yaşam güvenliği ciddi ölçüde risk altında değildir çünkü köprüler genellikle hazır çıkış yollarına sahip açık yapılardır.
Çelik yapıların yangına karşı korunmasında uygulanan yöntemler; aktif yöntemler ve pasif yöntemler şeklinde sınıflandırılır.
• Aktif yöntemler; yangın sırasında, en kısa sürede yangını etkisiz hale getirmek için alınan önlemlerdir. Bu yöntemler yangının yayılmasını önlemeyi hedeflemektedir.
Örneğin söndürme sistemleri yangın esnasında çalışmakta ve yangının yayılmasını önlemeye çalışmaktadır.
Yerel yönetmeliklerimizde köprü yangınları için bir norm yoktur. Uluslararası yönetmeliklere baktığımızda aktif koruma sistemleri için Amerika Ulusal Yangın Koruma Birliği’nin (NFPA) yayınlamış olduğu NFPA 502 kodu bulunmaktadır.
Köprü yangınlarını önlemek için bu kodun kurallarına göre tasarım, montaj ve bakım çalışmaları yapılmaktadır. Başlıca aktif yöntemleri şu şekilde sıralayabiliriz; sabit boru sistemi ve hidrant sistemi, portatif yangın söndürücüler, yangın algılama sistemleri ve kapalı devre televizyon sistemi.
• Pasif yöntemler ise, yapının tasarımı aşamasında, ileride çıkması muhtemel yangınlarda çelik yapı elemanlarının zarar görmesini önlemek için alınan koruyucu önlemlerdir. Yangının zarar verici ve yok edici sonuçları, sadece doğrudan yangın nedeniyle can veya mal güvenliği yönünden yanma ve dumandan etkilenmeyle oluşmaz, dolaylı etkileri yönünden de tehlikelidir.
Artan sıcaklık nedeniyle yapının taşıyıcı sisteminin direncini ve taşıma becerisini yitirmesi sonucu oluşacak çökme ve göçükler sonucu can ve mal kaybı; yangını söndürmek için uygulanacak su, kimyasal toz, vb. söndürücülerin yapı ve malzemeye bozucu ve zarar verici etkisi; itfaiye müdahalesi için gerekebilecek kırma, yıkma işlemleri de en az yangın, hatta bazen yangından daha çok zarar verici (tahripkâr) olmaktadır.
Çelik köprülerde yangın tasarımı Eurocode 3 (EN 1993-1-2) ‘ e göre bir dizi faktörlerin belirlenmesi ile yapılmaktadır. Faktörlülerin belirlenmesi ile olası yangın senaryoları oluşturulup çeşitli metotlar ile çelik yapı elemanları üzerindeki yangının etkisi azaltılmaya çalışılmaktadır.
Köprülerde yangın nadir olay olarak kabul edilir. Yangın olayları rastgele olaylardır ve olasılıksal bir yaklaşım izlenir. En iyi, zaman içinde meydana gelen bir dizi bağımsız olay olarak tanımlanır. (Poisson Dağılımı).
Amerika Birleşik Devletleri Nüfus Sayım Bürosu’nun yaptığı bir çalışmada binalarda ve köprülerde yangın meydana gelme olasılığı ve yangına bağlı çöküş olasılığı belirlemişlerdir.
Çalışmada da görüleceği gibi tüm yangınlar çökmeye sebep olmamaktadır. Bu sebeple yangın tehlikesi için tüm köprüleri
bu şekilde tasarlamak ekonomik veya pratik değildir. Ancak kritik köprülerdeki yangın ciddi güvenlik ve ekonomik sonuçlara sahiptir. Dolayısıyla kritik köprülerin tanımlanması gerekmektedir.
Önem faktörü kritik köprüleri tanımlamanın bir yoludur. Önem faktörü, yangın performansının bir işlevidir ve köprünün yangın performansı doğrudan yangın direnciyle ilgilidir.
Çelik köprü yangın tasarımında ilk olarak çelik köprü kirişleri üzerinde ayrıntılı bir inceleme yapılmalı ve çelik köprülerin yangın tepkisi ile ilgili bilgi boşluklarını belirlenmelidir. Köprülerin kritik doğasına dayalı önem faktörü geliştirilmelidir. Önem faktörü belirlendikten sonra yangın şartlarında çelik kirişlerin davranışları üzerinde gerekli verileri üretmek için tipik çelik köprü kirişlerinde yangın dayanımı deneyleri gerçekleştirilmelidir. Yangın testlerinden elde edilen sonuçlarla analiz sonuçlarını karşılaştırarak sonlu eleman modelini doğrulanmalıdır. Sonlu eleman programı kullanılarak tipik çelik köprü kirişlerinin gerçekçi yangın, yükleme ve sınır koşulları altında termal ve yapısal tepkisini izlemek için sayısal bir model geliştirilmelidir. Son olarak da yangın testlerinden ve parametrik çalışmalardan elde edilen verileri ışığında çelik köprü kirişlerinin yangına dayanıklılığını geliştirme stratejileri belirlenmelidir.
Önem faktörü belirlenirken, birçok kritere göre köprünün geometrik özellikleri, malzeme özellikleri ve tasarım karakteristikleri, tehlike (yangın) olasılığı, trafik talebi vs. bir dizi riskler hesaplanarak ve risklerin toplamı değerlendirilir. Yangına dayalı önem faktörünün değerine göre, köprülerle ilişkili yangın riski dört risk derecesi altında toplanmıştır. Bu risk dereceleri düşük, orta, yüksek ve kritik olarak tanımlanmıştır.
Köprü, düşük bir trafik hacmine hizmet eden kırsal alanda bulunan beton köprü gibi '' düşük '' veya '' orta 'risk derecesinde olursa, köprünün yangın hasarına veya çökmesine daha az duyarlı olduğu düşünülür ve Dolayısıyla, böyle bir köprünün yangın güvenliğini arttırmak için ilave önlemlere gerek duyulmamaktadır.
Bununla birlikte, eğer köprü büyük hacimde trafiğe hizmet eden ve bir su kütlesinin (yani, nehrin) üzerinde bulunan bir asma çelik köprü durumunda olduğu gibi, “yüksek” veya “kritik” risk derecesinde olursa, köprü yangına neden olan hasarın / çökmenin hassas olduğu kabul edilir ve bu nedenle köprünün üzerindeki yangın tehlikesini en aza indirmek için ek önlemler gereklidir.
CFD analizleri ve EN 13381 standard serisi yangın dayanım testlerine ile ek önlemlerin neler olması gerektiğine karar verilmektedir.
Çıkan sonuca göre çelik köprü kirişlerine yangından korunma (yalıtım) uygulanması yoluyla, ana yapısal elemanların yangına dayanıklılığı arttırılabilir ve köprü üzerindeki genel yangın tehlikesi en aza indirilebilir. Yapılan test ve analizler sonrasıyapısal elemanların yangın dayanımı hala gerekli yangın direncinden daha azsa ve / veya köprünün “kritik” veya “yüksek” yangın riski derecesinin altına inmemesi durumunda, daha kalın yangın yalıtım ile bir strateji, benimsenecek ve yukarıdaki adımlar köprünün yangın riski derecesi “orta” veya “düşük” risk kategorisine düşene kadar tekrarlanacaktır.
Köprülerdeki yangın riski, aşağıdaki yalıtım uygulamalar ile istenen seviyeye getirilebilir.(IF)
m Püskürtme Beton
Bu koruma yönteminde, koruyucu malzeme karışımı, çelik elemanların yüzeyine özel aletlerle basınçlı olarak püskürtülmektedir. Uygulaması hızlı olan bu yöntem, diğer yöntemlere göre daha ekonomiktir. Kolon, kiriş ve kafes kirişlerin, her çeşit profil kesitlerinde ve karmaşık birleşim detaylarında uygulama kolaylığına sahiptir. Ayrıca, yapı elemanlarının üzerinde bağlantı parçalarına gerek duyulmaması, uygulamanın önemli bir diğer avantajıdır.
Püskürtülen malzemeler; çimento esaslı karışımlar ve mineral lifli malzemeler (vermükulit, perlit, mineral ya da cüruf lifler) olmak üzere iki ana grupta toplanmaktadır.
Bu malzemelerin çelik yüzeyine tutunabilmeleri için, yüzeyin zımparalanmış ya da kumlanmış olması gerekir. Yapı elemanına, koruma katmanının 10-60 mm arasında uygulanmasıyla 2-4 saat arasında yangın dayanım düzeyi elde edilebilir. Yangın dayanım süresinin 4 saat olması için koruma katmanı kalınlığı 40-60 mm arasında olmalıdır.
Bu durumda, koruma katmanının kalınlığı arttığı için, güvenlik açısından ince tel veya başka malzemeden hasır elemanı kolonun üzerine serilerek koruma uygulaması gerçekleştirilmelidir.
m Panel ile Kapama
Yapısal çeliği korumak için genelde dört çeşit levha ürünü kullanılır: Kalsiyum silikat ve çimento bazlı plaklar, Taş yünü plakalar, Mineral fiber levha ve Alçı plakalar.
Yangın plakları ile yalıtım, uygulama kolaylığı ve yangın dayanımında gösterdikleri performans nedeni ile çelik yapı elemanlarının yangına karşı korunmasında sık uygulanan bir yöntemdir. Bu koruma yönteminde kullanılan malzemeler; alçıtaşı, taş yünü, perlit ve vemikülit gibi A1 sınıfı hiç yanmaz yapı malzemeleri olup, istenilen tüm dayanım süreleri, kalınlık ve içindeki malzeme bileşenleri aracılığı ile sağlanır.
Yangına dayanım süreleri; kullanılan kaplama türüne, kalınlığına bağlı olarak değişmektedir. Bu uygulamalarda dikkat edilmesi gereken plakalar arasındaki birleşim yerlerinin üst üste getirilmemesidir. Bu sebeple, plakalar şaşırtılarak yerleştirilmeli, ek yerlerine de aynı cins malzeme ile sıva yapılmalıdır. 15-50 mm kalınlığında değişen özel levha çeşitleri, kalınlıkları ile ilişkili olarak, çelik yapı elemanlarının 30-120 dk’ya kadar yangına dayanıklılık göstermesini sağlar. Alçı ve perlit karışımları, sadece 1-2 saat yangın dayanımı sağlayabilmektedir. Buna karşın, kum yerine perlit ve vermikülit kullanılan karışımlarda ise, daha yüksek yangın dayanım süreleri elde edilebilmektedir .
m Isı ile Genleşen Boya Çelik yapı elemanlarının üzerine yüksek sıcaklıkta şişen boyalar sürülerek de yangına dayanım süreleri arttırılabilir. Kullanılan boya, yüksek sıcaklıkta şişer ve şişen gözenekli bölüm yalıtım görevini yerine getirir. Uygulamada çelik iskelet görülmek isteniyorsa bu yöntem uygulanabilir. Çelik yapı elemanlarının üzerine boya uygulanmadan önce, yüzeyin çok iyi temizlenmiş olması gereklidir. Pistole ya da rulo fırça kullanılarak yüzeye uygulanır. Levha ve püskürtme kaplamaların tam tersine, şişme kaplamalar yangın sırasında aktifleşir ve kaplamaların boyutlarında değişiklik gözlenir. Kaplama kalınlığı, ilk haline göre 50 kat daha büyür ve rengi de kömürleşir. Şişme kaplamalar, astar, şişme kaplama ve yüzey kaplaması şeklinde üç katmandan oluşur. Bu boyalar ince ve kalın tabaka oluşturan boyalar olarak iki gruba ayrılır. İnce tabakalı boyalar genellikle solvent veya su bazlıdır. 0.25 ile 1.0 mm arası kalınlıkta 30 dk, 5.0-6.0 mm kalınlıklarında 120 dk yangına direnç sağlanır.
Kalın tabakalı boyalar genellikle epoksi bazlıdır. 2.0-4,0 mm arasında 30dk, 15-20 mm arasındaki kalınlıklarda 120 dk yangın dayanımı elde edilir.
 
KAYNAKLAR
1. https://www.bilgiustam.com/koprulerin-tarihcesi/2. http://www.kgm.gov.tr/Sayfalar/KGM/SiteTr/Istatistikler/SanatYapilariBakimOnarimIsletme-Bilgileri.aspx
3. KARAYOLLARI ULAŞAN ve ERİŞEN TÜRKİYE 2017
4. Tama, Y. S. ve Kaftan, A. (2007) Çelik Yapılarda Korozyondan Korunma Maliyetinin Araştırılması.
5. Çelik Yapılar Ulusal Sempozyumu, TMMOB İnşaat Mühendisleri Odası, Eskişehir şubesi. 2. Arda, T.S. ve Yardımcı, N. (1995), Çelik Yapı Elemanlarının Yangın Mukavemeti, İstanbul, 50
6. Kodur V.K.R., Naser M.Z. (2013). "Importance Factor for Design of Bridges Against Fire." Engineering Structures, Vol. 54.
7. Özberk, D. D., "Çelik Yapılarda Pasif Yangından Korunma Yöntemlerinin Karşılaştırmalı Maliyet Analizi", Pamukkale Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, İnşaat Mühendisliği Anabilim Dalı, Nisan-2010.
8. U.S. Census Bureau. 2001. "Statistical abstract of the United States"
9. Department of Transportation, Federal Highway Administration. Highway statistics, 1995–2010; Ibid. Highway statistics. Washington, DC: Annual Issues; 2010.
10.Kodur V, Naser M. Importance factor for design of bridges against fire hazard. Eng Struct 2013;54:207–20.
11. Kodur VK, Gu L, Garlock M. Review and assessment of fire hazard in bridges. Transp Res Rec 2010;2172:23–9.
12. Garlock M, Paya-Zaforteza I, Kodur VK, Gu L. Fire hazard in bridges: review, assessment and repair strategies. Eng Struct 2012;35:89–98.
13. Kodur VK, Naser MZ, Aziz E. Strategies for enhancing fire performance of steel bridges. In: Fifth international workshop on performance, protection & strengthening of structures under extreme loading, East Lansing, MI, USA, June 28–30, 2015.
14. National Fire Protection Association (NFPA). NFPA 502 standard for road tunnels, bridges, and other limited access highways. Quincy, MA; 2014.
15. Eurocode 3. Design of steel structures. Part 1–2: general rules-structural fire design. Document CEN. UK: European Committee for Standardization: 2005.
16. Anon, (2002). Steel Buildings in Europe, Multi-Storey Steel Buildings, Part 6: Fire Engineering.
17. Anon, (1993). International Fire Engineering Design for Steel Structures, State of The Art, International Iron and Steel Institute, Brüksel.
18. Tama, Y.S., (2012). Çelik Yapıların Yangına Karşı Korunması,PAÜ, Mühendislik Fakültesi, İnşaat Mühendisliği Bölümü, Denizli.
19. NAON, (1993). International Fire Enginering Design For Steel Structures: State Of The Art,International Iron And Steel Instute Brussels.
 
Çelik Yapılar - Sayı: 59 - Mart 2019



© 2014 - Türk Yapısal Çelik Derneği