Yangın koşullarında betonarme yapı elemanlarının Eurocode'a göre tasarımı
Design of reinforced concrete structural members under fire conditions according to Eurocode
Yazar: UĞUR GÜNAY
Danışman: PROF. DR. TURGUT ÖZTÜRK ; DR. ÖĞR. ÜYESİ SERDAR ULUSOY
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / İnşaat Ana Bilim Dalı / Yapı Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering

Özet:
Yüksek katlı betonarme yapıların tasarımında mimari ihtiyaçların sebep olduğu kısıtlamalar dışında, dış etkiler ve bunların sebep olduğu kısıtalamar da mevcuttur. Bu kısıtlamaları güvenli bir şekilde aşmak ve talep edilen mimari ihtiyacı karşılamak adına statik hesap yöntemleri de oldukça önemlidir. Ülkemizde doğal affet olan dış etken denilince, doğal olarak deprem afeti öncelikli akla gelmektedir. Ancak değişen iklim koşulları, hızlı bir şekilde artan kentleşme oranı ve şehir içi sanayileşme gibi etkenler yapılarda yangın tasarımı ve güvenliğinin de öncelenmesi gerektiğini göstermektedir.
Bu çalışmanın amacı, Eurocode'da sağlanan yöntemlere göre, betonarme yapılarda, talep edilen bir yangın dayanımı elde etmek için yapıların nasıl tasarlanacağını belirlemektir. Ayrıca bu tasarımı yapı elemanlarının boyutlandırılması düzeyinde, kapsamlı bir şekilde açıklamaktır. Amaç Eurocode'u birebir kopyalamak değil, farklı tasarım yöntemlerinin anlaşılmasını ve irdelenmesini sağlamaktır. Malzemenin anlaşılması iyi bir tasarımın anahtarı olduğundan, betonun yüksek sıcaklıklar altındaki özel davranışına ve içinde hangi süreçlerin meydana geldiğine de dikkat edilmektedir. Bu süreçlerde doğrusal olmayan analiz programlarıyla elamanlardaki ısı-enerji yayılımının nasıl olacağı da irdelenmiştir. Ayrıca, verilen tasarım yöntemleri eleştirel olarak değerlendirilmekte ve daha fazla çalışmanın gerekli olduğu noktalara ilişkin tavsiyeler verilmektedir.
Bu metin, yangın tasarımı veya beton ve yangın kombinasyonu hakkında önceden bilgi sahibi olmayı gerektirmeyecek şekilde geniş anlamda yazılmıştır. Ancak okuyucunun beton malzemesine ve normal sıcaklıklar için statik tasarımın temel tekniklerine aşina olduğu varsayılmaktadır. 
Beş ayrı bölümden oluşan bu tezde birçok konu irdelenmiştir. İlk bölümde genel bir giriş bölümü ve bugüne kadar yapılmış olan çalışmaların bir özeti maiyetinde olan literatür taraması bulunmaktadır. Bölüm 2'de yangın fiziğine giriş yapılmakta, yüksek sıcaklıkta yapı malzemelerinin nasıl davranış sergilediği özetlenmektedir. Ayrıca yangına karşı korunma yöntemlerinden bahsedilip yangına karşı tasarımda en önemli unsurlardan olan dökülme konusu detaylıca incelenmiştir. Bölüm 3 Eurocode'a göre yangına karşı tasarım seçeneklerinin ne olduğuna odaklanmaktadır. Ayrıca bu bölümde Eurocode'da da kısa bir şekilde temas edilen, yapı elamanlarındaki ısı yayılımının lineer olmayan yöntemler ışığında ticari bilgisayar programı olan ANSYS (2021 – R2) Transient – Thermal ile nasıl belirlenebileceğine dair detaylı bir bölüm de mevcuttur. Bölüm 4, bir önceki bölümde anlatılan yöntemlerin detaylı bir şekilde numerik örneklerle açıklandığı kısımdır. Ayrıca ANSYS ile betonarme kesitlerde termal analizin yapıldığı bir alt başlık da mevcutur. Son bölüm olan bölüm 5'te, betonarme yapıların yangın tasarımına dair elde edilen bilgiler eleştirel bir gözle incelenmiştir. Ayrıca, araştırmanın durumu tartışılmakta ve bu tasarım yöntemlerinin iyileştirilmesi için önerilerde bulunulmaktadır.

Abstract:
While one of the constraints in the design of reinforced concrete structures is the architectural expectations and needs, the other constraint is the potential external effects on the structures. Static calculation methods are also essential to reliably overcome these constraints and to provide the required architectural demands. In our country, the earthquake disaster naturally comes to mind when it comes to external factors. However, factors such as changing climatic conditions, rapidly increasing urbanization rate and urban industrialization show that fire design and safety in buildings should also be prioritized.

The main objective of this study is to examine how to design reinforced concrete structural members to obtain the required resistance against fire based on Eurocode 2 part 1-2 (EN). The aim here is to give detailed explanations and examples in order to understand the different design methods it offers rather than quoting EN verbatim. The dramatic effects of changes in material behavior due to high temperature will also be discussed. In addition, the process will be explained by mentioning which behaviors are predicted in the material in this process. In addition to this process, the heat-energy dissipation in the members will be examined with analysis programs using nonlinear calculation methods such as finite elements, finite differences and finite volumes. In this design, the methods and steps will be approached from a critical point of view and the points that can be improved will be pointed out.

Throughout this thesis, it is assumed that the reader is familiar with the basics of design of reinforced concrete members under normal temperature conditions. However, it has been tried to be prepared in a way that does not require any knowledge of design under elevated temperatures.

In this thesis, which consists of five separate chapters, many topics are discussed. The first chapter contains a general introduction and a literature review, which is a summary of the work done to date. Chapter 2 introduces the physics of fire and summarizes the behavior of building materials at high temperatures. In addition, methods of protection against fire are mentioned and the issue of spalling, which is one of the most important factors in design against fire, is examined in detail. Chapter 3 focuses on the design options against fire according to Eurocode principles. There is also a detailed section on how heat dissipation in structural elements, which is briefly touched upon in Eurocode, can be determined with the commercial analysis software ANSYS (2021 - R2) Transient - Thermal in the light of non-linear methods. Chapter 4 will be the part where the methods described in the previous chapter are explained in detail with numerical examples. The last chapter, chapter 5, critically examines the information obtained on the fire design of reinforced concrete structures. Furthermore, the state of the research is discussed and recommendations are made for the improvement of these design methods.



As a result of the design carried out in chapter 4 of the thesis, many different conclusions were reached. Firstly, the columns, which are compression members, were analyzed with a table according to EN 2-1-2 and the design target of R90 could not be achieved. When analyzed with the equation presented as an alternative under the same title, a resistance time of approximately 100 minutes was obtained. However, when the same column was examined with the advanced calculation method in the literature, approximately 126 minutes of resistance time was obtained. The connection between the simplicity of the presented methods and the strength time obtained from the design works inversely. The main reasons for this are the properties of the members in the sampling from which the tables are produced. Based on these results, it is seen that the elements under compressive effect can provide R120 class according to the advanced calculation, but when the same design is made with the tabular method, it does not even provide R90 class.

Like compression members, flexural members can also be designed or verified by tabulated data according to EN 2-1-2. However, while the assessments made with tables are insufficient for elements with strength close to the requested strength class, it is seen that the strengths are provided by the calculations made according to the simplified calculation method (in Annex-B for beams and in Annex-E for decks) and the elements at the limit are resistant to fire. As a result, fire resistance calculation with simplified or advanced calculation method should be preferred in parallel with the situation in the calculation of compression elements, and the values presented in the tables should be seen as a quick option to determine whether the flexural elements of the structures already in use provide the desired fire resistance.

Although the design can be done with the tables, equations and simplified calculation methods recommended by EN 2-1-2 against fire, the analysis is not economically efficient due to the fact that the tables and equations are produced as a result of the test data of a certain sample of members. In addition, while producing the temperature profiles presented in Appendix-A for simplified calculation methods, the reinforcement effect was not taken into consideration in the sections taken as basis. The presence of reinforcement in the cross-section to be designed affects the thermal profiles due to the higher heat transfer coefficient of steel material compared to concrete. Thus, in the calculation to be made, it should be kept in mind that there is a higher temperature at the reinforcement coordinates and therefore the strength of the material will be lower. In addition, although EN 2-1-2 suggests several different equations for fire simulation, the temperature profiles produced were produced according to the ISO834 standard fire curve. It should not be forgotten that fire curves are affected by many variables such as environmental conditions, type of combustible material, type of structure and these profiles presented for standard fires should not be applied to every fire. Therefore, the most effective sizing for each element should be determined by performing thermal and mechanical analysis with computer-based programs such as ANSYS.
In conclusion, the cumulative aim of the studies conducted and to be conducted is to develop a detailed model that includes the progression of the fire, the response and behavior of the members when the building and building materials are exposed to fire. Although the work to realize this is ongoing, this speed is not available in the regulations presented by the institutions. Existing computer-based calculation programs need to be more involved in design, and institutions need to encourage these methods more. In addition, this method should be included in more detail in the proposed codes.