Gövdesi dairesel boşluklu çelik-betonarme kompozit I-kirişlerin yangın davranışlarının deneysel olarak incelenmesi

Çok katlı çelik iskeletli yapılarda gövde boşluklu kompozit kirişler, kesit geometrisinin değişkenliğinden sağlanan esneklik ve ekonomik üstünlükleri nedeni ile sıkça kullanılmaktadır. Çelik kirişlerin üzerine yerleştirilen profillendirilmiş çelik sacın içine beton dökülmekte, döşeme ve kiriş sisteminin kompozitliği başlıklı kayma bağlantılarının kirişin üst başlığına kaynaklanması ile sağlanmaktadır. Düşey yük etkisi altındaki döşemede çeliğin çekme kuvveti ve betonun basınç kuvveti ile kompozit kiriş daha büyük rijitliğe sahip olduğu gibi daha büyük yükleri de taşıyabilmektedir. Büyük açıklıklar geçebilen mimari ve davranış olarak diğer boşluklu kirişlere göre daha avantajlı olan dairesel gövde boşluklu kirişlerin üstün yapısall özelliklerine karşın yüksek sıcaklıklarda mekanik özelliklerinde önemli ölçüde azalmalar olduğu bilinmektedir. Bu tür kirişlerin yangın karşısında davranışlarının tam olarak bilinmemesi, alınacak pasif ve aktif önlemlerin bazen gereğinden fazla bazen de yetersiz olmasına yol açmaktadır. 2001'de Amerika'da meydana gelen WTC ikiz kulelerdeki göçmeler sonrasında çelik yapıların yüksek sıcaklıklar karşısındaki yapısall davranışlarının incelenmesi daha da önem kazanmış, bu kapsamda özellikle Amerika ve Avrupa'da yapılan deneyler artmıştır. Çelik-betonarme kompozit döşeme-kiriş sistemlerinin yüksek sıcaklıklardaki davranışları üzerine birçok çalışma yapılmıştır. Çalışmalar farklı ölçeklerde olmalarının yanı sıra, döşeme kirişlerinin dolu ve boşluklu olarak seçilmesine bağlı olarak değişiklikler göstermektedir. Konu ile ilgili olarak geçmişşten günümüze kadar yürütülmüş olan deneyler incelendiğinde gövdesi boşluklu kirişler üzerine yapılan yangın korumalı ve korumasız çalışmaların azlığı özellikle dikkat çekmektedir. Tezin amacı, maksimum gövde boşluk oranlarına ve düzenlemelerine sahip yalıtımlı ve yalıtımsız kirişlerin yüksek sıcaklıklar altındaki davranışlarını deneysel olarak incelemektir. Yeni tasarlanacak kompozit yapılarda gövdesi boşluklu kirişlerin tasarım, boyutlandırma, üretim aşamalarında yangına karşı alınacak önlemlerin belirlenmesinde ve geliştirilmesinde bu çalışmanın yol gösterici olması beklenmektedir. Deneyler için 1 adet dolu gövdeli referans numunesi, 1 adet yalıtımsız boşluklu gövdeli ve 2 adet yalıtım malzemelerinin kullanılacağı boşluklu gövdeli kompozit kirişler olmak üzere toplam 4 adet kompozit IPE 140 S275 JR çelik kalitesinde kiriş tasarlanmıştır. Deneyler esnasında göçme durumlarının daha iyi izlenebilmesi için gövde boşluk oranı maksimuma yakın (H/D 0 = 0.7) ve boşluklar arası mesafe ise IPE 140 (wmin = 50 mm) minimum seçilmiştir. Kirişlerin üzerinde 38/151 tipinde, had ve sayısı n= 6, kalınlığı t=0. 7 mm galvanizli kompozit döşeme sacı ve hf= 7.8 cm kalınlığında, beff= 1 m genişliğinde, C25 kalitesinde beton ve Q188/ 188 hasır çelik donatı kullanılarak oluşturulan kompozit döşeme sistemi kullanılmıştır. Numuneler akredite yangın deney laboratuvarı olan EFFECTIS ERA' da TS EN 1365- 3 (Yangına dayanıklılık deneyleri- Yük taşıyıcı elemanlar- Bölüm 3: Kirişler) standardına bağlı olarak deneysel olarak incelenmiştir. Gövdesi boşluklu ve dolu referans numunesi olan çelik kirişlerin üretiminin yapıldığı çelik malzemelerin mekanik özelliklerini tam olarak belirleyebilmek için çok sayıda çekme deney numunesi öngörülen standarda (TS EN ISO 6892-1) göre hazırlanmıştır. Malzeme deneylerinden elde edilen sonuçlara göre hesaplar tekrar revize edilmiş ve numuneler üretilmiştir. Yangın deneyleri için üretilen kirişlerde sıcaklık, şekil ve yer değiştirme eğrilerinin elde edilmesi hedeflenmiştir. Böylece gövdesi boşluklu kompozit döşemeli yalıtımlı ve yalıtımsız I-kirişlerin yüksek sıcaklıklar altındaki davranışları karşılaştırılmıştır. Deneyler sonunda gövdesi boşluklu yangın yalıtımlı kiriş numunelerinde göçme modları gövde burkulması ve Vierendeel göçme biçimi /mekanizması olarak belirlenmiştir. Korumasız boşluklu kirişlerde elde edilen büyük yer değiştirmelere bağlı olarak gövdede S şeklinde gövde burkulmaları izlenmiştir. Sıcaklık ve yer değiştirme zaman grafikleri incelendiğinde yangın korumasız kirişlerde, korumalı kirişlere göre kritik sıcaklık değerlerinin ve yerdeğiştirmelerin daha yüksek olduğu ve bu değerlere daha hızlı ulaşıldığı görülmektedir. Korumasız kirişlerde korumalı kirişlere göre daha büyük göreli ve toplam yerdeğiştirmeler/deformasyonlar elde edildiği tespit edilmiştir. Yangın yalıtımlı (60 dk.) kirişlerde trapez sac boşluklarının yalıtılmaması, kirişin moment kapasitesine etkisi düşük olduğu için, göçmeye ya da kirişte üst başlıkta herhangi bir aşırı deformasyona neden olmamıştır. Numunelerin betonarme döşemesindeki çatlak haritaları incelendiğinde, bütün döşemelerde iki türden çatlak belirlenmiştir. Kiriş eksenine dik çatlakların mesnete yakın bölgelerde kesme kuvvetinin yüksek olmasına bağlı olarak Vierendeel etkisi ile birlikte gövdede yerel burkulmaların artmasına bağlı olduğu anlaşılmaktadır. Yüksek sıcaklıklara maruz kalan numunelerin deney sonrası mekanik özelliklerinde meydana gelen olası değişimleri belirleyebilmek amacıyla çelik profillerden alınan kupon numunelere çekme deneyi yapılmıştır. Çelik kirişler için TS EN ISO 6892- 1 (Metalik Malzemeler- Çekme Deneyi- Bölüm 1: Ortam Sıcaklığında Deney Metodu) standardına göre çekme numunesi boyutları belirlenerek, üretimleri yapılmıştır. Malzeme çekme deneyleri ABM Mühendislik Yapı Malzemeleri Laboratuvarı'nda gerçekleştirilmiştir. Deneylerde 60ton kapasiteye sahip ABM-M- 05 çekme presi kullanılmıştır. Kopma uzamasındaki en büyük azalma yangın koruması olmadığı için %65'lik bir azalma ile GBK-YS numunesinde elde edilmiştir. Yangına dayanıklılık deneyleri sonucunda betonun karakteristik basınç dayanımını belirlemek için betonarme döşemeden TS EN 12504-1, 2010 (Beton- yapıda beton deneyleri-Bölüm 1: Karot Numuneler- Karot Alma, Muayene ve Basınç Dayanımının Tayini) standardına göre karot numuneleri alınarak basınç deneyleri yapılmıştır. Döşeme betonunun yangın öncesi ve sonrası basınç dayanımlarına bakıldığında en fazla düşüşün %34 ile yangın dayanımı en düşük olan GBK-YS numunesinde olduğu görülmüştür. Deneylerden elde edilen sonuçlar ile Elefir-EN tahmine yönelik sayısal analiz programı ile sıcaklık değişimleri hesaplanmıştır. Hesaplama sonuçları deney sonuçları ile daha önceki çalışmalarda da bulunanlar uyumludur. Su ve solvent bazlı numunelerin sayısal analizinde Eurocode 3 kullanılarak yapılan hesaplamalar deney sonuçları ile iyi bir korelasyon sağlamasına karşın, kuramsal sonuçların deney sonuçları ile daha uyumlu çıkabilmesi için Eurocode 3'ün gövdesi boşluklu kirişlerin sıcaklık dağılımına yönelik bağıntısının revize edilmesi gerekmektedir. Sonuç olarak, Türkiye'de ilk kez dairesel gövdesi boşluklu kirişlerin yangın performanslarının tahminine yönelik olarak geliştirilen bu deney modeli ve tam ölçeğe yakın deneyler ve sonuçları yangın sektöründe, eksiklik ve gereksinimlerden biri olan yapısall yangın deneylerinin yapılmasına ve deney düzeneklerinin oluşturulmasına katkı sağlayacaktır. Türkiye'de de kullanımı giderek artan ince film kabaran boya yalıtım malzemelerinin yüksek sıcaklıklardaki davranışlarının, gövdesi boşluklu kompozit kirişlerin yangın performansı üzerindeki etkileri ve kullanılan malzemenin performans sonuçları, üretim yapan Türk firmalara gelecek için yol gösterecektir.