İKİZ KULELER NEDEN ÇÖKTÜ
Yapılarda taşıyıcı sistemin, çelik veya betonarme olması sürekli tartışılan
konulardan birisidir. Çelik taşıyıcıların deprem güvenliği nedeniyle özellikle
yüksek binalarda tercih edildiğini biliyoruz. Son yıllarda sadece yüksek yapılarda
değil aynı zaman da düşük katlı binalarda da çelik konstrüksiyonu tercih
edilmeye başlanmasıyla çelik ve betonarme bina yapımcıları arasında büyük
bir mücadele başlamıştır. New York'daki ikiz kulelerin çökmesiyle
betonarme ve çelik sistemler daha çok tartışılmaya başlanmıştır.
Kulelerin neden yıkıldığı belki de yıllarca tartışılacaktır. Uzmanların
farklı görüşler savunduklarını göreceğiz ve hiçbir zaman da gerçek
çökme nedeni anlayamayacağız. Çelik eridi çöktü diyerek basit yolu seçenlerin
sayısı fazla olacaktır. Bilindiği gibi ikiz kulelerden kuzeyde bulunan
kulenin yaklaşık 90.ıncı katına uçak çarptıktan sonra uçaktaki yakıtın
etkisiyle hızlı bir şekilde yanmaya başlamıştır. Birinci çarpmadan 18
dakika sonra da güney kuleye uçak çarpmış ve yaklaşık yarım saat sonra
ikinci uçağın yaklaşık 60.ıncı kata çarptığı güney kule çökmeye başlamış,
hemen peşinden kuzey kule de çökmüştür. Sorulması gereken bir çok soru
var. Neden, yangının daha önce başladığı kuzey kule önce yıkılmadı
da, güney kule daha önce yıkılmaya başladı? Özellikle kuzey kulede yangın
nedeniyle taşıyıcı sistem erimeye başladığında, bina neden yana doğru
devrilmedi de altına patlayıcı
konulmuşcasına olduğu yere yığıldı? Bina tabandan çöktüğüne göre
90 kat aşağısı taşıma gücünü kaybedinceye kadar üst kısım neden
devrilmedi? Bina oturma alanında bir hata mı vardı veya bina temeli zarar mı
gördü? İlk haberler, kulelerin girişinde patlama olduğu şeklindeydi, gerçekten
bir patlama oldu mu? Bu soruların sayısını artırmak mümkün.
Değerlendirme yaparken olayı iki kısımda ele almak gerekir. Birincisi çarpmanın
olduğu katın üstündeki katlar, ikincisi de altındaki katlar. Çarpmanın
olduğu katta yakıtın yanması ile açığa çıkan yaklaşık 4000 GJ ısının
bu kattaki kolonların taşıma gücünü yitireceği ve üst katlardaki
kolonların taşıma özelliğini kaybedeceği kuşkusuzdur. Üstte bulunan
katların
çökmesi de doğaldır. Ama 90 kat aşağıdan binanın tabandan yıkılmasının
sadece yangın nedeniyle olduğunu söylemek doğru değildir. Bina çökerken
yana yatmış olsaydı, çeliğin yumuşaması nedeniyle binanın yıkıldığı
daha kolay söylenebilirdi. Binanın yan yatmadan olduğu yere yığılması düşündürücüdür
ve başka faktörlerin etkisinin de araştırılmasını gerektirmektedir.
Sadece kolonlardaki erime yıkılmaya neden olsa neden bina olduğu yere çöksün.
Böyle bir durumda bina bir tarafa eğilerek yıkılırdı. Binanın olduğu
yere yığılması için bütün kolonların aynı anda erimeye başlaması
gerekirdi. Bu ise çok zor. Çarpma olan ve yakıtın açığa çıktığı
taraftaki kolonlar daha çabuk zarar görür ve üst katlar eriyen tarafa doğru
yatarak binayı eğmeye çalışır. Yüksek binalarda değil ama birçok çelik
yapı yangınında bunu bizzat gördüm.
Önemli bir konu da, çarpmanın önce olduğu kule değil de daha sonra olduğu
ikinci kulenin önce yıkılmaya başlamasıdır. Eğer sadece yangın nedeniyle
yıkılmanın olduğu düşünülürse kuzey kulesinin daha önce yıkılması
gerekmez miydi? Taşıyıcılar betonarme olsa bile, pas payının yeterli
olmayacağı ve bu miktarda açığa çıkan ısı nedeniyle betonun döküleceği
ve beton içindeki taşıyıcı çeliklerin özelliğini kaybedeceği de söylenebilir.
Betonarme olsaydı bina çökmeyecekti demek de doğru değildir. Nitekim, ikiz
kulelerin haricinde 47 katlı başka bina da çökmüştür.
Farklı yorumlar yapılıyor ve yapılacaktır. Bunlardan hangisinin doğru olduğuna
karar vermek mümkün değil. Çelik eridi bina yıkıldı demek halkın
anlayacağı basit ve kolay yaklaşımdır. Elbette yangının ve çarpma olan
kattaki kolonların erimesinin binanın çökmesine etkisi olmuştur. Ama
bu, yangın nedeniyle bina yıkıldı demek için yeterli değildir. Araştırma
ve
inceleme yapmadan tek bir nedenle sonuca ulaşmak halkı yanlış bilgilendirmek
olur.
Bütün ülkelerde yapılan tahminler inceleme yapılmadan fotoğraflara ve
filmlere bakılarak varılan sonuçlardır. Kimisi itfaiyeciler binaya
sokulmamalıydı diyerek saçmalarken kimileri de binanın yıkılma senaryosunu
yazmaktadır. Herkes bir şey yazacaktır ve söyleyecektir. Bunların
hangisinin doğru olduğu belki de hiçbir zaman belli olmayacaktır. Onlarca
bilirkişi
raporu yazılacak farklı görüşler ortaya atılacak ve yıllarca tartışılacaktır.
Özellikle yangın güvenliği ile ilgilenen arkadaşlarımızın aceleci
olmaması ve peşin hüküm vermeden doğruyu araştırması gerekir.
Kuşkusuz benim yazacaklarım da bir tahmin. Bence kulelerin yıkılmasında
yangının etkisi olmuştur, ama sadece yangın nedeniyle çelik eridi ve
kuleler yıkıldı diyemem. Güney kuleye uçak çarpınca taşıyıcı çelik
kolonları ilk darbeyi almış 120000 litre yakıtın patlaması ile oluşan basınç
ve sıcaklıkla, kolonlar çapma olan katta taşıma özelliğini kaybetmiş ve
yangının etkisi ile döşemeler çökmeye ve çarpma olan kattaki kolonlar
yumuşamaya başlamıştır. Üst katların çökmesi ile çarpma sırasında
kolonlarda oluşan hasar ve binanın temelindeki hareket nedeniyle güney kule
çökmeye başlamıştır. Kuzey kulenin olduğu yere yığılması bina
temelinde bir hareket olduğunu düşündürmektedir. Belki güney kule
çökmeseydi, kuzey kulenin sadece yangın olan katının üzerindeki katlar yıkılacaktı.
Bunu tahmin etmek çok zordur.
Betonarme yapı sistemlerinin uygulandığı çok katlı binalarda; döşeme ve
kiriş maliyetlerindeki küçük artışlara karşın, kolon maliyeti yapıdaki
kat sayısı ile doğru orantılı olarak artmaktadır. Yükseklikle artan rüzgar
ve ağırlıkla artan deprem gibi yatay yük etkilerine karşı kullanılan
betonarme elemanların maliyeti ise hızla artarak genel yapısal maliyet içinde
büyük oranlara ulaşmaktadır. Çok katlı çelik çerçeveli binalarda
ise; döşeme ve kirişlerin özel yöntemlerle azaltılan maliyetlerindeki artışlar,
betonarme yapılardaki kadar veya daha küçük olmaktadır. Kolonlar ve yatay yük
dayanımı için betonarme yapılardaki perde duvarların yerine kullanılan, çaprazlar
ve/veya saclarla oluşturulan perde duvarların çok düşük olan
maliyetlerinde, yine kat sayısına bağlı olan artışların hızı da düşük
olmaktadır.
Tasarım ve üretiminin doğru yapılması ve denetlenmesi koşuluyla yığma,
betonarme veya çelik çerçeveli olsun her türlü taşıyıcı sistem ve
malzeme ile depreme dayanıklı binalar yapılması olanaklıdır. Ancak
hasarların incelenmesi; çelik çerçeveli yapıların, can kayıplarının önlenmesi
ve mal/iş kayıplarının azaltılması bakımından, diğerlerinden çok üstün
olduklarını
göstermiştir.
Yangın dayanımı, bir yapı bölümünün belirli bir yangın yükü altında,
kendisinden beklenen görevleri hala yerine getirmeye devam ettiği zaman süresindir.
Burada sözü edilen görevler; yüke dayanım, hacim örtme ve ısıl difüzyonu
sınırlama fonksiyonlarıdır. Hacim örten yapı elemanlarında, ateşe
bakmayan arka yüzlerde sıcaklık artmasının 140 C'ı aşmaması, buralarda
kendiliğinden yanabilir gazlar oluşmaması istenir. Eğilmeye çalışan
elemanlarda ise sehimlerin artma hızının belirli sınırları aşmaması
gerekir. DIN 4102 ye göre seçilen belirli bir yangın yüküne karşı mevcut
emniyet alınır ve buradan çeşitli yapı elemanlarında gerekli olacak yangın
dayanım sınıflarına geçilir. Yangın dayanım sınıfı için iki minimum
şart aranır.
Birincisi kullanılacak yapı malzemelerinin minimum yanmazlık dereceleri,
ikincisi ise yapı bölümünün yangın tarafından tahrip edilmeye karşı
minimum direncidir.
En yüksek dayanım sınıfı için yalnız hiç yanmaz guruptan malzemeler
uygulanır. En düşük dayanım sınıfında ise, yanıcı guruptan malzemelere
müsaade edilir. Çelik iskeletli yapıların ise yangın bakımından özel önemi
vardır. Bunlarda yanmazlıktan çok ısıl şekil değiştirmelerin oluşumu göz
önüne alınır. Birçok standartta çelik yapıları özel bir sınıfta ele
almıştır. Yapı malzemelerinde yangındaki davranışları açısından başlıca
şu özeliklerin bilinmesi istenir: a) yanıcılık veya yanıcılık gurubu, b)
ısı genleşmesi, c) ısı iletkenlik katsayısı ve ısıl diffüzyon katsayısı,
d) mekanik ve ısıl deformasyon yeteneği, e) yangın dayanım sınıfı ve sıcaklığa
bağlı olarak gelişebilecek yangın önleyici reaksiyonlar, f) mekanik
mukavemetin ve elastisite modülünün sıcaklık değişimi.
Yangınlarda karşılaşılan yüksek sıcaklıklar, metal yapı malzemelerinin
mekanik özeliklerinde çok önemli değişmelere ve bu malzemelerde önemli
genleşmelere yol açar. Deneyler sıcaklık arttıkça karbon çeliğinde akma
sınırının düştüğünü ve belirli bir sıcaklıktan sonra artık akma sınırı
oluşmadığını göstermiştir. Bunun anlamı, normal sıcaklıklara kıyasla
plastik şekil değiştirmelerin daha düşük gerilmeler altında yer almaya başladığı
ve aynı gerilme altında toplam şekil değiştirmenin daha büyük olduğudur.
Çeliğin akma sınırı 400 C civarında emniyet gerilmeleri mertebesine düşer.
Çekme mukavemeti de başlangıçta 150~300 C bölgesinde biraz arttıktan
sonra, daha yüksek sıcaklıklarda hızla azalır ve yangınlarda kolayca erişilen
600 C sıcaklığında emniyet gerilmesinin altına düşer. Başlangıçta
150~300 C bölgesindeki mukavemet artışı çeliğin içindeki gayri saflıklarla
ilgilidir. Azot kolay difüzyon yaparak bu sıcaklıklarda tane sınırlarına
yerleşir. Tanelerin içindeki dislükasyonlardan azotun azalması plastik şekil
değiştirmeyi arttırıp, akma sınırının yok olmasına neden olur. Yüksek
sıcaklıklarda bağ kuvvetlerinin azalması, çeliğin elastisite modülünün
azalmasına neden olur. Elastisite modülünün değeri 20 C'dakine kıyasla,
400 C de, % 15 ve 600 C de ise % 40 kadar azalır. Bu olay, artan plastik şekil
değiştirmelerle birlikte çelik konstrüksiyonların müsaade edilemeyecek
kadar büyük şekil değiştirmelerine neden olur. Uzamalar ısıl gerilmelerin
oluşmasına, ve normal olarak yüksek sıcaklıklarda burkulma yapmayan kolonun
burkulmasına ve daha düşük taşıma gücü göstermesine neden olabilir. Çelik
profillerin ısınma problemindeki en önemli faktörlerden biri de profil faktörü
adı verilen ve aleve maruz kalacak alanın ısınacak kütleye oranıdır.
Betonarmenin ve öngerilmeli betonun yangın dayanımı ile ilgili özelikleri
bu kompozit yapı sistemini oluşturan çelik ve beton malzemelerinin özeliklerine
bağlıdır. Ayrıca önemli bir nokta, sıcaklığa karşı çok hassas olan
donatı ve öngörme çeliklerinin fazla ısınmaya karşı korunmasıdır. Bu görev
yeter kalınlıktaki beton pas payı tabakası tarafından üstlenir. Pas payı
tabakası ısı yalıtkanlığı görevini de yerine getirir. Betonarme ve öngörülmeli
beton
yapı elemanlarının yangın yüklemesindeki davranışları yalnız çelik ve
beton malzemelerinin özeliklerinden de çıkartılamamaktadır. Karışık
durumları göz önüne alabilmek için, kesit şekli ve boyutları, çelik
türü ve sınıfı, beton pas payı kalınlığı, beton ve çeliğin taşımakta
olduğu gecikmeler, yapının statik sistemi, betondaki agreganın türü ve, sıva,
kaplama gibi ilave
önlemler olmak üzere çeşitli parametreler kullanılması gerekmektedir.
Sıcaklık arttıkça çeliklerin çekme mukavemeti ve akma sınırı gibi
mekanik özelik değerlerinin hızla azaldığı ve 500~600C gibi yüksek sıcaklıklarda
bütün çelik türlerinin hemen hemen aynı derecede düşük mekanik özeliklere
sahip oldukları görülmektedir. Ayrıca dikkat edilmesi gereken bir nokta da
soğuk şekil değiştirme yolu ile sertleştirilmiş çelik türlerinde yangındaki
ısınma ve soğuma sonucunda çeliğin setliğini kaybedecek kalitesini
değiştirmesidir.
Betonarmede yangın dayanım süresinin çelik donatının ısınma hızına bağlı
oluşu, beton pas payı kalınlığının dayanım sınıfına göre seçimini
gerektirmektedir. Burada pas payı kalınlığı olarak, yüzeye en yakın donatı
sırasının merkezinden geçen eksen ile, betonun aleve açık yüzü arasındaki
uzaklığı tarif edilmektedir. Çeliğin ısıl difüzyon katsayısının yüksek
oluşu, bunun kesitinin her noktasında sıcaklığın hemen dengelenmesine
neden olmaktadır. Çeliğin eriştiği sıcaklık böylece çelik bulunmayan
beton içindeki derinliğindeki sıcaklık olarak kabul edilebilmektedir. DIN
4102 de, betonarme döşemeler için çeşitli yangın dayanım sınıflarına
ve çeşitli çelik türlerine göre seçilmesi öngörülen pas payı kalınlıkları
verilmişştir.
Betonun yalıtıcı özeliği içindeki agreganın türüne de bağlıdır. Eğer
kalker agrega kullanılmışsa bunlar beton kesitinin ısınmasını yavaşlatırlar.
Çünkü kirecin yüksek sıcaklıkta ayrışması ısı enerjisi harcar. Pas
payı tabakasının koruyuculuğu tabii bu tabakanın çatlayıp dökülmesi ile
sona erecektir. Buna da en çok kesitin her noktasının eşit ısınması ve ıslak
betondaki suyun buharlaşması, gibi faktörler neden olabilir. Mevcut pas payı
tabakası kalınlığı yeterli değilse veya sınırlı ise, sonradan uygun bir
sıvanın işlemi ile kalınlaştırılması mümkündür.
Betonarmenin statik sistemine bağlı olarak yangında bir betonarme elemanın
ya çekme bilgisi, ya basınç bölgesi, ya da ikisi birden kırılma nedeni
olabilir. Buna bağlı olarak beton mukavemet sınıfının ve çelik
kalitesinin yüksek olması, yangın dayanımını da iyi olarak etkiler. Isınma
sonucu çeliğin akma sınırına ulaşması iç kuvvetleri betona aktarır.
Betonun da
yüksek sıcaklıklarda plastikleşmesi ani çökmeleri önler ve yeterli bir
dayanım süresi sağlanmasına olanak verir.
Abdurahman Kılıç
kilica@itu.edu.tr
|
|
