Çelik bir elemanın yangın etkisindeki mekanik davranışlarının incelenmesi

Abstract

Çelik, pek çok üstün özelliklere sahip olmasına karşın ısıl değişimlere oldukça duyarlı bir yapı malzemesidir. Yangın nedeniyle ortam sıcaklığının artması sonucunda çelik yapı elemanlarının termal, mekanik ve kullanılabilirlik özelliklerinde olumsuz etkiler gerçekleşir. Yüksek sıcaklık etkisinde çelik malzemede, elastisite modülü ve akma mukavemeti değerinde önemli ölçüde azalma ve buna bağlı olarak çelik yapı elemanının şekil değiştirmelerinde artış meydana gelir. Yangın; yanıcı maddeler, havadaki oksijen ve sıcaklık üçgeni arasında gerçekleşen yanma olayının zaman ve mekân olarak kontrolsüz bir şekilde yayılmasıdır. Bu çalışmada, yangın durumunda ortaya çıkan yüksek sıcaklık etkisinde, çelik yapı elemanlarındaki termal ve mekanik davranış değişimi analitik olarak incelenmiştir. Ortam sıcaklığının yangın etkisindeki değişimi,`standart sıcaklık-zaman eğrisi` olarak ifade edilmiştir. Bu sıcaklık değerlerinin çelik yapı elemanları üzerindeki etkisini belirlemek için iletim ve taşınım transfer mekanizmaları kullanılarak üç boyutlu ve zamana bağlı ısı transfer denklemi oluşturulmuştur. Avrupa Çelik Yönetmeliği Bölüm 3 Kısım 1-2 (EC3-1-2) ve Amerikan İnşaat Mühendisleri Topluluğu Kılavuzu No.78'de (ASCE-78) bulunan, sıcaklık değişimlerinin elastisite modülü ve akma mukavemetine olan etkilerine yönelik bağıntılar kullanılmış ve belirlenen noktaların rijitlik ve dayanım değerleri elde edilmiştir. İncelenen elemanın açıklık ortası sehim miktarı iki farklı yaklaşımla hesaplanmış ve oda sıcaklığındaki duruma oranla meydana gelen değişim yüzdeleri incelenmiştir. Ayrıca, belirlenen noktaların birim şekil değiştirme miktarları belirlenmiş ve elemanın uzama deformasyonu hesaplanmıştır. Özel olarak düzgün yayılı yüklü basit mesnetli bir çelik yapı elemanının yangına maruz kalması durumunda; sıcaklık değişimlerinin sonucu olarak, yukarıda bahsedilen özelliklerin miktarlarında oluşan değişimler sayısal olarak ortaya koyulmuştur. Çelik yapı tasarımında, yangın etkisinin ne denli önemli ve kritik olduğu teorik olarak irdelenmiş ve hesapla gösterilmiştir.

Although steel has many superior properties, it is a highly sensitive construction material with respect to thermal changes. Increase in ambient temperature due to fire, it has negative effects on the thermal, mechanical and serviceabality properties of structural steel. Under the effect of high temperature, modulus of elasticity and yield strength of steel decrease and consequently amounts of deformations increase. Fire is defined as the propagation of combustion among the triangle of flammable materials, oxygen in the air and temperature, in an uncontrollable manner as in time and place. In this study, changes in thermal and mechanical behavior of steel members under the effect of high temperature caused by fire is investigated theoretically. The change of the ambient temperature in the effect of fire is expressed as `standart temperature-time curve.` Conduction and convection transfer mechanisms are used to create a three dimensional and time dependent thermal transfer equation for steel members under the effect of these temperature values. Correlations in the European Committee for Standardization Part 1-2 (EC3-1-2) and the American Society of Civil Engineers Manual No.78 (ASCE-78) were used for the effects of temperature changes on modulus of elastisity and yield strength and then stiffness and strength values of designated points are obtained. Mid-span deflection values of the member's are calculated using different approaches. In addition, the unit deformation amounts of the points were determined and member elongation deformation was calculated. In particular, if a simply supported steel member with a uniformly distributed load is exposed to fire from all sides, as a result of the temperature change, the changes in the above mentioned quantities are numerically revealed. In the design of steel structures, the importance of the fire effect, is analytically examined and calculated.