9 Mayıs 2012 | TEKNİK MAKALE 98. Sayı (Mayıs 2012)

Esin İbibikcan / Bortek Termal Boya Tic. Ltd. Şti.
ÖZET
Deprem güvenliği ve kolay uygulanabilirliği nedeniyle son yıllarda genellikle tercih edilen çelik taşıyıcı yapı sistemlerinde, yangın güvenliğini sağlamak amacıyla su bazlı kabaran yangın geciktirici boya geliştirilmiştir. Çelik iskeletli yapılarda yüksek sıcaklıklarda ısıl şekil değişimleri oluşmakta ve yapının yük taşıma kapasitesi hızlı bir şekilde azalmaktadır. Yangın yalıtımı ile sıcaklık artış hızı yavaşlatılarak, yapı içerisindeki kişilerin yapıyı terk etmeleri ve yangının kontrol altına alınması için süre kazanılır. Üretilen intümesan boya, çelik plakalar üzerine uygulanmıştır. Numunelerin şişme seviyesi, kömürleşmiş köpüğün homojen yapısı, termal iletkenliği, yanan tabakanın sertliği gibi parametreler tayin edilerek optimum değerlere sahip reçete elde edilmiştir. Elde edilen reçeteye ait numuneler kullanılarak çelik yüzeyde hissedilen sıcaklığı ölçmek amacıyla kül fırınında denemeler yapılmıştır. Kül fırını içerisindeki sıcaklık 1100 °C’ye ulaşırken, çelik yüzeyde hissedilen sıcaklığın 450 °C civarında olduğu gözlemlenmiştir. Bu çalışmada geliştirlen bu boya ile uygulanabilirliği yüksek, insan sağlığı ve çevreye duyarlı, yapısal özellikleri açısından ülkemizde yürürlükte olan yangın yönetmeliğinin de şart koştuğu tek geçerli standart olan EN standartlarını sağlayan 180 dakikaya kadar yangın dayanımı sağlayan intümesan bir boya üretilmiştir.

1. GİRİŞ
Çelik konstrüksiyon, deprem güvenliği ve kolay uygulanabilirliği nedeniyle son yıllarda yüksek binalarda olduğu gibi düşük katlı yapılarda da tercih edilmeye başlanmıştır. Yangın geciktirici boya üretimimiz kapsamında çelik taşıyıcı yapı sistemlerinde yangın güvenliğini sağlayacak şekilde kullanılmak üzere su bazlı kabaran (intümesan) yangın geciktirici boya geliştirilmiştir.

Çelik, birçok yönden yapılarda kullanım avantajı olan yanmaz bir malzeme olmakla beraber, yüksek sıcaklıklara karşı direncinin yetersiz oluşu, en olumsuz tarafını oluşturmaktadır. Buradan yola çıkarak, çelik taşıyıcı yapı sistemlerinde yangın güvenliğini sağlayacak şekilde kullanılmak üzere, yangın geciktirici boya üretimi endüstriyel açıdan büyük önem taşımaktadır. (Şekil 1).

 İntümesan malzemeler genelde 2 saate varan sürelerde yangına dayanıklılık sağlayabilen malzemelerdir. Ancak Bortek Termal Boya, dünyada ilk defa yeni EN standardını 3 saat geçen ürünü üretmiştir. Bu boyalar, ince bir tabaka halindeki boya katları veya macun ısı ve alevlerin etkisi ile köpürüp kabarmak sureti ile bazen özgün kalınlıklarının 50 katına ulaşan boyutlarda kömürleşmiş bir yalıtım katmanı oluştururlar. Bu ürünler fırça, püskürtme veya mala ile uygulanabilir. Nemli ortamlarda sadece kısıtlı sayıda boya çeşitleri uygulanabilir olup, spesifik uygulamalar konusunda imalatçıların fikirlerine başvurulmalıdır. Yapısal içi boş elemanların beton ile doldurulması işlemi ile birleştirildiği zaman bu metot ciddi anlamda kaplama ağırlığı tasarrufu sağlamaktadır.
Yangın, yanmanın kontrolsüz bir sekilde ortaya çıkmasıdır. Yangının oluşması için yangın üçgeni olarak adlandırılan üç unsur yeterlidir; yanıcı madde, oksijen ve ısı kaynagı.

Yangınların zararlı etkilerinin sınırlandırılmasına yönelik can ve mal güvenliğini sağlayıcı yapısal önlemlere “yangın yalıtımı” denir. Yangınlarda can kayıplarının önemli bölümü, yanma sırasında ortaya çıkan dumandan ve bu dumanın içindeki gazlardan kaynaklanır. Bu gazlar öldürücü olabildiği gibi, göz yaşartma gibi etkileriyle kaçış alanı bulmayı zorlaştırarak insan hayatını tehdit edebilir (Tablo 1).

Yapının yük taşıyan kısımlarının yangın söndürülene kadar fonksiyonlarını sürdürmesi hayati bir öneme sahiptir. Yük taşıyan yapı elemanlarının, yangın neticesinde oluşan ısıdan etkilenmemeleri için, arkasındaki malzemelere ısı iletimi oldukça düşük olan, yangına dayanıklı yangın yalıtım malzemeleri ile kaplanmaları gereklidir. Yangın yalıtımı yapılarak, yapı malzemelerinde sıcaklık yükselmesi yavaşlatılır ve hem yapının içerisindeki kişilerin yapıyı terk etmeleri hem de söndürme ekiplerinin yangını kontrol altına almaları için süre kazandırılır.

Çelik Yapılar için Yangın Geciktirici Boya
Firetek, yapısal çeliğin korunması için yangın geciktirici boyalar üretmektedir. Yangın sırasında ortam sıcaklığı birkaç dakika içerisinde 20 °C’dan 1000 °C’a çıkabilmektedir. Sıcaklığın yükselmesi, yapının taşıyıcısı olan çeliğin sıcaklığının da artmasına sebep olur. Çelik, yüksek sıcaklıklarda mukavemetini yitirir. 550 °C’de çelik taşıma gücünün yarısını yitirir. 600 °C’den sonra taşıyıcı çelikte burkulmalar başlar. Bu noktadan sonra yapı ani çökmeyle karşı karşıya kalmaktadır. Türkiye’de mevcut yangın yönetmeliği, taşıyıcı çelik üzerinde mutlaka 540 °C’yi geçmeyecek şekilde TSE veya EN standartlarına göre test edilmiş malzemelerle koruma istemektedir. Yangının sıcaklık zaman eğrisi TS-EN 1363-2’de verilmiştir ve testler bu sıcaklık zaman eğrisine göre yapılmalıdır.

Türkiye’de üzerinde fazlaca durulmayan yangın mevzuatı, Avrupa Birliği tarafından oldukça önemsenmektedir. Mevzuatlarda yangın durumunda emniyet konusu özetle aşağıda verilen gereklilikler dikkate alınarak hazırlanmıştır.  Ayrıca yangının, 11 Eylül saldırılarının çelik bir yapı olan Dünya Ticaret Merkezin’deki etkileri yeni yeni anlaşılmaya başlanmıştır. Binalardaki asıl çöküş nedeninin sıcaklık artışı değil, uzun süre ısıya maruz kalan çeliğin kontrol edilemez deplasmanlar göstermesidir. Bu etkilerin anlaşılmasıyla eski yazılmış standartların revizyon gerekliliği doğmuştur. Şöyle ki, bir ürün çelik üzerinde yeterli sıcaklık değerlerine ulaşabilir ancak aynı zamanda yapıyı tehlikeye sokacak deformasyonlara da izin vermemelidir.
 
AB ayrıca aşağıda yazılı kriterleri de güvenliğin ayrılmaz bir parçası olarak saymaktadır.

•    Yapı içinde yangın çıkması, yangının ve dumanın yayılması sınırlı olmalıdır (Yangına Tepki).
•    İnşa edilen yapının yük taşıma kapasitesi belli bir süre azalmamalıdır (Yangına Dayanım).
•    Yangının çevredeki yapılara yayılması sınırlı olmalıdır (Aktif Güvenlik Sistemleri).
•    Yapı sakinleri binayı terk edebilmeli veya başka yollarla kurtarabilmelidir (Algılama Sistemleri).
•    Kurtarma ekiplerinin emniyeti göz önüne alınmalıdır.

Yangının büyümesine malzemenin katkısı, hatta malzemenin yangına karşı gösterdiği dirence, yangın performansı denilmektedir.

2. MATERYAL VE METOT
Dünyada intümesan boyalar ile ilgili olarak AB (EN 13381-8:2007), Rusya ve ABD olmak üzere 3 tip standart bulunmaktadır. Standartlar göz önüne alındığında piyasada bulunan ve ilgili standartları sağlayan halihazırdaki intümesan boyalar 30 (standardın altı), 60, 90 ve en fazla 120 dakika (bazı sınırlı özellikteki kesitlerde) yalıtım ve koruma sağlayacak şekilde kabul edilmişlerdir. Üretimimiz olan intümesan boya ile 180 dakikanın üzerinde bir yangın dayanımı sağlanmıştır. Üç saate varan bu uzun dayanım aynı zamanda önemli bir fiyat avantajı da sağlamaktadır. Örneğin, 120 dakikalık bir dayanımın öngörüldüğü bir yapıda, 180 dakika dayanımlı bir ürün diğer ürünlere göre daha ince kalınlıkta uygulanarak istenilen yalıtım sağlanabilmektedir.
Yapısal çelik, ahşaba oranla 21, beton ve demir donatıya oranla 10 kat fazla sünekliği ve esnekliği sayesinde depreme en iyi dayanımı gösteren malzemedir. Bu nedenle, yaşamsal alanlarının %95’inin deprem kuşağı üzerinde yer aldığı ülkemizde de yapıların taşıyıcı sistemlerinde çelik kullanımı giderek yaygınlaşmaktadır. Bu nedenle, yapısal çelik pazarı giderek büyüyen bir pazar olup, çelik yapının yangın dayanımının sağlanması amacıyla muhtelif kimyasalların, dolayısıyla intumesan boyaların kullanımı da buna bağlı olarak artmaktadır.
Yangınla mücadelede ve yangın esnasında yapısal çeliğin dayanımını arttırmak amacıyla alınacak önlemler üç ana başlık altında toplanabilir:

• Soğutma ve söndürme çalışmaları ile taşıyıcı elemanların ısıya karşı korunması ve yangının söndürülmesine yönelik Aktif Koruma
• Isı ve dumanın yatayda yayılmasını engellemeye, düşeyde yayılımı kolaylaştırmaya yönelik Aktif-Pasif Koruma  
• Çelik yapı elemanlarının ısıya olan dayanımını artırarak yapı içindeki sorumluluğunu bir süre daha uzatmaya yönelik Pasif Koruma.

Pasif koruma, kimyasal olarak ateşin söndürülmesi ya da tutuşmanın ve yanmanın yavaşlatılması amacıyla reaksiyona girmeyen, ancak bunun yerine ateşin ve ısının direkt etkilerinden yapının korunması ve dayanımının artırılması ve yangının büyümesinin geciktirilmesi amaçlı tüm koruyucu sistemleri içermektedir.
İntümesan yangın geciktirici boyalar da pasif koruma sistemleri arasında yer alarak, yangın esnasında taşıyıcı çelik konstrüksiyonun ısı karşısında stabilitesini kaybetmesini geciktirmektedir (Şekil 5). Bu geciktirme ile yapının tahliyesi ve yangına müdahale için zaman kazanılması amaçlanmaktadır.

İntümesan yangın geciktirici boya, çeşitli kimyasal bileşiklerden oluşan bir sistemdir. Bu bileşikler yangın esnasında artan ısı ile birlikte birbirleriyle reaksiyona girerek kalın ve güçlü bir karbon köpük oluştururlar (Şekil 6). Bu köpük, boyanın uygulandığı orijinal film kalınlığının 10 ila 100 katı kadar kalınlığa erişerek ısı transferini engelleyici fiziksel bir bariyer oluşturmak suretiyle alttaki çeliği yangının ısısından ve direkt alevinden korumaktadır.

İntümesan özellikte yangın koruyucu kaplamalar ilk HeinrichTramm ve arkadaşları tarafından 1938’de geliştirilerek patentleşmiş olmasına rağmen intümesan katkı maddelerinin polimerik materyallerle birleştirilmesi, daha yeni bir yaklaşımdır. Yanma esnasında, bu intümesan katkılar polimerik materyalin yüzeyinde köpüksü kömür oluşturmaktadır. Oluşan kömürleşme, ısı transferi ile birlikte oksijenin polimere doğru yayılımına ve polimerdeki yanıcı maddelerin alevi körüklemesine karşın fiziksel bir bariyer görevi görmektedir. Böylece, polimerin pirolysisi (ısı nedeniyle erime) alev besleyici gereksinimlerin altına düşerek yanmazlık özelliği göstermektedir.

İntümesan süreçte ısı ile birlikte başlayan kimyasal reaksiyon genellikle aşağıdaki şekilde gelişir:

•    Yangın ısısı polimerik bağlayıcıyı (polymericbinder) yumuşatmaya başlar.
•    Yangın ısısı ayrıca, organik asidin çıkışına neden olur.
•    Polyollerin karbonizasyonu gerçekleşmeye başlar.
•    Üfleme ajanının ayrışmasından meydana gelen gaz, erimiş karışımı şişirmeye başlar.

•    Son adım, bir dizi çapraz bağlanma reaksiyonu (crosslinking) (iki ya da daha çok polimer zincirinin kovalent ve/veya iyonik bağ ile kimyasal olarak bağlanması prosesi) neticesinde köpükleşmiş kömürün katılaşarak gerekli izolasyonu sağlamasıdır.

Su bazlı intümesan boyalar ısı karşısında öngörülen reaksiyonu gösterebilmeleri amacıyla aşağıdaki başlıca maddelerden oluşmaktadır:

•    Asit donörü
•    Karbon donörü
•    Şişme ajanı
•    Bağlayıcı reçine
•    Pigment
•    Dolgu malzemeleri
•    Tiksotropik  ajan
•    Yayıcı ajan
•    Köpük kesici ajan
•    Kurumayı engelleyici ajan

Bu veriler doğrultusunda dizayn edilen çeşitli reçetelere göre hazırlanan numuneler, reçetedeki maddelerin birbirleriyle etkileşimlerinin, elde edilen boyanın yangın dayanımı ve diğer unsurlar açısından istenilen özellikleri taşıyıp taşımadığına göre çeşitli testlere tabi tutulmuştur. En optimum özellikteki reçete seçildikten sonra numuneler hazırlanmış ve bu numunelerin şişme seviyesi, kömürleşmiş köpüğün homojen yapısı, termal iletkenliği, yanan tabakanın sertliği vb. gibi parametreler tayin edilmiştir. Tüm bu çalışmaların sonucunda seçilen optimum reçete belgelendirme faaliyetinin gerçekleşmesi amacıyla, İngiltere’de akredite laboratuvarda teste gönderilmiştir. Sertifikasyon, aşağıdaki standartlara uygunluk göstermektedir:

İnce bir uygulama ile yangını geciktiren bu boya ile ilgili bazı örnekler aşağıda görüldüğü gibidir:
     
3. SONUÇ
Bu çalışmada geliştirilen yangına dayanıklı su bazlı boya ile uygulanabilirliği yüksek, insan sağlığı ve çevreye duyarlı, yapısal özellikleri açısından AB standartlarını sağlayan 180 dakikanın üzerinde yangın dayanımı sağlayan intümesan bir boya üretilmiştir. Yangın esnasında boya yüzeyinde meydana gelen kömürleşmiş köpüğün içindeki hava kabarcıklarının homojen şekilde dağılımının sağlanması ile yapıda düzgün süngerimsi bir görünüm elde edilmiştir. Boya, literatürde üretilen boyalara oranla daha ince kalınlıkta uygulandığında daha iyi bir performans göstermektedir.

Çelik taşıyıcılı sistemler 550 °C’de taşıma gücünün yarısını yitirirler. Bu sıcaklık bir konut yangınında 5. dakika sıcaklığıdır. Yangın Yönetmeliğinde taşıyıcısı çelik olan yapılarda çelik, 540 °C’yi geçmeyecek şekilde korunmalıdır.

Üretilen boyanın su bazlı olması, insan sağlığı ve çevreye duyarlılık açısından büyük önem taşımaktadır. 120 dakika gibi uzun bir süre yangın geciktiriciliği sağlaması, endüstriyel açıdan büyük önem taşımaktadır. Tüm çeliklere uygulanabilir olması ve daha ince uygulama ile düzgün performans gösterebiliyor olması bir diğer önemli özelliğidir.

Geliştirilen yangın geciktirici boya BS 476 ve EN-13381-2008 Standartlarına uygunluk belgesine sahiptir. Tüm bu standartlara uygunluğunun tespit edilmesi ile kullanımı yaygınlaşan bu boya, Arena Kapalı Spor Salonu, Petro Rabigh Rafinerisi ve Haydar Aliyev Kültür Merkezi gibi bazı referanslara sahiptir.