pinar cetin

ETAG 002’nin Ötesinde Strüktürel Silikon Cepheler

Camın silikon-bazlı yapıştırıcılar ile metal çerçevelere yapıştırılması 1970’lerde başlayarak mimarların zorlu ve estetik, çerçevesiz cam giydirme cepheler yaratmalarına izin verdi. Strüktürel yapıştırma ile ilgili kurallar ve kısıtlamalar hem ABD (ASTM) hem de Avrupa (ETAG002) strüktürel yapıştırma kılavuzları çerçevesinde 1980’ler ve 90’larda başlayarak bu teknoloji ile yapılanma konusundaki güveni artırdı. Fakat bu normlar mimarların yaratıcılıklarını kısıtlayan ve bazı tasarım ihtimallerini dışarıda bırakan sınırlara sebep oldu.

 

 

pinar cetin 1ETAG002 ötesinde tasarım konusu camın strüktürel yapıştırılması ile ilgili sınırların genişletilmesi için cephe danışmanları ve mimarlar ile düzenli olarak tartışılıyor.

Bu makalede yeni geliştirilen silikon yapıştırıcılar ve cam yapıştırmada yeni yaklaşımlar sunulacaktır.

Giriş

Strüktürel Silikon Cephe(SSG) dış bir cam panelin strüktürel silikon yapıştırıcı ile tutunmasını sağlayan bir prosestir (şekil 1). Estetik boyutunun yanı sıra, SSG su ve kir tutmanın azaltılması, akustik yalıtımın iyileştirilmesi ve doğal bir termal bariyer oluşturulması gibi farklı avantajlar da sunar. SSG 40 yıldan fazla bir süre önce başladı, kanıtlanmış dayanıklılığının ana sebepleri şöyle açıklanabilir: 

-           Rüzgâr yüküne dayanma kuvveti ile çerçeve ve cam arasındaki farklı termal uzamayı dengeleyebilecek ve hatta deprem gibi sebeplerle oluşan bina hareketlerini tölere edebilecek hareket kabiliyetini dengeli bir şekilde bir arada barındırması,

-           SSG montaj prosesi süresince yapılan kalite kontrol.

1. ETAG002 & Kısıtlamalar

ASTM C1401 (ABD) ve GB 16776 (Çin) yanı sıra Avrupa normu ETAG002 10 yıldan fazla bir süre önce geliştirildi.  Tüm bu standartlar eşsiz güneş radyasyonuna dayanımı (> 20 000 saat UV dayanımı) sebebiyle sadece silikon bazlı yapıştırıcıları kapsıyor. Bu normların faydası silikon ile strüktürel yapıştırma uygulamasının sınırlarını çiziyor olmaları fakat aynı zamanda bu normlar geliştirme seçeneklerini dolayısıyla mimarların yaratıcılıklarını engelleyen sınırlamalar da getiriyor. Örneğin ETAG002’de tanımlanan bazı sınırlamalar şöyle:

1/100’den yüksek cam defleksiyonu (en küçük boyutta)

Desteksiz çift cam veya lamine cam (sadece destekli tek cam panellere izin veriliyor)

Dışa (negatif) eğim

Özel uygulamalar (soğuk bükme (Cold Bend), dikdörtgen olmayan camlar vs)

1-Ölü Yük Dayanımı Gerektiren Uygulamalar

pinar cetin 2

Silikon yapıştırıcıların izin verilen ölü yük tasarım gerilimi ASTM C1184’e göre 7kPa ile ve ETAG002’ye göre karakteristik kesme mukavemetinin en az 1/60’ı ile sınırlanmıştır. Bu basitçe yapıştırıcıların ölü yük kabiliyetinin dinamik yük kabiliyetinden en az 10 kat daha az olarak dikkate alınması anlamına gelir. Bu durumda 11kPa ölü yük kabiliyetine izin verebilmek için, yapıştırıcının 90 gün oda sıcaklığında 0,3*σdes dinamik gerilim yükü ile birlikte 11kPa ölü yük ile yapılan düşey kayma (creep) testinden geçmesi gerekir. Burada minimum 10 olarak alınan düşey kayma güvenlik katsayısı örneğin cam için kullanılan katsayı ile karşılaştırıldığında çok daha yüksektir. Bu yüksek katsayı muhtemelen mekanik mühendislerinin organik malzemelerin uzun vadede düşey kayma davranışlarına karşı bilgi ve güven eksikliğinden kaynaklanmaktadır.

pinar cetin 3  pinar cetin 4

Dow Corning laboratuvarları, strüktürel silikon yapıştırıcıların yüksek sıcaklıklarda dahi çok daha yüksek statik yüklere dayanabildiğini göstermektedir. Örneğin, Dow Corning 993 ile yapıştırılan cam – alüminyum numuneleri kesme mukavemeti testinde 6 ay boyunca 60C/85% bağıl nem ortamında 150 kPa sabit ölü yük kesme gerilimine maruz bırakıldı ve hiçbir deformasyon gözlenmedi. Buradaki koşullar düşey kaymayı (yüksek sıcaklık) ve yapıştırıcının içindeki ve ara fazdaki potansiyel hidrolitik tepkimesini maksimize edecek şekilde seçildi. Diğer bir yönden benzer düşey kayma çalışmaları GL Guidelines 2002, II, Part 2, chapter 3, section 2’ ye göre benzer bir yapıştırıcı ile (Dow Corning 776) Bremen Fraunhofer Institut’da (IFAM) yapıldı. Şekil 2’de 23C ve 250 kpa ve 60 C’de 150kPa sabit kesme gerilimi altında 90 gün boyunca kaldıktan sonra deformasyonun stabilizasyonu veriliyor.

pinar cetin 5

Bu sonuçlar Dow Corning ’in bazı durumlarda projelerde 15kPa’a kadar ölü yükleri onaylamasına izin veriyor. Daha yüksek ölü yük kabiliyetine başlıca yalıtımlı camın her ikisinin de desteksiz olduğu veya yalıtımlı camın negatif eğim açısı olduğunda ihtiyaç duyulabilir. Bu uygulamalar Avrupa ETAG002 normuna uygun olmasa da tamamen güvenli olarak değerlendirilebilirler.Bu sonuçlar strüktürle silikon yapıştırıcıların daha yüksek statik yükler için değerlendirilebileceğini makul surette göstermektedir. Yapıştırıcıların düşey kayma davranışı, tablo 1’de verilen farklı uygulamalarda kullanılan (hepsi strüktürel uygulamaya uygun değil) farklı ticari yapıştırıcıların karşılaştırması gibi, statik (ölü yük) veya dinamik yük koşullarında her zaman test edilmelidir.

Soğuk bükümlü cam paneller yükseltilmiş statik tasarım yükleri gerektiren uygulamalardan bir diğeri olarak değerlendirilebilir. Bu uygulamada, kullanılan modellemeye göre farklı lokal yükler hesaplanmaktadır. Fakat Dow Corning 993’ün efektif yüksek statik yük kabiliyeti sebebiyle, bazı modellerle 11kPa’yı aşan lokal gerilimler hesaplanması durumunda ETAG002’de verilen yüksek güvenlik katsayıları düşürülebilir. Örneğin Beyrut’taki Credit Libanais projesinde Meinhardt Façade (MFT) ile işbirliği içerisinde bu yaklaşım kullanılarak 1,2 x 4m lamine camın tek köseden 135 mm bükülmesine izin verildi.

Daha düşük bir düşey kayma katsayısı noktasal bağlanan cam cepheler (spider sistemler) için yeni geliştirilen ve spider yapıştırma uygulamasını mümkün kılan TSSA (Transparent Structural Glazing Silicone Adhesive) (şekil 3) için de dikkate alınıyor. Bu yaklaşım CUAP 04.04/32’ye göre davranış yasası kullanan CSTB tarafından onaylandı. Aynı teknolojiyi kullanarak 1,3 MPa tasarım gerilmesi (çekme) ve 0,59 MPa tasarım gerilmesi (kesme) onaylanlandı. Bu değerler Candiolo Hastanesi projesini desteklemek için kullanılmış olup, 2,4m x 2,5m büyüklüğündeki yüksek performanslı yalıtım camları 4lü spider (80 mm çapında) sistemler ile yapıştırıldı (şekil 4).

2- Yüksek Rüzgâr Yükü Koşullarında Davranış

ETAG002 rüzgâr yükü altında trapezoidal bir gerilim dağılımı dikkate alır. Cam defleksiyonu (d) küçükken (< 1%), yapıştırıcı derinliği ile rüzgâr yükü arasındaki bağıntı denklem 1’de veriliyor:

Denklem 1: σ (yapıştırıcı gerilimi) = 0.5 * Rüzgâr yükü (WL) * a / yapıştırıcı derinliği

a = Küçük cam boyutu

pinar cetin 7 8

ETAG002 cam defleksiyonunu (d/a) 1/100 (Küçük cam kenarı = a) ile sınırlamıştır. Fakat yüksek binalardaki artan rüzgâr yükleri sebebiyle 1/50 ve 1/100 arası değerler giderek daha fazla kullanılmakta.

Kasırga gibi ekstrem koşullarda özellikle lamine bir sistemin bir camının kırılması durumunda, cam defleksiyonları bundan çok daha yüksek olabilir. Strüktürel silikon yapıştırıcılar böyle zorlu koşullarda nasıl davranır? İnsanlar şekil 5’de gösterildiği gibi rüzgâr yüküne karşı oluşan gerilimi düşürmek adına yapıştırıcı modülünü yükseltirken, diğer taraftan cam ve metalin farklı termal genleşmelerinden kaynaklı oluşan lokal yükleri arttırmalı mıdır?


Bu makalenin amacı sonlu elemanlar analizinin (FEA) strüktürel cephe uygulamalarında kullanımı ile ilgili derinlemesine bir kavrayış sağlamak değil, sadece lokal gerilimlerin strüktürel yapıştırmaya etkilerinin tahmin edilmesine FEA’nın nasıl yardımcı olabileceğini göstermek.

FEA şekil 6’da gösterilen lokal yüklerin belirlenmesi ve hesaplanmasına olanak sağlayan bir araç. Bu çok komplike olabilir ve sonuçlar çoklu parametrelere bağlı fonksiyonlardır ancak bu makalede bu detaylar verilmeyecek. İki kenarlı strüktürel cephe simülasyonu ile elde edilen grafikler (şekil 7-8) aşağıdaki gibi özetlenen ilginç sonuçlar göstermektedir;

pinar cetin 10

Cam defleksiyonu %1’in üzerine çıktığında lokal yükler önemli olmaya başlıyor (şekil 6)

Yüksek cam defleksiyonu durumunda yapıştırıcının modülünü yükseltmek daha da yüksek lokal yüklere sebep oluyor (şekil 7)

Yapıştırıcı derinliğini belirli bir değerin üzerine çıkarmak her zaman yapıştırıcı içerisindeki yüklerin düşmesine yol açmıyor (şekil 8) ki bu da denklem 1 ile çelişiyor.

Bu sonuçlara göre yüksek cam defleksiyonu durumunda daha yüksek modüllü bir yapıştırıcı kullanmak veya silikon derinliğini gerçekçi olmayan seviyelere arttırmak yerine trapezoidal bir derz konfigürasyonu [3] lokal gerilimleri azaltmak adına daha iyi bir çözüm olabilir.

Benzer sonuçlar klasik fizikten türetilen modifiye bir gerilim denklemi ile elde edilebilir (denklem 2).

Denklem 2:  σ = (0.5 * WL * a /b) + (b * α * E / (2*e)

a=Küçük cam boyutu, b= silikon derinliği,

e = silikon kalınlığı, α = cam defleksiyonu,

E=young modülü, σ = silikon gerilimi


3- Strüktürel Silikon Cephelerin Bomba Patlaması Veya Darbeye Maruz Kaldığında Davranışı

Strüktürel silikon yapıştırıcılar güçlü olmalarının yanı sıra, yüksek hızlı deformasyon veya soğuk koşullar karşısında düşük elongasyon ve hatta kırılgan davranış gösteren organic yapıştırıcıların aksine hem daha güçlü hem de daha yüksek elongasyon göstererek dikkate olağanüstü davranırlar (şekil 10). Strüktürel silikon yapıştırıcıların bu esnek davranışı sert ve kırılgan yapıştırıcılar kullanılması durumunda oluşabilecek ve potansiyel olarak premature yapıştırıcı veya cam kırılmasına sebep olan yüksek lokal yükleri engeller.

pinar cetin 11

Yüksek hızlı deformasyon karşısındaki artan dayanımları ve lokal gerilimlerin sınırlanması sayesinde silikon strüktürel yapıştırıcılar darbe veya bomba patlaması koşullarında mükemmel davranış gösterirler. Bu sebeple bomba patlamasına karşın dizayn edilen pek çok binada silikon strüktürel yapıştırıcılar kullanılır (şekil 11).

Sonuç

Strüktürel silikon yapıştırıcılar 40 yıldan fazla bir süredir strüktürel cam cephelerde kullanılmakta ve bu sistemlerin dayanıklılığı kanıtlandı. Dayanıklılıkları sadece yaşlanmaya karşı (sıcaklık, UV, oksidasyon) değil fakat bununla birlikte güç ve hareket kabiliyetleri arasındaki uyuşmadan kaynaklanmaktadır. 

Ölü yük dayanımı gerektiren uygulamaların güvenli ve hatta fazla tutucu güvenlik katsayıları ile tasarlandıkları yönünde kanıtlar sunulmuştur.

Diğer taraftan, FEA değerlendirmeleri ve yüksek hızda deformasyona karşı silikon yapıştırıcıların davranışlarının gösterdiğine göre, yüksek rüzgâr yükleri veya bomba patlaması koşullarında dahi orta güçteki silikon yapıştırıcılar halen en iyi çözüm olarak karşımıza çıkmaktadır, çünkü lokal gerilimlere engel olurken esnek davranışlarını düşük sıcaklıklar veya yüksek hızlı deformasyonlarda dahi koruyabilmektedirler.

1. K. A. Broker, S. Fisher, A. M. Memari, Journal of ASTM International, Vol. 9, N.3, 2012

2. ETAG002, EOTA, European Technical Approval Guidelines, May 2012

3. L.D.Carbary, C.D.Clift, WO/2012/103102

*Bu makale ilk olarak IGS dergisi Ekim 2015 sayısında yayınlanmıştır.

Düzenleyen/Çeviren: Pınar ÇETİN

 

Instagram
Powered by OrdaSoft!