Endüstriyel Bacalar - II

Bu makale, Mart 2020 Bülten’de yer alan Endüstriyel Bacalar makalesinin devamıdır.

 

3- Taşıma Kapasitesi

Yük Kabulleri: Bacaların hesabında daimî, değişken ve özel yükler dikkate alınmalıdır.

 

Daimî yükler

• Öz ağırlık: Bacadaki yapı elemanlarının öz ağırlıkları, teknik resimleri yardımıyla özgül ağırlıkları da dikkate alınarak hesaplanmalıdır.

• Ön gerilme kuvveti: Gerdirilmiş bacalarda ön görülme kuvveti, rüzgârsız, buzsuz ve ± 10oC’den farklı ise bu fark ön gerilme kuvvetinin ayarlanmasında dikkate alınmalıdır.

 

Değişken yükler

• Rüzgâr yükü: Yapılan muayene sonucunda bulunan titreşim değerleri, hesaplanan değerlerden fazla olduğunda gerekli tedbirler alınmalıdır. Tedbirlerin alınmasını takiben yapılan titreşim testleri sonucunda hesaplanan değerler aşılmamalıdır.

• Personel ve kar yükü: Sahanlıklar için kar yükü dâhil edilerek eşit ölçüde dağıtılmış 2 kN/m2’lik personel yükü kabul edilmelidir. Merdiven korkuluklarının boyutlandırılması için yatay olarak içeriye veya dışarıya etki eden ve doğrudan korkuluk kirişine uygulanan 0,5 kN/m2’lik bir yük kabul edilmelidir.

• Buz yükü

• Isıl yük: Duman gazı taşıyan ısıya karşı yalıtılmış boru ile taşıyıcı borunun duvar sıcaklıkları hesaplanmalıdır.

 

Özel yükler

• Deprem yükü

• Düzensiz yükler (Darbe sonucu veya işletme şartlarının bozulması gibi)

• Yerel konum ve işletme şartlarından kaynaklanan yükler

 

Kesme Büyüklüklerinin Tayini: Kesme büyüklükleri, yukarıda tanımlanan yükler esas alınarak aşağıda belirtilen iki kombinasyon için tayin edilir:

• Ana kombinasyon (Daimî ve değişken yükler)

• Özel kombinasyon (Daimî, değişken ve bir özel yük)

 

 

Taşıyıcı Baca ve Temel Kontrolü: Hesaplanan kesme büyüklüklerinin, boruların maksimum taşıma kapasitesine dayanabilecekleri sınır kesme büyüklüklerinden büyük olmadığını gösteren bir taşıma emniyeti kontrolü yapılmalıdır.

Kayma emniyetinin kontrolünde, sadece beton ve toprak arasındaki sürtünme hesaba katılmalıdır. Derin olmayan temellerde kaldırmaya karşı emniyet katsayısı en az 1,5 alınmalıdır.

 

Endüstriyel Çelik Bacalarda Rüzgâr Yükleri

Bacaya etki eden rüzgâr yükü, bacanın bulunduğu arazinin yüksekliğine bağlı olarak ve rüzgâr hızının büyüklüğüne göre değişim gösterir. Rüzgâr hızından başka; yerel topoloji, türbülans seviyesi, civardaki yapılar (Örneğin, bina veya başka baca), hava yoğunluğu, şekil faktörü, titreşimin doğal frekans değeri, sönümleme ve kütle miktarı, titreşim biçiminin konfigürasyonu, boru, platform ve merdiven etkisi gibi birçok faktör rüzgâr yüküne etki etmektedir.

 

Endüstriyel Çelik Bacanın Dizaynı

Kesme Kuvveti, Moment

Kendi kendini taşıyan bacaya gelen kesme kuvveti hesaplanmalıdır.

 

Ağırlık Yükü

Baca ağırlığı; taşıyıcı gövde, şapka, fırlatma başlığı veya jetkap, iç baca, flanşlar, yalıtım malzemesi, boru bağlantı ağızları, taban plakası, bağlama plakası, bağlama bayrakları ve diğer malzemeler ile birlikte, buraya kadar belirtilen malzemelere %6 oranında kaynak vb. ağırlıklar eklendikten sonra, ısı yalıtımı, yangın yalıtımı, platform, merdiven, borulama ve diğer ağırlıkların toplamından oluşur.

 

Titreşim

Rüzgâr nedeniyle bacalarda meydana gelen titreşim yorulmaya neden olacağı için titreşim periyodu ile sınırlanması gerekir.

 

Deprem Yükü

Cd: Deprem yükü katsayısı

Cdo: Deprem bölge katsayısı

Cd1: Yapı tipi katsayısı

Cd2: Yapı dinamik katsayısı

Cd3: Yapı önlem katsayısı

 

Esnek Denge (Kararlılık)

Eksenel sıkıştırma altındaki bir baca dengesizlik nedeni ile iki şekilde hasara uğrayabilir:

• Bütün bacanın burkulması

• Yerel burkulma

 

Eğilme (Bel Verme)

Bacalar 50 metre yükseklikte 250 mm eğilmeyi geçmeyecek şekilde tasarlanmalıdır.

 

Gerilmelerin Bileşkesi

Gerilmelerin birlikte etkilemesi için oluşan bileşkelerinin göz önünde bulundurulması gereklidir. Bu hesaplamalar esnasında rüzgâr yükü ve deprem yükünün aynı anda oluşmayacağı varsayılır. Bu nedenle rüzgâr veya deprem yüklerinin büyük olanı hesaplamalara katılır.

 

Bağlantı Cıvataları ve Taban Plakası Tasarımı

Bacalar beton temele veya diğer tabanlara bağlama cıvataları ve taban plakaları ile bağlanmalıdır. Kullanılacak cıvata sayısı dördün katları olmalı ve en az sekiz adet kullanılmalıdır.

 

Uygulama Sahaları

Endüstriyel bacalar özellikle endüstriyel uygulamalarda, petrol, ilaç, kimya, cam ve gıda endüstrileri ile güç santrallerinde oldukça uygulama alanı bulmaktadırlar. Günümüzde 150 metreyi geçen yüksekliklerde ve muhtelif çaplarda endüstriyel çelik baca üretimi yapılmaktadır.

 

Sonuç

Günümüze gelene kadar çelik bacalarda pek çok problem yaşanmıştır. Bu süreçte, özellikle dizayn kriterleri geliştirilmiş, üretilen bacalar üzerinde gözlemler, testler, ölçümler ve hesaplamalar yapılarak güvenli çalışan baca uygulanmaya başlanmıştır. Burada en önemli konu, hangi tip bacanın hangi durumda seçileceğine karar verilmesidir. Doğru bir seçimin yapılması, bacanın güvenli olarak çalışması üzerine etkisi büyüktür. Bacanın, aşağıdaki unsurlara dikkat edilerek seçilmesi daha uygun olacaktır.

• Eğer yakıt bünyesindeki kükürt konsantrasyonu %0,5’i geçiyorsa ve duman gazı sıcaklığı 300oC’nin altında ise çelik bacalar aside dayanıklı tuğla ile kaplanmalıdır. Çelik ile tuğla katmanı arasına havalandırma boşluğu bırakılmalıdır. Eğer bacada yalıtım yapılması gerekirse, yalıtım tuğla ile çelik arasına yapılmalıdır.

• Eğer duman gazı sıcaklığı asit yoğuşma sıcaklığının; metal sıcaklığı da 400oC’nin üzerinde ise bacaya çelik takviye yapılması tavsiye edilir. Yine metal sıcaklığı 400oC’nin üzerinde ise paslanmaz veya alaşımlı çelik kullanılması gerekir.

• Eğer duman gazı sıcaklığı 400oC’nin üzerinde ise refrakter tuğla kullanılması, paslanmaz veya alaşımlı çelik kullanılması gerekir. Her iki durumda da izolasyon dışarıdan yapılmalıdır.

• Eğer baca yangını riski yüksek ise çelik bacalar, 50 mm kalınlığında refrakter malzeme ile korunmalıdır.

• Eğer baca içerisinde yüksek sıcaklık ve patlama riski varsa kullanılan refrakter malzeme zarar görebilir. Bu durumda refrakter malzemenin iç ve dış kısımları çelik malzeme ile korunmalıdır.

• Eğer duman gazı sürekli sülfür kondensasyonu oluşturuyorsa, metal bacaların dayanımı daha uzundur. Daha uzun dayanım istenmesi durumunda, krom-nikel alaşımı veya titanyum içeren malzemeler kullanılabilir.

• Paslanmaz çeliğin sülfürik asit dayanımları, karbon çelikle hemen hemen aynıdır. Ancak sürekli olarak asidik ortama maruz kalan bacaların üst kısımlarında paslanmaz çelik kullanımı oldukça avantajlıdır. Özellikle AISI316L paslanmaz malzeme kullanımı, karbon çeliklere göre daha avantajlıdır.

Bir diğer parametre de bacanın ekonomik açıdan maliyetidir. Eğer çelik baca tek parça halinde üretilecek ve sevk edilecekse ekonomik açıdan çok büyük bir maliyet oluşturmaz. Ancak büyük çaplı ve yüksek bacalar oldukça maliyetlidir. Günümüzde bacaların yükseklikleri 400 metrelere ulaşmış olmasına rağmen çelik bacalar en çok 150 metre kadar uzunlukta yapılmaktadır. Bunun sebebi 150 metre yükseklikten sonra beton bacaların daha ekonomik oluşudur.

 

KAYNAKLAR

[1] SCHAFER, W.; Schorsteinfragen in der Heizungstechnik, Kramer Verlag, Dusseldorf, 1994

[2] EN 1991-1-5. Eurocode 1 – Actions on structures – Part 1-5: General actions – Thermal actions, 2005.

[3] EN 1993-3-2. Eurocode 3 – Design of steel structures – Part 3-2: Towers, masts and chimneys – Chimneys, 2006.

[4] EN 13084-1. Free-standing chimneys – Part 1: General requirements, 2007.

[5] EN 13084-7. Free-standing chimneys – Part 7: Product specifications of cylindrical steel fabrications for use in single wall steel chimneys and steel liners, 2005.

[6] The CICIND Chimney Book. Industrial Chimneys of Concrete or Steel, CICIND, Zurich, 2005.

[7] Altınparmak, O; “Endüstriyel Çelik Bacaların Statik, Dinamik ve Çap Hesabının Yapılarak Dizaynı ve Projelendirilmesi”, Haziran 2001.

 

Muammer Akgün – Makina Yüksek Mühendisi
MMO İstanbul Şubesi Kazan ve Basınçlı Kaplar Komisyonu Başkanı