YTÜ İnşaat Müh. Böl. Çelik Yapılar I Ders Notları Yrd. Doç. Dr. Devrim ÖZHENDEKCİÇELİK YAPILARIN TARİHÇESİKlasik arkeolojinin bir teorisine göre dünyada ilk defa demir cevherinin işlenmesi, antik çağlarda şimdikiTürkiye’de Kaz dağları’nda çıkan büyük orman yangınında, toprağın içerdiği demire şekil verilebilecekderecede ısınması sonucunda meydana gelmiştir. Bir diğer teori ise, insanların dünyaya düşen meteorlarsayesinde demiri işlemeyi öğrendikleridir. İnsanlar, büyük ihtimalle meteorla gelen metali dövüp,işleyerek ilkel araç-gereç ve silah yapabildiler diye kabul edilir.Demir ve çelik 5000 yıldır kullanılmakla beraber, iki yüzyıl öncesine kadar yalnızca silah ve eşyayapımında yer almışlardır. Ancak, 18. yüzyılda İngiltere’de ham demir üretiminin başlamasıyla birliktedemir yapı malzemesi olarak kullanılmaya başlanmıştır. Demir kullanılarak inşa edilen ilk yapılarköprülerdir. Kullanılan ilk malzeme fonttur. Fontun basınç dayanımı yüksek, çekme dayanımı isedüşüktür.İlerleyen yıllarda Bessemer (1855), Siemens-Martin (1864), Thomas (1879) yöntemlerinin bulunmasıylaham demirin sıvı haldeyken arıtılması sağlanmış ve dökme çelik üretimi olanağı ortaya çıkmıştır. Böylece1800’lü yılların sonlarından itibaren dökme çelik, en çok üretilen cins olmuştur. Özellikle 20. yüzyılınbaşında elektrik fırınlarının da kullanılmaya başlanmasıyla da çelik yapı tekniklerinde büyük ilerlemelermeydana gelmiştir.Çelik yapıların hızlı inşa edilebilmesi nedeniyle birinci dünya savaşı sonrasında, ikinci dünya savaşı sırasıve sonrasında çelik yapı inşası yaygın olarak gözlenmiştir. Birinci dünya savaşı sonrasında dağılansanayinin yeniden üretime geçebilmesi amacıyla çelik inşası tercih edilmiştir. İkinci dünya savaşı sırasındaise Alman ordusunun Volga Nehri’ne kadar onlarca devletin arazilerini işgal ederek, sanayi binalarınındonanımlarını söküp yeni arazilere taşıması ve bu arazilerde hızlı sanayi üretimine geçebilmesi ancak çeliktaşıyıcı sistemlerin kullanılması ile mümkün olmuştur. Savaş sonrasında ise, sanayi, sosyal-spor tesisleri,okul ve konut binalarının hızla yapılması ihtiyacı, ancak çelik kullanımı ile mümkün olabilmiştir. Böylelikleçelik yapı taşıyıcı sistemlerinin hesaplama yöntemlerinin ve tasarım esaslarının gelişmesi mümkünolmutur. Bu süreçte kaynak teknikleri de gelişmiştir.Font kullanılarak inşa edilen ilk köprü yaklaşık 1778 yılında tamamlandığıtahmin edilen İngiltere’de, Severn nehri üzerindeki Coalbrookdale Köprüsü’dür.Abraham Darby tarafından yaptırılmıştır. Abraham Darby taş kömürü kullanarakkok kömürü üretebilmeyi ve demiri kok kömürü kullanarak işleyebilmeyi ilkbaşaran kişidir. (1700’lere kadar demirin işlenmesinde zengin karbon içeriğinedeniyle odun kömürü kullanılmaktaydı, ancak o yıllarda Avrupa ormanlarınıntükenmesi demirin işlenmesini zorlaştırmıştı. İngiltere’de bol miktarda taşkömürü mevcuttu, fakat taş kömüründe yeterli karbon yoktu. Bu nedenlerle,kok kömürü çelik çağını başlatan büyük bir buluş olarak kabul edilir.)Ancak, Darby’nin işlediği demirin kalitesi iyi değildi. İşlenendemirin içi karbon köpüğüyle doluydu, saat yapımı gibi ince işleriçin elverişsizdi. Üstelik fontun çekme dayanımı iyi değildi. Yinebir İngiliz olan Henry Cort yaklaşık 1784 yılında pudlalamametodunu geliştirerek iyi kalitede dövme çelik üretiminimümkün kılmıştır. Bu buluş sayesinde sanayiye yetecekmiktarda iyi kalite çelik elde edilebilmiş ve odun kömürü iledemir işleyen Rusya ve İsveç`in tekeli kaldırımıştır. Böyleceİngiltere çelik piyasasına hâkim olmuş ve gerek madeni, gerekseüretim yöntemiyle dünyaya kendini kabul ettirmiştir. Budönemde İngilizler madencilikte dünyada rakipsiz durumayükselmişlerdir. Birçok ülke, İngiliz mühendislerini davet edip,kendi ülkelerinde demir fabrikaları kurmaklagörevlendirmişlerdir. Fransa ve Almanya`da ilk yüksek fırınıİngilizler kurmuştur (1787). O yıllarda dövme çelik kullanılarakdolu gövdeli ana kirişli ve kafes ana kirişli köprülerin yapımınabaşlandı. Bunlardan birisi, 1846’da İngiltere’de inşa edilen 140m açıklıklı Britannia Köprüsü’dür.Coalbrookdale KöprüsüBritannia KöprüsüYTÜ İnşaat Müh. Böl. Çelik Yapılar I Ders Notları Yrd. Doç. Dr. Devrim ÖZHENDEKCİZamanımızda çelik konstrüksiyonların kısımları, ulaşım olanaklarına bağlı olarak, mümkün olduğuncabüyük parçalar halinde, kaynaklı birleşimler yapılmak suretiyle atölyelerde hazırlanır. Bu kısımlarşantiyede genellikle bulonlu montaj birleşimleriyle birleştirilerek çelik konstrüksiyon tamamlanır.ÇELİK ÜRETİMİ*Demir, yerkabuğunda en çok bulunan metaldir ve kabuğun yaklaşık olarak % 4,5 unu teşkil eder.Meteorlar haricinde serbest bir eleman olarak bulunmaz. Doğada demir cevheri;- oksitler [magnetit (Fe3O4) ve hematit (Fe2O3)],- hidroksitler [geotit (FeO(OH)) ve limonit (FeO(OH)·nH2O)],- karbonatlar [siderit(Fe2CO3)]halinde bulunur (Şekil 1). Hemen tüm cevher türleri Silisyum Oksit (Si2O) ihtiva etmektedirler. Çoğucevher türleri az miktarda Fosfor, Alüminyum, Kükürt, vb. elementler içermektedir.(a) (b) (c) (d) (e)Şekil 1. Demir cevherleri (a) Magnetit, (b) Hematit, (c) Geotit, (d) Limonit, (e) SideritDemir cevheri, yüksek fırında kok kömür ile yakılıp ergitilerek ham demir elde edilir. Kok kömürünün ikifonksiyonu vardır; birincisi gerekli sıcaklığı sağlamak, ikincisi ise demir ile kimyasal reaksiyona girmek.Kok kömürdeki karbon demir ile alaşım meydana getirir, ayrıca bu alaşım yani ham demir cevherdengelen Silisyum, Alüminyum, Kükürt gibi maddeleri de ihtiva eder. İşlem sonunda cüruf ve yüksek fırıngazları da ortaya çıkar. Cüruf, yoğunluğu az olduğundan ergimiş ham demirin üzerinde toplanır veyüksek fırındaki cüruf deliğinden dışarıya atılır. Elde edilen ham demirin karbon oranı yüksek (%3-5)olduğundan şekil değiştirmeye ve kaynaklanabilmeye elverişli değildir. Bu nedenlerle ham demirişlenerek, kullanılan yöntem ve katkılara bağlı olarak çelik veya dökme demir üretilebilir. Dökme demirkupol fırınında üretilir. İçeriğinde yaklaşık olarak %2~4 oranında karbon vardır. Çelik ise Siemens-Martin,Elektrik Arkı, Oksijen Üfleme gibi yöntemlerle elde edilebilir. Bu yöntemler sonucunda dökme çelik,dövme çelik veya hadde ürünü çelik elde edilir.Isıl işlem sırasında eriyik hale gelmiş çeliğin bünyesinde karbon monoksitten dolayı gaz habbecikleribulunur. Bu haldeki çeliğe gazı alınmamış çelik denir. Silisyum, Alüminyum, Manganez, Kalsiyum gibimaddeler eklenerek, eriyik halde bulunan çelikteki oksijen bağlanarak gaz habbeciklerinin oluşumuengellenir. Böyle çeliğe ise gazı alınmış çelik denir. Gazı alınmış çelikte kükürt ve fosforun yoğunlaştığıyerler (yığılma bölgeleri) daha az oluştuğundan, bu çelik kaynaklanma, yorulma ve bükülme bakımındandaha elverişlidir.Üretilen çelik haddeleme adı verilen şekillendirme işlemine tabi tutulursa istenilen şekli alan ürünler eldeedilir (Şekil 2). Haddeleme belirli bir sıcaklığın üstündeki çelikte yapılabildiği gibi göreceli olarak dahadüşük sıcaklıktaki çelik malzemeye de uygulanabilir. Dolayısıyla; haddeleme yöntemi sıcak veya soğukolarak adlandırılır. Soğuk haddeleme, görece düşük sıcaklıkta malzemeye verilen plastik deformasyonunderecesine bağlı olarak çeliğin mekanik özelliklerini değiştirir, oysa metalin plastik şekil değiştirmesi belirlibir sıcaklığın üzerinde yapılırsa, mekanik özelliklerinde herhangi bir değişiklik olmaz. Sıcak haddelemesırasında kalıplara döküm yapılarak çelik katı eriyiğinden elde edilen slab, kütük veya blum denilenmamüller merdaneler yarımıyla şekillendirilir. Genelde haddeleme işlemi sırasında sıcaklık 12000C-8000Caralığında değişmektedir.YTÜ İnşaat Müh. Böl. Çelik Yapılar I Ders Notları Yrd. Doç. Dr. Devrim ÖZHENDEKCİŞekil 2. Çeşitli ürünlerin haddelenme aşamalarıBazı Hadde Ürünleri:1- Profiller● I ProfilleriNormal I(I veya IPN)Orta Genişlikte I (IPE) Geniş Başlıklı I(IPB veya HEB)Geniş Başlıklı Ağır I(IPBv veya HEM)h-2cccÖrnek: I 300h=300 mmb=125 mms=r1=10,8 mmt=16,2 mmr2=6,5 mmc= 29,5 mmh-2c=241 mmProfil boyut aralıkları:I 80 – I 600IPE 80- IPE 600IPB 100- IPB 1000IPBv 100- IPBv 1000YTÜ İnşaat Müh. Böl. Çelik Yapılar I Ders Notları Yrd. Doç. Dr. Devrim ÖZHENDEKCİ● [ Profilleri● L Profilleri (Korniyerler)● Boru Profiller ● Tüp Profiller ● T Profilleri● Z Profilleri● Ray Profilleri● Özel ProfillerÖrnek: U 200h=200 mmb=75 mms=8,5 mmt=r1=11,5 mmr2=6 mmc=24,5 mmh-2c=151 mmProfil boyut aralıkları:U 30 – U 400h-2cccEşit kollu korniyerÖrnek: L 50x5h=b=50 mmt=5 mmr1=7 mmr2=3,5 mmProfil boyut aralıkları:L 20x3 – L 250x24Farklı kollu korniyerÖrnek: L 150x75x9h=150 mmb=75 mmt=9 mmr1=10,5 mmr2=5,5 mmProfil boyut aralıkları:L 30x20x3 – L 250x90x16CompressionTensionYTÜ İnşaat Müh. Böl. Çelik Yapılar I Ders Notları Yrd. Doç. Dr. Devrim ÖZHENDEKCİ2- Lamalar (Enkesiti dikdörtgen olan çubuklar)Dar Lamalar b=10~250 mm t=5~60 mmİnce Lamalar b=151~1250 mm t=5~60 mmGeniş Lamalar b=12~360 mm t=0,1~5 mm(Örnek : □ 200.10 )3- Levhalarİnce Levhalar t ≤ 2,75 mm; b=530~1250 mm; ℓ=760~2500 mmOrta Levhalar 3 mm ≤ t ≤ 4,75 mm; b≤ 2500 mm; ℓ≥ 7000 mmKaba Levhalar t ≥5 mm; b≤ 3600 mm; ℓ≤ 8000 mm(Örnek : Lev.6.1000.5000 veya Lev.6)Bazı dökme çelik ürünleri:Çelik font (Mesnet parçaları)Su çeliği (Mesnet ruloları, mafsal parçaları)Gri font (Mesnet parçaları)ÇELİK YAPI TAŞIYICI SİSTEMLERİN UYGULAMA ALANLARI*1- Sanayi Yapıları2- KöprülerbtℓbYTÜ İnşaat Müh. Böl. Çelik Yapılar I Ders Notları Yrd. Doç. Dr. Devrim ÖZHENDEKCİ3- Sosyal Yapılar4- Çok Katlı Yapılar5- GökdelenlerYTÜ İnşaat Müh. Böl. Çelik Yapılar I Ders Notları Yrd. Doç. Dr. Devrim ÖZHENDEKCİYAPI MALZEMESİ OLARAK ÇELİK*Yapısal çelik; demirin karbon, silisyum, manganez, alüminyum, bakır, krom, nikel, molibden, bor,vanadiyum, vb. gibi elementler ile teşkil ettiği alaşımdır. Bu katkı maddelerinin çeşitleri ve oranları çelikcinsine göre değişmektedir.En önemli katkı malzemesi karbon, çeliğin sertliğini ve mukavemetini arttırır, ancak işlenebilirliğini diğerbir deyişle şekil değiştirme ve kaynaklanabilme özelliklerini azalttığı için belli bir oranı geçmemesigereklidir (Şekil 2). Alman DIN normuna göre çelik, herhangi bir işlemden geçmeden dövülebilen vegenellikle %1,7’den fazla karbon ihtiva etmeyen bir demir-karbon alaşımıdır. İnşaatta kullanılançeliklerde karbon %0,16-%0,22 aralığındadır.Şekil 3. Karbon yüzdesinin çeliğin çekme mukavemetine ve kopma uzamasına olan tesiri (eksenel çekmedeneyinde numune uzunluğu, numune çapının 10 misli kadardır)Üretim sırasında kullanılan demir cevherinin ve katkılarının kimyasal yapısı ham demirin bileşimini etkiler.Ayrıca çelik üretimi sırasında kullanılan yöntem ve ilave edilen hurda demirin özellikleri de çeliğinkimyasını etkiler. Bu nedenle, türlü çeliklerin, türlü bileşenleri vardır. Öte yandan üretim sürecinin birparçası olarak, mümkün olduğunca azaltıcı tedbirler alınmasına rağmen bazı zararlı bileşenler de (belirlisınırları aşmamak koşuluyla) çeliğin yapısında bulunabilmektedir. Aşağıda bazı çelik bileşenleri veözellikleri verilmiştir:SİLİSYUM: Mukavemeti arttırır, kaynaklanabilme özelliğini ve paslanmaya karşı direnci arttırır. %0,55’iaşmamalıdır, çünkü işlenebilirliği azaltır.ALÜMİNYUM: Fosforun zararlı etkisini ortadan kaldırır. Darbeli kuvvetlere karşı dayanıklılığını arttırır.MANGANEZ: Mukavemeti arttıran bu eleman, çeliğin dövülebilme ve kaynaklanabilme özelliklerine olumluetkide bulunur. Ayrıca paslanmaya , aşınmaya, ve az oranda ısıya karşı olan dayanıklılığını iyileştirir.BAKIR: Korozyon mukavemetini ve sünekliği arttırır.KROM: Mukavemeti arttırır, korozyona, sürtünmeye karşı direnci arttırır.NİKEL: Mukavemeti ve plastikliği arttırır.MOLİBDEN ve BOR: Mukavemeti ve plastikliği arttırırlar. Çok kalın yüksek mukavemetli levhaüretiminde önemleri büyüktür.VANADİYUM: Isıya ve aşınmaya karşı dayanıklılığını arttırır.Bu faydalı elementlerin yanı sıra, içerdiği zararlı elementler; kükürt, fosfor ve azottur. Kükürt çeliğin kızılderecede gevrek olmasına ve kolayca kırılmasına sebep olur. Fosfor çeliğin normal sıcaklık derecelerindeçok gevrek olmasına ve çabuk kırılmasına sebep olur. % 0,2 fosfor ihtiva eden çelik sert bir yere düştüğüzaman cam gibi kırılır ve parçalanır. Her birinin miktarı genellikle %0,04’ ü geçmemeli ve asla %0,05’dençok olmamalıdır. Azot çeliği gevrekleştirir; çelik cinsine göre %0,007 veya %0,009’u aşmamalıdır.KırılmauzamasıÇekmemukavemeti0 0,5 1,0 1,5 1,7255075100kN/cm2102030%400εkσu% CYüksek mukavemetliçeliklerde kullanılırlarYTÜ İnşaat Müh. Böl. Çelik Yapılar I Ders Notları Yrd. Doç. Dr. Devrim ÖZHENDEKCİÇELİĞİN MEKANİK ÖZELLİKLERİKristalli bir malzeme olan çeliğin mekanik özellikleri çekme deneyi ile belirlenir. Çekme deneyinde, çubukbiçiminde bir çelik numune yavaş yavaş ve giderek artan çekme kuvvetine maruz bırakılır. Bu esnada biryandan artan kuvvet etkisiyle çubuğun boyu uzarken, bir yandan da enkesiti daralır ve numunekopuncaya dek kuvvet arttırılmaya devam edilir (Şekil 3.a). Deney boyunca çubukta meydana gelen boydeğişimi ve gerilme değerleri ölçülerek gerilme-şekil değiştirme grafiği hazırlanır (Şekil 3.b). Çubukelastiklik sınırına ulaşıncaya kadar (elastiklik sınır gerilmesi : σ E ) meydana gelen şekil değiştirmelerelastiktir; diger bir deyişle elastik bölgede tesir eden kuvvet kaldırılırsa çubuk başlangıç şekline döner.Hatta bu bölge içinde orantılı sınır gerilmesi (σ P ) diye adlandırılan değerden daha küçük gerilmedeğerlerinde, gerilmeler ve şekil değiştirmeler arasındaki ilişki lineerdir yani Hooke Kanunu geçerlidir:εσE = . Şekil 3.b’ de görüldüğü gibi Hooke Kanunu’nun geçerli olduğu orantılı bölge Hooke doğrusuolarak da adlandırılabilir. Dikkat edilirse doğrunun eğimi elastiklik modülünü vermektedir. Elastiklik sınıraşıldığında ise artık kaçınılmaz olarak çubukta bazı kalıcı hasarlar yani plastik şekil değiştirmeler meydanagelecek demektir. Elastik olmayan bölgede kuvvet arttırılmaya devam edilirse malzeme akma sınırına(σ F ) ulaşır. Şekil 3.b’de de görüldüğü gibi akma durumu, sabit gerilme etkisindeki bir elemanda şekildeğiştirmede meydana gelen artış olarak tanımlanabilir. Akma durumunda meydana gelen büyükdeformasyondan sonra malzeme kendini toparlar ve gerilme yeniden artmaya başlayarak maksimumgerilme (σ B ) değerine ulaşır. Akmadan sonra gerilmenin yeniden artmasına pekleşme denir.Şekil 3 (a) Çekme deneyinin aşamaları (b) Çekme deneyinde gerilme-şekil değiştirme grafiği(a)PPÖlçme boyuElastikdeformasyonPlastik deformasyonAkma+PekleşmeKopmaBoyunvermeε = Δℓ / ℓσ = P/APekleşme bölgesiBoyunvermebölgesiAkmabölgesi(b)YTÜ İnşaat Müh. Böl. Çelik Yapılar I Ders Notları Yrd. Doç. Dr. Devrim ÖZHENDEKCİMaksimum gerilme değerine ulaştıktan sonra mühendislik gerilmesi azalmaya başlar, çünkü çelik boyunverme bölgesine girmiştir ve neticede numune kopma gerilmesine ulaşır. (Şekil 3.b’ de grafikte gerilmelernumunenin başlangıç enkesit alanı dikkate alınarak belirlenmiştir, yani kesit daralması dikkatealınmamıştır. Bu nedenle malzeme bilimciler bu gerilmeleri mühendislik gerilmesi olarak da adlandırırlar.)Çelik malzeme plastik bölgede bir C noktasına kadar yüklendikten sonra, yük kaldırılıp gerilme sıfırlanırsa,gerilme deformasyon ilişkisi Şekil 3.(b)’ deki grafikte |OP| doğrusuna paralel |CC’| doğrusunu takip eder.Bu durumda şekilden de görüleceği gibi yük altında var olan gerilmenin elastik olan kısmı kaybolurken,plastik olan kısmı kalıcı olmaktadır. C noktasına kadar yüklenip, yükü boşaltılmış numune yenidenyüklenirse, bu kez bir önceki yüklemeden ötürü plastik deformasyon (kalıcı hasar) mevcut olduğundangerilme şekil değiştirme ilişkisi |C’CB| yolunu izler. Bu durumda malzeme σ C gerilme noktasına kadarlineer elastik karakter gösterir. Bu olaya pekleşme denir. Pekleşme olayı sonucunda metalin sertliği,akma sınır gerilmesi artar, sünekliği ise |OC’| (plastik deformasyon) kadar azalmış olur.Bu denyde olduğu gibi tatbik edilen soğuk işlemler malzemenin pekleşmesine ve sünekliğinin azalmasına(gevrekleşmesine) yol açarlar. Malzemeye başlangıçtaki yumuşaklığının ve sünekliğinin geri verilmesiistendiğinde, malzeme uygun sıcaklığa kadar ısıtılıp yavaş yavaş soğutulur. Bu işleme tavlama denir vemalzemenin gerilme defromasyon ilişkisi yeniden |OPEFB| haline geir. Özet olarak metalin plastik şekildeğiştirmesi kristalleşme sıcaklığının üzerinde yapılırsa, mekanik özelliklerinde herhangi bir değişiklikolmaz (örneğin sıcak haddeleme konusuna daha önce değinilmişti.)Çeliğin bazı mekanik özellikleri aşağıdaki gibidir:Elastiklik modülü, E = 2,1x106 kg/cm2Kayma Modülü, G=E/2(1+ν ) = 810000 kg/cm2Poisson Oranı, ν = 0,3Isıl genleşme katsayısı (α ) = 0,000012ÇELİĞİN ÜSTÜN ÖZELLİKLERİ- Çelik homojen ve izotrop bir malzemedir. Mekanik özellikleri herhangi doğrultu boyuncadeğişmez.- Çeliğin elastiklik modülü diğer malzemelere oranla çok yüksektir. Dolayısıyla mukavemeti yüksekolduğundan yapıda kullanılan çelik hacmi küçülür: Çelik yapılar göreceli olarak hafiftir.- Burkulmasız durumda çeliğin çekme mukavemeti, basınç mukavemetine eşittir.- Sünek bir malzemedir. Büyük şekil değiştirme yapabilir, plastik hesaba uygundur, deprem yüklerive zemin oturmalarını karşılamak açısından optimum çözümler sunar.- Çelik taşıyıcı elemanlar, büyük ölçüde atölyelerde hazırlanır. Şantiyede yalnız montaj işleri yapılır.Bu bakımdan inşa süresi kısadır, ayrıca hava koşullarından neredeyse bağımsızdır.- Çelik yapılarda takviye ve taşıyıcı elemanların değiştirilmesi nispeten kolaydır.- Çelik yapılar sökülüp yeniden kullanılabilir.- Montaj tamamlandığı anda tam yükle çalışırlar, beklemek gerekmemektedir.- Uygun planlama ile az iskeleli inşaat mümkündür.ÇELİĞİN SAKINCALI ÖZELLİKLERİ- Yanıcı bir malzeme olmamakla birlikte, yüksek sıcaklık derecelerinde mukavemetinde hızlı birdüşüş olur. Ayrıca ısıyı iyi ilettiğinden mukavemet düşüşü hızlı gerçekleşir. 6000C’ dan sonrakullanılamaz hale gelir. Yangına karşı tedbirler alınması gereklidir. (Yüzeyi iletken olmayan birelemanla kaplanırsa veya yanmaz boyalarla boyanırsa dayanıklılığı artar, vb.)- Paslanmaya karşı dayanıksızdır. Sürekli bakım gerektirir. Boyama, betona gömme, korozyonadayanıklı özel alaşımlı çelik kullanma, vb. alınacak tedbirlerdendir.- Asit, baz ve tuza karşı dayanıksızdır.- Ses ve ısıyı iyi iletir, dolayısıyla yalıtım gerektirebilir.- Çelik yüksek mukavemetli bir malzeme olduğundan seçilen kesitler narindir. Burkulma yerelburkulma gibi olası stabilite problemleri hesaplar sırasında dikkate alınır. Ayrıca narinliğinderecesine bağlı olarak elemanların basınç taşıma gücü çekmeye oranla bir miktar daha küçüktür.Yukarıda anılan tüm sakıncalı özelliklere karşı alınan tedbirler maliyeti arttırır.YTÜ İnşaat Müh. Böl. Çelik Yapılar I Ders Notları Yrd. Doç. Dr. Devrim ÖZHENDEKCİÇELİK YAPILARDA TASARIM YÖNTEMLERİKuşkusuz bir yapı elemanını boyutlandırırken seçilen kesitin uygulanan yükler etkisinde emniyetli veekonomik olması gerekmektedir. Ekonomikliğin ölçüsü yapıda sarfedilen çelik ağırlığının minimumolmasıdır ki, bu da çelik yapı elemanının en küçük enkesit alanına sahip olmasını gerektirir. Kesitseçiminde montaj sırasındaki koşulları kolaylaştırmak da bir etken olabilir, ama ikinci derecede önemtaşır.Çelik Yapı elemanlarının tasarımı için yukarıda bahsedilen çerçeve içinde faydalanılabilecek üç farklıyaklaşım mevcuttur:1- Emniyet Gerilmeleri Yöntemi (Allowable Stres Design - ASD)Boyutlandırma sırasında; bir elemana ait enkesit alanı ve/veya enkesit atalet momenti gibi büyüklükler,bu elemanda oluşacak gerilmelerin “emniyet gerilmesi” (“oluşmasına izin verilen en büyük gerilme”)değerinden küçük olmasını sağlayacak yeterlikte olmalıdır. Bu emniyet gerilmesi değeri mutlakamalzemenin elastik davrandığı bölgede olmalı ve akma gerilmesinden küçük olmalıdır. Emniyet gerilmesi,akma gerilmesini belli bir emniyet katsayısına bölmek suretiyle elde edilir. Emniyet gerilmesi yöntemindekullanılan yükler “işletme yükleri” olmalıdır. Özetle, bu yöntemde işletme yükleri etkisinde elemanlardaoluşan gerilmeler, hiçbir zaman emniyet gerilmesinden büyük olmamalıdır. İşletme yükleri, “servisyükleri” olarak da adlandırılabilirler.Bu yönteme göre örneğin maruz kaldığı işletme yükü etkisinde yalnızca normal gerilme meydana gelenbir çelik yapı elemanında meydana gelen gerilme σ , emniyet gerilmesi olan σ em den daha küçük veyaeşit olmalıdır.σ ≤σ emσ em ise şöyle belirlenir:FFem νσσ = (1)Burada σ F Şekil 3(b)’ de görülen akma gerilmesidir. ν F ise emniyet katsayısıdır.2- Plastik Tasarım (Plastic Design)Plastik tasarımda, işletme yükleri yerine “taşıma gücüne ulaşma durumu” dikkate alınır. Bu yaklaşımdaelemanlar, işletme yüklerinden bayağı büyük yükler dikkate alınarak belirlenir. Burada taşıma gücüneulaşma ile kastedilen göçme veya çok büyük deformasyonların oluşmasıdır. Taşıma gücüne ulaşmasırasında elemanın bazı kısımlarında plastikleşmenin oluşmasına neden olacak kadar çok büyük şekildeğiştirmeler ortaya çıkar. Ayrıca çeşitli noktalarda enkesitlerin yükseklikleri boyunca tamamenplastikleşmesi nedeniyle plastik mafsallar da ortaya çıkacaktır. Plastik mafsal sayısının artması yapıda“göçme mekanizması” oluşturur. Gerçek yükler, elemanları taşıma gücüne ulaştıran yüklerden daimaemniyet katsayısı kadar daha küçük olacakları için, bu yöntemle boyutlandırılan elemanlar emniyetsizolmaz. Kabaca plastik tasarım şöyle özetlenebilir:1- “Servis yükleri”, “taşıma gücü yükleri”ni elde etmek için yük katsayısı ile çarpılarak büyütülür.2- Bu yükler altında taşıma gücüne ulaşmayacak biçimde enkesit özellikleri belirlenir. (Bu özellikleresahip bir eleman katsayı ile çarpılarak büyütülmüş yükler etkisinde taşıma gücüne ulaşmasınırındadır.)3- Belirlenen enkesit özelliklerine sahip en hafif enkesit seçilir.3- Yük ve Mukavemet Faktörü İlkesi (Load and Resistance Factor Design - LRFD)Olasılık esaslı olan bu yaklaşım plastik tasarıma benzemektedir çünkü limit durumlar dikkate alınır. Genelfelsefe kısaca şu formülle özetlenebilir:φRn ≥ Σγ iQiBu denklemin sol tarafı yapı ve yapı elemanlarının mukavemetini, sağ tarafı ise dış yükleri ifade eder. Buyöntemde servis yükleri yük katsayıları ( iγ ) ile çarpılırlar ve elemanlar katsayılarla çarpılıp arttırılmışyükleri karşılayabilecek şekilde seçilirler. Katsayılarla çarpılmış yükler taşıma gücüne ulaşma durumunuifade ettiklerinden gerçekte var olan servis yüklerinden büyüktürler ve dolayısıyla yük katsayıları da 1’denYTÜ İnşaat Müh. Böl. Çelik Yapılar I Ders Notları Yrd. Doç. Dr. Devrim ÖZHENDEKCİbüyüktürler. Bu yükler elemanları limit durumlara ulaştırırlar; limit durumlar ise kırılma, akma veyaburkulma olabilir. Bunun yanı sıra, elemanların teorik mukavemetleri ise 0,75-1 aralığındaki azaltmafaktörleri (φ ) ile çarpılır.Ülkemizde yürürlükte olan “Çelik Yapıların Hesap ve Yapım Kuralları, TS 648/ Aralık 1980” şartnamesiEmniyet Gerilmeleri Yöntemi’ ni esas almaktadır. Dolayısıyla Çelik Yapılar I dersinde anlatılacakesaslar ve hesap yöntemleri Emniyet Gerilmeleri Yöntemi’ ne göredir. Öte yandan TSE tarafındanyürürlükte olduğu ilan edilen TS EN 1993-1-1 (Eurocode 3) şartnamesinde ise taşıma gücüne dayalıtasarım ilkesi kabul edilmiş olmasına rağmen, bu şartname ülkemizde pratikte çok az bir uygulama alanıbulmuştur. ABD’ de 2005 yılında yayınlanan en son Çelik Yapı Şartnamesi hem “Emniyet GerilmeleriYöntemi”, hem de “Yük ve Mukavemet Faktörü İlkesi” ni eş zamanlı olarak içermektedir.Ayrıca, “Çelik Yapıların Plastik Teoriye Göre Hesap Kuralları, TS 4561/ Ekim 1985” şartnamesi de belirlikoşulları sağlayan yapıların “Plastik Tasarım” yöntemiyle boyutlandırılması sırasında kullanılabilir.ÇELİK YAPILARDA YÜKLER“Çelik Yapıların Hesap ve Yapım Kuralları, TS 648/ Aralık 1980 ” e göre:Gerilme ve Stabilite Tahkikleri:“Çelik yapılarda dayanım ve stabilite tahkikleri için yükler TS 498’ den alınmalıdır. Bu konuda yeter bilgiolmayan hallerde, yükler yetkili proje kontrolü ile ortaklaşa tayin edilir.”Yüklerin ayrılması:Bir yapıya etkiyen yükler esas yükler ve ilave yükler olmak üzere ikiye ayrılır:Esas yükler: Öz (Zati) yükler, hareketli yükler, kar yükü (rüzgarsız olarak), kren öz yükü (sık işler haldekibir krende kren hareketli yükü de esas yüklerden sayılır), makinelerin kütle kuvvetleri. (EY) (H)İlave Yükler: Rüzgar etkisi, deprem etkisi, krenlerin fren kuvvetleri, yatay yanal kuvvetler, ısı değişimi ilemeydana gelen etkiler, montaj aşamalarında ortaya çıkan yükler. (İY) (Z)Yükleme Durumları:Boyutlandırma ve dayanım tahkiklerinde aşağıdaki yükleme durumları hesaba katılır:EY Yüklemesi: Esas yüklerin toplamı (Yükleme I veya H Yüklemesi de denir)EİY Yüklemesi: Esas ve ilave yüklerin toplamı (Yükleme II veya HZ Yüklemesi de denir)“Eğer bir yapıya öz yükünden başka yalnız tali yükler tesir ediyorsa, bu yüklerden en büyüğü esas yükyerine geçer.”Emniyet Gerilmeleri:Yükleme I durumunda denk.(1) deki emniyet katsayısı ν F =1,71Yükleme II durumunda denk.(1) deki emniyet katsayısı ν F =1,50Yapı çeliği olarak en çok kullanılan çelik cinsi St 37’dir. Bunun yanı sıra diğer bir önemli çelik cinsi iseSt.52’dir. Çelik yapı elemanlarının tek eksenli eğilmeye maruz kalması durumunda kullanılacak emniyetgerilmeleri aşağıdaki tabloda verilmiştir:Emniyet Gerilmesiσ emKayma Emniyet GerilmesiÇelik Cinsi τ emAkma Sınırıσ F (kN/cm2)EY (H) EİY (HZ) EY (H) EİY (HZ)St 37 24 14 16 9 10,5St 52 36 21 24 13,5 15,5Elemanda iki eksenli gerilme olması halinde, biçim değiştirme işi teorisine (Von Mises kıstasına) göreσ v kıyaslama gerilmesi hesaplanır ve aşağıdaki koşulun sağlanması konrol edilir:YTÜ İnşaat Müh. Böl. Çelik Yapılar I Ders Notları Yrd. Doç. Dr. Devrim ÖZHENDEKCİ0,80 ( )0,75 ( )2 2 3 2HZHFFv x y x y xy σσσ = σ +σ −σ σ + τ ≤Kesitte eğilme+kayma durumunda ise:0,80 ( )0,75 ( )2 3 2HZHFFv σσσ = σ + τ ≤“TS 498/Kasım 1997” nin kapsamı:“Konutlar, bürolar, resmi daireler, okullar, hastaneler, spor tesisleri, eğlence yerleri, garajlar, vb.yapılardaki taşıyıcı elemanların (kagir, beton, betonarme, ahşap, çelik, vb.) boyutlandırılmasında alınacakyüklerin hesap değerini kapsar. Köprüler, su yapıları, önemli dinamik etkilere maruz her çeşit endüstriyapıları ve yüksek gerilim iletme hatları vb. gibi maruz oldukları yükler bakımından özellik gösterenyapıların yüklerini kapsamaz. Ayrıca; betonarme, çelik gibi değişik yapılarda etkisi farklı olan sıcaklıkdeğişimi, rötre, deprem, vb. etkiler sözü geçen yapıların standardından ve ilgili mevzuattan alınacaktır.”TS 498/Kasım 1997 – Madde 7 “Kar Yükü Hesap Değeri” (Pk) ve Madde 8 “KAR YÜKÜ” (Pko)Hareketli yük sınıfına giren zemin kar yükü (Pko), coğrafi ve meteorolojik şartlara göre değişmektedir.300 ye kadar eğimli çatılarda kar yükü hesap değeri (Pk), zemin kar yükü (Pko) değerine eşit kabul edilirve çatı alanına planda düzgün yayılı olarak tesir ettiği kabul edilir. Yatayla α açısı kadar eğim yapan vekar yağmasının engellenmediği yapılarda kar yükünn hesap değeri aşağıdaki gibidir:k ko P = m.P 00401 30−= −α m (m değeri için TS 498/Kasım 1997 Çizelge-3 (Syf 7) kullanılabilir)Görüldüğü üzere çatı eğimi arttıkça karın yüzeye tutunması ve birikmesi güçleşir (ya rüzgarla kolaysavrulur ya da yerçekimi etkisiyle kayar), bu nedenle kar yükü hesap değeri yukarıda belirtildiği biçimdeazaltılır.Ülkemiz il ve ilçeleri kar yükü açısından dört bölge olarak sınıflandırılmıştır (Kar Bölgeleri ile ilgili Çizelge,TS 498/Kasım 1997 -EK 1- Syf 14-18) (Türkiye’nin kar haritası, TS 498/Kasım 1997 –EK 2- Syf.19) ; busınıflandırmada bölge numarası büyüdükçe kar yükünün değeri de artmaktadır. Ayrıca yapı yerinindenizden yüksekliği de kar yükü şiddetini etkilediği için, yapılara tesir edecek kar yükleri belirlenirkengerek kaçıncı derece kar bölgesi olduğu, gerekse yapı yerinin denizden yüksekliğinin dikkate alındığı TS498/Kasım 1997 Çizelge 4 (Syf 7) kullanılmalıdır.“Tipik olmayan özel yapımlı çatılarda kar yükü hesap değeri (Pk), yapılacak kar yükü dağılımı deneyisonucunda belirlenmelidir. TS 498’ deki açıklamaların dışında kalan bölgeler için o yerdeki kar yağmasüresi ve yüksekliğe bağlı olarak Çizelge-4’ de verilen değerler, varsa meteorolojik ölçmelerden defaydalanılarak arttırılmalıdır. Kar yağmayan yerlerde kar yükü sıfır alınmalıdır.”YTÜ İnşaat Müh. Böl. Çelik Yapılar I Ders Notları Yrd. Doç. Dr. Devrim ÖZHENDEKCİKar Yüklemesiyle ilgili ek olarak: TS 498/Kasım 1997’de yer almamakla beraber, eklemek gerekir ki;eğimli çatısı olan yapılarda, rüzgar veya güneş nedeni ile çatının bir tarafında kar birikmeyebilir. Bunedenle, tüm çatıya etki eden tam kar yüklemesinin yanı sıra, yalnızca çatının sol yanına ve yalnızca sağyanına etkiyen yarım kar yüklemeleri de mutlaka yapılmalıdır.Çatının simetrik olmaması nedeniyle gerçekte ve hesaplarda (m katsayısı ile azaltmalar uygulandığından)aynı çatının farklı kısımlarında farklı kar yükleri ortaya çıkabilir.Ayrıca, çatı geometrisi kar birikimine neden olacak tarzda ise yine aynı çatının farklı kısımlarında farklı karyükleri dikkate alınmalıdır. Kar birikimi için “Yapılar üzerindeki etkiler - Bölüm 1-3: Genel etkiler - Karyükleri (Eurocode 1)TS EN 1991-1-3 /2007” şartnamesinden faydalanmak gereklidir.Kar birikmesi oluşabilecek bazı çatı geometrilerine örnekler.Pk Pk PkTam Kar Yüklemesi Sol Yarım Kar Yüklemesi Sağ Yarım Kar YüklemesiPk1 Pk2YTÜ İnşaat Müh. Böl. Çelik Yapılar I Ders Notları Yrd. Doç. Dr. Devrim ÖZHENDEKCİDevlet Meteoroloji Genel Müdürlüğü çalışanlarından Y.Müh. Abdullah CEYLAN yayınladığı bildirisindeTürkiye’ de 1940-2000 yılları arasında meydana gelen afetlerle ilgili yaptığı araştırmada aşırı kar yüküetkisiyle her yıl ortalama sekiz adet can ve/veya mal kaybına neden olan çatı göçmesi olayı yaşandığınırapor etmiştir. Son yıllarda yapılan bilimsel çalışmalar da TS 498/Kasım 1997’de verilen kar yükü hesapdeğerlerinin güvenilirliği ile ilgili endişe yaratmaktadır. Örneğin KTÜ öğretim elemanı Mustafa DURMAZ veaynı üniversiteden Prof. Dr. Ayşe DALOĞLU yaptıkları çalışmalarda, Devlet Meteoroloji İşleri GenelMüdürlüğü’ne bağlı 31 istasyondan 29 yıllık, yine aynı kuruma bağlı Ulaş İstasyonu’ndan 22 yıllık karyağışı ölçüm bilgilerini alarak Doğu Karadeniz Bölgesi’ne ait zemin kar yükü hesap değeri haritasını üç tipistatistik dağılım modeli kullanarak oluşturmuşlardır. Saygın ulusal ve uluslararası dergilerde yayınladıklarımakalelerinde sundukları sonuçlar son derece düşündürücüdür; örneğin Doğu Karadeniz’deki yerleşimbölgelerinin %76,2’ sinde TS 498/Kasım 1997’de verilen kar yükü hesap değeri, gerçek ölçümlere dayalıolarak belirlenenlerden düşüktür ve hatta bazı yerleşim yerleri için TS 498’ de verilen hesap yükleri, eldeedilen değerlerin (2,28-3,22)’de biri kadardır.TS 498/Kasım 1997 – Madde 11 “RÜZGAR YÜKÜ”“Hesaplama için verilen açıklamalar bütün yapılar için geçerli olmakla beraber kendi şartnameleri veyastandartları olan, mesela köprü, vinçler, yüksek bacalar (fabrika bacası vs. gibi), radyo vs. yayın kulelerive yüksek gerilim hatları gibi yapılar için geçerli değildir.”Rüzgar yükü yapının geometrisine bağlıdır.Rüzgar kanalı deneyi yapmak yoluyla, rüzgarın esiş yönüne ve yapı geometrisine bağlı olan aerodinamikyük katsayısı (cf) belirlenebilir. Öte yandan rüzgar deneyi yapmak ülkemizde pek kullanılan bir yöntemdeğildir, ayrıca TS 498/Kasım 1997’de, Şekil 1 / Syf 9’ da verilen cp katsayıları kullanılarak rüzgar yükühesap değerinin şöyle de belirlenebileceği belirtilmiştir:w c q (kN /m2 ) p = ×Burada;cp : Emme katsayısıq : Rüzgar basıncı (kN /m2 )q ise zeminden yüksekliğe bağlı olarak, rüzgar hızının değişmesi ile değişen bir katsayıdır ve doğrudandoğruya rüzgar hızının bir fonksiyonudur. Bu katsayının sayısal değerleri TS 498/Kasım 1997’de, Çizelge5 / Syf 9’ da verilmiştir.Rüzgarın esiş yönüne bağlı olarak, yapıda rüzgarın dik olarak tesir ettiği yüzeyde basınç arka yüzeydeemme etkisi oluşmaktadır.(cp katsayısı değerleri)YTÜ İnşaat Müh. Böl. Çelik Yapılar I Ders Notları Yrd. Doç. Dr. Devrim ÖZHENDEKCİ( q katsayısı değerleri)“Münferit taşıyıcı yapı elemanları için (mesela mertek, aşık, cephe elemanı vs. gibi) rüzgar basıncı değerikatsayısı 1/4 arttırılır.”Yukarıdaki Şekil 1’ e ek olarak TS 498/Kasım 1997 Syf.10 ve 11’ deki Çizelge 6’ da rüzgardan etkilenenfarklı özelliklerdeki yapı cepheleri için C katsayıları verilmiştir.TS 498/Kasım 1997 – Madde 9 “Kar Yükü ve Rüzgar Yükünün aynı anda düşünülmesidurumu”450 ye kadar eğimli çatılarda kar yükü ve rüzgar yükünün aynı anda etkimesi halinde hesap kolaylığıolarak ve yeterli yaklaşımla2)2) kka P +W veya b W + Pdır. Burada en gayri müsait durum alınır.450den fazla eğimli çatılarda ise, aynı anda etkiyen kar ve rüzgarın etkisinin TS 498/Madde 9’daki gibihesaplanabilmesi için, kar birikintileri meydana gelen çatılar veya yoğun kar yağışlı bölgeler olmasıgereklidir.TS 498/Madde 9’ da rüzgar ya da kar yükünün ikiye bölünmesi ile kastedilen yükün sayısal değerininikiye bölünmesidir. Öte yandan; TS 498/Madde 9’da istenmemekle birlikte, TS 648/Aralık 1980’de EİYyüklemesi tanımı yapının öz yüküne, tam kar ve tam rüzgar yüklemelerini ilave etmek gibiyorumlanabileceğinden, W + Pk yüklemesi de yapılabilir. Ayrıca yükün şiddetinin yarıya bölünmesinin yanısıra, yukarıda ek olarak ifade edilen sistemin yarısının karla yüklü olması durumları da dikkate alınıncarüzgar ve karın birlikte etkimesi ile alakalı yükleme hallerinin sayısı artmaktadır.Bu yükleme halleri ile ayrıntılı bilgi için aşağıda bağlantı verilen web sayfasındaki sununun son sayfasınabakabilirsiniz:http://mmf.ogu.edu.tr/atopcu/index_dosyalar/Dersler/Betonarme2/Sunular/Betonarme_2_4.pdfTS 498/Kasım 1997 – Madde 10 Buz YüküŞartnamemizde buz yükü için genel geçer bir değer verilmemektedir. Zira buz oluşumu, pek çokdeğişkene bağlıdır; rüzgar yönü, yükseklik, nem oranı, hava sıcaklığı, yapı malzemesi, vb. gibi pek çoknedene bağlı olarak değişkendir.Öte yandan, buzlanmanın çok görüldüğü bir yer için buz yükünün mutlaka hesaba katılması gerekiyorsave elde yeterince veri yoksa; eğer bu yer deniz seviyesinden 400 m veya daha yüksekte ise bütünyüzeyin 3 cm kalınlıkta buzla kaplı olduğu düşünülebilir. Buzun birim hacim ağırlığı ise 7 kN/m3 alınır.YTÜ İnşaat Müh. Böl. Çelik Yapılar I Ders Notları Yrd. Doç. Dr. Devrim ÖZHENDEKCİTS 648’ deki tanımlamaların “Deprem Bölgelerinde Yapılacak Binalar Hakkında Yönetmelik /Mayıs 2007” nin 4. Bölüm’ ünün tasarım kurallarının uygulanması açısından ayrıntılandırılması veböylelikle işlerlik kazanması amacıyla İMO İstanbul Şubesi’ nde kurulmuş olan Çelik Yapılar Komisyonu1aşağıda değinilen raporu hazırlamıştır. Pek çok konu başlığında faydalanılacağı gibi Çelik YapılardaBoyutlandırmaya Esas Olan Yükleme Hali ile ilgili olarak da bu rapordan faydalanılacaktır.“Çelik Yapılar – Hesap Kuralları ve Proje Esasları, İMO – 02, R – 01 / 2008” e göre:Boyutlandırma ve gerilme tahkikleri ile her zaman en büyük enkesitleri gerektiren yükleme hali gözönünde tutulmalıdır.Bu yükleme durumunu elde etmek için faydalanılacak yük kombinasyonları aşağıdaki gibidir:a) D (EY)b) D + L + (Lr veya S) (EY)c) D + L + (Lr veya S) + T (EİY)d) D + L + S + W/2 (EİY)e) D + L + S/2 + W (EİY)f) 0,9D ± E/1,4 (EİY)*g) D + L + S + E/1,4 (EİY)*h) D + (W veya E/1,4) (EİY) veya (EİY)*i) D + L + (W veya E/1,4) (EİY) veya (EİY)*j) D + L + (W veya E/1,4) + T (EİY) veya (EİY)*Bu yük kombinasyonlarında;D : ölü yükler, kren yükü ve makinelerin kütle kuvvetleriL : hareketli yüklerLr : çatılarda hesaba katılacak hareketli yükler ve su birikmesi nedeniyle oluşan etkilerS : kar yüküW : rüzgar yüküE : deprem yüküT : sıcaklık değişimi ve mesnet çökmesi nedeni ile oluşan etkiler, krenlerde fren ve yanal çarpmakuvvetleri(EİY) halinde kombinasyonda deprem yükü yoktur. EY haline ait emniyet gerilmeleri 1,15 ile çarpılarakbüyütülecektir.(EİY)* halinde kombinasyonda deprem yükü vardır. EY haline ait emniyet gerilmeleri 1,33 ile çarpılarakbüyütülecektir.
8 Mayıs 2015 Cuma
ÇELİK YAPILARIN TARİHÇESİ
Kaydol:
Kayıt Yorumları (Atom)
Hiç yorum yok:
Yorum Gönder