1 ) ÇELİK YAPILAR HAKKINDA GENEL BİLGİLER

Transkript

1 1 ) ÇELİK YAPILAR HAKKINDA GENEL BİLGİLER 1.1 ) Çelik Yapıların Tarihçesi Bugünkü anlamda çelikten önce, ilk olarak demir yapı malzemesi olarak kullanılmıştır. Demir malzeme kullanılarak ilk inşa edilen mühendislik yapıları köprülerdir. İlk köprü 1778 de İngiltere de 31 m açıklıklı olarak font kullanılarak imal edilmiştir. Font, ham demire yaklaşık % 4-5 kadar Karbon ilave edilmesi ile edilen yüksek dayanımlı gevrek alaşımdır. Fontun basınç mukavemetinin yüksek olmasının yanı sıra çekme mukavemetinin düşük olması nedeniyle, köprüler genellikle kargir köprüler gibi kemer şeklinde imal edilmiştir. Demir önceleri sadece silah ve eşya yapımında kullanılabilmiştir. İngiltere de yüksek fırın yöntemiyle büyük miktarda demir ve font üretiminin başlaması ile yapı malzemesi olarak kullanılabilmesi olanağı ortaya çıkmıştır yılından itibaren dövme çelik ve dökme çelik yapı malzemesi olarak kullanılmaya başlanmış. Çekme mukavemetinin de yüksek olduğu dövme ve dökme çelik ile daha büyük köprüler inşa edilebilmiştir. 20. yüzyılın başından itibaren elektrik fırınlarında, ham demirin arıtılması sağlanabilmiş böylece büyük miktarda dökme çelik üretimine geçilmiştir. Bununla birlikte 1890 yılından itibaren dövme çelik yerini tamamen dökme çeliğe bırakmıştır. Dökme çeliğin kullanılmaya başlanmasıyla da modern çelik tekniği ortaya çıkmış ve bu alanda büyük ilerlemeler olmuştur. II. Dünya savaşından sonra özellikle Almanya ve diğer ülkelerde, modern çelik yapıların kullanımı hızla yaygınlaşmıştır. Türkiye de inşa edilen ilk çelik köprü 1974 de tamamlanan Boğaziçi köprüsüdür. İngiltere de inşa edilen ilk demir köprü Türkiye de inşa edilen ilk çelik asma köprü

2 Montaj aşamasında olan bina tipi çelik yapılar 1.2) Malzeme iç yapısı ve Üretimi Mekanik olarak işlenebilen yani, dövülerek, preslenerek, haddeden geçirilerek şekil alabilen demir alaşımlarına çelik denir. Çelik alaşımları, demir dışında aşağıda aşağıdaki bileşenleri içermektedir. Karbon (C) [% ] Fosfor Kükürt Azot Silisyum Manganez Bakır Krom Nikel Vanadiyum Molibden Yüksek mukavemetli çeliklerde kullanılır Çeliğin mekanik özelliklerini belirleyici en önemli parametre içeriğindeki Karbon miktarıdır. Çelik içindeki Karbon arttıkça çeliğin mukavemeti ve sertliği artmaktadır. Ancak sertliğin artması sünekliğin azalması anlamına gelmektedir. Çelik cinsleri içindeki karbon miktarlarına göre sınıflandırılırlar. Üretim aşamaları Yüksek fırınlarda kok kömürü yakılarak demir cevherinin ergitilmesi sonucu ham demir elde edilir. Thomas, Siemens-Martin, Bessemer vb. ısıl işlem yöntemlerinden biri kullanılarak özel fırınlarda ham demirin arıtılıp, katkılanması sonucu sıvı haldeki çelik malzeme (alaşım) elde edilir. Sıvı haldeki çelik malzemesi haddeleme olarak isimlendirilen sıcak şekillendirme işlemine tabi tutulur ve istenilen en kesit özelliklerine sahip elemanlar (hadde ürünleri) üretilir.

3 Çelikte şekil verme işlemi kristalleşme sıcaklığının üstünde yapılırsa, mekanik özelliklerde herhangi bir değişme olmaz. Ancak şekil verme işlemi soğuk ortamda yapılırsa mekanik özellikler büyük ölçüde değişime uğrar. Plastik kıvamdaki çelik malzemenin Haddeleme işlemi Haddeleme ile çeşitli çelik elemanların şekillendirilmesi

4 1.3) Çelik yapılar için boyut Standartları Çelik yapılarda kullanılan hadde ürünleri ve döküm ürünleri aşağıda verilmiştir. A) Hadde Ürünleri 1) Profiller I profilleri (NPI, IPE, IPB, IPBv, IPEo, HE, HL, HD, HP, W, UB, UC vb.) (Örnek gösterim: NPI 200, IPB 240, IPE 300) [ profilleri (Örnek gösterim: [ 20, [ 24 ) L profilleri (korniyerler) (Örnek gösterim: L , L ) T profilleri Boru profilleri (Dikdörtgen ve daire enkesitli) Ray profilleri Özel profiller

5 2) Lamalar (dikdörtgen enkesitli çubuklar) Dar lamalar (b=10-150mm, t=5-60mm) Geniş lamalar (b= mm, t=5-60mm) İnce lamalar (b=12-360mm, t=0.1-5mm) (Örnek gösterim: ) b : genişlik t : kalınlık 3) Levhalar İnce levhalar (t 2.75 mm) Orta levhalar (3 t 4.75 mm) Kaba levhalar (t >5 mm) (Örnek gösterim: Lev , veya Lev. 4 ) t : kalınlık B) Döküm Ürünleri Çelik font, su çeliği, gri font (Mesnet parçaları, mafsal parçaları vb.)

6 Yaygın olarak kullanılan profil tipleri ve boyutları I ve U profilleri Korniyerler Boru profilleri Daire kesitli borular Kare kesitli borular Dikdörtgen kesitli borular

7 1.4) Çelik Yapıların Avantaj ve Dezavantajları Avantajları Çelik ürünleri üretiminin fabrikada yapılaması nedeniyle, belirli bir denetimden geçtiği düşünülerek malzeme güvenlik katsayısı küçük alınır. Mukavemeti diğer yapı malzemelerine göre çok yüksek olması sayesinde, elema boyutları ve dolayısıyla yapı öz ağırlığını hafifletir. Elastisite modülünün büyük olması nedeniyle, eğilme rijitliğinin etkili olduğu elemanlarda ekonomik çözümler verir. Prefabrik olması nedeniyle, inşaat süresi hızlıdır ve hava koşullarından etkilenmez. Yapı elemanları kolay değiştirilebilir, takviye edilebilir ve gerektiğinde başka yerlerde kullanılabilir. Dezavantajları Yanıcı olmamakla birlikte, ısı yükseldikçe mukavemetinde ve elastisite modülünde hızlı düşüşler meydana gelir. Su veya diğer kimyasal maddeler ile teması halinde paslanma (korozyon) olayını başlatır ve korozyon malzemenin mukavemetini azaltır. Bu nedenle, çelik yapılar periyodik olarak bakımdan geçirilmelidir. Ses ve ısı yalıtımı bakımından çok iyi bir iletken olması nedeniyle yalıtım önlemi alınmalıdır. 1.5 ) Çelik Yapılarda Yorulma Çelik yapı elemanları veya birleşimleri ard-arda ve çok sayıda tekrar eden yükler etkisi altında kalırsa, tek bir tekrar içindeki maksimum gerilme, eleman veya birleşimin akma sınırı gerilmesinin çok alında olmasına rağmen, belirli bir yük tekrarından sonra eleman veya birleşim yük taşıma kapasitesini kaybedebilir. Bazı mekanik veya metalurjik süreksizlik noktalarındaki çatlakların ardışık tekrarlı yükler etkisi altında yayılması ile meydana gelen bu olaya yorulma adı verilir. Yorulma olayına iç çatlaklar sebep olduğu için genellikle çekme (eksenel çekme, eğilme çekmesi) etkisi altında yorulma söz konusudur. Basınç etkisi altında yorulma meydana gelmez. Yorulma dayanımını etkileyen başlıca etkenler aşağıda verilmiştir. Yük tekrar sayısı Her bir tekrardaki gerilme maksimum ve minimum gerilme farkı ( max min ) Lokal gerilme yığışmalarının büyüklüğü

8 Maksimum çekme gerilmesi Maks. Çekme gerilmesi Yorulma limit gerilmesi Tekrar sayısı Özellikle sünek çelik taşıyıcı elemanların yorulma ömrünün oldukça büyük (110 milyon) tekrar sayılarında gerçekleştiği bilinmektedir. Bu nedenle yorulma olayı, yoğun tekrarlı yüklere maruz olan köprülerde, kren kirişlerinde, dalga kuvvetlerine maruz iskele ve liman yapılarında, sürekli rüzgar etkisindeki yapılarda titreşim üreten makinelerin mesnetlendiği sistemlerde etkili olmaktadır. Bu tür yapı sistemlerinde yorulma gözönüne alınarak tasarım yapılır. Bunun dışındaki çelik yapılarda yorulma etkisi ihmal edilebilecek düzeyde kalmaktadır. 1.6) Çelik Yapılarda Korozyon Çelik yapı malzemelerinde herhangi bir önlem alınmadığı durumlarda, açık hava koşulları veya direkt su etkisi altında oluşan bir reaksiyon sonucu eleman yüzeylerinde oksit ve hidroksit özellikte bir tabaka oluşur, buna korozyon yada paslanma adı verilir. Bu olay sonucu elemanda kabuklanmalar, çatlamalar ve yarıklar oluşabilir. Bu kusurlar nedeniyle eleman taşıma kapasitesinde ve rijitliğinde önemli azalmalara yol açacağından korozyona karşı mutlaka önlem alınmalıdır. Yoğun korozyona uğramış bir iskele ayağı

9 Çelik Yapılarda Korozyon için alınabilecek önlemler aşağıda verilmiştir: Konstrüktif önlemler (Girinti çıkıntıları azaltmak, köşe yerine dairesel yüzeyler kullanmak vb.) Boyama Polimer tabaka ile kaplama Metalik üst yüzey kaplaması uygulama (Galvanizleme işlemi) Polimer harçlarla kaplama Çimento harçları ve beton ile kaplama Lastik kaplamalar Emaye kaplama Katodik koruma Konstrüktif korozyon önlemlerine örnekler Doğru Hatalı Su birikintisine sebep olan konumlama Korozyon maruz bölge

10 1.7 ) Çelik Yapılarda Yangın (Yüksek Sıcaklık) Etkisi Çelik yapıların en büyük dezavantajlarından biri yüksek ısı (yangın) etkisi altında mekanik özelliklerinin hızla olumsuz yönde etkilemesidir. Sıcaklık artıkça çeliğin elastisite modülü ve akma mukavemeti önemli azalmalar gösterir. Sıcaklık 1000 o C ye ulaştığında ise akma dayanımı sıfıra yaklaşır, yani çeliğin taşıma kapasitesi tamamen sona erer. Çelik yapıların yangın güvenliğinin sağlanması amacıyla; a) Yapıda yangın oluşumunu ve yaygınlaşmasını önleyecek yangın söndürme sistemleri oluşturulabilir. b) Yangın etkisi altında meydana gelebilecek sıcaklık değerleri esas alınarak bina tasarımı yapılabilir. (Bunun için yangın senaryoları hazırlanmalıdır) c) Çelik taşıyıcı elemanlara yangın etkisine dayanabilecek düzeyde yalıtım uygulanabilir. (Yalıtım için genellikle alçı sıva, alçı kaplama, perlit vb mineral içerikli sprey kaplamalar ve perlit içerikli beton kaplamalar kullanılmaktadır. Yangın konusunda alınacak önlemler ve yapılacak yalıtımların özellikleri Binaların yangından korunması hakkında yönetmelik (Çevre ve Şehircilik Bakanlığı 2015) esaslarına göre yapılması gerekmektedir. Isı etkisi altında çeliğin gerilme şekildeğiştirme bağıntısındaki değişim Çelik taşıyıcıları yangın (yüksek sıcaklık) etkisinden korumak amacıyla yapılan yalıtım uygulamaları

11 Yangın sonucu göçen çelik taşıyıcı sistem Çelik kolon Metal sıva tirizi Metal destek Alçı sıva Çelik kolon İki kat alçı tabaka Alçı levha Betonarme döşeme Betonarme için enine donatı Çelik kolon Beton

12 1.8) Çeliğin mekanik özellikleri Çelik homojen ve izotrop (fiziksel ve mekanik özellikleri yükleme doğrultusuna bağlı olarak değişmeyen) bir yapı malzemesidir. Elastisite modülü : E = kg/cm 2 Kayma modülü : G=E/2(1+) = kg/cm 2 Poisson oranı : = 0.3 Isısal genleşme katsayısı : t = Çelik Çekme Deneyi Çelik bir numune aşağıda belirtilen çekme deneyine tabi tutulduğunda, aşağıdaki Gerilme- Şekildeğiştirme (-) grafiği elde edilir. L Deneyde hesaplananlar P uzama L P F : En kesit alanı L =L -L Gerilme P F Şekildeğiştirme L L A Çelik için Gerilme-Şekildeğiştirme (-) Bağıntısı

13 P kuvveti sıfırdan itibaren yavaş yavaş arttırılır. P gerilmesi p orantılı sınır gerilmesine varıncaya kadar malzeme lineer-elastik F bir karakter gösterir, yani Hook Kanunu geçerlidir. Hook Kanunu : E gerilmesi, p yi aştıktan sonra, E elastik sınır gerilmesine varıncaya kadar malzeme yine elastik kalır, fakat Hook Kanununa uymaz. gerilmesi, E yi aştıktan sonra, malzemenin elastik özelliği bozulur. gerilmesi, F akma sınır gerilmesine ulaştığı zaman, malzemede akma ve büyük plastik şekildeğiştirme meydana gelir. (platosu) adı verilir. F-A arasındaki akma bölgesine akma sahanlığı Büyük plastik şekildeğiştirmeden sonra malzeme kendini toparlar ve gerilmeler tekrar artmaya başlar (A-B arası bölge). Bu olaya pekleşme denir. Gerilme, B kopma sınır gerilmesine ulaşılınca numune biraz daha uzayarak kopar. Çelik malzeme plastik bölgede bir C noktasına kadar yüklendikten sonra gerilme tekrar sıfıra getirilirse (yük boşaltılırsa), (-) diyagramı, OP ye paralel CC doğrusuna karşılık gelir. Mevcut şekildeğiştirmenin bir kısmı ( el ) geri döner, bir kısmı ise kalır ( pl ). = pl + el Bu yükleme boşaltmadan sonra, OC = pl kadar şekildeğiştirme kalmış malzeme yeniden yüklenirse, (-) diyagramı, C CB olarak elde edilir. Yani malzeme C gerilmesine kadar lineer elastik karakter gösterir. Malzemenin sertliği ve akma sınırı artar, sünekliği ise OC kadar azalmış olur. Yapısal çelik sınıfları Çelik sınıfları S XXX sembolü ile gösterilir. Çelik türü ifadesindeki sayı (XXX), kalınlığı 40mm yi geçmeyen elemanlar üzerinde yapılan çekme testinde, N/mm 2 biriminde çeliğin minimum akma dayanımını ifade etmektedir. Örnek : S235 çeliği için Çeliğin minimum akma dayanımı = 235 N/mm 2 = 2350 kgf/cm 2 Çok sayıda çelik sınıfı bulunmakla birlikte yaygın kullanılan yapı çeliği türü S235 Çeliğidir.

14 Çelik Yapılar Yönetmeliğindeki Çelik sınıfları ve Mukavemet Özellikleri NOT: TS 648 Çelik Yapılar Standardında Çelik sınıfları Fe XX sembolü ile gösterilir. Çelik türü ifadesindeki sayı (XX), kg/mm 2 biriminde çeliğin minimum çekme (kopma) mukavemetini ifade etmektedir. Alman Standartında ve buna göre yazılmış bazı literatürlerde ve Fe yerine St notasyonu kullanılır. Buna göre çelik sınıfları St 37 (Fe 37), St 52 (Fe 52) şeklinde ifade edilir.

15 1.9) Çelik yapıların boyutlandırma (tasarım) yöntemleri Bir yapı için boyutlandırma, yapıyı oluşturan tüm bileşenlerin, Belirli bir güvenliği ve Yeterli rijitliği sağlamak koşulu ile en ekonomik boyutların belirlenmesi işlemidir. Böylece yapının işletme ömrü boyunca kendinden beklenen tüm fonksiyonları yerine getirmesi sağlanmaktadır. Bunun için yapılar iki sınır durum esas alınarak boyutlandırılır. 1- Dayanım sınır durumu: Dayanım ve stabilite yetersizliği nedeniyle bölgesel veya tümsel göçme oluşması durumudur. 2- Kullanılabilirlik sınır durumu: Yapıdan beklenen fonksiyonları engelleyen aşırı yerdeğiştirmelerin vb. oluşması durumudur. Yapılar öncelikle maruz kalacağı dış etkiler (yükler, sıcaklık değişmesi, mesnet çökmesi ilkel kusurlar vb.) için dayanım sınır durumuna göre boyutlandırılır, daha sonra bu etkiler için kullanılabilirlik sınır durumu kontrolleri yapılır. Dayanım sınır durumuna göre tasarım için Çelik Yapılar Yönetmeliğinde (2016) iki farklı yöntem bulunmaktadır. Bunlar aşağıda verilmiştir. 1) Yük ve Dayanım Katsayıları ile Tasarım (YDKT) 2) Güvenlik Katsayıları ile Tasarım (GKT) Ders kapsamında Yük ve Dayanım Katsayıları ile Tasarım (YDKT) yöntemi anlatılacaktır. Yük ve Dayanım Katsayıları ile Tasarım Yönteminin Esası Dış etkiler belirli güvenlik katsayıları ile çarpılarak yapı sistemine etkitilir. Yapı sistemi analiz (statik, dinamik) edilerek yapı bileşenleri (kolon, kiriş, çapraz, bulon, kaynak vb.) için gerekli olan dayanım ( R u ) hesaplanır. İlgili bileşen için Yönetmelikte belirtilen esaslar ile karakteristik dayanım ( R n ) hesaplanır. Karakteristik dayanım ( R n ) bir dayanım güvenlik katsayısı () ile çarpılarak azaltılır ve tasarım dayanımı elde edilir. Tasarım dayanımı : R n Güvenlik katsayısı bileşenin ve maruz olduğu etkinin özelliğine göre değişmektedir (0.90, 0.75 gibi). () katsayısı ile, malzemelerin dayanımının tahmin edilenden daha düşük olması durumu, imalatta yapılan hatalar,

16 hesaplarda yapılan hatalar vb. etkiler nedeniyle oluşan dayanım kayıpları için güvenlik sağlanır. Tasarım dayanımını gerekli dayanıma eşit veya bir miktar büyük yapacak olan bileşen boyutları araştırılır. R u R n Bu aşamada, yapı sistemi, eleman enkesit tipi ve elemanların sistemdeki yerleşimi bakımından en ekonomik yapısal sistemin oluşturulması amaçlanır. Kullanılabilirlik sınır durumuna göre boyutlandırma: Yapı bileşenlerinin dayanıma göre boyutlandırması yapıldıktan sonra, yapı sistemi için dış etkiler altında aşağıdaki kontrollerden gerekli görülenler yapılarak bileşen boyutları kontrol edilir. Düşey yerdeğiştirme kontrolleri (düşey yükler altında kiriş sehimi kontrolü vb.) Yatay yerdeğiştirme kontrolleri (Rüzgar ve deprem yükleri altında yatay yerdeğiştirme kontrolü vb.) Titreşim kontrolleri (Döşemelerin düşey yükler altında veya yapıların rüzgar altından titreşimi vb.) Sıcaklık değişiminde oluşan yerdeğiştirme kontrolleri ve genleşme derzlerinin belirlenmesi Bu aşamada sağlanması gereken sınır değerler Yönetmelikten (2016) alınır.

17 1.10 ) Çelik yapıların hesabında gözönüne alınan yükler ve Yükleme Kombinasyonları Çeşitli çelik yapı türlerine etkiyebilecek tüm yük tipleri (etkiler) aşağıda verilmiştir. Boyutlandırılacak olan yapıya hangi yüklerin etkimesi bekleniyorsa bunların hesap değerleri ilgili Şartname ve Yönetmeliklerden (TS 498, Deprem Yönetmeliği, TS EN : 2009 Kar yükleri, TS EN : 2005 Rüzgar etkileri vb.) alınır. G : Sabit yük (yapı öz ağırlığı, makinelerin öz ağırlığı, kren öz yükü vb) Q : Hareketli yük ( İnsan, eşya, depolama yükü vb. faydalı yükler) Q r : Çatı hareketli yükü ( Normal kata göre farklı olan hareketli yükler) S : Kar yükü (Buz yükü) R: Yağmur Yükü W : Rüzgar Yükü E: Deprem etkisi F: Akışkan madde basınç yükü T: Sıcaklık değişmesi ve/veya mesnet çökmesi H: Zemin basıncı, zemin suyu basıncı veya yığılı madde basıncı Yapı sistemine etkimesi olası tüm yükler belirlendikten sonra aşağıda verilen şekilde çeşitli yük kombinasyonları yapılır. Bu aşamada yükler özelliklerine bağlı olarak çeşitli katsayılar ile çarpılarak yapıda işletme ömrü boyunca karşılaşabileceği en elverişsiz durumların tümünün gözönüne alınması hedeflenir. Çelik yapıların tasarımı için gerekli kombinasyonlar (1) 1.4G (2a) 1.2G+ 1.6(Qr veya S veya R) (2b) 1.2G+ 1.6Q + 0.5(Qr veya S veya R) (3) 1.2G+ 1.6(Qr veya S veya R) + (Q veya 0.8W) (4) 1.2G+ 1.0Q+ 0.5(Qr veya S veya R) + 1.6W (5) 1.2G+ 1.0Q+ 0.2S+ 1.0E (6) 0.9G+ 1.6W (7) 0.9G+ 1.0E Not: Sıcaklık değişmesi (T), yatay basınçlar (H) ve akışkan madde basıncı (F) durumunda bu yükler de gerekli dayanımı arttıracak yönde ilgili kombinasyonlara etkitilmelidir. Uygulama: Derste yapılacaktır.

18 YAPISAL ANALİZİN ESASLARI Çelik yapıların boyutlandırılmasında bileşenlerin (kolon, kiriş, çapraz, bulon, kaynak vb.) gerekli dayanımlarının (R u ) belirlenmesi için öngörülen yükleme kombinasyonlarına göre yapısal analiz gerçekleştirilir. Bunun için çoğunlukla statik analiz yeterli olmakla birlikte bazı durumlarda dinamik analiz de yapılması gerekebilmektedir. Çelik yapıların analizinde yapı sisteminin stabilitesi (kararlılığı) aşağıda verilen faktörlerden etkilenmektedir. 1-) Eleman şekildeğiştirmesine ve sistem yerdeğiştirmesine ait II. Mertebe etkiler 2-) Geometrik ön kusurlar 3-) Yapı sisteminin yerdeğiştirmesinde etkili olan ve analizde dikkate alınmayan tüm şekildeğiştirmeler (kiriş-kolon birleşimi panel bölgesi şekd. Gibi) 4-) Doğrusal olmayan şekildeğiştirmeler ile dayanım ve rijitliklerdeki belirsizlikler Bu nedenle yapısal analizlerde II. Mertebe teorisinin kullanılması ve diğer faktörlerin de belirli yaklaşıklıkla gözönüne alınması gerekmektedir. Yönetmelikte, II. Mertebe teorisi ile analize alternatif olarak, I. Mertebe teorisinden yararlanarak II. Mertebe etkilerin gözönüne alındığı basitleştirilmiş bir yöntem de önerilmektedir.