5/10/2017. Detay malzemelerin çeşitleri ve kullanım yerleri

Transkript

1 METAL YAPI MALZEMESİ Metaller, yerkabuğundan cevher olarak elde edilen, kristal yapılı, homojen dokulu, katı veya sıvı halde özelliklerini değiştirmeyen inorganik esaslı demir, bakır, alüminyum, çinko, kurşun gibi çeşitli yapı malzemeleridir. Sınıflandırma: Metallerin sınıflandırmasını yapıdaki kullanılış yerlerine göre; Taşıyıcı kaplama, Doğrama, Tesisat İnce yapı sistemlerinde yer alan malzemeler şeklinde yapmak mümkündür. Günümüzde yapıya en çok kullanılan metaller; demir, bakır, alüminyum ve kurşundur. Genel olarak yapıda metaller, Taşıyıcı malzeme Detay malzeme olarak kullanılır. Taşıyıcı olanlar, betonarme çeliği olarak isimlendirilir. Çelik yapılarda ise taşıyıcı (kolon, kiriş) eleman olarak kullanılır. Ayrıca çatı kafes kiriş sisteminde büyük açıklıkları geçmek için çelik profil veya putreller olarak kullanılmaktadır. Profil çubuklar kesit şekline göre korniyer (L), (T), putrel (I) veya U profili şeklinde adlandırılırlar. 1 2 Detay malzemelerin çeşitleri ve kullanım yerleri Metalleri diğer yapı malzemelerinden ayıran ve yapılarda kullanılmasını yaygınlaştıran özellikleri: Çekme ve basınç dayanımlarının yüksek ve yakın olması, Büyük yükler altında az şekil değiştirme göstermeleri, Çok ince kalınlıkta dahi sıvı ve gazları geçirmemesi veya sızdırmaması, Hava ve ateş gibi dış tesirlere dayanıklı olması, İstenilen şekillerde şekillendirilip işlenebilmesi, Boya tutma kabiliyeti yüksek olması, Yapıda kullanım ömrünün uzunluğu olarak ifade edilebilir

2 Metal ve Alaşımları: Alaşım: Bir metale belirli özellik sağlamak için en az bir başka elementin (metal veya ametal) eklenmesi ile elde edilen metal karakterli bir malzemedir. Genellikle mühendislik malzemesi olarak kullanılan metalik malzemeler ana metale başka bir element veya elementler eklenmesi ile elde edilen metalik alaşımlardır. Özelliklerin iyileştirilmesi veya istenen özelliklerde malzeme elde etme amacıyla alaşımlar geliştirilmiştir. Alaşımlar saf metallerden daha iyi mekanik özelliklere sahiptirler. Örneğin, çelik (demir ve karbon) metal olmayan bir elemanı içeren bir alaşımdır. Uygulamada çoğunlukla mekanik özelliklerinin düşüklüğü nedeniyle saf metaller kullanılmaz. Demir ve Alaşımları: Sanayi ve yapılarda en çok kullanılan metalik malzeme, demir ve karbonlu alaşımları olan font (dökme demir, pik) ve çelik türleridir. Demir grimsi esmer bir metal olup, özgül ağırlığı kg/dm 3 tür. Demir doğada 4. yaygın bulunan bir metaldir (% 4.2). Demir, doğada en çok oksit cevherleri (Magnetit, Fe 3 O 4 ), kükürtlü cevher (Pirit, FeS 2 ) ve karbonatlı cevher (Spathik demir, FeCO 3 ) şeklinde rastlanır. Yurdumuzda en zengin demir cevheri limonittir (Fe 2 O 3. nh 2 O) ve Divriği'de bulunur (% Fe). 5 6 Özellikleri: Demir kökenli alaşımların değişik özellikleri olan çeşitli türleri vardır. Ayrıca demir ve karbon alaşımından oluşan çeliğe, krom, nikel, tungsten gibi metaller değişik oranlarda katılarak bir takım özellikler kazandırılabilir. Demire alaşım malzemesi olarak katılan karbon veya diğer metallerin oranı, alaşımın kimyasal yapısını değiştirmekle birlikte, metalin mekanik davranışını da etkiler. Alaşımların davranışları, ayrıca uygulanan dayanımı arttırma yöntemlerine de (ısıl işlem, dövme, daldırma vb.) bağlıdır. Mekanik özelliklerini değiştirmek amacıyla demire değişik elementlerle alaşım yapılır. Bu amaca yönelik olarak en çok karbon kullanılır. Demiri en çok etkileyen alaşımlamaelemanı karbondur. Demir-karbon alaşımı olan çelik, tüm demir kökenli malzemenin en çok kullanılanıdır. 7 Alaşımlarda, kama ve perçin görevini yüklenen yabancı kristaller sistemin kaymasına engel olduğundan, dayanım değerleri ve bazı diğer özellikleri saf metallere oranla daha yüksek ve genellikle döküme elverişlidir. Genellikle karbon oranının belirli bir yüzdeye kadar artması ile alaşımın dayanım ve sertlik gibi özellikleri doğru orantılı olarak artar. Ancak bazı özellikleri de örneğin düktilite (süneklik) ve enerji yutabilme yeteneği azalır. Karbon oranı %0,2'den az ise Fe-C alaşımlarına "yumuşak demir" denir. Betonarmede kullanılmaz. Karbon oranı, %0,2 - %1,17 arasında ise Fe-C alaşımlarına "çelik" denir. Bu limitler içerisindeki çelikler sert ve çok sert olarak iki gruba ayrılırlar. Alt sınır değerlere yakın olanlar (%0,25) betonarme donatısı olarak kullanılırlar. Karbon oranı, %1,7 - %5 arasında ise Fe-C alaşımlarına font veya pik denir. İnşaatçılıkta yağmur borularının alt kısımlarında kullanılır. 8 2

3 Saf demir 30 MPa (N/mm 2 ) gibi oldukça düşük akma dayanımı değerine sahiptir. Ancak demirin içerisine az miktar karbon ilavesi bile akma dayanımını değerini önemli bir şekilde artırır. 9 Çeliklerin karbon oranlarına göre sınıflandırılması: Düşük Karbonlu Çelikler: Düşük karbonlu çelikler en fazla % 0.25 mertebelerinde karbon içerirler. Bunlar diğer türlere kıyasla en fazla düktil (sünek), buna karşın en düşük dayanım ve sertliktedirler. Bu tip çelikler, büyük düktilite ve işlenebilirlik gerektiren yerlerde kullanılırlar. Örneğin, otomobil gövdesi, ince saç levha, çivi, perçin, betonarme donatısı, profil eleman malzemesi üretiminde kullanılırlar. Tavlama ve ısıl işlemler yardımıyla sertleştirilemezler. Orta Karbonlu Çelikler: % % 0.5 oranında karbon içeren orta karbonlu çelikler ise; demiryolu rayları, tren ve tekerlekleri, dingil şaftları ve yüksek nitelikli betonarme donatısı gibi sertlik ve yüksek dayanım gerektiren yerlerde kullanılır. 10 Karbon içerikleri martensit oluşumuna izin vermesi nedeniyle ısıl işlem ve tavlama yoluyla özellikleri düzeltilebilir. Yüksek Karbonlu Çelikler: % % 0.95 arasında karbon içeren yüksek karbonlu çelikler, en sert, en dayanıklı ancak en az düktil olan türdür. Isıl işlemlere en iyi bu tür yanıt verip, gereken işlemlere tabi tutulduktan sonra istenen niteliğe getirilebilir. Bu tür çelikler, değişik özellikli tellerin, savaş araçlarının, keskin bıçakların vb. yapımında kullanılır. Kaynak işlemi bu tip çeliklerde lokal sertleşme ve düktilite kaybına yol açabildiğinden kaynaklama sırasında dikkatli olunması gerekir. Çeliklerin içinde doğal olarak bazı yabancı maddeler bulunabilir (En çok Mn % 0.6-% 0.7, Si % % 0.45, S % % 0.04, P % oranlarında bulunabilir). Bu maddeler belirtilen sınırlar içinde kalırsa, alaşımın mekanik davranışını pek 11 etkilemezler. Karbon miktarının çeliğin özelliklerine etkisi 12 3

4 Çelik Üretimi: Temel olarak günümüzde çelik üretiminde takip edilen iki yöntem vardır. 1. Yöntem :Entegre tesislerde demir cevherinden Yüksek fırınlarda pik demir ve Bazik Oksijen Fırınlarında (BOF) Çelik Üretimi 2. Yöntem :Mevcut demir çelik hurdalarının elektrik ark ocaklarında tekrar ergitilmesiyle çelik üretimi şeklindedir. Türkiye de ise çelik üretiminde hurda kullanımı çok daha yüksek orandadır. Çelik Üretimi: Genel olarak demir cevherinden demir-çelik üretimindeki aşamalar: Hammaddenin (demir cevheri, kok kömürü, kireç taşı, sıcak hava) yüksek fırın için hazırlanması. Yüksek fırında pik demir üretimi Sıvı pik demirden bazik oksijen fırınlarında çelik üretimi Sıvı çeliğin sıcaklık ve kimyasal kompozisyon bakımından sürekli döküm için hazırlanması. Sürekli döküm ile sıvı çelikten katı blok parçaların üretimi. Blok parçalardan haddeleme ile yassı (levha) veya uzun (profil) çelik ürün elde edilmesi 1. Aşama: Cevher, eritici ve kömürden oluşan ham maddeleri; kırma, ufalama, yakma, kok yapımı vb. ilk işlemlerden geçirerek yüksek fırında kullanılabilecek şekle dönüştürme aşamasıdır. Yüksek Fırına Yüklenen Malzemeler Demir cevheri Metalurjik kok kömürü Cüruf yapıcı katkı maddeleri (kireçtaşı) Sıcak ve basınçlı hava

5 2. Aşama: Ham demir (pik) veya font ve iri döküm ürünlerinin elde edilişi; Demir metalürjisinde kullanılan yüksek fırında cevher, kömür ile beraber 1900 C civarında yakılmakta ve 1300 C de çabuk soğuma sonucu beyaz font üretilir. Yavaş soğuma sağlanırsa esmer font elde edilir. Eriyik üstünde kalan artık maddeye cüruf adı verilir. 3. Aşama: Elde edilen font üzerine hava (oksijen) ve demir oksit etki ettirilerek istenmeyen elementlerin oksitlenerek eriyikten uzaklaşması sonucu yumuşak demir üretilir (Puddling Yöntemi). Çelik üretiminde ise beyaz fontun yakılarak fazla karbonun alınması (Martin-Siemens Yöntemi) veya yumuşak demire hava üflenerek karbonlanması (Bessemer veya Thomas) yöntemi gibi işlemler uygulanır. 17 Katılaşan malzeme istenen formda kütükler haline getirilerek kendi halinde soğumaya bırakılır veya fazla soğumadan istenen boyut, şekil, sertlik ve dayanımda çelik üretilmek üzere haddelemeye geçilir. 4. Aşama: Üçüncü aşamanın ürünü olan kütüklerin, özel kalıplara dökülerek veya su ile soğutularak bakır kaplar ile bir uçtan akıtılırken diğer uçtan katılaşmış şekilde dışarı çekilerek sürekli olarak dökülerek piyasada görülen saç, değişik boy ve şekillerdeki çubuk, profil elemanlar olarak yarı işlenmiş duruma getirilmesi aşamasıdır. 18 Demir-Karbon dengesi Çelik üretimi şematik gösterimi:

6 Çelik üretimi şematik gösterimi (sıcak şekil verme): Çelik üretimi şematik gösterimi (soğuk şekil verme): Yapılarda kullanılan çelikler (Betonarme Çeliği): Yapılarda çelik, genellikle betonarme yapılarda donatı olarak veya çelik yapılarda taşıyıcı malzeme (profil) olarak iki şekilde kullanılır. Betonarme yapılarda beton donatısı olarak kullanılan, dairesel kesitli, yüzeyleri nervürlü veya profilli olan çelik çubuklara betonarme çeliği (demiri) denir. Betonarme yapılarda çeliğin görevi çekme kuvvetlerine karşı koymaktır. Betonarmede, beton basınca, çelik çekmeye çalışır. Betonarmede kullanılan çelikler, değişik çap ve şekillerde olurlar depreminden sonra Bayındırlık Bakanlığı inşaat teknik şartnamesinde yapılan değişiklik üzerine betonarmede düz yüzeyli çubuklar kullanılmamaktadır. Yapılan çalışmalarda betona en uygun çekme donatısının çelik olduğu görülmüştür. 23 Betonla çeliğin bu uyumunu çeliğin aşağıda sıralanan özellikleri sağlamaktadır: Çeliğin çekme dayanımının betona oranla çok daha yüksek olması, Çeliğin betonla çok iyi aderans sağlaması, Çeliğin genleşme katsayısının betonunkine yakın olması dolayısıyla farklı sıcaklıklarda hemen hemen aynı sekil değişimini yapmaları. Betonarme yapılarda donatı ve beton arasında yeterli bir yapışmanın (aderansın) sağlanmaması halinde, donatı beton içinde kayması (sıyrılması) ile kuvvetleri aktaramaz ve bu durum da yapının yıkılmasına yol açabilir. Bu nedenle donatının aderans yeteneğini arttırmak amacıyla, çelik çubukların yüzeyinde çıkıntı ve girintiler yapılır. Betonarme çeliği genel olarak yüzey şekillerine göre üçe ayrılırlar; Düz (D), Profilli (P) Nervürlü (N) 24 6

7 Profilli (P) olanlar, haddelenme esnasında betonla aderans artırmak amacıyla çelik çubuğun yüzeyinde girintiler oluşturulmuş betonarme çubuğudur. Nervürlü (N) olanlar ise, betonla aderans artırmak amacıyla yüzeyinde çubuk eksenine dik (enine) veya eksenle belirli bir açı yapan sürekli veya kesikli helezonlar şeklinde sürekli veya kesikli çıkıntılar oluşturulan betonarme çubuğudur. Betonun içine yerleştirilen çelik çubuklar çaplarına göre de farklı büyüklüklerde olmaktadır. Ülkemizde φ (fi) sembolü donatı çapını tanımlar. Örneğin, φ 16, çapı 16 mm olan betonarme çeliğidir. Enine ve boyuna nervürlü olan bu çelikler kendi eksenleri etrafında burularak TOR adı verilen, çelikler elde edilmektedir. 25 Betonarme çelikleri en küçük akma sınırlarına göre 3 gruba ayrılırlar; En küçük akma sınırı 220 N/mm 2 olançelik: S 220 En küçük akma sınırı 420 N/mm 2 olan çelik: S 420 En küçük akma sınırı 500 N/mm 2 olan çelik: B 500A, B500B 26 Soğukta işlem görmüş nervürlü ve profilli betonarme çeliğinde karbon oranı %0,15-0,25 arasındadır ve belirli bir akma noktası vardır. Bunun dışındaki çeliklerin, belirli bir akma noktası yoktur. Genellikle akma dayanımları, %0.2 birim şekil değiştirme kuralına göre belirlenir. Yapılarda kullanılan çeliklerin mekanik özellikleri:

8 Haddeleme işlemi: Soğuk çekme yöntemiyle üretilen çelikler TS708'e göre betonarme yapılarda S220 - S420 ve S500 beton çeliği kullanılmaktadır. Bunları da (a) ve (b) olmak üzere iki gruba ayırmak mümkündür. (a) grubundaki alaşımlar yüksek fırında kütükler halinde üretildikten sonra hemen sıcakta çekilerek (haddeleme) doğal bir sertlikte kullanıma hazır duruma getirilmişlerdir. (b) grubundaki alaşımlar soğukta deformasyon işlemine maruz bırakılmak suretiyle gerilmeler ile ilgili özelliklerinde artışlar oluşturulmuştur. Düşük karbonlu çelik gerilme-şekil değiştirme eğrisi: Çelik çubuklarda yapılan çekme deneyi sonucunda elde edilen çekme gerilmesi ve deformasyon değerleri kullanılarak gerilmeşekil değiştirme eğrisi elde edilmektedir

9 Yüksek ve düşük karbonlu betonarme çeliğin gerilme-şekil değiştirme eğrileri ve özellikleri: