ÇELİK K YAPILARIN TASARIMI

Transkript

1 ÇELİK K YAPILARIN TASARIMI Prof. Dr. Nesrin YARDIMCI Sakarya Üniversitesi

2 1.GİRİŞ İŞ Eski zamanlarda yapılar ların n tasarımı bilinenlerin tekrarından ibaretti; bilgi yalnızca deneyimlerden elde edilirdi. Daha sonra amprik formüller kullanılmaya lmaya başland landı. Rönesans dönemindeki d büyük b k yapımc mcılar artist, mimar, mühendis m ve yapımc mcı karışı ışımı olarak tanımlanabilir. Yapı alanında nda ilerlemeler, yapı malzemelerindeki gelişme ve malzemenin ticari olarak bulunabilirliğine ine bağlı olarak gelişti. Başlarda taş,, tuğla ve ahşap ap kullanılmaktayd lmaktaydı. 18. yüzyy zyılda çeliğin in inşaat alanında nda kullanılmaya lmaya başlanmas lanması ile yeni bir çığır r açılda ldı.

3

4 1.1 Çelik Yapılar ların n Tarihçesi Demir (Silah ve eşya e yapımı) Font (18yy-köpr prüler Coalbrookdale- halen kullanılmakta) lmakta) Coalbrookdale Dövme çelik (18yy 2.yarı- dolu gövdeli g ve kafes köprk prüler 1850 Britannia KöprK prüsü) Dökme çelik (19yy 2.yarıköprü ve yüksek yapılar lar Mississippi Köprüsü) Mississippi

5 1.2 Demir ve Çeliğin in KöprK prülerde Kullanımı The Coalbrookdale Köprüsü İlk Demir KöprK prü (1779), Yaklaşı şık k 30m açıkla klığa a sahip ve hala kullanılmaktad lmaktadır. İnşaatında font demir kullanılm lmıştır.

6 Telford's Mythe Köprüsü Thomas Wilson's Wear Köprüsü Londra da da Thames üzerindeki Southwark Köprüsü 1819 yılında y John Rennie tarafından inşa a edilmiştir. 73m açıkla klığa a sahip olup, en uzun font demir köprüdür. r.

7 Paris teki Pont du Caroussel Köprüsü 1839 yılında y Polonceau tarafından inşa edilmiştir, Her biri 48m olan üç açıklıktan ktan oluşmaktad maktadır. İnşaatında Alman Mühendis M Reichenbach ın n geliştirdi tirdiği font demir tüpler kullanılm lmıştır. İsviçre de Fribourg yakınlar nlarındakindaki Grandfey Viaduct (Grandfey Viyadük ü ü) de işletmeye i açılma lmıştır, Her biri 49m olan 7 açıklıktan ktan oluşmaktad maktadır

8 St. Louis deki Mississippi Köprüsü 1874 yılında J.B. Eads tarafından inşa a edilmiştir. Taşı şıyıcı sistemini oluşturan boru kesitli elemanların n bir bölümüb çelikten diğer bölümüb ise demirden imal edilmiştir. Açıklık k 159m Güney Fransa daki Garabit Viyadük ü 1884 yılında Gustave Eiffel ( ) tarafından inşa a edilmiştir, Açıklık k 165m

9 Tüm m köprk prüde de ton çelik kullanılm lmış ve inşaat sırass rasında 4600 işçi i çalışmıştır. Scotland taki taki Firth of Forth Köprüsü yılları arasında Sir John Fowler ve Benjamin Baker tarafından inşa a edilmiştir, En büyük b k açıkla klığı 521m dir.

10 New Jersey deki Bayonne Köprüsü 1931 yılında O.H. Ammann tarafından inşa a edilmiştir. Açıklık k 504m Sydney Harbour Köprüsü 1932 yılında R. Freeman tarafından inşa a edilmiştir, Açıklık k 503m

11 1.3 Demir ve Çeliğin in Binalarda Kullanımı St George's Kilisesi, Everton, UK ( ) 14) Ulusal Kitaplık ( ) Beyaz Kapılar (1726), Wales

12 Oxford Müzesi (1860) Sainte Geneviève ve Kitaplığı ( )

13 1.4 Demir ve Çeliğin in Sanayi Yapılar larında Kullanımı Rıhtım m yapılar ları Liverpool,, (1845)( Charles Bage's Keten Fabrikası Shrewsbury, (1796)

14 Greene's Kayıkhanesi Sheerness, UK (1858) Gardener's mobilya deposu Jamaica Street, Glasgow (1856) Fransada ilk çerçeve sistem bina, Menier Çikolata fabrikası Noisiel-sur-Marne, (1872)

15 Eiffel Kulesi (Gustave Eiffel, Paris, Fransa sa,, 1887 ~ 1889) 9000 ton dövme demir 321m

16 1.5 Çelik yapılar ların n gelişimi imi Birleşim im araçlar larındaki gelişme (Perçin in Bulon Kaynak Öngermeli bulon) Analiz Yöntemlerindeki Y gelişme (sanattan fene dönüşüm) d (Elastik Hesap Ta Taşıma Gücü-G Sınır r Durumlara Göre G Hesap ve Plastik Hesap) Tyne Bridge-Newcastle Newcastle-1928 Artan malzeme ve işçilik ilik fiyatları karşı şısında ekonominin önemi (Güvenlik, ekonomi, estetik) Çevreye zarar verilmemesi ve korunması ve doğal malzemelerin kullanımında nda duyarlı davranılmas lması zorunluluğu (Güvenlik, ekonomi, estetik, çevre ve sürds rdürülebilirlik) Milennium Bridge

17

18 2. YAPISAL TASARIM (Güvenlik, ekonomi, estetik, çevre ve sürds rdürülebilirlik) Güvenlik Yapı sistemlerinin tasarım m ve hesabında, taşı şıyıcı elemanlar işletmede kaldıklar kları sürede yeterli dayanım, rijitlik ve tokluğa sahip olmalıdır. Aşırı yükleme veya dayanım m azalması olasılığı ığına karşı yeterli bir güvenliğin in bulunması sağlanm lanmış olmalıdır. Yapı hem bütünüyle b ve kendini oluşturan elemanlarıyla stabil olmalıdır. Hesap hipotezleri yapıda gerçekle ekleştirilen birleşimlere, imlere, ya da birleşimler imler hesaptaki varsayımlara uymalıdır. Ekonomi, çevre ve sürds rdürülebilirlik Tasarım, kapsamlı bir maliyet analizi, çevresel etkiler ve sürdürülebilirlik koşullar ulları göz önünde nde tutularak gerçekle ekleştirilmelidir. Estetik Yapının n estetiğinde inde yerel zevkler, çevreye uyum etkili olmaktadır.

19 2.1 Tasarımın n Adımlar mları İşlevsel tasarım (Alan, donanım, aydınlatma, ekipman) Taşıyıcı sistemin tasarımı Planlama Ön n tasarım Yüklerin saptanması Ön n boyutlama Analiz Değerlendirme erlendirme Yeniden tasarım Sonuç Mimar ve mühendisin m birlikte çalışması önemli

20 2.2 Malzeme seçimi Malzeme seçimine etki edecek faktörlerden başlıcalar caları, işlevi, temel zemini, coğrafi yeri, geçici veya kalıcı olması, kullanılma lma süresi, s işletmeye açılmasa lması için in düşünülen d son tarih, yapımı için in ayrılan para, işletme giderleri, yapı malzemelerinin bulunabilirliği, i, fiyat hareketleri, yerel alış ışkanlıklar, klar, deneyim ve zevklerdir.

21 3. MALZEME OLARAK YAPISAL ÇELİK 3.1 Yapısal çeliğin in özellikleri Homogen ve izotrop Yüksek dayanıml mlı Yüksek elastisite modülü Eşit çekme ve basınç dayanımı Sünek

22 3.2 Gerilme-Şekilde ekildeğiştirme Diyagramı İdealleştirilmiş Diyagram

23 4. ÇELİK K YAPILARIN ÖZELLİKLERİ Hava koşullar ullarından fazla etkilenmez. Değiştirme, onarım m ve iyileştirilmesi kolaydır. Güçlendirmede ve restorasyonda kullanılır. Elemanlar yerlerine monte edildiklerinde işletme i yüküy ile çalışabilir. Kalıp p ve iskeleyi azaltmak mümkm mkündür.

24 Mimari açıdan a çelik yapı tasarımı estetik ve yaratıcılığ ığa a açıkta ktır.

25

26

27 Kolon sayısı en aza indirilebilir. Kiriş enkesitleri küçük üçüktür. Döşemeler incedir.

28 Tesisat için kolaylık

29

30 Çelik taşı şıyıcı sistemler deprem bölgelerinde b avantajlıdır Çelik taşı şıyıcı sistem çok hafiftir. Dolayısıyla yla daha az deprem yüküy alır r (F=m*a). Çelik taşı şıyıcı sistem elemanları sünek olduğundan undan üzerlerine düşen d enerjiyi çok iyi sönümlerler. s Plastik mafsalların oluşmas ması aşırı yük k için i in güvenlik g oluşturulabilir

31 Çelik sorunsuz ve 100% geri dönüşümld mlüdür Çelik dünyand nyanın n en çok ve tam olarak geri dönüştürülen d malzemesidir. Çelik hurda %100 çeliğe e dönüşür d r ve doğru işlemlerle üretilirse kalite ve güvenirlik g kaybı olmaz.

32 Yapısal çelik yüksek y kaliteli endüstriyel bir üründür Taşı şıyıcı sistemin tüm t m parçalar aları fabrika ortamında üretilir ve endüstriyel kalite güvencesi g içerir. i Seçici Soğutma Hadde çıkışı

33 Yapılarda çelik kullanmak tasarımc mcılar için i in çevreye karşı sorumluluklarını yerine getirme olanağı sağlar Çelik yapı söküldüğü zaman bile geriye atık k malzeme bırakmaz. Çelik inşaat doğal çevreyi inşaat aatın n hiç bir aşamasında kirletmez.

34 Sürdürülebilirlik için in her binanın n toplam yaşam am döngd ngüsü maliyeti hesaplanmalı ve ekonomiklik çevresel etki değerlendirmesiyle erlendirmesiyle birlikte ele alınmal nmalıdır. Toplam yaşam am döngd ngüsü maliyeti dediğimizde, imizde, enerji sakınımı sosyal maliyetler hafiflik ince kesitler doğal ışık k ve aydınl nlık k kullanım geniş ve ferah mekanlar kullanım m esnekliği değiştirilebilme, yeniden kullanılabilirlik labilirlik yapılar ların n sökülebilmesis yapının n ve yapı malzemelerinin geri dönüşümüd yeniden kazanım m ve kullanım hedeflediğimiz imiz ölçütler olmalıdır. Bütün B n bu ölçütlere göre g değerlendirildi erlendirildiğinde, inde, çelik sürds rdürülebilir bir malzemedir.

35

36 Çelik yanmaz ancak tüm t m yapı malzemeleri gibi yangın ısısından etkilenir Çelik yapılar ları yangın n etkisinden korumak için, i in, Aktif sistemler Pasif sistemler

37

38 Tüm m yapı malzemeleri gibi çelik de ortamın n getirdiği korozyon etkilerinden korunmalıdır İç mekanda korozyon etkilerinin çok az olduğu görülmüştür. DışD ortamlara çeşitli koruyucu sistemler vardır. r.

39 4.1 Güvenlik G Yapısal çelik, homogen ve izotrop olduğu u ve üretimi sürekli s denetim altında tutulabildiğinden, inden, çok güvenli g bir malzemedir. Bu nedenle, hesaplarda kullanılan lan güvenlik katsayılar ları,, diğer yapı malzemelerinin güvenlik g katsayılar larından daha küçüktür. Taşı şıyıcı sistemin tüm t m parçalar aları fabrika ortamında, standartlara ve yönetmeliklere uygun olarak üretilir ve endüstriyel kalite güvencesi g içerir i ve belgelendirilir. Tüm T m yapısal çelik elemanlar yapım m sırass rasında, yapı bittikten sonra ve yapı kullanılırken görülebilir g ve kontrol edilebilir. Bu da klık demektir. üretimde ve yapımın n her aşamasa amasında açıkla Elastisite modülü di yüksektir. Sünek diğer yapı malzemeleri ile karşı şılaştırıldığında çok nek bir malzeme olduğu u için i in büyük b k bir şekil değiştirme kapasitesi bulunmakta olup, beklenmeyen olağan an dışıd yük k durumlarında, çürük zeminlerde oluşabilecek oturmalarda ve deprem bölgelerinde b kullanılmas lması avantajlıdır.

40 4.2 Ekonomi Çelik taşı şıyıcı elemanların n atölyelerde işlenmesi, i inşaat aatın n montaj aşamasa amasında hava koşullar ullarından fazla etkilenmemesine neden olmakta ve dolayısıyla yla yapım sa lmaktadır. süresi kısa Yüksek dayanıml mlı bir malzeme olup, öz z ağıa ğırlığının n taşı şıdığıığı yüke oranı çok küçük üçüktür; dolayısıyla, yla, yapının n ağıa ğırlığı ve temel maliyeti az almaktadır. Çelik sorunsuz ve tam olarak geri dönüşümld mlü dür. Çelik hurda %100 çeliğe dönüştürülebilir ve doğru işlemlerle i üretilirse kalite ve güvenlik g kaybı olmaz. Taşı şıyıcı sistem elemanları söküldüklerinde az bir kayıpla veya kullanılmalar lmaları önceden planlanmış ise hiç kayıps ler. psız yeniden kullanılabilir labilir ler. Yapım m süresinin s kısa k olması maliyetlerde büyük b k kazanç sağlar. Yapı tamamlandığı ığında hemen işletmeye i açılabilira labilir. Çelik yapılarda kolon ve kiriş kesitlerinin diğer taşı şıyıcı sistemlerdekilerden daha küçük üçük olması,, yapıda daha fazla kullanım m alanı kazandırır. r. (İnce( döşemeler, d aynı yükseklik için i in daha fazla kat inşa a etme olanağı sağlarken, esnek içi hacimler tesisat yenileme, kablolama ve benzeri sistemlerdeki teknik üstünlükler.)

41 4.3 Estetik Mimari açıdan a çelik yapı tasar Restorasyonda de tasarımı estetik ve yaratıcılığ ığa a açıka tır. değişik ik olanaklar sunar. Çekme dayanımının n basınç dayanımına na eşit e olması, çeliğe e mimari açıdan a tasarımı özellik gösteren g yapılarda bir üstünlük sağlamaktad lamaktadır. 4.4 Çevre atık k malzeme bırakmazb Çelik yapı söküldüğü zaman bile geriye at rakmaz. Çeliğin in fabrikada üretilmesi, şantiyede sadece montaj yapılmas lması sayesinde sıfır r stokla, çok küçük üçük şantiye alanlarıyla ve çevreye en az olumsuz etkiyle inşaat yapmak olanağı bulunmaktadır. Çelik inşaat, doğal çevreyi inşaat aatın hiç bir aşamasa amasında kirletmez ve mlü dür. 4.5 SürdS rdürülebilirlik nda kirletmez ve %100 geri dönüşümld Toplam yaşam am döngd ngüsü maliyeti dediğimizde, imizde, malzemenin geri dönüşümüd ve yeniden kullanılabilmesi; labilmesi; mekanların n değişebilir ebilir ve genişleyebilir olması; ; hafiflik; ince kesitler; yapılar ların n kırılmadan k sökülebilmesi s ve yeniden kurulabilmesi hedeflenen önemli ölçütlerin başı şında gelmektedir.

42 5. ÇELİK K YAPILARIN KULLANIM ALANLARI Büyük açıklıkların n kolonsuz aşıa şılması gereken yapılar Temel zemini zayıf f nitelikte olan yapılar Deprem bölgelerindeki yapılar Çok katlı yapılar Taşı şıyıcı sistemi özellik gösteren g yapılar Endüstri yapılar ları ve köprüler Geçici yapılar Hızlı inşa a edilmesi gereken yapılar Restorasyon iyileştirme ve güçg üçlendirme inşaatlar aatları

43 Yüksek yapılar

44 Köprüler

45 Endüstri yapılar ları

46 Kat otoparkı Tren garı

47 Yüzme havuzu Stadyum

48 Okul Hastane

49 Eğlence merkezi Alış ışveriş merkezi

50 Restorasyon

51

52

53 İyileştirme

54 6. ÇELİK K TAŞIYICI SİSTEMLERS STEMLER VE TAŞIYISI SİSTEM S STEM ELEMANLARI Yapılar, genelde, (a) çerçeveler, eveler, (b) kabuklar ve (c) asma sistemler olmak üzere üç ana grupta toplanabilirler. Çerçeveler eveler : Yapılar ların çoğu u bu grupta yer alır. Çok katlı yapılar, tek katlı yapılar ları ve endüstri yapılar ları, çatılar. Kabuklar : Bu tip yapılara tanklar örnektir. Bir çok yapının taşı şıyıcı sisteminde kabuk ve çerçeve eve elemanları birlikte kullanılır. Asma sistemler: Bu sistemlerde kablolar ana taşı şıyıcıları oluşturur. Örnek olarak çatılar lar veya asma köprk prüler verilebilir.

55

56 6.1 Çekme çubukları Eksenel çekme kuvveti etkisindeki elemanlardır r (kafes kirişlerin çubukları,, gergi elemanları gibi). Enkesit kaybı varsa, tasarım m ve hesaplarda gözönüne g ne alınmas nması gerekir. Delik açılma lmış çekme elemanları için in deliklerin bulunduğu u enkesitteki azaltılm lmış enkesit alanı net alan olarak tanımlan mlanır.

57 6.2 Basınç çubukları Enkesitin ağıa ğırlık k merkezine etkiyen eksenel basınç kuvvetini taşı şıyan elemanlar (kafes kirişlerin çubukları,, orta kolonlar gibi). Kesit hesaplarında gerilme yanında nda burkulmanın n da kontrolü gerekli (kolon( narinliği).

58 Çok parçal alı basınç çubukları (Ekonomi ve estetik nedenleriyle)

59 6.3 Eğilme E çubukları Eğilme momenti etkisindeki elemanlardır r (kirişler, aşıa şıklar gibi). Eğilme momentinin yanında nda kayma gerilmesi ve sehim kontrolleri de gerekir Eğilmeli E basınç çubukları Eğilme momenti ve basınç kuvvetinin birlikte etki ettiği elemanlardır r (kolonların n büyük b k bir bölümü). b

60 7. YATAY YÜKLERY KLERİN N TAŞINMASI VE KARARLILIK Çerçevelereveler Çaprazlar

61 Stabilite çaprazları (Kararlılık k bağlant lantıları), Yapı elemanlarının n düzlemlerine d dik gelen yanal etkileri almak; Elemanların n hesaplarına temel olan başlang langıç konumlarını korumalarını sağlamak; Montaj süresince s devrilmeyi önlemek ve Elemanların n basınç başlıklar klarının n yanal burkulma boylarını azaltmak amacıyla düzenlenen d sistemlerdir. Merkezi çaprazlar Dış merkez çaprazlar

62 7.1 Tek katlı yapılarda stabilite çaprazları Birinci grup İkinci grup

63 Üçünc ncü grup

64 7.2 Çatılarda kararlılık k bağlar ları Düşey düzlemded Çatıyı hesap düzleminde d tutmak. Alt başlık çubuklarının düzlem dışıd burkulma boyunu azaltmak. Çatı düzleminde Yatay etkileri yan duvarlara iletmek. Üst başlık çubuklarının n düzlem d dışıd burkulma boyunu kısaltmak. k Devrilmeyi önlemek.

65 8.ÖRNEKLER

66

67

68

69

70 HISTAR 460 kolo lonlar

71

72

73 8. BİRLEB RLEŞİM M VE EKLER Birleşimler, imler, boy uzatmak veya enkesiti büyütmek b veya düğüm m noktalarını düzenlemek amacıyla ve birleşim im araçlar ları kullanılarak larak yapılır. Birleşimlerde imlerde kullanılan lan araçlar perçin, bulon ve kaynaktır. Sökülemeyen birleşimler: imler: Perçin veya kaynakla düzenlenend Sökülebilen birleşimler: imler: Bulonlarla düzenlenend Birleşimler imler düzenlenirken, d taşı şıyıcı eleman üzerindeki etkilerin birleşim im araçlar ları tarafından güvenli g bir şekilde aktarılmas lmasının n sağlanmas lanması ve yönetmeliklerde tanımlanm mlanmış olan tüm t m yapım m kurallarına uyulması gereklidir. Birleşim im detayının n iyi çözümü önemlidir. Tek bir kötük birleşim, im, bütün b elemanları doğru olarak boyutlanmış bir yapının n göçg öçmesine neden olabilir. Hesap Hesap hipotezleri yapıda gerçekle ekleştirilen birleşimlere, imlere, ya da birleşimler imler hesaptaki varsayımlara uymalıdır.

74 Kolon- kiriş birleşimleri imleri

75

76

77

78 Kolon-Kiri Kiriş ve Çapraz UçU Birleşimleri imleri

79 Kolon-Kiri Kiriş ve Çapraz UçU Birleşimleri imleri

80 11.4 Kolon ayakları Mafsallı Ankastre

81 Ankraj Bulonları

82 Kolon Ekleri

83 Türkiye den Avrupa Yapısal Çelik Birliği i (ECCS) nin iki yılda y bir verdiği Çelik Yapı Ödülü ü nü kazanmış projeler ( )

84 Tatilya-İstanbul 1997 ECCS Çelik Yapı Ödülü

85 Cam Piramit-Antalya 1999 ECCS Çelik Yapı Ödülü

86 Sabiha Gökçen G Havalimanı-İstanbul 2001 ECCS Çelik Yapı Ödülü

87 Bahar Katlı Otopark-İstanbul 2003 ECCS Çelik Yapı Ödülü

88 Bilgi Üniversitesi-İstanbulstanbul 2005 ECCS Çelik Yapı Ödülü

89 Adnan Menderes Havaalanı-İzmir ECCS Çelik Yapı Ödülü 2007

90 Sebze, Meyve, Balık k Hali- Bursa 2009 ECCS Çelik Yapı Ödülü

91 KAYNAKLAR F. Hart, W. Henn, H. Sontag,, Multi-storey Buildings in Steel, Editor of English Edition: G. Bernard Godfrey,, GranadaG Publishing,, London. Arda, T.S., Çelik Çatı ve Binalarda Rüzgar R Karşı şıt t Düzenleri D ve Stabilite Bağlar ları, Sakarya Devlet MühendislikM hendislik-mimarlık k Akademisi Yayınlar nları No.3, İstanbul. Odabaşı şı,y., Endüstri Yapılar ları ve Hal Konstrüksiyonlar ksiyonları, I. Çelik Yapılar Semineri, Cilt I, İTÜ İnşaat Fakültesi. Odabaşı şı,y., Çelik Endüstri Yapılar ları, II. Çelik Yapılar Semineri,, Cilt II, İTÜ İnşaat Fakültesi. Martin L.H., Purkiss J. A., Structural Design of Steelwork,, Edward Arnold, Hodder&Stoughton, London. Salmon Charles G., Johnson John E., Steel Structures, Harper&Row, Publishers, New York. Galambos T.V., Lin F. J., Johnston B. G., Basic Steel Design with LRFD, Prentice-Hall Inc., NJ. Spiegel L., Limbrunner G.F., Applied Structural Steel Design, Prentice Hall, 3rd Edition. Les Carnets De L Acier, L Aout,2003. Deren H., Uzgider E., Piroğlu F., Çelik Yapılar, Çağlayan Kitapevi, Beyoğlu lu-istanbul. Coosje van Bruggen, Frank O. Gehry: Guggenheim Museum Bilbao,The Solomon Foundation, New York. Deprem Bölgelerinde B Yapılacak Binalar Hakkında YönetmelikY netmelik-dbybhy Teşekk ekkür ArcelorMittal Borusan Mannesmann Cepa Corus Galvaçelik Rozak Tabosan Türk Yapısal Çelik Derneği Yapı Endüstri Merkezi