2016 ÇELĠK YAPI TASARIMI

Transkript

1 PROSteel 2016 ÇELĠK YAPI TASARIMI ÖĞRENCĠ YARIġMASI SEMT PAZARI YERĠ MÜHENDĠSLĠK RAPORU 1

2 1 YAPI SĠSTEMĠ 2 YÜKLER 2.1 DÜġEY YÜKLER 2.2 KAR YÜKLERĠ 2.3 RÜZGAR YÜKLERĠ 2.4 ISI YÜKLERĠ 2.5 DEPREM YÜKLERĠ 2.6 MEMBRAN YÜKLERĠ 2.7 YÜK KOMBĠNASYONLARI 3 MALZEME VE ELEMAN ÖZELLĠKLERĠ 4 DÜZENSĠZLĠK KONTROLÜ 4.1 BURULMA DÜZENSĠZLĠĞĠ KONTROLÜ 4.2 Eġ DEĞER DEPREM YÜKÜ YÖNTEMĠ 4.3 KAT ÖTELEMESĠ KONTROLÜ 5 KESĠT KONTROLLERĠ 6 TEMEL HESABI 7 KESĠT ZORLAMALARI 8 ÖZET 9 KODLAR VE STANDARTLAR 2

3 1 YAPI SĠSTEMĠ Üç boyutlu genel sistem görünüşü ve bilgisayar hesap modeli Şekil 1 ve Şekil 2 de, gösterilmiştir. Analizine ait başlıca sonuçlar ile tipik elemanlarının boyutlandırma açıklanacaktır. Yapının her iki doğrultudaki yatay yük taşıyıcı sistemi, Yönetmelik 4 te tanımlanarak ilgili tasarım koşulları verilen, süneklik düzeyi normal moment aktaran çerçevelerden oluşmaktadır. Çatı alüminyum levha kaplama malzemesi tanımlanmıştır. Düzlemi içinde çatı döşemenin çelik kirişlere bağlantısı için, boyutları ve yerleşimi konstrüktif olarak seçilen kayma çivilerinden (stud) yararlanılmıştır. Akslardaki ana çerçeve kirişlerinin kolonlara bağlantısı ankastre tanımlanmıştır. Kolonların ±0.00 kotunda temele mafsalı olarak mesnetlendiği,bunu aksine çerçeve sistemin ankastre (kaynak) olduğu göz önünde tutulacaktır. Taşıyıcı sistemin kiriş ve kolon elemanları BORUSAN MANNESMAN ürün katalogunda ki ürün bilgileri kullanılarak tanımlanacaktır. Elemanlar kutu profil tercih edilmiştir. Tercih mimari kaygılar ile yapılmıştır. Sistemin tasarımında Fe52 yapı çeliği kullanılması öngörülmektedir. Maliyet olarak fazla olsa da yapının mimari özelliği göz önüne alındığından küçük kesit büyük dayanım ilişkisi istenilmektedir. Yapı çeliğinin özellikleri ile ilgili olarak, Yönetmelik geçerlidir. TS648 Çelik Yapılar Standardına göre, Fe52 yapı çeliğinin akma gerilmesi σa = 360 N/mm2, elastisite modülü E= N/mm2 ve emniyet gerilmeleri, normal gerilme için σem = 212 N/mm2, kayma gerilmesi için τem = 122 N/mm2 değerlerini almaktadır. 3

4 2 YÜKLER 2.1 DÜġEY YÜKLER Çatı döşemesi : Çatı Kaplaması G çatı = 0.25 kn/m2 Hareketli Yük Q = 1.0 kn/m2 Amfi döşemesi : Çelik Construction G = 0.8 kn/m2 Hareketli Yük (Tribün Yükü) Q = 7.5 kn/m2 2.2 KAR YÜKLERĠ Çatı Eğim = < 30 ise m = 1.0 Yapı Kocaeli 2. Zati Kar Bölgesinde bulunmaktadır. Yapı Deniz Seviyesindedir. H <= 200 Pk = m * Pko = 0.75 kn/m2 4

5 2.3 RÜZGAR YÜKLERİ Rüzgar yükleri TS498 Yük Standardına göre belirlenecektir. Rüzgar doğrultusuna dik olan yüzeye yayılı olarak etkiyen rüzgar yükleri 4 cephede açık olan tasarımımızda sadece çatı bölgesinde ve kolon kesitlerine etki etmektedir. Yapı Deniz Seviyesinde yani h < 8m ise q = 0.5 kn/m2 Eğim = arctan ( 6/16 ) = *q = 0.40 kn/m2 (1.2sin a - 0.4)*q = ( )*q = 0.1 kn/m2 0.4*q = kn/m2 Not : Yükleme yapılır iken Local Axes yönlerine dikkat edildi. 2.4 ISI YÜKLERĠ Isı yükü, sıcaklık değişimlerinden kaynaklanan yük olarak tanımlanır. Isı yükleri işletme ve çevresel koşullardan kaynaklanır. Bu yükler yapıların, boruların, depoların genleşmesine veya büzüşmesine sebep olmaktadır. Isı yükleri ve ısı yüklerinden kaynaklanan yer değiştirmeleri, ekipmanların kullanım şartlarında ortaya çıkan değerlerden değil, dizayn kriterlerinde belirtilen şartlardan alınmalıdır. Genleşme katsayısı : 0, / C İç kuvvetlerden, farklı temel oturmalarından, sıcaklık değişikliklerinden kaynaklanan uzunluk farklılıkları sebebi ile oluşan kuvvetler için belirlenecek olan yük katsayıları zati yükler ile aynı olacaktır. Devlet Meteoroloji İşleri Genel Müdürlüğü internet sitesinden Kocaeli ili için alınan meteorolojik 5

6 veriler aşağıdadır. Maksimum çevre sıcaklığı = 44.1 C Minimum çevre sıcaklığı = -9.7 C Ortalama maksimum çevre sıcaklığı = 29.5 C Ortalama minimum çevre sıcaklığı = 3.3 C İnşaat Safhasında Ortalama Sıcaklık = 23 C TP = 23.6 TN = DEPREM YÜKLERĠ Tasarımı yapılacak olan tek katlı yapı birinci derece deprem bölgesindedir. Deniz kenarına yapılacaktır bu sebep ile Z3 yerel zemin sınıfı üzerinde inşa edileceği kabul edilmiştir. İnsanların uzun süreli ve yoğun olarak bulunduğu türde bir yapı olarak kullanılacaktır. Yapı taşıyıcı sisteminin her iki doğrultuda süneklik düzeyi normal deprem yüklerinin tamamının çerçeverler ile taşındığı göz önünde bulunarak oluşturulması öngörülmektedir. Bu parametreler esas alınarak belirlenen deprem karakteristikleri ve ilgili yönetmelik maddeleri aşağıda verilmiştir. Deprem Bölgesi : 1. Derece 6

7 Etkin Yer İvme Katsayısı : 0.40 Bina Önem Katsayısı : 1.4 Yapı Davranış Katsayısı ( R ) : 5 7

8 Zemin Sınıfı : Z3 ( Ta : Tb : 0.60 ) Hareketli Yük Katılım Katsayısı ( n ) : 0.30 Not : Yapı zemine oturduğu için hareketli yük sadece amfi bölgesinde önem taşımaktadır. Amfi alanında da bu yük tribün yükü ( 0.75 kn/m2) alındığından büyütmeye daha fazla gidilmemiştir. 8

9 0,0 1,0 2,0 3,0 S (T) PROSteel 2016 ÇELİK YAPI TASARIMI ÖĞRENCİ YARIŞMASI Deprem yönetmeliğinde yerel zemin sınıfları Z3 için tanımlanan elastik spektrum aşağıda grafik olarak verilmiştir. Yerel Zemin Sınıfı Spektrum Karakteristik Periyotları ( T a ) Spektrum Karakteristik Periyotları ( T b ) BĠNA GENEL BĠLGĠLERĠ ( 1. Derece Deprem Bölgesi ) Etkin Yer İvmesi Katsayısı (A o ) = Z3 = 0.15 ( sn ) = 0.60 ( sn ) = 0.4 Bina Önem Katsayısı ( I ) = 1.4 Taşıyıcı Sistem Davranış Katsayısı ( R ) = 5 Spektrum büyütme factorü ( A o.i.g ) = ( m ) S(T) = 1+1.5T/T A ( 0<=T<=T A ) S(T) = 2.5 ( T A <T<=T B ) S(T) = 2.5(T B /T) 0.8 ( T>T B ) R a (T) = 1.5+(R-1.5)T/T A R a (T) = R ( 0<=T<=T A ) ( T>T A ) SPEKTRUM EĞRİSİ Z3 0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 T (sn) 9

10 2.6 MEMBRAN YÜKLERĠ Çatı Yükleri Eğik Çatı Yükleri Amfi Yükleri Not : Ağırlıksız ve dayanımsız tanımlanan membranlar ile alan yükleri kirişlere aktarıldı. Not : Kirişler moment aktaran (ankastre) elemanlardır. Deprem yükü çerçeve sisteme taşıtılmıştır. 2.7 YÜK KOMBĠNASYONLARI Yapı sisteminin düşey yükler ile yatay deprem ve rüzgar kuvvetleri altında analizi ile elde edilen iç kuvvetler, Yönetmelik e ve TS648 Çelik Yapılar Standardına uygun olarak, aşağıdaki şekilde birleştirileceklerdir. a) DüĢey yük birleģimleri : G + Q ( 1 yükleme) b) DüĢey yük + deprem birleģimleri : G + Q ± ExP ± 0.3Ey (32 yükleme) G + Q ± ExN ± 0.3Ey G + Q ± 0.3Ex ± EyP G + Q ± 0.3Ex ± EyN 0.9G ± ExP ± 0.3Ey 0.9G ± ExN ± 0.3Ey 10

11 0.9G ± 0.3Ex ± EyP 0.9G ± 0.3Ex ± EyN c) DüĢey yük + rüzgar birleģimleri : G + Q ± Wx ( 8 yükleme) G + Q ± Wy 0.9G ± Wx 0.9G ± Wy d) DüĢey yük + termal yük birleģimleri : G+TP G+TN TS648 Çelik Yapılar Standardına ve Yönetmelik e göre, emniyet gerilmeleri yöntemine göre yapılan kesit hesaplarında, birleşim ve ekler dışında emniyet gerilmeleri düşey yük + rüzgar yüklemeleri için %15, düşey yük + deprem yüklemeleri için %33 arttırılacaktır. Birleşim ve eklerin tasarımında ise, her iki yükleme durumu için emniyet gerilmeleri %15 arttırılacaktır. G : sabit yüklerden oluşan iç kuvvetler Q : hareketli yüklerden oluşan iç kuvvetler ExP, ExN : (x) doğrultusunda kat kütle merkezinin, bu doğrultuya dik doğrultudaki bina genişliğinin + %5 i ve %5 i kadar kaydırılması ile belirlenen noktalara uygulanan deprem yüklerinden oluşan iç kuvvetlerdir. EyP, EyN : (y) doğrultusunda kat kütle merkezinin, bu doğrultuya dik doğrultudaki bina genişliğinin + %5 i ve %5 i kadar kaydırılması ile belirlenen noktalara uygulanan deprem yüklerinden oluşan iç kuvvetlerdir. Wx, Wy : sırasıyla (x) ve (y) doğrultularındaki rüzgar yüklerinden oluşan iç kuvvetlerdir. TP, TN : Çelikte sıcaklık etkisi ile oluşacak iç kuvvetlerdir. 11

12 Kütle katılım oranı 26. Modda %90 a ulaşmıştır. Deprem hesabında hareketli yük katılım katsayısı kar ve hareketli yükler için n=0.30 olarak kullanılmıştır. 12

13 3 MALZEME VE ELEMAN ÖZELLĠKLERĠ Tasarladığımız yapımızda st52, yüksek dayanımlı çelik sınıfı, ile üretilmiş olan sektörde öncü firmalardan Borusan Mannesmann, güçlendirilmiş çelik yapı ve sanayi profilleri kullanılmıştır. 13

14 TABLE: Material List by Section Section Element Type # Pieces Total Length Total Weight m kn 200*200 Column *150 Column *150 Brace *250 Beam *120 Beam

15 Elemanların Model Ġçinde Dağılımı Sarı = 150*250*10 Dikdörtgen Profil Pembe = 120*120*10 Kare Profil Turuncu = 200*200*10 Kare Profil Mavi = 150*150*10 Kare Profil 15

16 4 DÜZENSĠZLĠK KONTROLLERĠ 4.1 BURULMA DÜZENSĠZLĠĞĠ KONTROLÜ EY Yüklemesi Di max = 11.5 mm Di min = 1.3 mm Di ort = 6.4 mm η bi = 1.79 EX Yüklemesi Di max = 7.1 mm Di min = 0.7 mm Di ort = 3.9 mm η bi = 1.82 Yapı 1. Derece Deprem bölgesindedir. Burulma Katsayısı 2 den küçüktür. Yüksekliği 6 metredir. Bu sebepler ile eşdeğer deprem yükü yöntemi uygulanabilmektedir. 16

17 Di = 2.30 Ex = 0.05 * Di = 2.30 * 0.05 = Ey = 0.05 * Di = 2.30 * 0.05 = Eġ DEĞER DEPREM YÜKÜ YÖNTEMĠ Tx = S (Tx) = 2.5 Ty = S (Ty) = 2.5 Ra(Tx) = 5 Cx = ( Ao* I ) / R(Tx) = 0.2 Ra(Ty) = 5 Cx = ( Ao* I ) / R(Tx) =

18 Periyot : T x = S (T) = 2.5 Zemin Sınıfı : Z3 Deprem Bölgesi : 1.Derece S (T).A 0.I /R = 0.25 Bina Önem Katsayısı ( I ) : Ao.I : Deprem Yükü Azaltma Katsayısı : R = > 0.04 Periyot : T y = S (T) = 2.5 Zemin Sınıfı : Z3 Deprem Bölgesi : 1.Derece S (T).A 0.I /R = 0.25 Bina Önem Katsayısı ( I ) : Ao.I : Deprem Yükü Azaltma Katsayısı : R = >

19 4.3 KAT ÖTELEMESĠ KONTROLÜ EX YÜKLEMESĠ Scale Factor arttırılmıştır. Öteleme Kontrolü R y = 5, H=600 cm Δd = 0,27 cm δ= Δd * R =0,27*5 = 1.35 cm X doğrultusunda kat ötelemesi yoktur. δ/h = 1.35 / 600 = < 0.02 EY YÜKLEMESĠ Öteleme Kontrolü R y = 5, H=600 cm Δd = 2.09 cm δ= Δd * R = 2.9 * 5 = cm Y doğrultusunda kat ötelemesi yoktur. δ/h = / 600 = <

20 5 KESĠT KONTROLLERĠ Profil b/t < 1.2 ( Es /σa ) 150*250 Borusan Kutu Profil 7.50 < Ix = 5825 cm4 Sorun Yok Sx = 582 cm3 A = 72.6 cm2 σb İmin = 6 cm ( Cb ) / 0.6 σa Wx = 466 cm3 ( s d / Fb ) Wy = 351 cm < 216 b = 150 mm Yalnız eğilme momenti etkisi altında t = 10 mm müsaade edilecek basınç eğilme d = 440 mm gerilmesi (Madde 3.3),σB t = 10 mm Malzeme h = 250 mm Fb = 15 cm2 σb = σem = St52 Çeliği σbx = M/W σa= 360 N/mm2 τbx = T*Sx / Ix*tw σem = 216 N/mm2 τem = 144 N/mm2 σbx = <-N/mm2 1.33*σem = N/mm2 τb = <-N/mm2 1.33*τem = N/mm2 σb < 1.33*σem Cb = 1 Sorun Yok s = 400 cm τb < 1.33*τem f maks = 1.6 cm Sorun Yok L = 830 cm fmaks < L / 300 Ncombination Mcombination33 Mcombination22 Tcombination Ana Çerçeve Kirişleri Boyutlandırma kn 1.60 < kn.m 0.29 kn.m kn σec Sorun Yok = 9.90 σbx = σby = 0.83 (σec/σem) + (σbx/σbx) + (σby/σby) < < 1.00 Sorun Yok 20

21 21

22 22

23 23

24 Çapraz Eleman Boyutlandırması Profil 150*150 Borusan Kutu Profil I= cm4 D/t < S = 269 cm < A = 52.6 cm2 Sorun Yok İ = 5.6 cm A net = W = 220 cm3 σeb = = 1.2 ( E/σa ) N max / A net b = 150 mm < λ = L / r t = 10 mm < 4 ( Es /σa ) h = 150 mm < Fb = 15 cm2 < L = cm Sorun Yok λ - σbem Çizelge 8'den okunan değer Malzeme σbem = <-N/mm2 St52 Çeliği σa= 360 N/mm2 σeb / σbem < 1.00 σem = 216 N/mm < 1.00 τem = 144 N/mm2 Sorun Yok 1.33*σem = N/mm2 1.33*τem = N/mm2 Ncombination Mcombination kn 4.31 kn.m 24

25 25

26 6 TEKĠL TEMEL HESABI Yapının yapılacağı alan yapay dolgu zemindir. Bu sebeple zemin emniyet gerilmesi 1.0 kg/cm2 kabul edilmiştir. 26

27 1) TEKĠL TEMEL BOYUT VE DONATILARINA ĠLĠġKĠN KOġULLAR Tekil Temel Boyut ve Donatılarına ĠliĢkin KoĢullar Temel genişliği Temel yüksekliği Temel taban alanı Çekme donatısı oranları Büyüklük Çekme donatısı aralığı Sembol Açıklama B 70 cm H 25 cm l/4 At 1.0 m 2 ρ s 25 cm 2) TEKĠL TEMEL BĠLGĠLERĠ Bx 1.10 m By 1.10 m Boyut d 0.30 m b 0.30 m h 0.30 m Nd kn Yük Md3 0.0 knm Md2 0.0 knm Malzeme Beton C30 Çelik S420 Zemin Zem kn/m 2 Zem Sınıfı C Paspayı cc 5.00 cm 3) ZEMĠN GERĠMELERĠ KOTROLÜ Ntemel : σmax : 94.3 X Yönü σmin : 94.3 σort : 94.3 σmax : 94.3 Y Yönü σmin : 94.3 σort : 94.3 Zemin Emniyet Yeterli Negatif Gerilme Yok Zemin Emniyet Yeterli Negatif Gerilme Yok 27

28 4) KESME KUVVETĠ KONTROLÜ Ara Değerler Konsol Uzunluğu Konsol dibi gerilmesi Beton çekme dayanımı 1.25 X Yönü Y Yönü X Yönü Y Yönü Vd Vcr Kontrol Yeterli Yeterli 5) BETONARME DONATI HESABI Donatı Optimiasyonu Çap Aralık X yönü için : Y yönü için : fcd : Mpa fyd : Mpa X Yönü için Konsol momenti : Basınç bloğu derinliği : Hesaplanan As : Minumum As : Seçilen donatı : Mevcut donatı alanı : Max donatı kontrolü : 8.3 knm 1.8 mm cm cm 2 Ø 16 / cm 2 Kesit Yeterli Y Yönü için Konsol momenti : Basınç bloğu derinliği : Hesaplanan As : Minumum As : Seçilen Donatı : Mevcut Donatı alanı: Max donatı kontrolü : 8.3 knm 1.8 mm cm cm 2 Ø 16 / cm 2 Kesit Yeterli 28

29 6) TEMEL ZIMBALAMA TAHKĠKĠ Faydalı yükseklik : Zımbalama alanı : Zımbalama çevresi : Eğilme etkisi katsayısı : Ortalam zemin gerilmesi : 0.25 m 0.3 m m kn/m 2 Zımbalama kuvveti Fa : 29 kn Vpd : 76 kn Zımbalama dayanımı Vpr : 646 Yeterli 29

30 7 KESĠT ZORLAMALARI 1-1AKSI 2-2 AKSI 30

31 3-3 AKSI 4-4 AKSI 5-5 AKSI 6-6 AKSI 7-7 AKSI 31

32 8-8 AKSI 9-9 AKSI AKSI AKSI AKSI AKSI AKSI 32

33 15-15 AKSI AKSI AKSI AKSI AKSI AKSI 33

34 21-21 AKSI A-A AKSI B-B AKSI C-C AKSI D-D AKSI E-E AKSI F-F AKSI G-G AKSI H-H AKSI 34

35 I-I AKSI J-J AKSI K-K AKSI L-L AKSI M-M AKSI N-N AKSI 35

36 8 Özet m2 alana sahip Kocaeli de sahil kenarında yapılması planlanan semt pazarı projemizin hazırlanışında yardımcı program olarak çözümün de ETABS 2013, birleşim detaylarının aktarılması ve daha anlaşılır bir sunum yapabilmek amacıyla Tekla Structures 19.0 yardımcı programları kullanılmıştır. Sistem yarışma konseptine uygun olarak çeliğin kullanımını yaygınlaştırmaya yönelik fikirler doğrultusunda modellenmiştir. Çeliğin en önemli özelliklerinden biri olan narin görüntü, yüksek dayanım; bizim tasarımımızda da göz önüne çıkmaktadır. Genel yapı sistemlerinin aksine bizim projemizde deprem yükleri çerçeve sistem ile karşılanmaktadır. Bu sebep ile geniş ve temiz açıklıklar geçilebilmiştir. Çapraz perdelerin olmadığı bir strüktür ortaya çıkmıştır. Büyük oranda kirişler birbirine moment aktaran ankastre bağlantı ile bağlanmıştır. Yapıya uygun şekilde kullanılmış çapraz elemanların bulunduğu noktalarda deprem yükünü çapraz elemanlar taşıdığı için burada ki kiriş bağlantıları mafsallı tasarlanmıştır. Modelimizde görüleceği gibi yapının bir tarafında yoğunlaşan çapraz elemanlar deprem kuvveti karşısında yükü almakta fakat tek tarafta yoğunluk kazanması modelde burulma isteğine yol açmaktadır. Bu isteğe karşılık genel olarak 150*150 ebatlarında kullanılan kolonlar yerine burulma merkezine uzak tarafta kalan kolonlarda ebat artırımına gidilmiştir. 6 adet 200*200 ebatlı kolon kullanıldı. Hesap Yöntemi olarak Eşdeğer Deprem Yükü seçilmiştir. Modelden alınan taban kesme ile hesaplanan taban kesme kuvveti birbirine yakın olduğu görülmüş, Bölüm 2 düzensizlik kontrollerinin hepsinden başarıyla geçişmiştir. Kat kütlesi %90 katılımı binanın 26. Mod un da sağlanmıştır. Temel seçiminde ikilem yaşanmıştır. Yapı radye ile çözüldüğü taktir de işçilik kolaylığı sağlayacak fakat gereksiz bir beton/donatı maliyeti çıkartacaktı. Oturumun büyük olması ve yapının ölü ve hareketli yükünün fazla olmayışı tekil temeli daha makul bir çözüm kıldı. İşçilik artacak fakat maliyet ona oran ile daha çok düşürecektir. Kiriş-Kolon ve Kiriş-Kiriş bağlantıların da alın levhalarına kaynaklı kirişlerin birbirine bulonlu bağlandığı bir tasarım kullanılmıştır. Eğer şantiye kaynağı değil imalat kaynağı kullanılması isteniyor ise çerçeve minimum 16 m2 lik parçalara bölünerek imalatı yapıldıktan sonra şantiyeye taşınmalıdır. Şuan ki şartlarda bu kadar büyük bir alan kaplayan yapı elemanlarının nakliyesine imkan olmadığından bu ihtimal ortadan kalkmıştır. Çözüm olarak birbirine monte edilebilir hale getirilen parçalara bölünmüştür. Bulonlar yardımı ile bağlantısı yapılabildiğinden, güvenilirliği düşük saha kaynağı da kullanılmamış olmuştur. 36

37 9 KODLAR VE STANDARTLAR Bu dosyada belirltilmemiş uygulamalar aşağıdaki kodlara ve standartlara uymalıdır. Hesap ve yapı tasarımı için [1.] TS498 Yapı Elemanlarının Boyutlandırılmasında Alınacak Yüklerin Hesap Değerleri, 1997 [2.] TS648 Çelik Yapıların Hesap ve Yapım Kuralları, 1980 [3.] TS3357 Çelik Yapılarda Kaynaklı Birleşimlerin Hesap ve Yapım Kuralları, 1979 [4.] TS500 Betonarme Yapıların Tasarım ve Yapım Kuralları, 2000 [5.] TS708 Düz ve Nervürli İnşaat Çelik Çubukları, 1996 [6.] DBYBHY Deprem Bölgelerinde Yapıacal Binalar Hakkında Yönetmelik, 2007 [7.] İMO-02.R-01/2008 Hesap Kuralları ve Proje Esasları - Çelik Yapılar, Emniyet Gerilmesi Esasına Göre Hesap ve Proje Esasları İMO- İSTANBUL