İNŞ 315 ÇELİK YAPILAR I BÖLÜM 2

Transkript

1 İNŞ 315 ÇELİK YAPILAR I BÖLÜM 2 BÖLÜM 2 ÇELİK ÜRETİMİ ve MALZEME ÖZELLİKLERİ 2.1. Çelik Üretimi Çeliğin Statik Yükler Altında Davranışı... 7 Çekme Deneyi Çelik Emniyet Gerilmeleri Eski Standart ve/veya Yönetmeliklerdeki Durum Çelik Malzemesinin Şekil ve Boyutları Haddeleme (Şekil verme) Profiller Lamalar (dikdörtgen enkesitli çubuklar) Levhalar Çubuklar / 23

2 2.1. Çelik Üretimi Çelik demir cevherinden elde edilir. Doğada demir cevheri; oksitler (magnetit (Fe3O4) ve hematit (Fe2O)), hidroksitler (geotit (FeO(OH)) ve limonit (FeO(OH) nh3o)), karbonatlar (siderit(fe2co)) ve diğer maddelerle karışık olarak bulunmaktadır. Hemen tüm cevher türleri Silisyum Oksit (Si2O) ihtiva etmektedirler. Çoğu cevher türleri az miktarda Fosfor, Alüminyum, Kükürt, vb. elementler içermektedir. Demir cevherleri Magnetit, Hematit, Geotit, Limonit Siderit tir. Bu cevherler yüksek fırında kok kömür ile yakılıp ergitilerek ham demir elde edilir. Kok kömürünün iki fonksiyonu vardır; birincisi gerekli sıcaklığı sağlamak, ikincisi ise erimiş demir cevheri ile tepkimeye girecek CO i üretmektir. Kok kömürdeki karbon demir ile alaşım meydana getirir, ayrıca bu alaşım yani ham demir cevherden gelen Silisyum, Alüminyum, Kükürt gibi maddeleri de ihtiva eder. İşlem sonunda cüruf ve yüksek fırın gazları da ortaya çıkar. Cüruf, yoğunluğu az olduğundan ergimiş ham demirin üzerinde toplanır ve yüksek fırındaki cüruf deliğinden dışarıya atılır. Elde edilen ham demirin karbon oranı yüksek (%3-5) olduğundan şekil değiştirmeye ve kaynaklanabilmeye elverişli değildir. Elde edilen bu malzemeye font denilmektedir. Fontun çekme mukavemeti çok düşüktür. Döküm malzemesi olarak kullanılır. Fontun işlenebilmesini sağlamak amacıyla ısıl işlem uygulanarak bünyesindeki karbon miktarının azaltılması ve fosforun uzaklaştırılması gerekmektedir. Isıl işlemde asıl amaç erimiş malzemeye nemli hava veya direk oksijen üflenmesiyle bünyedeki karbonun oksijen ile tepkimeye girmesin 2 / 23

3 sağlamaktır. Ham demir işlenerek, kullanılan yöntem ve katkılara bağlı olarak çelik veya dökme demir üretilebilir. Başlıca ısıl işlem yöntemleri; 1-Siemens-Martin Yöntemi, 2-Elektrik Arkı Yöntemi, 3-Oksijen Üfleme Yöntemidir.. Bu yöntemler sonucunda dökme çelik, dövme çelik veya hadde ürünü çelik elde edilir. Siemens-Martin Yönteminin Şematik Gösterimi Elektrik Ark Yönteminin Şematik Gösterimi 3 / 23

4 Oksijen Üfleme Yönteminin Şematik Gösterimi (1) hurda yüklemesi, (2) yüksek fırından gelen pik demir, (3) Oksijen üfleme, (4) sıvı çeliğin alınması, alaşım elementleri ve bazı ilavelerin katılması, (5)cürufun alınması Demir 1535ºC de erimektedir. Erimiş demir sıcaklığı azaldıkça küp şeklinde kristalleşerek δ (delta) demirini oluşturur. 1400ºC de demir berkir ve δ demiri γ (gama) demirine çevrilir, devamında da demirin en son formu α demiri olarak adlandırılan formları alır. Demir eriğine karbon ilavesiyle karbon miktarı ve soğuma rejimine göre 910 ºC ye kadar östenit, 723 ºC den sonra da perlit kristalleri oluşur. Oda sıcaklığına kadar soğutulan çelik sementit ve ferrit tanelerinden oluşmaktadır. Ferrit çok sünek ve az mukavemetli olup, sementit bunu aksine çok sert ve gevrektir. Perlit bunların her ikisini bünyesinde bulunduran formdur. Ferrit ve sementit tanelerinin miktarı çeliğin mekanik özelliklerine göre direkt etki etmektedir. Çeliğin dayanımı ve dayanıklılığı muhtelif malzemelerin ilavesiyle değişkenlik göstermektedir. Katılan başlıca malzemeler, karbon, silisyum, aliminyum, manganez, bakır, molibden, azot, forfor ve kükürttür. Bu elementlerin miktarları çeliğin dayanımını ve sünekliğini etkilemektedir. İlgili standartlarca bu malzemelerin miktarları çelik sınıflarını belirlemektedir. Çeliğin soğuma rejimi de mekanik özelliklerini doğrudan etkilemektedir. Çeliğin faz seviyesine uygun olarak ısıtılıp tekrar faz değişim hızından daha hızlı bir şekilde soğutulması (tavlama) çok 4 / 23

5 az miktarda karbon ayrılmasına sebep olacaktır. Bu durumda çeliğin mukavemeti yükselirken plastiklik özelliği azalarak gevrekleşmektedir Yapısal Çeliklerin Karakteristik Mukavemet Özellikleri Başka bir ifadeyle mekanik olarak işlenebilen (dövülerek, preslenerek, haddeden geçirilerek şekil alabilen) demir alaşımlarına çelik denir. Yapısal çelik malzemeler genel itibariyle bünyesinde %16-20 kadar karbon ihtiva ederler. C Sertlik Mukavemet Çelik yapılar statik ve dinamik yükler, sıcaklık değişimi ve korozyon etkileri altındadır. Bunun yanı sıra çelik malzemesinin işlenmesinde, dış yüklerin etkisi altında çalışması da dikkate alınarak üretimin sağlanması gerekmektedir. Başka bir deyişle yapıların projelendirilmesi, öngörülen işlenebilme ve kullanılmasına yönelik malzeme özelliklerine göre yapılmaktadır. Yapısal çeliklerin başlıca özellikleri mukavemet (dayanım), süneklik, enerji yutma kapasitesi, kaynaklanabilirlik, işlenebilme özelliği ve korozyon dayanımı şeklinde sıralanabilmektedir. Dolayısıyla çelik malzemesi içerisindeki katkı miktarları bu özellikleri doğrudan etkilediğinden istenilen çelik sınıfının sağlandığından kanıtlanmalıdır. Bu sebeple farklı eriyiklerden üretilen her çeliğin laboratuvar deneyleri sonucunda karakteristik özelliklerin kesin şekilde ortaya konulması gerekir. işlenmesi ve kullanılmasına yönelik başlıca özellikler Yapısal çelikler çekme deneyleri ile elde edilen akma ve çekme dayanımı ile birim uzama değerlerine bağlı sınıflandırılır. Çelik sınıfları çelik yapılar yönetmeliklerinde tanımlanmaktadır. Çelik Yapıların Tasarım ve Yapım Kuralları 2016 da TS EN e uygun şekilde sıcak haddelenerek üretilmiş çelik profiller ve levhalar ile EN ve EN a uygun olarak üretilen yapısal boru ve kutu enkesitli elemanların oluşturduğu çelik profiller için dayanım değerleri ilgili yönetmeliğin Tablo 2.1A ve Tablo2.1B de verilmektedir. 5 / 23

6 (Eski standartlarda verilen St37 (Fe37) çelik sınıfı yeni yönetmelikte S235 e ve St52 (Fe52) çelik sınıfı yeni yönetmelikte S355 e karşılık gelmektedir. St37 için 37 değeri malzemenin minimum çekme mukavemetinin (σb) kn/cm 2 veya kg/mm 2 biriminden değeridir. Yeni yönetmelikte ise çelik sınıflandırmada verilen S235 de ise 235 değeri malzemenin minimum akma mukavemetinin (Fy- σf) N/mm 2 birimden değerini göstermektedir) 6 / 23

7 Çeliğin Statik Yükler Altında Davranışı Ferrit taneleri ve sementit tabakalarından oluşan çelik malzemesinin dayanım özellikleri ihtiva ettiği madde miktarına bağlı olarak farklı karakteristikler göstermektedir. Demir kristallerini birbiri üzerinde kaydırmak atomlarını koparmaktan daha kolaydır. Bu sebeple demir tanelerinin plastik deformasyonu kaymadan olmaktadır. Bununla birlikte kaymaya karşı daha mukavemetli olan perlit taneleri de bulunduğu için çelik malzemesi demire göre daha yüksek çekme mukavemetine sahip olmaktadır. Çekme Deneyi Çeliğin mukavemet özellikleri laboratuvarda yapılan çekme deneyi ile belirlenmektedir. Çekme deneyi dairesel kesitli (çubuk) veya dikdörtgen kesitli (levha) orta kısmı inceltilmiş çekme deney numuneleri üzerinde yapılmaktadır. Çekme bölgesi uzunluğu çapının veya en kesit genişliğinin 5 katı kadardır. Çekme numunesi belirli bir hız aralığında artış gösteren çekme kuvvetine maruz bırakılır. Yassı ve dairesel kesitli çekme numunesi görümleri 7 / 23

8 Çekme numunelerinin çekme presine bağlantı şekilleri (a-dişli başlık yapılması durumu, b- başlıkta bulon deliği açılması c- daire kesitli ve dikdörtgen kesitli başlıkta herhangi bir işlem yapılmadığı durum) Numunenin başlangıç boyu L0 esas alınarak belirlenen ΔL boy değişiminin kuvvetle olan ilişkisi ortaya konulmaktadır. Etki eden kuvvete karşılık gelen boy değişim (uzama) değeri alınarak kuvvet-uzama diyagramı çizilmektedir. Bu diyagram ile aynı karakteristiği gösteren gerilme 8 / 23

9 birim deformasyon eğrisi, kuvvetin enkesit alanına bölünmesiyle gerilmenin, boy değişiminin ilk boya bölünmesiyle birim deformasyonun hesaplanması şeklinde çizilebilmektedir. a-kuvvet-uzama Eğrisi Bu durumda, Çubuğun uzama oranı; Çubuğun gerilmesi; ve birbiriyle yakından ilgilidir. L L L 0 0 b-gerilme-birim Şekil Değiştirme Eğrisi 0 P olmaktadır. A Sıcak işlem görmüş çelik malzemesinden üretilen çekme numunesine ait karakteristik gerilme- birim deformasyon eğrisi aşağıda verilmektedir. 9 / 23

10 Yapısal çeliğin karakteristik gerilme-şekil değiştirme diyagramı 1 (sıcak hadde) P kuvveti sıfırdan başlayarak yavaş yavaş artırılırsa gerilme p değerine varıncaya kadar malzeme lineer elastik bir karakter gösterir. Yani - grafiğinde p ye kadar olan bölüm bir doğru parçasıdır. Yani malzeme Hooke Kanununa uyar. P ye orantılı sınır gerilmesi değeri denilmektedir. P nin değeri; S235 için N/mm 2 (1,8-2,2 tcm 2 ) S355 için N/mm 2 (2,6-3,8 tcm 2 ) dir Doğrusal olan bu kısmın eğimi elastisite modülü olarak isimlendirilir. Çelik için elastisite modülü, Es= kgcm 2 (2.000 tcm 2 veya N/mm 2 ) (AISC ve ÇYY-2016) Es= kgcm 2 (2.100 tcm 2 veya N/mm 2 ) (EC3 ve TS EN ) gerilmesi p yi aştıktan sonra E gerilmesine varıncaya kadar malzeme yine elastik kalır, fakat Hooke kanununa uymaz. 10 / 23

11 E ye kadar olan bölgeye elastik bölge denir. Bu bölgede şekil değiştirmelerin tamamı kuvvet kaldırıldığında geri döner. E değerine elastik sınır gerilmesi denir. gerilmesi F gerilmesine vardığı zaman malzemede akma ve büyük plastik şekil değiştirme meydana gelir. F gerilmesine varıldığı zaman - diyagramı eksenine paralel hareket eder. Yani, kuvvet (gerilme) artmadığı halde deformasyon artmaktadır. F değerine akma sınır gerilmesi adı verilmektedir. F nin değeri (Yönetmelikte Fy); S235 için F =235 N/mm 2 (2,35 t/cm 2 ) S355 için F =355 N/mm 2 (3,55 t/cm 2 ) Malzemedeki akma durumu çok devam etmez. Diyagramda tekrar bir yükselme görülür. Yani deformasyon, ancak gerilmelerin artmasıyla artar. Bu olaya pekleşme denir. Bu bölgede eğim elastik bölgedekine göre çok küçüktür ve gerilme arttıkça azalır ve sıfıra iner. B değeri, diyagramdaki en büyük ordinattır. Bu değer çeliğin taşıyabileceği en büyük yüke karşılık gelen gerilme değeridir ve bu değere çeliğin çekme mukavemeti denilmektedir. Çekme mukavemetine ulaşan numune bir miktar daha bu gerilme değerinde kaldıktan sonra numune herhangi bir kesitinde boyun verme denilen kesit daralmasına maruz kalır. Boyun verme başladıktan sonra gerilme deformasyon eğrisi azalan yönde bir eğilim gösterir ve kesitin daraldığı yerden kopar. 11 / 23

12 Dairesel kesitli numunelerin çekme deneyi öncesi ve sonrası görünümleri I profil flanşlarından alınan numunelerin çekme deneyi öncesi ve sonrası görünümleri 12 / 23

13 Plastik bölgeye girildiğinde diyagramın herhangi bir C noktasında kuvvet sıfırlanırsa çubuk ilk boyu Lo a dönmez, (pl) kadar bir plastik uzama kalır. Çekme mukavemeti, alan olarak malzemenin ilk kesitinin göz önüne alınması halinde dayanabileceği en büyük gerilmedir. P A 0 B P çekme A 0 Yapısal çelikler için (betonarme çeliği hariç) B = N/mm 2 ( t/cm 2 ) civarındadır. - diyagramında k ile gösterilen değere kopma uzaması adı verilmektedir. k, çubuk kopuncaya kadar meydana gelen toplam uzamadır. Yapılan deneyler, boyuna uzayan çubuğun enine daraldığını göstermektedir. Enine daralmayı e ile gösterelim. Boyuna uzama ile enine daralmanın birbirine oranı sabittir. Bu değer çelik için değerindedir. e sbt ( poissonoranı ) 0,3 Çeliğin kayma modülü G MPa ( AISC ÇYY 2016) E G MPa ( EC3 TS EN ) 21 Aynı gerilme-şekil değiştirme eğrisi üzerinde çekme numunesinin şekil değiştirme karakteristiği aşamaları aşağıda verilmektedir. 13 / 23

14 Yapısal çeliğin karakteristik gerilme-şekil değiştirme diyagramı 2 (sıcak hadde) Soğuk işlem görmüş yapısal çeliklerin çekme etkisindeki davranışı sıcak hadde ürünlerine göre farklılık göstermektedir. Soğuk işlem görmüş çelikler daha yüksek dayanıma göstermelerine karşın, daha az sünek davranış göstermektedirler. Bu tip çeliklerin gerilme-şekil değiştirme eğrilerinde akma sahanlıkları bulunmamaktadır. Akma dayanımı değerinin belirlenmesinde % 0.2 uzama değerinden tanα eğiminde (Hooke kanununa başlangıç doğrusuna paralel) doğru çizilmesiyle elde edilmektedir. Çizilen bu 14 / 23

15 doğrunun esas eğriyi kestiği noktanın gerilme eksenine izdüşümü alındığında akma dayanımı değeri elde edilir. Farklı çelik sınıflarının içerdikleri karbon miktarlarına göre mukavemet değerlerinde artış gösterdiği, buna bağlı olarak daha gevrek davranış sergiledikleri daha önce söylenmişti. Çelik malzemesinin düşük, orta ve yüksek karbon ihtivasına göre çekme durumundaki gerilme- şekil değiştirme eğrileri aşağıda verilmektedir. Çeliğin basınç altındaki davranışı elastik ve plastik bölge karakteristiği olarak benzerlik göstermektedir. Ancak pekleşme sonrasında basınç yükünün etkisiyle enine genleşme sürekli 15 / 23

16 olacağından kesit alanında sürekli artış gözlenecektir. Bu durum gerilme şekil değiştirme eğrisinde sonsuza giden bir eğilim gösterecektir. Aşağıdaki eğri basınç deneyine tabi tutulmuş çelik malzemesinin gerilme-şekil değiştirme eğrisidir. Ancak unutulmamalıdır ki basınca maruz çelik yapı elemanları basınç altında boyutlandırılırken kesit şekillerindeki farklı formlar ve eleman boylarındaki narinlik etkisine bağlı olarak gerçekte yukarıdaki eğriye benzer sonsuz dayanım sergilememektedir. Basınç altındaki elemanlar kesit şekline ve eksenel doğrultudaki boylarına ve mesnetlenme şartlarına bağlı burkulma dayanımı göstermektedir. Bu konuyla ilgili ayrıntılı bilgi basınç çubukları bölümünde verilecektir Çelik Emniyet Gerilmeleri Eski Standart ve/veya Yönetmeliklerdeki Durum Çelik Yapıların Tasarım, Hesap Ve Yapım Esasları Yönetmeliği-2016 öncesinde çelik yapılar için yapılan hesaplamalar TS 648 e göre ve emniyet gerilmeleri yönteminin kullanılması esasına göre yapılmaktaydı. Bu tasarım yaklaşımına göre çeliğin malzeme davranışı düşünüldüğünde akma sınırına kadar yüklenmiş çelikte büyük deformasyonlar meydana gelmektedir. Dolayısıyla yapıların bu sınıra kadar yüklenmesi düşünülemez. Bu bakımdan çelikte meydana gelecek maksimum gerilmenin, akma sınırının yeterince altında bir değerde tutulması gerekir. Bu değer, akma sınır gerilmesi F nin bir katsayı ile küçültülmesi yolu ile elde edilmektedir. em F F F değeri eski şartnamelerde belirlendiği şekliyle yaklaşık 1,5 2,0 civarındadır. 16 / 23

17 Emniyet katsayısının seçilmesinde diğer bir parametre ise yapının kullanım amacına ve üretileceği yere bağlı olarak dış ve sismik yüklerin alınması durumudur. Başka bir ifadeyle emniyet katsayısı değeri yüklenme şekline bağlı olarak değişmektedir. Çelik yapılarda göz önüne alınacak yükler iki gruba ayrılır: 1-) Esas Yükler EY(H) 2-) Tali (ilave) Yükler İY(Z) Yüksek Yapılar (çelik karkas yapılar, sanayi yapıları) Köprüler H (Esas Yükler) Öz yük, Hareketli yük, Kar yükü, Kren yükü, Makinelerin kütle kuvvetleri. Öz yük, katar yükü veya trafik yükü merkezkaç kuvveti Z (İlave Yükler) Rüzgâr yükü, Fren kuvveti Isı değişimi sonucu meydana gelen yükler Montaj sırasındaki yük durumları Rüzgâr yükü, Kar yükü, Isı etkisi, Yan çarpma kuvveti, Fren kuvveti Bir çelik yapının hesabı, iki farklı yükleme haline göre ayrı ayrı yapılır; 1-) Sadece esas yükler (H) yüklemesi veya 1.yükleme 2-) Esas yüklerle birlikte tali yüklerde alınır. (HZ) yüklemesi veya 2.yükleme Bu iki yükleme halinde emniyet katsayıları ve emniyet gerilmeleri farklıdır. F emniyet katsayıları TS498 de şöyle verilmiştir: (H) yüklemesi için F =1.71 (HZ) yüklemesi için F=1.50 Buna göre, St37 çeliğinde (H) yüklemesi için emniyet gerilmesi: F St37 ; em 1.4 t / cm 1.71 F St52 çeliğinde (HZ) yüklemesi için emniyet gerilmesi F St52 ; em 1.4 t / cm 1.5 şeklinde hesap edilmektedir. F Çelik Yapı Kısımları İçin Emniyet gerilmeleri (kg/cm 2 ) Yapı Cinsi Yüksek Yapı Demiryolu Köprüsü Gerilme Çeşidi H I. yük. St37 Malzeme Yükleme Durumu HZ II. yük. H I. yük. St52 HZ II. yük. Çekme, Basınç, Eğilme Kayma Perçin ve Uygun bulonlu birleşimlerde delik cidarında ezilme Bağlantılar ve Çekme, Basınç, Eğilme mesnetler hariç diğer yapı kısımları Kayma Bağlantılar Çekme, Basınç, Eğilme / 23

18 2.4. Çelik Malzemesinin Şekil ve Boyutları Çelik malzemeler, bugüne kadar elde edilen tecrübelerin altında en ekonomik kesit şekilleri ile imal edilirler. Malzeme dayanımının yapısal diğer malzemelere karşı yüksek olmasından dolayı mukavemet özellikleri (atalet ve statik moment, atalet yarıçapı) ve montajlanma kolaylığına bağlı olarak daha hafif olacak şekilde üretilirler. Yukarıda dört farklı kesit verilmektedir. Kesitlere ait özellikler şu şekildedir. h (br) b (br) A (br 2 ) I (br 4 ) 1. Kesit Kesit Kesit Kesit Dört kesitin alanları birbirine eşit olmasına karşın (yani eleman ağırlıkları eşittir) atalet momentleri incelendiğinde yüksekliğin ve genişliğin artmasına bağlı olarak bir artış görülmektedir. Bu sebeple yüksek dayanıma sahip, aynı zamanda pahalı bir malzeme olan çeliğin ekonomik şekilde kullanılmasının gereği olarak farklı en kesitlerde üretilmesi gerekmektedir. 18 / 23

19 Haddeleme (Şekil verme) Haddeleme, kendi ekseni etrafında dönen takımlar (merdane) arasından geçirerek sürekli ya da çok adımda basma ile şekillendirmedir. Üretilen çelik haddeleme adı verilen şekillendirme işlemine tabi tutulursa istenilen şekli alan ürünler elde edilir. Haddeleme belirli bir sıcaklığın üstündeki çelikte yapılabildiği gibi göreceli olarak daha düşük sıcaklıktaki çelik malzemeye de uygulanabilir. Sıcak haddeleme sırasında kalıplara döküm yapılarak çelik katı eriyiğinden elde edilen slab, kütük veya blum denilen mamuller merdaneler yarımıyla şekillendirilir. Genelde haddeleme işlemi sırasında sıcaklık 800ºC-1200ºC aralığında değişmektedir. Haddeleme öncesi kızıl derecedeki ön hadde mamül ve haddeleme prensibi 19 / 23

20 Haddeleme Şekilleri Yukarıdaki şema gösterimi sonunda bitmiş hadde ürünler elde edilmektedir. Haddeleme yöntemi sıcak veya soğuk olarak adlandırılır. Sıcak haddelemede hadde mamül başka herhangi bir kimyasal veya işleme tabi tutulmaz. Soğuk haddeleme yarı mamül olarak üretilen çeliğin, soğuk olarak nitelik kazandırıldığı ve/veya makas hatlarında istenilen ölçülerde kesilmesi işlemidir. 20 / 23

21 2.4.2.Hadde Ürünleri Çelik yapı taşıyıcı elemanı olarak en çok kullanılan hadde mamulleri aşağıda verilmektedir. 1- Profiller I Profiller [ profiller 21 / 23

22 L profiller (Korniyerler) Tüp (Kutu) Profiller T profiller Boru Profiller 2- Lamalar (dikdörtgen enkesitli çubuklar) a. Dar Lamalar b=1050 mm t=560 mm b. Geniş Lamalar b= mm t=560 mm c. İnce Lamalar b=12630 mm t=0.15 mm Gösterim t.d veya d.t 22 / 23

23 3- Levhalar a.)ince levhalar t 2.75 mm bl=530 mm 760 mm ~ 1250 mm 2500 mm b.)orta levhalar 3 t 4.7 mm b 2500mm l 700mm c.)kaba levhalar t 5 mm b 3600 mm l 8000 mm Gösterilişi; Lev veya lev Çubuklar 23 / 23