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. Isı etkisi altında çeliğin gerilme şekildeğiştirme bağıntısındaki değişim 1
Yangın sonucu göçen çelik taşıyıcı sistem Çelik taşıyıcıları yangın (yüksek sıcaklık) etkisinden korumak amacıyla yapılan yalıtım uygulamaları Çelik kolon Metal sıva tirizi Metal destek Betonarme döşeme Çelik kolon İki kat alçı tabaka Alçı levha Alçı sıva Betonarme için enine donatı Çelik kolon Beton 2 Yrd.Doç.Dr. Kaan TÜRKER 2.HAFTA (2015)
1.8) Çeliğin mekanik özellikleri Çelik homojen ve izotrop (fiziksel ve mekanik özellikleri yükleme doğrultusuna bağlı olarak değişmeyen) bir yapı malzemesidir. Elastisite modülü : E =2100 000 kg/cm 2 Kayma modülü : G=E/2(1+ν) = 810 000 kg/cm 2 oisson oranı : ν = 0.3 Isısal genleşme katsayısı : α t = 12.10-6 Çelik Çekme Deneyi Çelik bir numune aşağıda belirtilen çekme deneyine tabi tutulduğunda, aşağıdaki Gerilme- Şekildeğiştirme (σ-ε) grafiği elde edilir. L Deneyde hesaplananlar uzama L F : En kesit alanı L =L -L Gerilme σ = F Şekildeğiştirme L ε = L A Çelik için Gerilme-Şekildeğiştirme (σ-ε) Bağıntısı 3
kuvveti sıfırdan itibaren yavaş yavaş arttırılır. σ = gerilmesi σ p orantılı sınır gerilmesine varıncaya kadar malzeme lineer-elastik F bir karakter gösterir, yani Hook Kanunu geçerlidir. σ Hook Kanunu : ε = E σ gerilmesi, σ p yi aştıktan sonra, σ E elastik sınır gerilmesine varıncaya kadar malzeme yine elastik kalır, fakat Hook Kanununa uymaz. σ gerilmesi, σ E yi aştıktan sonra, malzemenin elastik özelliği bozulur. σ gerilmesi, σ F akma sınır gerilmesine ulaştığı zaman, malzemede akma ve büyük plastik şekildeğiştirme meydana gelir. F-A arasındaki akma bölgesine akma sahanlığı (platosu) adı verilir. Büyük plastik şekildeğiştirmeden sonra malzeme kendini toparlar ve gerilmeler tekrar artmaya başlar (A-B arası bölge). Bu olaya pekleşme denir. Gerilme, σ 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), (σ-ε) diyagramı, O ye paralel CC doğrusuna karşılık gelir. Mevcut şekildeğiştirmenin bir kısmı (ε el ) geri döner, bir kısmı ise kalır (ε pl ). ε = ε pl + ε el Bu yükleme boşaltmadan sonra, OC = ε pl kadar şekildeğiştirme kalmış malzeme yeniden yüklenirse, (σ-ε) diyagramı, C CB olarak elde edilir. Yani malzeme σ C gerilmesine kadar lineer elastik karakter gösterir. Malzemenin sertliği ve akma sınırı artar, sünekliği ise OC kadar azalmış olur. 1.9 ) Çelik yapıların hesabında gözönüne alınan yükler ve Yükleme Kombinasyonları Çelik yapılar için Esas Yükler (EY) : Öz yükler, faydalı hareketli yükler, kar yükü, kren yükü, makinelerin kütle kuvvetleri İlave Yükler (İY) : Rüzgar yükleri, deprem yükleri, krenlerin ve araçların fren yükleri, krenlerin kaldırma yükleri, montaj ve tamir aşaması yükleri, ısı etkileri olmak üzere iki yük grubu tanımlanır ve bu yükleri içeren iki yükleme durumu (kombinasyon) esas alınarak boyutlandırma yapılır. Bu yük durumları; 1) EY Yüklemesi : Esas yükler yüklemesi. 2) EİY Yüklemesi : Esas yükler ve ilave yükler yüklemesi. 4
İlave yükler grubunda yüklerin aynı anda etkimeyecekleri kabul edilir. Buna göre her bir ilave yük için ayrı ayrı EİY yüklemesi yapılır. Örneğin; G sabit yükleri, Q hareketli yükleri, E deprem yüklerini, W rüzgar yüklerini göstermek üzere; Bir yapıda aşağıdaki yüklemeler için ayrı ayrı boyutlandırma yapılmalıdır. EY : G+Q EİY-1 : G+Q+E EİY-2 : G+Q+W Not: Yükün özelliğine göre (+) ve ( ) yüklemeler ve farklı doğrultular için de gerekli yükleme yapılır. 1.10) Çelik yapıların boyutlandırma yöntemi Çelik yapıların boyutlandırılması için günümüzde 3 farklı yöntem bulunmaktadır. Bunlar; 1) Emniyet Gerilmeleri Yöntemi (TS 648) 2) lastik Boyutlandırma Yöntemi (TS 4561) 3) Yük ve Mukavemet Faktörü Esaslı Yöntem Taşıma gücü esaslı yöntemler Ülkemizde çelik yapıların boyutlandırılması için Emniyet Gerilmeleri Yöntemi ve lastik Boyutlandırma Yöntemi öngörülmekte ancak, çok yaygın olarak Emniyet Gerilmeleri Yöntemi kullanılmaktadır. Emniyet Gerilmeleri Yöntemine göre; Yapıya etkiyen işletme yüklerinden ( i ) oluşan gerilmeler (σ i ) belirlenir. Malzemenin sınır gerilmesi (taşıma gücü) bir emniyet katsayısına (e) bölünerek emniyet gerilmeleri (σ em ) belirlenir. İşletme gerilmesi, emniyet gerilmesinden küçük veya ona eşit olacak şekilde en kesit boyutları belirlenir. i σ i σ em σ em = σ sınır / e Bu yöntemin esasları ve çelik yapı elemanlarının boyutlandırılmasında kullanılacak olan emniyet gerilmeleri, çelik sınıflarına bağlı olarak TS 648 de verilmiştir. 5
TS 648 e göre Çelik yapı elemanları için akma gerilmeleri ve emniyet gerilmeleri (Esas Yükler için) Çelik türü Akma gerilmesi σ F (kg/cm 2 ) Özel gerilme durumları: Çekme emniyet gerilmesi σ çem (kg/cm 2 ) Kayma emniyet gerilmesi τ em (kg/cm 2 ) St 37 (Fe37) 2400 1440 831 St 52 (Fe52) 3600 2160 1247 Gerilme Türü Basınç emniyet gerilmesi [σ bem = σ çem / ω(λ) ] Basınç Emniyet gerilmesi değerleri elemanın narinliğine bağlı olarak değişkendir 1) Eleman en kesitinde, iki eksenli gerilme durumu ortaya çıkması ve kesitte oluşan kayma gerilmesinin (τ), kayma emniyet gerilmesinin (τ em ) yarısını aşması halinde: Biçim Değiştirme Enerjisi Hipotezi ne göre Kıyaslama gerilmesi hesaplanır ve bu gerilme değeri aşağıda belirtilen sınır değerler ile karşılaştırılır. Kıyaslama gerilmesi : 2 2 2 σ = σ + σ σ σ + 3τ v x y x y Tek eksenli gerilme durumunda aşağıdaki ifade kullanılır. 0.75 σ F (EY Yüklemesinde) 0.80 σ F (EİY Yüklemesinde) σ F : Çelik akma gerilmesi Kıyaslama gerilmesi : 2 2 σ = σ + 3τ v x 0.75 σ F (EY Yüklemesinde) 0.80 σ F (EİY Yüklemesinde) Esas ve İlave Yükler Yüklemesi durumunda Emniyet gerilmeleri: Esas yüklere ait emniyet gerilmeleri % 15 - %33 artırılarak belirlenir. Deprem dışındaki diğer ilave yükler için EİY yüklemesinde emniyet gerilmeleri % 15 artırılır (TS 648). Deprem yüklerini içeren EİY yüklemesinde emniyet gerilmeleri; Birleşim ve eklerin tasarımında : % 15 Eleman tasarımında % 33 artırılır (DBYBHY-2007). Kaynaklar Çelik Yapılar, H. Deren, E. Uzgider, F. iroğlu, E. Çağlayan, Çağlayan Kitapevi, 3. baskı, (2008). Ahşap ve Çelik Yapı Elemanları, Y. Odabaşı, Beta Yayınları, (1992). Structural Steel Designer's Handbook, R.L. Brockenbrough, F.S. Merritt, McGraw-Hill1, (1994). Design of Steel Structures, E.H. Gaylord, C.N. Gaylord, J.E. Stallmeyer, McGraw-Hill, (1992). TS 648, Çelik Yapıların Hesap ve Yapım Kuralları. İMO-02.R-01/2008, Çelik Yapılar - Hesap Kuralları ve roje Esasları İMO İstanbul Şubesi, Çelik Yapılar Komisyonu, (2008). Deprem Bölgelerinde Yapılacak Yapılar Binalar Hakkında Yönetmelik (2007) 6