BALIKESİR ÜNİVERSİTESİ MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ İNŞAAT MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ ÇELİK ÇATI TASARIMI 2018-2019 ÖĞRETİM YILI DERS NOTLARI 1
DERS PLANI KONULAR 1. Çelik Çatı Sisteminde Aşık düzeninin ve Kafes Kiriş (Makas) düzeninin Belirlenmesi ve Yapısal Sistemin Modellenmesi 1.1 Çatı Sistemine Etkiyen Yüklerin Belirlenmesi 1.2 Aşık Aralıklarının Çatı Örtüsüne Bağlı Olarak Belirlenmesi 1.3 Kafes Kiriş Sayısının ve Ara Mesafelerinin Belirlenmesi 1.4 Uygulama Çizimlerinin Hazırlanması 1.4.1 Planın 1/100-1/200 Ölçeğinde Çizimi 1.4.2 Kafes Kiriş Düşey Kesitinin 1/20-1/25 Ölçeğinde Çizimi 2. Aşıkların Tasarımı 2.1. Aşık Yüklerinin İdealleştirilmesi 2.2. Aşık Statik Hesabı (Gerekli ise gergi elemanı kullanımı) 2.3. En Elverişsiz Kesit tesirlerinin (Gerekli dayanımların) Belirlenmesi 2.4. Aşık Gergi Çubuğunun Tasarımı (varsa) 2.5. Aşık-Aşık Eklerinin Tasarımı (varsa) 2.6. Uygulama Çizimlerinin Hazırlanması ve metrajının çıkarılması 3. Kafes Kirişin Tasarımı 3.1. Kafes Kiriş Yüklerinin idealleştirmesi 3.2. Kafes Kirişin Statik Analizi 3.3. En Elverişsiz Kesit tesirlerinin (Gerekli dayanımların) Belirlenmesi 3.4. Alt Başlık, Üst Başlık, Diyagonal ve Dikme Çubuklarının Tasarımı 3.5. Kafes Kiriş Sehim Kontrolü 3.6. Alt ve Üst Başlık Eklerinin Tasarımı ve uygulama çizimleri (1/5 ölçekli) 3.7. Aşık-Kafes Kiriş Birleşimlerinin Tasarımı ve uygulama çizimleri (1/5 ölçekli) ARA KONTROL 4. Kafes Kiriş Düğüm Noktalarının Birleşim Tasarımları (1/5 ölçekli uygulama çizimleri ile birlikte yapılacaktır) 5. Kafes Kiriş Mesnetlerinin Tasarımı Uygulama Çizimlerinin Hazırlanması (1/5 ölçekli) ve metrajının çıkarılması 6. Çatı Stabilite Elemanlarının Tasarımı 6.1. Yatay Stabilite Bağlantılarının Tasarımı 6.2. Düşey Stabilite Bağlantılarının Tasarımı 6.3. Yatay ve Düşey Stabilite Bağlantılarının Birleşim Tasarımı 6.4. Uygulama Çizimlerinin Hazırlanması (1/5 ölçekli) ve metrajının çıkarılması 7. Çatı Sisteminin Maliyetinin Belirlenmesi 2
Çelik Yapılar Projesi Dersi Not Baremi ve Değerlendirme: Vize: (Ara kontrol notu: % 30, Yıliçi Sınav Notu: % 70) Final: (Proje dosyası notu: % 50, Final Sınavı Notu: % 50) Bu dersten başarılı olabilmek için Ara kontrol, Proje dosyası ve Final sınavı notlarının her birinden 100 üzerinden en az 50 alınması gerekmektedir. Ara kontrol Yıliçi sınavından önceki hafta yapılacaktır. Proje dosyası Final sınav saatinde teslim edilecektir, zamanında teslim edilmeyen Proje dosyaları kabul edilmeyecektir. Proje Dosyasının kabul edilmesi için Proje Donesinin aslının ekli olması gerekmektedir. Kitaplar Çelik Yapıların Tasarım, Hesap ve Yapım Esaslarına Dair Yönetmelik Hakkında Uygulama Kılavuzu, Çevre ve şehircilik Bakanlığı, 2017. Çelik Yapılar, R. Aydın, A. Günaydın, Birsen Yayınevi, 2. Baskı, (2016) Steel Design, W. T. Sequi, United Kingdom: Cengage Learning, Fourth Edition, (2007). Steel Buildings In Europe Single-Storey Steel Buildings Part 5: Detailed Design Of Trusses, (SECHALO) RFS2-CT-2008-0030, CTICM and SCI, (2008). Çelik Yapılar, H. Deren, E. Uzgider, F. Piroğlu, E. Çağlayan, Çağlayan Kitapevi, 3. baskı, (2008). 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). Çelik Yapı Çelik Çatı Elemanlarının Ekonomik Çözümleri, Y. Odabaşı, Teknik Kitaplar Yayınevi, (1981). Elemanları, E. Keyder, S.T. Wasti, Bizim Büro Basımevi 1. baskı, (2010). Ahşap ve Çelik Yapı Elemanları, Y. Odabaşı, Beta Yayınları, (1992). Çelik Yapılar Kısa Bilgi ve Çözülmüş Problemler, A. Z. Öztürk, Birsen Yayınevi, 4. baskı, (2007). Standart ve Yönetmelikler Çelik Yapıların Tasarım, Hesap ve Yapım Kuralları, Çevre ve Şehircilik Bakanlığı, (2016). TS EN 1991-1-1Yapilar Üzerindeki Etkiler - Bölüm 1-1: Genel Etkiler - Yoğunluklar, Binalarin Zatî Ağirliklari ve Binalarin Maruz Kaldiği Diğer Yükler (2006). TS EN 1991-1-2 Yapilar Üzerindeki Etkiler - Bölüm 1-3: Genel Etkiler - Kar Yükleri (2007). TS EN 1991-1-3 Yapilar Üzerindeki Etkiler - Bölüm 1-4: Genel Etkiler - Rüzgar Etkileri (2007). TS 498 Yapı Elemanlarının Boyutlandırılmasında Alınacak Yüklerin Hesap Değerleri (1997). Türkiye Bina Deprem Yönetmeliği, Çevre ve Şehircilik Bakanlığı, (2018). Not: Ders notları http://w3.balikesir.edu.tr/~kturker adresinden haftalık olarak verilecektir. 3
ÇELİK ÇATILAR HAKKINDA GENEL BİLGİLER Büyük açıklıklı çelik yapılarda yapının üst kaplamasını ve ona etkiyen diğer tüm dış etkileri karşılamak amacıyla çeşitli bileşenlerle oluşturulan yapı üst kısmı çatı sistemi olarak adlandırılmaktadır. Büyük açıklıklarda daha ekonomik sonuçlar elde etmek için kirişler genellikle kafes kiriş (makas) şeklinde oluşturulur. Eğer yapının plan şekli düzenli (kare, dikdörtgen veya bunlardan oluşan) ise düzlem kafes kirişler kullanılması ekonomik çözümler verir. Ancak farklı geometrideki veya düzensiz kolon akslarına sahip çatı formlarında uzay kafes kirişler kullanılması daha uygun olabilmektedir. Bu ders kapsamında düzlem kafes kirişler ile oluşturulan çatı sistemlerinin tasarımı ele alınacaktır. Çatı sistemi bileşenleri Kafes kiriş ile oluşturulmuş tek katlı tipik bir endüstri binası taşıyıcı sistemi Stabilite elemanı Aşık Kiriş Kolon Cephe kuşağı Dolu gövde kiriş ile oluşturulmuş tek katlı tipik bir endüstri binası taşıyıcı sistemi Çerçeve Rüzgar kolonu Çaprazlı çerçeve 4
Düzlem kafes kirişler ile oluşturulmuş çelik çatı Uzay kafes kiriş ile oluşturulan çatı sistemi (BAUN Müh. Fak Amfisi) 100 m açıklıklı düzlem kafes kiriş ile oluşturulan çelik çatı sistemi 5
Çelik çatı sistemleri istendiğinde betonarme kolonlar üzerine de mesnetlenebilmektedir. Betonarme kolonlara mesnetlenen çelik çatı sistemi örnekleri Düzlem kafes kirişler ile oluşturulan çatı sistemleri genel olarak aşağıdaki bileşenlerden oluşmaktadır. Çatı kaplaması Gergi elemanı Aşık (I profil) Aşık Kaba bulon Takviye Kafes kiriş (Makas) Mesnet Kiriş üst başlığı (T profil) A A Taban levhası IPE Takviye laması Çatı sistemi bileşenleri (şematik gösterim) A-A Kesiti (Sabit mesnet) 6
Kafes kiriş (Makas) Aşık Gergi elemanı Stabilite elemanı Çatı kaplaması Dikme Diyagonal Alt başlık Çatı sistemi bileşenleri (şematik gösterim) Kafes kirişler (Makaslar) Kafes kirişler, kolonlara mesnetlenerek büyük açıklığın geçilmesini sağlayan taşıyıcılardır. Alt, üst başlık ve ara örgü elemanlarının birleşiminden oluşur. Kullanılan hadde ürünleri Alt başlık elemanları Üst başlık elemanları Dikme elemanları Diyagonal elemanları (½ Kup I, T, I, 2L, Boru kesitler) ( L, 2L, I, Boru kesitler) 10-100m açıklıklarda kullanılırlar. Kirişlerin mahya yükseklikleri açıklığın 1/15 1/10 u arasında seçildiğinde en iyi yapısal performans elde edilir. Diyagonal elemanların alt ve üst başlıklarla olan açılarının 35 o -55 o arasında seçilmesi uygun çözümler verir. Örgü çubuklarının yönleri uzun çubuklar çekme elemanı olacak şekilde belirlenirse ekonomik tasarım sağlanır. Düğüm noktalarından yükleme yapılır Örgü çubukları üçgensel alanlar oluştururlar. Çatı sistemlerinde kullanılan bazı düzlem kafes kiriş tipleri aşağıda gösterilmiştir. Eğrisel kafes kiriş Paralel başlıklı kafes kiriş 7
Üçgen kafes kiriş Trapez kafes kiriş Aşıklar Kafes kirişlere mesnetlenen ve çatı kaplamasını taşıyan elemanlardır. Gergi elemanları (12, 16 betonarme çeliği) Aşıkların çatı düzleminde eğilmesini azaltarak ekonomi sağlayan elemanlardır. Stabilite elemanları Kafes kirişleri birbirine bağlayarak başlıkların yanal stabilitesini sağlayan ve kiriş yanal etkilerini kolonlara aktaran elemanlardır. Mesnetler (Lama, bulon) Kafes kiriş mesnetlerindeki reaksiyonları kolonlara aktaran elemanlardır. Çatı kaplaması Kullanılan hadde ürünleri ( I, U profilleri ) ( L, 2L, Boru kesitler) (dalgalı saç, sandviç panel, gazbeton panel vb.) Çatı kaplamaları, çatı üst yüzeyine etkiyen yükleri aşıklara (veya doğrudan kirişe) aktarmakla görevli elemanlardır. Bunlar ikincil taşıyıcı eleman olarak adlandırılırlar. Büyük çeşitlilik gösteren bu malzemelerin taşıma gücü, sehim vb. özellikleri üretici firmalar tarafından yapılan testlerle belirlenir. Bu verilere dayanarak hazırlanan teknik özellikler (geçebilecekleri açıklık, taşıyabilecekleri yük, öz ağırlık gibi) ilgili malzeme kataloğunda bulunur. Çatı kaplaması Sandviç panel tipi çatı örtüsünün çatıya montajı Çatı kaplamasının aşıklar üzerine mojtajı 8
Çatı örtüsü olarak kullanılan Dalgalı levha (saç) ve Sandviç panel örnekleri Kafes kiriş Gergi Aşık Stabilite elemanı i Çatı sistemini oluşturan kafes kiriş, aşık, gergi ve stabilite elemanı Çelik kolon üzerine mesnetlenmiş kafes kiriş Betonarme kolon üzerine mesnetlenmiş kafes kiriş 9
1. Çelik Çatı Sisteminde Aşık düzeninin / Kafes Kiriş (Makas) düzeninin Belirlenmesi ve Yapısal Sistemin Modellenmesi 1.1 Çatı Sistemine Etkiyen Yüklerin Belirlenmesi Çatı sistemini oluşturan elemanların tasarımı için öncelikle binaya etkiyen yüklerin belirlenmesi ve her bir bileşen için bu yüklerin yapıya etkileri ayrı ayrı değerlendirilerek gözönüne alınması gerekmektedir. Çatı sistemlerinin maruz kalabilecekleri yükler genel olarak aşağıda verilmiştir. Öz (zati) yük, (G) Sabit yükler sınıfına girer (G) Kaplama, tesisat vb ölü yükler (G) Kar yükü, (S) Rüzgar etkisi (yükü), (W) Deprem yükü (E) Yağmur yükü, (R) Isı etkisi (T) Çatı sistemleri yapının özelliğine göre başka yüklere (hareketli yük (L), makine yükü vb.) de maruz kalabileceği gibi, yukarıda belirtilen yüklerin bazıları da tasarımda ihmal edilebilecek düzeyde olabilmektedir. Örneğin yoğun kar yüküne maruz bir bölgede yağmur yükü daha düşük kaldığı için gözönüne alınmayabilmektedir. SABİT YÜKLER (G) Çatı sistemi bileşenlerine etkiyen sabit yükler TS 498 ve TS EN 1991-1-1 den yararlanarak belirlenebilir. Bu şartnamelerde bulunmayan çatı kaplaması tipleri için hesap ağırlıkları ilgili kataloglardan alınabilir. Bir sandviç panel firması tarafından çeşitli kalınlıklardaki paneller için hazırlanan teknik veriler kataloğu aşağıda örnek olarak gösterilmiştir. Örneğin; Yalıtım malzemesi kalınlığı (EPS) 60 mm olan panel boyutu seçildiğinde; Panel ağırlığı = 4.27 kg/m 2 olarak belirlenir. 10
KAR YÜKLERİ (S) Çatılara etkiyen kar yükleri TS EN 1991-1-3 den yararlanarak belirlenir. Bu şartnameye göre kar yüklerinin hesabı basit çatı tipleri için aşağıda özetlenmiştir. Bir çatı üzerindeki kar ağırlığı s (kn/m 2 ) aşağıdaki bağıntı ile belirlenir. s= i * C e * C t * s k i : Kar yükü şekil katsayısıdır. Çatı yüzeyinin eğimine, komşu binaların çatılıları ile olan ilişkilere, çatı yüzeyindeki engellere (parapet, tabela vb.) bağlı olarak belirlenir. Çift eğimli çatıda kar birikmesi Çok eğimli bir çatıda kar birikmesi (tribün testi) Farklı çatı durumları için yapılacak kar yüklemeleri ve ilgili şekil katsayıları Kar Yüklemesi Kar Yüklemesi Durum-1 Tek eğimli çatı Durum-1 Kar Yüklemesi Durum-1 Kar Yüklemesi Durum-2 Durum-2 Durum-3 Çift eğimli çatı Çok eğimli çatı 11
Durum-1 Durum-2 Şekil katsayılarının çatı açısına göre değişimi Bir yanı kapalı düz çatıya gelen kar yükü Şekil katsayılarının çatı açısına göre değişimi (Çizelge 5.2 TS EN 1991-1-3) C e : Maruz kalma katsayısıdır. Yapının bulunduğu arazinin topografik yapısına bağlı olarak aşağıdaki tablodan seçilir. Farklı topografik alanlar için tavsiye edilen C e değerleri (Çizelge 5.1, TS EN 1991-1-3) C t : Isı katsayısıdır. yüksek sıcaklık iletiminden (>1 W/m2K) dolayı, özellikle binanın çatısı altındaki ısı kaybının çatı yüzeyini etkilemesi sebebiyle erimelerin meydana geldiği bazı cam kaplı çatılarda çatı kar yükündeki azalmanın hesaba katılması için kullanılır. Diğer bütün durumlar için Ct =1,0 alınmalıdır. 12
s k : Karakteristik zemin kar yükü değeridir. Yapının bulunduğu bölgeye (il / ilçe) ve bölgenin rakımına bağlı olarak TS 498 den seçilir. TS 498 e göre zemin kar yükü (P ko ) belirlenirken, öncelikle haritadan veya tablodan bölge nosu belirlenir ve Çizelge 4 den bu bölgeye ve rakıma göre yük elde edilir. Kar yağış yüksekliği haritası (TS 498) Zati Karyükü (P ko ) Değerleri kn/m 2 (TS 498, Çizelge 4) 13
UYGULAMA Aşağıdaki çelik binanın çatısının tasarımı için gerekli olan kar yükü değerini ve yapılması gereken kar yüklemelerini belirleyiniz. Binanın etrafında yakın mesafede daha yüksek binalar mevcuttur. Çatı kaplaması sandviç paneldir. Bina Balıkesir merkezde inşa edilecektir. (Rakım :150m) = 20 o Çatı kar ağırlığı : s= i * C e * C t * s k 1 = 0.8 (Çift eğimli çatı ; TS EN 1991-1-3 Çizelge 5.2 den = 20 o < 30 o olduğu için ) C e : 1.2 C t : 1.0 (TS EN 1991-1-3 Çizelge 5.1 den korunmuş tapografik alanda olduğu için) (Çatı kaplaması sandviç panel olduğu için ısı etkisi ile kar yükü azaltımı olamaz) s k : 0.75 kn/m 2 ( TS 498 den: Balıkesir I. Bölge ve rakım=150 m için s= 0.8*1.2*1.0*0.75 = 0.72 kn/m 2 Çatı çift eğimli olduğu için TS EN 1991-1-3 e göre aşağıdaki üç yüklemenin yapılması gerekir. 0.5* 1 için s= 0.36 kn/m 2 Durum -1 (Tam dolu yükleme) Durum -2 (Sola birikmeli yükleme) Durum -3 (Sağa birikmeli yükleme) 0.72 kn/m 2 0.72 kn/m 2 0.36 kn/m 2 0.36 kn/m 2 0.72 kn/m 2 14