1. GİRİŞ Günümüzde yapı sistemlerinin inşasında yaygın olarak çelik, betonarme, kompozit çelik-betonarme, ahşap, tuğla, taş gibi malzemeler kullanılmaktadır. 1.1 Yapısal Çeliğin Tarihçesi Mühendislik yapılarında yaklaşık iki yüz yıldan beri kullanılan demir malzemenin tanınması, esasında çok eskiye dayanır. Bu malzeme ile yapılan ilk mühendislik yapıları köprülerdir. 18. yüzyılda İngiltere'de, yüksek fırın yöntemiyle geniş ölçüde ham demir ve font (pik) üretiminin başlamasından sonra, demirin yapı malzemesi olarak kullanılabilmesi olanağı ortaya çıkmıştır. İngiltere'de Coalbrookdale kasabası yakınında ve Severn nehri üzerinde 1779 yılında inşa edilen 31 m açıklıklı kemer köprü, bu alanda ilk örnektir. Kullanılan demir malzeme font tur. Çekme mukavemeti çok düşük olduğundan fontun uygulandığı yapılarda, hep basınç gerilmeleri alacak taşıyıcı sistemlere (kemer sistemler gibi) gidilmiştir. Font kemer köprülerin dönemi yaklaşık olarak 1875 yılında kapanmıştır. Bunun da sebebi, çekme mukavemeti büyük olan ve mühendislere yeni olanaklar sağlayan dövme çeliğin, daha sonra da dökme çeliğin yapı malzemesi piyasasına çıkmış olmasıdır. 1784 yılında, İngiltere'de Cort isimli bir araştırmacının geliştirdiği Puddler adlı fırının devreye sokulmasıyla dövme çelik elde edilmiştir. Bunun sonucunda, dolu gövdeli veya kafes kirişli köprü inşaatları devreye girmiştir. 140 m açıklıklı Britannia köprüsü, 131 m açıklıklı Weischel köprüsü, dövme çelikle yapılmış yapıtların çarpıcı örnekleridir. Bessemer (1855), Siemens Martin (1864), Thomas (1879) yöntemlerinin 19. asrın ikinci yarısında bulunmasıyla, ham demirin sıvı durumuna getirildikten sonra arıtılması ve dökme çelik elde edilmesi sağlanmıştır. Böylece 20. asırdan başlayarak dövme çelik yerini dökme çeliğe bırakmış, buna paralel olarak da modern çelik yapı tekniği geliştirilmiş ve bu alanda büyük ilerlemeler sağlanmıştır. Çelik yapılardaki gelişmenin ikinci aşaması, 20. yüzyıl başında kaynaklı birleşimlerin uygulama alanına girmesiyle gerçekleştirilmiştir. Böylece, gerek hal konstrüksiyonu ve karkas yapı, gerekse de köprü olarak çelik malzeme, günümüzde çok yaygın bir şekilde kullanılır duruma gelmiştir. Coalbrookdale Köprüsü Britannia Köprüsü 1.2 Çelik Üretimi Mekanik olarak işlenebilen yani, dövülerek, preslenerek, haddeden geçirilerek şekil alabilen demir alaşımlarına "Çelik" denir. Yüksek fırınlarda demir filizinden eritilerek elde edilen ham demirin metalurjik iç yapısı yüksek miktarda karbon, fosfor ve silisyum içermekte ve bu nedenle ne haddelenebilmekte ne de çekiçle dövülerek şekil verilebilmektedir. İşlenebilirliği sağlamak için önce sözüedilen maddelere - özellikle de karbona - ait miktarların diğer maddelerin katkısıyla azaltılması gerekir. Çelik malzemenin bünyesinde demirden başka, % 0,16-0,20 kadar karbon (C) bulunur. Karbon miktarı arttıkça çeliğin hem mukavemeti, hem de sertliği artar ancak sünekliği ve kaynaklanabilirliği azalır. Ayrıca fosfor, kükürt, azot, silisyum, manganez, bakır gibi elemanlar da vardır. Çelik malzeme bünyesine krom, nikel, vanadiyum, molibden gibi maddeler katılarak yüksek kaliteli çelikler üretilebilmektedir. Yüksek fırınlarda kok kömürü yakılarak demir cevherinin ergitilmesi sonucu, içinde % 5 karbon bulunan ham demir elde edilir. Ham demirin özel fırınlarda katkılanmasıyla, bünyesinde % 4 kadar karbon bulunan font (pik) üretilmiş olur. Thomas, Siemens-Martin, Bessemer yöntemleriyle özel fırınlarda ham demirin arıtılıp, katkılanması sonucu da sıvı haldeki çelik malzeme sağlanır. Yapısal çelik üretimindeki aşamalar şu şekildedir; Demir cevherinin (ore) yüksek fırınlarda eritilerek içindeki demirin ayrılmasının sağlanması, Demirin elektrikli fırınlarda alaşımlandırılarak çeliğin elde edilmesi, Çeliğe şekil verilerek (haddeleme) yapısal çelik elemanların elde edilmesi. Haddeleme: Malzemenin sıkıştırılarak daha yoğun hale getirilmesi ve istenilen formlarda daha küçük parçalar halinde şekil verilmesi işlemi haddeleme olarak isimlendirilir. Haddeleme, plastik şekil verme işlemi olarak da tanımlanabilir. Malzeme özellikleri belirli bir sıcaklıkta değişmeye başlar ve bu belirli sıcaklık değerinde metalin yapısında yeniden kriştalleşme oluşumu gözlenir. Çeliğin şekillendirilmesi bu oluşumu başlatan yeniden kristalleşme sıcaklığının üstünde yapılırsa sıcak şekil verme veya sıcak haddeleme, altında ise soğuk şekil verme veya soğuk haddeleme denir. Sunum-1 1/11
Yapısal çelik enkesitleri genellikle sıcak haddeleme yöntemi izlenerek üretilmektedir. Haddeleme sıcaklığı üretilecek hadde ürününün kalınlığına bağlıdır. Bu sıcaklık, genelde 800 0 C ile 1200 0 C arasında değişmektedir. Şekil 1.1: Haddeleme öncesi kızıl derecedeki ön hadde mamül ve haddeleme prensibi 1.3 Çelik Taşıyıcı Sistemlerin Kullanım Alanları Şekil 1.2: Sıcak haddeleme ile şekil verme Esas taşıyıcı sistemi çelik malzemesi ile oluşturulan yapılara çelik yapılar denilmektedir. Çelik yapılar çelik malzemesini yüksek dayanım özelliklerine bağlı olarak yüksek yapıların yapımında ve büyük açıklıkların geçilmesinde tercih edilmektedir. Konstrüksiyon biçimi ve uygulama alanlarına göre adlandırılırlar. Çelik taşıyıcı sistemin en çok tercih edildiği yapı türleri; Sunum-1 2/11
- Çok Katlı Yapıların Çelik Karkasları - Çelik Levha Konstrüksiyonları (Silolar, bunkerler, büyük borular, katı, sıvı ve gaz tankları) - Kuleler ve Pilonlar - Köprüler - Sanayi Yapıları - Büyük Açıklıklı Sosyal Yapılar (Spor yapıları, sergi salonları, uçak hangarları, pazar yerleri) - Antenler - Elektrik Üretim Tesisleri (Rüzgar Türbünleri, Güneş Enerji Santralleri) - Taşıma ve Kaldırma Konstrüksiyonları (krenler, kule vinçler) - Çatı Konstrüksiyonları Şekil 1.3: Çok katlı yapıların çelik karkasları Şekil 1.4: Silo, boru hattı, sıvı tankı Sunum-1 3/11
Şekil 1.5: Kule ve pilonlar Şekil 1.6: Çelik Köprüler Şekil 1.7: Sanayi (Hal) yapıları Sunum-1 4/11
Şekil 1.8: Çatı konstrüksiyonları Şekil 1.9: Büyük açıklıklı sosyal yapılar (Spor yapıları, sergi salonları, uçak hangarları, pazar yerleri) Şekil 1.10: Antenler Sunum-1 5/11
Şekil 1.11: Elektrik Üretim Tesisleri (Rüzgar Türbünleri, Güneş Enerji Santralleri) Şekil 1.12: Taşıma ve Kaldırma Konstrüksiyonları (krenler, kule vinçler) 1.4 Çelik Malzemesinin Üstün ve Sakıncalı Özellikleri 1.4.1 Çelik Malzemenin Üstün Özellikleri: - Homojen ve izotroptur. Üretimi belli bir denetim altında yapılır. Bu nedenlerle güvenlik katsayısı küçüktür. - Hooke kanununa uyan bir malzemedir. Elastik sınırlar içerisinde gerilme şekil değiştirme artışları orantılı bir şekilde değişmektedir. - Elastisite modülü yüksektir. Eğilme rijitliğinin etkin olduğu yerlerde uygun sonuçlar verir. - Yüksek mukavemetli olduğundan malzeme gideri bir hayli azalır, kullanıldığı yapının öz ağırlığını büyük ölçüde azaltır. - Çekme ve basınç mukavemetlerinin eşit olması sonucu çekme mukavemeti düşük diğer yapı malzemeleriyle gerçekleştirilmesi olanaksız sistemler çelik ile yapılabilirlik kazanırlar. - Süneklik bakımında son derece elverişli bir malzemedir. Süneklik akma gerilmesinden sonra kopma aşamasında kadar olan aralıkta malzemenin, kesitin ya da sistemin yük taşıyabilme kapasitesidir. Başka bir değişle etkiyen yükler altında şekil değiştirebilme yeteneğidir. Bu özelliği bakımından çelik yapı sistemleri yapılardan beklenen süneklik özelliklerini karşıladıklarından tercih edilmesi gereken yapı grubu arasında yer almaktadır. - Çelik yapıları söküp malzemesini yeniden kullanma olanağı vardır.(betonarmede bu mümkün değildir.) - Çelik yapılarda değişiklik ve takviye yapılması gayet kolaydır. - Çelik yapılarda, yapım sırasındaki kusurları sonradan tespit etmek mümkündür.(betonarmede ise bu çalışma zaman alıcı ve pahalı yöntemler gerektirmektedir.) Sunum-1 6/11
- Çelik malzeme, inşaat alanına işlenmiş olarak gelir. Bu sebeple kullanılan elemanların kalitesi ve mukavemeti hakkında kesin bir hüküm verilebilir. Ayrıca inşaat süresi hava koşullarından etkilenmez ve bu yüzden uzamaz. - Uygun bir planlamayla çelik bir yapının, iskele kurma gereksinimi doğmadan gerçekleştirilmesi olanağı bulunmaktadır. - Analizleri betonarmeye göre daha kolaydır. - Uygun bakım koşulları sağlandığı sürece yapı ömrü sınırsızdır. 1.4.2 Çelik Malzemenin Sakıncalı Özellikleri: - Yanıcı olmamakla beraber, ısı yükseldikçe mukavemetinde ve elastiklik modülünde hızlı düşüşler görülür (Şekil 1.13). Çelik yapılar 500-600 de (932-1112 ) taşıma yeteneğini kaybeder (Betonarme yapılar yangına karşı çok daha dayanıklıdır). Şekil 1.13: Çeliğin gerilme-şekil değiştirme diyagramının ve elastisite modülünün sıcaklığa göre değişimi Not: Celsius ile Fahrenheit dereceleri arasındaki bağıntı 2000 32 1093 C 1.8 C F 32 1.8. Bu formüle göre 2000 F ın celsius karşılığı - İyi bir ısı ileticisi olduğundan, ısı nedeniyle mukavemeti zayıflayan bölge hızla yayılır. - Su veya bir kimyasal maddeyle ilişki çelik malzemede paslanma (korozyon) olayını başlatır. Bunu önlemek için çelik elemanlar boyanmalı, periyodik boya bakımı yapılmalıdır. Bu husus çelik yapının bakım (işletme) giderlerini arttırır. - Ses ve ısı açısından çok iyi bir iletken olması nedeniyle çelik yapılarda önemli bir yalıtım sorunu söz konusudur. - Pahalı bir malzemedir. - Yapılışı zordur. Kalifiye işçilik gerektirir. - Çelik yapı taşıyıcı elemanları yüksek dayanım özelliklerine bağlı olarak daha küçük bir başka deyişle daha narin kesitlerden teşkil edilebilir. Bu durum daha narin kesitlerin oluşması anlamına gelmektedir. Bu kesitler burkulma etkilerine düşünüldüğünde zayıf olma özelliği taşımaktadır, gerekli tasarım önlemlerinin alınması gerekir. - Sürekli ve tekrarlı yükler altında çelik yapı elemanlarında yorulma etkisine bağlı olarak kırılmalar meydana gelebilir. Çelik yapılar yorulma etkilerine karşı zayıftır (Şekil 1.14). 1.5 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. Şekil 1.15 te dört farklı kesit verilmektedir. Kesitlere ait geometrik özellikler ise Tablo 1.1 de yer almaktadır. Sunum-1 7/11
Şekil 1.14: Çeliğe etki eden tekrarlı yükler ve çeliğin tekrarlı yükler altındaki davranışı Şekil 1.15: Aynı enkesit alanına sahip dört farklı çelik enkesit Tablo 1.1: Şekil 1.15 te verilen kesitlerin boyut, alan ve atalet momenti bilgileri 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. 1.5 Sıcak Hadde Ürünleri 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 (Şekil 1.2) merdaneler yarımıyla şekillendirilir. Genelde haddeleme işlemi sırasında sıcaklık 800ºC-1200ºC aralığında değişmektedir. Sunum-1 8/11
1.5.1 Profiller: Şekil 1.16: I profil örnekleri Şekil 1.17: U profil örnekleri Şekil 1.18: Korniyer (köşebent) örnekleri Sunum-1 9/11
Şekil 1.19: Tüp (kutu) profil örnekleri Şekil 1.20: T profil ve boru profil örnekleri 1.5.2 Lamalar: Şekil 1.21: Lamaların sınıfları ve gösteriliş biçimi 1.5.3 Levhalar: Şekil 1.22: Levhaların sınıfları ve gösteriliş biçimi Sunum-1 10/11
1.5.4 Çubuklar: Şekil 1.23: Çelik çubuklar 1.6 Birinci Hafta Notların Hazırlanmasında Yararlanılan Kaynaklar Ahşap ve Çelik Yapılar, Yalman Odabaşı, Beta Yayınevi, 2. baskı, 1997 Çelik Yapılar, Hilmi Deren, Çağlayan Yayınevi, 4. baskı, 2012 Çelik Yapılar Ders Notları, Kıvanç Taşkın, Eskişehir Teknik Üniversitesi Çelik Yapılar I Ders Notları, Cüneyt Vatansever, İstanbul Teknik Üniversitesi Çelik Yapılar I Ders Notları, Kaan Türker, Balıkesir Üniversitesi Çelik Yapıların Tasarım, Hesap ve Yapım Esasları Yönetmeliği Sunumu, Cem Topkaya, Orta Doğu Teknik Üniversitesi Ductile Design of Steel Structures, Michel Bruneau, McGraw-Hill Yayınevi, 2. baskı, 2011 Sunum-1 11/11