YAPI MALZEMESİ VE LABARATUVARI METALLER Sakarya Üniversitesi İnşaat Mühendisliği
METALLER İnşaat mühendisliğinde kullanılan metaller, bileşimlerine göre iki gruba ayrılır. a) Demirli metaller, b) Demirsiz metaller.
Demirli Metaller Demirli metaller, bileşiminde demir bulunan metallerdir. Bunlara örnek olarak demir, çelik ve çeşitli demir ve çelik alaşımları gösterilebilir. Bu metal malzemeler yapıda genellikle taşıyıcı eleman olarak kullanılır.
Demirli Metaller Otlukilise demir madeni (Sivas)
Demirsiz Metaller Demirsiz metaller, bileşiminde demir bulundurmayan tüm diğer metallerdir. Bunlara örnek olarak : alüminyum, bakır, çinko, kurşun ve bunların alaşımları gösterilebilir. Bu metaller yapıda genellikle taşıyıcı görevi olmayan veya çok az olan elemanların yapımında kullanılır. Bu nedenle bu metaller detay malzemeleri sınıfına girer.
Demirli Metaller Pik Demir Bileşiminde % 2-4 karbon ile bir miktar silis, kükürt, fosfor ve manganez bulunan bu demir, fırından alınarak pik adı verilen kalıplara dökülür ve buna pik demir denir.
Demirli Metaller Dökme Demir Dökme demir, pik demirinin tekrar eritilerek kalıplara dökülmesiyle elde edilir. Dökme demir inşaat sektöründe köprü mesnetlerinde, yollarda rögar ve tesisat bacalarının kapaklarında v.b. yerlerde kullanılır.
Demirli Metaller Dünyanın ilk dökme demirden yapılan köprüsü. (1779 Shropshire, İngiltere)
Çelik Demir elementi ile % 0.05-2 arasında karbon bulunduran demirlere çelik denir. Çelikler kullanıldıkları yere göre perçin çeliği, yapı çeliği, ray çeliği, yay çeliği gibi isimler alırlar.
Çelik Yapıda kullanılan çelikler dört grupta incelenebilir. 1) 1)Çelik yapılarda taşıyıcı malzeme olarak kullanılan çelikler, 2) 2)Betonarme yapılarda donatı çubuğu olarak kullanılan çelikler, 3) 3)Çelik gergi teli ve çelik kablo olarak kullanılan çelikler, 4) 4)Detay (ayrıntı) malzemesi olarak kullanılan çelikler.
Çelik Yapılarda Taşıyıcı Malzeme Olarak Kullanılan Çelikler Çelik yapılarda kullanılan malzemeler profiller, lama çelikleri, levhalar, dökme çelikten elemanlar ile bulon, perçin gibi birleştirme elemanlarıdır. Profiller I, U, L, T ve Z diye kesitlerine göre tanımlanan uzun elemanlardır. Bunlara uzun hadde ürünleri de denir. Lama çelikleri dik dörtgen kesitli yassı ürünlerdir. Kalınlıkları 100 mm ye, genişlikleri 1250 mm ye ulaşabilir. Saç levha, kalınlığı diğer iki boyuta oranla çok küçük olan bir yassı üründür.
Normal I Profil Orta Genişlikte I Profil
Geniş Başlıklı I Profil Geniş Başlıklı Ağır I Profil
ÇELİK PROFİLLER C Profil
Eşit Kollu L Profil(Korniyer) Farklı Kollu L Profil(Korniyer)
Kutu Profiller
Sosyal Yapılar
Sanayi Yapıları
Köprüler
Çok Katlı Yapılar
Gökdelenler
Çelik Yapılarda Taşıyıcı Malzeme Olarak Kullanılan Çelikler Genel yapı çeliklerinin sınıflandırması ve mekanik özellikleri TS 2162 de verilmektedir. Ülkemizdeki yapı çelikleri Fe37 sınıfı çeliklerdir. Bu nedenle yukarıda sıralanan çelik yapı elemanları da Fe37 sınıfı çelikten üretilmektedir. Bu çeliğin minimum akma sınırı 22 kgf/mm 2, minimum çekme mukavemeti 37 kgf/mm 2 dir.
Betonarme Yapılarda Donatı Çubuğu Olarak Kullanılan Çelikler Betonarme donatı çubukları beton yapı elemanlarında, betonun taşıyamadığı kayma ve çekme gerilmelerini taşımak üzere kullanılan çubuklardır. Bu görevi tam olarak yerine getirebilmeleri için çubukların geniş bir yüzey alanına ve yüzeylerinin ise, betona tutunmayı kolaylaştıracak bir pürüzlülüğe sahip olması gerekir. Hafif paslanmış çubuklar bu bakımdan iyi olmakla birlikte betona tutunmasını kolaylaştırmak için bu çubukların yüzeylerine bazı girinti ve çıkıntılar da yapılır. Yüzeyinde çıkıntılar bulunan çubuklara nervürlü, yüzeyinde girintiler bulunan çubuklara da profilli çelik çubuk denir.
Betonarme Yapılarda Donatı Çubuğu Olarak Kullanılan Çelikler TS708 e göre betonarme donatı çubukları düz, nervürlü ve profilli olmak üzere üç türdür. Bu çubuklar ayrıca sertliklerine göre doğal sertlikte ve soğukta işlem görmüş yani sertleştirilmiş diye iki sınıfa ayrılmaktadır. Beton çelik çubukları bu özelliklerine bağlı olarak Ia, IIIa, IIIb IVb diye sınıf belirtir simgelerle anılmaktadır. İlk üç sınıftaki çelik çubuklar kangallar veya firketeler halinde satın alınmakta ve çeşitli boylarda kesilip kıvrıldıktan sonra kullanılmaktadır.
Betonarme Yapılarda Donatı Çubuğu Olarak Kullanılan Çelikler IVb sınıfı çelik sadece çelik hasır üretiminde kullanılır. Çelik hasır belirli aralıklarla paralel uzanan bir dizi çubuğun, bunlar üzerine belirli aralıklarla ancak dik doğrultuda dizilmiş bir başka dizi çubukla birleştirilmesiyle elde edilmiş bir üründür.
Gergi Teli ve Çelik Kablo Olarak Kullanılan Çelikler Ön gerilmeli veya ard gerilmeli betonarme yapılarda gergi teli olarak kullanılacak çelik tel ve kablolarda öncelikle yüksek mukavemet aranır. Bu nedenle bu tellerin karbon yüzdesi daha yüksek, sünekliği daha azdır. Bu teller, tel çekme yöntemiyle üretilir. Hadde denilen bir başlığın bir tarafından kalıp olarak giren tel diğer taraftan kesiti incelmiş ve uzamış olarak çıkar. İncelen tel soğuk işlem görmüş olduğundan, kesit alanı azaldığı halde, eskisine oranla daha çok yük taşır.
Gergi Teli ve Çelik Kablo Olarak Kullanılan Çelikler Ön gerilme tellerinde dolayındadır. % 0.6 0.9 karbon ve aynı oranda mangenez bulunur. Bunların çekme mukavemeti 150 kgf/mm 2, binde ikilik akma sınırı 130 kgf/mm 2 Ard gerilme işlerinde teller veya kablolar (7 ve 9 telli demetler) kullanılır. Çekme mukavemetleri 180 kgf/mm2, binde birlik akma sınırı 125 kgf/mm2 dolayındadır. Gerek tellerde ve gerekse kablolarda zamanla gevşeme sonucu gerilme azalması 30 sene sonunda bile % 20 yi aşmaz. Bazı özel işlerde (örneğin temeller) tel veya kablo yerine soğuk işlem görmüş çubuklardan (çap 20-40 mm) da yararlanılır. Bunlarda karbon ve manganeze ek olarak bir miktar silikon bulunur. Çekme mukavemetleri 100 kgf/mm2 dolaylarındadır.
Detay (ayrıntı) Malzemesi Olarak Kullanılan Çelikler Detay (ayrıntı) malzemesi olarak galvanize saçlar kullanılır. Galvanize saç levhalar düz, oluklu ve trapez kesitlidir. Düz sacların genişlikleri 100-120 cm, oluklu ve trapez kesitli saç levhaların genişlikleri kıvrımlar nedeniyle 80-90 cm kadardır. Levhalar istenilen uzunlukta üretilebildiği halde, genellikle 2m lik boylarda satılır. Bunların kalınlığı 0.3-1.5 mm arasında olabilir. Levhaların ağırlığı kalınlığına bağlı olarak 2.5 ile 15 kg/m arasında değişir.
Detay (ayrıntı) Malzemesi Olarak Kullanılan Çelikler Düz olmayan levhaların taşıyıcı özelliği de vardır. Bu özelliği nedeniyle ahşap ve çelik fabrika yapılarının çatılarının kaplanmasında kullanılır.
Detay (ayrıntı) Malzemesi Olarak Kullanılan Çelikler Diğer çelik malzemeler ise, çeşitli çelik saç profillerdir. Bunlar kapalı veya açık kesitli olabilir. Yapıda daha çok kapı kasası, çelik doğrama gibi işlerde kullanılır.
Detay (ayrıntı) Malzemesi Olarak Kullanılan Çelikler Galvanize çelik borular da yapıda kullanılan bir diğer çelik malzemedir. Boru çapları bir İngiliz ölçü birimi olan inch cinsindendir. Ancak piyasada inch yerine parmak deyimi kullanılır. 1 parmak = 1 inch = 25.4 mm. En ufak çap yarım parmak (15 mm) en büyük çap ise, 6 parmak (150 mm) dir. Boruların birim ağırlıkları çapa göre değişir. Uygulamada en çok kullanılan yarım, üç çeyrek ve bir parmaklık galvanize boruların ağırlıkları sırasıyla 1.3, 1.7, 2.6 kg/m dir. 6 parmaklık borunun metre ağırlığı 20 kg dolayındadır.
Detay (ayrıntı) Malzemesi Olarak Kullanılan Çelikler Başka bir diğer çelik malzeme de çelik lifleridir. Çelik lif, yaklaşık 0.2-0.5 mm çapında telin, 25-50 mm boylarda doğranmasıyla elde edilen bir malzemedir. Beton bileşimine katıldığında donatı vazifesi görerek beton elemanın darbelere, eğilmeye karşı dayanıklılığını artırır.
Detay (ayrıntı) Malzemesi Olarak Kullanılan Çelikler Özellikle, aşınma etkisine maruz betonlarla (beton yollar) patlama etkisine maruz kalabilen betonlar (sığınak) için ideal bir malzemedir. Bu gibi yerlerde normal donatıya ek olarak beton bileşimine çelik lif katılır.
Çelik Malzemelerin Birleştirme Usulleri Yapıda kullanılan çelik malzemeler iki şekilde birleştirilebilir. a) Sökülebilir birleşimler: Gerektiğinde sökülerek başka yerlerde kullanılabilecek şekilde birleştirilen elemanlardır. Birleştirme malzemesi olarak civata, bulon vb. malzeme kullanılır. b) Sökülemeyen birleşimler : Bunlar sökülmesi gerektiğinde kesilerek sökülen malzemelerdir. Birleştirme malzemesi olarak kaynak, perçin vb. malzeme kullanılır.
Çelik Malzemelerin Birleştirme Usulleri Perçinler yuvarlak kesitli yumuşak demirden yapılmıştır. Bir ucu küresel başlı, diğer ucu düz çiviye benzeyen elemanlardır. Birleştirilecek parçalarda açılan deliklerden geçirilen perçinin delikten taşan düz olan ucu dövülerek bu uçta bir kapak oluşturulur. Perçinin gövdesi de deliği iyice doldurur ve sıkışır.
Çelik Malzemelerin Birleştirme Usulleri Kaynak, aynı veya benzer alaşımlı madenlerin ısı etkisiyle birleştirilmesidir. İki türü vardır. 1. Ergitme kaynağı : Gaz kaynağı, asetilen kaynağı, elektrik kaynağı ile birleştirilecek parçaların birbirlerine kaynayacak kenarları ısı etkisiyle ergime derecesine kadar ısıtılır. Ergimiş metal birleşmeyi sağlar. Birleştirme için bir üçüncü parça da ergitilerek kullanılır. 2. Basınç kaynağı : Birleştirilecek parçalar akkor hale gelinceye kadar ısıtıldıktan sonra kuvvetle birbirine bastırılır. Örneğin, nokta kaynağı, kordon kaynağı, küt kaynak vb. kaynaklardır.
Demirsiz Metaller İçerisinde demir (Fe) olmayan metallere demirsiz metaller denir. Demirsiz metallerden yapıda kullanılanlar alüminyum, kurşun, bakır, çinko ve bunların alaşımlarıdır. Bu metallerin ortak bir özellikleri havayla temasları sonucu yüzeylerinde bir oksit tabakasının oluşması ve bu tabakanın metalin daha fazla oksitlenmesini önlemesidir. Bu nedenle bunlar daha çok kaplama malzemesi olarak kullanılır.
Demirsiz Metallerin Genel Özellikleri Avantaj ve dezavantajları nedeni ile endüstride önemli kullanma alanları vardır. Korozyona dayanıklıdır. Hafiftir. Güzel görünür. Yüksek ısıl ve elektriksel iletkenliklere sahip olduklarından bazen Fe-C alaşımlarına tercih edilirler. Elastisite modülleri, sertlik ve mukavemetleri daha düşüktür. Endüstride kullanılan metallerin yaklaşık olarak % 15-20 kadarı demir olmayan metallerdir. Bu metallerin en önemli sakıncaları pahalı olmalarıdır.
Alüminyum Tabiatta en fazla boksit halinde bulunur. Elde edilişinde fazla enerji gerektirdiği için pahalı bir malzemedir. İçindeki yabancı maddeler ayrıldıktan sonra 1000 dereceye kadar ısıtılıp kristal suyu uçurularak saf olarak alüminyum oksit elde edilir. Kalınlıkları 1,5-5 mm. arasındadır. Çatı kaplaması, kapı, pencere ve vitrin doğraması imalatında kullanılır.
Alüminyum Alüminyumun hafifliği (çeliğin üçtebiri), atmosfer etkisine dayanıklılığı onu taşıyıcı sistemler için uygun kılarken, elastiklik modülünün düşük ve ısıl genleşme katsayısının büyük olması (çeliğin 2 katı) bu kullanımı sınırlamaktadır. Alüminyumun tipik özellikleri : Özgül ağırlık : 2.70 kg/cm 3 Elastik modülü : 0.7 x 106 kgf/cm 2 Çekme mukavemeti : 50 kgf/mm 2 Poisson oranı : 0.34 Isıl gen katsayısı : 24 x 10-6 l/ o C Isıl iletken katsayısı : 1.8 kcal/m.h. o C
Bakır Bakır korozyona karşı oldukça dayanıklı bir metaldir. Asitlerden ve deniz suyundan etkilenmez. Nemli bir ortamda bırakılacak olursa yüzeyinde yeşil renkli bir bakır sülfat tabakası oluşur. Bakırın çekme dayanımı yüksek değildir. Daha çok elektriksel ve ısıl iletkenliğinden ve kolay işlenebilirliğinden yararlanma amacıyla kullanılır. Alaşımsız halde çatı kaplaması olarak kullanılırlar ve bakır levhaların tutturulmasında bakır çivi kullanılır. Bakır boru olarak da yapılarda kullanılabilir.
Bakır Bakırın alaşımlarından en çok kullanılan ikisi pirinç ve bronzdur. Pirinç, bakır-çinko alaşımıdır. Çinko, bakır içinde %50 ye varan oranlarda çözünebilir. %36 ya kadar çinko içeren alaşımlar daha çok süs eşyası, pirinç mobilya yapımında kullanılır. %46 dan fazla çinko içeren alaşımların kullanımı oldukça sınırlıdır. %36-46 arası çinko içeren alaşımlar musluk, vana ve benzeri sağlık malzemesi ve vida, menteşe, çekmece kulpu gibi nalburiye üretiminde kullanılır. Bronz, bakır-kalay alaşımı olup diğer bir ismi de tunçtur. Kalay miktarı %6 dolayında olup, bronzlar pirinçlere oranla daha sert ve sağlamdır. Daha çok heykel, kapı tokmağı gibi süslemelerde kullanılır.
Bakırın Tipik Özellikleri Özgül ağırlık Elastik modülü Isıl genleşme katsayısı Çekme mukavemeti Isıl iletkenlik katsayısı :8.96 kg / l :1.000.000 kgf / cm2 :2.000 kgf / cm2 (saf metal) :16.5 x 10-6 lloc :3.4 kcal / m.h.oc
Kurşun Tabiatta saf olarak çok az bulunan kurşun, içerisinde %86 kurşun bulunan ve kurşun glansı adı verilen filizlerden elde edilir. Havayla temas halinde yüzeyinde bir karbonat tabakası oluşur. Bu tabaka onu dış etkenlere karşı korur. Kurşun bu özelliğiyle çatı kaplaması olarak kullanmaya uygundur. Tutturma işinde bakır çivi kullanılır. Bu tür uygulamalarda ısıl genleşme payı çok önemlidir. Kurşun yüksek yoğunluğu nedeniyle zararlı ışınların geçişine engel olur. 1 cm kalınlığında kurşun ışınların geçişine karşı 10-15 cm kalınlığında beton kadar etkilidir.
Kurşun Eski yapılarda, su tesisatında kurşun borular yaygın olarak kullanılmıştır. Kurşun, kolay eğilip bükülmesi nedeniyle günümüzde daha çok su sayaçlarının, termosifon, şofben gibi su ısıtıcılarının su şebekesine bağlanmasında ara eleman olarak kullanılmaktadır. Saf ve yumuşak sular kurşunu çözebildiğinden bu gibi yerlerde suya kurşun karışma ihtimali vardır. Kurşun, özellikle küçük çocuklar için çok zehirli bir maddedir. Kurşun ayrıca yağlı boya, üstübeç ve lehim üretimi gibi diğer alanlarda da kullanılır.
Kurşunun Tipik Özellikleri Özgül ağırlık :11.34 kg/l Elastik modülü :200000 kgf/cm Çekme mukavemeti :2140 kgf/cm Isıl genleşme katsayısı :229.5 x 10-6 l/oc Isıl iletkenlik katsayısı :2.9 kcal/m.h.oc
Çinko Tabiatta saf olarak bulunmaz. Blent, kalamin ve kırmızı çinko filizi halinde bulunur. Filizler yıkanır ufalanır ve daha sonra kavrularak karbondioksit ve kükürt ayrılır. 1100-1300 oc sıcaklıkta ve özel fırınlarda ısıtılan çinko gerekli işlemler sonunda sıvı hale getirilir. Böylece elde edilen ham çinko alev fırınlarında tekrar eritilerek temizlenmek suretiyle saf çinko haline getirilir.
Çinko Yağmur borusu, dere ve olukların üretiminde ve çatılarda kaplama malzemesi olarak kullanılır. Isıl genleşme katsayısı oldukça yüksektir (40 x 10-6 l/oc ye kadar çıkabilir). Çelik saçların ve boruların kaplanmasında da kullanılır. Ergimiş çinkoya daldırılan çelik saçların ve boruların yüzeyleri çinko ile kaplanır ve bu saçlara galvanize saç, borulara da galvanize boru denir. Bu kaplama işlemi malzemelerin paslanmasını önler.
Çinko
Alaşımlar Alaşım, bir metal elementin en az bir başka element (metal,ametal) ile homojen karışımıdır. Elde edilen malzeme yine metal karakterli malzeme olur. Alaşımlar karışıma giren metallerin özelliklerinden farklı özellikler gösterirler.
Alaşımların Tarihi Alaşımların tarihi milattan önce 4. binli yıllara kadar uzanmaktadır. İran ve Mezopotamya bölgelerinde bulunan tunç (bronz) örnekleri bu zaman diliminde tarihlenmiştir.demirden daha sert olan tunç; silah, kesici ve delici aletler, mutfak aletleri, süs eşyaları vb. yapımında günümüze değin kullanıla gelmiştir.
Alaşımların Tarihi Yapılan arkeolojik çalışmalarda Çin'in Sincan bölgesinde M.Ö. 1000 yıllarına ve Hindistan'ın Merkez Ganj Vadisi ve Doğu Vindhyas bölgesinde M.Ö. 1800 yıllarına tarihlenen çelik buluntulara rastlanmıştır. Söz konusu buluntular çelik kullanımının en az 3000 yıllık bir tarihinin olduğunu belgelemektedir. Tunç a göre daha sert ve dayanıklı olan demir-karbon alaşımı çelik çeşitli araç gereç yapımında yaygın olarak kullanılmıştır.
Alaşımlar En yaygın olarak bilinen alaşımlara; Bakır alaşımları: Bakır + Kalay Tunç Bakır + Çinko Pirinç Bakır + Çinko + Nikel Mayakor
Alaşımlar Kurşun alaşımları: Kurşun + Kalay Lehim Kurşun + Arsenik Saçma ve mermi Kurşun + Antimon + Kalay Matbaa harfleri Demir alaşımları: Krom + Demir Tel-silindir yatakları Demir + Nikel Fen aletleri Demir + Nikel Ampul teli Demir + Volfram Parça dökümünde (tungsten çeliği)
Bronz (Tunç) Bronz (ya da tunç) adı, önceleri yalnızca içinde % 25 oranında KALAY bulunan BAKIR ALAŞIM larına verildi. Ama günümüzde çok sayıda bakır alaşımına, içinde kalay "bulunup bulunmadığı göz önüne alınmaksızın, bronz denmektedir.
Bronz
Pirinç Bakır ile çinko metallerinin karışımından oluşan alaşımlara pirinç denir. Pirinçte bakır oranı yüzde 60-90, çinko oranı ise yüzde 10-40 arasında değişir.
Pirinç Pirinç bakırdan daha sert ve daha sağlamdır; bakır gibi aşınmaya ve paslanmaya karşı dayanıklıdır. Pirincin özellikleri içerdiği çinko oranına göre değişir. Çinko miktarı azaldıkça metal daha yumuşaklaşır ve kolayca dövülerek biçimlendirilebilir bir özellik kazanır; buna karşılık çinko oranı yüksek pirinçler daha sert ve kırılgandır. Çinko oranı yüzde 10-15 arasında değişen pirinçler kırmızı altın rengindedir; bunlar çok iyi dövülebilir; soğuk haldeyken biçimlendirilebilir, işlenebilir. Çinko oranı yüzde 30 olan pirinç altın rengindedir ve oldukça üstün özelliklere sahiptir.
Pirinç