Yapı Çeliği Çelik Yapılar 2 Malzeme, Yapım Çelik, mekanik olarak işlenebilen, dövülerek preslenerek haddeden geçirilerek şekillendirilen bir demir alaşımıdır. Yapısında demirden başka %0,3-1,7 arasında karbon (C) ile toplamı %1 i geçmeyen fosfor (P), kükürt (S), nitrojen (N) gibi kirli, manganez (Mn) silisyum (Si) gibi yararlı maddeler vardır. Bu maddelerin ayarlanması ve alaşıma başka yararlı maddelerin uygun eklenmesi ile çeşitli özellikte çelik elde edilebilir. 2 Yüksek fırınlarda demir cevheri, kömür ve kalker parçaları eritilerek ham demir elde edilir. Çelik elde etmek için; Bessemer, Thomas, Siemens-Martin, LD-Oksijen yada elektrik ark ocaklarından biri kullanılır. Ham demirin istenilen ölçülerde arıtılıp çelik için gerekli alaşım maddelerinin eklenmesi bu işlem sırasında yapılır. Elektrik Ark Ocağı Ham demirde %3-4 oranında karbon, silisyum, fosfor ve kükürt gibi elementler bulunur. Oksijen işleminde, içinde erimiş durumda demir ve çelik hurdası bulunan potaya yüksek basınçla su verilerek fazla karbon ve kirli maddelerin yanması sağlanır. Oksijen Ocağı 3 Fırın 4 Profiller sıcakta haddeleme yoluyla elde edilir. Bir geniş başlıklı profil son şekli verilinceye kadar en az 40 kez rulodan geçirilir. Külçe Dökümü Külçe Potadan erimiş halde çıkan çelik, külçeler halinde dökülür. Külçe sonradan ısıtılarak haddeleme, plaka halinde dökme yada soğukta çekme yoluyla blum, platin yada kütük olarak frezeye hazır hale getirilir. Blum 5 6 1
Rulodan geçirme Kesim ve soğutma merkezi bir bilgisayar 7 8 Soğukta çekme işlemiyle: Pilger işlemi Stuttgart Havaalanı kolonları için dökme birleşim noktaları Dikişsiz boru profil üretimi; *pilger işlemi ile haddelenerek, *kum yada mum yok etme yöntemiyle dökme olarak elde edilir. 9 Dolu gövdeli dikdörtgen yada yuvarlak en-kesitli çubuk, R kirişlerin örgü çubukları, askı kabloları yada yüksek mukavemet gerektiren çelikler elde edilir. 10 Çelik Kalitesi Türkiye de çelik kaliteleri TS 2162-1986 Genel Yapı Çelikleri Şartnamesi ile belirlenmiştir. Buna göre hadde mamulü yapı çelikleri içindeki karbon, fosfor, kükürt, nitrojen oranına göre: Fe33, Fe37-2, Fe37-3, Fe44-2, Fe44-3, Fe50-2, Fe52-3, Fe60-2, Fe70-2, olarak sınıflandırılır. Çelik kaliteleri: Amerika da ASTM a göre A36, A44, A57, İngiltere de BS4360 a göre Grade43B, C, D, Grade50B, C, D.. Almanya da DIN17100 e göre St37, St52, Rusya da GOST380-60 a göre CT3, CT5 EUROCODE da EN10025(1990) a göre Fe360B, C, Fe510B, C.. olarak sınıflandırılır. TS204-1976 Pik Demir Şartnamesi ne göre pik demir, içindeki silikon, manganez, fosfor ve sülfür oranına ve döküm şekline bağlı olarak H1, H2, D1, D2, D3, Ç1, Ç2 ve T olarak sınıflandırılır. Soğukta bükme 11 12 2
Yapı Çeliği Mekanik Özellikleri Yapı Çeliği Mekanik Özellikleri Eğilme deneyi Çekme deneyi Sertlik deneyi Çekme deneyi Malzemelerin σ-normal ve -kayma gerilmeleri ile E -elastisite modülü gibi taşıma kapasiteleri, bir çekme deneyi ile belirlenir; deney sonucu bir gerilme-uzama diyagramı ile gösterilir. Laboratuar Deneyleri 13 14 Yapı Çeliği Mekanik Özellikleri Orantılı sınır gerilmesi değeri: Fe37 çelikleri için 0,18-0,22 kn/mm 2, Fe52 çelikleri için 0,25-0,28 kn/mm 2 arasındadır. Çelikte emniyet gerilmeleri σa-akma gerilmesine göre belirlenir. Akma gerilmesi olarak: Fe33 çelikleri için σa= 0,18 kn/mm 2 Fe37 σa= 0,24 Fe44 σa= 0,28 Fe52 σa= 0,36 ortalama değerleri alır. Malzeme karakteristikleri, tüm çelik cinsleri için aynıdır: Kütle Yoğunluğu = 78,5 kn/m 3 Elastisite Modülü (E) = 210 kn/mm 2 Poisson Katsayısı (v) = 0,3 Kayma Modülü (G) = E/2(1+v) = 81 kn/mm 2 Isı Genleşme Katsayısı (αt) = 12*10-6 o C Çelik Yapıların Hesap ve Yapım Kuralları Şartnamesi: TS 648-1980 15 Çelik Yapı Özellikleri Bir yapının fonksiyonu ne olursa olsun, daha ön proje aşamasında taşıyıcı sistem malzemesinin seçimi gerekir. kullanma süresi, yapımı için ayrılan para, inşaat süresi, zemin durumu, iklim koşulları, ulaşım olanakları, yapı malzemesi fiyatları gibi konular inşaat malzemesi seçiminde önemli etkenlerdir. Seçimin uygun bir biçimde yapılabilmesi için seçimi yapan teknik elemanın inşaat malzemesinin üstün ve zayıf yanlarını bilmesi gerekir. 16 -Çelik homojen izotrop bir malzeme karakteri gösterir, yapı elemanları küçük en kesitli yapılabilir. -Boşluklu çelik kirişler, tesisat borularının yatay düzenlenmesinde serbestlik sağlar. -Çeliğin takviyesi kolaydır, tasarım değişiklikleri kolayca yapılabilir. -Çeliğin mukavemeti büyüktür, az sehim yapar, büyük açıklıklar geçilebilir ve alan daha iyi kullanılır. -Çelik düktil bir malzemedir, büyük basınç ve çekme kuvvetleri etkisinde yıkılmadan deforme olur, ve takviye yada eleman değişikliğine olanak verir. 17 18 3
Yapı Tipi Döşeme Üst Yapı Alt Yapı Ölü Yük Betonarme B.A. Demir 185 ton Beton 2400 m³ Demir 32 ton Beton 480 m³ Kazık 180 adet 1286 kg/m² Çelik B.A. g = 400 kg/m² Demir 66 ton Beton 905 m³ Kolon 448 ton Kiriş Demir 20 ton Beton 280 m³ Kazık 118 adet 715 kg/m² Çelik Çelik g = 175 kg/m² Döşeme 155 ton Kolon 365 ton Kiriş Demir 16 ton Beton230 m³ Kazık 96 adet 490 kg/m² Çelik Çelik Ytong g = 250 kg/m² Ön gerilmeli B.A. Reks tipi g = 320 kg/m² Kolon 405 ton Kiriş Kolon 420 ton Kiriş Demir 17 ton Beton240 m³ Kazık 102adet Demir 18 ton Beton260 m³ 545 kg/m² 639kg/m² -Çelik elemanların büyük bir kısmı atölyelerde hazırlanabilir, yapım hızlı olur. KARŞIYAKA YUNUS SİTESİ, 1985, Strüktür + Kaba Yapı Sistem Değerlendirmesi Zemin + Asma kat ve 7, 9, 12 katlı konut blokları toplam 5759 m², q=225 kg/m², kazıklar: ø65cm -Çeliğin taşıma gücü yüksektir, az malzeme gerektirir ve yapı hafif olur, temellere gelen yükler daha az olur. 19 -Standart elemanlarla yapıldığında prefabrike elemanların kullanımına olanak verir, kuru yapım sağlar. 20 -İnşaat işi hava şartlarından bağımsız olarak yapılabilir. -Şantiyede kreyn ve nakil araçlarının durabileceği kadar az bir şantiye alanı yeterlidir. -Yapım süresinin kısalığı, finansman maliyetlerini etkiler. -Yapının yıkılması gerektiğinde tozsuz ve gürültüsüz olarak ve çok az artık malzeme bırakarak sökülebilir. 21 22 Özet olarak: büyük açıklıklar gerekiyor Çelik yapı maliyetini sadece yapının metrekare maliyeti olarak düşünmek yanlış olur. yapı yüksekliği fazla olacak zemin emniyet gerilmesinin az olması nedeniyle hafif yapı gerekiyor tesisatın döşeme içine yerleştirilmesi gerekiyor Tasarımında kesit standardizasyonu, Üretimde endüstrileşme ve Yapımda mekanizasyon ile hızlı üretilebilen çelik yapıda yapım maliyeti bir noktada tutulabilir. yapıya etkiyen yükler büyük kolonların küçük en-kesitli olması isteniyor iç düzenlemede esneklik ve açık planlama sistemi gerekiyor yapı iskeletinin değiştirilme olasılığı var kısa yapım süresi isteniyor yapımsoğuk iklim koşullarında gerçekleşecek yapı elemanları ve detaylarında hata oranlarının küçük olması isteniyor şantiye alanı kısıtlı gibi şartlardan biri yada daha fazlası tasarımda gerekiyorsa çelik sistem seçimi daha ekonomik olur. 23 24 4
Hava ile temas ettiğinde düşük karbonlu yapı çelikleri okside olup paslanır. miktarı ve yayılma hızı elemanın ıslak kalma süresine ve ısı farklılıklarına bağlıdır. Yüzeyde oluşan sıyrık ve yarıklar korozyonu artırıcı etkilerdir. 25 26 Birbirine uyumsuz iki metalin birleşmesi korozyona yol açar. Nikel, bakır, dökme demir, kurşun, sarı, paslanmaz çelik gibi metallerin çelikle doğrudan teması korozyonu hızlandırır. Kötü tasarım İyi tasarım Tasarım hataları korozyonu hızlandırır. hadde pullanması Kuru ve ısıtılan binanın iç ortamında bulunan çelik yapı elemanlarının korozyona karşı korunma gereksinimi daha azdır. 27 28 Ahşap ve çelik, korozyon açısından birbirine uyumsuz iki malzemedir. Boya Ahşabın çelik ile doğrudan teması korozyonu hızlandırır. Galvanizleme Yapı çeliğini korozyondan koruma: galvanizleme, metal spreyleri ile kaplama yada boya 29 30 5
a karşı, weather resistant Korten-çelikleri: içinde %3 oranında krom, bakır, nikel ve fosfor gibi alaşımlar bulunan, kaynaklanabilir ve atmosfer şartlarına çok dayanıklı çelik önleyici tasarım kriterleri: Nem ve tozun etkisi azaltılmalı Başka malzemelerle birlikte kullanıma dikkat etmeli Koruyucu kaplama iyi uygulanmalı Tasarım ve montaj uygun yapılmalı 31 32 Yangın Yangın Bir taşıyıcı elemanın yangına dayanım derecesi yapının kullanım amacına, yapı yüksekliğine, elemanın bulunduğu bölümün büyüklüğüne, elemanın konumuna ve en kesit ısınma oranına bağlıdır. 33 Yapı çeliği ~200 o C de mukavemet kaybetmeye başlar ve ~600 o C de kopar. 34 Yangın Yangın - önlemler UNESCO Binası, Paris dış kolonlarda yangın koruması gerekmemiştir. Yangında, açıkta bulunan çelik yapı elemanları ayrıca bir koruma gerektirmez. Su püskürtücüleri - önlemleri azaltır. Sprey boya ile boyama Şişen malzeme ile kaplama- çelik iskeletin görünmesinin istenildiği durumlarda 35 36 6
Yangın - önlemler Yangın - önlemler Sıva ile kaplama: Levhalarla kaplama: Beton içine alma 37 38 Yangın - önlemler Bush Lane House cephe kafesleri, su dolu Konservatuvar derslikleri, Montreuil 4,2m çaplı, çift tabaka çelik kabuk arası su dolu Taşıyıcı elemanlar içinde su dolanımı ile yangından korunması NorCon House, Hanover kolonları su dolu 39 Çelik yapıyı oluşturan taşıyıcı elemanlar; hadde profilleri yada lama ve levhaların bir araya getirilişi ile oluşturulur. 40 En-kesitler En-kesitler I ve geniş başlıklı I profili olan H profiller genellikle kolon ve kirişlerde U profiller kafes kirişlerde, çaprazlamalarda ve az yük aktaran kısa kiriş olarak T profilleri az yük altındaki kafes kirişlerin üst ve alt başlığı olarak Çelik yapı, hadde profiller, lamalar ve levhalar ile biçimlenir. Köşebentler çaprazlamalarda, kafeslerde yada çok parçalı olarak kolonlarda, sadece normal kuvvet aktaran elemanlar olarak kullanılır. 41 42 7
En-kesitler Malzeme Sorunları Lamalar kısa açıklık geçen çaprazlamalarda yada kolon ve kirişlerin berkiltilmesinde kullanılır. Levhaların kesilip şekillendirilmesi ile yapma I, U, Z, kare yada dikdörtgen kutu ve daire en-kesitli boru profiller elde edilir. Kutu ve boru profiller düzlem ve uzay kafeslerde kullanılır. Takviyeli, oluklu yada dalgalı levhalar döşeme tabliyeleri yada çatı örtüsü olarak kullanılır. Çelik inşaatta en çok kullanılan I ve U profilleri her boyda üretilmemektedir. Bulunmayan profil yerine yapma enkesitler üretmek malzeme ve zaman kaybına yol açar. 43 44 Malzeme Sorunları Malzeme kaybını önlemek için yapı elemanlarının ek yerleri piyasadaki profil boylarına uygun düzenlemelidir. Bir çelik yapı tasarımında gereç ve üretim bakımından : çelik hadde profillerinin 6,5m-12,0m uzunluğunda (tablo---) lamaların 5-12mm kalınlıklı, 20-120mm genişliğinde ve 6,5m uzunluğunda (tablo---) sıcak haddelenmiş sacların 2-12mm kalınlıklı, 508-1500mm genişliğinde ve 914-15000mm uzunluğunda levhaların 12-200mm kalınlığında, 900-2600mm genişliğinde ve 1500-12000 mm uzunluğunda üretildiğini bilmek yarar sağlar. Karabük demir-çelik normları 45 46 Tasarlanan çelik yapı elemanlarının kesimi, şekillenmesi ve boyanması atölyelerde yapılır. 47 48 8
Çelik yapı elemanlarının taşınması 49 50 Temel üzerine yerleştirilen kolon, çerçeve yada halatlarla askıya alınıp geçici desteklerle emniyete alınır. Tasarım konumuna getirilen kiriş ve döşemeler yerleştirildikten sonra son tespit yapılır. 51 52 Yöntemleri Yöntemleri Eleman yöntemi Kaldırma yöntemi Kaldırma işi kolonlar yada geçici olarak kurulan kuleler yardımıyla yukarı çekme yada yukarı itme yoluyla yapılır. Blok yöntemi 53 54 9
Çelik yapı tasarımında ve yapımında modülasyon, önemli bir ekonomi sağlar. yöntemi; montaj sırasında elemanın kaldırılma noktasının yeri, sayısı ve bu noktada reaksiyon kuvvetinin karşılanma şekline bağlı olarak seçilir ve tasarımı büyük ölçüde yönlendirilir. 55 Standart üretim serileri, işlem ve teknoloji tekrarlarına olanak verdiği için * tasarımcı, yüklenici ve üretici işbirliğini sağlar, * birleşimdeki malzeme ve gereç yitiklerini önler, * şantiye işlerini kolaylaştırır ve * işgücü üretkenliğini artırır. Herhangi bir sistemde modül saptanırken, gereç, üretim, taşıma ve montaj, sıhhi tesisat ve iç düzenlemedeki sınırlamalar dikkate alınmalıdır. 56 Kaliteli ve rasyonel bir tasarım için çelik taşıyıcı sistemi oluşturacak elemanları; malzemeden en uygun yararlanarak yapılmalı, şekli ve en-kesiti diğer elemanlarla kolay birleşebilir olmalı, elemanlar zamanla toz ve kir birikimi yapmayacak şekilde düzenlenmeli, farklı tip ve boyuttaki eleman sayısı en aza indirilerek olabildiğince çok sayıda standart elemanlarla üretilmelidir. Çelik yapıda: Aynı tipte eleman sayısının fazla olması, üretim süresini kısaltır. Eleman ve parça şekilleri basit düzenlenir, az sayıda birleşim sağlanırsa montaj daha kolay ve ekonomik olarak kısa sürede yapılır. Elemanlar şantiyeye taşınabilir en büyük boyutta tasarlanırsa, şantiyede birleştirilecek parça sayısı da az olur. Çelik taşıyıcı sistemi en az ağırlıkla, üretimde az işçilik kullanarak kısa zamanda inşa etmek, yapı maliyetini azaltması bakımından önemli kriterlerdir. 57 10