İNŞAAT MÜHENDİSLİĞİNE GİRİŞ Yapı Anabilim Dalı 1
Yapı mühendisliğinin amacı, yapıları belirli bir güvenlik seviyesinde, yeterli bir rijitliğe sahip bir şekilde ve en ekonomik olarak boyutlandırmaktır. Yapı mühendisliğinin ilgi alanları yapıların statik modellemesini yapmak, statik analizini çıkarmaktır. Burada amaç oluşan kuvvet ve gerilmelerin en doğru şekilde hesaplanmasıdır. Yapı mühendisi, yapıları zati yükler, hareketli yükler ve deprem yükleri altında inceler ve çeşitli kombinasyonlara göre en elverişsiz yüklemeleri belirler. Bu yüklemelerden oluşan gerilme ve kuvvetleri hesaplar. 2
3
Betonarme Yapıların Yığma Ahşap ve Çelik Yapılara Üstünlükleri»Rijitliğinin fazla olması»ucuz olması»yangına dayanıklı olması»dış etkilere dayanıklı olması»ömrünün uzun olması»elemanlara istenilen şeklin verilebilmesi»bakımının kolay olması»elemanların birleşme sorununun olmaması»dayanımının yüksek olması»işçi bulmanın kolay olması 4
Betonarme Yapıların Yığma, Ahşap ve Çelik Yapılara Göre Eksiklikleri»Ağırdır»Kaliteyi tutturmak zahmetlidir»kusurların sonradan belirlenmesi zordur»güçlendirilmesi zordur»malzeme yeniden kullanılamaz»inşa süresi uzundur»kalıp maliyeti fazladır»çatlaklar oluşabilir 5
Beton ve donatının çeşitli etkilere karşı performansı değişiklik göstermektedir. Özellik Beton Donatı Basınç dayanımı Yüksektir. Donatıya ihtiyaç duyabilir Çekme dayanımı Düşüktür. Kesinlikle Yüksektir donatıya ihtiyacı vardır Kesme dayanımı Orta seviyededir. Yüksektir Yüksektir. Ancak burkulur. Betonun sarmasına ihtiyacı vardır Yangın dayanımı Yüksektir Zayıftır. Betonun sarmasına ihtiyaç duyar Dış etkilere karşı dayanıklılığı Süneklik özelliği Büzülme ve sünme etkisine karşı davranışı Yüksektir Gevrektir. Donatıya ihtiyaç duyar Büzülme ve sünme oluşur Zayıftır. Betonun sarmasına ihtiyaç duyar Oldukça yüksektir Büzülme ve sünme gerçekleşmez 6
İnsanların barınmak, çalışmak, eğlenmek kısacası yaşamak için çeşitli yapılara gereksinmesi vardır. Bu yapıların amacauygungüzel emniyetli ve ekonomik olması gerekir. Başka bir tanımlama ile yapı hangi amaçla kullanılmak üzere tasarlanmış ise o amaçla kullanılabilmeli, yapı yıkılmadan veya aşırı derecede eğilip bükülmeden yeterli bir emniyetle ayakta durabilmeli, ancak emniyet sağlanırken yapının yeterince ekonomik olmasına da çalışılmalı, bunlara ek olarak yapı göze hoş görülmelidir. İnsan vücudu düşünüldüğünde iki kısımdan oluştuğu görülür; İnsan yaşamını sağlayan, çeşitli organları taşıyan bir iskelet ve bunları örten bir deri. İnsanlarda olduğu gibi yapılarda da yapıları ayakta tutan bir iskelet veya çeşitli yapı elemanlarından oluşan bir sistem vardır kibuna taşıyıcı sistem denir. Yapıyı ayakta tutan bu taşıyıcı sistemdir. Taşıyıcı sistemin üstüne uygun bir örtü geçirmek, taşıyıcı sistemi gizleyerek göze hoş görünmesini sağlamak mümkündür. Bazı yapılarda taşıyıcı sistem açıkta bırakılmakta veya örtü taşıyıcı sistemin parçası olabilmektedir. İnşaat mühendisliğinin yapı kolu çeşitli yapıların taşıyıcı sistemlerinin projelendirilmesi ve üretimi ile uğraşır. Taşıyıcı sistemin ekonomik ve emniyetli olmasına çalışır. Yapının estetiği ve genel tasarımı mimarın görevidir. 7
Taşıyıcı sistemin görevi yapıyı ayakta tutmak olduğuna göre taşıyıcı sistemden aşağıdakiler beklenmektedir. Yapı kendi ağırlığını taşıyabilmelidir, Yapı, kullanımı süresince gelecek yükleri taşıyabilmelidir, Yapı, üzerinde birikecek kar ve yağmur yükünü taşıyabilmelidir, Yapı, rüzgarın etkisine karşı dayanıklı olmalıdır, Yapı depreme(zelzeleye) karşı dayanıklı olmalıdır, Yapı, kullanımı sırasında ortaya çıkan darbeli veya titreşimli yüklere karşı dayanıklı olmalıdır, Yapı, üzerine oturduğu zeminden gelen etkilere karşı dayanıklı olmalıdır, Yapı, yangın sırasında insanların kaçmasına izin verecek bir süre ayakta kalmalıdır. Bu yüklerin hepsinin her tür yapıya etkidiği söylenemez. Buna karşılık yapılara etkiyebilen ancak burada sıralanmamış başka yük türleri de bulunabilir. 8
Dolayısıyla Yapı Mühendisliğinin amacı: Yapıları; boyutlandırmaktır. belirli bir güvenlikle yeterli bir dayanımla ve en ekonomik olarak Güvenlik: Dış etkiler nedeniyle yapıda oluşan zorlanmalar, yapının taşıyabileceği (karşı koyabileceği) sınır değerlerden belirli bir güvenlik katsayısı kadar küçük olmalıdır. Rijitlik: Dış etkiler nedeniyle yapıda meydana gelen yer değiştirmeler sınırlı olmalıdır. Yapıdaki rahatsız edici çatlakların, sehimlerin, titreşimlerin önlenmesi ve göze hoş gelmeyen görüntülerin oluşmaması için bu koşul sağlanmalıdır. Ekonomi: Malzeme+işçilik+bakım masrafları minimum olmalıdır. 9
Yapılarda Belirsizlikler Yapılar için mutlak emniyetin sağlanması dolayısıyla kullanım dışı kalma ihtimalinin sıfıra indirgenmesi mümkün değildir. Aslında belirli bir emniyetten söz ederken belirli bir emniyetsizliği peşinen kabul etmiş oluyoruz. Yıkılma ihtimalinin milyonda bir olması gerçekçi kabul edilmektedir. Yapılar için mutlak emniyetin sağlanmasını engelleyen belirsizliklerden bazıları şunlardır. Yüklerdeki belirsizlikler Malzeme dayanımındaki belirsizlikler Yapısal çözümlemede ve kesit hesaplarında kullanılan yöntemlerin kabulündeki belirsizlikler Boyutlardaki belirsizlikler 10
Eski devirlerde yapı malzemesi olarak tuğla, taş ve ahşap kullanılmıştır. Bu devirlerde büyük açıklıkların geçilmesi veya büyük hacimlerin örtülmesi için kemer, tonoz ve kubbelerden yararlanılmıştır. Tonoza, yan yana gelmiş kemerler dizisi gibi bakılabilir. Kubbe ise tepe noktaları ortak kemerler gibi görülebilir. Kemerde olduğu gibi bütün bu yapılarda yapı taşları üzerinde yalnız basınç kuvveti bulunur. Taş, tuğla gibi gevrek yapı malzemeleri ise basınç kuvvetlerine karşı oldukça dayanıklıdır. Gerek eski Yunanlılar ve Romalılar devrinde ve gerek orta çağlarda kemer, tonoz ve kubbe veya türleri yaygın olarak kullanılmıştır. Bu yapıları yapanlar kendi deneyimlerinden öğrendikleri pratik bilgilerden yararlanmışlardır. Kubbe - Kemer 11
Tarihi köprü Su kemeri_1 Su kemeri_2 12
Belkız Köprüsü Aspendos Maglora Kemeri/Alibeyköy İstanbul 13
TONOZ Yapı mühendisliğinin böyle deneme yanılma yöntemine dayanan bir sanat halinden bilimsel tabana oturan bir mühendislik dalı haline dönüşmesi aşağıda sıralanan gelişmelerin sonucudur; 14
tonoz Çifte tonoz Yapı malzemelerinin ve bunlardan yapılmış yapı elemanlarının özelliklerinin(özellikle basınç, çekme, burulma kuvvetleri altında davranış biçimlerinin) deneyler yoluyla sistematik bir biçimde incelenmeye başlanması, Bir yapı elemanına etkiyen dış yüklerin o elemanın içinde ne gibi zorlamalara neden olduğunu hesaplamak üzere birtakım yöntemlerin geliştirilmesi. İlk maddede sözü edilen malzeme bilgisiyle birleştirildiğinde bu yöntemlerle bir yapı elemanının kendisine etkiyen dış kuvvetler altında nasıl ve ne kadar şekil değiştireceğini, bu dış kuvvetler altında yıkılıp yıkılmayacağını hesaplamak mümkündür. 15
18. Yüzyıl sonlarında Endüstri Devrimi ile teknoloji, ekonomi ve sosyal alanlarda başlayan gelişmelerin bazı yapı problemlerinin kısa zamanda çözülmesini gerektirmesi ve eski deneme-yanılma yönteminin bu iş için yavaş kalması. Örneğin hızla yayılan demiryolu ve karayolu şebekeleri için yeni ve büyük köprülerin yapılması gibi. Bu tür gelişmeler bilimsel biçimde projelendirilmiş, yeni malzemelerden üretilmiş yeni yapılar gerektirmiştir. Bu tür yapıların yapılması için ustadan çırağa aktarılacak bilgi olmadığından yapıların projelendirilmesi eldeki bilgilerin sistematik biçimde kullanılmasına bağlıdır. Doğal yapı malzemelerine karşılık amaca uygun yapay yapı malzemelerinin üretilmesi. Bu malzemelerin özellikleri üretim sırasında istenildiği biçimde ayarlanabildiğinden yapıların projelendirilmesi daha kolay ve emniyetli olmaktadır. Bu yapay yapı malzemeleri kronolojik sırayla dökme demir, dövme demir, karbonlu ve alaşımlı çelikler, portland çimentosu ve özel çimentolar ile bunlarla yapılmış betonlar, alüminyum alaşımları ve diğer hafif madenler, kontrplak, sunta gibi ahşap ürünleridir. Galile Yapı mühendisliğinin başlangıcı 17. Yüzyılın sonlarına rastlar. Bu tarihten önce çalışmaları kayda değer iki kişi vardır. Bunlardan ilki Leonardo da Vinci dir. Leonardo nun önemi yapmış olduğu bir buluştan ötürü değil çalışma yönteminden dolayıdır. 16
Leonardo hem kiriş, kolon, kemer, kablo gibi çeşitli yapı elemanları üzerinde yükleme deneyleri yapmış, hem de bu elemanların yük altındaki davranışlarını elde mevcut olan bilgileri kullanarak nicelik bakımından açıklamaya çalışmıştır. Hatırlanması gereken ikinci isim Galile dir. Galile de Leonardo da Vinci nin çalışma yöntemini benimsemiştir. Galile nin gerilme kavramını kullandığı, bakırın eğilmesi ile ilgili mekanik kurallarını yine Galile bulmuş, bu kurallarda yanlış olan iki husus 1680 de Edme Mariotte ve 1773 de C.A. Coulomb tarafından düzeltilmiştir. Edme Mariotte C.A.Coulomb Leonard Euler 1757 de İsviçreli matematikçi Leonard Euler kolonların mukavemeti ve burkulması üzerine bir tez yayınlamış, bunu 1773 de Coulomb un kirişlerin eğilmesi üzerine olan çalışması izlemiştir. Coulomb un bu eseri bir mühendis tarafından başka mühendisler için yazılması bakımından ilginçtir. Coulomb un kum taşlarının basınç mukavemetinin saptanması, istinad (dayanma) duvarları üzerine zemin basıncı, kemerlerin stabilitesi, kirişlerin burulması konularında çeşitli yayınları vardır. 17
Lois Navier Augistin Cauchy Simeon Poisson Yapı hesaplarının temeli olan Elastisite Teorisi 1800 lü yıllarda Fransa da Lois Navier ve Augistin Cauchy ve Siméon Poisson tarafından geliştirilmiştir. 1826 da yayınladığı eserinde Navier mukavemet ve yapıların elastik analizi üzerine bütün bilgileri toparlamıştır. Navier in bir diğer hizmeti asma köprüler teorisini başlatmasıdır. Mekanik üzerine mühendis ve mimarlar için hazırlanmış bir diğer kitap 1858 de W.J.M. Rankine tarafından yayınlanan Uygulamalı Mekanik El Kitabı dır. 18
Ahşap kafes kirişler orta çağlardan beri kullanılan yapı elemanlarıdır. Kafes kirişlerin çözümü için 16. Yüzyılda Andrea Palladio tarafından konulan esaslar geliştirilerek 1847 de Amerikalı mühendis Squire Whipple tarafından yayınlanmıştır. Özellikle çelik üretimindeki gelişmeler ve köprülere duyulan gereksinmeler çelik kafes kirişlere ve genelde kafes kiriş yapı elemanlarına olan ilgiyi artırmıştır. 1850-1910 yılları arasında İskoç J.C. Maxwell, İsviçreli K. Cullmann, İtalyan A. Castigliano, Alman H. Müller-Breslau modern türdeki çerçeve yapıların ve köprülerin hesabı için temel atmışlar ve geliştirmişlerdir. Andrea Palladio A. Castigliano Kafes kirişler Düzlem çerçeve Ahşap karkas 19
Hesap yöntemlerindeki gelişmelere paralel olarak yapı malzemelerinde de bazı gelişmeler olmuştur. Bir kere yapı malzemelerinin kendilerine etkiyen kuvvetler altında nasıl şekil değiştirdikleri ve bunların mukavemetleri deneylerle saptanmıştır. Bu şekilde deneysel yöntemler yaygınlaşmıştır. Yeni yapı malzemelerinin ilki demirdir. Smeaton bu malzemelerin köprü kemerlerinde taş gibi kullanılmasını 1755 de önermişse de demir kemerli köprü 1776 da yapılmıştır. Bu tarihten 19.yüzyıl ortalarına kadar dökme demir birçok yapıda kullanılmıştır. Dökme demirle yedi katlı fabrikaların dayapıldığı söylenmektedir. Ancak dökme demir çok kırılgan olduğundan çekme kuvvetlerine ve dolayısıyla eğilmeye karşı dayanıksızdır. 1784 de daha sünek bir malzeme olan dövme demir elde edilmiştir. İlk profiller ( I profili) ise 1845 de üretilmiştir. Bu senelerde Fransa da duvarcıların grevde olması, ahşabın yangına karşı dayanıksız olduğunun düşünülmesi, döşeme açıklıklarının gittikçe büyümesi bu profillerin icadının temelinde yatan nedenlerdendir. 1856-1862 yılları arasında Henry Bessemer, William Kelly, Friedrich ve Sir William Siemens, Pierre Martin çelik üretmek için ucuz yöntemler geliştirmişlerdir. Çeliğin yapılarda geniş çapta kullanılması ilk defa 1883 de Amerika da gerçekleşmiş ve ilk Standard profiller ( I, L, U profilleri gibi) yine bu ülkede üretilmiştir. Friedrich Siemens Henry Bessemer 20
21
Diğer bir yeni malzeme çimento ve betondur. Çimento 1824 yılında J. Aspdin tarafından İngiltere de bulunmuştur. Ancak üretilen betonların kalitesi birbirinden çok farklı olmuştur. 1918 de Duff Abrams betonu oluşturan çimento, su, kum ve çakıl miktarlarının hesap prensiplerini ortaya koyduktan sonra istenilen kalitede beton üretmek mümkün olmuştur. Joseph Aspdin 22
Doğal taşlar gibi beton da gevrek bir malzemedir. Yani basınç gerilmelerine karşı dayanıklı olduğu halde çekmeye ve dolayısıyla eğilmeye karşı dayanıksızdır. O nedenle çekme kuvveti alan veya eğilmeye çalışan yapı elemanlarında kullanılamamaktadır. Ancak bu tür elemanların çekme kuvvetlerine maruz bölgelerinin çelik çubuklarla donatılarak kuvvetlendirilmesiyle bu sakınca ortadan kaldırılmış ve böylelikle betonarme doğmuştur. İlk betonarme yapı 1890 larda Fransa da François Hennebique tarafından yapılmıştır. Beton sağlamlığı, yangına karşı dayanıklılığı, kolay biçimlendirilmesi, ucuzluğu ile modern yapı malzemelerinin başına geçmiştir. 1886 da Charles M. Hall tarafından büyük miktarlarda üretimi başarılan alüminyumun çeşitli metallerle yapılan alaşımları çelik kadar sağlam olabilmektedir. Bu alaşımların çeliğe üstünlükleri hafif olmaları ve paslanmamalarıdır. Alüminyum 1950 lerden sonra yapılarda kullanım alanı bulmuş, çeşitli yapı ve köprülerde kullanılmıştır. François Hennebique Charles M. Hall 23
24
25
26
Günümüzün modern yapılarının eski çağlardaki yapılardan bir farkı taşıyıcı sistem kavramının iyice yerleşmiş olması ve taşıyıcı sistemin diğer yapı elemanlarından açık seçik ayırt edilebilmesidir. Kalın veağır duvarlargitmiş bunun yerine tek görevi yapıyı ayakta tutacak olan ince kolonlar gelmiştir. Bu tür yapılarda duvarlar bir kapalı hacım oluşturmak için kullanılan perdeler gibidir. Bazı yapılarda iç duvarlar kullanıcının ihtiyacına göre takılıpçıkarılabilen panolar biçiminde olabilmektedir. Modern yapılarda görülen bir diğer özellik büyük açıklıkların ortadan desteklenmeden geçilmesidir. Yapı malzemelerinde meydana gelen gelişmeler bu tür yapıların yapılmasına olanak tanımıştır. Bunun ilk örnekleri köprülerde görülmektedir. Eskiden çok sayıda kemer kullanılarak geçilen açıklıklar artık tek bir kemerle veya kabloların kullanıldığı gergili veya asma köprülerle geçilebilmektedir. 27
Yapı Mühendisliğinde izlenen yol; 1) Yapının formu (geometrisi), türü, malzemesi seçilir. Yerinde dökme betonarme sistem Prefabrike betonarme sistem Çelik çerçeve sistem Çelik kafes sistem Betonarme kolonlu çelik çerçeve veya kafes sistem Öngerilmeli betonarme sistem vs. 2) Yapının formu(şekli), mesnetleri, birleşim noktaları vs. idealleştirilerek hesap modeli kurulur. Buna idealleştirilmiş sistem yada yapı sistemi de denir. 3) İşletme yükleri (yapıya kullanım süresi boyunca etkiyecek yükler) belirlenir. Bunun için standart ve yönetmeliklerden yararlanılır. 4) Malzemelerin mekanik özellikleri ( Elastisite modülü, poisson oranı vb.) belirlenir. 5) Yapı sisteminin enkesitleri tahmin edilir. 6) Yapı sistemi, işletme yükleri veya (bu yüklerin yük güvenlik katsayıları ile çarpımından oluşan) hesap yükleri altında hesaplanarak kesit zorları ve yer değiştirmeler bulunur. 7) Kesit hesapları ve yer değiştirme kontrolleri yapılır. 8) 5-7 adımlar tekrarlanarak en ekonomik çözüm araştırılır. 28
Yapı Sistemleri: Bir yapının tümünün veya bir bölümünün idealleştirilmesinden oluşan hesap modeline yapı sistemi denir. Yapı sistemleri oluştukları yapı elemanlarının türüne bağlı olarak, 1) Bir boyutlu sistemler (çubuk sistemler) 2) İki boyutlu sistemler (yüzeysel taşıyıcı sistemler) 3) Üç boyutlu sistemler olmak üzere sınıflandırılır. 29
1) Bir boyutlu elemanlar (çubuklar): İki boyutu üçüncü boyutunun yanında küçük olan elemanlardır. 2) İki boyutlu (yüzeysel taşıyıcı) elemanlar:bir boyutu (kalınlığı) diğer iki boyutuna göre küçük olan elemanlardır. Plak, perde, kabuk levha.. 3) Üç boyutlu sistemler: üç boyutuda aynı önemde olan elemanlardır. Kalın plak, kalın levha, temel blokları, baraj gövdesi.. 30
Bir yapıda genel olarak, bu yapı elemanlarının biryadabirkaçı bir arada bulunabilir. 31
32
Yapıya Etkiyen Yükler Sabit Yükler (G) Hareketli Yükler (Q) Yatay Yükler Diğer Yükler Çatı yükü Sıva ve kaplama Duvarlar Kirişler Kolonlar Döşemeler Mekanik Elektrik T. Canlılar Eşyalar Malzemeler Araç ve gereçler Taşıtlar Yağmur ve kar Rüzgar Deprem (E) Rüzgar (W) Toprak İtkisi (H) Sıvı yükü Sıcaklık farkı Sünme ve büzülme Farklı oturma gibi nedenlerle oluşan yükler 33
Öngerilmeli beton Örnekleri görülen pek çok modern yapıda öngerilmeli beton kullanılmaktadır. Öngerilmeli betonun normal betondan farkı: betonarmede çekme kuvvetlerinin geleceği kısımlarda beton çelik çubuklarla takviye edilir ve çekme kuvvetlerini bu çubuklar karşılar. Öngerilmeli betonda çekme kuvvetlerinin geleceği kısımlarda beton, içine döşenen ve gerilen kablolarla sıkıştırılır. Betonun içinde oluşan bu basınç kuvveti dış yüklerden gelecek çekme kuvvetlerini karşılar. Dış kuvvetler daha da artırıldığında beton dış kuvvetlere karşı koyamaz ve bunlar beton içine yerleştirilmiş olan kablolarla karşılanır. Öngerilmeli betonun avantajı beton kesitleri büyütmeden betona daha çok yük taşıtılabilmesidir. 34
35
1930 ların sonlarına doğru mühendisler elastik teori ile yapılan projelerin gereksiz yere emniyetli olduğunu saptamışlardır. Bunun anlamı yapıya gelen yükleri taşıtmak üzere gereksiz yere fazla malzeme kullanılmasıdır. Ayrıca elastik teoriye göre yıkılması veya kullanılamaz hale gelmesi gereken bazı yapılar kullanılabilmekte ve yük taşıyabilmektedir. Bunun nedeni yapının elastik sınırların ötesinde plastik şekil değiştirmesi ve bu plastik şekil değiştirmenin yapının taşıma gücüne katkıda bulunmasıdır. O nedenle günümüzde birçok ülkede elastik teoriye göre projelendirme esasları terk edilerek taşıma gücüne göre hesap esasları benimsenmiştir. Ülkemizde de bu hesap yöntemine geçiş 1980 lerin sonlarına doğru olmuştur. İnşaat mühendisliğinde 1960 lardan sonra görülen bir gelişme de taşıyıcı sistem hesabında bilgisayarlardan büyük ölçüde yararlanılmasıdır. Eskiden analitik yoldan çözümü yapılamayan birçok sistem artık bilgisayar aracılığıyla sayısal olarak çözülebilmektedir. 36
37
38
39
40
ABD 41
Hong Kong 42
Tayvan Taipei 43
Chicago 44
45
46
Pagoda, Budistlerin dini yapılarına verilen addır. 47
48
Chicago 49
New York 50
51
52
53
54
Mısırın ın İskenrediye Şehrinde 55
Almanya nın UlmŞehrinde 56
57
58
59
60
(İstanbul) (Moskova) (Edirne)) (Ağrı-Doğubeyazıt) (İstanbul) 61
62
63
64