1.4) Çelik Yapıların Avantaj ve Dezavantajları Avantajları Çelik ürünleri üretiminin fabrikada yapılaması nedeniyle, belirli bir denetimden geçtiği düşünülerek malzeme güvenlik katsayısı küçük alınır. Mukavemeti diğer yapı malzemelerine göre çok yüksek olması sayesinde, elema boyutları ve dolayısıyla yapı öz ağırlığını hafifletir. Elastisite modülünün büyük olması nedeniyle, eğilme rijitliğinin etkili olduğu elemanlarda ekonomik çözümler verir. Prefabrik olması nedeniyle, inşaat süresi hızlıdır ve hava koşullarından etkilenmez. Yapı elemanları kolay değiştirilebilir, takviye edilebilir ve gerektiğinde başka yerlerde kullanılabilir. Dezavantajları Yanıcı olmamakla birlikte, ısı yükseldikçe mukavemetinde ve elastisite modülünde hızlı düşüşler meydana gelir. Su veya diğer kimyasal maddeler ile teması halinde paslanma (korozyon) olayını başlatır ve korozyon malzemenin mukavemetini azaltır. Bu nedenle, çelik yapılar periyodik olarak bakımdan geçirilmelidir. Ses ve ısı yalıtımı bakımından çok iyi bir iletken olması nedeniyle yalıtım önlemi alınmalıdır. 1.5 ) Çelik Yapılarda Yorulma Çelik yapı elemanları veya birleşimleri ard-arda ve çok sayıda tekrar eden yükler etkisi altında kalırsa, tek bir tekrar içindeki maksimum gerilme, eleman veya birleşimin akma sınırı gerilmesinin çok alında olmasına rağmen, belirli bir yük tekrarından sonra eleman veya birleşim yük taşıma kapasitesini kaybedebilir. Bazı mekanik veya metalurjik süreksizlik noktalarındaki çatlakların ardışık tekrarlı yükler etkisi altında yayılması ile meydana gelen bu olaya yorulma adı verilir. Yorulma olayına iç çatlaklar sebep olduğu için genellikle çekme (eksenel çekme, eğilme çekmesi) etkisi altında yorulma söz konusudur. Basınç etkisi altında yorulma meydana gelmez. Yorulma dayanımını etkileyen başlıca etkenler aşağıda verilmiştir. Yük tekrar sayısı Her bir tekrardaki gerilme maksimum ve minimum gerilme farkı ( σ = σ max σ min ) Lokal gerilme yığışmalarının büyüklüğü 1
Maksimum çekme gerilmesi Maks. Çekme gerilmesi Yorulma limit gerilmesi Tekrar sayısı Özellikle sünek çelik taşıyıcı elemanların yorulma ömrünün oldukça büyük (1 10 milyon) tekrar sayılarında gerçekleştiği bilinmektedir. Bu nedenle yorulma olayı, yoğun tekrarlı yüklere maruz olan köprülerde, kren kirişlerinde, dalga kuvvetlerine maruz iskele ve liman yapılarında, sürekli rüzgar etkisindeki yapılarda titreşim üreten makinelerin mesnetlendiği sistemlerde etkili olmaktadır. Bu tür yapı sistemlerinde yorulma gözönüne alınarak tasarım yapılır. Bunun dışındaki çelik yapılarda yorulma etkisi ihmal edilebilecek düzeyde kalmaktadır. 1.6) Çelik Yapılarda Korozyon Çelik yapı malzemelerinde herhangi bir önlem alınmadığı durumlarda, açık hava koşulları veya direkt su etkisi altında oluşan bir reaksiyon sonucu eleman yüzeylerinde oksit ve hidroksit özellikte bir tabaka oluşur, buna korozyon yada paslanma adı verilir. Bu olay sonucu elemanda kabuklanmalar, çatlamalar ve yarıklar oluşabilir. Bu kusurlar nedeniyle eleman taşıma kapasitesinde ve rijitliğinde önemli azalmalara yol açacağından korozyona karşı mutlaka önlem alınmalıdır. Yoğun korozyona uğramış bir iskele ayağı 2
Çelik Yapılarda Korozyon için alınabilecek önlemler aşağıda verilmiştir: Konstrüktif önlemler (Girinti çıkıntıları azaltmak, köşe yerine dairesel yüzeyler kullanmak vb.) Boyama Polimer tabaka ile kaplama Metalik üst yüzey kaplaması uygulama (Galvanizleme işlemi) Polimer harçlarla kaplama Çimento harçları ve beton ile kaplama Lastik kaplamalar Emaye kaplama Katodik koruma Konstrüktif korozyon önlemlerine örnekler Doğru Hatalı Su birikintisine sebep olan konumlama Korozyon maruz bölge 3
1.7 ) Çelik Yapılarda Yangın (Yüksek Sıcaklık) Etkisi Çelik yapıların en büyük dezavantajlarından biri yüksek ısı (yangın) etkisi altında mekanik özelliklerinin hızla olumsuz yönde etkilemesidir. Sıcaklık artıkça çeliğin elastisite modülü ve akma mukavemeti önemli azalmalar gösterir. Sıcaklık 1000o C ye ulaştığında ise akma dayanımı sıfıra yaklaşır, yani çeliğin taşıma kapasitesi tamamen sona erer. Çelik yapıların yangın güvenliğinin sağlanması amacıyla; a) Yapıda yangın oluşumunu ve yaygınlaşmasını önleyecek yangın söndürme sistemleri oluşturulabilir. b) Yangın etkisi altında meydana gelebilecek sıcaklık değerleri esas alınarak bina tasarımı yapılabilir. (Bunun için yangın senaryoları hazırlanmalıdır) c) Çelik taşıyıcı elemanlara yangın etkisine dayanabilecek düzeyde yalıtım uygulanabilir. (Yalıtım için genellikle alçı sıva, alçı kaplama, perlit vb mineral içerikli sprey kaplamalar ve perlit içerikli beton kaplamalar kullanılmaktadır. Isı etkisi altında çeliğin gerilme şekildeğiştirme bağıntısındaki değişim Yangın sonucu göçen çelik taşıyıcı sistem 4 Yrd.Doç.Dr. Kaan TÜRKER 2.HAFTA (2016)
Çelik taşıyıcıları yangın (yüksek sıcaklık) etkisinden korumak amacıyla yapılan yalıtım uygulamaları Çelik kolon Metal sıva tirizi Metal destek Alçı sıva Çelik kolon İki kat alçı tabaka Alçı levha Betonarme döşeme Betonarme için enine donatı Çelik kolon Beton 5
1.8) Çeliğin mekanik özellikleri Çelik homojen ve izotrop (fiziksel ve mekanik özellikleri yükleme doğrultusuna bağlı olarak değişmeyen) bir yapı malzemesidir. Elastisite modülü : E =2100 000 kg/cm 2 Kayma modülü : G=E/2(1+ν) = 810 000 kg/cm 2 Poisson oranı : ν = 0.3 Isısal genleşme katsayısı : α t = 12.10-6 Çelik Çekme Deneyi Çelik bir numune aşağıda belirtilen çekme deneyine tabi tutulduğunda, aşağıdaki Gerilme- Şekildeğiştirme (σ-ε) grafiği elde edilir. L Deneyde hesaplananlar P uzama L P F : En kesit alanı L =L -L Gerilme P σ = F Şekildeğiştirme L ε = L A Çelik için Gerilme-Şekildeğiştirme (σ-ε) Bağıntısı 6
P kuvveti sıfırdan itibaren yavaş yavaş arttırılır. P σ = gerilmesi σ p orantılı sınır gerilmesine varıncaya kadar malzeme lineer-elastik F bir karakter gösterir, yani Hook Kanunu geçerlidir. σ Hook Kanunu : ε = E σ gerilmesi, σ p yi aştıktan sonra, σ E elastik sınır gerilmesine varıncaya kadar malzeme yine elastik kalır, fakat Hook Kanununa uymaz. σ gerilmesi, σ E yi aştıktan sonra, malzemenin elastik özelliği bozulur. σ gerilmesi, σ F akma sınır gerilmesine ulaştığı zaman, malzemede akma ve büyük plastik şekildeğiştirme meydana gelir. F-A arasındaki akma bölgesine akma sahanlığı (platosu) adı verilir. Büyük plastik şekildeğiştirmeden sonra malzeme kendini toparlar ve gerilmeler tekrar artmaya başlar (A-B arası bölge). Bu olaya pekleşme denir. Gerilme, σ B kopma sınır gerilmesine ulaşılınca numune biraz daha uzayarak kopar. Çelik malzeme plastik bölgede bir C noktasına kadar yüklendikten sonra gerilme tekrar sıfıra getirilirse (yük boşaltılırsa), (σ-ε) diyagramı, OP ye paralel CC doğrusuna karşılık gelir. Mevcut şekildeğiştirmenin bir kısmı (ε el ) geri döner, bir kısmı ise kalır (ε pl ). ε = ε pl + ε el Bu yükleme boşaltmadan sonra, OC = ε pl kadar şekildeğiştirme kalmış malzeme yeniden yüklenirse, (σ-ε) diyagramı, C CB olarak elde edilir. Yani malzeme σ C gerilmesine kadar lineer elastik karakter gösterir. Malzemenin sertliği ve akma sınırı artar, sünekliği ise OC kadar azalmış olur. Yapısal çelik sınıfları Ts 648 de çelik sınıfları Fe XX sembolü ile gösterilir. Çelik türü ifadesindeki sayı (XX), kg/mm 2 biriminde çeliğin minimum çekme (kopma) mukavemetini ifade etmektedir. Örnek : Fe 37 çeliği için Çeliğin minimum çekme mukavemeti = 37 kg/mm 2 = 3700 kg/cm 2 Çok sayıda çelik sınıfı bulunmakla birlikte yaygın kullanılan yapı çeliği türleri Fe 37, Fe 44, Fe 52 Bu çelikler içinde en yaygın olanı ise Fe 37 çeliğidir. Alman Standartında ve buna göre yazılmış bazı literatürlerde ve Fe yerine St notasyonu kullanılır. Buna göre çelik sınıfları St 37 (Fe 37), St 52 (Fe 52) şeklinde ifade edilir. 7
Yeni çelik Yönetmeliğinde Çelik sınıfları ve Mukavemet Özellikleri 1.9 ) Çelik yapıların hesabında gözönüne alınan yükler ve Yükleme Kombinasyonları Çelik yapılar için Esas Yükler (EY) : Öz yükler, faydalı hareketli yükler, kar yükü, kren yükü, makinelerin kütle kuvvetleri İlave Yükler (İY) : Rüzgar yükleri, deprem yükleri, krenlerin ve araçların fren yükleri, krenlerin kaldırma yükleri, montaj ve tamir aşaması yükleri, ısı etkileri olmak üzere iki yük grubu tanımlanır ve bu yükleri içeren iki yükleme durumu (kombinasyon) ayrı ayrı esas alınarak boyutlandırma yapılır. Bu yük durumları; 1) EY Yüklemesi : Esas yükler yüklemesi. 2) EİY Yüklemesi : Esas yükler ve ilave yükler yüklemesi. İlave yükler grubunda yüklerin aynı anda etkimeyecekleri kabul edilir. Buna göre her bir ilave yük için ayrı ayrı EİY yüklemesi yapılır. En elverişsiz duruma karşılık gelen boyut esas alınır. 8
Örneğin; G sabit yükleri, Q hareketli yükleri, E deprem yüklerini, W rüzgar yüklerini göstermek üzere; Bir yapıda aşağıdaki yüklemeler için ayrı ayrı boyutlandırma yapılmalıdır. EY : G+Q EİY-1 : G+Q+E EİY-2 : G+Q+W Not: Yükün özelliğine göre iki asal doğrultu için (+) ve ( ) yönde de gerekli yükleme yapılır. 1.10) Çelik yapıların boyutlandırma yöntemleri Çelik yapıların boyutlandırılması için Türkiye de 1 Eylül 2016 tarihine kadar, aşağıda belirtilen iki ayrı yöntem bulunmaktaydı. Bu yöntemlerden Plastik Boyutlandırma Yönteminin uygulama alanı çok sınırlı olduğu için yaygın olarak Emniyet Gerilmeleri Yöntemi kullanılmıştır. 1) Emniyet Gerilmeleri Yöntemi (TS 648) (1980) 2) Plastik Boyutlandırma Yöntemi (TS 4561) 1 Eylül 2016 tarihinde Çevre ve Şehircilik Bakanlığı tarafından hazırlanan yeni bir Çelik Yapı Tasarım Yönetmeliği yürürlüğe girmiştir. Bu yönetmelikte; 1) Güvenlik Katsayıları ile Tasarım (GKT) 2) Yük ve Dayanım Katsayıları ile Tasarım (YDKT) olmak üzere iki yöntem bulunmaktadır. Ders kapsamında halen yürürlükte olan Emniyet Gerilmeleri Yöntemi anlatılacaktır. Emniyet Gerilmeleri Yöntemine göre; Yapıya etkiyen işletme yüklerinden (P i ) oluşan gerilmeler (σ i ) belirlenir. Malzemenin sınır gerilmesi (taşıma gücü) bir emniyet katsayısına (e) bölünerek emniyet gerilmeleri (σ em ) belirlenir. İşletme gerilmesi, emniyet gerilmesinden küçük veya ona eşit olacak şekilde ekonomik enkesit boyutları belirlenir. P i σ i σ em σ em = σ sınır / e Bu yöntemin esasları ve çelik yapı elemanlarının boyutlandırılmasında kullanılacak olan emniyet gerilmeleri, çelik sınıflarına bağlı olarak TS 648 de verilmiştir. Yapı sisteminin fonksiyonunu yerine getirebilmesi ve yeterli konforu sağlayabilmesi için gerekli olan rijitlik kontrolleri yapılır. (Örneğin kirişlerde sehim kontrolü, kolonlarda rüzgar ve deprem yükleri altında yanal ötelenme kontrolü) 9
TS 648 e göre Çelik yapı elemanları için akma gerilmeleri ve emniyet gerilmeleri (Esas Yükler için) Özel gerilme durumları: Gerilme Türü Çekme Kayma Çelik türü Akma emniyet emniyet Basınç emniyet gerilmesi gerilmesi gerilmesi gerilmesi σ F σ çem τ em [σ bem = σ çem / ω(λ) ] (kg/cm 2 ) (kg/cm 2 ) (kg/cm 2 ) St 37 (Fe37) 2400 1440 831 Basınç Emniyet gerilmesi değerleri elemanın narinliğine bağlı olarak St 52 (Fe52) 3600 2160 1247 değişkendir Eleman en kesitinde, iki eksenli gerilme durumu ortaya çıkması ve kesitte oluşan kayma gerilmesinin (τ), kayma emniyet gerilmesinin (τ em ) yarısını aşması halinde: Biçim Değiştirme Enerjisi Hipotezi ne göre Kıyaslama gerilmesi hesaplanır ve bu gerilme değeri aşağıda belirtilen sınır değerler ile karşılaştırılır. Kıyaslama gerilmesi : 2 2 2 σ = σ + σ σ σ + 3τ v x y x y Tek eksenli gerilme durumunda aşağıdaki ifade kullanılır. 0.75 σ F (EY Yüklemesinde) 0.80 σ F (EİY Yüklemesinde) σ F : Çelik akma gerilmesi Kıyaslama gerilmesi : 2 2 σ = σ + 3τ v x 0.75 σ F (EY Yüklemesinde) 0.80 σ F (EİY Yüklemesinde) Esas ve İlave Yükler Yüklemesi durumunda Emniyet gerilmeleri: Esas yüklere ait emniyet gerilmeleri % 15 - %33 artırılarak belirlenir. Deprem dışındaki diğer ilave yükler için EİY yüklemesinde emniyet gerilmeleri % 15 artırılır (TS 648). Deprem yüklerini içeren EİY yüklemesinde emniyet gerilmeleri; Birleşim ve eklerin tasarımında : % 15 Eleman tasarımında % 33 artırılır (DBYBHY-2007). 10
Kaynaklar Çelik Yapılar, H. Deren, E. Uzgider, F. Piroğlu, E. Çağlayan, Çağlayan Kitapevi, 3. baskı, (2008). Ahşap ve Çelik Yapı Elemanları, Y. Odabaşı, Beta Yayınları, (1992). 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). TS 648, Çelik Yapıların Hesap ve Yapım Kuralları. İMO-02.R-01/2008, Çelik Yapılar - Hesap Kuralları ve Proje Esasları İMO İstanbul Şubesi, Çelik Yapılar Komisyonu, (2008). Deprem Bölgelerinde Yapılacak Yapılar Binalar Hakkında Yönetmelik (2007) Çelik Yapıların Tasarım, Hesap ve Yapım Kuralları, Çevre ve Şehircilik Bakanlığı, (2016). 11