BALIKESİR ÜNİVERSİTESİ MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ İNŞAAT MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ 2016-2017 ÖĞRETİM YILI GÜZ YARIYILI ÇELİK YAPILAR-I DERS NOTLARI 1 Yrd.Doç.Dr. Kaan TÜRKER 1.HAFTA (2016)
DERS PLANI KONULAR 1. Çelik Yapılar Hakkında Genel Bilgiler 1.1. Çelik yapıların tarihçesi 1.2. Çeliğin iç yapısı ve üretimi 1.3. Çelik yapılarda boyut standartları 1.4. Çelik yapıların avantaj ve dezavantajları 1.5. Çelik yapılarda yorulma 1.6. Çelik yapılarda korozyon 1.7 Çelik yapılarda yangın (yüksek sıcaklık) etkisi 1.8. Çeliğin mekanik özellikleri 1.9. Çelik yapıların tasarımında esas alınacak yükler ve yükleme kombinasyonları 1.10. Çelik yapıların boyutlandırma yöntemi (TS 648) 2. Çelik Yapılarda Birleşim Araçları 2.1. Bulonlu Birleşimler 2.1.1. Normal Bulonlu Birleşimler 2.1.1.1 Normal Bulonlu Birleşimlerde hesap esasları 2.1.1.2 Normal Bulonlu Birleşimlerde konstrüktif kurallar 2.1.2. Yüksek Mukavemetli Bulon Birleşimleri 2.2. Perçinli Birleşimler 2.3. Kaynaklı Birleşimler 3. Çelik Taşıyıcı Sistem Elemanlarının Boyutlandırılması 3.1. Eksenel Çekme Kuvveti Etkisindeki Elemanlar 3.2 Eksenel Basınç Kuvveti Etkisindeki Elemanlar 3.3 Eğilme Etkisindeki Elemanlar 3.4 Eğilme ve Eksenel Kuvvet Etkisindeki (Bileşik Eğilme) Elemanlar KAYNAKLAR Kitaplar 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). Çelik Yapı Elemanları, E. Keyder, S.T. Wasti, Bizim Büro Basımevi 1. baskı, (2010). Çelik Yapılar Kısa Bilgi ve Çözülmüş Problemler, A. Z. Öztürk, Birsen Yayınevi, 4. baskı, (2007). Çelik Yapılar, M. Karaduman, Nobel Yayın Dağıtım, 6. baskı, (2010). Çelik Yapılar, T. Nedim Uluğ, Teknik Kitaplar Yayınevi, (1977). 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). Steel Design, W. T. Sequi, United Kingdom: Cengage Learning, Fourth Edition, (2007). 2
Standart ve Yönetmelikler TS 648 Çelik Yapıların Hesap ve Yapım Kuralları Çelik Yapıların Tasarım, Hesap ve Yapım Kuralları, Çevre ve Şehircilik Bakanlığı, (2016). TS 4561 Çelik Yapıların Plastik Teoriye Göre Hesap Kuraları TS 3357 Çelik Yapılarda Kaynaklı Birleşimlerin Hesap ve Yapım Kuralları TS 498 Yapı Elemanlarının Boyutlandırılmasında Alınacak Yüklerin Hesap Değerleri İMO-01.R-01/2005 : Çelik Yapılarda Kaynaklı Birleşimler- Hesap, Yapım ve Muayene kuralları, İMO İstanbul Şubesi, Çelik Yapılar Komisyonu, (2005). 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) Türkiye Bina Deprem Yönetmeliği (Taslak), Çevre ve Şehircilik Bakanlığı, (2016). Not: Ders notları http://w3.balikesir.edu.tr/~kturker adresinden haftalık olarak verilecektir. 3
1 ) ÇELİK YAPILAR HAKKINDA GENEL BİLGİLER 1.1 ) Çelik Yapıların Tarihçesi Bugünkü anlamda çelikten önce, ilk olarak demir yapı malzemesi olarak kullanılmıştır. Demir malzeme kullanılarak ilk inşa edilen mühendislik yapıları köprülerdir. İlk köprü 1778 de İngiltere de 31 m açıklıklı olarak font kullanılarak imal edilmiştir. (Font: Ham demire yaklaşık % 4-5 kadar Karbon ilave edilmesi ile edilen yüksek dayanımlı gevrek alaşımdır.) Fontun basınç mukavemetinin yüksek olmasının yanı sıra çekme mukavemetinin düşük olması nedeniyle, köprüler genellikle kargir köprüler gibi kemer şeklinde imal edilmiştir. 18. Yüzyılda İngiltere de yüksek fırın yöntemiyle büyük miktarda demir ve font üretiminin başlaması ile yapı malzemesi olarak kullanılabilmesi olanağı ortaya çıkmıştır. Daha önceleri sadece silah ve eşya yapımında kullanılabilmiştir. 1875 yılından itibaren dövme çelik ve dökme çelik yapı malzemesi olarak kullanılmaya başlanmış. Çekme mukavemetinin de yüksek olduğu dövme ve dökme çelik ile daha büyük köprüler inşa edilebilmiştir. 20. yüzyılın başından itibaren elektrik fırınlarında, ham demirin arıtılması sağlanabilmiş böylece büyük miktarda dökme çelik üretimine geçilmiştir. Bununla birlikte 1890 yılından itibaren dövme çelik yerini tamamen dökme çeliğe bırakmıştır. Dökme çeliğin kullanılmaya başlanmasıyla da modern çelik tekniği ortaya çıkmış ve bu alanda büyük ilerlemeler olmuştur. II. Dünya savaşından sonra özellikle Almanya ve diğer ülkelerde, modern çelik yapıların kullanımı hızla yaygınlaşmıştır. Türkiye de inşa edilen ilk çelik köprü 1974 de tamamlanan Boğaziçi köprüsüdür. İngiltere de inşa edilen ilk demir köprü Türkiye de inşa edilen ilk çelik asma köprü 4
Montaj aşamasında olan bina tipi çelik yapılar 1.2) Malzeme iç yapısı ve Üretimi Mekanik olarak işlenebilen yani, dövülerek, preslenerek, haddeden geçirilerek şekil alabilen demir alaşımlarına çelik denir. Çelik alaşımları, demir dışında aşağıda aşağıdaki bileşenleri içermektedir. Karbon (C) [% 0.16-0.20] Fosfor Kükürt Azot Silisyum Manganez Bakır Krom Nikel Vanadiyum Molibden Yüksek mukavemetli çeliklerde kullanılır Çeliğin mekanik özelliklerini belirleyici en önemli parametre içeriğindeki Karbon miktarıdır. Çelik içindeki Karbon arttıkça çeliğin mukavemeti ve sertliği artmaktadır. Ancak sertliğin artması sünekliğin azalması anlamına gelmektedir. Çelik cinsleri içindeki karbon miktarlarına göre sınıflandırılırlar. Üretim aşamaları Yüksek fırınlarda kok kömürü yakılarak demir cevherinin ergitilmesi sonucu ham demir elde edilir. Thomas, Siemens-Martin, Bessemer vb. ısıl işlem yöntemlerinden biri kullanılarak özel fırınlarda ham demirin arıtılıp, katkılanması sonucu sıvı haldeki çelik malzeme (alaşım) elde edilir. Sıvı haldeki çelik malzemesi haddeleme olarak isimlendirilen sıcak şekillendirme işlemine tabi tutulur ve istenilen en kesit özelliklerine sahip elemanlar (hadde ürünleri) üretilir. 5
Çelikte şekil verme işlemi kristalleşme sıcaklığının üstünde yapılırsa, mekanik özelliklerde herhangi bir değişme olmaz. Ancak şekil verme işlemi soğuk ortamda yapılırsa mekanik özellikler büyük ölçüde değişime uğrar. Plastik kıvamdaki çelik malzemenin Haddeleme işlemi Haddeleme ile çeşitli çelik elemanların şekillendirilmesi 6
1.3) Çelik yapılar için boyut Standartları Çelik yapılarda kullanılan hadde ürünleri ve döküm ürünleri aşağıda verilmiştir. A) Hadde Ürünleri 1) Profiller I profilleri (NPI, IPE, IPB, IPBv, IPEo, HE, HL, HD, HP, W, UB, UC vb.) (Örnek gösterim: NPI 200, IPB 240, IPE 300) [ profilleri (Örnek gösterim: [ 20, [ 24 ) L profilleri (korniyerler) (Örnek gösterim: L100.100.10, L120.80.5 ) T profilleri Boru profilleri (Dikdörtgen ve daire enkesitli) Ray profilleri Özel profiller 7
2) Lamalar (dikdörtgen enkesitli çubuklar) Dar lamalar (b=10-150mm, t=5-60mm) Geniş lamalar (b=151-1250mm, t=5-60mm) İnce lamalar (b=12-360mm, t=0.1-5mm) (Örnek gösterim: 140.10 ) b : genişlik t : kalınlık 3) Levhalar İnce levhalar (t 2.75 mm) Orta levhalar (3 t 4.75 mm) Kaba levhalar (t >5 mm) (Örnek gösterim: Lev. 4.1200.2400, veya Lev. 4 ) t : kalınlık B) Döküm Ürünleri Çelik font, su çeliği, gri font (Mesnet parçaları, mafsal parçaları vb.) 8
Yaygın olarak kullanılan profil tipleri ve boyutları I ve U profilleri Korniyerler Boru profilleri Daire kesitli borular Kare kesitli borular Dikdörtgen kesitli borular 9