. Yapısal Çelik Türkiye de çelik kaliteleri TS 2162-1986 Genel Yapı Çelikleri Şartnamesi ile belirlenmiştir. Buna göre hadde mamulü yapı çelikleri içindeki karbon, fosfor, kükürt, nitrojen oranlarına göre: Fe33, Fe37-2, Fe37-3, Fe44-2, Fe44-3, Fe50-2, Fe52-3, Fe60-2, Fe70-2, TAŞIYICI SİSTEM TASARIMI 1 olarak sınıflandırılır. Prof. Dr. Görün Arun 07.1 ÇELİK YAPILAR Malzeme, 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. 2 Yapısal Çelik Çelik homojen izotrop bir malzeme karakteri gösterir, yapı elemanları küçük en kesitli yapılabilir. Çelik, hem basınca hem de çekmeye dayanımlı bir malzemedir. -normal ve -kayma gerilmesi değerleri: Fe37 çelikleri için: =144-165 MPa = 83.1-95.6 MPa Fe52 çelikleri için: =216-248 MPa =1241.-143.4 MPa arasında değişir. Tüm çelik kaliteleri için; Yoğunluk: 7850 kg/m3 Elastisite Modülü: E = 210000 MPa Poisson katsayısı: ν = 0,3 Kayma Modülü: G = E/2(1+ν) = 81000 MPa Isı genleşme katsayısı: αt=12x10 6 0C 3 Çeliğin mukavemeti büyüktür, az sehim yapar ve büyük açıklıklar geçilebilir. Böylece iç kolon sayısı azaltılır ve iç düzenlemede esneklik sağlanır. 4 Çelik sünek bir malzemedir. Bu özelliği ile çelik, büyük basınç ve çekme kuvvetleri etkisinde yıkılmadan deforme olur, takviye yada eleman değişikliğine olanak verir. Çelik taşıyıcı iskeletin kendi ağırlığı az olduğu için temellere gelen yükler de daha azdır. Bu nedenle temel maliyeti daha az olur. Yapının hafif olması emniyet gerilmesi düşük olan emniyetsiz zeminler için de uygundur. Çeliğin takviyesi kolaydır, tasarım değişiklikleri kolayca yapılabilir. 5 6 1
. İnşaat işi hava şartlarından bağımsız olarak yapılabilir. Kesintisiz bir yapım olanağı sağladığı için yapı kısa sürede tamamlanıp hizmete açılabilir. Yapım süresinin kısalığı finansman maliyetlerini etkiler. Yapı daha önce hizmete açılır ve erken kullanımı yada kazanç getirmeyi sağlar. Çelik elemanların büyük bir kısmı atölyelerde hazırlanabilir. Sadece kreyn ve nakil araçlarının durabileceği kadar az bir şantiye alanı yeterlidir. Yapının yıkılması gerektiğinde tozsuz ve gürültüsüz olarak ve çok az artık malzeme bırakarak sökülebilir. Bu sökümden çıkan parçalar tekrar kullanılabilir yada hurda olarak satılabilir. Yoğun yerleşim bölgelerindeki küçük yapı adalarında gerçekleştirilecek yapılar için uygundur. 7 8 Yapısal çeliğin bu olumlu özelliklerine rağmen çelik iskelet sistem doğru tasarlanmadığında, depremin tekrarlı yükleri altında hasar görür ve yıkılır. Çelik yapı, korozyon ve yangına karşı zayıftır. Çelik yapı elemanları çeşitli yöntemlerle korunmalıdır. Meksiko City, 1985 Yıkılan çelik çok katlı yapı Birçok hasar, özellikle kütle merkezi ile rijitlik merkezinin planda aynı noktada kesişmemesinden yada sistemin burulma dayanımının düşük olduğu durumlarda ortaya çıkan yatay burulmadan ve diğer düzensizliklerin yapımından kaynaklanır. 9 10 Bunların dışında birbirine uyumsuz iki malzemenin birleşmesi de korozyona yol açar. Nikel, bakır, dökme demir, kurşun, sarı, paslanmaz çelik gibi metallerin ve doğal ahşabın çelikle doğrudan teması korozyonu hızlandırır. Kötü tasarım İyi tasarım Hava ile temas ettiğinde düşük karbonlu yapı çelikleri okside olup paslanır. Korozyon miktarı ve yayılma hızı elemanın ıslak kalma süresine ve ısı farklılıklarına bağlıdır. Tasarım hataları korozyonu hızlandırır. 11 hadde pullanması Kuru ve ısıtılan binanın iç ortamında bulunan çelik yapı elemanlarının korozyona karşı korunma gereksinimi daha azdır. 12 2
. Korozyona karşı, içinde %3 oranında krom, bakır, nikel ve fosfor gibi alaşımlar bulunan, kaynaklanabilir ve atmosfer şartlarına çok dayanıklı çelik olan weather resistant Korten-çelikleri kullanılabilir. Bir taşıyıcı elemanın yangına dayanım derecesi yapının kullanım amacına, yapı yüksekliğine, elemanın bulunduğu bölümün büyüklüğüne, elemanın konumuna ve en-kesit ısınma oranına bağlıdır. 13 14 ~200oC Yapı çeliği de mukavemet kaybetmeye başlar ve ~600oC de kopar. Bush Lane House cephe kafesleri, su dolu Yangında, açıkta bulunan çelik yapı elemanları ayrıca bir koruma gerektirmez. Konservatuvar derslikleri, Montreuil 4,2m çaplı, çift tabaka çelik kabuk arası su dolu NorCon House, Hanover kolonları su dolu Çelik yapıların yangından korunması, taşıyıcı elemanlar içinde su dolanımı ile sağlanabilir. 15 16 Birleşimler Çelik yapılar, çeşitli çubuk ve yassı hadde ürünlerinin tasarım boyutlarında kesilip şekillendirilmesiyle oluşturulur. Çelik yapıda birleştirme: sınırlı boyda üretilen profil boylarını uzatma (ek) birleşik bir kesit yapabilme (çok parçalı kesit, kafes) mesnet oluşturma (kiriş-kolon birleşimi, ankraj, askı vb.) nedenlerle yapılır. 17 Çelik yapıda birleştirme: Sökülebilen: bulonlu, Sökülemeyen: perçinli ve kaynaklı olmak üzere yapılır. 18 3
. Bulonlar, kaba ve yuvasına uygun olmak üzere iki şekilde üretilir: Kaba bulonlar Fe38.13 ile yapılan, bulon gövde çapı çelik çapından ~0,5-1mm küçük, gövdelerinin sadece somun sıkacak kısmı diş açılmış normal mukavemetli bulonlardır. Bulonlu Birleşimler Yuvasına uygun bulonlar Fe38 yada Fe52 ile yapılan, tüm gövdesi spiral diş açıldığı için deliği iyice dolduran yüksek mukavemetli bulonlardır. Bulonlu birleştirme, altıgen başlıklı ve ucu spiral yivli açılmış silindirik gövdeli bulonun birleşecek elemanlarda açılan deliklerden geçirilerek pul üzerine takılan somunun bir anahtarla sıkıştırılmasıyla yapılır. Bulonlu Birleşimler Bulonlu birleşimlerde: bulon somunlarının rahat ve güvenilir bir şekilde sıkılabilmesi, birleşen elemanlar arasına su sızıp pas yapmaması ve basınç etkisiyle levhalarda buruşma olmaması için bulon aralıkları, bulon deliklerine bağlı olarak, sınırlandırılır. Bulonlar arası mesafe: e Basınç çubuklarında (3.5d 1 ) e (8d 1 veya 15t min ) Çekme çubuklarında (3.5d 1 ) e (12d 1 veya 25t min ) Kuvvet doğrultusundaki kenar mesafe: e II ( 2d 1 ) e II (3d 1 veya 6t min ) Kuvvete dik doğrultudaki kenar mesafe: e (1.5d 1 ) e (3d 1 veya 6t min ) Bir birleşim, kuvvet doğrultusunda yerleştirilmiş en az iki bulonla gerçekleştirilir. Bulon yerleşiminde, kuvvet doğrultusunda, arka arkaya 5 adetten fazla bulon konulmaz. T T 19 20 Bulonlu Birleşimler Bulonlu Birleşimler Bulon işaretleri Bulonlar M harfi yanına gövde çap değeri yazılarak gösterilir (M10, M30, ). Birleşimdeki bulonların tümü aynı çapta, iki başı da aynı ise kolaylık için projede (+) ile gösterilip uygun bir yere çap değeri M.. olarak yazılabilir. 21 Bulonlu birleşimler daha çok elemanların şantiyede birleştirmelerinde kullanılır. 22 Perçinli Birleşimler Perçin, birleştirilecek parçaların üst üste gelecek şekilde açılmış deliklerine, kızıl dereceye kadar ısıtıldıktan sonra sokulup vurularak yerleştirilir. Kaynaklı Birleşimler Kaynaklı birleşim aynı yada benzer alaşımlı madenlerin ısı ile birleştirilmesidir. Ham perçin, düşük kalitede çelikten yapılır. Fe37 normal yapı çeliği ile Fe34 kalite, Fe52 yüksek mukavemetli çelikle Fe44 kalite ham perçin kullanılır. Kaynak tekniğinin gelişmesi ile artık perçin kullanılmamaktadır. Bugün genellikle eski, demir yapıların onarımında, sabit mesnetli birleşimlerde kullanılır. 23 Birleştirmede, birleşecek çelik parçaların kaynaklanacak kısımları uç uca yada üst üste konduktan sonra erime derecesine kadar ısıtılır; ek metal olarak kullanılan kaynak teli yada elektrod da ısı ile eritilerek birleşecek yüzey boyunca yürütülür. Metallerin soğuması sonunda birleşim gerçekleşmiş olur. Kaynak dikişleri küt ve köşe kaynağı olmak üzere iki türlü yapılır. 24 4
. Kaynaklı Birleşimler Birleşimler TS3357/ Nisan 1979 Tümüyle bulonlu birleşim çok yer kapladığı ve pahalı olduğu için tümüyle kaynaklı yada kaynak ve bulonun birlikte kullanıldığı birleşimler daha yaygın olarak kullanılır. 1. ve 2. derece deprem bölgelerinde eğilme aktaran birleşim ve eklerde kaba bulon kullanılmamalıdır. Ancak öngermeli olarak kullanılan yüksek dayanımlı bulonlar ve ankraj bulonları bu kısıtlamanın dışında tutulur. 1.ve 2. derece deprem bölgelerinde, şantiyedeki kaynaklı birleşim ve ekler, sertifikalı kaynakçı tarafından yapılmalıdır. 25 26 Deprem hasarları Deprem hasarları yapı elemanında bölgesel başlık ve gövde burkulması, çaprazlamalı çerçevelerin yukarı kaldırması, bağlanmayan çerçevelerdeki büyük şekil değiştirmeler, diğer yapı elemanları ile çelik elemanların birleşim yerlerinin kopması kesme yada çekme kuvvetleri etkisiyle bulonlarda ve kaynaklarda özellikle küt kaynakta gevrek kırılma, yapı burulması sonucu eleman burkulması, birleşim elemanlarındaki bölgesel kırılma, bulon kopması, 27 28 Çelik çerçeve kolonları tek yada çok parçalı olarak kolonun çerçeve kirişleri ve bağ kirişleri ile birleşimleri dikkate alınarak düzenlenir. Çok katlı çelik yapı kolonları genellikle eksenel basınca çalıştırıldığı için her iki eksen etrafında aynı narinlikli (λ x =λ y ) en-kesitler tercih edilir. Tek parçalı kolonlar: hadde mamulü profiller, levhalı yapma en-kesitler yada profil ve levhalarla oluşturulmuş bileşik en-kesitlerle düzenlenir. Tek parçalı kolonlar, en az iki katta aynı kesitin kullanılacağı dikkate alınarak düzenlenir. Her katta kesitin değiştirilmesi birleşim noktaları sayısını artıracağından ekonomik olmaz. 29 Tek parçalı hadde mamulü kolonlarda genellikle geniş başlıklı I profil kullanılır. Başlıklar arası tesisat geçirilmesi için uygundur. 30 5
. Daire kesitli tübüler kolonların üretim maliyeti yüksektir ve birleşim yüzeyinin eğrisel olması diğer yapı elemanlarıyla birleşim detaylarında sorun yaratır. a etkiyen yükler fazla olduğunda kolon kesiti, levhaların yada profillerin birleştirilmesi ile yapma enkesitli düzenlenebilir. Boru profille aynı boyuttaki bir kutu profil enkesiti daha fazladır ve düzgün yüzeyli olduğu için diğer yapı elemanları ile birleşimi daha kolaydır. Dış etkilere karşı daha az ve düzgün boyama yüzeyi olan kutu profil içlerinin boyanmasına gerek yoktur. 31 32 Kolona etkiyen basınç kuvveti arttıkça ayrık düzenlenen kolonda hadde mamulü profillerin enine düzenlenen levhalarla bağlanmasıyla (bağ levhaları) çerçeveli kolonlar oluşturulur. Köşe ve ara kolonları Levhaların kesilip sürekli kaynaklanması ile oluşturulan kesitlerde yapı yüksekliği boyunca levha kalınlıkları artırılarak kolon dış ölçüleri aynı boyutta tutulabilir. Alcoa Building, S.Francisco 31,15x62,3m h=416m 33 34 Kolona etkiyen basınç kuvveti arttıkça ayrık düzenlenen kolonda hadde mamulü profillerin çaprazlamalarla yada enine çubuklar ve çaprazlamalarla bağlanmasıyla kafes örgülü kolonlar oluşturulur. Çerçeveli 35 36 6
. Kolon Ekleri Profil üretim boyunun sınırlı oluşu nedeniyle çok katlı çelik yapı kolonları eklenir. Ayrıca üst katlarda yüklerin azalması nedeniyle enkesit farklılığı yapılacak yerlerde de ek düzenlenir. Kolon ekleri birleşecek iki kolonun gövde ve başlıklarından küt kaynakla birleştirilmesi gövde ve başlıklarda ek levhaları düzenlenmesi taban ve/veya üstünde alın levhaları kullanılması ile üç şekilde yapılır. Kolonun taşıdığı yükler çok fazla ise kolona kablolarla ard germe verilebilir. 37 38 Kolon Ekleri Kolon Ekleri Levhalarla yapılan eklerde: ek levhalar alanı birleştirilen kolon alanından fazla olmalı, kolon en-kesit ağırlık merkezi ile levhaların ağırlık merkezi aynı noktada kesişmelidir. Kolon ekleri genellikle -burkulma gerilmelerinin az olduğu bölgede, *döşeme kirişlerinin 30~50 cm yukarısında, *ek levhalarının kirişe değmeyeceği ve rahat çalışılabilecek yükseklikte yapılır. 39 40 Kolon Temel Birleşimleri Çelik yapıda temeller beton yada betonarme yapılır. Kolondan gelen yükler altında temel betonunun eğilmemesi için kolon tabanında düzenlenen levhalarla temas yüzeyi artırılır. Kolon Temel Birleşimi Kolon ayaklarının temel ile birleşimi mafsallı ve ankastre olmak üzere düzenlenir. Mafsallı Yüzeysel Mafsal Çizgisel Mafsal Noktasal Mafsal Mafsallı kolon ayakları dönme ekseni dikkate alınarak, yüzeysel, çizgisel yada noktasal mafsallı olarak düşey yükün temele aktarılmasında kullanılır. Kolon tabanında kolon yüklerini temel üst yüzeyine yayarak aktaran bu düzenlere KOLON AYAKLARI denir. Kolon-temel birleşimi en basit olarak atölyeden kolona kaynaklanmış olarak getirilen taban levhasının, yüzeyi düzeltilerek ankraj bulonları ile hazırlanmış temel üzerine oturtulup bulonların sıkıştırılması ile gerçekleştirilir. Ankastre Ankastre birleşimler, yüzeysel tespit edilmiş kolon ve taban levhasının 4 ankraj bulonu ile temele kare bağlanmasıyla yapılır. 41 42 7
. Yüzeysel Mafsal Kolon Temel Birleşimleri Mafsallı Yüzeysel mafsallı olarak taban levhası ile temelin birleştirilmesi, kolonun dönme ekseni etrafında düzenlenen iki ankraj bulonu ile yapılır. Kolon Temel Birleşimi Çizgisel Mafsal Büyük düşey kuvvetlerin etkidiği vemafsallı yapılması gereken kolon ayaklarında mesnetlenme kolonun bir eksen etrafında dönmesine izin verilecek şekilde çizgisel yapılır. Burada kolon reaksiyonu taban levhasına temas yüzeyi olan bir çizgi boyunca aktarılır. Bu durumda taban levhasının temele birleşimi kolonun her iki ekseni etrafında simetrik düzenlenmiş 4 ankraj bulonu ile ankastre olarak yapılır. Yüzeysel Mafsallı Kolon Ayağı Çizgisel Mafsallı Kolon Ayağı Noktasal mafsallı mesnetler kolonun her iki eksen etrafında da dönmesi gerektiği durumda yapılır. Noktasal Mafsallı Kolon Ayağı Noktasal Mafsal 43 44 Kolon Temel Birleşimi Ankastre Kolon Ayağı Kolon ayaklarında: kolon başlıkları çok ince ise yada kolon yükü geniş bir alana dağıtılacaksa temel üzerine oturan taban levhası ile kolon birleşiminde ek kanat levhaları kullanılır. 45 8