Prof.Dr.Hilmi Deren Çelik Yapılar Kitabından özetlenmiştir.
1. Çelik yapıların tarihçesi
Demir malzemenin mühendislik yapılarında kullanılması iki yüzyıl öncesine dayanır. Buna karşın, belgelenebilen ahşap ve kagir yol köprülerinin tarihçesi 2500 yıl evveline kadar gider. Demir ve çelik insanlık tarihinde çok eski devirlerden beri bilinmekle beraber, geniş ölçüde üretilemediğinden, iki yüzyıl öncesine kadar sadece silah ve eşya yapımında kullanılabilmiştir. 18. yüzyılda İngiltere'de, yüksek fırın yöntemiyle geniş ölçüde ham demir ve font (pik) üretiminin başlamasından sonra, demirin yapı malzemesi olarak kullanılabilmesi olanağı ortaya çıkmıştır. Demir malzeme kullanılarak inşa edilen ilk mühendislik yapıları köprülerdir. Kullanılan ilk malzeme fonttur. Font kullanılarak inşa edilen ilk köprü 1778 de İngiltere’de Coalbrookdale Kasabası civarında, Severn Nehri üzerindeki yol köprüsüdür. 31 m açıklığında olan bu köprü bugün hala kullanılmaktadır. Bundan sonra Avrupa Kıtasının en eski font köprüsü olarak Almanya’da Schlesien bölgesinde, Striegauer Akarsuyu üzerinde 1796 da inşa edilen yol köprüsü gelir. Kagir gibi, fontun da basınç mukavemetinin yüksek olmasına karşın, çekme mukavemeti az olduğundan, bu ilk köprüler ile bunlardan sonra, font kullanılarak inşa edilen diğer köprüler kemer tarzında yapılmıştır. Font kemer köprülerin dönemi yaklaşık olarak 1875 yılında kapanmıştır. Bunun da sebebi, çekme mukavemeti büyük olan dövme çeliğin, daha sonra da dökme çeliğin yapı malzemesi piyasasına çıkmış olmasıdır. Normal kaliteli yapı çeliklerinin yanında, metalürji alanında yapılmış olan çalışmalar sonucu, çok yüksek mukavemetli çeliklerin üretimi de mümkün olmuştur. Örneğin, bugün asma köprü kablolarında kopma mukavemeti 200 kg/mm² ye varan çelikler kullanılmakta ve açıklıkları 1.500 m.yi aşan asma köprüler inşa edilebilmektedir.
2. Malzeme ve Yük Karakteristikleri:
2.1. Çeliğin Fiziksel Özellikleri: 2.1.1. Birleşim:
Mekanik olarak işlenebilen (dövülerek, preslenerek, haddeden geçirilerek şekil alabilen) demir alaşımlarına çelik denir. Çelik bünyesinde demir (Fe)'den başka %0,16 - 0,20 kadar karbon (C) bulunur. Karbon miktarı arttıkça çelik sertleşir ve mukavemeti artar. Çelik alaşımında bundan başka fosfor (P), kükürt (S), azot (N), silisyum (Si), manganez (Mn), bakır (Cu) gibi elemanlar bulunur. Bunların çeliğin bünyesinde belirli oranların üstünde bulunmaması gerekir. Çelik alaşımına krom (Cr), nikel (Ni), vanadiyum (V), molibden (Mo) gibi maddeler ilave edilerek yüksek kaliteli çelikler elde edilir. Demir cevherlerinin yüksek fırınlarda kok kömürü yakılarak ergitilmesiyle ham demir elde edilir. Ham demirde %5'e kadar karbon bulunur. Özel fırınlarda ham demire hurda demir ve diğer katkı maddeleri karıştırılarak font (pik) elde edilir. Fontta da %4'e kadar karbon bulunduğundan işlenebilme özelliği yoktur, döküm malzemesi olarak kullanılır, çekme mukavemeti çok azdır.
2.1.2. Hadde Ürünleri:
Çelik fabrikalarında üretilen hadde ürünleri şunlardır: 1.a) I profilleri Bu profillerin pek çok çeşidi vardır. Örnek olarak I (normal profil), IPE, IPEo, IPEv, IPB, IPBI,
1
IPBv profilleri sayılabilir. 1.b) [ profilleri 1.c) L profilleri (Köşebentler) Eşit kollu köşebentler Farklı kollu köşebentler 1.d) T profilleri (yüksek gövdeli T, Geniş başlıklı TB) 1.e) profilleri 1.f) Boru profiller (Daire ve dikdörtgen enkesiti) 1.g) Ray profilleri 1.h) Özel profiller (özel amaçlarla kullanılan bu profillerin enkesit çeşidi çoktur). Profiller çeşitlerini belirten işaretlerinin yanına, profil numarasını gösteren sayılar yazılarak gösterilir. Örneğin : I240, IPE270, IPB300, [280 - (NPU280), T70 Korniyerler de L işaretinin yanına kol genişlikleri ve kol kalınlığı mm cinsinden yazılmak suretiyle gösterilir: L 90.90.13 L 75.55.7 2. Lamalar (Dikdörtgen enkesitli çubuklar) 2.a) Dar Lamalar Genişlikleri b = 10 ~ 150 mm, kalınlıkları t = 5 ~ 60 mm 2.b) Geniş Lamalar Genişlikleri b = 151 ~ 1250 mm, kalınlıkları t = 5 ~ 60 mm 2.c) İnce Lamalar (Bant çelikleri) Genişlikleri b = 12 ~ 630 mm, kalınlıkları t = 0.1 ~ 5 mm Lamalar işaretinin yanına genişlik ve kalınlığı yazılarak gösterilir: 250.6 3. Levhalar Düz levhalar kalınlıklarına göre şöyle sınıflandırılır: 3.a) İnce levhalar
Kalınlıkları t £ 2,75 mm, boyutları b x l = 530 x 760 ... 1250 x 2500 mm olur. Çatı örtüsü, duvar
kaplaması ve besleme levhası olarak kullanılır. 3.b) Orta levhalar
Kalınlıkları 3 £ t £ 4,75 mm, genişlikleri b £ 2500 mm, 1 boyları 7000 mm veya daha fazla
olabilir. Hafif çelik yapılarda kullanılır. Normal çelik yapılarda ise besleme levhası veya yapma kesit levhası olarak kullanılır. 3.c) Kaba levhalar
Kalınlıkları t ³ 5 mm, genişlikleri b £ 3600, boyları l £ 8000 mm veya daha fazla olur. Kirişlerde
gövde levhası, düğüm levhası ve mesnet levhası olarak kullanılır. Proje resimlerinde ya bütün
2
boyutları veya sadece kalınlıkları gösterilir. Örneğin: Lev. 10.1500.6500 veya Lev. 10 Preslenmek suretiyle bir yüzleri, çeşitli desenlerde olmak üzere, pürüzlendirilmiş levhalar endüstri yapılarında döşeme levhası olarak kullanılır. Galvanize oluklu levhalar (saçlar) da çatı örtüsü olarak kullanılır. Yukarda sıralanmış olan şekillendirilmiş çelik ürünleri çelik yapıların esas malzemesini teşkil eder. Bunun dışında, köprü mesnetleri gibi bazı karışık şekilli yapı kısımları, çelik atölyelerinde döküm yoluyla üretilir. Kullanılan döküm malzemeleri başlıca şunlardır: Çelik font (Mesnet parçaları v.b.) Su çeliği (Mesnet ruloları, mafsal parçaları) Gri font (Mesnet parçaları v.b.)
2.1.3. Korozyon:
Çeliğin aşınması elektro-kimyasal bir işlemdir. Mekanizma, Anot ve Katottan oluşan basit bir bataryada olan reaksiyon ile aynı karakterdedir. Ortamdaki nem elektrolit gibi davrandığından çeliğin zamanla korozyonu (atmosferik aşınması) ortaya çıkar. Saf su da iletkenliği tuz veya asit kirlenmesi tarafından arttırıldığında, korozyon reaksiyonunu hızlandırır. Aşınma oranları temiz kırsal çevrelerde göreceli olarak düşüktür, ama Denize yakın çevrelerde veya asidik sülfür dioksiti ile kirletilen endüstriyel atmosferlerde çok daha yüksektir. Çeliğin korozyona karşı korunmasında genelde uygulanan koruma metotları: boyama, metal kaplama (galvaniz benzeri) ve beton örtüsü gibi çeliğin dış çevre ile oluşturacağı kimyasal reaksiyon ortamını önlemeye yöneliktir. Korozyon olayının genel özellikleri:
· Korozyon ancak oksijen ve su ikilisinin birlikte, aynı anda metal yüzeyinde bulunması
durumunda ortaya çıkar,
· Çelikteki potansiyel korozyon oranı atmosferik kirliliğin derecesine bağlıdır,
· Gerçekleşen esas korozyon oranı ise çelik yüzeyindeki rutubete bağlıdır.
· Yerel korozif durumlar genellikle diğer bir metal ile bağlantı noktalarında ortaya çıkar.
· Yapı içerisindeki hacimlerde korozyon tehdidi nispeten daha azdır,
· Yüzey kaplama metodu ile korozyondan koruma metotlarında en önemli husus “yüzey
hazırlama” aşamasıdır.
2.1.4. Yangın Mukavemeti:
Çelik yapıların yangına karşı davranışı diğer yapı türlerine nazaran oldukça zayıftır. Bu yüzden yangın emniyetinin özellikle taşıyıcı sistem açısından sağlanması çelik yapılarda büyük bir öneme sahiptir. Çeşitli ülke yönetmeliklerinde bu husus ayrıca standarda bağlanmış ve ayrıntılı yönetmelikler düzenlenmiştir. Sıcaklığın çeliğin akma sınırı ve elastiklik modülü gibi mukavemetine birinci derecede etkili
mekanik özelliklerine etkisi yaklaşık 100° C sıcaklıktan sonra ortaya çıkar.
Çeliğin yangından korunması amacıyla yapılan yalıtımlar “çevreyi sarma”, “kutuya alma” ve “kütlesel kavrama” olarak yapılır. Bu korumalar aynı zamanda “kuru tip”, “nemli tip” yada “sıcaklıkta şişen tip” olarak düzenlenerek hesapta kullanılacak katsayı ve yalıtım değerleri belirlenir. Yeni uygulanan yöntemlerden biride kutu ve boru kesitli yapılarda kullanılan su ile soğutma yöntemidir.
3
2.2. Çeliğin Mekanik Özellikleri:
2.1.5. Gerilme Durumu:
Kristal bir bünyeye sahip olan çelik izotrop (mekanik ve fiziksel özellikleri her doğrultuda aynı) ve homojen bir malzeme karakteri gösterir. Bir çelik çubuk, üniversal deney makinesinde çekme deneyine tabi tutulursa, Şekil 1.1 de görüldüğü gibi, bir gerilme - şekil değiştirme diyagramı elde edilir. Çubuğa uygulanan S kuvveti, sıfırdan itibaren yavaş yavaş arttırılırsa
Şekil 3: Gerilme-Şekil Değiştirme Eğrisi
s = S / Fo gerilmesi, sp orantılı sınır gerilmesine varıncaya kadar malzeme lineer - elastik bir
karakter gösterir, yani Hooke Kanunu geçerlidir: e = s / E
s gerilmesi, sp ‘yi aştıktan sonra, sE elastik sınır gerilmesine varıncaya kadar malzeme gene
elastik kalır, fakat Hooke kanununa uymaz; sE ‘yi aştıktan sonra da elastik olma özelliği bozulur. s
gerilmesi sF akma sınırı gerilmesine vardığı zaman malzemede akma ve büyük bir plastik şekil
değiştirme meydana gelir. Bundan sonra malzeme kendini toparlar ve gerilme sB kopma sınırı
gerilmesine varınca. kapma olayı meydana gelir. Kristalli bir malzeme olan çelikte, kırılma olmaksızın büyük plastik şekil değiştirmeler meydana gelebildiğinden, çeliğe haddeleme, presleme gibi mekanik yöntemlerle şekil verilmesi mümkün olur. Ancak bu gibi soğuk işlemler malzemenin pekleşmesine ve gevrekleşmesine yol açar. Malzemeye başlangıçtaki yumuşaklığının ve sünekliğinin geri verilmesi istendiğinden, malzeme uygun sıcaklığa
ısıtılıp, yavaş yavaş soğutulur. Bu işleme de (tavlama) denir.
Metalin plastik şekil değiştirmesi kristalleşme sıcaklığının üstünde yapılırsa, mekanik özelliklerde herhangi bir değişme olmaz. Bu çeşit şekil vermeye (sıcak şekil değiştirme) denir. Metallerin
4
F
s = S / Fo
s B
s C
s F
s E
s P
Kopma B C E P
C' e = D l / l o
e pl e el
Plastik Bölge Elastik Bölge Kopma Uzaması
şekillendirilmesinde genellikle bu yöntem uygulanmaktadır (Sıcak haddeleme).
2.1.6. Sıkışma Özellikleri:
Sıkışma durumunda mekanik özelliklerin belirlenmesi gerilme durumuna göre daha zordur. Bunun sebebi deney numunesinin burkulma meydana gelmeyecek kadar kısa olması gerekliliğidir. Ayrıca numunenin davranışına uç gerilmeleri de etki eder. Bu etkileri minimize etmenin çeşitli yolları olmakla birlikte kesin bir çözüm yoktur. Sıkışma özellikleri, çekme deneyindeki benzer metotlar ile belirlenir. Nominal basınç ve çekme gerilmelerine ait Gerilme-Şekil değiştirme eğrileri ile Gerçek gerilmeŞekil değiştirme eğrisi Şekil 4’de gösterilmiştir.
Şekil 4 2.1.7. Yorulma Dayanımı ve Dinamik Yükler:
Çelik taşıyıcı sistemler kullanış amaçlarına göre farklı şekillerde (sabit ve değişken) yüklenir. Yük belirli iki sınır arasında periyodik olarak çok sayıda değiştiği takdirde malzemenin emniyet sınırları içerisinde tahrip olması söz konusudur. Bu olaya malzemenin yorulması denir. Malzemede meydana
gelen en büyük ve en küçük gerilmeler smax ve smin (tmax , tmin)olmak üzere:
X =smax / smin ve X =tmax / tmin
Değerine bağlı olarak belirlenen emniyet gerilmeleri bu tür yüklere maruz elemanların boyutlandırılmasında kullanılır.
Yorulma dayanımına ve ömrüne etki eden başlıca faktörler:
· Gerilme değişiminin düzenliliği veya düzensizliği
· Kesitteki gerilme dağılımı
· Etki yüzeyinin pürüzlülüğü
5
· Artık gerilmeler
· Korozif çevrenin varlığı
Köprülerde yük katarları, taşıtlar; krenlerde hareketli kısımlar birtakım titreşimler meydana getirir. Bu titreşimler sonucu oluşan atalet kuvvetlerinden dolayı kesit etkilerinde, statik yükleme durumuna göre, artışların meydana gelmesi söz konusudur.
2.1.8. Artık Gerilmeler:
Çelik elemanlarda yükleme öncesi eleman enkesitinde bulunan gerilmelere artık gerilme denir.
Artık gerilme hali şu durumlara bağlı olarak ortaya çıkar :
· Sıcakta şekil verilmiş elemanların hatalı ve düzensiz şekilde soğutulması,
· Soğukta şekil verme işlemi sırasında elemanın bazı kısımlarında oluşan gerilme
yığılmaları,
· Birleşik enkesit oluştururken yapılan kaynak işlemi
Artık gerilmeler nedeniyle eleman enkesitinin bazı kısımlarında çekme gerilmeleri, bazı
kısımlarında da basınç gerilmeleri meydana gelir. Özellikle kaynaklı yapı elemanlarında yorulma
etkisi altında görülen kırılmaların çoğunlukla kaynak bölgesinin yanında ortaya çıkmasının
nedenlerinden biride bu kısımlarda bulunan ilave gerilmelerin etkisidir.
Yapı Çeliği olarak en sık kullanılan çelik cinsi FE37 (St.37) dir. Buradaki 37 sayısı kg/mm² cinsinden kopma mukavemetini gösterir. Ülkemizde yüksek mukavemetli yapı çeliği olarak ise genellikle St.52 kullanılmaktadır. Yapı çeliklerinin mekanik özellikleri tablo 1‘de verildiği gibidir. (TS 648 / Aralık 1980) Çeliğin Sembolü Çekme Dayan.
sd
kgf/cm² (N/mm²) Akma Sınırı
sF (sa)
kgf/cm² (N/mm²) Elastisite Modülü E kgf/cm² (N/mm²) Kayma Modülü G kgf/cm² (N/mm²) Isı Genleşme Katsayısı
a1
Fe 34 3400 - 4200 (333 - 412) 2100 (206)
Fe 37 3700 - 4500 (363 - 491) 2400 (235)
Fe 42 4200 - 5000 (412 - 490) 2600 (255)
Fe 52 5200 - 6200 (510 - 608) 3600 (353)
2 100 000 (206 182) 810 000 (79 434) 0,000012
6
2.3. Yükleme Durumları ve Tahkikler: 2.3.1 Yükler:
Çelik yapıların hesabında yükler iki ayrı gurupta değerlendirilir. I. Esas Yükler: Öz ağırlık yükleri, tekrarlı ve hareketli yükler, kar yükü, makinelerin atalet kuvvetleri II. İlave Yükler: Rüzgar yükü, deprem yükü, yatay yanal kuvvetler, fren kuvvetleri, montaj yükleri, ısı kuvvetlerini kapsar. Hesaba ve dayanım tahkiklerine esas iki türlü yükleme durumu söz konusudur: I. EY yüklemesi: Esas yüklerin toplamı II. EIY yüklemesi: Esas ve ilave yüklerin toplamı Bu iki yükleme haline ait emniyet katsayıları ve gerilme değerleri farklıdır.
Çelik Cinsi sçem
EY EIY St.37 1400 1600 St.52 2100 2400
Çekme ve Eğilme çekme emniyet gerilmeleri (kg/cm²)
Çelik Cinsi tem
EY EIY St.37 830 950 St.52 1240 1430
Kayma Emniyet Gerilmeleri (kg/cm²)
Müsaade edilen en büyük çekme gerilmesi (EY) yüklemesi için ( 0,6*sF ) değerini aşamaz. EIY
yüklemesine ait emniyet gerilmeleri ise EY yüklemesinin 1,15 katı olarak belirlenir. Kayma emniyet
gerilmeleri de tem = sçem / Ö3 formülü ile elde edilir.
Hesaba esas çeşitli yük kombinezonları: I. Öz Ağırlık + Kar II. Öz Ağırlık + Kar + Rüzgar / 2 III. Öz Ağırlık + Kar / 2 + Rüzgar IV. Öz Ağırlık + Kar + Deprem (Deprem etkisinde EY haline ait emniyet gerilmeleri %33 arttırılır. V. Öz Ağırlık + Deprem VI. Öz Ağırlık + Kren Yükleri + Kar
7
Yüklemelerden en elverişsiz kesit zorlarını veren durum hesaba esas alınır.
2.3.2 Gerekli Tahkikler:
Çelik yapıların projelendirilmesinde yapılması gerekli olan tahkikler şunlardır: I. Gerilme tahkikleri: Çeşitli yükleme durumları için emniyet gerilmeleri değerleri ile yapılan tahkiklerdir. II. Stabilite tahkikleri: Burkulma,yanal burkulma, buruşma tahkiklerini kapsar.
III. Devrilme tahkikleri: Her bir yapı kısmının devrilme emniyet katsayısı 2’den az
olamaz. Yapının tümünde ise bu katsayı 1,5‘tir
IV. Deformasyon tahkikleri: Yapı elemanlarında, kullanım amacı ve konstrüktif açıdan
gerekli hallerde deformasyon tahkikleri yapılır. Açıklığı 5 metreyi geçen kirişlerde
sehim açıklığın 1/300’ünden ve konsollarda konsol uzunluğunun 1/250’sinden fazla
olamaz. V. Yorulma dayanımı tahkiki VI. Yangın emniyeti tahkiki
2.3.3 Boyutlandırmaya Esas Olan Kesitler:
2.3.4 HESAP METOTLARI:
ÇELİK YAPIDA GENEL OLARAK İKİ TÜRLÜ HESAP ESASI UYGULANMAKTADIR. BUNLARDAN BİRİNCİSİ EMNİYET
GERİLMELERİNE GÖRE KESİT HESABINI VE BÜTÜN KESİTLERDE ELASTİK SINIRIN AŞILMAMASI İLKESİNE GÖRE DİZAYNI
ESAS ALAN “EMNİYET GERİLMELERİ” YÖNTEMİ, DİĞERİ İSE GÖÇME YÜKÜNÜ VE BU PLASTİKLEŞME DEĞERLERİNİ
ESAS ALAN “PLASTİK ANALİZ” YÖNTEMİDİR.
Zorlama Çeşidi Gerilme Hesaba esas enkesit Normal Kuvvet Basınç F
Çekme Fn = F - DF
Kesme Kuvveti Kayma Fgövde
Eğilme Momenti Çekme ve Basınç Wn = In / e = (I-DI) / e
8
| 
Hiç yorum yok:
Yorum Gönder