Çukurova Üniversitesi Mühendislik-Mimarlık Fakültesi İnşaat Mühendisliği Bölümü ÇELİK YAPILAR. Prof. Dr. Beytullah TEMEL

Çukurova Üniversitesi

Mühendislik-Mimarlık Fakültesi İnşaat Mühendisliği Bölümü

ÇELİK YAPILAR

Prof. Dr. Beytullah TEMEL

İŞLENECEK KONULAR 1.GİRİŞ

2. MALZEME OLARAK ÇELİK VE ÇELİK YAPILARIN HESABINA İLİŞKİN GENEL BİLGİLER 3. BİRLEŞİMLER VE BİRLEŞİM ARAÇLARI

4. ÇEKME ÇUBUKLARI 5. BASINÇ ÇUBUKLARI 6. EĞİLME ÇUBUKLARI

 Dersi ilk defa alanlar için %70 devam mecburiyeti var. Tek ara sınav yapılacaktır.

FAYDALANILACAK KAYNAKLAR

1. Çelik Yapılar I Ders Notları, Tevfik Seno ARDA 2. Ahşap ve Çelik Yapı Elemanları, Yalman ODABAŞI

3. Çelik Yapılar, Hilmi DEREN, Erdoğan UZGİDER, Filiz PİROĞLU, Özden ÇAĞLAYAN

4. Çelik Yapılar, A. Zafer ÖZTÜRK

5. Çelik Yapılar Cilt I, Mustafa KARADUMAN 6. Çelik Yapılar, Turgut Nedim ULUĞ

7. Çelik Yapılar Ders Notları, Yavuz Selim TAMA Bu Kaynaklar Dışında;

-TS 3357 ve TS 648 -DIN 4100

-Profil Tabloları

her zaman kullanılabilecek kaynaklardır.

Not: Bu sunumlar hazırlanırken Prof. Dr. Tevfik Seno ARDA'nın Çelik Yapılar I Ders Notları ve ek sunumlar hazırlanırken de Doç. Dr. Yavuz Selim TAMA’nın ders notları esas alınmış olup, gerek şekiller ve tablolar gerekse bazı problemlerin çözümleri için diğer kaynaklardan da yararlanılmıştır.

Beytullah TEMEL

1. GİRİŞ: Ülkemizle tarihsel ilişkisi

 Demir : düşük oranda C, yumuşak, ergime:1500 ̊ C

 Font : ≥ % 0,18 C, sert, kırılgan, çekme zoru taşıyamayan, ergime:

1200 ̊ C

 Çelik: demirle font arası, % 0,16 ̴0,18 C, ikisinin özelliklerini bağdaştıran malzemelerdir. dövme çelik, dökme çelik

1.1 TARİHÇE

Fontun inşaatlarda kullanılması

1713 İngiltere: Abraham Darby (Coalbrookdale kasabası) deneyler yüksek fırınların gelişmesi → çok sıvı font

1779 İngiltere'de Severn nehri üzerinde ilk font köprü: 31 m açıklıklı XIX. yy başlarında binalarda kolon ve kemer olarak kullanılmıştır.

Mühendislik yapılarında yaklaşık 200 yıldan beri kullanılmaktadır.

Çeliğin inşaatlarda kullanılması

Dövme Çelik:1784, Cort →puddler fırını

1846 İngiltere, Britannia Köprüsü: sandık kesit orta açıklık 140 m 1857 Batı Prusya,Weichsel über Dirschau: sık örgülü kafes, 131 m Dökme Çelik:1855 Bassemer,1864 Siemens-Martin, 1878 Thomas 1891 ilk çelik dökme köprü..

Binalarda kullanılma paralel yürümüştür.

İlk çelik dökme köprü: Clifton köprüsü (bitişi-1864) Brunel Birleşim araçlarında gelişme:

Perçin, bulon, kaynak (XX. yy başı), ön gerilmeli bulon Hesap yöntemlerinde gelişme:

Ampirik hesap →elastik hesap→plastik hesap Hafif çelik yapılara yönelme:

Boru ve kutu kesitler, bükme saç elemanlar asma ve uzay kafes sistemlerin gelişmesi

1779 yılında İngiltere’de Coalbrookdale kasabası yakınlarında ve Severn nehri üzerine inşa edilen ilk font kemer köprü (orta açıklık:31 m)

140 m açıklıklı Britannia Köprüsü (1846 İngiltere)

First of Forth Demiryolu Köprüsü (1890 İskoçya)

Adana demir köprüsü :1912 yılında Almanlar tarafından inşa edilmiş, Uzunluğu: 530 metre

Türkiye’de inşa edilen ilk çelik asma köprü (Boğaziçi Köprüsü)

Sanayi yapısı örneği

Montaj aşamasında olan bina tipi çelik yapı örneği

Montaj aşamasında olan bina tipi çelik yapı örneği

Çok katlı yapı örneği

Gökdelenler

1. 2 Çeliğin Üstün ve Sakıncalı Yanları

Bir yapının fonksiyonu ve türü ne olursa olsun, daha ön proje aşamasında taşıyıcı sistem malzemesinin seçimi gerekir.

Bazen çeşitli malzemeler için uygunluk araştırması yapılır.

Etkenler: Yapının fonksiyonu, kullanılma süresi, yapımı için ayrılan para, işletmeye açılması için düşünülen son tarih, işletme giderleri, geçici ya da daimi yapı olması, yapı yerindeki temel zemini, yapının coğrafi yeri (iklim şartları ve ulaşım olanakları ), yapı malzemesi fiyat hareketleri ...

Seçim için malzemenin üstün ve sakıncalı yanlarının iyi bilinmesi gereklidir.

Ülkemizde kullanılan taşıyıcı sistem malzemeleri:

kagir (kerpiç dahil), betonarme, ahşap, çelik

1. 2. 1 Çeliğin Üstün Nitelikleri

 Yapı çeliği homojen ve izotrop bir malzeme, çelik üretimi sıkı ve sürekli denetim altında → güvenli→ düşük güvenlik katsayıları (<2) !

 Yüksek mukavemetli bir malzeme → öz ağırlığın taşınan yararlı yüke oranı küçük.

 Çeliğin çekme mukavemeti basınç mukavemetine eşit, hatta burkulma düşünülürse daha yüksek → özel yapı türleri.

 Çeliğin Elastiklik Modülü diğer olağan yapı malzemelerine kıyasla çok yüksektir ( E=2,1𝑥10⁶ 𝑘𝑔/𝑐𝑚² ): sehim, titreşim, stabilite problemine uygunluk!

 Çelik Sünek (düktil) bir malzemedir →büyük şekil değiştirme kapasitesi:

plastik hesap olanağı, deprem ve oturmalara uyabilme.

 Taşıyıcı elemanların işlenmeleri büyük ölçüde atölyelerde şantiye de yalnız montaj işleri→ hava koşullarından büyük ölçüde bağımsızlık → yapım süresi.

 Çelik yapı elemanlarında değişiklik ve takviye olanağı

 Çelik yapı elemanı yerine monte edildiği anda tam yükle çalışabilir→ yapım süresi.

 Sökülüp yeniden kullanılabilme.

 Uygun bir planlama ile az iskeleli inşaat.

1. 2. 2 Çeliğin Sakıncalı Nitelikleri

Yanıcı olmamakla birlikte yüksek sıcaklık derecelerinde mukavemetinde hızlı bir düşüş görülür.

 Ayrıca ısıyı iyi ilettiğinden olay hızla yayılır.

Önlem alma gereği → maliyet, bazen ağırlık!

 Paslanma(Korozyon) → Sürekli bakım ya da betona gömme Korozyona dayanıklı özel alaşımlı çelikler vardır.

Maliyet artışı

 Ses ve ısıyı iyi iletmesi → yalıtım sorunu

 Fiyat, ancak ...

1. 3 Çeliğin Yapıda Kullanılma Alanları

 Büyük açıklıkların aşılması: hafiflik, yüksek mukavemeti, çekme mukavemeti

 Temel zemini zayıf yapılar: hafiflik, süneklik

 Çok katlı yapılar: hafiflik, yüksek mukavemet ve elastiklik, süneklik

 Endüstri yapıları: yüksek mukavemet ve elastisite modülü, süneklik, takviye olanakları, yapım hızı

 Köprüler: (endüstri yapılarındaki nedenlerle)

 Portatif yapılar: sökülebilme, hafiflik Prefabrik yapılar

 Hız isteyen işler

 Taşıyıcı sistemleri özellik gösteren yapılar: çekme mukavemeti (büyük çıkmalı yapılar, askı kolonlu yapılar, köprü- binalar)

1.4 Çeliğin Yapıda Kullanılma Şekilleri

Kısmi kullanım: Yapıda genellikle yatay konumlu taşıyıcı bölümlerde (kirişler, makaslar, lentolar gibi) kullanılır.

Çelik karkas yapı: Temeller dışında taşıyıcının tamamı çelik

Kablolu asma sistemler Karma sistem

2. MALZAEME OLARAK ÇELİK VE ÇELİK YAPILARIN HESABINA İLİŞKİN GENEL BİLGİLER

Gerilme -Şekil Değiştirme Diyagramı

σ_P : Orantılılık sınırı σ_E : Elastiklik sınırı σ_F : Akma sınırı

σ_B : Kopma mukavemeti ε_k : Kopma uzaması E : Elastiklik modülü

σ<σ_B için yük boşaltması yapılırsa;

ε_e: Elastik (geri dönen) şekil değiştirme,

σ_çem≤ 0,6 σ_F (TS-648): Çelik emniyet gerilmesi

ε_pl: Plastik (kalıcı) şekil değiştirme oluşur.

2. 1 Çelik Türleri

Üretim yöntemleri ve alaşımlarına bağlı olarak çok değişik türlerde inşaat çelikleri üretilmektedir. Bu çelikler mekanik özellikleri yönünden, akma (ya da elastiklik) sınırları ve kopma mukavemetleri ile adlandırılırlar.

Ülkemizde iki tür inşaat çeliği üretilmektedir:

St. 37: Normal yapı çeliği (σ_B ≥ 37 kg/mm²) St. 52: Yüksek mukavemetli çelik (σ_B ≥ 52 kg/mm²) Her iki tür için de:

E=2,1𝑥10⁶ 𝑘𝑔/𝑐𝑚² G=810000 𝑘𝑔/𝑐𝑚² α_t=0,000012

σ_F (=σ_a ) akma sınırları ise farklıdır: (Tablo 6.2).

σ_F= 2400 𝑘𝑔/𝑐𝑚² ( St. 37) 3600 𝑘𝑔/𝑐𝑚² (St. 52)

Her çelik türü kaynaklanmaya elverişli değildir.

2. 2 Çelikte Haddelenme ve Hadde Ürünlerinin Şekilleri

Çeliğin sıcakta, düz ya da özel şekilli silindir çiftleri arasından çekilerek şekillendirilmesine haddeleme denir.

Hadde ürünleri: profiller ve yassı ürünler olarak ikiye ayrılır.

•Hadde Profilleri: (Tablo 6.1)

I profilleri: dar ve geniş başlıklı , ... türler [ profilleri:

L profilleri (korniyer, köşebent): eşit kollu, farklı kollu T profilleri

Ray profilleri ...

Her bir tür değişik ölçülerde üretilir (profil tabloları).

Yassı Hadde Ürünleri:

Lamalar: dikdörtgen en kesitli çubuklar b=10~1250 mm; t=0,1~60 mm Levhalar: b=530~3600 mm

Şekillendirilmiş levhalar

•Daire kesitli hadde ürünleri

•Boru ve kutu kesitler

2. 3 Statik Karakterli Yüklemelerde Akma Şartı, Güvenlik, Genel Hesap Esasları

2. 3. 1 Akma Şartı

''Sabit biçim değiştirme işi teorisi'' (von Mises kıstası):

2. 3. 2 Güvenlik

Çelik malzemenin ana mekanik karakteristiği olarak σ_F akma sınırı dikkate alınır. Güvenlik σ_F akma sınırına bağlı olarak belirlenir.

Bu ders kapsamında elastik hesap esasları (emniyet gerilmeleri ya da kabul edilebilir gerilmeler yöntemi) dikkate alınacaktır.

Tasarımlarda plastik hesap (taşıma gücü) yöntemi de kullanılmaktadır.

γ_F =^𝜎𝐹

𝜎 >1 akmaya göre güvenlik olup, Çelik malzemesi için emniyet gerilmesi:

σ_çem =^𝜎𝐹

𝛾_𝐹 şeklinde belirlenir, γ_F >1 Tasarımlarda: σ ≤ σ_çem olmalıdır.

σ_çem≤ 0,6 σ_F alınmaktadır (TS-648).

2. 3. 3 Yükler ve Yüklemeler

Yükler: -Esas yükler (H) -İlave Yükler (Z)

Esas yükler: Ağırlık türü (kar dahil) statik yükler

İlave (tali) yükler: rüzgar yükü, fren yükleri, darbe ve sıcaklık değişmesi etkileri, deprem etkileri, ...

Yükleme Durumları

Yükleme Durumu I (YD1 veya H) : esas yükler

Yükleme Durumu II (YD2 veya HZ): esas yükler + ilave yükler

2. 3. 4 Çelik Malzemesi Emniyet Gerilmeleri: