TAŞIYICI SİSTEM TASARIMI 1

(1)

TAŞIYICI SİSTEM TASARIMI 1

Prof. Dr. Görün Arun

ÇELİK YAPILAR 07.1 Malzeme, Kolonlar

YTÜ Mimarlık Fakültesi TSBD 2

Çelik Yapılar 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, olarak sınıflandırılır.

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.

Çelik Yapılar Yapısal Çelik

-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: α_t=12x10^{–6 0}C Çelik, hem basınca hem de çekmeye dayanımlı bir malzemedir.

Çelik Yapılar

Çeliğin mukavemeti büyüktür, az sehim yapar ve büyük açıklıklar geçilebilir.

Böylece iç kolon sayısı azaltılır ve iç düzenlemede esneklik sağlanır.

Çelik homojen izotrop bir malzeme karakteri gösterir, yapı elemanları küçük en kesitli yapılabilir.

Çelik Yapılar

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.

Çelik Yapılar

Çelik sünek bir malzemedir.

Bu özelliği ile çelik, büyük basınç ve çekme kuvvetleri etkisinde yıkılmadan deforme olur, takviye yada eleman değişikliğine olanak verir.

Çeliğin takviyesi kolaydır, tasarım değişiklikleri kolayca yapılabilir.

(2)

Çelik Yapılar

Çelik elemanların büyük bir kısmı atölyelerde hazırlanabilir. Sadece kreyn ve nakil araçlarının durabileceği kadar az bir şantiye alanı yeterlidir.

Yoğun yerleşim bölgelerindeki küçük yapı adalarında gerçekleştirilecek yapılar için uygundur.

Çelik Yapılar

Yapının yıkılması gerektiğinde tozsuz ve gürültüsüz olarak ve çok az artık malzeme bırakarak sökülebilir. Bu sökümden çıkan parçalar tekrar kullanılabilir yada hurda olarak satılabilir.

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 Yapılar

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.

Meksiko City, 1985 Yıkılan çelik çok katlı yapı

Yapısal çeliğin bu olumlu özelliklerine rağmen çelik iskelet sistem doğru tasarlanmadığında, depremin tekrarlı yükleri altında hasar görür ve yıkılır.

Çelik Yapılar

Çelik yapı, korozyon ve yangına karşı zayıftır. Çelik yapı elemanları çeşitli yöntemlerle korunmalıdır.

Çelik Yapılar

Tasarım hataları 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.

Çelik Yapılar

Nikel, bakır, dökme demir, kurşun, sarı, paslanmaz çelik gibi metallerin ve doğal ahşabın çelikle doğrudan teması korozyonu hızlandırır.

hadde pullanması

Kuru ve ısıtılan binanın iç ortamında bulunan çelik yapı elemanlarının korozyona karşı korunma gereksinimi daha azdır.

Bunların dışında birbirine uyumsuz iki malzemenin birleşmesi de korozyona yol açar.

(3)

Çelik Yapılar

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.

Çelik Yapılar

Bir taşıyıcı elemanın yangına dayanım derecesi

yapının kullanım amacına,

yapı yüksekliğine,

elemanın bulunduğu bölümün büyüklüğüne,

elemanın konumuna ve en-kesit ısınma oranına bağlıdır.

Çelik Yapılar

Yapı çeliği ~200^oC de mukavemet kaybetmeye başlar ve ~600^oC de kopar.

Yangında, açıkta bulunan çelik yapı elemanları ayrıca bir koruma gerektirmez.

Çelik Yapılar

Konservatuvar derslikleri, Montreuil 4,2m çaplı, çift tabaka çelik kabuk arası su dolu

Bush Lane House cephe kafesleri, su dolu

NorCon House, Hanover kolonları su dolu Çelik yapıların yangından korunması, taşıyıcı elemanlar içinde su dolanımı ile sağlanabilir.

Çelik Yapılar

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.

Çelik yapılar, çeşitli çubuk ve yassı hadde ürünlerinin tasarım boyutlarında kesilip şekillendirilmesiyle oluşturulur.

Çelik Yapılar Birleşimler

Çelik yapıda birleştirme:

 Sökülebilen: bulonlu,

 Sökülemeyen: perçinli ve kaynaklı olmak üzere yapılır.

(4)

Çelik Yapılar Bulonlu Birleşimler

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.

Yuvasına uygun bulonlar Fe38 yada Fe52 ile yapılan, tüm gövdesi spiral diş açıldığı için deliği iyice dolduran yüksek mukavemetli bulonlardır.

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.

Çelik Yapılar Bulonlu Birleşimler

Bir birleşim, kuvvet doğrultusunda yerleştirilmiş en az iki bulonla gerçekleştirilir.

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 (3.5d₁) e  (8d1veya 15t_min)

 Çekme çubuklarında (3.5d₁)  e  (12d₁veya 25t_min)

Kuvvet doğrultusundaki kenar mesafe: e_II ( 2d₁) eII (3d1veya 6t_min)

Kuvvete dik doğrultudaki kenar mesafe: e (1.5d₁) e (3d₁veya 6t_min) Bulon yerleşiminde, kuvvet doğrultusunda, arka arkaya 5 adetten fazla bulon konulmaz.

T

Çelik Yapılar Bulonlu Birleşimler

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.

Bulon işaretleri

Çelik Yapılar Bulonlu Birleşimler

Bulonlu birleşimler daha çok elemanların şantiyede birleştirmelerinde kullanılır.

Çelik Yapılar Perçinli Birleşimler

Perçin, birleştirilecek parçaların üst üste gelecek şekilde açılmış deliklerine, kızıl dereceye kadar ısıtıldıktan sonra sokulup vurularak yerleştirilir.

Kaynak tekniğinin gelişmesi ile artık perçin kullanılmamaktadır. Bugün genellikle eski, demir yapıların onarımında, sabit mesnetli birleşimlerde kullanılır.

Ham perçin, düşük kalitede çelikten yapılır.

Fe37 normal yapı çeliği ile Fe34 kalite, Fe52 yüksek mukavemetli çelikle Fe44 kalite ham perçin kullanılır.

Çelik Yapılar Kaynaklı Birleşimler

Kaynaklı birleşim aynı yada benzer alaşımlı madenlerin ısı ile birleştirilmesidir.

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.

(5)

Çelik Yapılar Kaynaklı Birleşimler

TS3357/ Nisan 1979

Çelik Yapılar Birleşimler

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.

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, şantiyedeki kaynaklı birleşim ve ekler, sertifikalı kaynakçı tarafından yapılmalıdır.

Çelik Yapılar 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,

Çelik Yapılar Deprem hasarları

Çelik Yapılar Kolonlar

Tek parçalı kolonlar:

hadde mamulü profiller,

levhalı yapma en-kesitler yada

profil ve levhalarla oluşturulmuş bileşik en-kesitlerle

düzenlenir.

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, en az iki katta aynı kesitin kullanılacağı dikkate alınarak düzenlenir.

Her katta kesitin değiştirilmesi birleşim noktaları sayısını artıracağından ekonomik olmaz.

Çelik Yapılar Kolonlar

Tek parçalı hadde mamulü kolonlarda genellikle geniş başlıklı I profil kullanılır.

Başlıklar arası tesisat geçirilmesi için uygundur.

(6)

Çelik Yapılar Kolonlar

Dış etkilere karşı daha az ve düzgün boyama yüzeyi olan kutu profil içlerinin boyanmasına gerek yoktur.

Daire kesitli tübüler kolonların üretim maliyeti yüksektir ve birleşim yüzeyinin eğrisel olması diğer yapı elemanlarıyla birleşim detaylarında sorun yaratır.

Boru profille aynı boyuttaki bir kutu profil enkesiti daha fazladır ve düzgün yüzeyli olduğu için diğer yapı elemanları ile birleşimi daha kolaydır.

Çelik Yapılar Kolonlar

Kolonlara etkiyen yükler fazla olduğunda kolon kesiti, levhaların yada profillerin birleştirilmesi ile yapma enkesitli düzenlenebilir.

Çelik Yapılar Kolonlar

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

Köşe ve ara kolonları

Çelik Yapılar Kolonlar

Kolona etkiyen basınç kuvveti arttıkça ayrık düzenlenen kolonda hadde mamulü profillerin enine düzenlenen levhalarla bağlanmasıyla (bağ levhaları) çerçeveli kolonlar oluşturulur.

Çelik Yapılar Kolonlar

Çerçeveli Kolonlar

Çelik Yapılar Kolonlar

Kolona etkiyen basınç kuvveti arttıkça ayrık düzenlenen kolonda hadde mamulü profillerin çaprazlamalarla yada enine çubuklar ve çaprazlamalarla bağlanmasıyla kafes örgülü kolonlar oluşturulur.

(7)

Çelik Yapılar Kolonlar

Kolonun taşıdığı yükler çok fazla ise kolona kablolarla ard germe verilebilir.

Çelik Yapılar Kolon Ekleri

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.

Profil üretim boyunun sınırlı oluşu nedeniyle çok katlı çelik yapı kolonları eklenir.

Ayrıca üst katlarda yüklerin azalması nedeniyle en- kesit farklılığı yapılacak yerlerde de ek düzenlenir.

Çelik Yapılar Kolon Ekleri

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.

Levhalarla yapılan eklerde:

Çelik Yapılar Kolon Ekleri

Çelik Yapılar Kolon Temel Birleşimleri

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.

Çelik yapıda temeller beton yada betonarme yapılır. Kolondan gelen yükler altında temel betonunun eğilmemesi için kolon tabanında düzenlenen levhalarla temas yüzeyi artırılır.

Kolon tabanında kolon yüklerini temel üst yüzeyine yayarak aktaran bu düzenlere KOLON AYAKLARI denir.

Yüzeysel Mafsal

Çelik Yapılar Kolon Temel Birleşimi

Mafsallı

Ankastre

Ankastre birleşimler, yüzeysel tespit edilmiş kolon ve taban levhasının 4 ankraj bulonu ile temele kare bağlanmasıyla yapılır.

Kolon ayaklarının temel ile birleşimi mafsallı ve ankastre olmak üzere düzenlenir.

Mafsallı kolon ayakları dönme ekseni dikkate alınarak, yüzeysel, çizgisel yada noktasal mafsallı olarak düşey yükün temele aktarılmasında kullanılır.

Çizgisel Mafsal Noktasal Mafsal

(8)

Çelik Yapılar Kolon Temel Birleşimleri

Yüzeysel mafsallı olarak taban levhası ile temelin birleştirilmesi, kolonun dönme ekseni etrafında düzenlenen iki ankraj bulonu ile yapılır.

Büyük düşey kuvvetlerin etkidiği ve mafsallı 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.

Noktasal mafsallı mesnetler kolonun her iki eksen etrafında da dönmesi gerektiği durumda yapılır.

Yüzeysel Mafsal

Çizgisel Mafsal

Noktasal Mafsal

Mafsallı

Çelik Yapılar Kolon Temel Birleşimi

Yüzeysel Mafsallı Kolon Ayağı

Noktasal Mafsallı Kolon Ayağı Çizgisel Mafsallı Kolon Ayağı

Çelik Yapılar 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.