Tüp Kesitli İnce Cidarlı Çelik Yapı Elemanları

Demir (Fe) ve Karbon (C) dan oluşan çelik alaşımının üretim aşamaları saf haldeki demir cevherinden ham demir elde edilmesi ve sonra ham demirden çeliğin elde edilmesi iki kısımdan oluşmaktadır.

Çeliğin karışımında bulunan zararlı maddeler; fazla karbon, kükürt, fosfor, arsen, bakır, silisyum ve azottur. İstenen özelliklerin sağlanabilmesi için eklenen maddeler ise krom, bakır, manganez, molibden ve silisyumdur. Karbonun, çeliğin mukavemeti ve üzerindeki tesiri çok büyüktür. Karbon miktarı ağırlık itibarıyla 17/1000 den fazla olursa, çeliğin işlenmesi mümkün olmaz. Diğer zararlı maddelerin ve karbonun, yüksek fırınlarda yüzde miktarlarının azaltılmasına çalışılır. Fosfor çeliğin çok gevrek olmasına ve çabuk kırılmasına yol açar. %02 fosfor ihtiva eden bir çelik yere düşerse cam gibi kırılır ve parçalanır. Kükürt ise çeliğin yüksek sıcaklıkta gevremesine ve kırılmasına sebebiyet verir. Her ikisinin toplam olarak değerinin 1/1000 den az olması istenir. Çeliğin elde edilmesi esnasında bazı maddeler ilave edilir. Ayrıca krom ve silisyum mukavemeti arttırır. Manganez mukavemeti arttırmakla beraber sıcakta işlenmesini kolaylaştırır. Molibden ise özellikle yüksek sıcaklıklarda çeliğin mukavemetini arttırır.

İzotrop ve homojen bir malzeme olan çeliğe, kristal yapıya sahip olduğundan dolayı mekanik yöntemlerle kolayca şekil verilebilmektedir. “Haddeleme” çelik kütüklerin silindirler yardımı ile ezilmesi işlemi olarak tanımlanmaktadır. Şekillendirme metotlarından birisi olan haddelemeden sonra mukavemet ve süneklik özellikleri artmakta, bünyesindeki hava ile gaz boşlukları kapanmaktadır. Malzemenin uygun sıcaklığa kadar ısıtılıp yavaş yavaş soğutulması ile yumuşak ve sünek malzeme elde edilir. Bu işleme ise “tavlama” denir.

Önerilen Makale: Pirinç malzemeler ve uygulamaları hakkında detaylı bilgi almak için pirinç otomat çubuğu nedir sayfamızı ziyaret etmenizi tavsiye ederiz.
 

1. Ahşap ve betonarmeye nazaran oldukça homojen ve izotrop bir malzemedir, ayrıca mukavemeti de büyüktür. 

2. Elastisite modülü ahşapta yaklaşık 10000 MPa, betonarmede yaklaşık 21000 MPa, çelikte ise yaklaşık 210000 MPa’dır. Yani ahşabın 21 katı, betonarmenin 10 katıdır. Bu nedenle daha az sehim yapar, ve daha az malzeme sarfı gerektirir. 

3. İşçiliğin büyük bir kısmı atölyelerde yapılabilir. 

4. Aynı yükü taşımak için seçilmesi gereken kesit, çelikte betonarmeye nazaran daha küçüktür. Kesit dış ölçüleri belirli bir çelik kolonun taşıma gücü, aynı kesit ölçüleri ve şartlar için yapılan betonarme kolona oranla çok daha fazladır.

5. Kendi zati ağırlığı betonarmeye nazaran az olduğundan sömelleri daha küçük çıkar. Temel zemini sağlam olmayan yerlerdeki yapılar için bazen sadece bu özellik, taşıyıcı iskelet malzemesi olarak çeliğin seçilmesine sebep olabilir. 

6. Takviyesi kolaydır, kolayca değişiklikler yapılabilir. Betonarmede bu işlemin sınırları dar, yapılmaları güç hatta bazen imkansızdır. 

7. Çelik taşıyıcı elemanlar bulundukları yapıdan kısmen veya tamamen söküldüklerinde, çıkan malzeme bir başka yapıda ve hatta değişik şartlarda zayiatsız tekrar kullanılabilir. Böyle bir yapı herhangi bir nedenle yıkılsa ve enkaz haline gelse, yani içindeki çelik malzeme artık kullanılmayacak hurda niteliğinde olsa bile gene bir değeri mevcuttur.

Ayrıca çelik kesitlerinde çok çeşitli alternatiflerin mevcut olması yapıların mimari açıdan geniş ve kullanışlı hale gelmesine olanak tanımaktadır. Tüm maliyetler hesaba katıldığında betonarmeye göre ekonomik olmasının yanı sıra depreme etkisi altında sistemin gösterdiği istikrarlı ve sünek davranış özellikle yüksek yapılarda çeliğin tercih edilmesini sağlamaktadır. Çelik kuru, temiz ve gürültüsüz şantiye ortamları sağlamaktadır. Kalıp ve donatı işçiliğinin bulunmaması yapı elemanı olarak çeliğin kullanılması adına başka bir üstün taraftır. Fakat çeliğin gerek üretimi gerekse işçiliği tecrübe gerektirmektedir.
 

Uzun senelerdir ülkemizdeki yapı stoğunu oluşturan betonarme yapıların yanı sıra son yıllarda çelik üretimi, işçiliği ve kullanımının hızla artması ile birlikte özellikle yüksek katlı ve ticari oluşumlarda çelik yapı oranı yükselmektedir. Ülkemizdeki çelik ve çelik ürünlerinin çeşitliliği ile kalitesinin artmasına paralel olarak yapı sektörü; daha ekonomik, kullanışlı ve hızlı inşa sağlayan farklı çözüm arayışlarını da beraberinde getirmektedir.

Dünyada artan ivme ile beraber soğukta şekil verilmiş ince cidarlı çelik yapı malzemeleri ve bunlardan üretilmiş yapı elemanları üzerindeki deneyler önem kazanmıştır. Normal çelikten daha ince ve hafif olmasından dolayı ince cidarlı çelik malzemelerin özellikle çelik çatı ile taşıyıcı eleman olarak kullanıldığı az katlı yapıların inşa edilmesi, yakın gelecekte yapıların tek bir malzemeden değil geniş bir yelpazede malzeme çeşitliğinin kullanılacağını göstermektedir.

Genel hacminde %0,2 değerinden daha fazla donatı bulunan beton, betonarme (donatılı beton) olarak adlandırılmaktadır. Yapı elemanlarında meydana gelen çekme gerilmeleri çelik donatılar tarafından karşılanırken, basınç gerilmeleri beton ile karşılanmaktadır. Günümüzde her ne kadar yüksek dayanım özelliklerine sahip malzemeler bulunsa da betonarmenin hızlı, kolay uygulanabilir ve özellikle de ucuz oluşu tercih sebebidir. Fakat uygulamada en fazla işçilik yüzdesini donatı ve kalıp işleri oluşturmaktadır. Yine aynı doğrultuda zaman ve maliyetten de kayıp söz konusudur. Bu durum yıllardır süregelen betonarme kullanımının daha verimli hale getirilmesi gerekliliği doğurmaktadır.

Aşağıda genel başlıklar halinde tipik çelik sistemleri ve kullanılan elemanlar verilmiştir; 

a) Hafif kafes ve destek sistemleri: Sırt sırta birleştirilmiş köşebentler ve T profilleri, 
b) Geniş kafes sistemleri: Dairesel boş kesitler, dikdörtgen kesitler, birleşik kesitler ve geleneksel kolonları, 
c) Çerçeve sistemleri: Geleneksel kolonlar, fabrika üretimi donatılı UC kesitleri, 
d) Köprüler: Kutu kesitli kolonları, e) Güç istasyonları: Sıkılaştırılmış kutu kesitli kolonları içermektedir.

“Eksenel basınç etkisine maruz kalan elemanlar, yapıdaki esas yük taşıma bileşenlerinden biri olan “kolon” olarak tanımlanmaktadır. Yapı çerçevelerinde düşey kolonlar şeklinde, köprü ya da uzay kafes sistemlerinde basınç yükleri taşıyan çubuklar olarak çalışmaktadır. Basınç elemanlarında en önemli faktör burkulmaya karşı tasarımdır. Bağlantıların yapılması sırasındaki, işçilik metodu gibi uygulamadaki kısıtlamalar özellikle hafif elemanlar için seçimi etkileyen en önemli faktördür. Ancak, tüp gibi kapalı kesitler teorik olarak en verimli olanlarıdır. Açık kesitlere göre saha birleşimleri daha kolay olmakla beraber minimum oranda tecrübeli işçilik ve özel donanım gerektirir.

Tüp tipi yapılar, 80 katın üzerindeki yüksekliğe sahip çok uzun binalar için ilk olarak ABD’den Dr. Fazlur Khan tarafından geliştirilmiştir. Genel yapısal sistemde beton çekirdekli çelik karkas kullanıldığında yapının en üst noktasındaki sehim aşırı derecede olabilmektedir. Yapı malzemesi olarak kullanımı ve tasarım sonuçlarının güvenilirliğine bağlı olarak çelik tüp sistemleri geleneksel sistemlerle karşılaştırıldığında son derece verimlidir. Bu sistemde, çevre duvarlar yüksek derecede rijit ya da yatay yüklere karşı dayanım sağlayan destek tüpleri ile inşa edilmektedir. Tek tüplü yapılarda, çevre duvarları tüm yatay yükü ve bunların düşey yük etkilerini taşımaktadır. Tüp elemanların sayısı ve inşasına bağlı olarak çok yüksek yapıların tüp yığınlarıyla tasarımı yapılabilmektedir. Tek tüp kullanıldığında kesme gerilmesi birikiminin düşürülmesi daha ciddi problemler oluşturmaktadır.

Beton dolu çelik tüp (CFST) sistem; çelik, beton ya da donatılı beton sistemlere göre birçok açıdan avantaja sahiptir. Bu sistemde eleman davranışlarını belirleyen en önemli faktörlerden biri ise malzeme özellikleridir.

Yapılarda yüksek dayanımlı eleman kullanımı gerektiğinde, yumuşak yapı çeliğinden daha fazla akma gerilmesine sahip çelik alaşımların, elemanın kesit alanındaki indirgemesine bağlı olarak kullanımına izin verilmektedir. Alandaki indirgeme ya sabit kalınlıkta yanal boyutlardaki azalma ya da sabit yanal boyutlarda kalınlıktaki azalma şeklinde olabilir. İlk durumda narinlik oranı L/r’nin artması sonucu kesit dönme yarıçapı düşürülür. İkinci durumda ise kalınlık/genişlik oranı t/b düşürülür. Çünkü tüm çeliklerin elastisite modülü yaklaşık olarak sabittir. Bundan dolayı dönme yarıçapı “r” ya da kalınlık “t” değerlerindeki indirgeme, Euler burkulması ya da olası yerel veya burulma burkulması durumlarını değiştirecektir.

Çelik elemanların yatay ya da düşey yük taşıma kapasitelerinin kullanımı için, yapısal özelliklerinin gerçekçi olarak kullanılması tasarımda en önemli faktördür. İnce cidarlı yapısal kesitlerde ana unsur, elemanlar arasındaki birleşimlerin uygun şekilde gerçekleştirilmesi gerekliliğidir. Cidarların ince olması kaynak işlemi sırasında çelik elemanın ergimesi, delinmesi ve sıcaklığa bağlı burkulması gibi sonuçlar doğurabilmektedir. Aynı şekilde bulonlama yapılırken bulonların sıyrılması ve bulon deliklerinin kesitleri yüksek derecede zayıflatma ihtimali bulunmaktadır. Tasarım sırasında işçilik katsayıları bu bağlamda değerlendirilmelidir.

Süneklik

“Betonarme bir elemanda beton ve çelik, dış yüklerin kesitlerde oluşturduğu etkilere beraberce karşı koyarlar. Bunun sonucu olarak, ileri yük kademelerinde, bir betonarme elemanın davranışına beton ve çeliğin doğrusal olmayan davranışı yansır. Herhangi bir etki altında bulunan bir betonarme kesit veya elemanın davranışında fy ve Фy en büyük elastik yük (etki) ve yer değiştirme (şekil değiştirme)ye karşı gelirken, fu ve Фu bu büyüklüklerin dayanımının sona erdiğindeki değerlerini göstermektedir. 

Burkulma

Çelik yapı elemanlarında burkulma davranışının önlenmesi yapının davranışı açısından önemlidir. Galambos’a göre aşağıda sıralanan 3 farlı burkulma olasılığı söz konusudur; 

a) Yanal burkulma: Eleman yüzeyinin genişçe bir parçası stabil durumdan çıkar ve burkulur. 
b) Yerel burkulma: Yüklenmiş nokta, alandaki komşu noktalar arasındaki eğriliğe ters biçimde sehim yapar ya da tamamen kopar. 
c) Eleman burkulması: Eksenel basınç altındaki eleman bireysel olarak burkulur. Eleman tasarımı sırasında dikkate alınmalıdır.

Kesiti oldukça ince malzemeden üretilen basınç elemanları genellikle “crippling” olarak adlandırılan yerel burkulma ile göçebilir. Eğer kesit burulmaya karşı zayıf ise burulum (twist-torsion) ile burkulma gerçekleşir. Yerel burkulma gerilmesi plaka elemanın sahip olduğu genişlik (b) ve kalınlık (t), kenarları boyunca geçerli olan destek koşulları, elastisite modülü ve kalınlık/genişlik oranının karesine (t/b)2 bağlıdır. Burulmalı burkulma geleneksel kesitlerde nadiren kritik rol oynar. Kutu ya da tüp kesitler, açık I, T ve Z şekilli kesitlerden çok daha fazla burulma rijitliğine sahiptir. Örneğin tüp kesitler için burulmalı burkulma modu nadiren gözlenmektedir. İki eksene göre de simetrik olan kesitler, tek eksene göre simetrik olan ya da simetrik olmayan kesitlere göre burulma açısından daha stabildir.

Bu doğrultuda, elemanın herhangi bir burkulma moduna gelmeden mümkün olan en yüksek taşıma kapasitesinin sağlanması amacıyla CFT elemanların kullanımı ana amaç olacaktır. Çünkü çelik tüpün yeterli sargı sağlayamadığı ya da beton çekirdeğin yeterli dayanım gösteremediği durumlarda öncelikle yerel burkulma beklenmektedir. Çelik tüp tarafından sağlanan yanal basınca sargı etkisi denilmektedir. Etriye mantığı ile çalışmakta olup eleman burkulma modunu değiştirmektedir. Elemanın boyutlarına bağlı olarak belirlenen narinlik değerleri burkulma modu üzerinde önemli etkiye sahiptir.

Yorulma 

Sürekli değişken yüklere maruz kalan köprüler, havaalanları pistleri, vinç elemanları ve su yapılarında, değeri düşük bile olsa tekrarlı etkilerden kaynaklanan eleman ve sistemde hasarlar meydana gelebilmektedir. Bu durumda eleman maksimum taşıma kapasitesine ulaşamadan yorulmaya bağlı yerel bir kusurdan dolayı taşıma kapasitesini yitirebilir.

Gevrek Kopma 

“Yapı çelikleri 10 °C’nin üzerindeki sıcaklıklarda işlenebilir fakat sıcaklık daha da düştükçe giderek daha gevrek hale gelir ve 0 °C’nin altında düşük gerilimlerde bile kopmalar olabilir. Kesitlerde ve gerilim yoğunluklarında sert değişimlerden kaçınılmalıdır.

Rijitlik ve Stabilite 

“Betonarmenin büyük zati ağırlığına karşılık sehimlerin küçük olması ve rijitliğin büyük olması bir avantajdır. Narin yapıların dinamik yükler altındaki davranışı stabilite bakımından tehlikeli olabilir. Nitekim bir asma köprü (1941 Tacoma Köprüsü) rüzgar tesiriyle yıkılmıştır.

Yangından Koruma 

“Artan sıcaklığa paralel olarak mukavemetleri azaldığından, yapı çeliklerinin yangın performansı kötüdür. 550 °C’de akma gerilmesi normal sıcaklıklardaki değerinin yaklaşık 0.7’sine düşer; yani, proje gerilimine erişmiştir ve proje yükleri altında çökmeler gerçekleşebilir.

1970 yılında yapımı tamamlanan ve dönemin en yüksek çelik yapılarından birisi olan Dünya Ticaret Merkezi, 11 Eylül 2001 yılında Amerika Birleşik Devletleri’nde yapılan saldırı sonucunda; çeliğin ısı artışına karşı göstermiş olduğu mukavemet kaybı yüzünden kısa bir süre içerisinde yıkılmıştır. Yakın tarihte yaşanan bu olay çelik malzemelerin yangına karşı korunması gerekliliğini açıkça gözler önüne sermektedir. Yangından koruma amacı ile betonarme ve kompozit elemanlarda çelikler betonun içerisinde bırakılmaktadır. Tamamen çelik yapılarda ise yangına karşı koruma sağlayan kimyasallar kullanılmakta ve yapıda yangın çıkma ihtimali en aza indirilmeye çalışılmaktadır.

Korozyondan Koruma

“Çeliğe paslanmama özelliği, diğer bir deyişle korozyona dayanım kazandırmak için içerisine en az %10.5 krom ilave edilir. Çeliğin bünyesinde katılan diğer alaşımlara göre farklı kalitelerde paslanmaz çelik üretilir.

Tüm yapılarda zeminden gelebilecek su ve kimyasallara karşı yalıtım yapılmaktadır. Aksi takdirde beton üzerinde sülfat etki, çelik ve donatılar üzerinde de korozyon oluşturmaktadır. Bu durum betonda içsel çatlaklara, çelikte de kesit alanı kaybına yol açacağından, her iki elemanda da taşıma gücü kaybı meydana gelerek tasarım yükünden daha düşük yüklerde yapıda hasarların ortaya çıkması ihtimal dahilinde olacaktır. Çeşitli boyalar, kimyasallar, kaplama ve yalıtımlar ile çelik elemanlar korozyondan korunmaya çalışılmalıdır.