1. Bölüm Çelik Yapı

ÇELĐK YAPILAR I
ÖĞR.GRV. Mustafa KAVAL
DERS ĐÇERĐĞĐ
Çelik Yapılara Giriș,
Yapı Malzemesi Olarak Çelik,
Çelik Birleștirme Vasıtaları,
Çelik Yapı Elemanları Hesabı,
Perçinli Birleșimler,
Bulonlu Birleșimler,
Kaynaklı Birleșimler,
Çekme Çubukları,
Basınç Çubukları,
Dolu Gövdeli Kirișler,
Profil Kirișler,
Yapım Kirișler,
Kirișlerin Mesnetlendirilmesi,
Kirișlerin Birleșimleri.
BÖLÜM 1
Çelik Yapı
Yapılara Giriş
Giriş
Çelik Yapıların Tarihçesi
1779 – 1875 Font Köprüler
1846 – 1890 Dövme Çelik
1890 –
Dökme Çelik Köprü ve Yüksek Yapılar
Mühendislik yapılarında yaklașık 2 yüz yıldan beri kullanılan demir
malzemenin tanınması, esasında çok eskiye dayanır. Bu malzeme ile
yapılan ilk mühendislik yapıları köprülerdir. Đngiltere’de
Coalbrookdale kasabası yakınında ve Severn nehri üzerinde 1779
yılında inșa edilen 31m açıklıklı kemer köprü, bu alanda ilk örnektir.
Kullanılan demir malzeme “font”tur. Çekme mukavemeti çok düșük
olduğundan fontun uygulandığı yapılarda, hep basınç gerilmeleri
alacak tașıyıcı sistemlere (Kemer sistemler gibi) gidilmiștir. 1784
yılında, Đngiltere’de “Cort” isimli bir araștırmacının geliștirdiği
“Puddler” adlı fırının devreye sokulmasıyla “dövme çelik” elde
edilmiștir. Bunun sonucunda, dolu gövdeli veya kafes kirișli köprü
inșaatları devreye girmiștir. 140 m açıklıklı Britannia köprüsü, 131m
açıklıklı Weischel köprüsü, dövme çelikle yapılmıș yapıtların çarpıcı
örnekleridir. “Bessemer”, “Siemens-Martin”, “Thomas”
yöntemlerinin 19. asrın ikinci yarısında bulunmasıyla, ham demirin
sıvı durumuna getirildikten sonra arıtılması ve “dökme çelik” elde
edilmesi sağlanmıștır. Böylece 20. asırdan bașlayarak dövme çelik
yerini dökme çeliğe bırakmıș, buna paralel olarak da modern çelik
yapı tekniği geliștirilmiș ve bu alanda büyük ilerlemeler sağlanmıștır.
Çelik yapılardaki gelișmenin ikinci așaması, 20. yüzyıl bașında
“Kaynaklı Birleșimler” in uygulama alanına girmesiyle
gerçekleștirilmiștir. Böylece, gerek hal kontrüksiyonu ve karkas yapı,
gerekse de köprü olarak çelik malzeme, günümüzde çok yaygın bir
șekilde kullanılır duruma gelmiștir.
Çelik Yapıların Tarihçesi
Đngilteredeki Coalbrookdale 31mlik köprü
Çelik Yapıların Tarihçesi
140 m açıklıklı Britannia köprüsü (1849-1850)
Đlk kutu kirișler, 1849-1850 yıllarında Galler'deki Menai
boğazı üstüne Britannia köprüsünü kuran Robert
Stephenson tarafından kullanıldı. Bu köprüden trenler,
dikdörtgen demir tüneller içinde yol alarak geçerlerdi.
Sürekli kiriș ișlevi gören 140'ar metre uzunluğundaki iki
demir tünel, Britannia köprüsünü, dünyanın en büyük
kirișli köprüsü haline getirdi. Britannia köprüsü, tüneller
içindeki boya, zift ve cüruf karıșımının yol açtığı yangın
sonucunda yandığından, günümüzde yeniden yapılmıștır.
Çelik Yapıların Tarihçesi
Tacoma köprüsü (Kasım 1940)
Çelik Yapıların Tarihçesi
Dökme çelik imalat resmi
GENEL BĐLGĐLER
Metal dökümü, arzu edilen katı șekilleri elde etmek amacıyla metalleri ergitme ve kalıp adı verilen
boșluklara dökerek katılaștırma ișlemidir. Parçanın șekli kalıbın șekli ile tayin edilir. Cevherden elde
edilen metal ve alașımdan bloklar veya girintili çıkıntılı parçalar halinde dökülmesinin değișik
teknikleri vardır.
Döküm yöntemiyle ürünlerin șekillendirilmesi çoğu zaman diğer yöntemlere göre çok daha ucuza
mal olmaktadır. Bu açıdan döküm yöntemi rakipsizdir.
Döküm sektöründe üretilen ürünlerin cinsi, miktarı ve kaliteleri toplumların ekonomik yapılarıyla
değișim göstermektedir. Sanayileșmekte olan toplumlarda, döküm ürünlerinin öncelikle konut,
ulaștırma, kent alt yapıları ve tarım aletleri alanlarında yoğunlaștığı görüșür. Sanayileșme olgusuna
paralel olarak da döküm sektörü ürünlerinin alt yapılarından ziyade ara malı üreten; enerji,
madencilik, kimya, ana metal sanayi gibi sanayi sektörleriyle madeni eșya, elektrikli veya elektriksiz
makine imalatı, otomotiv, gemi gibi yatırım malları ve dayanıklı tüketim malı üreten sanayi sektörleri
tarafından cins ve miktarı artarak talep edilmeleri söz konusu olmaktadır.
Bu özellikleriyle döküm sektörü sanayileșme, ekonomik ve sosyal gelișmenin anahtarı durumunda
olan önemli bir sektördür.
DÖKÜM TEKNOLOJĐSĐNĐN TARĐHÇESĐ
Dünyada ilk kez döküm üretimi, Anadolu'da tunç (bronz) dökümünün keșfiyle bașlamıștır.
Đstanbul'dan geçen ticaret yoluyla dünyaya yayılmıștır. Bakır alașımlarının izabesi, MÖ 4000'li yılların
ortalarında keșfedilmiștir. Modern metalurji, Anadolu'da doğmuștur.
Mezopotamya'da bakıra yüzde bir kaç kalay katılarak yapılan ilk tunç döküm, MÖ 3000'li yılların
bașında görülmüștür. Ur kentindeki kral mezarlarında bulunan; MÖ 2600 yıllarına ait tunç
dökümlerinde kalay yüzdesi 8-10'dur. Kalay tuncu bu tür dökümlerin üretiminde ve daha sonra Đpek
yolu olan ticaret yolu boyunca tercih edilen bir alașım olmuștu. Bu dökümler için gerekli bakır metali
Anadolu'dan ve Đran'daki dağlık rezervlerden geliyordu. Anadolu'da keșfedilen Tunç Döküm
Teknolojisi, o zamanın toplumunun gelișmesinde kușkusuz çok önemli bir yere sahip olmuștur. Tunç
döküm teknolojisi, batıdan doğuya; Orta Asya ve Çin'in kuzey doğusuna doğru yavaș yavaș yayılmıș,
Çinli sanatkarlar bu teknolojiye önemli katkılar yapmıșlardır.
DÖKÜM TEKNOLOJĐSĐ HAKKINDA BĐLGĐLER
Metal Dökümcülüğünün Ana Đlkeleri: Döküm tekniği, metal veya alașımların ergitildikten sonra kalıp
adı verilen boșlukları tam dolduracak șekilde katılaștırılması suretiyle yapı parçalarının elde edilmesi
esasına dayanır. Metallerin sıvı haldeyken sahip oldukları çok yüksek șekil alma kabiliyeti, bu teknik ile
değerlendirilir. Bir döküm parçanın elde edilișinde, genel olarak șu sıra izlenir.
1 - Resim Çizimi: Döküm tekniğine ve malzemenin metalurjik özelliklerine uygun olarak șekil ve ölçü
tespiti.
2 - Model Yapımı: Kalıplama tekniği ve boyut değișimlerini göz önünde tutarak, kolay ișlenen bir
malzemeden, dökülecek parçanın bir geometrik benzerini imal etmek. Model üzerinde, esas parça ile
ilgisi olmayan, fakat döküm tekniğinin gerektirdiği eklentiler bulunur.
3 - Maça Yapımı: Döküm sırasında boș çıkması istenen yerlerde, iç șekillendirmeyi sağlayacak özel
kumdan yapılmıș parçaların yapımı.
4 - Kalıplamak: Đçine döküm yapılacak boșluğu elde etmek amacıyla özel kalıp kumu kullanarak,
model șeklinin negatifi olan çukurlukla elde edilmesi. Maça kalıp içine, maça bașlarında oturtularak
yerleștirilir.
5 - Ergitmek ve Dökmek: Yeterli bir akıcılık kazanacak șekilde ergitilen metal, özel akıtma kanalları
vasıtasıyla kalıp içine doldurulur.
6 - Temizlemek: Dökülmüș parçaların katılașmasından sonra döküm sırasında gerekli olduğu için
parçayla birlikte dökülmüș kısımlar kopartılır. Parçaların bütün içve dıș yüzeyleri yapıșmıș kumdan
temizlenir, fazlalıklar tașlanır.
7 - Kontrol: Dökülmüș parçalar kimyasal analiz, iç yapı, mekanik özellikler, ölçü ve toleranslar, yüzey
düzgünlüğü ve çatlak gibi hususlarda kontrol edilir.
DÖKÜM ÇEȘĐTLERĐ
1 - Kum Dökümler: Đlk akla gelen ve en çok kullanılan döküm șeklidir. Bașlıca avantajı sınırsız
denebilecek kadar değișik ve karmașık șekillere elverișliliğidir. Kum dökümler çok büyük boyutlarda
dökülebilmesine rağmen minimum büyüklük için pratik bir limit vardır. Bu nedenle çok ince kesitler
için tavsiye edilmez. Bir parçadan yeteri kadar isteniyorsa, gerekli emeğinin fazla olmasına rağmen
nispeten ucuz olabilir. Ergimiș haldeyken havayla reaksiyona giren yeni tip birkaç metal dıșında hemen
bütün metaller bu metotla dökülebilir.
2 - Hassas Kum Dökümler: Kum dökümünde hassasiyetin temini, ișlemde bir değișiklikten çok
değișkenler üzerine daha yakın bir kontrol ve ocak tekniğine bağlıdır. Böyle bir hassasiyet
istendiğinde, normal olarak kullanılan yeșil kum bir kenara bırakılarak dikkatler hazırlanmıș,
fırınlanmıș göbekler kullanılır. Hassas dökümlerin çoğu Al ve Mg alașımlarıyla fosfor ve kolay ihtiva
eden bronzlarla yapılır. Bu dökümlerin mekanik özellikleri normal kum dökümle imal edilen
malzemenin aynıdır.
3 - Kabuk Kalıp Dökümleri: Bazı alașımlarda daha zor olmasına rağmen bu tip döküm, kum döküm
yapılabilen bütün metallere uygulanabilir. Alçak karbonlu çeliklerde bazı yüzey hataları görüșüe. Pirinç
ve bronzlarda da kurșun ve kalay terlemelerinin olması problemlere yol açar. Mg'un O ve Si di oksitle
reaksiyonu bazı tedbirlerle önlenmelidir.
Mekanik özellikler kum dökümdekinden genellikle daha iyidir ve daha yakın bir kontrol imkanı vardır.
Kabuk kalıp kuru olarak fırınlandığında, rutubet yokluğu kalıbın izole etkisini arttırır ve bu, metal
yapısının daha düzgün olmasını sağlar. Kabuk kalıpların gözenek geçirgenliği, hava ve meydana gelen
gazların çıkıșını temin ederek metalde gözenek ve kovukların olușmasını önler.
4 - Sürekli Kalıp Döküm: Bu dökümlerde parçalar basit olmalıdır. Fakat bazı karmașık șekilli
parçaların dökümü, çelik kalıp ve kum göbekler (yarı sürekli kalıp) kullanarak sağlanabilir. Kalıp
malzemesinin sıcaklık limitinin alçak olmasından dolayı bu metot ancak ergime noktası düșük olan
alașımlara uygulanabilir. Daha çok Al alașımlarında kullanılır. Bakır esaslı alașımlar, Mg ve bazı özel
tedbirler uygulayarak da kır dökme demirler bu ișlemde dökülebilir.
Sürekli kalıp dökümleri genellikle yoğun, ince taneli ve kum dökümdekinden daha hassas yüzeyli ve
toleransları daha elverișlidir. Özellikler üstünde daha iyi bir kontrol sağlayabilmek için kalıplar
önceden 370-425 derece arasında ısıtabilir.
5 - Alıçı Kalıp Dökümü: Bu tip dökümler dökülmüş oldukları alçının düzgünlüğü yansıtırlar. Kalıbın
izolasyon kalitesi daha yavaş bir soğuma sağladığından bu, malzemenin çekme mukavemeti ve
uzamasının azalması sonucunu doğurur. Alçı kalıp dökümü genellikle fazla miktarda yapılan
imalatta kullanılır. Orta büyüklük ve küçük parçalarda çok elverişlidir. Kalıp maliyeti oldukça yüksek
olmasına rağmen döküm sonrasında daha az bir işçilik gerektirdiğinden tekrar fiyatın düşerek daha
ucuza mal olmasını sağlar.
Kalıp malzemesinin sıcaklık limitlerinden dolayı bu metotla, ergime noktası 1100 derece'nin
altındaki alaşımlar dökülebilir. Bunlar Al, Mg alaşımları, sarı pirinç, silisyumlu, berilyumlu,
alüminyumlu ve manganezli bronzlar gibi bakır esaslı alaşımlardır. Kurşunun alçı ile reaksiyona
girmesinden dolayı bazı ocaklar %1,5 tan fazla kurşun bulunmasını gerektirirken bazılarında hiçbir
sorluk olmadan %50 kurşunlu alaşımlar kullanılabilir. Đçinde silikon bulunan alaşımlarla daha iyi bir
yüzey elde ederek çok karmaşık şekiller dökülebilir. Magnezyum dökümünde özel alçı
kompozisyonları ve döküm tekniği kullanılmalıdır.
6 - Pres Döküm: Sadece demir olmayan alaşımlara uygundur. Birçok ihtiyacı karşılayabilmesine
rağmen kum döküme oranla daha sınırlıdır. Tonaj sırasına göre kullanılan alaşımlar; çinko, Al, Cu,
Mg, Pb ve kalaydır. Bunlar ergime noktalarına göre iki grupta toplanabilir:
Ergime Noktası Alçak: Kalay 214, Kurşun 251, Çinko 386
Ergime Noktası Yüksek: Magnezyum 600, Alüminyum 602, Bakır 871
Ergime noktası yüksek olan grup genellikle soğutulmuş yerlerde veya hava enjekte makinelerinde
dökülür. Ergime noktası alçak olan grup ise planjör makinelerinde dökülür. Bütün döküm işlemleri
içinde pres döküm muhakkak ki çok büyük imalat ve kalite için uygun olanıdır. Sürekli kalıp
dökümlerinde olduğu gibi avantajlarından biriside kalıpta kullanılan çeliğin yüksek ısı iletkenliğidir.
Bunun sonucu olan çabuk soğutma, mükemmel bir metalurjik yüzeyin elde edilmesini sağlar. Pres
dökümlerde oldukça fazla miktarda gözenekler meydana gelir. Ancak bunların kritik olmayan
bölgelerde bulunmasını sağlamak tecrübe ve bilgi işidir.
7 - Diğer Döküm Çeşitleri: Dökümün daha birçok çeşidi vardır. Bunlardan bazıları balmumu,
plastik, donmuş civa vs. dir. Balmumu kalıplar ucuz ve çok değişik şekillerin dökümüne elverişli bir
tiptir. Plastikler, daha çabuk imalata ve kalıpların önceden hazırlanarak uzun süre
saklanabilmesine imkan verir. Diğer döküm şekillerinde kendilerine özgü özellik ve avantajları
vardır.
BÖLÜM 2
Yapı
Yapı Malzemesi Olarak Çelik
Yapı Malzemesi Olarak Çelik
Genellikle Üç Sınıfta Toplanır :
a) Demir : Karbon oranı ağırlığına göre (0-0.002) dir.
b) Çelik : Karbon oranı ağırlığına göre (0.002-0.017) dir.
c) Font : Karbon oranı ağırlığına göre (0.017-0.050) dir.
Yapı Malzemesi Olarak Çelik
Demir : Özgül ağırlığı 7.85 gr /cm³ dir. Yumușak, dövme
demir (anizotrop) ve dökme demir (izolop) olarak üç
çeșittir.
Çelik : Đçinde manganez, silisyum, fosfor ve kükürtten
ibaret yabancı madde miktarı 0.01 den az bulunan demirkarbon alașımına adi çelik denir. Bunlar, yumușak çelik,
orta sertlikte çelik ve sert çelik olmak üzere üç sınıfa
ayrılır.
Yapı Malzemesi Olarak Çelik
Yumușak çelikler : Șekillerine ve kullanıldıkları yerlere
göre ayrıca; muhtelif kesitli çubuk çelikler; betonarme
çelikleri, profiller, saç levhalar olarak da isimlendirilirler.
Özel çelik : Yumușak çeliklere muhtelif oranda nikel,
magnezyum, silisyum, Tungsten, Krom v.s. ilâvesi ile elde
edilen çeliklere özel çelik olarak sınıflandırılırlar.
Yapı Çeliğinin Mekanik Özellikleri
Yapı Çeliği Emniyet Gerilmeleri ve
Sabit Yükleme Durumları
Yapı Çeliği Emniyet Gerilmeleri ve
Değişken Yükleme Durumları
Yapı Çeliği Şekilleri (Profilleri)
IPN profili
Yapı Çeliği Şekilleri (Profilleri)
IPE profili
Yapı Çeliği Şekilleri (Profilleri)
U profil
Yapı Çeliği Şekilleri (Profilleri)
L korniyer (kö
(köșebent) profiller
Yapı Çeliği Şekilleri (Profilleri)
T profiller
Yapı Çeliği Şekilleri (Profilleri)
Lâmalar :
Dikdörtgen enkesitli çubuklara “lâma” denir.
Dar, geniş ve ince lâmalar diye gruplara ayrılır.
Dikdörtgen yanında lâmanın genişliği ve et kalınlığı
yazılmak suretiyle gösterilir.
□60.5 – mm cinsinden Lâmanın genişliği 60 mm ve et
kalınlığı 5 mm demektir.
Yapı Çeliği Şekilleri (Profilleri)
Levhalar :
Đnce Levhalar : t < 3 mm olan saç levhalardır. Sıcakta çinko
ile kaplanarak (galvanizleme) ve dalga veya trapez olarak
şekil verilip çatı kaplama ve duvar kaplamada kullanılır.
Orta Levhalar : 3 < t < 4.75 mm olan levhalardır. Hafif
çelik yapılarda kullanılır. Normal çelik yapılarda da besleme
levhası olarak kullanılır.
Kalı
Kalın Levhalar : 4.75 < t < 60 mm olan levhalardır. Yapım
kirişlerde gövde ve başlık levhaları olarak, kafes kirişlerde
düğüm levhası olarak, taşıyıcı köprü tabliyesi olarak
kullanılırlar. Gösterilişi □8.150.200 şeklindedir. Birinci
rakam mm olarak et kalınlığı, diğer iki sayı (mm) genişlik
ve uzunluğunu gösterir.
Çelik Yapının Faydaları
Üstün Malzeme
Birleșim Tekniği
Konstrüksiyonun Tesirlere Uygunluğu
Tadilat Đmkanı
Sökülebilir
Hızlı Đnșaat
+Üstün Malzeme : Yapı malzemesi olarak çelik hiçbir malzemeyle
mukayese edilemiyecek kadar iyi özelliklere sahiptir.
+Birleșim Tekniği : Diğer hiçbir yapı malzemesinde aynı eșdeğer
emniyette bu kadar çeșit birleșim tekniği yoktur. Perçin, bulon
(kaba, uygun, yüksek mukavemetli), kaynak, saç vidası, yapıștırma.
+Konstrüksiyonun Tesirlere Uygunluğu : Hesap teorileri hiç bir
malzemede çelik yapılardaki kadar oturmamıștır. Đnșa edilen
konstrüksiyonların hemen hepsi büyük bir yaklașıklıkla
hesaplanabilmektedir. Yeni araștırmalar istenmeyen geometrik ve
malzeme kusurlarını da dikkate almaktadır.
+Tadilat Đmkanı : Üretim tekniğinin değișmesi, kapasitenin
arttırılması, köprüde trafik yükünün artması gibi durumlarda takviye
veya tadilat kolaylıkla mümkün olur.
+Sökülebilir : Çelik bir yapı sökülerek elemanları bașka bir yerde
aynı amaçla veya daha değișik bir amaç için kullanılabilir. Bir
köprünün bir yerden sökülerek, bașka bir yere monte edilmesi veya
yüzdürerek tașınıp tekrar monte edilerek kullanılması mümkündür.
+Hızlı Đnșaat : Çalıșmaların çoğu atölyede geçtiği için büyük ölçüde
otomasyondan yararlanılarak zaman tasarrufu, kalite zenginliği
sağlanır. Montaj sırasında iskele ve kalıba ihtiyaç göstermemesi
zaman ve ișçilik bakımından ekonomi sağlar.
Çelik Yapının Mahsurları
Yangın
Paslanma
Rijitlik – Stabilite
+Yangın : Çelik yanan bir malzeme olmadığı halde 400C’nin üstünde
elastisite modülü ve akma sınırı çok düșer. Bunun için yangına karșı
çelik yapı izole edilmelidir. Kısa süreli yangınlara maruz olanlarda
yangından koruyucu boyalarla boyamak, uzun süreliler ve önemli
yapılar için asbestli levhalar veya yangından koruyucu özel levhalarla
kaplamak gerekir.
+Paslanma : Normal havadaki paslanmaya karșı endüstri atıklarıyla
kirlenmiș havada paslanma daha hızlıdır. Paslanmaya karșı koruma
boya, galvanizleme, plastik malzeme ile kaplama veya hava tesirine
dayanıklı özel çelikle olur. Pasa karșı koruma artık çelik yapının
maliyeti bakımından esaslı bir değer tașımamaktadır.
+Rijitlik-Stabilite : Betonarmenin büyük zati ağırlığına karșılık
sehimlerin küçük olması ve rijitliğin büyük olması bir avantajdır.
Narin yapının dinamik yükler altındaki davranıșı stabilite bakımından
tehlikeli olabilir. Nitekim bir asma köprü (1941 Tacoma köprüsü)
rüzgar tesiriyle yıkılmıștır. Onun için stabilite çelik yapıda önemli bir
konudur.
Çelik Yapıların Uygulama Alanları
YÜKSEK YAPILAR
Çok çeșitli krenli ve krensiz depo ve imalat halleri (atölyeler)
Çelik imalat, haddeleme, makine imalat gibi büyük sanayi tesisleri
(Seydișehir Alüminyum Tesisleri, Đskenderun Demir-Çelik
Tesisleri vs.)
Spor ve teșhir halleri
Uçak hangarları
Enerji üretim tesisleri
Otopark (garaj)
Çok katlı ikamet ve büro binaları (max. 440m yükseklikte
yapılmıș)
Çelik Yapıların Uygulama Alanları
KÖPRÜLER
Demiryolu, karayolu ve kanal köprüleri,
Statik sistemlerine göre:
Kiriș köprü (dolu gövdeli veya kafes kiriș) basit, gerber,
mütemadi kiriș ve çerçeve tarzı,
Kemer köprü,
Eğik gergi çubuklu köprü,
Asma köprü,
Açılır kapanır köprü.
Çelik Yapıların Uygulama Alanları
DĐĞER ÖZEL YAPILAR
Serbest kuleler,
Ankastre direkler,
Radyo ve televizyon verici antenleri,
Enerji nakil hattı direkleri,
Ayaklı su deposu,
Basınçlı borular yakıt tankları (silindirik ve küresel),
Silolar,
Savak ve kanal kapakları,
Asma sistem çatılar,
Büyük açıklıklı kubbeler,
Yürüyen krenler,
Döner kule vinçler,
Dubalı vinçler,
Tașıyıcı iskeleler.