1. Bölüm Çelik Yapı
Transkript
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.