Bölüm 1 Yapısal Tasarım Çeliğin Malzeme Özellikleri Profiller Çeliğin Sakıncalı Yanları Çeliğin Üstün Özellikleri Çeliğin Kullanım Alanları Deprem ve Çelik

Yapısal Tasarım Boyutların belirlenmesi ve kesit tayin edilmesi. Tasarım aşaması bir döngüden oluşur. Boyut ve kesit özellikleri varsay Yapısal analiz (doğrusal ve/veya doğrusal olmayan) Yapısal gerekleri yerine getiren kesitleri seç. Tasarım ilk kabullerden farklı mı? Evet Hayır Son tasarım

Yapısal Tasarım Optimum tasarım aşağıdakiler arasında dengeyi sağlayan tasarımdır. Dayanım Kullanabilirlik Ekonomi Optimum tasarım

Yapısal Çelik Katışık <<%5 Metal Alaşımlar (%5) Dövülerek, preslenerek ve haddeden geçirilerek şekil alabilen demir alaşımlara çelik denir. Çelik esas itibariyle bir demir + karbon alaşımdır. Yüksek ölçüde demir, düşük ölçüde karbon. Karbon miktarı arttıkça çeliğin dayanımı da artar. Ancak bu durumda çelik daha gevrek hale gelir. Kaynaklanabilirliği azalır. Dolayısıyla hem yüksek dayanımlı hem de yeterli sünekliğe sahip çeliğin üretiminde karbon yüzdesi hassas ve önemli bir rol oynamaktadır. Çelik alaşımına ayrıca fosfor, kükürt, azot, silisyum, manganez, bakır, krom, nikel gibi elemanlar ilave edilerek kaliteli çelikler elde edilir. Diğer elemanların çeliğin özelliklerine olan etkisi karbonun tekbaşına olan etkisinin bir fonksiyonu olarak “Karbon eşdeğeri”, CE ile ifade edilir. Demir (>%95) Karbon (<2) Metal Alaşımlar (%5) Ca,Cr,Ni,Al,P Katışık <<%5 Sülfür, silikon CE=C+(Mn+Si)/6 + (Cr+Mo+V)/5 + (Ni+Cu)/15

Bir tür çelik üretimi Atık çelik O2 Kireç Alaşımlar Basit Oksijen Ocağı ~1650 oC Kireç (atıkları yakalamak için) Atık çelik Alaşımlar O2 Atık (yakalanan atıklar) Erimiş Çelik Döküm Şekil verme

Profiller

Standart profiller-I profil Başlık ÖRNEĞİN: IPE100=>h=100 mm Gövde Kuvvetli Eksen Fillet Zayıf Eksen Normal I, IPB, IPE, HEA, HEB vb. gruplara bölünmüştür.

Standart profiller-Köşebent LLBTB ÖRNEĞİN: L35x3=> b=35 ve t=3 Ölçüler mm ÖRNEĞİN: L40x20x3=> h=40, b=20 ve t=3 Ölçüler mm SLBTB

Standart Profiller- U Başlık ÖRNEĞİN: UPE400=> h=400 mm Gövde U,UPE gibi sınıflara ayrılır.

Malzeme olarak çelik Çeliğin mekanik özellikleri çekme deneyi sonucunda elde edilen gerilme – şekil değiştirme grafiği yardımıyla belirlenir. Çelik yapılarda kullanılan yapısal çeliklerin statik yükler ve çekme kuvvetleri altındaki dayanımı dayanımını tanımlamak için malzemenin akma sınırı özelliğinden yararlanılır. Elastik Plastik Deformasyon Kopma P Ölçme aralığı Çekilmemiş Çekilmiş Lo Lf Gerilme Gerinme(Şekil Değiştirme)

Çekme Deneyi

Malzeme olarak çelik Gerilme Necking ve Kopma Pekleşme Akma Platosu Gerinme Pekleşme Akma Platosu Elastik Plastik gerinme elastik gerinmeden 10~15 kat daha fazladır. E=2.1x106 kgf/cm2 Birim ağırlık=7.85x10-3 kgf/cm3 u=0.3 at=0.000012 /C

Malzeme olarak çelik Akma sebepleri Gerilme Gerinme Üst akma sınırı Elastik bölgenin altındaki alan elastikliği verir. Orantılılık sınırı Elastik sınır Üst akma sınırı Alt akma sınırı Eğrinin altındaki bu alan toughness ı verir. Toplam gerinme sünekliliği temsil eder. Akma sebepleri

Yüksek dayanımlı çelik Yüksek mukavemetli çeliklerin belirgin bir akma platosu yoktur. Akma gerilmesi %0.2 kalıcı gerinmeye karşılık gelen gerilme olarak hesaplanır. Eğriden anlaşılacağı üzere Kısıtlı süneklilik Kısıtlı toughness %0.2 kalıcı gerinme

Çelik Sınıfları Karbon Çeliği St37: Akma Gerilmesi 2.4 t/cm2 Yüksek dayanımlı, düşük alaşımlı çelikler St52: Akma gerilmesi: 3.6 t/cm2 Çelikteki karbon miktarı arttırıldığında dayanım yükselir AMA süneklilik azalır.

Çeliğin Sakıncaları-Yorulma Yorulma çelik yapılar için önemli bir sorundur. Yorulma, tekrar eden yükleme ve yük boşalmaları sonucu zaman içerisinde mikro çatlakların makro çatlağa dönüşmesi sonucu oluşur. Yorulma çatlaklar tekrarlı yükler etkisindeki tüm çelik yapılarda (örneğin köprüler) meydana gelebilir. Yorulma çatlaklarının oluşmasının en büyük sakıncası gevrek kırılmaya sebep olmasıdır.

Çeliğin Sakıncaları-Korozyon Korozyonun (paslanmanın) kontrol edilmesi için yöntemler: Koruyucu kaplama (örnek: epoksi kaplamalı çelikler) Galvenik kaplama (Çinko kaplama ile yapılır) Özel alaşımlı çelikler (örneğin: Paslanmaz Çelik) Katodlama ile koruma (genelde yer altı yapılarında kullanılır. Ters elektrik akımıyla çelik katoda dönüştürülür.)

Çeliğin Sakıncaları-Yangın Yüksek sıcaklık derecelerinde mukavemetinde hızlı bir düşüş. Yangın için önlem alma gereği; maliyeti yükseltir.

Çeliğin Sakıncaları-Kalifiye işçilik

Çeliğin üstün özellikleri Homojen ve izotrop bir malzeme. Çeliğin çekme mukavemeti basınç mukavemetine eşit. Üretimi sürekli denetim altında. Yüksek mukavemetli bir malzeme. Öz ağırlığın taşınan yüke oranı düşük. Çelik sünek bir malzeme. Büyük şekil değiştirebilme özelliği. Çelik yapı elemanlarında değişiklik ve takviye olanağı. Çelik yapı elemanı yerine monte edildiği anda tam yükle çalışabilir. Yapım süresi azalır. Sökülüp yeniden kullanılabilme. Çelik atölyelerinde imalat şantiyede sadece montaj. Hava koşullarından bağımsız inşaat.

Kullanım Alanları Çok katlı yapılar

Kullanım Alanları Büyük açıklıkların aşılması

Kullanım Alanları Endüstri yapıları, oto parklar Portatif yapılar

Kullanım Alanları Çatılar, makaslar

Kullanım Alanları Köprüler

Çelik Yapı Elemanları Aşıklar Kirişler-Çerçeveler Çapraz Kolon

Deprem ve Çelik Yapılar Deprem etkileri altında bir yapının enerji yutması isteniyorsa yapı malzemesinin sünek davranışı gereklidir. Çeliğin, kopmadan büyük deformasyon yapabilme özelliği yani büyük bir şekil değiştirme sığası olması ve yüksek dayanımı, malzemeyi deprem bölgelerinde inşa edilecek olan yapılar için ideal bir malzeme durumuna getirmektedir. Çelik, öz ağırlığının toplam yük içindeki payının küçük olması nedeniyle, hafif yapı çözümleri sağlamaktadır. Yüksek dayanımı nedeniyle de daha ekonomik kesitler kullanılabilmekte ve temele aktarılan toplam yük azalmaktadır. Dolayısıyla deprem yükleri de azalmaktadır. Çelik sıkı ve sürekli denetimle üretilmekte olup, yapı elemanları ve birleşimler kontrole açıktır ve herhangi bir aksaklığı gizlemek zordur. Kolay onarım ve güçlendirme olanağının bulunması, hızlı ve hava koşullarından bağımsız inşaat yapılabilmesi, deprem için önemli bir kolaylık sağlamaktadır.

Deprem tasarımı için çeliğin sahip olması gereken özellikler: Akma gerilmesi / Kopma gerilmesi oranı 0.85’ ten büyük olmamalı. Yeterli inelastik yerdeğiştirme kapasitesine sahip olmalı (mesela çekme testinde 5cm ölçme aralığı için %20 lik bir kopma uzaması) Kaynağa uygun olmalı (ana malzeme ve kaynak malzemesi birlikte uygun mekanik özelliklere sahip olacak şekilde seçilmeli) Şekil değiştirme Gerilme Kopma Akma