YTÜ İnşaat Müh. Böl. Çelik Yap ılar I Ders Notlar ı
Yrd. Doç. Dr. Devrim ÖZHENDEKCİ
ÇELİK YAPILARIN TAR İHÇESİ* Klasik arkeolojinin bir teorisine göre dünyada ilk defa demir cevherinin iş işlenmesi, antik çağ çağlarda şimdiki Türkiye’de Kaz dağ dağları’nda çıkan büyük orman yang ınında, toprağ toprağın içerdiğ içerdiği demire şekil verilebilecek derecede ısınması sonucunda meydana gelmiş gelmiştir. Bir diğ diğer teori ise, insanların dünyaya düş düşen meteorlar sayesinde demiri iş işlemeyi öğ öğrendikleridir. İnsanlar, büyük ihtimalle meteorla gelen metali dövüp, işleyerek ilkel araç-gereç ve silah yapabildiler diye kabul edilir. Demir ve çelik 5000 yıldır kullanılmakla beraber, iki yüzyıl öncesine kadar yalnızca silah ve eş eşya yapımında yer almışlardır. Ancak, 18. yüzyılda İngiltere’de ham demir üretiminin baş başlamasıyla birlikte demir yapı malzemesi olarak kullanılmaya baş başlanmıştır. Demir kullanılarak inş inşa edilen ilk yapılar köprülerdir. Kullanılan ilk malzeme fonttur. Fontun basınç dayanımı yüksek, çekme dayanımı ise düş düşüktür.
Coalbrookdale Köprüsü
Font kullanılarak inş inşa edilen ilk köprü yaklaş yaklaşık 1778 yılında tamamlandığı tahmin edilen İngiltere’de, Severn nehri üzerindeki Coalbrookdale Köprüsü’dür. Abraham Darby taraf ından yaptırılmıştır. Abraham Darby taş taş kömürü kullanarak kok kömürü üretebilmeyi ve demiri kok kömürü kullanarak iş işleyebilmeyi ilk baş başaran kiş kişidir. (1700’lere kadar demirin iş işlenmesinde zengin karbon içeriğ içeriği nedeniyle odun kömürü kullanılmaktaydı, ancak o y ıllarda Avrupa ormanlarının tükenmesi demirin iş işlenmesini zorlaş zorlaştırmıştı. İngiltere’de bol miktarda taş taş kömürü mevcuttu, fakat taş taş kömüründe yeterli karbon yoktu. Bu nedenlerle, kok kömürü çelik çağ ça ğını baş başlatan büyük bir buluş buluş olarak kabul edilir.)
Ancak, Darby’nin işlediğ lediği demirin kalitesi iyi değ değildi. İşlenen İşlenen demirin içi karbon köpüğ köpüğüyle doluydu, saat yapımı gibi ince iş işler için elveriş elverişsizdi. Üstelik fontun çekme dayanımı iyi değ değildi. Yine bir İngiliz olan Henry Cort yaklaş yaklaşık 1784 yılında pudlalama metodunu geliş geliştirerek iyi kalitede dövme çelik üretimini mümkün k ılmıştır. Bu buluş buluş sayesinde sanayiye yetecek miktarda iyi kalite çelik elde edilebilmiş edilebilmiş ve odun kömürü ile demir iş işleyen Rusya ve İsveç`in tekeli kaldırımıştır. Böylece İngiltere çelik piyasasına hâkim olmuş olmuş ve gerek madeni, gerekse üretim yöntemiyle dünyaya kendini kabul ettirmiş ettirmi ştir. Bu dönemde İngilizler madencilikte dünyada rakipsiz duruma yükselmiş yükselmişlerdir. Birçok ülke, İngiliz mühendislerini davet edip, kendi ülkelerinde demir fabrikaları kurmakla görevlendirmiş görevlendirmişlerdir. Fransa ve Almanya`da ilk yüksek f ırını Britannia Köprüsü İngilizler kurmuş kurmuştur (1787). O yıllarda dövme çelik kullanılarak dolu gövdeli ana kiriş kirişli ve kafes ana kiriş kiri şli köprülerin yapımına baş başlandı. Bunlardan birisi, 1846’da İngiltere’de inş inşa edilen 140 m açıklıklı Britannia Köprüsü’dür. İlerleyen yıllarda Bessemer (1855), Siemens-Martin (1864), Thomas (1879) yöntemlerinin bulunmasıyla ham demirin sıvı haldeyken arıtılması sağ sa ğlanmış ve dökme çelik üretimi olanağ olanağı ortaya çıkmıştır. Böylece 1800’lü yılların sonlarından itibaren dökme çelik, en çok üretilen cins olmuş olmuştur. Özellikle 20. yüzyılın baş başında elektrik f ırınlarının da kullanılmaya baş başlanmasıyla da çelik yap ı tekniklerinde büyük ilerlemeler meydana gelmiş gelmiştir. Çelik yapıların hızlı inş inşa edilebilmesi nedeniyle birinci dünya savaş savaşı sonrasında, ikinci dünya savaş savaşı sırası ve sonrasında çelik yapı inş inşası yaygın olarak gözlenmiş gözlenmiştir. Birinci dünya savaş savaşı sonrasında dağ dağılan sanayinin yeniden üretime geçebilmesi amacıyla çelik inş inşası tercih edilmiş edilmiştir. İkinci dünya savaş savaşı sırasında ise Alman ordusunun Volga Nehri’ne kadar onlarca devletin arazilerini iş i şgal ederek, sanayi binalarının donanımlarını söküp yeni arazilere taş taşıması ve bu arazilerde hızlı sanayi üretimine geçebilmesi ancak çelik taş taşıyıcı sistemlerin kullanılması ile mümkün olmuş olmuştur. Savaş Savaş sonrasında ise, sanayi, sosyal-spor tesisleri, okul ve konut binalarının h ızla yapılması ihtiyacı, ancak çelik kullan ımı ile mümkün olabilmiş olabilmiştir. Böylelikle çelik yapı taş taşıyıcı sistemlerinin hesaplama yöntemlerinin ve tasarım esaslarının geliş gelişmesi mümkün olmutur. Bu süreçte kaynak teknikleri de geliş geli şmiş miştir.
YTÜ İnşaat Müh. Böl. Çelik Yap ılar I Ders Notlar ı
Yrd. Doç. Dr. Devrim ÖZHENDEKCİ
Zamanımızda çelik konstrüksiyonların k ısımları, ulaş ulaşım olanaklarına bağ bağlı olarak, mümkün olduğ olduğunca büyük parçalar halinde, kaynaklı birleş birleşimler yapılmak suretiyle atölyelerde hazırlanır. Bu k ısımlar şantiyede genellikle bulonlu montaj birleş birleşimleriyle birleş birleştirilerek çelik konstrüksiyon tamamlanır.
ÇELİK ÜRETİMİ* Demir, yerkabuğ yerkabuğunda en çok bulunan metaldir ve kabuğ kabuğun yaklaş yaklaşık olarak % 4,5 unu teş te şkil eder. Meteorlar haricinde serbest bir eleman olarak bulunmaz. Doğ Doğada demir cevheri; - oksitler [magnetit (Fe3O4) ve hematit (Fe2O3)], - hidroksitler [geotit (FeO(OH)) ve limonit (FeO(OH)·nH2O)], - karbonatlar [siderit(Fe2CO3)] halinde bulunur (Ş (Şekil 1). Hemen tüm cevher türleri Silisyum Oksit (Si 2O) ihtiva etmektedirler. Çoğ Çoğu cevher türleri az miktarda Fosfor, Alüminyum, Kükürt, vb. elementler içermektedir.
(a) (b) (c) (d) (e) Şekil 1. Demir cevherleri (a) Magnetit, (b) Hematit, (c) Geotit, (d) Limonit, (e) Siderit Demir cevheri, yüksek f ırında kok kömür ile yak ılıp ergitilerek ham demir elde edilir. Kok kömürünün iki fonksiyonu vardır; birincisi gerekli sıcaklığı sağ sağlamak, ikincisi ise demir ile kimyasal reaksiyona girmek. Kok kömürdeki karbon demir ile alaş alaşım meydana getirir, ayrıca bu alaş alaşım yani ham demir cevherden gelen Silisyum, Alüminyum, Kükürt gibi maddeleri de ihtiva eder. İşlem İşlem sonunda cüruf ve yüksek f ırın gazları da ortaya çıkar. Cüruf, yoğ yoğunlu unluğğu az olduğ olduğundan ergimiş ergimiş ham demirin üzerinde toplanır ve yüksek f ırındaki cüruf deliğ deliğinden dışarıya atılır. Elde edilen ham demirin karbon oranı yüksek (%3-5) olduğ olduğundan şekil değ değiştirmeye ve kaynaklanabilmeye elveriş elveri şli değ değildir. Bu nedenlerle ham demir işlenerek, kullanılan yöntem ve katk ılara bağ bağlı olarak çelik veya dökme demir üretilebilir. Dökme demir kupol f ırınında üretilir. İçeriğ çeriğinde yaklaş yaklaşık olarak %2~4 oranında karbon vardır. Çelik ise Siemens-Martin, Elektrik Ark ı, Oksijen Üfleme gibi yöntemlerle elde edilebilir. Bu yöntemler sonucunda dökme çelik, dövme çelik veya hadde ürünü çelik elde edilir. Isıl işlem sırasında eriyik hale gelmiş gelmiş çeliğ çeliğin bünyesinde karbon monoksitten dolayı gaz habbecikleri bulunur. Bu haldeki çeliğ çeliğe gazı alınmamış çelik denir. Silisyum, Alüminyum, Manganez, Kalsiyum gibi maddeler eklenerek, eriyik halde bulunan çelikteki oksijen bağ bağlanarak gaz habbeciklerinin oluş oluşumu engellenir. Böyle çeliğ çeliğe ise gazı alınmış çelik denir. Gazı alınmış çelikte kükürt ve fosforun yoğ yo ğunlaş unlaştığı yerler (yığılma bölgeleri) daha az oluş oluştuğ tuğundan, bu çelik kaynaklanma, yorulma ve bükülme bak ımından daha elveriş elverişlidir. Üretilen çelik haddeleme adı verilen şekillendirme iş işlemine tabi tutulursa istenilen şekli alan ürünler elde edilir (Ş (Şekil 2). Haddeleme belirli bir sıcakl ığın üstündeki çelikte yapılabildiğ labildiği gibi göreceli olarak daha düş düşük sıcaklıktaki çelik malzemeye de uygulanabilir. Dolayısıyla; haddeleme yöntemi sıcak veya soğ soğuk olarak adlandırılır. Soğ Soğuk haddeleme, görece düş düşük sıcaklıkta malzemeye verilen plastik deformasyonun derecesine bağ bağlı olarak çeliğ çeliğin mekanik özelliklerini değ değiştirir, oysa metalin plastik şekil değ değiştirmesi belirli bir sıcaklığın üzerinde yapılırsa, mekanik özelliklerinde herhangi bir değ değişiklik olmaz. Sıcak haddeleme sırasında kalıplara döküm yapılarak çelik katı eriyiğ eriyiğinden elde edilen slab, kütük veya blum denilen mamüller merdaneler yarımıyla şekillendirilir. Genelde haddeleme iş işlemi sırasında sıcaklık 12000C-8000C aralığında değ değişmektedir.
YTÜ İnşaat Müh. Böl. Çelik Yap ılar I Ders Notlar ı
Yrd. Doç. Dr. Devrim ÖZHENDEKCİ
Zamanımızda çelik konstrüksiyonların k ısımları, ulaş ulaşım olanaklarına bağ bağlı olarak, mümkün olduğ olduğunca büyük parçalar halinde, kaynaklı birleş birleşimler yapılmak suretiyle atölyelerde hazırlanır. Bu k ısımlar şantiyede genellikle bulonlu montaj birleş birleşimleriyle birleş birleştirilerek çelik konstrüksiyon tamamlanır.
ÇELİK ÜRETİMİ* Demir, yerkabuğ yerkabuğunda en çok bulunan metaldir ve kabuğ kabuğun yaklaş yaklaşık olarak % 4,5 unu teş te şkil eder. Meteorlar haricinde serbest bir eleman olarak bulunmaz. Doğ Doğada demir cevheri; - oksitler [magnetit (Fe3O4) ve hematit (Fe2O3)], - hidroksitler [geotit (FeO(OH)) ve limonit (FeO(OH)·nH2O)], - karbonatlar [siderit(Fe2CO3)] halinde bulunur (Ş (Şekil 1). Hemen tüm cevher türleri Silisyum Oksit (Si 2O) ihtiva etmektedirler. Çoğ Çoğu cevher türleri az miktarda Fosfor, Alüminyum, Kükürt, vb. elementler içermektedir.
(a) (b) (c) (d) (e) Şekil 1. Demir cevherleri (a) Magnetit, (b) Hematit, (c) Geotit, (d) Limonit, (e) Siderit Demir cevheri, yüksek f ırında kok kömür ile yak ılıp ergitilerek ham demir elde edilir. Kok kömürünün iki fonksiyonu vardır; birincisi gerekli sıcaklığı sağ sağlamak, ikincisi ise demir ile kimyasal reaksiyona girmek. Kok kömürdeki karbon demir ile alaş alaşım meydana getirir, ayrıca bu alaş alaşım yani ham demir cevherden gelen Silisyum, Alüminyum, Kükürt gibi maddeleri de ihtiva eder. İşlem İşlem sonunda cüruf ve yüksek f ırın gazları da ortaya çıkar. Cüruf, yoğ yoğunlu unluğğu az olduğ olduğundan ergimiş ergimiş ham demirin üzerinde toplanır ve yüksek f ırındaki cüruf deliğ deliğinden dışarıya atılır. Elde edilen ham demirin karbon oranı yüksek (%3-5) olduğ olduğundan şekil değ değiştirmeye ve kaynaklanabilmeye elveriş elveri şli değ değildir. Bu nedenlerle ham demir işlenerek, kullanılan yöntem ve katk ılara bağ bağlı olarak çelik veya dökme demir üretilebilir. Dökme demir kupol f ırınında üretilir. İçeriğ çeriğinde yaklaş yaklaşık olarak %2~4 oranında karbon vardır. Çelik ise Siemens-Martin, Elektrik Ark ı, Oksijen Üfleme gibi yöntemlerle elde edilebilir. Bu yöntemler sonucunda dökme çelik, dövme çelik veya hadde ürünü çelik elde edilir. Isıl işlem sırasında eriyik hale gelmiş gelmiş çeliğ çeliğin bünyesinde karbon monoksitten dolayı gaz habbecikleri bulunur. Bu haldeki çeliğ çeliğe gazı alınmamış çelik denir. Silisyum, Alüminyum, Manganez, Kalsiyum gibi maddeler eklenerek, eriyik halde bulunan çelikteki oksijen bağ bağlanarak gaz habbeciklerinin oluş oluşumu engellenir. Böyle çeliğ çeliğe ise gazı alınmış çelik denir. Gazı alınmış çelikte kükürt ve fosforun yoğ yo ğunlaş unlaştığı yerler (yığılma bölgeleri) daha az oluş oluştuğ tuğundan, bu çelik kaynaklanma, yorulma ve bükülme bak ımından daha elveriş elverişlidir. Üretilen çelik haddeleme adı verilen şekillendirme iş işlemine tabi tutulursa istenilen şekli alan ürünler elde edilir (Ş (Şekil 2). Haddeleme belirli bir sıcakl ığın üstündeki çelikte yapılabildiğ labildiği gibi göreceli olarak daha düş düşük sıcaklıktaki çelik malzemeye de uygulanabilir. Dolayısıyla; haddeleme yöntemi sıcak veya soğ soğuk olarak adlandırılır. Soğ Soğuk haddeleme, görece düş düşük sıcaklıkta malzemeye verilen plastik deformasyonun derecesine bağ bağlı olarak çeliğ çeliğin mekanik özelliklerini değ değiştirir, oysa metalin plastik şekil değ değiştirmesi belirli bir sıcaklığın üzerinde yapılırsa, mekanik özelliklerinde herhangi bir değ değişiklik olmaz. Sıcak haddeleme sırasında kalıplara döküm yapılarak çelik katı eriyiğ eriyiğinden elde edilen slab, kütük veya blum denilen mamüller merdaneler yarımıyla şekillendirilir. Genelde haddeleme iş işlemi sırasında sıcaklık 12000C-8000C aralığında değ değişmektedir.
YTÜ İnşaat Müh. Böl. Çelik Yap ılar I Ders Notlar ı
Yrd. Doç. Dr. Devrim ÖZHENDEKCİ
Şekil 2. Çeşitli ürünlerin haddelenme aşamaları Bazı Hadde Ürünleri: 1- Profiller ● I Profilleri
Normal I (I veya IPN)
Orta Genişlikte I (IPE)
c h-2c
c
Örnek: I 300 h=300 mm b=125 mm s=r1=10,8 mm t=16,2 mm r 2=6,5 mm c= 29,5 mm h-2c=241 mm
Geniş Başlıklı I (IPB veya HEB)
Geniş Başlıklı Ağır I (IPBv veya HEM)
Profil boyut aral ıklar ı: I 80 – I 600 IPE 80- IPE 600 IPB 100- IPB 1000 IPBv 100- IPBv 1000
