Çelik Yapı

Çelik tasarımı

Çelik yapı, çeliğin yapı inşasında taşıyıcı ve ana malzeme olarak kullanıldığı, inşaat mühendisliğinin alt dalını ifade eder. Bu yapı inşâsına, Türkçe çelik yapı anlamına gelen İngilizce "Steel construction" tamlamasının dilimize uyarlanmış hâliyle çelik konstrüksiyon da denir.

Çelik yapıda, inşaat çeliğinden imâl edilen haddelenmiş çelik kirişler, levhalar ve borular, destekleyici bir yapı oluşturmak için cıvatalama, kaynak veya perçinleme yoluyla birleştirilir. Çelik konstrüksiyonun bir diğer temel yapısal unsuru, destekleyici yapının münferit çubuklarını birbirine bağlayan köşebent plakasıdır. Saf çelik konstrüksiyona ek olarak, çelik elemanları betonla birleştiren çelik kompozit konstrüksiyon, çelik iskelet konstrüksiyon ve çelik bina konstrüksiyonu da vardır. Çelik yapılar Avrupa Birliği bölgesinde, Eurocode 3: Çelik yapıların tasarımı (EN 1993) uyarınca tasarlanır.

1911 yılına ait bir Filtre Binası inşaası, New York

Şu anda iki yaygın çelik tasarımı yöntemi vardır: İlk yöntem İzin Verilebilir Mukavemet Tasarımı (ASD) yöntemidir, Türk Çelik Yönetmeliği'nde Güvenlik Katsayıları ile Tasarım (GKT). İkincisi, Yük ve Direnç Faktör Tasarımı (LRFD), Türk Çelik Yönetmeliği'nde Yük ve Dayanım Katsayıları ile Tasarım (YDKT) yöntemidir. Sistem analizleri doğrusal-elastik teoriye göre gerçekleştirilebilir.

Tarih

Günümüzden 3-4 bin yıl önce Hitit döneminde demirin kullanılmasından ardından Antik Yunan ve Mısır döneminde demirin yapı malzemesi olarak kullandılğı görülmüştür. Önceleri odun kömürü pişirlen demir 1490'larda görece yüksek kapasiteli fırınlarda pişirilecek işlenmeye başlandı. 1500'lü yıllarda ilk haddehaneler tanıtıldı. Dövme demir olarak üretilen ferforjeler duvar işçiliğini güçlendirmek için dübel ve bağ yapıları görevinde kullanıldı. 6. yüzyılın başlarında İstanbul'daki Ayasofya'da kemerlere demir kolonlar yerleştirilmişti. Benzer şekilde Rönesans Dönemi'ndeki kubbelerde de demir çubuklar güçlendirme yapı elemanı olarak kullanılıyordu.

Çelik yapı örneği

Dünyanın ilk dökme demirden inşa edilmiş köprüsü Coalbrookeadale Köprüsü, İngiltere'nin Shropshrie bölgesinde 1779'da inşa edilmiştir.

Çeliğin yapı malzemesi olarak kullanımı özellikle demiryollarının popüler hale gelmesi ile paralel olmuştur. 1800'lü yıllarda dövme demir, dökme demir ve çelik kullanımı vardı ancak çelik bu sıralamanın sonlarındaydı. Dövme demir feforje olarak genellikle kapı ve korkuluk gibi yapı aksesuarı olarak kullanılmaktaydı. 1855 yılında İngiltere'de Sir Henry Bessemer tarafından bulunan Bessemer Yöntemi çelik üretiminde verimi arttırdı. Ancak hala çelik üretimi pahalı olduğu için yapı malzemesi olarak tercih edilmiyordu. 1879'da mucit Sidney Thomas çelikten fosforu ayırmayı başararak daha kaliteli çelik elde etti. 1871 yılında Amerika'da meydana gelen Büyük Chicago Yangını sonrası binlerce ahşap bina yok oldu. Bu durum yöneticilerin yanıcı olmayan taş ve tuğşa gibi yapı malzemelerine yönelmesini sağladı. Ancak büyüyen şehirlerin ihtiyacını karşılamak için çeliğe gereksinim duyuldu.

1910 Toronto Evening Telegram'da yayınlanan Union Bank inşaatını gösteren resim

1885 yılında tamamlanan Chicago Ev Sigortası Binası (orj:The Home Insurance Building in Chicago) çelik çerceve iskelet ve betonarme kullanarak yapılan 10 katlı bir bana olarak dönemin geniş çapta tanınan ilk binası oldu. 1931'de yıkılan bu bina ilk gökdelen olarak bilinmektedir. 1890 yılında tamamlanan yine Şikago'da bulunan The Rand McNally Binası tamamı çelik çerçeveli olarak tasarlanan ilk binadır. O dönem Burnham ve Root tarafından tasarlanan bina 1 milyon dolara mal olmuş ve 1911'de yıkılmıştır.

1900'lerin başlaırnda çelik üretimindeki teknolojik ilerlemeler daha kaliteli ve daha hızlı üretim yapılmasını sağladı. 1913 yılında o dönemim dünyanın en uzun binası olan Woolworth Binası 60 katlı çelik yapı olarak inşa edildi.1928'de Chrysler Binası çelik destekli tuğla bina olarak inşa edildi.

Tasarım Aşamaları

Geometrik Kararlar

Yapının kullanım amacına uygun şekilde tasarlanması için gereksinimlere göre yapı geometrisi tasarlanır. Bu gereksinimler sadece inşaat mühendisleri tarafından değil birçok disiplinler tarafından belirlenebilir. Ekipmanların yerleşimi, mimari unsurlar, kullanım kapasitesi ve yapının konumu gibi birçok unsur geometrik kararları doğrudan veya dolaylı olarak yapı geometrisine etki eder.

Yapıya Etkiyen Yüklerin Belirlenmesi

Bu aşamada inşaat mühendisleri yapının konumuna göre etki edecek rüzgar, kar ve deprem yüklerini ilgili şartnamelere göre hesaplarlar. Yapının kaplama türüne göre ağırlığını, varsa taşıdığı ekipmanların oluşturduğu statik ve dinamik yükleri, diğer hareketli ve kalıcı yükleri hesaplarlar.

Statik Analizin Yapılması

Günümüzde yapılar karmaşık sistemlere sahiptir bu nedenle el hesabı ile statik hesaplarını yapmak oldukça zordur. İnşaat mühendisleri statik ve dinamik analizlerin yapılması için bu konuda özelleşmiş genellikle sonlu elemanlar yöntemi ile çalışan bilgisayar programlarını kullanırlar. Doğrusal veya doğrusal olmayan analiz yöntemleri ile yapının analizini gerçekleştirirler. Analiz yöntemlerinde ilave koşullar yapının yapılacağı bölgede geçerli yönetmeliklere göre gerçekleştirilir.

Kesit Tasarımı Yapılması

Analizden sonraki aşama olan kesit tasarımı yapının bulunduğu bölgede geçerli olan yönetmeliklere göre yapılır. Analizden elde edilen kesit tesirlerine göre uygun kesitler seçilir. Burada sadece gerilme kontrolü değil aynı zamanda sehim kontrolüde yapılır. Ayrıca yönetmeliklerin belirlediği diğer kurallar uygulanır.

Yine analizden gelen kesit tesirlerine göre elemanların bağlantıları hesaplanır. Karmaşık bağlantılar için bilgisayar programları kullanılabilirken, görece daha basit bağlantılarda el hesabı yapmakta mümkündür.

Çizimlerin Oluşturulması

Kesitlerin ve bağlantıların belirlenmesinden sonra yapının imalat ve montaj çizimlerinin hazırlanması gerekir. Fabrikada imal edilecek ve sahada montaj edilecek her bir parçanın çizimleri hazırlanır. 3D modelleme programları ile bu çizimlerin yanı sıra CNC kesimleri için çizimler oluşturulur.

İmalat ve Montaj

Hazırlanan çizimlere göre imalat süreci başlar. Çizimlerde belirtilen ölçülerde parçalar kesilir, delinir ve kaynatılır. İhtiyaca göre boyanarak sahaya montaj edilmek üzere sevk edilir. Sahaya gelen parçalar yine çizimlerde belirtilen şekilde birbirlerine kaynak veya civata ile bağlanır. İmalat ve montajın projeye uygunluğu her aşamada yetkili mühendislerce kontrol edilir.