Hafif Çelik Yapılar

Henry Bessemer 19. yy’ da Bessemer prosesi adını verdiği ilk pahalı olmayan endüstriyel prosesi bulduktan sonra verimli ve ucuz çelik üretimine başlanmıştır. Çeliğin dayanımının ve sünekliliğinin yüksek olması sebebi ile 19. yy’ ın sonlarından itibaren Amerika’ da, 20. yy’ın başlarından itibaren de Britanya’ da inşaat sektöründe kullanılmaya başlanmıştır.

Çelik karkasın sahaya montaja hazır şekilde sevk edilmesi ve işlenme kolaylığı nedeniyle işçilik ve üretim maliyetlerinin düşürülmesi nedeniyle konut amaçlı “prefab” (ön üretimli) hafif çelik yapıların inşası artmıştır. Hafif çelik, 2. Dünya Savaşı Bittikten sonra hızlı ve ekonomik olarak üretilip montajı yapılabildiği için Avrupa ülkeleri arasında kullanımı hızla yaygınlaşmıştır.

Amerika’ da 1930’larda sıcak büküm çeliğin tasarım kriterleri standartlaştırılmıştır. 1946 yılına kadar soğuk büküm çelik için herhangi bir tasarım kriteri belirlenmemiştir. 1946’da AISI (American Iron and Steel Insitute) ne bağlı olarak Cornell Üniversitesi Profesörü George Winter’ın ilk araştırmaları sonucunda yönetmelik yayınlanmıştır. 1991 yılında yük ve dayanım faktör tasarımı Wei-Wen Yu ve Theodore V. Galambos tarafından enstitüye bağlı olarak yayınlanmıştır. 1996 yılında iki çalışma birleştirilerek genişletilmiş ve günümüzde kullanılan asıl yönetmelik oluşturulmuştur.

Türkiye’de hafif çelik üretimi ve satımını yapan firmaların tarihlerine bakıldığında 40 seneyi geçmediği görülmektedir. Bu da Türkiye’de hafif çelik sektörünün en fazla 40 seneye dayandığını gösterir. Fakat ülkemizde oluşan depremler, endüstriyelleşme sonucunda hafif çelik yapılara olan ihtiyaç oluşmuştur. Hafif çelik sektöründe adı geçen firmalar özellikle 1999 depreminden sonra büyüme ve gelişme göstermişlerdir. Zamanla ülkemizde oluşan ihtiyaç ve komşu ülkelerde olan savaşlardan dolayı hafif çelik sektörümüz büyümüş ve dış ülkelere açılmışlardır.

Hafif Çelik Yapıların Kullanım Alanları

Hafif çelik yapıların ülkemizde kullanımı son yıllarda oldukça artmıştır. Hafif çelik yapılar ilk başlarda şantiye binaları olarak kullanılıyordu. Fakat zamanla deprem evleri olarak yapılmaya başlandı. Artık okul, kreş, yurt, işyeri, mescit, lokanta, halk pazarı, konut ve daha birçok alanda uygulanıyor. Fakat konut olarak inşaat piyasasında hala olduğu yerde değildir. Amerika ve Avrupa’da konut olarak çok yaygın kullanılmasına rağmen ülkemizde kullanıcılar tarafından şüpheyle karşılanmaktadır.
 

Hafif çelik yapılarda önceden üretilebilme imkânı olduğundan dolayı insan hataları en aza inmektedir. Yapı ince kesitli çeliklerden oluştuğu için diğer yapı türlerine göre 10 kata kadar daha hafiftir. Bu hafifliğinden dolayı da deprem yüklerini az aldığı için depreme karşı çok güvenlidir. Çok kötü zemin koşullarında bile uygulanabilmektedir.

Hızlı ve kolay bir şekilde montaj edilebilmektedir. İnşa aşamasında hava ve iklim koşullarından etkilenmediğinden dolayı 4 mevsim inşası mümkündür (Öztürk, 2010). Doğru şekilde galvenizlendiği zaman dış etkilerden etkilenip korozyona uğramaz. Diğer çelik sistemler ile desteklendiği zaman 3 kattan fazla yapılar da yapılabilmektedir.
 

Hafif çelik yapıların tasarımında dünyanın çeşitli bölgelerinde kullanılan AISINAS, Avrupa, Afrika ve Ortadoğu bölgelerinde kullanılan Eurocode 3, Türkiye’ de kullanılan TS 11372 gibi çeşitli yönetmelikler mevcuttur.

TS 11372: Ülkemizde çelik yapılar için 28 Nisan 1994 tarihinde TS 11372 “Çelik Yapılar Hafif-Soğukta Şekil Verilmiş Profillerle Oluşturulan-Hesap Kuralları” yönetmeliği yürürlüğe girmiştir. TS 11372 temel malzeme özellikleri TS 2162 “Genel Yapı Çelikleri” standartlarına, boyutlandırma yöntemi ise TS 648 “Çelik Yapıların Hesap ve Yapım Kuralların”a uygun olmalıdır. Basınca çalışan elemanlarda kritik cidar kalınlığı, narinlik kontrolleri sonucunda belirlenir. Bu noktada sınır narinliği 75 olarak alınmaktadır.

AISI – NAS: 1930’ lu yıllarda American Iron and Steel Institute (AISI) tarafından yayımlanan tasarım yönetmeliğidir. Canadian Standards Association (CSA)’ nın hazırlamış olduğu Kanada’da hafif çelik yapı tasarımı için kullanılan CSA S136 standardı ile birleştirilerek AISI – North American Standard (NAS) adıyla kullanılmaktadır. Hem emniyet gerilmeleri yöntemi hem de taşıma gücü yöntemi kullanılabilmektedir. Bu yöntemlerin yanı sıra limit durum tasarımı yöntemi de Kanada’da yapıların tasarımında kullanılmaktadır. Dünyadaki hafif çelik yapı tasarımında referans alınan yönetmeliklerden biridir.

EUROCODE 3: Avrupa’da hafif çelik yapı tasarımı için kullanılan yönetmeliktir. Amerikan normlarına nazaran daha teorik ve karmaşık kriterleri bulunmaktadır. Eurocode 3 ayrıca hafif çelik elemanların plastik tasarımı ile ilgili kavramları da içerir (ENV 3, 1996). Avrupa ülkelerinin haricinde Afrika ve Ortadoğu ülkelerinde de kullanılmaktadır.

Diğer Yönetmelikler: Avustralya ve Yeni Zelanda’da hafif çelik yapılar oldukça yaygındır. Bu bölgelerde National Association of Steel-Framed Housing (NASH) tarafından hazırlanan bir yönetmelik kullanılmaktadır. Ayrıca özellikle iskandinav ülkelerinde hafif çelik yapılar üzerine birçok çalışma yapılmakta ve standartlar geliştirilmektedir.
 

Hafif çelik yapıların normal çelik yapılar ve betonarme yapılar ile arasındaki farklar şu şekilde özetlenebilir;

Hafif Çelik ile Geleneksel Çelik Elemanlar Arasındaki Temel Farklar 

Söz konusu iki yapısal çelik elemanları arasında göz önüne alınabilecek pek çok fark vardır. 

Bağlantı elemanı olarak bulon ve kaynağın yanı sıra clinch olarak adlandırılan perçin benzeri ve vidalı bağlantılar yapılabilir. 

Hafif çelik elemanlarda yüksekliğin kalınlığa oranı çok fazla olduğundan dolayı bölgesel kontroller yapılmaktadır. Geleneksel çelik de ise kritik noktaların kontrolleri yapılmaktadır. 

Hafif çelik üretimi sırasında mekanik özelliklerde iyileştirmeler yapılabilir.

Hafif çelik elemanlar orta seviyede yüklerde ve orta uzunlukta açıklıklarda daha ekonomik sonuçlar vermektedir. 

Ayrıca hafif çelik sistemlerde kayma ve ağırlık merkezleri arasında dış merkezlik oluşma ihtimali yüksektir. Bu da burulma ve burkulma oluşturabileceğinden ayrıca hesap yapılması gerekmektedir.

Hafif Çelik ile Betonarme Arasındaki Temel Farklar

Türkiye’de betonarme yapıların sayısı diğer sistemli yapılara göre çok fazladır. Ülkemizde, betonu temin etmenin kolay olması, inşaat ekiplerinin fazla olması ve betonarme yapı sistemlerindeki deneyim gibi sebeplerden dolayı betonarme yapıların sayısı oldukça fazladır. Hafif çelik yapı sistemlerinin betonarme yapı sitemlerine göre çok önemli üstünlükleri bulunur.

Aynı iki mimari proje ele alındığında hafif çelik sistemli yapılar, betonarme yapılara göre çok daha hafif sistemlerdir. Bu sebepten dolayı eşdeğer deprem yükleri karşılaştırıldığında yapıya etki eden deprem yükü oldukça azalmaktadır. Hafif çelik sistemle betonarme sistem arasındaki bu fark sadece taşıyıcı sistem ağırlıklarında 18 kata çıkmaktadır.

Üstyapının hafif olmasından dolayı zemine etkiyen yük de önemli miktarda azalmaktadır. Bu konu özellikle gevşek ve taşıma gücü zayıf olan zeminlerde daha sağlam yapılar yapılabilmesine olanak sağlamaktadır.

Son olarak atölyede ön üretimli yapı malzemeleri olduğundan dolayı işçilikten doğan hatalar betonarmeye nazaran daha az olmaktadır.
 

Hafif Çelik Profiller: Hafif çelik sistemlerde kullanılan profillerin isimlendirmesi biçimlerine göre olur. Genellikle C, U ve ∑ profiller kullanılır. Hafif çelik üreticileri kendilerine ait profil tablolarını hazırlar. Bu tablolarda, hazırlanan profillerin karşısında, kesme uzunluklarına göre profillerin moment ve taşıma kapasiteleri verilir. Projelendirmede esnasında bu tablolardaki değerlerden yararlanılır. Hafif çelik yapıda genellikle C profiller kullanılır. C profiller flanş (başlık), gövde, ve dudak (lip) kısımlarından oluşur ve ölçülendirilmesi başlıkların dışından dışınadır. U profiller ise sadece flanş ve gövde kısımlarından oluşup, ölçülendirilmeleri başlıkların içinden içinedir. Amerika, Kanada ve İngiltere gibi ülkelerde inch, feet gibi ölçü birimleri kullanılır. Bu birimlerin kullanılması ile yapılan hesaplarda virgülden sonraki rakamların karışıklık yaratır. Bu sebeple flanş, gövde ve dudak boyutları gerçek boyutun 100 katı ile ifade edilir. Profil kalınlığı ise, 1000 katı ile, “Mil” adı verilerek ifade edilir. Örneğin gövde boyu 6.1 inch, flanş genişliği 2,10 inch ve kalınlığı 0.08 inch olan bir profil 610-210-80 Mil olarak ifade edilir. Ayrıca her açıklık için belirli eleman kalınlıkları kullanılacak şekilde sınıflandırılmıştır. Bu sınıflandırmaya “Gauge” adı verilmektedir. Eurocode 3 standartında taşıyıcı sistemde kullanılabilecek hafif çelik kalınlığı, minimum 0.8 mm olarak belirlenmiştir. Kalınlığı 0.6 mm ile 0.8 mm arasında olan profillerin ise taşıyıcı olmayan bölme duvarlarda kullanılmalarına izin vermiştir.

Hafif çelik sistemlerde kullanılan malzeme fabrikalarda, belirli standartlara göre üretilir. Eriyen hafif çelik, üretim bandının üzerinde silindir veya presleme yöntemi ile levha veya rulo sac haline dönüştürülür. Üretim sırasındaki silindir veya presleme işlemi, çeliğin içyapısındaki boşlukları sıkıştırıp doldurduğu için hafif çelik malzemenin daha homojen bir yapıda olmasını ve dayanımının yükselmesini sağlar. Levha veya rulo halini alan hafif çelik malzeme uygun boyutlarda kesilir. Kesilmiş levha çelik, pres kalıp, silindir kalıp veya bükme işlemi ile profillendirilir. Hafif çelik, levha halindeyken veya daha sonra uygun şekilde kesilip boyutlandırıldığı zaman galvanizleme işlemine tabi tutulur. Bu galvanizleme işlemi hafif çelik malzemeyi dış etkilere ve korozyona karşı önemli derecede korumaktadır. Eğer hafif çelik eleman boyutlandırılma işleminden sonra galvanizlenirse, sonradan herhangi bir delme, kesme gibi işlem uygulanmadığından dolayı galvaniz kaplama zarar görmez.Konu hakkında önerilen makale: abkant büküm firmaları hakkında detaylı bilgi almak için ilgili sayfayı ziyaret edebilirsiniz.

Levhalar, Trapez Levhalar ve Şeritler: Hafif çelik çerçevelerde bağlantı yüzeyini artırmak için çelik levhalar kullanılabilir. Bu levhaların kalınlığı, kullanılan profillerin kalınlığından daha az olamaz. Bağlantı noktalarındaki köşebentler, çelik levhalardan oluşturulurlar. Çelik şeritler, genellikle çaprazlamalar şeklinde kullanılır. Trapez levhalar ise yüzeysel elemanlardır. Profillerin üretim aşamaları ile aynı şekilde üretilirler.

Vidalar: Hafif çelik yapıların montajında kullanılan vidalar kendinden delme özelliğine sahiptir fakat levhanın kalınlığı 0.88 mm’ den az ise kendinden delme özelliği olan vidalar kullanılamaz. Bir vidanın ucundaki kesici kısım ne kadar uzunsa vidanın delebileceği malzeme kalınlığı da o kadar artmaktadır. Çelik ile çelik tespitinde düz başlı vidalar kullanılırken, kaplama malzemeleri ile kaplama malzemeleri veya kaplama malzemeleri ile çelik tespitinde konik başlı vidalar kullanılır. Çok amaçlı olarak kullanılan vidalar da mevcuttur.

Bulonlar: Bulonlu bağlantılar genellikle hafif çelik elemanların, beton veya diğer çelik elemanlar ile tespitinde kullanılır. Yaygın olmamakla birlikte hafif çelik elemanların hafif çelik elemanlara bağlantısında da kullanılır. Bulonlar ile bağlantı yaparken öncelikle, hafif çelik elemanlarda bulon çapından biraz daha geniş olan delikler açılır. Daha sonra bu deliklerden bulonlar geçirilir ve diğer ucuna somun takılıp bir anahtarla sıkıştırılır.

Kaynak: Hafif çelik sistemlerinde vida ve bulonlu bağlantılardan sonra en çok kaynak ile bağlantı şekli kullanılmaktadır. Bağlantı noktaları kaynak ile birbirine bağlanır. Vida ve bulonlu bağlantılara göre daha rijittir. Ancak, kaynak sırasında yüksek ısıdan dolayı galvaniz kaplama zarar görebilir. Bulonlu ve vidalı bağlantılara göre daha fazla zaman isteyen bir işlemdir. Ayrıca sökülmesi ve değiştirilmesi güçtür.

Punto ve Perçinler: Çelik-çelik birleşiminde kullanılan yöntemlerden biri de punto ile montajdır. Punto aletleri ile çelik levhalar birbirine preslenerek montaj yapılır. Bu punto aletleri hidrolik veya hava kompresi ile çalışabilir. Punto ile montajda elemanlar daha sonradan kolay kolay sökülemezler. Sökülseler dahi elemanların tekrar kullanılması zordur (HUD, 2003). Ayrıca puntolama işlemi sırasında profiller ezilir ve sonucunda da galvaniz kaplama zarar görebilir. Perçin ile montajda profil üzerine önceden delikler açılır ve bu deliklere sert alüminyum veya yumuşak çelik alaşımı perçinler yerleştirilerek ezilir. Perçin tabancası ile perçin çekilip ezilir ve böylece perçin sıkışarak montaj gerçekleştirilmiş olur. Perçin sonradan kesilerek elemanlar birbirinden ayrılabilir. Bu işlem, perçin yuvası için önceden bir delme işlemi gerektirdiği için vidalı ve puntolu birleşimlere göre daha yavaş yapılmaktadır.

Çiviler: Hafif çelik elemanların montajında özel yivli çiviler de kullanılır. Genellikle kaplamaların, hafif çelik profillere montajında kullanılır. Fakat bağlantı yöntemi olarak çivi kullanımı pek yaygın değildir. Montaj, hava kompresi ile çalışan çivi tabancalarıyla veya robot kollar ile yapılabilir.

Ankraj Bulonları: Hafif çelik yapı sistemlerinde, duvarların temellere monte edilmesinde ankrajlar kullanılır.

Tamamlayıcı Malzemeler ve Elemanlar: Hafif çelik yapı sistemlerinde, kaplama, yalıtım ve bitirme malzemeleri tamamlayıcı olarak adlandırılırlar. Taşıyıcı çerçeve ve döşeme yüzeylerde çoğunlukla kontrplak (plywood), OSB (Orient Strand Board) veya alçı levhalar kullanılır. Ayrıca yapay ahşap levhalar da kullanılabilir. Bunun yanı sıra çatıda su yalıtımı için membran, ve PVC levhalar kullanılır.

Hafif Çelik Yapılarda Korozyon

Hafif çelik yapılar için en önemli sorunlardan biri de korozyondur. Her ne kadar hafif çelik elemanlara kaplama, yalıtım vs. uygulansa da korozyona tam bir çözüm olamamaktadır. Oluşan korozyon ise yapının dayanımına doğrudan etki etmektedir. Ayrıca korozyon oluşumu sonuncunda hafif çelik miktarında azalmalar meydana gelmektedir. Bu hem ekonomik hem güvenlik hem de estetik açıdan yapıları olumsuz etkilemektedir.

Korozyon öncelikle, malzeme kaybı yaşandığı için, kesitte azalmalara ve dolayısıyla dayanım kaybına sebep olmaktadır ve bunun sonucunda da yapıları güvenlik açısından emniyetsiz yapılar haline dönüştürmektedir.

Korozyon, ekonomik olarak da zarara yol açmaktadır. Yeterli yalıtımın ve kaplamanın yapılmadığı yerlerde hafif çelik malzemenin miktarında azalmalar meydana gelmektedir. Bu azalmalar sonucunda korozyona uğrayan malzemelerin değiştirilmesi, yenilenmesi, bakım yapılması vs. nedenlerden dolayı ek maliyetler ortaya çıkmaktadır. Her yıl ülkemizin gayrisafi milli gelirinin %5’e yakını korozyon dolayısıyla oluşan hasarlar ile yok olmaktadır. Korozyon, yapının görünümü doğrudan etkilemekte, yapıya estetik açıdan da zarar vermektedir. Ayrıca korozyon sonucu malzemeler kirlenerek kullanılmaz hale gelebilmektedir.