Çeliğin özellikleri, yapı malzemesi olarak kullanılması, tarihi, modern çeliğin başlangıcı, font demir kullanılarak yapılan ilk çelik köprü, Ditherington Flax Mill, Palais Des Machines, Crystal Palace, First Lieter, Home Insurance Chicago binaları , çeliğin fiziksel, kimyasal ve mekanik özellikleri hakkında bilgi vereceğiz.
İçerik Tablosu
YAPI MALZEMESİ OLARAK ÇELİK
Çeliğin Tarihi
Demirin ilk kez M.Ö. 1500 yıllarında Kuzey Anadolu ve Kafkasya’da üretildiğinin ve kullanıldığının bilinmesine karşın, ülkemizde yapı malzemesi olarak yeterince bilinmeyen ve ilgi görmeyen çeliğin binalarda kullanılması, dökme demirin 19.yy ortalarında binalarda kullanılmasıyla başlar. Çeliğin tarihte mimari yapılardan önce kullanımı özellikle köprülerde bir tür demir-karbon alaşımı olan font’un taşıyıcı sistem malzemesi olarak kullanımı ile mühendislik yapılarında başlamıştır. Font özelliklerinin bir getirisi olarak basıç mukavemeti yüksek bir malzemedir ama bununla beraber çekme mukavemeti düşüktür. Bu yüzden ilk inşa edilen köprüler dökme çeliğinin mühendislik alanında kullanılmasına kadar kemerli şekilde yapılmıştır. Font kullanılarak yapılan ilk köprü ise, 1778’de İngiltere’de Severn nehri üzerinde inşa edilmiştir. 31 metrelik bir açıklık geçen bu köprü, font kullanımı nedeniyle kemerli bir yapıya sahiptir. (Şekil 2.1)
Modern çeliğin başlangıcı
Kaynak ile birleştirme tekniklerinin geliştirilmesi ile beraber, artık yapı elemanları önceden fabrikalarda birleştirilip, sonra şantiyede birleştirilmeye başladı. Bu durumda modern çelik taşıyıcı sistem anlayışının bağlangıcı oldu. Mühendislik yapılarında kullanılan, geniş açıklıkların geçilmesini sağlayan ve yüksek mukavemete sahip bu yeni taşıyıcı sistem malzemesinin binalarda da kullanılması için çalışmalar yapılmaya başlandı. Çeliğin, Bessemer (1855), Martin (1856), Thomas (1878) yöntemleri ile ile dökme demirin yerini alması ile bu çalışmaların sonucu olarak 1876’da Ditherington Flax MilPde ilk çelik iskelet yapı inşa edildi. (Şekil 2.2)
Endüstri devriminin bazı tarihçilere göre başlangıcı olarak kabul edilen, 1851 yılında düzenlenen Uluslararası Endüstri Fuarı için yapılmış olan Crystal Palace binası tüm bileşenlerinin fabrikasyona dayalı olması, elemanların sökülüp yapının Hyde Park’tan sonra Sydenham’da kullanılması, çeliğin yapılarda taşıyıcı sistem malzemesi olarak kullanılması açısından Crystal Palace binasının önemini ortaya koymaktadır. Aynı şekilde malzeme olarak çeliğin üstünlüklerinin kullanıldığı bir başka yapıda Paris Evrensel Sergisi için tasarlanmış olan Palais Des Machines binasıdır. Bu iki yapıyla ulaşılan başarılara son noktayı da Evrensel Sergisi için 1900’da tasarlanan yapı ortaya koymuştur. (Şekil 2.3)
İlk çelik iskeletli gökdelen
1885 ve 1895 yılları arasında Chicago’da Sullivan’ın önderi olduğu okul ilk metal iskeletli yapıları yaparken, 20 y.y’ın başlarına kadar Amerika’da çok katlı yapılar, kolon ve kirişler font olarak ve bağlantıları elle bulon kullanılarak yapılmıştır. Le Baron Jenney tarafından, 1879 yılında First Leiter binası ile 1885 yılında Home Insurance binası ile çelik iskeletli yapılar için öncü olmuştur. Her iki yapıda silindir dökme kolonlardan ve çelik I profillerden oluşan basit taşıyıcı sisteme sahiptir. Home Insurance binası 12 katlı ve 55 metre yüksekliğinde olması nedeniyle tarihte, ilk çelik iskeletli gökdelen olmuştur. (Şekil 2.4)
Çeliğin özellikleri değiştirilmesi – yapılarda kullanımının yaygınlaşması
20 y.y’ın başları ile beraber yaygınlaşan endüstri devrimi ve modern mimarlığa ek olarak geliştirilen özel çelik profiller ve kaynakla birleştirme teknikleriyle, özellikle cama ağırlık veren bir mimari ortaya çıktı. Bu gelişmelerin bir sonucu olarak, çeliğin yapılarda kullanımı da yaygınlaşmaya başladı. Mies van der Rohe’nun Barcelona pavyonu veya Seagram binası, Walter Graphius’un Fagus fabrikaları, dönemin en önemli çelik yapılan olarak göze çarpar. O günlerden bugüne çelik, yeni mimarinin geliştirilmesinde önemli rolünü hala sürdürmektedir. (Şekil 2.5)
Malzeme Olarak Çeliğin özellikleri
Yapı çeliği yada yapısal çelik olarak adlandırılan taşıyıcı sistemlerde kullanılan çelik, ergitilmiş demir cevherine % 0.2 – 1 oranında karbonun ve diğer katkı malzemelerinin katılmasıyla oluşan, kolay işlenebilen ve dayanım/yoğunluk oranı yüksek bir bileşiktir. Yapı çeliğini, St37 olarak adlandırılan ve akma sınırı 2400 kg/cm2 olan normal yapı çeliği ve St50 ce St52 olarak adlandırılan ve akma sınırı 3000-3600 kg/cm2 arası olan yüksek dayanımlı çelikler olarak ikiye ayırabiliriz. Her yapı malzemesi gibi çeliğinde bilinmesi gereken ve belirleyici olan, fiziksel, kimyasal ve mekanik özellikleri mevcuttur.
Çeliğin Fiziksel özellikleri
Taşıyıcı sistem malzemesi olarak kullanılan çelikler genellikle aynı fiziksel özelliklere sahiptir. Bununla beraber, diğer malzemelere oranla, çelik taşıdığı yükün yoğunluğuna oranı bakımıyla oldukça avantajlı bir yapı malzemesidir. Bu nedenle taşıyıcı sistemde kullanılan elemanlar küçük kesitli olurlar. Isıl genleşmeyle şekil değiştirme oranı ahşaba oranla çok yüksek olan çeliğin bu oranı betonarme ile nerdeyse aynı düzeydedir, (tablo 2.1)
Tablo 2.1. Çelik ile betonun fiziksel özelliklerinin karşılaştırılması
|
Elastisite modülleri karşılaştırıldığında betonarmeye oranla 7-8 kat daha sünek bir malzeme olan çelik, bu özelliği sayesinde deprem ve rüzgar gibi yükler karşısında şekil değiştirmesinin yüksek olması nedeniyle dayanıklı bir malzemedir.
Çeliğin Kimyasal özellikleri
Oluşum aşamasında içinde bulundurdukları elementler veya bunların kimyasal özelliklerine göre çelik türlerini, karbon çeliği, paslanmaz çelik, özel alaşımlı çelikler ve yüksek dayanımlı çelikler olarak dört ayrı grubta incelemek mümkündür. Bu farklı özellikler sayesinde çeliğin yapılarda kullanım alanları değişmektedir.
Genel olarak çelik demir cevherine %0.1 ile %1 oranında karbon katılmasıyla üretilir ama bununla beraber çeliğin bünyesindeki karbon miktarındaki artış çeliğin kırılganlığını artırmaktadır. Bu durumda çeliğin işlenebilmesi açısından sakıncalı bir durum doğurmaktadır. Ayrıca çeliğin oluşturulması sırasında, demirden kırılganlığı artıran fosfor ve kükürt gibi elamanlar uzaklaştırılırken; vanadyum, manezyum, molibden, alüminyum, bakır, krom veya nikel gibi malzemeler katılarak, korozyona karşı direnç artırma, dayanımın ve sertliğin artırılması veya daha büyük kesitli çeliklerin elde edilmesi sağlanabilmektedir.
Çeliğin Mekanik Özellikleri
Çelik malzemenin fiziksel ve kimyasal özellikleri bilinen ve malzemenin tasarımda kullanılıp, kullanılamayacağını belirleyen özelliklerdir. Bununla beraber, mekanik özellikler, çeliğin kimyasal bileşime ve üretim şekline bağlı olarak malzemenin kullanılması istenen amaç doğrultusunda belirlenebilir. Çeliğin mekanik özellikleri ele alınacak olunursa, akma dayanımı ve kopma dayanımı gibi iki önemli kavramın belirleyici olduğu görülür. (Şekil 2.6)
Şekilde görüldüğü gibi taralı alanda elastik limit olan A noktasına kadar, deformasyon düşüktür ve gerilme ile doğru orantılıdır. A noktasına kadar oluşan şekil değiştirme elastiktir ve kuvvetin ortadan kalkması ile çelik başlangıçtaki boyuna döner. Gerilme, elastik limitin üzerine çıkacak olursa, malzemenin davranışında değişiklikler ve kalıcı deformasyonlar oluşur. D noktasına karşılık gelen noktadan itibaren gerilmede artış olmasa bile kalıcı deformasyonda artış olur ve bu nokta çeliğin akma dayanımını gösterir.
E noktasına, ulaşıldığında, gerilme azalmaya başlar ve F noktasındaki kopma gerilmesi, E noktasındaki çekme gerilmesinden düşük olur. F noktasında, şekil değiştirme oranı yüksektir ve bu değer uzama olarak adlandırılır. Yüksek uzama değerine sahip çelikler güvenlidir ve kopma noktasında, kesitte azalma olur ve toplam uzama düktiletinin ölçüsüdür. Akma ve çekme gerilmeleri yükseldikçe düktilite düşer ve düktil özelliğe sahip çelikler hemen kopmaz.
Kaynak
Mimar Ozan Özyiğit
ÇELİK YAPILARIN ELEMAN VE BİLEŞEN DÜZEYİNDE İNCELENMESİ
Paylaşmak Güzeldir
