Çeliğin avantajları olarak mimari açısından, mimari özgürlük, narinlik, kullanım fonksiyonelliği, taşıma, hafiflik, sağlamlık, deprem dayanımı, ekonomi, kolay denetim, hızlı yapı üretimi konuları incelenecektir. Çeliğin dezavantajları olarak ise korozyon, yangın dayanımı, ısı ve ses iletkenliği, eleman azlığı, malzemenin üretimi gibi konular işlenecektir.
İçerik Tablosu
- 1 Çelik Yapı Sistemlerinin Avantajları
- 1.1 Mimari Açıdan Çeliğin Avantajları
- 1.2 Taşıyıcılık Açısından Çeliğin Avantajları
- 1.3 Uygulamaya Dönük Avantajlar
- 2 Çelik Yapı Sistemlerinin Dezavantajları
Çelik Yapı Sistemlerinin Avantajları
Ülkemizde üniversitelerde bu yönde verilen eğitim yeterli olmasına rağmen, yapı ve taşıyıcı sistem tipi tercihi yapıldıktan sonra seçilen taşıyıcı sistem malzemesinde hala hatalar yapılmakta ve bunların faturası da can ve mal kaybı olarak geri dönmektedir. Bu nedenlerle, taşıyıcı sistemi oluşturması istenen taşıyıcı sistem malzemenin belirleyici özellikleri olan fiziksel, kimyasal ve mekanik özellikleri dışında, ayrıca avantaj ve dezavantajlarının bilinmesi gerekir. Bu sayede yapılması ön görülen yapıya en uygun taşıyıcı sistem malzemesi seçilebilir.
Bu çalışmada, avantajların daha iyi anlaşılması açısından çeliğin ve çelik yapı sistemlerinin avantajları, mimari açıdan avantajlar, taşıyıcılık açısından avantajlar ve uygulamaya dönük avantajlar olarak üç ana başlıkta ortaya konmuştur.
Mimari Açıdan Çeliğin Avantajları
Çeliğin gerek malzeme olarak gerekse de taşıyıcı sistemlerde kullanılması sonucu mimaride oluşturduğu avantajları inceleneceği bu bölümde genel olarak, mimari özgürlük, narinlik ve kullanım esnekliği ve fonksiyonel değişikliklere uyum olmak üzere üç ana başlık ortaya konmuştur.
Mimari Özgürlük Olarak Çeliğin Avantajları
Çeliğin yapılarda kullanılması ile beraber, geçmişte olanaksız olarak düşünülen işlemler ve istenen yükün en az malzeme ile taşınmasını sağlayan elemanlarla, alışılmışın dışında taşıyıcı sistem kullanma olanağı ile mimarların artistik özgürlükleri genişlemiştir. Özellikle günümüzün gelişmiş bütünleyici elemanları ile entegre edilebilme olanağı sayesinde çelik yapılar tasarımcıya geniş imkanlar sağlar. CAD programlarının ilerlemesi, bilgisayar kontrollü üretim imkanları ve gelişmiş birleşim tekniklerleri sayesinde, çelik ile zengin formlar elde edilebilmektedir.
(Şekil 2.8)
Narinlik Bakımından Çeliğin Avantajları
Yapısal çeliğin yüksek dayanımı nedeniyle, öz ağırlığının taşıdığı yararlı yüke oranı oldukça küçüktür. Bundan dolayı kolon ve kiriş boyutları diğer taşıyıcı sistemlere oranla küçüktür. Bu sayede, yüksek yapılarda veya büyük açıklıklı yapılarda, betonarme yapılarda olduğu gibi geniş ve yüksek kirişlere gerek duyulmadan daha az kolon ile sistem oluşturulabilmektedir. Sayıları azalan kolonların boyutları da küçük olduğundan aynı inşaat alanına yapılan çelik çerçeveli binanın kullanım alanı betonarme çerçeveli binaya göre büyük olmaktadır. Kiriş gövdelerinden tesisat elemanlarının çok büyük bir kesimi geçirildiğinden kat yüksekliği düşük tutularak, saçak kotu düşük yerlerde daha fazla kat elde edilebilir. [3,7] (Şekil 2.9)
Kullanım Esnekliği ve Fonksiyonel Değişikliklere Uyum Açısından Çeliğin Avantajları
Günümüzde, mimarlardan bir yapıyı tasarlarken beklenen önemli kriterlerden birisi yapının ilerde yapılabilecek çeşitli değişikler karşısında esnek olmasıdır. Bu sayede, gereksinmeler doğrultusunda, özellikle fonksiyonelliğin önemli olduğu yapılarda mekansal değişiklikler yapılabilmektedir. Çelik yapılarda betonarme yapılardan farklı olarak eklemeler yapılarak veya gereken yerlerin güçlendirilmesi ile tamamı ile yapı tipi değiştirilebilir. (Şekil 2.10)
Taşıyıcılık Açısından Çeliğin Avantajları
Taşıyıcılık açısından avantajları, bu bölümde üç ana başlıkta incelenecektir.
Hafiflik Bakımından Çeliğin Avantajları
Yapısal çeliğin kolon ve kiriş boyutlarının küçük olması nedeniyle, yapı ağırlığı da küçüktür. Bu özellik çelik yapıların betonarme yapılara oranla %50 daha hafif olmasını sağlar. Bu durumun doğal sonucu olarak, temel boyutları küçülür ve buna bağlı olarak da, kazı miktarı azalır. Çok kötü zeminlerde bile yapı yapılabilir. Deprem riskinin yüksek olduğu bölgelerde dayanıklı bina yapma imkanı sağlar.
Sağlamlık ve Güvenilirlik Olarak Çeliğin Avantajları
Homojen ve izotrop bir malzeme olan çelik standartize edilebilir. Bu sayede istenen özellikte çelik, kontrol altındaki üretim aşamasında mekanik özelliklerine müdahale edilerek elde edilebilir. Malzemenin sünek bir özelliğine sahip olması, dinamik yüklerin bir kısmını yutmasını, bu sayede yapının taşıyıcılık fonksiyonunu sürdürmesini sağlar. Diğer malzemeler gibi zamana bağlı olarak dayanımında bir azalma görülmez. Burulma ve eğilme momentlerine karşı dayanımlı bir malzeme olan çelik, ayrıca birbirine yakın çekme ve basınç dayanımına sahiptir.
Deprem Dayanımı Yönünden Çeliğin Avantajları
Tasarım ve üretim süreci doğru yapılmış ve denetlenmiş her sistemde, taşıyıcı malzemesi ne olursa olsun depreme dayanıklı yapı yapılabilir. Bununla beraber, büyük depremlerin bize gösterdiği tabloda, çelik yapılar diğerlerine oranla can ve mal kayıplarının önlenmesinde üstünlüğünü göstermiştir. Yapısal çeliğin mühendislik açısından tüm özelliklerinin belli ve tutarlı olması daha iyi anlaşılmasını sağlamıştır. Yapısal çelik, elastik olmayan sınıra kadar tekrarlayan yüklere karşı değişmeyen bir davranış gösterir. Bu tekrarlayan yüklere karşı kırılmama özelliği, yatay ve düşey yüklere karşı büyük deformasyonla dayanımı sağlar. Beton gibi kırılgan özellik taşıyan bir malzemeye oranla daha hassas olan çeliğin üretimi, fabrikalarda titiz bir şekilde yapılır ve basit montaj özelliği sayesinde diğer sistemlere oranla risk çok daha düşüktür.
Uygulamaya Dönük Avantajlar
Çeliğin ve çelik yapı sistemlerinin, uygulama açısından avantajları, malzemenin doğasından gelen özelliklerin ve çelik yapılarda kullanılacak olan bileşen ve elemanların, inşaat yöntemlerine etkisine göre dört ana başlıkta incelenebilir.
Ekonomi Olarak Çeliğin Avantajları
Çelik ve çelik yapı sistemleri, narin eleman boyutları ile daha geniş kullanım olanakları ve sıradışı taşıyıcı sistemlere uygunluk sağlarlar. Hafifliğin bir etkisi olarak, kazı ve temel boyutları küçülür ve kötü zeminlerde bile alınacak basit önlemlerle yapı üretilebilir. Prefabrik elemanlar olmasının avantajları ile, kalıp ve iskele gereksinimi duymazlar ve her türlü hava koşulunda montajları yapılabilir. Yapım ve kullanım sırasında kolaylıkla denetlenebilirler ve yapım süreleri kısadır.
Bu özellikleri ile diğer yapı malzemeleri ile oluşturulan sistemlere göre oldukça üstün olan çelik yapı sistemleri, mimari tasarımlarının modüler olması, elemanlarının kolay taşınılabilir olması, özel işlem gerektirecek elemanlardan kaçınılması, elemanlar ve birleşimlerde tipleşme sağlanarak, üretim ve montajın hızlanması ile daha ekonomik hale gelebilir.
Kolay Denetim Yapılması Yönünden Çeliğin Avantajları
Çelik, üretimi sırasında sürekli denetlendiği gibi, bilgisayar kontrollü makineler ile prefabrik yapı elemanı haline getirildiği fabrikalarda da sürekli denetlenerek üretilir. Çelik yapıların, proje ve yönetmeliklere uygunluğu, beton içinde kalmadığı sürece, üretimin her aşamasında ve kullanım sırasında denetlenebilir bir özelliktedir. Bu özellikleri ile çelik yapı sistemlerinde yapılabilecek hatalar ve bunların doğuracağı kötü sonuçlar engellenebilir ve müdahale edilebilir hale gelir.
Hızlı Yapı Üretimi ve Prefabrikasyon ile Çeliğin Avantajları
Günümüzde yapıların, en kısa sürede bitirilmesi ve mümkün olan en kısa sürede işletmeye açılıp, gelir getirmesi istenmektedir. Çelik yapı sistemlerini oluşturan elemanların, dış hava koşullarından bağımsız bir şekilde, fabrikalarda her türlü işlemden geçirilerek kısa sürede üretilmesi ve her türlü hava koşulunda, basit montaj teknikleri ile en kısa sürede yapılması, diğer malzemesi farklı yapı sistemlerine karşı büyük bir üstünlük sağlanmasını sağlarlar. Yapısal çeliğin montajının tamamlandığı an tam yükle çalışmaya başlaması ve diğer yapı elemanlarının montajının hemen başlanması ile yapı üretim süreci kısalır.
Prefabrik bir sistemden beklenen, modüler tasarıma uygunluk, elemanların kolay taşınabilir olması, kolayca sökülebilme, taşıyıcı sistemden bağımsız bir şekilde tesisat döşenebilmesi, merdiven konumunun sınırlanmaması gibi özellikleri çelik yapı sistemleri tamamıyla karşılar. Ayrıca bu prefabrik yapıların montajında, en kötü hava koşullarında, büyük inşaat makinesi gerektirmeden, kısa sürede yapılabilme özellikleri açısından çelik yapılar diğer yapı sistemlerine göre daha üstündür.
Bir yapının kullanım amacının değişmesi, hasar gören yapı elemanlarının güçlendirilmesi, merdiven ve asansör gibi ekler yapılması, geniş açıklıklar için kolon eksiltilmesi veya değişen deprem yönetmeliklerine göre yeniden uyarlama gibi gereken durumlarda yetersiz kalan betonarme yapı sistemleri için güçlendirme işlemi, çelik yapı elemanları, kısa sürede ve hızlı bir şekilde yapılabilmektedir.
Çelik Yapı Sistemlerinin Dezavantajları
Çelik malzeme ile oluşturulan yapıların, diğer malzemelerle oluşturulan yapı sistemlerine göre avantajlarının çok fazla olmasına rağmen bazı dezavantajları da vardır. Bu dezavantajlar bazı durumlarda, yapı tipine bağlı olarak, yapı taşıyıcı sisteminde çeliğin kullanılmasını zorlaştırabilir . Bazı durumlarda genel konsept olarak çelik yapı mantığına ters düştüğü için yapı sisteminin başka malzemelerle oluşturulmasına bile neden olabilir.
Çelik yapı sistemlerinin dezavantajlarının daha iyi anlaşılabilmesi için, bu bölümde malzeme açısından ve uygulamaya dönük dezavantajlar olarak iki ana başlık ve bunlara bağlı alt başlıklarla konu incelenmiştir.
Malzeme Açısından Dezavantajlar
Çeliğin, doğasından kaynaklanan ve bazı durumlarda yapı tipine, yapının kullanım amacına göre ortaya çıkan dezavantajlarını üç başlıkta inceleyebiliriz.
Korozyon
Yapı sistemi olarak çeliği seçmiş olan işverenlerin, dış hava koşulları karşısında çeliğin kısa sürede paslanacağı ve taşıyıcılığını yitireceği korkusu yanlış bir inanış olarak hala sürmektedir. Halbuki, korozyona karşı boya, galvaniz veya katodik kaplama ile bu sorun ortadan kaldırabilmektedir.
Çelik, oksitlenme ve asit gibi kimyasal maddelerin neden olduğu, doğrudan korozyon ve dış ortamın etkisinde oluşan elektro kimyasal korozyon olmak üzere iki tip korozyona maruz kalmaktadır. Genel olarak, özel çelik kullanılmadığı durumlarda, astar ve üst kaplama olmak üzere korozyona karşı iki işlemden geçirilir. Bu işlemlerin sağlıklı, etkili ve ekonomik olması için yapının kullanım amacı, maruz kalabileceği kimyasal maddelerin niteliği, bulunduğu konum, ortam koşulları, mekanik yüklerin büyüklükleri ve türlerinin bilinmesi gerekir. Boyama işlemi dışında, paslanmayı azaltıcı önlem olarak, daldırma ve elektrolit olmak üzere iki farklı tipte yapıları galvanizleme işlemi de çelik yapı elemanlarını uzun süreler boyunca korozyona karşı korur. Ayrıca yangına karşı korunması için alınan önlemler bile korozyona karşı yüksek bir korunma sağlar.
Yangın Dayanımı
Çeliğin, diğer yapı sistemlerini oluşturan malzemelere oranla yangından daha çok etkilendiği bilinmektedir. 400 C° yi aşan ısı etkisinde, taşıyıcı özelliğini yitiren çelik, daha yüksek ısılarda tüm mekanik özelliklerini de yitirir. Bu önemli dezavantajına rağmen, yangına karşı alınacak standart önlemler bile, çıkabilecek bir yangında kullanıcıların yapıyı terketmelerini sağlayacak kadar zaman kazandırır.
Yangına karşı alınacak standart önlemlerin dışında, yangın senaryolarının ve yönetmeliklerine göre çelik yapılar yangına karşı şu şekilde korunabilir:
- Özel alaşımlı çelik veya içi su dolu kutu en kesit kullanılması
- Alüminyum-silikat, çimento vb karışımlı maddeler püskürtülmesi
- Alçı, perlit vb plakalar veya tuğla ile kapatılması
- Bileşik kesitli olarak da tasarlanabilecek olan çelik yapı elemanlarının bir bölümünün yada tamamını beton içine alınması
- Yangına karşı 70 mm kalınlığa kadar hızla genleşen özel ince boya ile boyanması
Isı ve Ses İletkenliği
Çelik, ısı ve ses iletkenliği açısından oldukça iyi bir malzemedir. Özellikle ısı iletkenliği nedeniyle, konforsuzluğa, eneği kaybına neden olabilecek olan ısı köprülerinin özel yalıtım malzemeleri ile ortadan kaldırılması gerekir. Ses iletkenliği için duvar ve döşemelerde özel önlem alınması gerekir.
Uygulamaya Dönük Dezavantajlar
Uygulamaya dönük oldukça önemli avantajları olan çeliğin, birçoğu ülkemize özgü, özellikle projelendirme aşamasında ve üretiminde ortaya çıkan bazı dezavantajları vardır. Ülkemizde çok fazla önem verilmeyen veya göz ardı edilen bu dezavantajlar yapıların kullanım aşamalarında ve özellikle deprem karşısında kendini göstermektedir.
Projelendirme ve Uygulama Süreci Bakımından Çeliğin Dezavantajları
Çelik yapılarda, uygulama sürecine ait her aşamanın titizlikle yapılması, ilerde telafisi oldukça yüksek maliyet getiren sorunlarla karşılaşılmaması için oldukça önemlidir. Ülkemizde statik çözümleri yapılmış çelik yapıların eleman boyutları belirlendikten sonra, birleşim noktalarının hesaplamaları ve bunların çizimleri uzun zaman almaktadır. Yurtdışında bu süreyi minimuma indirmek için kullanılan gelişmiş programların olmasına rağmen, maalesef ülkemizde bu konuda deneyimli elemanların çok az olması ve yönetmeliklerde ki farklılıklar nedeniyle bu programlar yaygınlaşamamaktadır.
Öne çıkan sorunlardan bir başkası da, çelik yapı projelerini yapan elemanların, çelik yapı tasarımı ile ilgili olarak uzmanlaşmamış olduğu gerçeğidir. Bu durum, aynı şekilde şantiye sürecinde de devam etmektedir. Halbuki, bu konuda deneyimli mühendislerin elinden çıkan projelerin, yine aynı mühendislerin kontrolü altında yapının uygulama safhasında kontrolü ile bu sorun ortadan kaldırılabilir. Aktif deprem bölgesinde olan ülkemizde, oldukça önemli olan çelik yapıların yaygınlaşmasının önüne geçebilecek bu tehlikeli durum ancak bu şekilde ortadan kaldırılabilir.
Eleman Azlığı Yönünden Çeliğin Dezavantajları
Uygulamanın her aşamasında, aks aralıklarından, çaprazların konumuna ve hatta bağlantı detaylarına kadar, mimarlar ve mühendisler sağlıklı bir yapının ortaya çıkması açısından, beraber çalışmak zorundadırlar. Ülkemizde, çelik yapıların uygulama alanları, endüstri yapıları ile sınırlı kaldığından, deneyimli statik bürolarının da sayısı çok azdır. Endüstri yapılarında elde edilen tecrübe, özel nitelikli veya çok katlı yapı tasarım ve uygulamalarında yeterli olmamaktadır.
Çelik yapı uygulamalarında da, inşaatları yönetecek ve yapıyı ortaya çıkaracak nitelikte, teknik eleman ve yüklenici sayısı da çok azdır. Çelik yapıların uygulamasında uygulanan koordinasyon sistematiği, betonarme yapılardan farklı olmasına rağmen, ülkemizde aynı şekilde yapılmaktadır.
Malzemenin Üretimi
Çok fazla kullanılan I ve U gibi hadde profillerinin, kesitlerinin istenilen boyutlarda üretilememesi veya gereken miktarlarda olmaması sık karşılaşılan bir problemdir. Bu probleme çözüm olarak üretilen en basit yöntem olarak gereken kesite en yakın boyuttaki kesitin kullanılması durumu ise, %15 ve %20 gibi malzeme kaybına neden olmaktadır. Çeliğin malzeme olarak avantajları kullanılarak, istenilen kesiti elde etmek için güçlendirilmiş profil ve yapma kesit kullanımı gibi bazı çözüm yolları ortaya konmuştur.
- Güçlendirilmiş profil kullanımı ile, bazı durumlarda yeterli olmayan profilin veya daha küçüğünün, başlıklarına veya gövdesine saç yada profil kaynatılmasıyla istenilen kesit elde edilebilir.
- Yapma kesit kullanımı ile, büyük profillerin bulunamaması durumunda, levhalardan oluşturulan, dolu gövdeli I kesitler elde edilebilir. Ayrıca, I ve U kesitlerin çeşitli biçimlerde birleştirilmesi ile oluşturulan yapma kesitler de kolon ve kiriş olarak kullanılabilir.
Kaynak: Ozan ÖZYİĞİT – ÇELİK YAPILARIN ELEMAN ve BİLEŞEN DÜZEYİNDE İNCELENMESİ
Paylaşmak Güzeldir