YAPI MALZEMESİ OLARAK ÇELİĞİN
ENDÜSTRİ DIŞI BİNALARDA KULLANIMI


1. GİRİŞ

Ülkemizde çelik yapı kullanımı uzun yıllar endüstriyel tesisler ve köprülerle sınırlı kalmış, çeşitli türde yapıların çatıları için kullanılan uzay kafes çatı sistemi hariç, alışveriş merkezi, katlı otopark, çok katlı binalar, konutlar, terminal binalarının yapımında çelik kullanımı yaygınlaşamamıştır. Çelik yapının uygulama alanlarının sınırlı kalmasının başlıca sebepleri arasında projelendirmenin betonarme yapıya göre daha çok detay içermesi, çelik yapı mimarisi üzerinde uzmanlaşan yeterli sayıda mimari proje firmasının olmayışı, çelik yapı tasarımı için gerekli eğitimin yetersizliği, taşıyıcı sistem için yeterli profil çeşitliliğinin olmayışı, çelik taşıyıcı sistemli yapılarda kullanılacak yapı elemanları konusunda bilgi eksikliği ve malzeme yetersizliği, çelik imalat atölyelerinin yetersizliği sayılabilir.
Kullanım yüzdesinin arttırılması için öncelikle çeliğin özellikleri, avantaj ve dezavantajları, uygulama esasları konusunda aydınlanmamız ve endüstrisini geliştrimemiz gerekmektedir. Bunun neticesinde ülkemizdeki kullanım oranları dünyanın gelişmiş ülkelerindeki seviyelere yaklaşacaktır.

2. MALZEME OLARAK ÇELİĞİN YAPILARDA KULLANIM
ALANLARI VE ÖZELLİKLERİ

2.1 Malzeme Olarak Çeliğin Kullanım Alanları

Yapılarda malzeme olarak çelik kullanımını ikiye ayırmak gerekir:

a. Taşıyıcı sistem için çelik malzeme kullanımı,
b. Giydirme elemanları için çelik malzeme kullanımı

Birincide çelik malzeme olarak hadde profilleri, muhtelif kalınlıkta saçlardan kaynaklanarak oluşturulan yapma profiller, bağlantı plakaları olarak kullanılan muhtelif saçlar kullanılır. Ayrıca taşıyıcı sistem olarak yada yapılarda ikincil elemanlar olarak nitelendirdiğimiz aşık, kuşak için ince kalınlıklı profillerin (thin-walled veya light-weight profiles) kullanımı da sözkonusudur. Taşıyıcı sistem montajında kullanılan civata, somun,pul vb. birleşim elemanları da bu sınıfa dahildir.
İkinci de ise çatı ve cephe kaplamalarında, doğrama kasalarında, yağmur olukları ve benzer şekilde yapı elemanlarında kullanılan kalınlığı 0.5 mm ile 2 mm arasında değişen çelik levhalar sözkonusudur.

2.2 Çelik Malzeme Kullanımının Sağladığı Yararlar

Yapılarda çeliğin malzeme olarak kullanımının getirdiği üstünlükler 3 başlık altında toplanabilir:

a. Mimari açıdan üstünlükler

 Diğer malzemelerle geçilemeyecek büyük açıklıklar, çelik malzeme kullanılarak geçilebilir.
 Taşıyıcı sistem elemanlarının narinliği ve geniş açıklıkların geçilmesi nedeniyle mekandan tasarruf sağlar
 Yapıda, büyütme veya tadilat yapılmak istendiğinde kolaylıkla yapılabilir.
 Çok çeşitli birleşim tekniği sayesinde istenilen geometri ve formda yapı yapılabilir.
 Mekanik ve elektrik tesisat kanalları kirişlerde açılan boşluklardan geçirilebilir, bu şekilde kat yüksekliğinden kayıp verilmez.

b. Taşıyıcı sistem yönünden üstünlükleri

 Yüksek mukavemetli bir malzeme olup öz ağırlığının taşıdığı yüke oranı çok düşüktür, bu da yapıda hafiflik getirmektedir.
 Depreme karşı daha iyi performans gösterirler
 Çelik yapıların ağırlıkları betonarme yapılara göre % 50 daha az olması nedeniyle zayıf zeminlerde çelik yapı yapılması tercih nedenidir.

c. Uygulama ve inşaat açısından üstünlükleri

 Malzeme kalitesi üretici tarafından garanti edilir. Ayrıca, imalatı hava ve şantiye koşullarından etkilenmediğinden ve atölyede yapıldığından büyük ölçüde otomasyondan yararlanılarak zaman tasarrufu, kalite üstünlüğü sağlanır.
 Betonarme gibi kalıp ve iskele istemediğinden montajı kısa sürede yapılabilir.
 Çelik bir yapı sökülerek elemanları başka bir yerde aynı amaçla veya daha değişik bir amaçla kullanılabilir.


3. YAPILARDA TAŞIYICI SİSTEM OLARAK ÇELİK KULLANIMI

3.1. Çelik Malzeme Özellikleri

Taşıyıcı sistemler için kullanılan çelik malzeme yapı çeliği veya yapısal çelik olarak isimlendirilir. Yapısal çeliği malzeme kalitesine göre normal yapı çeliği ve yüksek dayanımlı yapı çeliği olarak ikiye ayırabiliriz. Normal yapı çeliği akma sınırı 2400 kg/cm2 olan ve St 37 olarak anılan çeliklerdir. Yüksek dayanımlı çelikler akma sınırı 3000 kg/cm2 (St 50) ve daha yukarı olan çeliklerdir ve en yaygın kullanılanı 3600 kg/cm2 akma sınırına sahip St 52 kalitede olanıdır.

3.2. Uygulama Alanları

Yapısal çelik, endüstriyel tesisler yanında aşağıda sıralanan birçok yapı türünün taşıyıcı sistemi için kullanılabilir.

a. Ofis binaları
b. İş merkezleri
c. Alışveriş merkezleri
d. Terminal binaları
e. Okullar
f. Konutlar
g. Otoparklar
h. Spor ve sergi salonları
i. Stadyumlar
j. Tarihi eserlerin restorasyonu

Dünyada gelişmiş ülkelerde yapısal çeliğin %30 ile % 55 ler arasında değişen kullanım oranı, ülkemizde maalesef % 5 oranının altındadır. Ülkemizde kullanım yüzdesinin az olmasında ilk nedenler malzeme çeşitliğinin ve imalatı yapacak tekniğe sahip yeterli sayıda fabrikanın olmayışıdır. 17 Ağustos 1999 depreminden sonra çelik yaygın olarak gündeme gelmiş olup, mevcut çelik imalat atölyelerinin teknolojilerinin geliştirmeye çalışmaları yanında, yeni girişimcilerin sektöre ilgi duyduğunu görmekteyiz.
Çelik yapıların tümünde sıcakta haddelenmiş profiller kullanılabilmekle birlikte, özellikle yurtdışında 2 veya 3 kata kadar yapıların taşıyıcı sistemi için hafif yapı çeliği olarak adlandırılan soğukta şekil verilmiş ince cidarlı profillerin kullanımı oldukça yaygındır. Sıcakta haddelenmiş profillerin ebatları standart ve belirli sayıda iken, soğukta şekil verilmiş profiller istenilen ebatlarda üretilebilmektedir. Ayrıca ağırlıkları çok daha az olduğundan montajı çok daha kolay ve kısa sürede olmaktadır. Ayrıca bu profiller kullanıldığında yapı taşıyıcı sistemi duvar panelleri halinde fabrikada üretilebilmekte ve şantiyede çelik kolon kiriş birleşimi şeklinde değil, duvar panellerinin birleştirilmesiyle çok daha kısa sürede ve stabil bir yapı oluşturmak mümkün olmaktadır.

Yapıların taşıyıcı sisteminde yapı çeliği kullanarak diğer malzemelerle yapma olanağı olmayan çok değişik geometri ve formlarda yapı tasarımı yapılabilir. Ayrıca çok katlı yapıların taşıyıcı sisteminin çelik yapılmasıyla alan ve yükseklikte kazanımlar sağlanabilir. Örneğin 25 katlı bir yapıda her katta döşeme kirişleri yüksekliğinin 15 cm daha küçük olması halinde ilave 1 kat kazanılmış olur. Ayrıca tesisat kanalları çelik kirişlerde açılan boşluklardan geçirilerek kat yüksekliğinden ayrıca kayıp verilmez. Aynı uygulamayı betonarme taşıyıcı sisteme haiz yapılarda uygulama şansı yoktur. Ofis binaları, iş merkezleri genellikle şehrin merkezi yerlerinde yapıldığından arazi fiyatları ve kira bedelleri yüksektir. İnşaatın kısa sürede bitirilerek yapının kullanılmaya başlaması mal sahiplerinin kısa sürede gelire kavuşması demektir. Toplam proje maliyetlerinde bu durumunda gözönünde bulundurulması gerekir ki, çelik yapının hemen hemen tüm elemanlarının önüretimli olabilmesi nedeniyle inşaat süresinin kısalığı yatırımcının lehine bir özelliktir.
Çelik diğer malzemelere oranla yükün artmasıyla birlikte geometrik büyüklükleri en az artan bir malzemedir. Bir kirişi ele aldığımızda kendisine etkiyen yük 2 kat arttığında betonarme kirişte elde edilen geometrik büyüme oranı çelik kiriştekine kıyasla daha büyüktür. Bu özellik döşeme yüklerinin büyüklüğü nedeniyle otopark yapılarında çelik malzemeye avantaj sağlamaktadır. Bu yapılarda çelik taşıyıcı sistem kullanarak döşeme kirişleri yükseklikleri daha az olacağından daha çok park katı elde etmek mümkün olacaktır. Aynı zamanda çelik taşıyıcı sistem kullanımıyla tam otomatik insansız otopark yapıları inşa etmek ve daha çok araç kapasitesine ulaşmak mümkündür.
Avrupa ülkelerinde tarihi eserlerin restorasyonunda hafif veya normal yapı çeliği ile oluşturulan taşıyıcı sistemler çok yaygın olarak kullanılmaktadır. Ülkemizinde tarihi bina zenginliği, yalıları ve köşkleri dikkate alındığında bu tür yapıların restorasyonunda çelik kullanımı özendirilmelidir. Restorasyonda çelik kullanımı ile birlikte yapının orjinal formu bozulmadan güçlendirilmesi mümkün olmaktadır.
Estetik formlara, geniş açıklıklara ve mekanlara ihtiyaç duyulan alışveriş merkezleri, terminal binaları, spor ve sergi salonları, stadyum çatılarında çelik malzeme kullanımı kaçınılmaz olmaktadır.

3.3. Taşıyıcı Sistemi Çelik Olan Yapıların Depreme Dayanıklılığı

Yapı ağırlığının azalması halinde yapıya gelen deprem kuvveti de azalacaktır. Çelik yapılarda yapı ağırlığı, betonarme yapılara göre yaklaşık % 50 daha az olduğundan yapıya etkiyen deprem kuvveti aynı oranda azalacaktır.
Çelik sünek (düktil) bir malzemedir. Betonarmeye göre 18 (onsekiz) kat daha sünektir. Süneklik, elastik davranışın üzerindeki şekil değiştirmelerde enerji yutma yeteneği sağladığından bu özellik dinamik yükler altında önem kazanmaktadır. Tekrarlı yüklemeler altında betonarme yapının tek yönlü ve sınırlı olan enerji yutma yeteneği her tekrarda azalarak bozulur ve deformasyon oluşmadan kırılma gerçekleşir. Çelik yapıda ise elastik sınırlar aşıldığında, bir başka deyişle beklenenin üzerinde yükler yapıya etkidiğinde, çelik yapı elemanları yüksek şekil değiştirme kapasitesi sayesinde öncelikle şekil değiştirir ve deforme olur. Şekil değiştirme esnasında oluşan enerji yutulur ve etkiyen yükler altında yapı ayakta kalarak görevini sürdürmeye devam eder. Ancak enerji yutumunun sağlanması, yapı elemanlarında deformasyon oluşabilmelsi için yük kiriş ve kolonlar arasında dağılabilmelidir. Bunun sağlanması için çelik yapılarda kiriş-kolon birleşimlerinin yük aktarımı için yeterli moment kapasitesine sahip olması gereklidir.

4. ÇELİK YAPILARIN UYGULAMA ESASLARI

4.1. Çelik Yapıda Kalitenin Sağlanması, Projelendirme ve İmalat

Taşıyıcı sistemi çelik olan yapılarda kaliteye etki eden en önemli faktör imalat ve uygulamaya başlamadan önce tüm projelerin hazırlanma gereğidir. Projelerde yapıda kullanılacak tüm malzemeler tanımlanmalı, uygulama detayları verilmeli ve çelik taşıyıcı sisteme ile bağlantıları gösterilmelidir. Çelik yapıda ana prensip, tüm imalatların fabrika ortamında yapılmasıdır. Şantiyede yada sahada ise bu elemanların sadece montajı sözkonusu olmalıdır ve şantiyede kaynaklı imalattan kaçınılmalıdır. Ülkemizde maalesef şantiyede yapılan kaynaklı birleşimlerde montaj adı altında anılmaktadır. Ancak şantiyede kaynakla yapılan iş montaj olarak değil, imalat olarak değerlendirilmelidir. Taşıyıcı sistemle ilgili statik projelerde tüm elemanların imalat ölçüleri, kullanılacak çelik malzemelerin kalitesi, montaj için gerekli birleşim elemanları ve kalitesi tanımlanmalıdır. Ayrıca proje yanında işin teknik şartnameleri de hazırlanmalı ve yükleniciler işi bu şartnamelere uygun olarak gerçekleştirmelidir. Hazırlanacak teknik şartnamelerde imalat ve montaj esasları, boya kalitesi ve uygulama esasları, kalite test ve prosedürleri ayrıntılı şekilde yeralmalıdır. İmalat hazırlanan proje ve şartnamelere uygun olarak fabrika ortamında ve kaynak işleri sertifikalı kaynakçılar tarafından yapılmalıdır. Yapılan kaynakların kalitesi yapılacak kaynak testleri ile belgelenmeli ve dosyalanmalıdır.
Taşıyıcı sistem haricindeki yapı elemanlarının taşıyıcı sistemle bağlantı detayları mimari projelerde yer almalı ve bu detaylara göre taşıyıcı sistem üzerinde bulunacak bağlantı elemanları statik projelerde yeralarak bu imalatlarında fabrika ortamında yapılması sağlanmalıdır. Aynı şekilde mekanik ve elektrik tesisatı uygulaması için taşıyıcı sisteme yapılacak mesnetlemeler için gerekli detaylar projelendirme esnasında düşünülmeli ve şantiyede çözüme fırsat verilmemelidir.
Yukarıda anlatıldığı üzere çelik yapıda kalite ve sürat, yapılacak projenin kalitesine önemli ölçüde bağlıdır.

4.2. Döşeme Sistemleri

Çelik yapılarda uygulanan döşeme sistemleri ayrık döşeme ve kompozit döşeme sistemi olmak üzere iki ana başlıkta incelenebilir.
Ayrık Döşeme Sistem (non-composite)i: Bu döşeme sisteminde döşeme ile döşeme kirişleri bağımsız çalışır. Üç tür uygulama sözkonusudur. Birincisi çelik döşeme kirişleri üzerine trapez kesitli levhalar döşenir ve üzerine beton dökülürek döşeme oluşturulur. İkincisinde döşeme kirişleri üzerine prekast döşeme elemanları yerleştirilirek döşeme sistemi oluşturulur. Üçüncüsü daha çok hafif çelik yapılarda sözkonusu olan çelik döşeme kirişleri üzerine ahşap esaslı malzeme ile kaplama yapılmasıdır.

Ayrık döşeme sisteminde sadece düşey yükler çelik kirişlere aktarılır. Yatay yüklerin aktarımı için döşeme düzleminde yatay çapraz sistemi oluşturulmalıdır. Bu sistemde montaj kolaylığı ve yapım hızlılığı olmasına karşın, kirişler ve döşeme plağı ayrı ayrı boyutlandırıldığından çelik döşeme kirişleri daha büyük kesitli çıkar.
Kompozit döşeme sistemleri: Bu döşeme sisteminde döşeme kirişleri ile döşeme betonu birlikte çalışır. Birlikte çalışmanın sağlanması için çelik kirişler üzerine kesme elemanları kaynaklanır. Bu sistemde uygulama sırası genellikle şu şekildedir:

a. Çelik kirişler üzerine trapez kesitli saçlar döşenir.
b. Kesme elemanları çelik kirişler üzerine kaynaklanır.
c. Döşeme donatısı yerleştirilir
d. Beton dökülür.






Bu sistemde döşeme sistemi daha çok kullanılan trapez şekli ve tipine göre adlandırılır. Bu sistem örnek iki uygulama Şekil ... ve .... da gösterilmektedir. İkinci tip uygulamanın birinciye üstünlüğü daha büyük ve geniş açıklıkların geçilebilmesi avantajıdır. Ayrıca ikinci tip uygulamada kesme elemanları uygulamaya gerek yoktur.

4.3. Çelik Yapıların Yangına Dayanıklılığı

Tüm çelik malzemeler 400-600 C sıcaklık altında taşıyıcılığını kaybetmektedir. Bu nedenle yapının önemine ve kullanım amacına göre yapıda yangına karşı önlem almak gerekebilir. Bunun için öncelikle yapılacak iş yapıda yangına karşı önlem alınması gerekliliği varmı bunun tesbit edilmesidir. Yapının yangın riski olmayabilir veya sprinklers kullanımı gibi sebeplerle yapı elemanları için yangına karşı önlem alınması gerekmeyebilir.
Yapının yangına karşı koruma yöntemi belirlenirken öncelikle yangın sınıfı tayin edilmelidir. Örneğin bir okulla bir konutun yangın sınfı aynı olmayacaktır. Ayrıca yapının yüksekliği, bir yangın esnasında yapıdan tahliye olacakların sayısı, yapının kullanım amacı gibi kriterler yapının yangın sınıfının belirlenmesinde etkendir. Yapının yangın sınıfı ise alınacak yangına karşı koruma yönteminin seçimini ve maliyetini etkilemektedir. Başlıca yangın sınıflarını F30, F60, F90 ve F120 olarak alabiliriz. Örneğin F30, bir yangın esansında yapı elemanlarındaki ısı belirli bir dereceye ulaşmadan ve göçmeden yapı elemanlarının dayanacağı süreyi gösterir. Çoğu ülkede olmasına karşın ülkemizde yapılara göre yangın sınıflarını ve malzemelerin yangın dayanım kriterlerini veren bir yönetmelik bulunmamaktadır. Yapının yangın hesabını yaparken ENV 1993 Part 1-2 Euro normu , DIN 4102 Alman normu, BS 5950 Part 8 nolu İngiliz normları dikkate alınabilir.
Çelik taşıyıcı sistem için uygulanabilecek başlıca yangına karşı koruma yöntemlerini şu şekilde sıralayabiliriz:

a. Yangına karşı dayanıklı boya ile boyanması
b. Tabanca ile püskürtülerek uygulanan koruyucu malzeme ile çelik elemanların kaplanması Şekil ....
c. Çelik kolon ve kirişlerin beton içine alınması
d. Çelik kolon ve kirişlerin sıva ile kaplanması
e. Çelik kolon ve kirişlerin yangına dayanıklı alçıpan plaklarla kaplanması
f. Çelik kolon ve kirişlerin yangına dayanıklı izolasyon plakaları ile kaplanması

Sıralanan yöntemlerden en uygunu yapının kullanım amacı, estetik, maliyet gibi kriterler dikkate alınarak seçilmelidir.

4.4. Taşıyıcı Sistemin Korozyona Karşı Korunması

Çelik malzeme atmosferde korumasız bırakılırsa oksitlenir, metalin korozyonu devam ederek bir süre sonra malzemenin yapısal direncini bozar ve tekrar demire dönüşür. Oksitlenmenin önlenmesi için gerekli olan yöntem, yüzeye malzemenin hava ve nem ile bağlantısını kesecek bir kaplamanın uygulanmasıdır. Bu kaplama yöntemleri organik ve inorganik(metal kaplamalar) olmak üzere iki şekilde şekilde uygulanabilir. Boya ve plastik esaslı malzemelerle yapılan kaplamalar organik kaplama sınıfına girerken, yaygın olarak kullanılan galvanizleme (çinko ile kaplama) inorganik (metal kaplamalar) sınıfına girmektedir. Boya ile yapılan kaplamalarda çelik malzeme yüzeyinin boya için hazırlığı, boya malzemesinin uygunluğu ve uygulanan boya kalınlığı dikkat edilmesi gereken faktörlerdir. Organik kaplamalara bir başka örnek malzemenin plastik (PVC, PVF) esaslı koruyucularla kaplanmasıdır.
Galvanizle kaplama seçildiğinde çelik taşıyıcı sistem elemanları şantiyede tamamen bulonlu birleşimler kullanılarak monte edilmeli, montaj esnasında kaynak kullanımına izin verilmemelidir. Kaynak yapılan yerlerde kaplamanın özelliği bozulacağından malzeme korozyona maruz bırakılmış olacaktır.

5. SONUÇ

Ülkemizde çelik, sahip olduğu mekanik özellikleri ile birlikte iyi projelendirildiği, fabrika ortamında imalat yapıldığı ve uygulama esaslarına dikkat edildiği sürece dünyada olduğu gibi kullanım yüzdesi hızla artacak ve endüstrisi dünya ülkeleri seviyesine ulaşacaktır. Burada görev proje gelitiren konumunda olan mimarlara düşmektedir ve tasarladıkları yapılarda çeliği her tür amaç için kullanabilecekleri bir malzeme olarak düşünmelidirler.




Kaynak