Deprem ve Hafif Çelik Yapılar
Hafif çelik yapıların taşıyıcı sistemini oluşturan yapısal elemanlar, adından da anlaşılacağı gibi çelikten üretilir ve geleneksel hadde mamulü çelik elemanlara kıyasla hafiftirler. Her ne kadar malzeme çelik olsa da hafif çelik yapı elemanları; gerek şekillendirme, imalat ve montaj, gerek hesap ve tasarım bakımından hadde mamulü yapısal çelik elemanlarından oldukça farklıdırlar.
Literatürde; hafif çelik yapı elemanları, soğuk şekillendirilmiş çelik yapı elemanları olarak anılırlar. Hadde mamulü çelik yapı profillerine göre hafiftir, çünkü soğuk şekillendirilmiş çelik, 0.8 mm ile 2 mm kalınlığında rulolardan yapılır. Kesitlerin ince cidarlı olması nedeniyle yerel stabilite sorunları ve kesit narinliği, hadde mamulü kesitlerdekinden farklı hesap yaklaşımlarını zorunlu kılar. Kısacası, hadde mamulü çelik yapı elemanlarıyla, hafif çelik yapı elemanları arasındaki tek ortak özellik; malzemenin çelik olmasıdır.
Soğuk şekillendirilmiş hafif çelik yapı elemanlarının çalışma prensibi çok basittir. İnce düz bir levha, düşük eğilme rijitliği nedeniyle kendi ağırlığı altında bile büyük deformasyon yapacak ve belki de ilave bir yükü taşıyamayacaktır. Bununla birlikte, katlanarak şekil verildiğinde, önemli ölçüde rijitlik ve mukavemet kazanır. Gerekli yapısal nitelikler, kalınlığın artırılmasıyla değil, levhayı tasarlanmış bir şekle sokarak elde edilir. Bu uygulama ile malzeme sarfiyatı ve yapı ağırlığı bakımından önemli bir kazanç sağlamaktadır.
Hafif çelik malzemenin yapı sektöründe 20. yy’ın sonlarına doğru, özellikle çok katlı olmayan konut üretiminde ahşap kullanılmasının yüksek maliyeti ve sürdürülebilir görülmemesinin etkisiyle, üretim teknikleri daha da gelişmiş olan hafif çelik sahneye çıkma fırsatı bulmuştur. Hafif çelik yapıların inşasında özel şekilli profiller üretilebileceği gibi, dünya çapında yaygın ve yönetmeliklerde yer alan tipik kesitlerde üretilebilir.
Hafif Çelik Yapı Sistemlerinin Kullanım Alanları
Günümüzde doğal afet, salgın hastalık gibi sorunların hemen ardından binlerce yataklı hastanelerin birkaç hafta içinde inşasının mümkün olması, halihazırda kamp, okul, afet konutları olarak kullanılmakta olan hafif çelik yapıların kullanımını artırmıştır, ancak ülkemizde kalıcı konutların inşasında beklenen kullanım oranına ulaşılamamıştır. Buna neden olan etmenler arasında kullanıcının kültürel ve geleneksel altyapısı, alışkanlıkları ve hafif çelik yapı hakkında yeterli bilgiye sahip olmaması gösterilebilir. Sektördeki paydaşların söz konusu yapı tekniğini tanıtma konusunda çaba sarf etmesi gerektiği açıktır.
Hafif çelik yapı sistemleri, mimari ve mühendislik tasarımları açısından oldukça gelişmiş, yeterli tasarım altyapısına erişmiştir. Ülkemizde geniş kitleler tarafından tercih edilen bir yapım sistemi olması için tüketicinin beklentilerine cevap verecek araştırma – geliştirme çalışmalarının yapılması gerekmektedir. Batılı ülkelerde konut sektöründe hafif çelik sistemlerin kullanılma oranının %20’lere ulaşmasına karşılık ülkemizde %1’in altındadır.
Malzeme Seçimi ve Şekillendirme
Genel olarak, soğuk şekillendirilmiş çelik ürünler için kullanılan karbon çeliği ve yüksek mukavemetli düşük alaşımlı çelik kaliteleri iki ana özellik ile karakterize edilir. Akma noktası ve kopma mukavemeti. Soğuk şekillendirme için yaygın olarak kullanılan çeliklerin akma noktası 33 ila 50 ksi (230 ila 345 MPa) arasındadır ve daha yüksek olabilir. Çekme mukavemeti ve süneklilik, biçimlendirilebilirlikle olan ilişkisinden ve cıvatalı, perçinli bağlantı türlerinin yerel deformasyon taleplerinden dolayı önemlidir. Cıvatalı bağlantı içeren veya özel tasarım nedeniyle yüksek gerilme yoğunlaşmalarına maruz kalabilen elemanlarda, çekme mukavemeti genellikle hesaba katılmalıdır. Soğuk şekillendirilmiş çelikler için çekme dayanımının akma dayanımına oranı genellikle 1.21 ile 1.80 arasında değişir.
Yapısal uygulama için çelik seçildikten sonraki adım, onu gerekli şekilleri vermektir. Soğuk şekillendirilmenin ana yöntemi; soğuk haddelemedir. Soğuk haddeleme (roll-form) makinesiyle şekillendirme; çatı, zemin ve duvar panellerinin üretiminde kullanılan yöntemdir.
Hafif Çelik Yapı Sistemlerinin Avantajları
Hafif çelik yapı elemanları, hadde mamulü çelik yapı elemanlarının sağladığı pek çok avantajı sağlamakla beraber başka üstünlüklere de sahiptir:
- Çelik, malzeme olarak homojen ve izotrop olması nedeniyle hesap yaklaşımları ahşap, beton gibi malzemelere kıyasla oldukça gelişmiş ve yapılan kabullerin gerçeği yansıtması konusundaki bilinmezlikler oldukça azalmıştır. Malzemenin bu özelliği, her doğrultuda mekanik özelliklerinin aynı olması gibi bir fayda da sağlamaktadır. Hafif çelik yapı elemanlarının levhalardan üretiliyor olması, elemanlar ve birleşim plakalarındaki yükün doğrultusu konusunda endişeye meydan bırakmamaktadır. Oysa ahşapta liflere paralel yahut dik doğrultuda uygulanan kuvvete verilen karşılık birbirinden çok farklıdır. Beton, yüksek basınç mukavemetine karşılık, çekme mukavemeti basınç mukavemetinin neredeyse %10’u kadardır ve geleneksel yöntem hesaplarında bu fayda ihmal edilir.
- İnce cidarlı çelik yapı elemanlarının yük taşıma kapasitesinin ağırlığına oranı çok yüksek olduğundan, özellikle büyük açıklıklı ve yüksek olmayan yapılarda, hadde mamulü çelik elemanlara göre oldukça ekonomiktir. Hadde mamulü çelik bir yapı elemanına gelen yük ne kadar küçük olursa olsun, sağlanması gereken narinlik koşulları nedeniyle belli bir mertebeden sonra kesit küçültülememekte ve gayri ekonomik sonuçlara ulaşılmaktadır. Bu tarz yapılarda ince cidarlı yapı elemanları, çelik malzeme sarfiyatını %10-20 mertebelerine dahi indirebilmektedir. Yapı ağırlığının bu denli düşmesi, deprem yüklerinin azalmasını ve bu sayede hem taşıyıcı sistemin hem de temelin maliyetinde ekonomi sağlamaktadır.
- İnce cidarlı çelik yapı elemanları çinko galvaniz yoluyla korozyona karşı korunduğundan, uzun yıllar hizmet verebilmekte ve bu süre zarfında bakım gerektirmemektedir.
- Birleşimlerin vidalı ve perçinli olması sayesinde, bulonlu birleşimlerin tolerans ve montaj sorunu, ince cidarlı çelik yapı elemanlarında görülmemektedir. Bu imkân, insan kaynaklı imalat ve montaj kusurlarının önlenmesini sağlar.
- Özellikle betonarme yapıların inşasında meteorolojik durum büyük bir etkiye sahipken, hafif çelik yapıların montajında bu etkiler genellikle çalışmaya engel değildir.
- İşçiliğin büyük bölümü fabrika ortamında yürütüldüğünden, montaj sahasında harcanan süre azalır, şantiye masrafları düşer, yapım işlerinin çevreye verdiği olumsuz etki en az düzeydedir. Çalışanların fabrika ortamında verimleri daha yüksek, çalışma ve iş sağlığı koşulları daha iyi ve sürdürülebilirdir. Üretim kalitesinin denetlenebilmesi, atölye ortamında daha kolay ve süreklidir.
- İnşaat sektöründe verimliliğin %40-50 mertebesinde olmasına sebep olarak gösterilen “sahada imalat” nedeniyle yaşanan tekrarların getirdiği işçilik ve malzeme zayiatı, hafif çelik yapı imalatında en düşük düzeye inmekte, bu sayede verimliliğin yükseldiği kaydedilmektedir.
- Hafif çelik malzemeden verilen zayiatın, hadde mamule göre düşük olmasının nedeni, 12m’lik standart profil boylarına karşılık, sacın, rulodan istenen boyda kesilebilmesidir.
- Çelik, %100 geri dönüşümlü bir malzeme olduğundan, sürdürülebilirlik bakımından iyi bir performans sergilemektedir.
- Hafif çelik yapılar mimari tasarıma serbestlik sunar.
Tüm bu avantajların ışığında bir değerlendirme yapıldığında şu sonuçlara ulaşılabilir:
- Hafif çelik yapı sistemleri, 2-3 katlı konut, ofis ve benzeri yapı türlerinde, maliyet, hızlı inşaat ve sürdürülebilirlik açısından diğer yapı sistemlerinden daha avantajlıdır.
- 2-3 katlı yapılarda deprem performansının yüksek oluşu ve olumsuz zemin koşullarında bile başarıyla uygulanabilmesi, diğer yapı sistemlerinden daha ekonomik sonuçlar elde edilmesini sağlamakta, bu da hafif çelik yapı sistemini bu alanda rakipsiz kılmaktadır.
Tayvan’da 1999 yılında meydana gelen depremde en düşük hasar yüzdesinin hafif çelik yapılarda görülmüş olması, bu değerlendirmeleri doğrular niteliktedir.
Soğuk Şekillendirilmiş Çelik Yapıların Sürdürülebilirliği
- Hafif çelik, organik malzemeler içermeyen kuru bir yapı sistemidir. Kuru inşaat, nem sorunları ve hasta bina sendromu riskini önemli ölçüde azaltır,
- Hafif çelik yapı sistemlerinde kullanılan her malzeme (çelik, alçı, taş yünü vb.) %100 geri dönüştürülebilir,
- Hafif çelik yapı bileşenlerini yeniden kullanım için sökmek mümkündür,
- Hafif çelik yapılar, üretim sırasında yerinde dökülen beton çerçeveli eşdeğer konutlara göre daha az enerji tüketimi anlamına gelir,
- Hafif çelik yapılar, eşdeğer duvar-betonarme yapılar için kullanılan malzemenin yaklaşık dörtte birini kullanır,
- Daha az atık, daha temiz bir çalışma sahası anlamına gelir ve yapı bileşenlerinin düşük ölü ağırlığı, iyi bir çalışma ortamı sağlar,
- Düşük ölü ağırlık, daha az nakliye maliyetini beraberinde getirir.
Mühendislik Tasarımı
Soğuk şekillendirilmiş çeliğin sunduğu imkanlardan biri de yapı mühendisinin, istenen yapısal ve estetik gereksinimi karşılamak için özel şekilli kesitler tasarlamasının mümkün olmasıdır.
Soğuk şekillendirilmiş ve sıcak haddelenmiş çeliğin arasındaki farklılıklar sadece kalınlık ve kesit şekillerinde değildir. Soğuk şekillendirilmiş çelik elemanlar oda sıcaklığında oluşturulduğundan malzeme daha sert ve güçlü hale gelir. Hafifliği, toplu üretimi, nakliyeyi ve kurulumu daha kolay ve daha ekonomik hale getirir.
İnce cidarlı çelik yapı elemanlarının eksenel basınç ve eğilme altında davranışının, hadde mamulü çelik profillerinkinden farklı olması, kesit hesaplarında kullanılan kesit mekanik değerlerinin hesabında da kendisini gösterir. Kesit alanı, eylemsizlik momenti ve mukavemet momenti (kesit modülü) değerleri, profil kesitini oluşturan elemanların gerçek genişliği yerine etkin genişliği üzerinden hesaplanır.
Etkili kesitin geometrik şekli ilgili yönetmeliklerde verilen koşullarla tespit edildikten sonra, tarafsız eksen ve ağırlık merkezi yeniden belirlenip, yapısal analiz ve hesaplar bu değerler üzerinden yapılır.
İyi Bir Mimari – Mühendislik Tasarım İlişkisi
- Hafif çelik yapılar, detaylı yoğun yapılardır ve başarılı bir proje için mimari çizimlerle mühendislik çizimleri arasında tutarsızlıklara meydan verilmemelidir.
- Tasarımcı mimar ve mühendisin, soğuk şekillendirilmiş çelik yapı tasarımı için yeterli bilgi ve beceriyle donanmış olması gerekir.
Tasarımda Kullanılan Yönetmelikler
Ülkemizde hafif çelik yapı tasarımında 2014 yılına kadar TS 11372 – Çelik yapılar-Hafif-Soğukta şekil verilmiş profillerle oluşturulan-Hesap kuralları standardı esas alınmış, ancak daha sonra Avrupa Birliği’nin kabul ettiği TS EN 1993-1-3 Eurocode 3: Çelik Yapıların Projelendirilmesi – Bölüm 1-3: Genel Kurallar – Soğukta Biçimlendirilmiş İnce Ölçülü Elemanlar ve Saçla Kaplama İçin standardı kabul edilmiştir. Daha güncel ve detaylı bu standarda uygun yapılar inşa etmek, güvenli yapılara kavuşmanın yanı sıra, AB uyum sürecindeki ülkemizin teknik personeli ve ihracatçılarının dünyayla bütünleşme ve rekabet gücünü artırmada önemli bir imkan sunmuştur.
2019 yılında uygulamaya giren Türkiye Bina Deprem Yönetmeliği’nde hafif çelik yapıların tasarımına da bir bölüm ayrılmıştır. Deprem etkisi altındaki, soğuk şekillendirilmiş profillerden oluşan tüm hafif çelik binaların taşıyıcı sistem elemanlarının boyutlandırılması ve birleşimlerinin düzenlenmesi, bu konuda yürürlükte olan ilgili standart ve yönetmeliklerle birlikte, öncelikle bu yönetmelikte belirtilen kurallara göre yapılmaktadır.
Türkiye Bina Deprem Yönetmeliği’nde hafif çelik binaların yatay yük taşıyıcı sistemleri, kaplamalı panel sistemler ve çaprazlı panel sistemler olmak üzere iki şekilde oluşturulması istenmiştir.
Bunlara ek olarak ABD ve dünyanın pek çok ülkesinde geçerli, önemli bir tasarım kodu da American Iron and Steel Institute’un yayınladığı AISI – Cold-Formed Steel Framing Design Standard’tır.
Hafif Çelik Yapılarda Isı, Su ve Ses Yalıtımı
Yapının, yalıtım malzemeleriyle dıştan kaplanması (mantolama) en uygun sistemdir. Bu sistemlerle ilgili detaylar üretilmiş ve uygulamasında iyi sonuçlar elde edilmiştir. OSB panelleri ısı geçişini ve ısı köprülerini ortadan kaldırır. Böylece duvar sisteminin içinde ve yapı iç yüzeyinde nemin oluşmasını da önlerler. Yalıtımın performansını belirlemek için el hesaplarıyla birlikte, günümüzde gelişmiş yazılımlar da mevcuttur.
Yeraltı su seviyesinin yüksek olduğu durumlarda, temelden gelecek suya karşı temelde membran malzemelerle yapılagelen bohçalama teknikleri, hafif çelik yapı sistemlerinin temelleri için de uygundur. Cephede ise vinil kaplamalarda ve çatı kaplaması altında buhar geçirgenliği olan su yalıtım örtüleri (nem bariyeri) kullanılır. Bu malzemeler, OSB üzerine tutturulurlar. Yapıyı suya karşı korurken, buharı geçirmeleri sayesinde duvarın nefes almasını sağlayarak sıcaklık farkının oluşturacağı yoğuşma engellenmiş olur.
Akustik etkiler bir mekanda doğrudan bir konfor parametresidir. Konu hakkında detaylı çalışmalar ve standartlar bulunmaktadır. Yapının kullanım amacına ve yoğunluğuna bağlı olarak tasarımda bazı ölçütler söz konusu ise de bir kısım temel kavramlardan söz edilebilir: Hafif çelik yapılarda, kaplama ve yalıtım malzemelerinin düşük yoğunluklu malzemelerden seçilmesi, kalınlıklarının artırılması ve katmanlı yapılar halinde düzenlenmeleri, ses yalıtımına katkıda bulunur. Taşıyıcı çelik elemanların gövde yüksekliklerinin ve kalınlıklarının artırılması, konstrüksiyonun kalınlık ve ağırlığı da artacağından, ortamda yayılan sesin ve kapı çarpmaları gibi darbe etkilerinin bu elemanları titreştirmesi güçleşir.
Hafif Çelik Yapılarda Yangına Karşı Koruma
Hafif çelik yapılarda, yangında düşük büzülme ve yüksek bütünlük özelliklerine sahip olan alçı levhanın (alçıpan) tek katmanıyla 30 dakika, iki katmanıylaysa 60 dakika yangın dayanım süreleri elde edilebilmektedir. Zeminlere ve duvarlara düzlemsel koruma, 500°C’lik sıcaklıklarda bile mukavemetlerinin önemli bir kısmını koruyan kapalı bölümlere yeterli yangın direnci sağlar. Hafif çelik çerçevede, duvarların ve zeminlerin levha kaplaması, levha malzemesine ve levha sayısına bağlı olarak çeliği 120 dakikaya kadar yangına karşı koruyabilir. Yalıtım malzemesi, mineral yün veya taş yünü seçimi de yangına dayanıklılık açısından çok önemlidir.
Sonuç
Hafif çelik yapılar; sağladığı avantajlar bakımından, geleneksel yapı sistemlerinin alternatifi olmaktadır. Süre, kalite, maliyet ve benzeri ihtiyaçların karşılanmasında en önde gelen bir yapı sistemidir. Ülkemiz konut sektöründe henüz beklenen kullanım oranlarına ulaşılamamıştır. Ülkeye uygun çözümler geliştirilmesi ile önümüzdeki yıllarda pazar payı genişleyecektir.
Yorum Yok