Teknik Makale

 

 

Literatürde; hafif çelik yapı elemanları (light gauge), ince cidarlı (thin-walled), soğuk şekillendirilmiş (cold-formed) çelik yapı elemanları gibi pek çok farklı isimle de anılırlar. Aslında adlandırmaların her biri bu taşıyıcı sistem elemanlarına farklı bir açıdan bakılması nedeniyledir. Hadde mamulü çelik yapı profillerine göre hafiftir, çünkü çoğu soğuk şekillendirilmiş çelik, 0.011 inç (0.28 mm) ilâ 0.188 inç (4.8 mm) kalınlığında düz levhalardan veya rulolardan yapılır. Ancak bazı bölümler 3/4 veya 1 inç (19 mm ilâ 25mm) kalınlığında levhalardan da oluşabilir. Kesitlerin ince cidarlı olması nedeniyle yerel stabilite sorunları ve kesit narinliği, hadde mamulü kesitlerdekinden farklı hesap yaklaşımlarını zorunlu kılar. Isıl işlem ve haddeleme yerine soğuk şekillendirme nedeniyle kesitteki bazı bölümlerde plastik deformasyonlar oluşmuş, kesitin bazı kenarları rijitleştirilmişken, bazı kenarlar rijitleştirilmemiş olduğundan hesaplar toplam enkesit alanı yerine daha küçük bir etkin kesit üzerinden yürütülür. Kısacası, hadde mamulü çelik yapı elemanlarıyla, hafif çelik yapı elemanları arasındaki tek ortak özellik; malzemenin çelik olmasıdır denebilir.

 

Soğuk şekillendirilmiş 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, katlanmış plak şeklinde biçimlendirilirse, önemli ölçüde rijitlik ve mukavemet kazanacaktır. (Şekil 1) Gerekli yapısal nitelikler, kalınlığın artırılmasıyla değil, levhayı tasarlanmış bir şekle sokarak elde edilir. Bu uygulama malzeme sarfiyatı ve yapı ağırlığı bakımından önemli bir kazanç sağlamaktadır. Söz konusu teknikten büyük açıklıklı ve mimari nitelikli betonarme yapılarda da yararlanılmaktadır.

Çelik malzemenin yapı sektöründe kullanılmasına 18. yy sonlarında Avrupa’da başlanmıştır. Yarım asır sonra ABD’de de yoğun bir şekilde kullanılmaya başlansa da bu tarihten önce çelik profiller ve kablolarla inşa edilmiş büyük açıklıklı köprülere rastlamak mümkündür. Özellikle İkinci Dünya Savaşı öncesinde ve savaş sırasında gelişen üretim teknikleri ve üretim kapasitesi, çeliğin, savaşın etkisiyle harap olmuş şehirlerin hızla yeniden inşasında yoğun kullanılmasına etki etmiştir. 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 kesitler söz konusudur. (Şekil 2)

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 artırmış, ancak ülkemizde kalıcı konutların inşasında beklenen kullanım oranına ulaşılamamıştır.

 

Buna neden olan etmenler arasında kullanıcının kültürel ve geleneksel altyapısı, alışkanlıkları, barınma ve konfor beklentisi 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 literatür ve tasarım altyapısına erişmiştir. (Şekil 3) 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 % Hafif çelik yapıların taşıyıcı sistemini oluşturan yapısal elemanlar, adından da anlaşılacağı gibi çelikten üretilir ve geleneksel/konvansiyonel/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.

 

%1’in altında kalması, konunun inşaat endüstrisi paydaşları tarafından yeterince ele alınmadığını düşündürmektedir. Hafif çelik yapıların kullanımına geçici yapıların inşasında da başvurulmaktadır. Üretim tekniği modüler olan hafif çelik yapıların demontaj ve başka bir alanda yeniden montajı mümkündür.

 

Son yıllarda sıklaşan iç savaşlara bağlı mülteci akını, göçmen kabul eden ülkelerdeki göçmen konutu ihtiyacını hafif çelik yapı sistemiyle çözmeye itmiştir. Hafif çelik yapıların hızlı imalat, nakliye ve montaj imkânı; çadır kentlerle kıyaslanamayacak ölçüde konforlu, sağlıklı ve planlı alanlar inşa etmeyi mümkün kılmaktadır.

 

Denizaşırı taşımacılıkta kullanılan konteynerler de bir hafif çelik yapı örneğidir. Ağırlığına oranla yüksek taşıma kapasitesini, katlanmış plak duvar ve hafif çelik karkasa borçlu olduğu aşikârdır. Kolay taşınıp, hızlı bir şekilde kullanıma alınabilmesinden dolayı askeri amaçlar ve kriz yönetim üssü olarak da hizmet veren konteynerler, son yıllarda mimari düzenlemelerle konut olarak da karşımıza çıkmaktadır. (Şekil 4)

Soğuk şekillendirilmiş elemanlar bir yapının tüm taşıyıcı sistemini oluşturmanın yanında, hadde mamulü çelik yahut kompozit bir yapının bir bölümünde de kullanılabilir. Örneğin kompozit bir döşemede betona kalıp görevi gören ve hatta bazı durumlarda bu betonun çekme donatısı olarak çalışan trapezoidal saclar da bir hafif çelik yapı elemanıdır. (Şekil 5)

Sanayi yapıları, hangarlar ve benzeri yapılarda cephe kaplama malzemesi olarak da soğuk şekillendirilmiş saclar yoğun bir şekilde kullanılmaktadır. (Şekil 6)

Özellikle sanayi yapılarında, geleneksel çelik taşıyıcı sistem üzerinde aşık, kuşak ve kaplama elemanları olarak da görev yapabilir. (Şekil 7)

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. Diğer önemli özellikler süneklik, sertlik ve kaynaklanabilirliktir. 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 süneklik, biçimlendirilebilirlikle olan ilişkisinden ve cıvatalı ve diğer 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 yöntemleri; presleme (abkant) ve soğuk haddelemedir. Bir abkantta, üst kalıbın tutturulduğu hareketli bir üst kiriş ve bir alt kalıba sahip uzun bir yatak vardır. (Şekil 8) Şekillendirilecek çelik sac, alt kalıbın üzerine yerleştirilir ve kiriş aşağı doğru hareket ederek bükme işini gerçekleştirir. Çoğu zaman parçanın son şekli, bir dizi farklı abkant pres işlemiyle sağlanmaktadır. Abkant presle şekillendirme genellikle büyük yapısal şekiller için daha uygundur; ancak ekonomik olarak yalnızca kısa ila orta ölçekli üretim çalışmaları için başvurulmaktadır. Presleme (press brake) yöntemini kullanma kararı, aynı zamanda parçanın şekline ve bu şekle ulaşmak için gereken takımın karmaşıklığına da bağlıdır. Soğuk haddeleme (roll-form) makinasıyla şekillendirme; çatı, zemin ve duvar panellerinin üretiminde en yaygın kullanılan yöntemdir. (Şekil 9) Ayrıca C, Z kesitler gibi yapısal elemanların üretiminde de kullanılır. Ek olarak, pencere ve kapı çerçeveleri, oluklar, yağmur iniş boruları ve diğer ürünler de bu makinayla şekillendirilebilir. Kesitler genellikle 60 inç (1.5 m) genişliğe kadar levhadan ve 3.000 fit (1.000 m) uzunluğundan daha uzun bobinlerden yapılabilir.

Hafif Çelik Yapı Sistemlerinin Avantaj ve Dezavantajları 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 hesaplarda 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 gayriekonomik 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.

• Bazı birleşimlerin vidalı olması sayesinde, bulonlu (cıvatalı) birleşimlerin tolerans ve montaj sorunu, ince cidarlı çelik yapı elemanlarında görülmemektedir. Bu imkân, insan kaynaklı imalat ve montaj kusurlarının önlenebilmesini sağlar.

• Özellikle betonarme yapıların inşasında meteorolojik durum büyük bir etkiye sahipken, çelik yapıların montajında bu etkiler genellikle çalışmaya engel değildir. Bu avantaj, hafif çelik yapı montajında daha da öne çıkmaktadır.

• Hafif çelik yapı elemanlarının imalat ve montajında, hadde mamulü çelik yapı elemanları için kullanılandan çok daha düşük kapasiteli kaldırma makinalarıyla çalışmak mümkündür.

• 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.

• Betonarme bir yapının yıkılmasının çevreye verdiği olumsuz etki, çelik yapının demontajı esnasında düşük düzeyde kalmaktadır.

• Çelik yapıların mimarî tasarıma sunduğu serbestlik, hafif çelik yapılar için de söz konusudur.

 

Hafif çelik yapıların dezavantajları da sıcak hadde mamulü çelik yapılarınkinden çok farklı değildir:

• Isı ve ses yalıtımı konusunda özel çözülmüş detaylar gerektirir.

• Çelik yapıların genel bir sorunu olan titreşimli yükler altında sorunlar yaşanabilir. Bu durum da özel detaylarla çözülebilmekle beraber, bu sorunun ortaya çıkmasının nedeni; yapının düşük birim hacim ağırlığıdır.

• Çeliğin yangına dayanma süresi gözetilerek, etkili düzenlemeler ve koruyucu duvar kaplamaları gerektirebilir, zira 600o C sıcaklıkta çelik, taşıyıcılık özelliğini kaybeder. Tehlikeli yanıcı maddelerin depolanacağı yapılarda uzman çözümler gerektirir.

 

Tüm bu avantaj ve dezavantajların ışığında bir değerlendirme yapıldığında şu sonuçlara ulaşılabilir:

• Hafif çelik yapı sistemleri büyük açıklıklı ya da yüksek yapılar yerine, 2-3 katlı konut, ofis ve benzeri yapı türlerinde, maliyet, hızlı inşaat ve sürdürülebilirlik açısından diğer sistemlerden daha avantajlıdır.

• 2-3 katlı yapılarda deprem performansının yüksek oluşu ve olumsuz zemin koşullarında bile başarıyla uygulanabilmesi, diğer sistemlerden daha ekonomik sonuçlar elde edilmesini sağlamakta, bu da hafif çelik yapı sistemini bu alanda rakipsiz kılmaktadır.

• Dünyada hafif çelik yapı sistemlerinin çok katlı yapılarda uygulandığı örnekler de söz konusudur, ancak maliyet ve ülkemiz koşullarına uygunluğu araştırılmalıdır.

 

Tayvan’da 1999 yılında meydana gelen depremde en düşük hasar yüzdesinin hafif çelik yapılarda görülmüş olması, bu değerlendirmeleri doğrular niteliktedir. (Şekil 10)

 

Burada dikkate değer olan; kalın cidarlı soğuk şekillendirilmiş profillerin (t >6mm) performansının hem ince cidarlı soğuk şekillendirilmiş (t < 6 mm) hem de sıcak şekillendirilmiş (hadde mamulü) profillerden yüksek olduğudur.

 

Ancak sıcak şekillendirilmiş (hadde mamulü) profillerle inşa edilen çelik yapıların, muhtemelen daha büyük açıklıklı ve daha yüksek yapılar olduğu ve bu nedenle daha büyük deprem yüklerine maruz kalmış olabileceği unutulmamalıdır.

 

Soğuk Şekillendirilmiş Çelik Yapıların Sürdürülebilirliği

• Hafif çelik çerçeve, organik malzemeler içermeyen kuru bir yapı sistemidir. Kuru inşaat, nem sorunları ve hasta bina sendromu riskini önemli ölçüde azaltır,

• Hafif çelik sistemlerde kullanılan her malzeme (çelik, alçı ve mineral yün) %100 geri dönüştürülebilir, • Yapı bileşenlerini yeniden kullanım için sökmek mümkündür,

• Hafif çelik çerçeve, üretim sırasında yerinde dökülen beton çerçeveli eşdeğer konutlara göre daha az enerji tüketimi anlamına gelir,

• Hafif çelik iskelet, 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. [4]

 

Mühendislik Tasarımı

Soğuk şekillendirilmiş çeliğin sunduğu imkânlardan biri de yapı mühendisinin, istenen yapısal ve estetik gereksinimi karşılamak için özel şekilli kesitler tasarlamasının mümkün olmasıdır.

 

Bununla birlikte, piyasada, gerekli işi görecek, kolayca bulunabilen şekillere ulaşmak çoğu zaman mümkündür. Yapı bileşeni tedarikçileri çok çeşitli şekiller üretebilir. 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.

 

Soğuk şekillendirilmiş çelik şekillerle ve sıcak haddelenmiş yapısal şekillerle tasarım arasındaki temel farklardan biri, sıcak haddeleme ile öncelikle iki tür dengesizlikle ilgilenilmesidir; kolon burkulması ve yatayda desteklenmemiş kirişlerin yanal burkulmasıdır. Sıcak haddelenmiş şekillerin boyutları, başlık ve gövde elemanlarının yerel burkulmasının genellikle akmadan önce meydana gelmeyeceği şekildedir.

 

Soğuk şekillendirilmiş elemanlarda durum böyle değildir. Burada yerel burkulma da dikkate alınmalıdır, çünkü çoğu durumda kullanılan malzeme genişliğine göre incedir. (Şekil 11)

 

Bu, kesitin elemanlarının, akma noktasının çok altındaki gerilmelerde burkulmaya izin verecek genişlik - kalınlık oranlarına sahip olduğu anlamına gelir.

 

Bu tür levha elemanlar için yerel burkulma, genel kiriş veya kolon burkulmasından farklıdır. Eleman, düzlem şeklinden sapmaya başlasa da ilk burkulma dayanımına ulaşıldığında göçme olmaz, aksine, yerel burkulmanın ilk ortaya çıktığı durumlardan genellikle çok daha fazla basınç gerilmelerine direnebilir. Bu durumda, eleman, bu kirişler ve kolonlar için gösterilen (oldukça abartılı) düzlem dışı deformasyonlar geliştirir, ancak bunlar artan yükü taşımaya devam edeceklerdir. Bu durum, burkulma sonrası mukavemetleri olarak bilinir.

 

Şekil 10 - 1999 Tayvan depremi sonrası hasarlı yapı yüzdesi [3] Şekil 11 - Soğuk şekillendirilmiş çelik yapı elemanlarının burkulma modları [1]

 

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. (Şekil 12) 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. (Şekil 13)

 

Hafif Çelik Yapılarda Bağlantı Elemanları

Çelik yapılarda sökülebilir bağlantılar olarak bilinen bağlantı elemanları yurdumuzda da çoğunlukla tercih edilen bağlantı türlerini oluşturur. (Şekil 14)

 

Son yıllarda, otomotiv endüstrisinden kaynaklanan pres birleştirme teknolojisi ve “Rozet” sistemi, ince cidarlı çelik yapılar için mekanik bağlantı elemanları ailesini genişletmiştir. Hafif çelik yapılarda başvurulan kaynak uygulamaları, genellikle köşe kaynağı şeklinde yapılır. (Şekil 15) Malzeme ince cidarlı ve çoğu zaman galvanizli olduğundan, birleşim türüne göre elektrot tipi ve akım şiddeti buna uygun seçilir.

 

İyi Bir Mimarî – Mühendislik Tasarım İlişkisi ve Sunumu İçin;

• Hafif çelik yapılar, detay-yoğun yapılardır ve başarılı bir proje için mimarî çizimlerle mühendislik çizimleri arasında tutarsızlıklara meydan verilmemelidir.

• Soğuk şekillendirilmiş çelik imalatçı ihale projeleri için yeterli bilgi sağlanması, daha sıkı, daha rekabetçi tekliflerle sonuçlanacaktır. (Şekil 16)

• Tasarımcı mimar ve mühendisin, soğuk şekillendirilmiş çelik yapı tasarımı için yeterli bilgi ve beceriyle donanmış olması gerekir, zira her inşaat projesinde geri dönüşler maliyetli olmakla beraber, hafif çelik yapı inşaatının hataya tahammülü, betonarme yapıyla kıyaslanamayacak kadar düşüktür.

• Soğuk şekillendirilmiş çelik tasarımı ve yapımı sırasında Talep Bilgi Formu (RFI) sayısını en aza indirmek amaçlanmalıdır.

 

Tasarımda Kullanılan Yönetmelikler

Ülkemizde hafif çelik yapı tasarımında 2014 yılına kadar TS 11372 - Çelik yapılar - Hafif - Soğuk 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 - Soğuk 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 Şekil 12 - Basit mesnetli, tek eksenli basınca maruz levhadaki gerilme dağılımı: (a) gerçek gerilme dağılımı; (b) "etkin genişlik" yaklaşımına dayalı eşdeğer gerilme dağılımı[1] teknik personeli ve ihracatçılarının dünyayla bütünleşme ve rekabet gücünü artırmada önemli bir imkân sunmuştur.

 

Şekil 13 - Tipik bir basit eğilme elemanının etkili kesiti

Şekil 14 - Genel Uygulamalar için mekanik bağlantı elemanları [5]

Şekil 15 - Hafif çelik yapı elemanlarında kaynaklı bağlantı uygulamaları [1]

Şekil 16 - Tipik bir hafif çelik taşıyıcı sistemin elemanları

 

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 Yönetmeliğinde hafif çelik binaların yatay yük taşıyıcı sistemlerinin, kaplamalı panel sistemler ve çaprazlı panel sistemler olmak üzere iki şekilde oluşturulması istenmiştir. (Şekil 17)

 

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.

 

Soğuk şekillendirilmiş çelik bina yapılarını tasarlarken, tasarımcı, ince duvarlı bölümlerin davranışını ve performansını karakterize eden dört özel sorunu yönetmelidir.

 

Bu özellikler esas olarak:

• Kesitlerin stabilitesi ve yerel dayanımı;

• Bağlantı teknolojisi ve ilgili tasarım prosedürleri;

• Referans süneklik, plastik tasarım ve sismik dayanıma göre azaltılmış süneklik;

• Yangına dayanıklılık.

 

Geleneksel çelik taşıyıcı sistemlerle karşılaştırılırsa, soğuk şekillendirilmiş çelik yapının taşıyıcı elemanları olgusu genel olarak sınıf 4’tür. Birleşik eğilme, elemanların etkili en kesitleri ile çalışmayı içerdiğinden, bu yapıların genel stabilitesi, kusurlara ve 2. derece etkilere duyarlılıkları, uygun analizlerle dikkatlice kontrol edilmelidir.

 

Hafif Çelik Yapılarda Isı, Su ve Ses Yalıtımı

Yapının, yalıtım malzemeleriyle dıştan kaplanması (mantolama) en uygun sistemdir. Bu sistemlerle ilgili detaylar inkişaf etmiş 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.

 

Hafif çelik yapı sistemlerinde, su ve nem, yoğuşma oluşturur. Yoğuşma, aynı zamanda ısı iletkenliğini de belirler. Yüksek nem oranı; düşük ısı yalıtımı anlamına gelir. Doğru bir ısı yalıtımı, yoğuşma ve nemin oluşmasını engeller.

 

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 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 mekânda 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.

 

Yalıtım, erken evrelerde hafif çelik yapılar için bir sorun oluşturmakla beraber, günümüzde bu sorun büyük ölçüde giderilebilmiştir.

 

Hafif Çelik Yapılarda Yangına Karşı Koruma

Kesit faktörünün küçük değerleri nedeniyle (yani ısıtılmış hacmin elemanın kesit alanına oranı) korunmasız soğuk şekillendirilmiş çelik kesitlerin yangına dayanıklılığı azalır. Aynı nedenle, yüksek sıcaklıkta şişen kaplamalar yangından korunmada verimli değildir. Püskürtülmüş çimento veya alçı esaslı kaplamalar, diğer uygulamalar için çok verimli olsalar da genellikle galvanizli soğuk şekillendirilmiş çelik profiller için kullanılamazlar.

 

Taşıyıcı uygulamalarda, yangında düşük büzülme ve yüksek bütünlük özelliklerine sahip olan alçı levhanın (özel yangına dayanıklı alçı levha) tek katmanıyla 30 dakika, iki katmanıyla ise 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.

 

Kiriş ve kolon olarak kullanılan münferit soğuk şekillendirilmiş çelik profillerin kutu koruması, sıcak haddelenmiş profillerle aynı şekilde sağlanır. Yük taşımayan elemanlar, yangın koşullarında yalnızca “yalıtım” kriterini karşılamaları Şekil 17 - TBDY-2018'de sunulan yatay yük taşıyıcı sistemler gerektiğinden, daha az koruma yeterlidir. Bu gibi durumlarda sıradan alçıpanel kullanılabilir.[1]

 

Sonuç

Hafif çelik taşıyıcı sistemler; sağladığı avantajlar bakımından, bir başka sistemin alternatifi olmaktan çok, süre, kalite, maliyet ve benzeri ihtiyaçların karşılanmasında önde gelen bir çözümdür.

 

Ülkemiz konut sektöründe henüz beklenen kullanım oranlarına ulaşılamamış olmasının arka planında yatan sebeplerin; yatırımcı, yapımcı ve teknik insanlar tarafından belirlenerek, ülkeye uygun çözümler geliştirilmesi gerektiği açıktır.

 

Her ne kadar hafif çelik yapı sistemleri yeni deprem yönetmeliğinde yer almış ve sektördeki üretimin ölçme ve değerlendirme şartları belirlenerek haksız rekabetin önüne geçilmesi bir ölçüde sağlanmışsa da kalitenin yükseltilmesi ve uluslararası pazarda rekabet gücünün artırılması için paydaşların ortak bir çalışmayla; gelişmiş tasarım, üretim ve montaj yönetmelikleri hazırlamaları hâlâ bir ihtiyaçtır.