Hafif Çelik-Soğukta Şekil Verilmiş Çelik-Hafif Çelik Yapılar

1. Hafif Çelik

Yapılarda kullanılan çelik, yüksek sıcaklıkta şekil verilmiş ya da soğukta şekil verilmiş yani oda sıcaklığında şekil verilmiş çelik ürünlerdir. Bu ürünlerden soğukta şekil verilmiş çelik, yapı tasarımında uzunca bir süredir kullanılır. Hafif çelik, soğukta şekil verilmiş çelik olarak da ifade edilen bu elemanlar İngilizce “Cold Formed Steel” teriminin baş harfleri alınarak oluşturulan CFS kısaltması ile tabir edilebilir ve bu ifade sıkça karşılaşılan bir ifadedir.

Genel anlamda soğukta şekil verilmiş çelik elemanların/hafif çeliklerin et kalınlıkları 0,350 mm ile 6,50 mm aralığındadır. Özel uygulamalar için ön galvanizli malzemeler gerekmiyorsa 8 milimetre kalınlığa kadar oluşturulabilir.

Betonarme elemanlar, basınç dayanımı yüksek, çekme dayanımı düşük yapı elemanlarıdır. Fakat hafif çelik malzeme hem basınç dayanımı hem de çekme dayanımı konusunda yüksek değerlere ulaşmaktadır. Ayrıca günümüzün en önemli sorunlarından biri haline gelen deprem etkisi çelik yapılar ile minimum düzeye çekilmektedir.

Betonarme malzemeye nazaran daha hafif bir yapı malzemesi olan hafif çelik sayesinde yapıların maruz kaldığı deprem kuvveti daha az olmaktadır ve böylelikle deprem anında daha az zarar görmektedir. Bir diğer konu ise çelik malzemelerin üretiminin belirli bir denetim altında yapılması ve imalatının genellikle atölyelerde gerçekleştirilmesidir. Bu sebeple dayanımlar standart seviyede olup büyük değişimler göstermez ve betonarme yapı gibi fazladan bir bakıma ve küre ihtiyaç duymaz.

2. Hafif Çelik Yapıların Kullanım Alanları

Hafif çelik yapıların ülkemizde kullanımı son yıllarda oldukça artmıştır.  Soğukta şekil verilmiş çelik ilk başlarda şantiye binaları olarak kullanılıyordu. Fakat zamanla deprem evleri olarak yapılmaya başlandı. Artık okul, kreş, yurt, işyeri, mescit, lokanta, halk pazarı, konut ve daha birçok alanda uygulanmaktadır. Fakat konut olarak inşaat piyasasında hala olduğu yerde değildir. Amerika ve Avrupa’da konut olarak çok yaygın kullanılmasına rağmen ülkemizde kullanıcılar tarafından şüpheyle karşılanmaktadır.

3. Hafif Çelik Yapıların Genel Özellikleri

Hafif çelik yapılarda önceden üretilebilme imkânı olduğundan dolayı insan hataları en aza inmektedir. Yapı ince kesitli çeliklerden oluştuğu için diğer yapı türlerine göre 10 kata kadar daha hafiftir. Bu hafifliğinden dolayı da deprem yüklerini az aldığı için depreme karşı çok güvenlidir. Hafif çelik yapılar çok kötü zemin koşullarında bile uygulanabilmektedir.

Hafif çelik yapılar hızlı ve kolay bir şekilde montaj edilebilmektedir. İnşa aşamasında hava ve
iklim koşullarından etkilenmediğinden dolayı 4 mevsim inşası mümkündür. Doğru şekilde galvenizlendiği zaman dış etkilerden etkilenip korozyona uğramaz. Soğukta şekil verilmiş çelik yapılar diğer çelik sistemler ile desteklendiği zaman 3 kattan fazla yapılar da yapılabilmektedir.

4. Hafif Çelik-Soğukta Şekillendirilmiş Çelik ile Geleneksel Çelik Elemanlar Arasındaki Temel Farklar

Hafif çelik ile geleneksel çelik elemanları arasında göz önüne alınabilecek pek çok fark vardır.

• Bağlantı elemanı olarak bulon ve kaynağın yanı sıra clinch olarak adlandırılan perçin benzeri ve vidalı bağlantılar yapılabilir.
• Hafif çelik elemanlarda yüksekliğin kalınlığa oranı çok fazla olduğundan dolayı bölgesel kontroller yapılmaktadır. Geleneksel çelik de ise kritik noktaların kontrolleri yapılmaktadır.
• Hafif çelik üretimi sırasında mekanik özelliklerde iyileştirmeler yapılabilir.
• Hafif çelik elemanlar orta seviyede yüklerde ve orta uzunlukta açıklıklarda daha ekonomik sonuçlar vermektedir
• Ayrıca hafif çelik sistemlerde kayma ve ağırlık merkezleri arasında dış merkezlik oluşma ihtimali yüksektir. Bu da burulma ve burkulma oluşturabileceğinden ayrıca hesap yapılması gerekmektedir.

4.1. Soğukta Şekil Verilmiş Çeliğin-Hafif Çeliğin Avantajları

Hafif çelik elemanlar fabrika ortamında üretilmesi sebebiyle sahip olduğu homojen, izotrop, rijitlik ve düktilite gibi özelliklerini her kesitte aynı şekilde gösterir. Üretim bilgisayar desteği ile gerçekleştiğinden işçi kaynaklı hata oranı daha azdır ve bu şekilde güvenli bir üretim sağlanır. İstenilen en kesitte eleman üretmek kolaydır.

Hafif çelik elemanlar diğer yapı elemanlarına göre daha hafiftir. Böylece daha zorlu zemin koşullarında kullanıldığında depremden etkilenmesi daha azdır.

Yapı elemanların önceden hazırlanıp getirilmesi üretim süresinin azalmasını sağlar. Bu durum diğer yapım yöntemlerine göre daha kısa süre içinde yapının tamamlanmasına ve işlem süreçlerinin daha tutarlı şekilde belirlenmesine yardımcı olur. Seri üretim imkânı sağlar. Soğukta şekil verilmiş yapılarda iklim şartları inşa aşamalarını daha az etkiler ve sarf malzeme miktarı ve atık miktarı daha azdır. Doğru şekilde yalıtıldığı zaman yangın, paslanma, küflenme, haşere ve böceklere karşı diğer tasarım sitemlerine göre daha güvenlidir.

Çelik, yapısal yüklere ve yüksek rüzgâr ve depremsel olaylardan etkiyen hareketlere maruz kaldığında yüksek oranda tahmin edilen şekilde davranır. Çünkü çeliğin doğasında olan fiziksel ve kimyasal özellikler üretilen üründe de aynıdır. Bu sebeple bir çelik taşıyıcı eleman oluşturulduğunda sertliği, uzunlukları, dayanımı değişmeyecek düz kalacaktır.

Yapısal gereksinimlerin değişmesi durumunda ve yapıda bazı yeni kısımlar oluşturma isteğine cevap verir. Geri dönüşümlü oluşuyla doğaya zarar vermez. Çelik Geri Dönüşüm Enstitüsü raporlarına göre çelik; kâğıt, plastik, bakır, cam, kurşun ve alüminyumlu malzemeler gibi geri dönüşümü gerçekleşen maddelerden daha fazla geri dönüşümü olan bir malzemedir. Çelik çerçeve elemanları ortalama en az %25 oranında geri dönüşümlü çelik içerir ve %100 ömrü sona erince geri dönüştürülebilir. Geri dönüştürülebilen çelik yenilenebilir kaynakların yerini alır; 2000 ft2 (185,80 m2) çelik çerçeveli bir ev yapısı inşa etmek için yaklaşık 6 hurda araç gerekir.

Nakliye ve şantiye içi dağıtımının, tamir ve montajının kolay oluşu hafif çeliğin avantajlarındandır. Yapılan araştırmalarla hafif çelik evlerin inşaat süresi, maliyeti, kullanım alanı betonarme ve sıcak haddeli çelik yapılardan daha uygundur.

Hafif çeliğin vidalı birleşimleri yükü kesmede taşıyan mekanik kilitli birleşim gerçekleştirebilir. Bu ahşap gibi yapı elemanlarında gerçekleşmez çünkü ahşap elemanlarda birleşimin ve elemanın dayanımı ayrı değerlendirilir.

Soğuk şekillendirilmiş çelik yapı elemanlarının avantajlarını maddeler halinde aşağıdaki şekilde sıralayabiliriz;

1. Yüklerin ve açıklığın nispeten az olduğu durumlarda soğuk şekil verme yöntemiyle sıcak şekil verme yöntemine kıyasla daha hafif elemanlar üretilebilmektedir. Üretim maliyetlerinin de düşük olması nedeniyle, soğuk şekillendirilmiş profillerle inşa edilen az katlı yapıların tasarımcılara ekonomik bir seçenek sunduğu kabul edilir.
2. Soğuk şekil verme yöntemiyle, sıcak şekil verme yöntemiyle imalatı mümkün ya da ekonomik olmayan alışılmışın dışında kesit geometrilerine sahip profiller üretilebilmektedir.
3. Soğuk şekillendirilmiş profiller çoğu zaman üst üste istiflenebildiğinden, paketleme ve nakliyede büyük kolaylık sağlamaktadır.
4. Gelişen teknolojiyle birlikte soğuk şekillendirilmiş profillere, üretim aşamasında, istenilen şekil ve boyutlarda delikler açılabilmekte; bu da imalatta büyük kolaylık sağlamaktadır.
5. Sıcak şekillendirilmiş hadde profillere kıyasla dayanım/ağırlık oranları daha yüksek olduğundan, burkulma durumları göz önünde bulundurularak boyutlandırıldıklarında, yapının toplam ağırlığını azaltmaktadırlar.
6. Soğuk şekillendirilmiş panellerin döşeme, çatı veya duvar imalatında kullanılmaları durumunda, elemanların kalıpsız inşasını sağlarlar. Ayrıca, tesisatın yerleştirilmesinde panel geometrisindeki boşluklar rahatça kullanılabilir.
7. Soğuk şekillendirilmiş paneller, doğru tasarlandıklarında, sadece yüzeylerine dik gelen yükleri değil, kendi düzlemlerindeki yükleri de diğer taşıyıcı elemanlara güvenle aktarabilirler.
8. Geri dönüştürülebilir malzemeden üretilmeleri sayesinde, soğuk şekillendirilmiş elemanlar sürdürülebilir, çevreci ve yeşil bina olanağı sağlamaktadır.
9. Soğuk şekillendirilmiş çelik yapı elemanlarının yapısal ahşap elemanlara kıyasla en belirgin üstünlükleri, hava koşullarından daha az etkilenmeleri, dayanım ve rijitliklerinin daha yüksek olması, hızlı ve çoklu imalat olanağı ile kurtlanma sorunlarının olmamasıdır.

4.2. Soğukta Şekil Verilmiş Çeliğin-Hafif Çeliğin Dezavantajları

Yukarıda sıralanan üstünlük özelliklerinin yanı sıra, soğuk şekillendirilmiş çelik profillerin tasarımda mutlaka göz önünde bulundurulması gereken bazı zayıf yönleri de mevcuttur. Bu zayıflıklar şöyle sıralanabilir:

1. Açıklıkların ve/veya yüklerin büyük olduğu durumlarda ekonomik sonuçlar elde edilememektedir. Bu nedenle, yönetmelikler soğuk şekillendirilmiş profillerle inşa edilen yapılarda kat adedini sınırlandırmaktadır. Soğuk şekillendirilmiş profiller, yüksek yapılarda çoğu zaman yalnızca sıcak şekillendirilmiş ana taşıyıcı çelik elemanlara yardımcı eleman olarak kullanılabilmektedirler.
2. Soğuk şekil verme işleminde profile ard arda uygulanan işlem sayısı sınırlıdır. Profile uygulanan şekil verme işleminin fazla tekrarı, malzemede büyük zorlamaların meydana gelmesine neden olur. Bu durumda, profilde çatlama ve kırılmalar gözlenebilmektedir.
3. Soğuk şekillendirilmiş profillerin kalınlıkları sıcak şekillendirilmiş hadde profillere kıyasla çok daha küçük olduğundan yerel burkulmaya ve yangına karşı dirençleri çok düşüktür. Ayrıca, depolama ve taşıma esnasında daha hassas davranılması, montajlarının daha dikkatli yapılması gerekmektedir.
4. Çoğu soğuk şekillendirilmiş profil açık enkesite sahip olduğundan, bu tür profillerin burulmaya karşı dirençleri çok düşüktür. Bu nedenle, burulma içeren burkulma sınır durumları soğuk şekillendirilmiş profillerin davranışını belirleyen bir sınır durum olabilmektedir.
5. Soğuk şekillendirilmiş profillerin köşelerindeki et kalınlığı hadde profillerine kıyasla daha küçük olduğundan, tekil yüklere karşı dirençleri daha azdır.
6. Her ne kadar şekillendirme işlemi, yüksek sıcaklıklarda yapılmıyor olsa da soğuk şekillendirilmiş profillerde de artık gerilmeler oluşmaktadır ve bu gerilmelerin profillerin burkulma davranışlarına etkisi mutlaka tasarıma dahil edilmelidir.
7. Ancak, soğuk şekillendirilmiş profillerde oluşan artık gerilmelerin gerek oluşma nedenleri gerekse kesit üzerindeki dağılımlarının sıcak şekillendirilmiş profillere kıyasla çok daha farklı olduğu unutulmamalıdır

5. Hafif Çelik ile Betonarme Arasındaki Temel Farklar

Türkiye’de betonarme yapıların sayısı diğer sistemli yapılara göre çok fazladır. Ülkemizde, betonu temin etmenin kolay olması, inşaat ekiplerinin fazla olması ve betonarme yapı sistemlerindeki deneyim gibi sebeplerden dolayı betonarme yapıların sayısı oldukça fazladır. Hafif çelik yapı sistemlerinin betonarme yapı sitemlerine göre
çok önemli üstünlükleri bulunur.

• Aynı iki mimari proje ele alındığında hafif çelik sistemli yapılar, betonarmen yapılara göre çok daha hafif sistemlerdir. Bu sebepten dolayı eşdeğer deprem yükleri karşılaştırıldığında yapıya etki eden deprem yükü oldukça azalmaktadır. Hafif çelik sistemle betonarme sistem arasındaki bu fark sadece taşıyıcı sistem ağırlıklarında 18 kata çıkmaktadır.
• Üstyapının hafif olmasından dolayı zemine etkiyen yük de önemli miktarda azalmaktadır. Bu konu özellikle gevşek ve taşıma gücü zayıf olan zeminlerde daha sağlam yapılar yapılabilmesine olanak sağlamaktadır.
• Son olarak atölyede ön üretimli yapı malzemeleri olduğundan dolayı işçilikten doğan hatalar betonarmeye nazaran daha az olmaktadır.

6. Hafif Çelik Yapılarda Kullanılan Elemanlar

6.1. Soğukta Şekil Verilmiş Çelik-Hafif Çelik Profiller

Hafif çelik sistemlerde kullanılan profillerin isimlendirmesi biçimlerine göre olur. Genellikle C, U ve Σ profiller kullanılır. Hafif çelik üreticileri kendilerine ait profil tablolarını hazırlar. Bu tablolarda, hazırlanan profillerin karşısında, kesme uzunluklarına göre profillerin moment ve taşıma kapasiteleri verilir. Projelendirmede esnasında bu tablolardaki değerlerden yararlanılır. Her üreticinin profil tabloları arasında fark olabilir.

Hafif çelik yapıda genellikle C profiller kullanılır. C profiller flanş (başlık), gövde, ve dudak (lip) kısımlarından oluşur ve ölçülendirilmesi başlıkların dışından dışınadır. U profiller ise sadece flanş ve gövde kısımlarından oluşup, ölçülendirilmeleri başlıkların içinden içinedir.

Soğukta şekil verilmiş çelik sistemlerde kullanılan malzeme fabrikalarda, belirli standartlara göre üretilir. Eriyen hafif çelik, üretim bandının üzerinde silindir veya presleme yöntemi ile levha veya rulo sac haline dönüştürülür. Üretim sırasındaki silindir veya presleme işlemi, çeliğin içyapısındaki boşlukları sıkıştırıp doldurduğu için hafif çelik malzemenin daha homojen bir yapıda olmasını ve dayanımının yükselmesini sağlar. Levha veya rulo halini alan hafif çelik malzeme uygun boyutlarda kesilir. Kesilmiş levha çelik, pres kalıp, silindir kalıp veya bükme işlemi ile profillendirilir.

Hafif çelik, levha halindeyken veya daha sonra uygun şekilde kesilip boyutlandırıldığı zaman galvanizleme işlemine tabi tutulur. Bu galvanizleme işlemi hafif çelik malzemeyi dış etkilere ve korozyona karşı önemli derecede korumaktadır. Eğer hafif çelik eleman boyutlandırılma işleminden sonra galvanizlenirse, sonradan herhangi bir delme, kesme gibi işlem uygulanmadığından dolayı galvaniz kaplama zarar görmez.

6.2. Levhalar, Trapez Levhalar ve Şeritler

Hafif çelik çerçevelerde bağlantı yüzeyini artırmak için çelik levhalar kullanılabilir. Bu levhaların kalınlığı, kullanılan profillerin kalınlığından daha az olamaz. Bağlantı noktalarındaki köşebentler, çelik levhalardan oluşturulurlar. Çelik şeritler, genellikle çaprazlamalar şeklinde kullanılır. Trapez levhalar ise yüzeysel elemanlardır. Profillerin üretim aşamaları ile aynı şekilde üretilirler. Genellikle döşemelerde kullanılırlar.

6.3. Hafif Çelik Montaj Elemanları

Hafif çelik yapılarda montaj elemanları, vida ve bulon, perçin, çivi, kaynak gibi bağlantı elemanları ile ankraj elemanları olarak ele alınabilir.

6.3.1. Vidalar

Hafif çelik yapıların montajında kullanılan vidalar kendinden delme özelliğine sahiptir fakat levhanın kalınlığı 0.88 mm’ den az ise kendinden delme özelliği olan vidalar kullanılamaz. Bir vidanın ucundaki kesici kısım ne kadar uzunsa vidanın delebileceği malzeme kalınlığı da o kadar artmaktadır. Çelik ile çelik tespitinde düz başlı vidalar kullanılırken, kaplama malzemeleri ile kaplama malzemeleri veya kaplama malzemeleri ile çelik tespitinde konik başlı vidalar kullanılır. Çok amaçlı olarak kullanılan vidalar da mevcuttur.

6.3.2. Bulonlar

Bulonlu bağlantılar genellikle hafif çelik elemanların, beton veya diğer çelik elemanlar ile tespitinde kullanılır. Yaygın olmamakla birlikte hafif çelik elemanların hafif çelik elemanlara bağlantısında da kullanılır. Bulonlar ile bağlantı yaparken öncelikle, hafif çelik elemanlarda bulon çapından biraz daha geniş olan delikler açılır. Daha sonra bu deliklerden bulonlar geçirilir ve diğer ucuna somun takılıp bir anahtarla sıkıştırılır.

6.3.3. Kaynak

Hafif çelik sistemlerinde vida ve bulonlu bağlantılardan sonra en çok kaynak ile bağlantı şekli kullanılmaktadır. Bağlantı noktaları kaynak ile birbirine bağlanır. Vida ve bulonlu bağlantılara göre daha rijittir. Ancak, kaynak sırasında yüksek ısıdan dolayı galvaniz kaplama zarar görebilir. Bulonlu ve vidalı bağlantılara göre daha fazla zaman isteyen bir işlemdir. Ayrıca sökülmesi ve değiştirilmesi güçtür.

6.3.4. Punto ve Perçinler

Çelik-çelik birleşiminde kullanılan yöntemlerden biri de punto ile montajdır. Punto aletleri ile çelik levhalar birbirine preslenerek montaj yapılır. Bu punto aletleri hidrolik veya hava kompresi ile çalışabilir. Punto ile montajda elemanlar daha sonradan kolay kolay sökülemezler. Sökülseler dahi elemanların tekrar kullanılması zordur. Ayrıca puntolama işlemi sırasında profiller ezilir ve sonucunda da galvaniz kaplama zarar görebilir.

Perçin ile montajda profil üzerine önceden delikler açılır ve bu deliklere sert alüminyum veya yumuşak çelik alaşımı perçinler yerleştirilerek ezilir. Perçin tabancası ile perçin çekilip ezilir ve böylece perçin sıkışarak montaj gerçekleştirilmiş olur. Perçin sonradan kesilerek elemanlar birbirinden ayrılabilir. Bu işlem, perçin yuvası için önceden bir delme işlemi gerektirdiği için vidalı ve puntolu birleşimlere göre daha yavaş yapılmaktadır.

6.3.5. Çiviler

Hafif çelik elemanların montajında özel yivli çiviler de kullanılır. Genellikle kaplamaların, hafif çelik profillere montajında kullanılır. Fakat bağlantı yöntemi olarak çivi kullanımı pek yaygın değildir. Montaj, hava kompresi ile çalışan çivi tabancalarıyla veya robot kollar ile yapılabilir.

7. Hafif Çelik Yapıların Tasarımında Kullanılan Yönetmelikler

Hafif çelik yapıların tasarımında dünyanın çeşitli bölgelerinde kullanılan AISINAS, Avrupa, Afrika ve Ortadoğu bölgelerinde kullanılan Eurocode 3, Türkiye’ de kullanılan TS 11372 gibi çeşitli yönetmelikler mevcuttur.

Kaynak: Mahmut Tansu KAYA HAFİF ÇELİK YAPILARIN BULON, VİDA VE PERÇİNLİ BİRLEŞİMLERİNDE FARKLI SEVİYELERDEKİ KOROZYONUN ETKİLERİ
Semih Subutay FIRAT-SERA TİPİ HAFİF ÇELİK KONSTRÜKSİYON YAPILARDA ELEMAN VE BİRLEŞİMLERİN TASARIMI
HİLAL ÇELİK-SOĞUK ŞEKİLLENDİRİLMİŞ ÇELİK U PROFİLLERİN ENKESİT ÖZELLİKLERİNİN VE BASINÇ DAYANIMLARININ BELİRLENMESİ