Çelik Nedir? Tarihi Çelik Yapı Projeleri

Günümüzde üretime hakim olan endüstri devriminde amaç, aynı üründen çok sayıda kısa zamanda düşük maliyette elde etmektir. Bu amacın gerçekleştirilebilmesi için seri üretime başlanarak endüstrileşmenin gerçekleştirilmesi gerekir. Endüstrileşmenin vazgeçilmez adımlarından birisi üretimin fabrikalarda, olanaklar elverdiğince makineler tarafından yapılmasıdır. Hem makinelerin dayanıklı bir malzemeye sahip olması hem de seri üretimin gerçekleştirileceği büyük açıklık ve genişliğe sahip fabrikalara duyulan ihtiyaç, çelik üretim sürecinde önemli adımların atılmasına sebep olmuştur. Böylece çelik yapı projeleri modern binalarda, sosyal merkezlerde, ticari binalarda dolayısıyla yaşam alanımızda vazgeçilmez bir malzeme haline gelmiştir.

Çelik, demir elementinin bir miktar karbon ile bileşiminden ortaya çıkan alaşımdır. Çeliğin ham maddeleri arasında karbon dışında kükürt, krom, fosfor nikel ve magnezyum gibi elementler de belirli oranlarda bulunabilir. Böylece istenen özelliklere sahip çelik formlar üretilebilir. Aynı zamanda çeliğin dökümü için farklı kalıplar kullanılarak projeye özgün çelik formlar elde edilebilir.

Çelik yapı iskeleti nasıl görünür? Çelik nasıl bir yapı malzemesidir?
Çelik yapı iskeleti

Çelik Kullanım Alanları

Çeliğin ham maddelerinin değişik oranlarda katılmasıyla farklı özelliklere sahip alaşımlar elde edilebildiği için çeliğin kullanım alanı oldukça geniştir. Mutfaktaki beyaz eşyalarda inox (paslanmaz çelik) teknolojisi olarak ve tencerelerde kullanılmaktadır. Bilgisayar, telefon ve tablet gibi kişisel elektronik cihazlarımızda da çeliğin kullanımı söz konusudur. Bir diğer önemli kullanım alanının otomotiv sektörü olduğu görülmektedir. Araç ağırlığının azaltılması için ince ama yüksek mukavemetli çelikler kullanılarak sürüş emniyetinin sağlanması amaçlanmıştır. Son olarak bu yazının ana konusu olan çeliğin inşaatlarda taşıyıcı yapı malzemesi olması çeliğin bir diğer kullanım alanıdır.

Çelik çatı strüktüre sahip bir tren istasyonunun yapım sistemi
Tren İstasyonu Çelik Çatı Sistemi

Çelikten Önce Demir

Çelikten önce yapı malzemesi olarak demir elementi kullanılmıştır. Mühendislik yapıları arasında köprüler demir kullanılarak inşa edilmeye başlanmıştır. Demirden, dökme demir (cast iron) olarak istifade edilmiş, 1777-1779 yılları arasında İngiltere’de Abraham Darby III tarafından inşa edilen 30 metre kemer açıklığına sahip Coalbrookdale Köprüsü’nde (The Iron Bridge) görülmüştür. Dökme demir basınç altında oldukça güçlü olarak çalışır. Fakat gerilme ve eğilme momentleri etkisi altında kırılganlığı ve düşük gerilme mukavemeti sebebiyle dövme demir (wrought iron) ve çelikten daha az performans gösterir. Bu sebeplerden ötürü Coalbrookdale Köprüsü, kemerli köprü olarak inşa edilmiştir. 1830’lu yıllarda İngiltere’de demir yolu köprüleri kirişli köprüler olarak tercih edilirken yapı malzemesi olarak dökme demir kullanılmıştır. Köprülerin çoğu kirişlerin orta kısımlarında meydana gelen fazla yükleme nedeniyle oluşan eğilme momenti ve gerilme kuvvetine direnç gösteremeyerek yıkılmış ve çoğu dövme demir kullanılarak yeniden inşa edilmiştir.

Coalbrookdale Köprüsü ya da diğer adıyla The Iron Bridge
Coalbrookdale Köprüsü

Dövme Demir

1840’lı yıllarda dökme demirin (cast iron) yerini dövme demir (wrought iron) almıştır. Dövme demir ile dökme demiri karşılaştırdığımızda alaşımdaki karbon oranı dövme demirde daha azdır. Bu sayede dökme demirden daha sünek yapıya sahip bir malzeme elde edilmiştir. Dövme demirin eğilme momenti dayanımı ile gerilme dayanımı dökme demire göre daha fazla olmuştur. İlk örneklerden biri Kuzey Galler’de 1846-50 yılları arasında dikdörtgen kutuları andıran şekilde inşa edilen 140 metre açıklıklı Britannia Köprüsü’dür.

Dövme demirden yapılmış olan İngiltere'deki Britannia Köprüsü
Britannia Köprüsü

Dövme demir olarak adlandırılmasının sebebi demirin ateşte erimiş cüruf çıkacak kadar ısıtıldıktan sonra çekiçlerle dövülerek işlenmesidir. Cürufun ortaya çıkması malzemeye lifli bir yapı kazandırır ve böylece demirin korozyondan korunması sağlanır. Daha sonra dövülen demir aniden su ile soğutularak sertlik kazanır. Geçmişte en önemli yapı malzemelerinden olan iki demir çeşidi günümüzde yapılarda kullanılan taşıyıcı elemanların üretiminde kullanılmamaktadır. Çünkü bu malzemelerin yerini çelik almıştır.

Burada dikkat edilmesi gereken konu demirin köprü inşaatlarında kullanılmasıdır. Özellikle İngiltere’de birçok köprünün yapıldığı ve İngiltere’nin 18 ve 19. yüzyıllarda demir-çelik piyasasına hakim olduğu görülmektedir. Yapılan bu köprü inşaatları demir yolu için yapılan köprüleri de içermektedir. Ayrıca ilk demir ray 1738 yılında yine İngiltere’de bir maden ocağında kullanılmıştır. Demir yolunda kullanılan rayların haddelenmesine yani iki silindir arasından çeliğin geçirilerek şekil alması işlemine 1820 yıllarında başlanmış olup 1870’li yıllara gelindiğinde I-profiller üretilmeye başlanmıştır.

1855’te Bessemer yönteminin gelişmesiyle ham demir sıvı haldeyken arıtılmıştır ve demir madeni ürünleri dünyada geniş çapta kullanılmaya başlanmıştır. Bessemer yönteminde amaç, eriyik demire oksijenli hava üflenerek oksidasyon yoluyla demirden yabancı maddelerin arındırılması olarak tanımlanır. Daha sonra düşen karbon miktarını artırmak amacıyla alaşımlar eklenerek çeşitli özelliklerde çelik elde edilir. 1890 yıllarına gelindiğinde ise ana metal yapı malzemesi olarak dövme demirin yerini çelik aldı.

Yapısal Çelik ve Özellikleri

Çelik birden fazla elementin homojen olarak bir araya gelmesinden oluşmuştur. Bu sebeple mekanik özellikler, çelik bir elemanın her doğrultusunda aynıdır. Burkulmamış ve akmamış yani dayanımından daha fazla yüke maruz kalmamış bir çelik elemanda çeliğin çekme mukavemeti ile basınç mukavemeti birbirine eşittir. Büyük yüklere maruz kaldığında büyük şekil değiştirme göstererek yapının gevrek olarak çökmemesini sağlar. Bu sebeple betonun aksine sünek bir malzemedir. Yüksek elastisite modülüne sahiptir. Taşıyıcı çelik elemanlar fabrikalarda üretildiği için hata payı azdır, bu sebeple statik hesaplarda betonarmeye göre daha küçük artırma katsayıları kullanılır.

Çeliğin Avantajları

• Çelik yapı malzemeleri beton malzemelerden daha dayanıklıdır. Bu durumun ana nedenlerinden biri yapıda meydana gelen basınç kuvvetlerinin beton tarafından karşılanabilirken gerilme kuvvetleri altında betonun çatlamasıdır. Bu nedenle çekme kuvvetlerinin karşılanması için beton ile birlikte çelik donatılar kullanılmaktadır. Buradan betonarme hakkında yazıya ulaşabilirsiniz.
• Çelik yapının inşa süresi beton yapılardan daha kısadır. Bu durum işçilik maliyetinin azalmasını ve toplam maliyetin düşmesini sağlar.
• Çelik konstrüksiyon kullanılan sistemlerde yapının taşıyıcı kolonların boyutları daha küçük olur. Bu nedenle de bina içindeki kullanılan alanda artış olmasına yol açar.
• Çelik geri dönüştürülebilir bir malzemedir, %100 geri dönüştürülerek yeniden kullanılabilir. Aynı şekilde bulonlarla birbirine bağlanan çerçeveler sökülerek taşınabilir ve başka bir yere kurulabilir.
• Çelik kullanılarak inşa edilen yapıların ağırlığı betonarme yapılardan daha hafiftir. Yapının taşınması gereken yükün azalması daha düşük maliyet ile inşa edilmesini sağlar.
• Çelik yapılarda ek genişleme istenildiğinde yapılabilir, çünkü yapı elemanları değiştirilebilir ve takviye yapılarak güçlendirilebilir.
• Elastisite modülünün yüksek olması, eğilme momentinin taşınması gereken durumlarda uygun sonuçlar elde edilmesini sağlar.

Çeliğin Dezavantajları

• İlk dezavantaj olarak çeliğin pahalı bir malzeme olması söylenebilir.
• Her ne kadar kolaylık olarak değiştirilebilir ve taşınabilir bir malzeme olsa da bakım maliyetleri de fazladır. Korozyon ve çürüme gibi etkilere karşı korumak amacıyla galvaniz ve boyalar kullanılır.
• Yanıcı bir madde olmamasına rağmen artan ısı nedeniyle mukavemeti ve elastisite modülünde azalmalar meydana gelir. Aynı zamanda beton ile ateşe dayanıklılık açısından karşılaştırıldığında çeliğin daha az dayanıklı olduğu görülmektedir.
• Çelik yapılarda kolonların, kirişlerin ve bağlantıların birleştirilmesi kaynak veya bulonlar ile yapılır. Özellikle kaynak yapılması için kalifiye işçilik gerektirir.
• Bir diğer dezavantaj ise sürekli ve tekrarlı yükler altında çelik yapı elemanlarında yorulma adı verilen istenmeyen bir durum meydana gelir. Özellikle köprülerin halatları düşünüldüğünde araçların hareketi sebebiyle sürekli gerilip serbest kalan halatlar belirli bir süre sonra kopabilirler. Bu sebeple kontrol edilip gerektiğinde değiştirilir.

Tarihi Çelik Yapı Projeleri

  1. Home Insurance Şirket Binası
    Mimar: William Le Baron Jenney
    Yer: Chicago, Amerika
    Yapım Yılı: 1884
Çelik çerçeveye sahip ilk çok katlı yapı olan Home Insurance şirket binası
Home Insurance Şirket Binası

Home Insurance şirket binası ilk çelik çerçeveye sahip çok katlı yapı olarak bilinmektedir.

  1. Eyfel Kulesi
    Mimar: Stephen Sauvestre
    Yer: Paris, Fransa
    Yapım Yılı: 1887-1889
Dövme demir yapı malzemesi ile inşa edilmiş olan Paris'teki ünlü Eyfel Kulesi
Eyfel Kulesi

Eyfel Kulesi çelik bir yapı değildir, dövme demir kullanılarak inşa edilmiştir. Yaklaşık 18 bin adet demir parça eleman kullanılmıştır. Demir parçaların birleşiminde 2.5 milyon perçin kullanılmıştır. Başlarda halkın ve sanatçıların tepkisine maruz kalsa da Paris’in gözbebeği olarak ziyaretçi ve turistler tarafından en çok tercih edilen yapıdır.

  1. Forth Köprüsü
    Tasarımcı: Sir John Fowler
    Yer: Firth of Forth, İskoçya
    Yapım Yılı: 1890
541 metre ile zamanının en uzun köprüsü olan İskoçya Forth Köprüsü
Forth Köprüsü

Günümüzde halen kullanılmaya devam eden köprülerden biri olan Forth Köprüsü’nden günde yaklaşık 200 tren geçmektedir. 1890’da açıldığında açıklık olarak 541 metre ile dünyanın en uzun köprüsüydü. Köprünün dikkat çekici özelliği ise konsol kirişli bir köprü olmasıdır.

Çelik köprülerde sıkça kullanılan bir sistem olan konsol kiriş ilkesini açıklayan bir model
Konsol Kiriş Köprü İlkesini Açıklayan Model
  1. Haydar Aliyev Kültür Merkezi
    Mimar: Zaha Hadid
    Yer: Bakü, Azerbaycan
    Yapım Yılı: 2007-2012
Çelik uzay kafes sistemden oluşan taşıyıcı sistemi ile Zaha Hadid'in muhteşem mimarisi Haydar Aliyev Kültür Merkezi
Haydar Aliyev Kültür Merkezi

Haydar Aliyev Kültür Merkezi, betonarme taşıyıcılar ile çelik uzay kafes iskelet sisteminin ile birleşiminden oluşmaktadır. Taşıyıcı elemanlar sadece betonarme yapılar olmayıp yapıyı çevreleyen çelik uzay kafes sistemi ile oluşturulan kabuk da taşıyıcılık özelliğine sahiptir. Böylece uzun açıklıklar kolayca geçilmiştir. Bu muhteşem yapının mimarı Zaha Hadid ile ilgili yazımıza buradan ulaşabilirsiniz.

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here