Çelik İskelet Yapıların Mimari Tasarımı

Yapı taşıyıcı elemanları, geometrilerine ve üzerlerine etkiyen kuvvetleri karşılama şekillerine göre sınıflandırılır. Kolon ve kiriş, iskelet sisteminin iki rijit ve doğrusal elemanıdır. Kiriş ve kolonların birlikte çalışacak şekilde mafsallı ya da ankastre birleştirilmesiyle çerçeve oluşturulur. Çerçevelerin oluşturduğu iskelet sistemin mekân yaratıcı bir özelliği yoktur. Ancak döşeme, duvar ve bölme gibi mekân oluşturan elemanların taşınmasına olanak sağlar. Bir çelik yapı tasarımında kirişlerin açıklık doğrultusu, düşey elemanların ve stabilime elemanlarının tipi ve düzenlenmesi önemli kriterlerdir

ÇELİK KİRİŞLER

Kirişler, iskelet sistemleri oluşturan çerçevelerin kolon ya da duvar gibi düşey elemanlarını bağlayacak şekilde yatay ya da eğik düzenlenen ta siyici elemanlardır. Çelik yapıda kirişler üzerlerine etkiyen yüke, geçtikleri açıklıkları, yapı içindeki tesisatın geçirilme sekline bağlı olarak dolu, boşluklu ya da kafes gövdeli olarak düzenlenir.

Dolu gövdeli çelik kirişler

Dolu gövdeli çelik kirişler, hadde mamulü profiller, levhalı yapma en kesitler ya da profil ve levhalarla oluşturulmuş bilesek eksiklerle düzenlenir.

Hadde mamulü dolu gövdeli kirişler genellikle geniş başlıklı I profillerle yapılır. Bu profillerin baslıklarında malzeme yoğunluğu olduğu için basit eğilme etkisindeki kirişler için uygun bir kesittir. U ya da köşebent gibi simetrik olmayan profillerle düzenlenecek kirişlerde eğilme momentleri ile birlikte burulma momentleri de oluşacağından bu kirişler fazla yüklü olmamalıdır. Kirisin taşıdığı yük bakımından hadde mamulü profilin yeterli olmadığı durumlarda, kiriş yüksekliği sinirli ise ya da tüm kiriş yüksekliğinin artırılması ekonomik olmayacaksa, momentin büyük olduğu kısımlarda kiriş levhalarla takviye edilebilir.

Levhalı yapma en kesitli kirişler hazire profil ve takviyeli profil en kesitlerinin yetmediği büyük açıklıkların geçileceği durumlarda kullanılır. Genellikle kiriş iki baslık levhasının tek gövde levhasına eklenmesiyle oluşturulur. Levhalı yapma en kesitli kiriş yüksekliği arttıkça gövde levhası kalın yapılmalı ya da ince yapılacaksa, gövdenin karşıladığı kesme kuvvetlerinin gövdede buruşmaya yol açmaması için gövde düşey ya da yatay levhalarla berkitilmekledir. Berkitilme levhalar kirişi ağırlaştırır. Kutu kesitler, iki baslık levhasına iki gövde levhası kaynaklanarak oluşturulur. Bunların bertilmesi içten diyafram levhalarıyla yapılır.

Boşluklu gövdeli kirişler

Açıklıklar büyüdükçe çelik kirişlerin dolu gövdeli düzenlenmesi kiriş yüksekliğini ve amirliği artıracağı için ekonomik olmaz. Kiriş gövdesini boşluklu düzenlemek kirişi hafifletir. Çatalla, Lisa ve Vierendel kirişler boşluklu gövdeli kirişlerdir. Eğilmeye çalışan bu kirişlerdeki boşluklar tesisat borularının geçirilmesine olamamak verir.

Kafes gövdeli kirişler

Alt baslık, üst baslık ve örgü çubuklarının üçgen alanlar oluşturacak şekilde düzenlendiği kafes gövdeli kirişler, R- kiriş, düzlem kafes ve uzay kafes kirişlerdir. Yükler kafes gövdeli kirişlerin düğüm noktalarına eskitildiğinde, sistemi oluşturan çubuklar sadece çekme ve başınca çalışacağından ince enkesitlerle büyük açıklıklar geçilebilir.

Çelik düzlem kafeslerin yükseklikleri, açıklığın 1/12- 1/16’si kadar alınır. Kiriş düğün noktaları ayni düzlemde olmayan uzay kafes kiriş olarak düzenlendiğinde sistem yüksekliği açıklığın 1/20-1/30 u kadar yapılabilir.

Kiriş – Kiriş Birleşimi

Kirişlerin birbirileriyle ya da bağ kirişleri birleşimi mafsallı ya da ankastre yapılır. Eğilmeye çalışan bir kiriş en kesiti düzenlenirken kiriş gövdesinin kesme kuvvetlerini kiriş baslıklarının da eğilme momentlerini karşıladığı kabul edilir. Bu nedenle kiriş- kiriş birleşiminin gövdeden yapılması sadece kesme kuvvetlerinin aktarıldığı mafsallı birleşimi sağlar. Ankastre birleşimde kiriş baslıklarında da süreklilik sağlanmalıdır.

ÇELİK KOLONLAR

Kolonlar döşeme ve kirişlerden gelen yükleri zemine aktaran doğru eksenli düşey yapı elemanlarıdır. Çelik yapı kolonları genellikle eksenle başınca çeliştirilir. Ancak ankastre bileşimli çerçeve kolonları yüklemeden doğacak eğilme gerilimlerini de karşılayacak şekilde tasarlanır. Bir çelik yapıda kolonlar üst üste gelmeli, etkiyen tüm yatay ve düşey yükleri üzerine oturduğu diğer yapı elemanlarına aktarabilmeli ve konstrüksiyon yüksekliği ile açıklığı arasında dengeli bir bağlantı olmalıdır.

Kolon en kesitleri

Bir çelik yapıda kolon en kesitleri tek ya da çok parçalı olarak kolonun çerçeve kirişleri ve bağ kirişleri ile birleşimleri dikkate alınarak düzenlenir. Çok katli çelik yapı kolonları olarak her iki eksen tarafında ayni narinlikle en kesitler tercih edilir. Tek parçalı kolon en kesiti olarak genellikle geniş başlıklı I profilleri, boru ya da kutu kesitli tüpüler profiller kullanılır. Geniş başlıklı I profilleri tek parça hadde mamulü profil olarak her iki eksen etrafındaki atalet yarıçapları en yakın olan profillerdir. Daire kesitli tüpüler kolonlar atalet yarıçapları her yönde ayni oluşu için y-ekseni etrafında zayıf olan geniş başlıklı I kesitlerden daha üstündür. Fakat üretim maliyeti yüksektir ve birleşim yüzeyinin eğrileş olması nedeniyle diğer yapı elemanlarıyla birleşim detayları sorun yaratır. Oysa ayni boyuttaki bir kutu profilin hem en kesiti daha fazladır hem de atalet yarıçapı daha büyük olduğu için daha büyük basınç kuvvetleri taşıyabilir. Ayrıca düzgün yüzeyli oldukları için diğer yapı elemanları ile birleşimi daha kolaydır.

Hadde profillerinden biraz daha büyük bir kolon en kesiti gerektiğinde öncelikle profil baslıkları bir levha ya da profil kaynaklanarak takviye ile kesit büyütülmesi yoluna gidilir. Düşey yükler fazla ve hadde mamulü profillerin taşıma sinirlerini geçiyorsa, kolon baslıklarında düzenlenen levha ya da profillerin şişip açılma riski vardır. Bu durumda kolon en kesitinin levhaların ya da profillerin birleştirilmesi ile oluşturulan bir yapma en kesit seklinde düzenlenmesi daha uygun olur. Bu şekilde levhaların kesilip sürekli kaynaklanması ile bir I kesit, 2 köşebent, 2 U profil ya da 4 levhanın kaynaklanması ile bir kutu kesit ya da kolon atalet momentini tek ya da iki doğrultuda artıracak şekilde çeşitli düzenlerle oluşturulabilir. Kutu kesitli olarak imal edilen kolonların iç yüzeylerinin bakimi sonradan yapılamayacağı için birleşim kenarları içeriye hava ve rutubet geçirmeyecek şekilde sürekli kaynaklanır.

Kolona etkiyen basınç kuvveti arttıkça kolonun atalet yarıçapını ekonomik sınırlarda artırmak için kolon ayrık düzenlenen profillerle de oluşturulabilir. Genellikle I ya da U profillerle çok parçalı olarak oluşturulabilen bu birlesek en kesitlerde profiller birbirlerine bağ levhaları ya da kafes örgü ile birleştirilerek beraber çeliştirilir. Bu bağlantılar sürekli değil yer yer yapıldığı için az bir maliyetle kolonun taşıma gücü artırılmış olur. Kolunun yer yer düzenlenen enine levhalarla oluşturulmasına çerçeveli kolonlar, çaprazlamalar ya da enine levhalar ve çaprazlamalarla oluşturulmasına “kafes örgülü kolonlar ” denir.

Kolon ekleri

Çelik yapılarda kolonlar, profil üretim boyu ve kat yüksekliğine bağlı olarak iki ya da üç katta bir eklenir. Üst katlarda kolon yükünün azalması nedeniyle yapılacak kesit küçültmelerinde zorunluluk olmadıkça her katta ek yapılmaz, aksi halde malzemeden edinilen kazancın büyük bir kısmi ek için harcanır. Kolon ekleri birleşecek iki kolonun gövde ve baslıklarından küt kaynakla birleştirilmesi, gövde ve baslıklarda ek levhaları düzenlenmesi, taban ve/veya üstünde alin levhaları kullanılması ile üç şekilde düzenlenir. Ekler balonlu ya da kaynaklı olarak yapılır. Kolon ekleri genellikle burkulma gerilmelerin az olduğu bölgede, döşeme kirişlerinin 30-50 cm yukarısında, ek levhalarının kirişe değmeyeceği ve rahat çalışabilecek yükseklikte yapılır. Kolon en kesit amirlik merkezi ile levhaların amirlik merkezi ayni noktada düzenlendiğinde kolona etkiyen basınç kuvveti herhangi bir eksantrikside olmaksızın aktarılır.

Kolon-temel birleşimi, kolon ayakları

Çelik yapıda temeller beton ya da betonarme yapılır. Kolon tabanında kolon yüklerini temel üst yüzeyine ya….. aktaran düzenlere “kolon ayakları” denir. Kolon- temel birleşimi en basit olarak atölyeden kolona kaynaklanmış olarak getirilen taban levhasının, yüzeyi düzeltilerek ankraj bulanları ile hazırlanmış temel üzerine oturtulup bulanların sıkılması ile gerçekleştirilir.

Kolon ayaklarının temel ile birleşimi mafsallı ve ankastre olmak üzere iki şekilde düzenlenir. Mafsallı kolon ayakları eksenle basınç kuvvetinin büyük olmadığı kolonlarda ve orta sertlikte zemine oturan temellerde düşey yükün temele aktarılmasında kullanılır. Bunlara “basit kolon ayakları” da denir. Kolon temel birleşiminin mafsallı yapılabilmesi kolon ile taban levhasının birleşimine bağlı olarak yüzeysel, çizgisel, noktasal olmak üzere üç şekilde gerçekleştirilebilir.

Yüzeysel mafsallı kolon tabanı ile temelin birleştirilmesinde mafsalligin sağlanması, kolunun dönme ekseni etrafında iki ankraj bulunu düzenlemesi ile yapılır. Kolon yükünün temel üzerine oturan taban levhasında daha geniş bir alana dağıtılması için kolon- taban levhası birleşiminde ek kanat levhaları kullanılabilir.

Büyük düşey kuvvetlerin etkidiği ve mafsallı yapılması gereken kolon ayaklarında mesnetlime kolunun bir eksen etrafında dönmesine izin verilecek şekilde çizgisel yapılır. Burada kolon reaksiyonu taban levhasına temas yüzeyi olan bir çizgi boyunca aktarılır.

Noktasal mafsallı mesnetler kolunun her iki eksen etrafında da dönmesi gerektiği durumlarda yapılır. Bunun için temel üzerindeki levhaya kaynaklanmış bir küresel çelik elemana kolon tabanındaki levha altına kaynaklanmış silindirik parça geçirilir.

Kolon- temel birleşiminin mafsallı yapılabilmesi için kolon amirlik merkezi ile yeterli kalınlıktaki taban amirlik merkezi ayni doğrultuda yapılmalı, eksenle basınç kuvveti herhangi bir eksantriksideyse yol açmadan temele aktarılmalıdır.

Ankastre kolon ayakları kolonda düşey eksenle basınç kuvvetine ek olarak eğilme momenti alan ve yapı stabilizesinin ankastre lige bağlı olduğu durumlarda ve sağlam zemine oturan temellerde yapılır. Kolon- temel birleşimindeki ankastreler, yüzeysel düzenlenmiş kolon ve taban levhasının dört ankraj bulunu ile temele kare bağlanmasıyla yapılır. Kolonda önemli bir yukarı kaldırma söz konusu ise kolon tabanına eklenecek profiller yardımıyla ankraj bulanları, yukarı kaldırma hareketini aşağıda tutacak şekilde düzenlenir.

ÇELİK ÇERÇEVELER

Çelik çerçeveler kiriş ve kolonların birlikte çalışacak şekilde mafsallı ya da rijit birleştirilmesiyle oluşturulur. Rijit birleşim kesme kuvveti ve moment etkisindeki bir elemanın birleştiği elemana bu iki etkiyi de geçirdiği birleşimlerdir. Kirisin kolona rijit birleşimi ankastre mesnetli ya da mesnet noktasına en az kiriş atikliğini 1/5’inde düzenlenecek mafsallı birleşimli köse elemanları ile sağlanır. Mafsallı birleşimler ise sadece kesme kuvveti aktarır. Kirisin kolonlara sadece mafsallı birleştiği sistemlerin çaprazlanmadığı sürece yanal rijitliği yoktur.

Ankastre mesnetli bir basit çerçevede kolon- kiriş baslıkları sürekli yapılmalıdır. Kiriş ve kolonların baslık hizalarındaki gövde levhaları buruşmaya karşı berkitme levhalarıyla güçlendirilmelidir. Çelik kirişlerin başka yapı elemanlarıyla birleştirilmesinde yapı çeliğinin ısıya duyarlı bir malzeme olması mesnetlime biçiminin düzenlenmesinde önemlidir. Bu nedenle büyük açıklık geçen çelik kirişlerin mesnetlerinden biri kiriş açıklığı doğrultusunda serbestçe hareket edebileceği şekilde kayıcı mafsallı düzenlenir. Kayıcı mesnet, kirisin geçtiği açıklığa ve taşıdığı yüke bağlı olarak yüzeysel, çizgisel ya da rulolu mesnet seklinde yapılır.

Yüzeysel mesnetli bir kiriş bir mesnet levhası ya da profili ile birleştiği kolona oturtularak mesnet reaksiyonunun daha geniş bir yüzeye yayılması sağlanır. Mesnetin kayıcı düzenlenmesi için kirişe bağlı olan levhada bulon deliklerinin kiriş açıklığı doğrultusunda oval yapılması için bulon somunlarının fazla sıkılmaması yeterlidir. Kirisin mesnetlendiği elemandaki bulon delikleri yerine uygun yapılmalıdır. Çizgisel mesnette mesnet levhalarından biri düzlem diğeri silindirik yapılarak mesnet reaksiyonlarının bu mesnet elemanlarının temas yüzeyi olan bir çizgi boyunca aktarılması sağlanır. Rulolu mesnetler, kirişte mesnet levhası arasında bir çelik silindir yerleştirilerek düzenlenir.

Düşey düzlemde stabilite

Çelik iskelet yapıda çok gözlü, çok katli çerçevelerin rijit düzenlenmesi ekonomik olmaz. Bu yapım sistemlerinde mafsallı birleşimler ankastre birleşimlerden daha fazla kullanıldığı için yapı bloğu içinde uygun yerlerde düşey stabilite elemanları düzenlemek gerekir. Bu sistemlerde rijit çerçeveler stabilite elemanları olarak kullanılır. Perdeler kendi düzlemlerinde etkiyen yatay kuvvetleri tabanlarından ankastre düzlem bir pandül ayak gibi çalışarak zemine ileten betonarme duvarlardır. Yatay yükler karsısında yanal ötelenmesi çok küçük olduğundan perdeli sistemlerde katlar arası yer değiştirme de az olur. Perdenin kendi düzlemine dik doğrultu hiçbir tutucu niteliği yoktur ve kendisiyle ilişkili döşemeler için döşeme düzlemindeki hareketler bakımından bir kayıcı mesnet gibidir.

Çelik çerçeveleri rijit düzenleme ek önlemler gerektirdiği için isçilik ve malzeme masrafları artar. Bu nedenle çerçevelerin kurulmasında olabildiğince mafsallı birleşimler tercih edilir. Sadece gerekli yerlerde ankastre birleşimler yapılır. Çelik yapılarda ankastre birleşimli çerçeveler ayni bir perde gibi düşey stabilite elemanı olarak kullanılır ve yapı içindeki yeri buna göre düzenlenir.

Tek açıklıklı basit çerçevelerin birlikte çalışacak şekilde yataydan yan yana, düşeyde üst üste ya da hem yatayda hem düşeyde düzenlenmesiyle çok gözlü çok katli çerçeveler oluşturulur.

Çok katli çelik çerçeve kolonları düzenlenirken kiriş birleşimlerinde kolon sürekli yapılır. Çerçeve aks aralıkları döşeme kalınlığını en çok 15-16 cm yapacak şekilde ayarlanmalıdır. Çelik iskelet yapılarda 6.0-10.0 m aralıklarla düzenlenmiş aks aralıkları bu şarti sağlar.

STABİLİTE

Üzerlerine etkiyen yükleri güvenli bir şekilde zemine aktarmakla görevli taşıyıcı sistem elemanlarının oluşturduğu yapı üç boyutlu bir sistem olduğuna göre herhangi bir doğrultudan gelecek yüklere karşı üç düzlemde de stabilitenin sağlanması gerekir.

Bir iskelet yapıda yapıya etkiyen yatay kuvvetleri temellere iletmek ve yapının bu yükler karsısında yer değiştirmesini sınırlandırmak için yapılan taşıyıcı düzenlemelere stabilite elemanları ya da rijitlestirme elemanları denir. Yapı stabilitesi düşey düzlemde rijit çerçeve, betonarme perde, düşey çaprazlama, yatay düzlemde ise betonarme plak ve yatay çaprazlama sistemlerinden bir ya da bir kaçının birlikte kullanılmasıyla sağlanır. Kolonlar arasının düşey çaprazlama ile rijitlestirildigi sistemde kolonların üst ve alt baslık, çaprazlamaların diyagonal olarak düzenlendiği düşey bir kafes kiriş oluşturulur. Düşey kafes oluşturan çubuklar yükleri sadece çekme ve basınç kuvvetleri ile zemine ilettiklerinden kafes alt ve üst başlıklarını oluşturan kolon en kesitleri dijit çerçeve en kesitlerinden küçük olur. Örgü çubuklarının kolonlara bağlandığı düşey çaprazlamalarda bağlantı kolon en kesitinin başlıklarına yapılmalıdır. Çaprazlamaların düzenlenmesinde çaprazlanacak gözün açıklık ve yüksekliği ile bu açıklıkta istenen boşluklar önemlidir.

Betonarme perde ve düşey kafeslerin kapalı bir kutu oluşturacak şekilde düzenlenmesine “çekirdek” denir. İyi düzenlenmiş çekirdekli sistemlerde yapıya gelen yatay yükler çekirdekle zemine aktarılırken diğer kolonlara sadece düşey yükler taşıtılır.

Yatay düzlemde stabilite

Yatay stabilite elemanları döşeme düzlemleri içinde oluşacak etkileri rijit düşey elemanlara aktarmak için düzenlenir. Döşeme, yerinde dökme betonarme plak ise döşeme düzleminde ayrıca bir elemana gerek kalmaz.

Büyük açıklıklı ya da basit bileşimli çelik kiriş sistemlerinde döşeme yerinde dökme betonarme plak değilse döşeme diyaframının sağlamlığını artırmak için döşeme düzleminde yatay çaprazlamalar düzenleyerek yatay stabilite sağlanır. Yatay çaprazlamaların her gözde düzenlenmesine gerek yoktur. Alin kirişlerin burulmaya dayanımını artırmak için yapı kenarı boyunca bulunan kirişler arasındaki döşemelerde çaprazlama yapılabilir. Döşeme elemanı yari prefabrike bir sistem ise yatay stabilite çaprazlamaları iki katta bir düzenlenebilir. Prefabrike döşeme elemanları kullanıldığında her katta düzenlenmelidir. Yatay stabilite elemanları her doğrultudan gelebilecek yatay etkileri düşey stabilite elemanlarına aktarabilecek şekilde düzenlenmeli ancak gereksiz bağlardan kaçınılmalıdır.

Stabilite elemanların düzenlenmesi

Rijit bir cisim olarak düşünülen kat döşemesinin kendi düzleminde haraketlinin önlenmesi için kendine mafsallı mesnetlenmis en az üç stabilite elemanı gerekir. Bu elemanların kayma doğrultusuna dik eksenleri uzayda bir noktada kesişmemelidir. Yani bunlar düşeyde birbirine paralel olmayan en az iki doğrultuda ve en az üç farklı düzlemde düzenlenmelidir. Aksi halde yanal yükler döşemenin dönmesine dolayısıyla tüm yapının burulmasına neden olur. Stabilite elemanlarının birbirine paralel, çok yakın olması da aralarındaki mesafenin burulmayı önleyemeyecek kadar küçük kalmasına, iki elamanın çekirdek gibi çalışarak ortaya bir dönme merkezi çıkmasına neden olabilir. Yanya’na düzenlenmiş çok gözlü bir çerçeve sistemin en az iki uç çerçevesi rijit yapılmalıdır. Çerçevelerde reşitliği saglamanin yaninda reşitliği artırmak için de çaprazlama kullanılır.

Stabiliteyi sağlama yöntemi ve taşıyıcı sistem içindeki düzeni, tasarımda çok önemlidir. Stabilite yapı içinde perde duvar ya da düşey çelik çaprazlamalarla düzenlenirse iç kullanımı sınırlar. Bu elemanları duvarlara yerleştirmek iç düzenlemede serbestlik sağlar. Stabilite elemanlarını olabildiğince yapının diş çevresine yakın ve bina kenarlarına paralel düzenlenmesi yapının yanal yükler altında burkulmasını önler.

Simetrik yapılarda stabilite elemanları da simetrik düzenlenir. Asimetrik düzenlemelerde yapının kütle merkezi ile rijitlik merkezinin çakışmasına dikkat etmek gerekir. Planda düşey stabilite elemanlarının düzenlenmesi için genel prensip herhangi bir doğrultudaki stabilite elemanlarının rijitlik merkezinin yatay yüklerin o doğrultudaki bileşkesiyle çakışmasıdır. Yani birbirine dik doğrultuda etki ve tepki değerlendirilmelidir.

Stabilite elemanları sık yerleştirilmiş rijit çerçeve ya da komple çaprazlamalı olarak dış duvarlara yerleştirildiğinde planı kare, dikdörtgen ya da daire olan rijit tüplerle yüksek yapı yapımına olanak sağlar.

Prof. Dr. Görün Arun – Yıldız Teknik Üniversitesi