BÖLÜM 2 ÇELİK ÜRETİMİ

1. BÖLÜM 2 ÇELİK ÜRETİMİ 2. Malzeme ve Çelik Yapıların Hesabına Ait Genel Hususlar

2. 2.1. Çelik Üretimi2.1.1. Çeliğin Eritilmesi • Yüksek fırınlarda demir filizinden eritilerek elde edilen ham demirin metalurjik iç yapısı yüksek miktarda karbon, fosfor ve silisyum içermekte ve bu nedenle ne haddelenebilmekte ne de çekiçle dövülerek şekil verilebilmektedir.. İşlenebilirliği sağlamak için önce sözü edilen maddelere, özellikle de karbona, ait miktarın diğer maddelerin katkısıyla azaltılması gerekir.

3. Çeliğin ısıl işleme tabii tutulmasında güdülen amaç şunlardır : • Karbon miktarını istenilen çelik cinsine göre azaltmak • Büyük miktarda fosfor uzaklaştırılırken, silisyum ve manganın okside edilmesini sağlamak • Isıl işlem için gerekli olan oksijen • Havanın neminden • Saf oksijen üflenerek • Oksijenin bağlı bulunduğu demir filizinden temin edilir.

4. Isıl işlemler farklı yöntemlerle gerçekleştirilebilir : • Siemens-Martin yöntemi • Elektrik arkı yöntemi • Oksijen üfleme Yöntemi

5. Siemens-Martin Yöntemi • Bu yöntemle bir fırında büyük miktarda ham demir ve hurda demir eritilir. Kullanılan bu yöntem için gerekli ergime sıcaklığı gazların yanmasıyla sağlanır. • Ayrıca oksijen veya endüstriyel yağ kullanılarak bu işlemin verimi artırılabilir. • Bazı özel durumlar için çelik cinsine bağlı olarak ya ham demirim miktarı artırılır yada hurda demir ilave edilir.

6. Elektrik Arkı Yöntemi • Siemens- Martin yöntemi gibi bir ergitme yöntemidir. • Katkı maddesi olarak genelde hurda demir veya ince demir filizleri veya ham demir kullanılır. Ergitme veya ısıl işlemler için gereken sıcaklık derecesi elektrik arkı kullanılır. Oksijen Üfleme Yöntemi • Bu yöntemde ham demir, devrilebilir özellikle bir konvertörde üfleme suretiyle saf oksijenle zenginleştirilir. Bu sırada açığa çıkan ısı miktarı, soğutma yapılmaksızın eriyiğin banyo sıcaklığının dönüşüm sıcaklığının üstüne çıkmasına neden olur. • Soğutma işlemi için hurda demir ve demir filizleri kullanılır.

7. 2.1. 2. Deoksidasyon • Deoksidasyon işlemi sırasında çelik katı eriğinde gereksiz derecede yüksek bulunan oksijen veya oksijen bileşiklerinin miktarı, her seferinde öngörülen bir ergitme yöntemi yardımıyla azaltılır. Genelde katı eriyiğe (silisyum veya alüminyum) oksijene olan afinitesi yüksek olan maddeler katılır ve böylece ısıl işlem sırasında bileşimde bağıl durumda olan oksijenin çözülerek serbest kalması sağlanır. • Deoksidasyon işlemi potada gerçekleştirilir.

8. Elektrik arkı yönteminde çelik, eritme yapılan kapta dahi kendi kendine deokside olabilir. • Her durumda deoksidasyon gerçekleşmeyebilir. Çelik potada iken ve henüz döküm işlemine başlamadan evvel oksijeni açığa çıkarmak veya çözmek için oksijene karşı afinitesi olan maddeler eklendiği taktirde, sıvı haldeki çelikte yürütülen ısıl işlem sırasında oluşan gaz halindeki karbonmonoksitin miktarı artar ve oluşumun yoğunluğuna bağlı olarak banyoda şiddetli hareketlenmelere neden olur.

9. Katı eriyik kaynamaya başlar. • Bu durumda elde edilen kaynar dökülmüş çeliğe ‘gazı alınmamış çelik’ veya ‘dinlendirilmemiş çelik’ adı verilir. • Gazı alınmamış çelikte soğuk şekil verme kolaylığı mevcuttur.

10. 2.1.3. Kükürtten Arındırma ve Sülfit Oluşumu • Çeliğin üretim yöntemine bağlı olarak yönetmeliklerde öngörülen kükürt miktarı % 0.02- % 0.05 arasında yer almaktadır. • Bu miktardaki kükürt oranları mangansülfitlerini oluşturabilmektedir. • Bu durumda sıcak haddeleme işlemi ile çeliğe şekil verilebilmektedir.

11. Öte yandan şekil verme miktarı, şekil değiştirme sırasındaki sıcaklık derecesine bağlı olarak değişmektedir. • Çeliğin dış yüzeyine paralel düzlemde, levha düzleminde, mangansülfitlerinin çekilerek uzatılma miktarı, çeliğin anizotrop özelliği nedeniyle boyuna ve enine doğrultuda şekil değiştirme derecesine bağlıdır. • Öte yandan çok düşük kükürt oranları, çeliğin potada kükürtten arındırılmasıyla gerçekleştirilir.

12. Bu işlem sırasında çeliğe kalsiyum, kalsiyum-karpit veya magnezyum üflenir. • Kullanılan başka etkin, fakat pahalı yöntemler de vardır. Bu yöntemler kullanılarak %0.001 oranındaki kükürt miktarlarının elde edilmesi mümkün olabilmektedir. • Numunenin kopmasına yönelik olarak yürütülen çekme deneylerinden elde edilen sonuçlar, çeliğin metalurjik iç yapısı gereği kırılmanın kükürt miktarına ve sülfit şekline bağlı olarak değiştiğini ortaya koymuştur. Bundan başka çeliğin yorulma mukavemetinin de kükürt miktarına bağlı olduğu ve kükürt oranı azaldıkça yorulma mukavemetinin arttığı belirlenmiştir.

13. 2.1.4. Çeliğin Dökümü ve Katılaşması • Çeliğin üretim aşamasında iki çeşit döküm yöntemi kullanılır. • Kalıplara Döküm • Sürekli Döküm • Kalıplara döküm işleminde çelik katı eriyiği kalıplara yukarıdan akıtılmak suretiyle dökülür. • Kullanılan kalıplar ya dikdörtgen ya da kare şeklindedir.

14. Sürekli döküm işlemi sıvı haldeki çelik katı eriyiğinin sürekli bir şekilde dökülmesine karşı gelmektedir. Bu işlem çelik soğutulmuş bir bakır kaba aktarılır. • Bu durumda dış kenarlar çok hızlı bir şekilde katılaşırlar. • Sıvı haldeki çeliğin katılaşması sırasında fiziksel veya kimyasal olaylar birlikte meydana gelirler. Fiziksel olaylar sırasında kalıpların kenar duvarlarında dışarıya doğru ısı çıkışı meydana gelir. • Ayrıca sıvı halden katı hale geçişte hacim azalır.

15. Çeliğin döküm işlemleri sırasında mevcut ortamda oksijen almasını önlemek veya bunu azaltmak için genelde, kalıpların üstü kapatılarak sıvı haldeki çelik kalıplara dökülür. • Gerek kalıplara döküm, gerekse de sürekli döküme dayanan çelik üretim yöntemlerinde çekirdekte segregasyon bölgeleri meydana gelir. • Mevcut deneyimler, çelik yapılarda alışılagelmiş şekilde kullanılan St 37-2 ve St 52-3 çelik cinslerinin sürekli döküm yöntemi kullanılarak üretilmesi gerektiğini göstermiştir.

16. 2.1.5. Sıcak Haddeleme • Çeliğin sıcak haddeleme ile çeliğe sıcak şekil verme ve sıcak işlemlerden daha çok, yeniden kristalleştirme sıcaklığının üzerinde yer alan sıcaklık derecelerinde çeliğe şekil verme anlaşılmaktadır. • Sıcak haddeleme işlemi sırasında çeliğe basınç altında doğrudan şekil kazandırılmaktadır. • Genelde haddeleme işlemi, sıcaklık derecesi 1200 C’ dan 800 C’ kadar değişen bir ısı yelpazesinde gerçekleştirilmektedir.

17. 2.2. Sıcak Haddelenmiş Çelik Ürünleri • Haddenlenmiş Çelik Ürünlerin Şekil ve Boyutlarına Göre Sınıflandırılması adını taşıyan Eurocorn 79’ a göre haddelenmiş çelik ürünler: • Yarı mamüller • Tam mamüller olarak iki sınıfa ayrılmaktadır. • Yarı mamüllerin tam mamüllerden farkı, yarı mamüllere bir ön şekil verilmiş olmasıdır.

18. 2.3. Çeliğin Sıcak İşlenmesi • Isıl işlem sırasında uygun şartlar oluştuğunda çelik bir yandan uygun mukavemet ve sertlik özelliklerine ulaşırken, diğer yandan da hadde mamülün homojenlik özelliği iyileştirilir. • Çelik yapıda kullanılan yapısal çelikler için ısıl işlemde kullanılan önemli yöntemlerden biri ‘çeliği tavlama’, diğeri ise ‘çeliğe su verme’ dir.

19. 2.3.1. Çeliğin Tavlanması • Çeliği tavlama işlemi demek, çeliği önce AC olarak tanımlanan dönüşüm noktasının biraz üzerinde yer alan sıcaklık derecelerinde ısıtmak veya bunu ardından da açık havada soğumaya bırakmaktır. • Tavlama işlemi sırasında gelişen olayları demir-karbon denge diyagramı açıkça göstermektedir.

21. Bazı özel durumlarda yapısal çelik malzemesinin iç yapısı ve mekanik özellikleri işlenme sırasında istenmeyen biçimde etkilenebilirler. • Örneğin; çok fazla miktarda soğuk şekil verme yapıldığı taktirde çeliğin işlenebilme özelliği kısmen yok edilebilir. • .Tavlama sırasında uzun süreli sıcak şekil verme sonucunda tane büyümesine rastlanabilir. • Çelik tekrar tavlandığı takdirde çeliğin mevcut eski iç yapısına geri dönmek mümkün olabilmektedir.

22. 2.3.2. Çeliğe Su Verme • Ostenit-ferrit dönüşümüne karşı gelen oluşumda ostenitile sıcaklık derecesinden itibaren gerçekleştirilen soğutma işleminin hızı belirleyici bir rol oynamaktadır. • Hızlı soğutmada tavlamada olduğu gibi ferrit ve perlit oluşmamakta, bunun yerine martensit ve beynit oluşmaktadır. • Her iki madde de kullanılan ilk ana maddeden daha serttir. • Bu nedenle gevrek kırılma eğilimi yüksektir. • Bundan dolayı hızlandırılmış bir soğutma işlemi ile birlikte yürütülen ostenitleştirme işlemine ‘Çeliği Sertleştirme’ adı verilmektedir.

23. 2.4 Çelik Yapıda Kullanılan Yapısal Çeliklerin Karakteristik Mukavemet Özellikleri ve Bunların Test Edilmesine İlişkin Esaslar • 2.4.1 Statik Yükler Altında Mukavemet Özellikleri • Çelik yapılarda kullanılan yapısal çeliklerin statik yükler ve çekme kuvvetleri altındaki dayanımını tanımlamak için malzemenin akma sınırı, çekme mukavemeti ve sertlik özelliklerinden yararlanılır. Akma sınırı ve çekme mukavemetine karşılık gelen karakteristik değerler çekme deneyi ile saptanır.

24. Çekme deneyinde genelde akma sınırı ve çekme mukavemeti karakteristik mukavemet özellikleri saptanmaktadır. • Akma sınırı çekme deneyinde uygulanan uzama hızının bir fonksiyonudur. Akma bölgesinde durdurulmasıyla özellikle düşük değerdeki birim uzama hızlarına karşı gelen akma sınırında gerilme değeri düşer. Bu değer “Statik akma sınırı” olarak tanımlanır.

25. 2.4.2 Kaynaklanabilirlik • Çelik yapılarda kullanılan çelik cinsleri arasında hava koşullarına dayanıklı çelikler ve yüksek mukavemetli çelikler kaynağa daha uygundur. • Çeliğin kaynaklanabilirliği demek, bilinen bir kaynak tekniği ile metalik bir bileşimin oluşturulmasının mümkün olması demektir. • Kaynak şartlarının kontrol altına alınması ve seçiminde gösterilmesi gereken titizlik alaşım elemanı miktarına, ana malzemenin akma sınırına ve kaynak malzemesine bağlı olarak artar.

26. 2.5 Çelik Yapılarda Kullanılan Yapısal Çelik Cinsleri ve Özellikleri • 2.5.1 Yapısal Çelikler • Yapısal Çelik ürünleri ve cinsleri, örneğin çeşitli ürün tiplerinde(hadde ürünleri, levhalar, lamalar, dikişsiz ve kaynaklı kare ve dikdörtgen kutu profiller) standartlaştırılmıştır. • Çelik cinsleri genelde, akma sınırı değerlerine göre sınıflandırılır. • Yapısal çeliklerin standartlarını ve ayrıntılarını DIN 17 100’ de bulabilmek mümkündür.

27. 2.5.2 Bulon, Pul, Somunlarda Kullanılan Çelik Cinsleri • İnşaatla yakından ilgili olan kişileri genelde birleşim araçlarının üretiminden çok, mamülün son hali ilgilendirir. • DIN 267’de bulonlar, pullar, somunlar vb. birleşim araçlarıyla ilgili tanımlar yer almaktadır. • Bulon, pul, somun gibi birleşim elemanlarının özellikleri DIN 267-Yaprak 3’de(ISO 898/I’de de bu durum geçerlidir): Bu standartlarda çeşitli çelik cinsleri ile ilgili malzeme yönetmeliğinde tüm bilgiler mevcuttur.

28. 2.6 Hadde Ürünleri • 1. Profiller • 2. Lamalar • 3.Levhalar

29. 1.Profiller • Profillerin pek çok çeşidi mevcuttur. Örnek olarak I(Normal Profil), IPE, IPEo, IPEv, IPBl, IPBv 2. Lamalar • Dikdörtgen enkesitli çubuklar 3. Levhalar • 3’e ayrılır. İnce, orta ve kaba levhalar.

30. 2.7 Boyutlandırmanın Temel İlkeleri • Halihazırda yapıların boyutlandırılmasında kullanılan iki temel ilke vardır. Bunlardan ilki emniyet faktörü ilkesi, ikincisi ise yük ve mukavemet faktörü ilkesidir. • Bunlardan ilki, yani emniyet faktörü ilkesi, son yüzyıl süresince kullanılan belli başlı boyutlandırma ilkesidir. Son yirmi yıl içerisinde ise boyutlandırmada yavaş yavaş daha rasyonel ve olasılık teorisine dayalı bir ilke olan yük ve mukavemet faktörü ilkesi de kullanılmaya başlanmıştır.

31. 2.7.1. EMNİYET FAKTÖRÜ İLKESİ • Gerçek yükün boyutlandırmada göz önüne alınmış olan dış yükü ∆Q kadar aştığını, boyutlandırmada hesaba katılan yapı mukavemetinin, gerçekte gerçekleşmiş olandan kadar küçük olduğunu kabul edelim. Yapı güvenliği alt sınır durumu olarak ifade edilir. Buradan ; elde edilir. • Buradan emniyet faktörü, emniyet faktörü= olarak ifade edilir.

32. Bu ifade incelenirse, emniyet faktörüne aşırı yükleme ve mukavemet değerindeki azalmanın etkisi değerlendirilebilir. Alman şartnamesinde 1. yükleme hali için kullanılan emniyet faktörü değeri; olarak elde edilir. • Emniyet faktörü göçmeye karşı gerçek güvenliği göstermemektedir.

33. 2.7.2 YÜK VE MUKAVEMET FAKTÖRÜ İLKESİ • Bu ilke çok fazla yaygın olmamakla birlikte özellikle ABD ve Avrupa’nın bazı ülkelerinde kullanılmaktadır. Ülkemizde ise bu ilke boyutlandırma için henüz kullanılmamıştır. • ASCE(AmericanSociety of CivilEngineers) tarafından benimsenmiş olan faktörize edilmiş yük kombinasyonları şöyledir:

34. 1.4D+1.2D+1.6L+0.5( veya S veya R ) 1.2D+1.6( veya S veya R)+(0.5L veya 0.8W) 1.2D+1.3W+0.5L+0.5( veya S veya R) 1.2D1.0E+0.5L+0.2S 0.9D(1.3W veya 1.0E) Bu denklemlerde; D: ölü yük L:hareketli yükler çatı hareketli yükü W:rüzgar yükü S:kar yükü E:deprem yükü R:yağmur suyu ve buz yükü

35. Bu boyutlandırma ilkesinde kullanılan diğer bir faktör ise Φ - mukavemet faktörüdür. Bu faktörün değeri, yapı elemanı tipi ve boyutlandırmada göz önüne alınan sınır duruma bağlı olarak değişir. ASCE bu değerleri böyle vermiştir: a- Çekme elamanlarında: 0.90 akma sınır durumu 0.75 yırtılma sınır durumu b- Basınç çubuklarında : 0.90 c- Kirişlerde : 0.90 eğilme için 0.75 makaslama için d- Kaynaklarda : Φ = etki şekline (çekme, makaslama vs.) göre yukarıdakilerle aynı e- Diğer birleşim elemanlarında: Φ=0.75

36. Yük kombinasyonları ve karşı gelen güvenlik katsayıları

37. 2.7.3. Plastik boyutlandırma yöntemi • Mukavemet için sınır durum plastik momentinin kesitte oluşmasıdır. Plastik moment kapasitesi, kesitin bütün noktalarında akma sınır gerilmelerine ulaşılması haline karşı gelir. • Bu tür elemanlarda yapısal güvenlik koşulu; 1.7 olarak yazılabilir. • Bu boyutlandırma yöntemi ülkemizde kullanılmaktadır.

38. 2.7.4. ÇELİK YAPILARIN HESABINDA KULLANILAN YÜKLEME GRUPLARI, EMNİYET GERİLMELERİ VE DİĞER MALZEME KAREKTERİSTİKLERİ Çelik yapılarda yükler ikiye ayrılır: Esas yükler (H) İlave yükler (Z) Bu yüklerin ayrımı ise;

39. DIN 1050 ve TS 648 standartlarına göre bir çelik yapının hesabı, aşağıda belirlenen iki farklı yükleme haline göre ayrı ayrı yapılır: 1- Sadece esas yükler alınır. Buna H yüklemesi veya 1. yükleme hali veya EY yüklemesi denir. 2- Esas yüklerle beraber ilave yüklerde alınır. Buna HZ yüklemesi veya 2. yükleme hali veya EİY yüklemesi denir.

40. İMO İstanbul şubesi tarafından yayınlanmış olan ‘Çelik Yapılar Emniyet Gerilmesi Esasına Göre Hesap ve Proje Esasları’ isimli kaynakta önerilen şu kombinezonlarda kullanılabilir.

41. D: ölü yükler,kren yükü ve makinaların kütle kuvvetleri L: hareketli yükler S:kar yükü W:rüzgar yükü E:deprem yükü T:sıcaklık değişimi ve mesnet çökmesi nedeniyle oluşan etkiler, krenlerde fren ve yanal çarpma kuvvetleri :çatılarda hesaba katılacak hareketli yükler ve su birikmesi nedeniyle oluşan etkiler

42. Not : (HZ) halinde kombinezonda deprem yükü yoktur.(H) ile emniyet gerilmeleri 1.15 ile büyütülecektir. : (HZ)* halinde kombinezonda deprem yükü vardır. Emniyet gerilmeleri 1.33 ile büyütülecektir. Yapı çeliği olarak en çok kullanılan çelik cinsi St 37 ‘dir. Buna normal yapı çeliği denir. Buradaki 37 sayısı kg/mm² cinsinden çekme mukavemetini gösterir. Çelik yapıların hesap ve yapım kurallarıyla ilgili olarak TS 648 yürürlüktedir. Bu standardın hususuna girmeyen kapsamlar için uygulamada genellikle Alman şartnameleri esas alınmaktadır.

43. Alman şartnamelerine göre; emniyet katsayısı : (H) yüklemesi için = 1.71 (HZ) yüklemesi için = 1.50 Akma sınırı gerilmeleri ve basınç, eğilme-basınç emniyet gerilmeleri (kg/cm²) Çekme ve eğilme-çekme emniyet gerilmeleri (kg/cm²) Kayma emniyet gerilmeleri (kg/cm²)

44. Aşağıdaki malzeme karakteristikleri bütün çelik cinsleri için geçerlidir: • Elastisite modülü E = 2 100 000 kg/cm² • Poisson sayısı = 0.3 • Kayma modülü G = = 810 000 kg/cm² • Lineer ısı katsayısı = 0.000012

45. 2.8 ÇELİK YAPILARIN YORULMASI • Yorulma; malzeme biliminde bir malzemenin devirli olarak sürekli yüklemeye uğraması sonucu ilerlemeli ve yerel yapısal hasara uğramasıdır. Malzeme dereceli olarak arttırılan yükler altında denenip belirli bir sınırdaki gerilime geldiğinde kopmaktadır. Bu şekilde denenerek bulunan değere malzemenin statik dayanımı denir. Ancak aynı malzeme eğer geçmişte sürekli gerilmelere uğramışsa, kopma değeri bu statik dayanım değerinden daha düşük bir değerde olacaktır. Bunun nedeni malzemenin yorulmasıdır.

46. Yorulma, bir malzeme sürekli yükleme ve boşaltmaya maruz kaldığında gerçekleşir. Eğer yüklemeler belirli bir düzeyin üzerindeyse, malzemenin yüzeyinde mikroskobik çatlaklar oluşmaya başlayacaktır. Zamanla bu çatlak kritik bir büyüklüğe ulaşacak ve yapıda çatlama gerçekleşecektir. Yorulma aşamalarını üç aşamada değerlendirilir: -çatlak başlangıcı -çatlak ilerlemesi -kırılma

47. Peki yorulmanın bizim için önemi nedir? - Yorulma olayı dışarıdan gözlemlenebilecek bir şekilde önemli bir şekil değişimi yapmadan malzemenin ani olarak göçmesi nedeniyle tehlikelidir. • Şekilde eksenel olarak yüklü ve St 37 kalitesinde çelik malzemesi için S-N eğrisi verilmiştir.

48. Sünekçelik taşıyıcı elemanların yorulma ömrü, max gerilme ’ın azalması ile artar. Bu durum test edilen numunenin oldukça fazla sayıda yük tekrarına dayandığı yorulma limiti () bölgesine kadar devam eder. Bu gerilme seviyesinde numunelerin %50’sinin 10 milyon tekrar sayısı gibi yüksek tekrarlara dayandığı görülmüştür.

49. Ne yazık ki yorulma ömrünün bulunması için analitik yöntemlere sahip değiliz. Bu durum ise bizleri yorulma ömrünü bulmamız için prototip hazırlamaya mecbur etmiştir. Daha sonra da yukarıdakine benzer testler yapılarak S-N eğrisi üretilir. Bu eğrilere dayanılarak yorulma hesabı yapılmasına yarayan bazı yöntemler, çeşitli standartlar tarafından verilmiştir.

50. Bu standartlardan bazıları şunlardır: -AASTHO(AmericanAssociation of StateHighwayandTransportationOfficials) - AREA(AmericanRailwayEncineeringAssociation)’Specificationfor Steel RailwayBridges’ -ECCS (EurupeanConventionforConstructionalSteelwork) ’Recommendations’