“Yapısal Çelik Tasarım Prosedürü” adlı bu makalede, tasarım sürecinde yer alan adımlar anlatılmaktadır.

Yapısal analiz ve tasarımın temel amacı, amaçlanan ömrü boyunca uygulanan tüm yüklere hatasız dayanabilecek bir çelik yapı üretmektir. Yanlış tasarlanırsa, bir yapının elemanları başarısız olur ve büyük masraflar veya nihai olarak herhangi bir maliyetle karşılaştırılamayacak yaşam kayıpları gibi ciddi sonuçlara neden olur.

Mimari mühendis yapının işlevini ve düzenini belirledikten sonra, güvenli, işlevsel ve ekonomik bir Çelik yapı geliştirmek için aşağıdaki adımlarda özetlenebilecek Çelik yapı mühendisinin rolü başlar.

Adım 1: Kavramsal Tasarım

Bu aşamada, yapı elemanlarının (örn. döşemeler, kirişler, kolonlar vb.) ilk tasarımı, kod önerilerine göre yapılır.

Mimari çizimlere engel olmayacak şekilde uygun kolonların konumlarının ve yönelimlerinin seçilmesiyle başlar. Örneğin, bir odanın ortasında bir sütun veya buna benzer bir şey olmasını istemezsiniz. Ayrıca bir Yapısal Çelik binanın depreme karşı yeterli dayanım sağlaması için toplam kolon sayısının en az %30’unun x veya y yönünde olması gerektiği dikkate alınmalıdır.

Bundan sonra, yapısal çelik sistem tipi seçilir. Örneğin döşeme, dolu döşeme, boşluklu blok veya düz döşeme… vb. olarak seçilebilir. Buna göre kirişlerin konumu belirlenir.

Adım 2: Her Elemanın İç Kuvvetlerinin Belirlenmesi

İlk tasarımın tamamlanmasından sonra, her bir Çelik yapı elemanının kesin boyutları belirlenecektir. İlk olarak, SAP 2000 gibi bir analiz yazılımı üzerinde Adım 1’den belirlenen başlangıç boyutları ile bina için bir analiz modeli oluşturulur.

Sabit yükler, hareketli yükler, rüzgar ve deprem yükleri gibi Çelik Yapıya etki eden tüm yükler modelde tanımlanmalıdır.

Modelden, her bir eleman üzerindeki iç kuvvetler [Normal Kuvvet, Kesme Kuvveti, Eğilme Momentleri] hesaplanır.

Adım 3: Tekrarlamalı Tasarım

Artık, ilk boyutlandırmaya göre elemanlar üzerinde gerdirme eylemlerine sahipsiniz ve basitçe, bunları ilgili koda göre tasarlamak için kullanabilirsiniz. Bazı elektronik tablolar veya tasarımı kolaylaştıran diğer yazılımlar kullanılarak tasarım süreci çok kolay hale geldi.

Ardından, analiz modeli önceki tasarımdan elde edilen yeni boyutlara değiştirilmeli ve analiz yeniden çalıştırılmalıdır. İç kuvvetler elde edilir ve yeni kuvvetlere göre yeniden tasarım yapılır.

Adım 4: Temel Tasarımı

Elemanların nihai boyutları bulunduktan sonra, zeminin taşıma kapasitesi ve yapıdan gelen yükler dikkate alınarak temel sistem tipi seçilebilir.

Adım 5: Tasarım

Bu adımda yapısal planlar oluşturulur. Bu planlar, şantiyedeki inşaat sürecinin sorunsuz ilerleyebilmesi ve çizimlerdeki eksik veriler nedeniyle gecikmemesi için tam olarak detaylandırılmalıdır.

Yapısal Çelik Tasarımın Yöntemleri

• Çalışma stresi yöntemi
• Nihai yük yöntemi
• Sınır durumu yöntemi

Çalışma Stresi Yöntemi

Bu sadece betonarme için değil, aynı zamanda yapısal çelik ve ahşap tasarım için de geleneksel tasarım yöntemiydi. Yöntem, temel olarak, yapısal malzemenin lineer elastik bir şekilde davrandığını ve Çelik yapı üzerinde beklenen “çalışma yüklerinin” neden olduğu malzemedeki gerilmelerin uygun şekilde kısıtlanmasıyla yeterli güvenliğin sağlanabileceğini varsaymaktadır. Belirtilen izin verilen gerilmeler malzeme mukavemetinin oldukça altında tutulduğundan, lineer elastik davranış varsayımının haklı olduğu kabul edilir. Malzemenin mukavemetinin izin verilen gerilime oranı genellikle güvenlik faktörü olarak adlandırılır. Ancak, doğrusal elastik davranış ana varsayımı ve çalışma yükleri altındaki gerilmelerin ‘izin verilen gerilmeler’ içinde tutulabileceğine dair örtük varsayım gerçekçi bulunmamıştır. Uzun süreli sürünme ve büzülme çabası, stres konsantrasyonlarının etkileri ve diğer ikincil etkiler gibi birçok faktör bundan sorumludur. Tüm bu etkiler, hesaplanan gerilimlerin yeniden dağılımında önemli yerel artışlarla sonuçlanır. Tasarım genellikle yapısal elemanların nispeten büyük bölümleriyle sonuçlanır, böylece olağan çalışma yükleri altında daha iyi servis performansı elde edilir.

Nihai yük yöntemi

Çalışma stresi’nin eksikliklerinin giderek daha fazla farkına varılmasıyla betonarme tasarımda ve betonarmenin nihai yüklerdeki davranışının daha iyi anlaşılmasıyla, tasarımın nihai yükü geliştirildi ve çalışma stresleri bir alternatif haline geldi. Bu yöntem bazen yük faktörü yöntemleri olarak da adlandırılır, nihai mukavemettir. Bu yöntemde, yapının çökme tehlikesi olan bölgedeki gerilme durumu analiz edilir ve beton ve çeliğin doğrusal olmayan gerilme-gerinim eğrilerinden yararlanılır. 

Bu yöntemde ‘modüler oran’ kavramı ve bununla ilgili problemlerden tamamen kaçınılır. Güvenlik önlemi tasarımı, nihai yükün çalışma yüküne oranı olarak tanımlanan yük faktörünün uygun bir seçimiyle ortaya çıkar. Nihai yük yöntemi, kombine yükleme koşulları altında farklı yük faktörlerine farklı yük faktörleri atanmasını mümkün kılar, WSM. Bu yöntem, özellikle yüksek dayanımlı donatı çeliği ve beton kullanıldığında, genellikle daha ince kesitler ve genellikle kiriş ve kolonların ekonomik tasarımlarıyla sonuçlanır. 

Bununla birlikte, nihai yüklerde tatmin edici “dayanıklılık” performansı, normal servis yüklerinde tatmin edici “hizmet verilebilirlik” performansını garanti etmez. Tasarımlar bazen yüksek dayanımlı çelik ve beton kullanımından kaynaklanan ince kesitler nedeniyle servis yükleri altında aşırı sehimlere ve çatlak genişliklerine neden olur. Nihai yükte gerilme bileşkelerinin dağılımı, yük faktörleri tarafından büyütülen servis yüklerindeki dağılım olarak alınır; başka bir deyişle, analiz hala lineer elastik teoriye dayanmaktadır.

Limit durum yöntemi

Limit durum tasarım yönteminin felsefesi, geleneksel tasarım felsefelerine göre kesin bir ilerlemeyi temsil eder. Yalnızca hizmet yükü koşullarına dayalı hesaplamalara dayanan çalışma stresinden ve yalnızca nihai yük koşullarına dayalı hesaplamalara dayanan nihai yük yönteminden farklı olarak limit durumu yöntemi (LSM), nihai yüklerde güvenliği ve çalışma yüklerinde hizmet verebilirliği göz önünde bulundurarak tasarım sorununa kapsamlı ve rasyonel bir çözüm bulmayı amaçlar. Limit durumu yöntemi (LSM) felsefesi, olası tüm ‘Sınır Durumunu’ göz önünde bulundurarak, nihai yüklerde yeterli güvenliğin yanı sıra servis yüklerinde yeterli hizmet verebilirliği sağlamaya çalışan çoklu bir güvenlik faktörü formatı kullanır.

Sınır Durumları

Sınır durumu, ötesinde bir Çelik yapının, hizmet verilebilirlik güvenliği açısından amaçlanan işlevini tatmin edici bir şekilde yerine getirmeyi bıraktığı, yani ya çöktüğü ya da hizmet dışı hale geldiği, yaklaşmakta olan bir arıza durumudur. İki tür sınır durumu vardır: Nihai sınır durumları (limit) çökme durumları mukavemet, devrilme, kayma, burkulma, yorulma kırılması vb. ile ilgilenen. Hizmet verilebilirlik sınır durumları aşırı bükülme, çatlak genişliği, titreşim sızıntısı vb. nedeniyle kullanımda rahatsızlık ve/veya arıza ve ayrıca dayanıklılık kaybı vb. ile ilgilidir.