Yapı Malzemesi

Metaller

İnşaat mühendisliğinde kullanılan metaller, bileşimlerine göre iki gruba ayrılır.

• Demirli metaller,
• Demirsiz metaller.

Demirli metaller

Demirli metaller, bileşiminde demir bulunan metallerdir. Bunlara örnek olarak demir, çelik ve çeşitli demir ve çelik alaşımları gösterilebilir. Bu metal malzemeler yapıda taşıyıcı eleman olarak kullanılır.

Demirsiz metaller

Demirsiz metaller, bileşiminde demir bulundurmayan tüm diğer metallerdir. Bunlara örnek olarak alüminyum, bakır, çinko, kurşun ve bunların alaşımları gösterilebilir. Bu metaller yapıda genellikle taşıyıcı görevi olmayan veya çok az olan elemanların yapımında kullanılır. Bu nedenle bu metaller detay malzemeleri sınıfına girer.

Demirli Metaller

Pik Demir

Bileşiminde % 2-4 karbon ile bir miktar silis, kükürt, fosfor ve manganez bulunan bu demir, fırından alınarak pik adı verilen kalıplara dökülür ve buna pik demir denir.

Dökme Demir

Dökme demir, pik demirinin tekrar ergitilerek kalıplara dökülmesiyle elde edilir.

Dökme demir inşaat sektöründe köprü mesnetlerinde, yollarda rögar ve tesisat bacalarının kapaklarında v.b. yerlerde kullanılır.

Çelik

Bileşiminde % 2-0.05 arasında karbon bulunduran demirlere çelik denir.

Çelikler kullanıldıkları yere göre perçin çeliği, yapı çeliği, ray çeliği, yay çeliği gibi isimler alırlar.

Yapıda kullanılan çelikler dört grupta incelenebilir.

1. Çelik yapılarda taşıyıcı malzeme olarak kullanılan çelikler,
2. Betonarme yapılarda donatı çubuğu olarak kullanılan çelikler,
3. Çelik gergi teli ve çelik kablo olarak kullanılan çelikler,
4. Detay (ayrıntı) malzemesi olarak kullanılan çelikler.

Çelik Yapılarda Taşıyıcı Malzeme Olarak Kullanılan Çelikler

Çelik yapılarda kullanılan malzemeler profiller, lama çelikleri, levhalar, dökme çelikten elemanlar ile bulon, perçin gibi birleştirme elemanlarıdır. Profiller I, U, L, T ve Z diye kesitlerine göre tanımlanan uzun elemanlardır. Bunlara uzun hadde ürünleri de denir. Lama çelikleri dik dörtgen kesitli yassı ürünlerdir. Kalınlıkları 100 mm’ye, genişlikleri 1250 mm’ye ulaşabilir. Saç levha, kalınlığı diğer iki boyuta oranla çok küçük olan bir yassı üründür.

Genel yapı çeliklerinin sınıflandırması ve mekanik özellikleri TS 2162 de verilmektedir. Ülkemizdeki yapı çelikleri Fe37 sınıfı çeliklerdir. Bu nedenle yukarıda sıralanan çelik yapı elemanları da Fe37 sınıfı çelikten üretilmektedir. Bu çeliğin minimum akma sınırı 22 kgf/mm², minimum çekme mukavemeti 37 kgf/mm² dir.

Betonarme Yapılarda Donatı Çubuğu Olarak Kullanılan Çelikler

Betonarme donatı çubukları beton yapı elemanlarında, betonun taşıyamadığı kayma ve çekme gerilmelerini taşımak üzere kullanılan çubuklardır. Bu görevi tam olarak yerine getirebilmeleri için çubukların geniş bir yüzey alanına ve yüzeylerinin ise, betona tutunmayı kolaylaştıracak bir pürüzlülüğe sahip olması gerekir. Hafif paslanmış çubuklar bu bakımdan iyi olmakla birlikte betona tutunmasını kolaylaştırmak için bu çubukların yüzeylerine bazı girinti ve çıkıntılar da yapılır. Yüzeyinde çıkıntılar bulunan çubuklara nervürlü, yüzeyinde girintiler bulunan çubuklara da profilli çelik çubuk denir.

TS708’e göre betonarme donatı çubukları düz, nervürlü ve profilli olmak üzere üç türdür. Bu çubuklar ayrıca sertliklerine göre doğal sertlikte ve soğukta işlem görmüş yani sertleştirilmiş diye iki sınıfa ayrılmaktadır. Beton çelik çubukları bu özelliklerine bağlı olarak Ia, IIIa, IIIb IVb diye sınıf belirtir simgelerle anılmaktadır. İlk üç sınıftaki çelik çubuklar kangallar veya firketeler halinde satın alınmakta ve çeşitli boylarda kesilip kıvrıldıktan sonra kullanılmaktadır. IVb sınıfı çelik sadece çelik hasır üretiminde kullanılır. Çelik hasır belirli aralıklarla paralel uzanan bir dizi çubuğun, bunlar üzerine belirli aralıklarla ancak dik doğrultuda dizilmiş bir başka dizi çubukla birleştirilmesiyle elde edilmiş bir üründür.

Gergi Teli ve Çelik Kablo Olarak Kullanılan Çelikler

Ön gerilmeli veya ard gerilmeli betonarme yapılarda gergi teli olarak kullanılacak çelik tel ve kablolarda öncelikle yüksek mukavemet aranır. Bu nedenle bu tellerin karbon yüzdesi daha yüksek, sünekliği daha azdır. Bu teller, tel çekme yöntemiyle üretilir.      Hadde denilen bir başlığın bir tarafından kalıp olarak giren tel diğer taraftan kesiti incelmiş ve uzamış olarak çıkar. İncelen tel soğuk işlem görmüş olduğundan, kesit alanı azaldığı halde, eskisine oranla daha çok yük taşır. Bu tellerle ilgili bir Türk Standardı olmamakla birlikte bunlar yurt içinde üretilmektedir. Bu tellerle ilgili yabancı standartlar, tellerin karbon yüzdeleri, çekme dayanımları, minimum uzama oranları ve özellikle zamanla gevşeme miktarına ilişkin sınırlamalar getirmektedir.

Ön gerilme tellerinde % 0.6 – 0.9 karbon ve aynı oranda mangenez bulunur. Bunların çekme mukavemeti 150 kgf/mm², binde ikilik akma sınırı 130 kgf/mm² dolayındadır.

Ard gerilme işlerinde teller veya kablolar (7 ve 9 telli demetler) kullanılır. Bunların bileşimi yukarıdaki gibidir. Çekme mukavemetleri 180 kgf/mm2, binde birlik akma sınırı 125 kgf/mm2 dolayındadır. Gerek tellerde ve gerekse kablolarda zamanla gevşeme sonucu gerilme azalması 30 sene sonunda bile % 20’yi aşmaz.

Bazı özel işlerde (örneğin temeller) tel veya kablo yerine soğuk işlem görmüş çubuklardan (çap 20-40 mm) da yararlanılır. Bunlarda karbon ve manganeze ek olarak bir miktar silikon bulunur. Çekme mukavemetleri 100 kgf/mm2 dolaylarındadır.

Asma köprü telleri de ön gerilme tellerine benzer bileşim ve özelliklere sahiptir. Çekme mukavemeti 150 kgf/mm2 olup ayrıca, galvanize edilerek korozyona karşı korunmuştur.

• Öngerilme Teli: Yüksek dayanımlı çeşitli çaplarda üretilen (Genelde 7-8 mm) düz satıhlı yada nervürlü çeliklerdir.
• Öngerilme Toronu: Türkiye’de çelik halat da deniyor. Bir telin etrafında bir ya da birden fazla telin ya da enaz iki telin birbirine sarılmasıyla elde edilmiş belirli özelliklere sahip bir örüktür. Bunlardan en yaygın kullanılanı (7) telden meydana gelmiş toronlardır. Tellerin çapı 2-4 mm dir. Bir telin çapı (D) ile gösterilirse 7 telli toron’un çapı 3.06 D değerini almaktadır. Sargının (helisel) adımı toron çapının 12 yada 16 katı civarındadır. Çekme dayanımı 2000 MPa mertebesindedir. Toronlar çelik tellerden daha esnektir. Bu nedenle geçiş hatlarının eğrisel olmasına elverişlidirler. Aderansları tellere göre daha yüksek rölasyonları çelik tellerinkinden daha azdır.
• Öngerilme Çubuğu: Yüksek dayanımlı belirli özelliklere sahip çeşitli çaplarda üretilen özel alaşımlı çelik donatılardır.
• Öngerilme Kablosu: Birçok öngerilme telinin, birçok öngerilme toronu ya da öngerilme çubuğunun bir grup olarak kullanılması halidir. Bunlar ard çekme yönteminde kullanılmaktadır.
• Öngerilme Donatısı: Ön gerilmeli elemanlarda donatı olarak kullanılan belirli özelliklere sahip tel toron, çubuk ya da bunlardan meydana gelen kablolardır.

Detay (ayrıntı) Malzemesi Olarak Kullanılan Çelikler

Detay (ayrıntı) malzemesi olarak galvanize saclar kullanılır. Galvanize sac levhalar düz, oluklu ve trapez kesitlidir. Düz sacların genişlikleri 100-120 cm, oluklu ve trapez kesitli saç levhaların genişlikleri kıvrımlar nedeniyle 80-90 cm kadardır. Levhalar istenilen uzunlukta üretilebildiği halde, genellikle 2m’ lik boylarda satılır. Bunların kalınlığı 0.3-1.5 mm arasında olabilir. Levhaların ağırlığı kalınlığına bağlı olarak 2.5 ile 15 kg/m arasında değişir. Düz olmayan levhaların taşıyıcı özelliği de vardır. Bu özelliği nedeniyle ahşap ve çelik fabrika yapılarının çatılarının kaplanmasında kullanılır.

Diğer çelik malzemeler ise, çeşitli çelik saç profillerdir. Bunlar kapalı veya açık kesitli olabilir. Yapıda daha çok kapı kasası, çelik doğrama gibi işlerde kullanılır.

Galvanize çelik borular da yapıda kullanılan bir diğer çelik malzemedir. Boru çapları bir İngiliz ölçü birimi olan “inch” cinsindendir. Ancak piyasada “inch” yerine “parmak” deyimi kullanılır. 1 parmak = 1 inch = 25.4 mm. En ufak çap yarım parmak (15 mm) en büyük çap ise, 6 parmak (150 mm) dir. Boruların birim ağırlıkları çapa göre değişir. Uygulamada en çok kullanılan yarım, üç çeyrek ve bir parmaklık galvanize boruların ağırlıkları sırasıyla 1.3, 1.7, 2.6 kg/m dir. 6 parmaklık borunun metre ağırlığı 20 kg dolayındadır.

Başka bir diğer çelik malzeme de çelik lifleridir. Çelik lif, yaklaşık 0.2-0.5 mm çapında telin, 25-50 mm boylarda doğranmasıyla elde edilen bir malzemedir. Beton bileşimine katıldığında donatı vazifesi görerek beton elemanın darbelere, eğilmeye karşı dayanıklılığını artırır. Özellikle, aşınma etkisine maruz betonlarla (beton yollar) patlama etkisine maruz kalabilen betonlar (sığınak) için ideal bir malzemedir. Bu gibi yerlerde normal donatıya ek olarak beton bileşimine çelik lif katılır.

Çelik Malzemelerin Birleştirme Usulleri

Yapıda kullanılan çelik malzemeler iki şekilde birleştirilebilir.

1. a) Sökülebilir birleşimler: Gerektiğinde sökülerek başka yerlerde kullanılabilecek şekilde birleştirilen elemanlardır. Birleştirme malzemesi olarak civata, bulon vb. malzeme kullanılır.
2. b) Sökülemeyen birleşimler: Bunlar sökülmesi gerektiğinde kesilerek sökülen malzemelerdir. Birleştirme malzemesi olarak kaynak, perçin vb. malzeme kullanılır.

Perçinler yuvarlak kesitli yumuşak demirden yapılmıştır. Bir ucu küresel başlı, diğer ucu düz çiviye benzeyen elemanlardır. Birleştirilecek parçalarda açılan deliklerden geçirilen perçinin delikten taşan düz olan ucu dövülerek bu uçta bir kapak oluşturulur. Perçinin gövdesi de deliği iyice doldurur ve sıkışır.

Kaynak, aynı veya benzer alaşımlı madenlerin ısı etkisiyle birleştirilmesidir. İki türü vardır.

1. Ergitme kaynağı: Gaz kaynağı, asetilen kaynağı, elektrik kaynağı ile birleştirilecek parçaların birbirlerine kaynayacak kenarları ısı etkisiyle ergime derecesine kadar ısıtılır. Ergimiş metal birleşmeyi sağlar. Birleştirme için bir üçüncü parça da ergitilerek kullanılır.
2. Basınç kaynağı: Birleştirilecek parçalar akkor hale gelinceye kadar ısıtıldıktan sonra kuvvetle birbirine bastırılır. Örneğin, nokta kaynağı, kordon kaynağı, küt kaynak vb. kaynaklardır.

Demirsiz Metaller

İçerisinde demir (Fe) olmayan metallere demirsiz metaller denir.

Demirsiz metallerden yapıda kullanılanlar alüminyum, kurşun, bakır, çinko ve bunların alaşımlarıdır. Bu metallerin ortak bir özellikleri havayla temasları sonucu yüzeylerinde bir oksit tabakasının oluşması ve bu tabakanın metalin daha fazla oksitlenmesini önlemesidir. Bu nedenle bunlar daha çok kaplama malzemesi olarak kullanılır.

Alüminyum

Tabiatta en fazla boksit halinde bulunur. Elde edilişinde fazla enerji gerektirdiği için pahalı bir malzemedir. İçindeki yabancı maddeler ayrıldıktan sonra 1000 dereceye kadar ısıtılıp kristal suyu uçurularak saf olarak alüminyum oksit elde edilir. Kalınlıkları 1,5-5 mm. arasındadır. Çatı kaplaması, kapı, pencere ve vitrin doğraması imalatında kullanılır. Havayla temas edince yüzeyinde koruyucu oksit tabakası oluştuğundan atmosfer etkisine karşı dayanıklıdır. Daha iyi bir dayanıklılık isteniyorsa alüminyum anodize (elektrik akımıyla zorunlu oksitlendirme) edilir. Deniz suyun da klor iyonları çok olduğundan alüminyum ile temas ettirilmemelidir.. Alüminyum ıslak tuğla, toprak ve ahşaptan da etkilenebilir.

Saf alüminyum sağlam bir malzeme değildir. Bununla birlikte, iyi elektrik iletkenliği ve hafifliği nedeniyle yüksek gerilim kablolarında kullanılır.

Alüminyum alaşımları alüminyuma oranla çok daha sağlam ve hemen hemen onun kadar hafiftir. Ayrıca korozyona karşı da dayanıklı olurlar.

Alüminyumun hafifliği (çeliğin üçtebiri), atmosfer etkisine dayanıklılığı onu taşıyıcı sistemler için uygun kılarken, elastiklik modülünün düşük ve ısıl genleşme katsayısının büyük olması (çeliğin 2 katı) bu kullanımı sınırlamaktadır.

Alüminyumun tipik özellikleri :

• Özgül ağırlık : 2.70 kg/ı
• Elastik modülü : 0.7 x 106 kgf/cm²
• Çekme mukavemeti : 50 kgf/mm²
• Poisson oranı : 0.34
• Isıl gen katsayısı : 24 x 10-6 l/^oC
• Isıl iletken katsayısı : 1.8 kcal/m.h.^oC

Bakır

Bakır korozyona karşı oldukça dayanıklı bir metaldir. Asitlerden ve deniz suyundan etkilenmez. Nemli bir ortamda bırakılacak olursa yüzeyinde yeşil renkli bir bakır sülfat tabakası oluşur.

Bakırın çekme dayanımı yüksek değildir. Daha çok elektriksel ve ısıl iletkenliğinden ve kolay işlene bilirliğinden yararlanma amacıyla kullanılır.

Alaşım sız halde çatı kaplaması olarak kullanılırlar ve bakır levhaların tutturulmasında bakır çivi kullanılır. Bakır boru olarak da yapılarda kullanılabilir.

Bakırın alaşımlarından en çok kullanılan ikisi pirinç ve bronzdur. Pirinç, bakır-çinko alaşımıdır. Çinko, bakır içinde %50’ye varan oranlarda çözünebilir. %36’ya kadar çinko içeren alaşımlar daha çok süs eşyası, pirinç mobilya yapımında kullanılır. %46’dan fazla çinko içeren alaşımların kullanımı oldukça sınırlıdır. %36-46 arası çinko içeren alaşımlar musluk, vana ve benzeri sağlık malzemesi ve vida, menteşe, çekmece kulpu gibi nalburiye üretiminde kullanılır.

Bronz, bakır-kalay alaşımı olup diğer bir ismi de tunçtur. Kalay miktarı %6 dolayında olup, bronzlar pirinçlere oranla daha sert ve sağlamdır. Daha çok heykel, kapı tokmağı gibi süslemelerde kullanılır.

Bakırın tipik özellikleri

Özgül ağırlık               :8.96 kg / l

Elastik modülü                        :1.000.000 kgf / cm2

Isıl genleşme katsayısı :2.000 kgf / cm2 (saf metal)

Çekme mukavemeti    :16.5 x 10-6 lloC

Isıl iletkenlik katsayısı :3.4 kcal / m.h.oC

Kurşun

Tabiatta saf olarak çok az bulunan kurşun, içerisinde %86 kurşun bulunan ve kurşun glansı adı verilen filizlerden elde edilir. Havayla temas halinde yüzeyinde bir karbonat tabakası oluşur. Bu tabaka onu dış etkenlere karşı korur. Kurşun bu özelliğiyle çatı kaplaması olarak kullanmaya uygundur. Tutturma işinde bakır çivi kullanılır. Bu tür uygulamalarda ısıl genleşme payı çok önemlidir. Kurşun yüksek yoğunluğu nedeniyle zararlı ışınların geçişine engel olur. 1 cm kalınlığında kurşun ışınların geçişine karşı 10-15 cm kalınlığında beton kadar etkilidir.

Eski yapılarda, su tesisatında kurşun borular yaygın olarak kullanılmıştır. Kurşun, kolay eğilip bükülmesi nedeniyle günümüzde daha çok su sayaçlarının, termosifon, şofben gibi su ısıtıcılarının su şebekesine bağlanmasında ara eleman olarak kullanılmaktadır. Saf ve yumuşak sular kurşunu çözebildiğinden bu gibi yerlerde suya kurşun karışma ihtimali vardır. Kurşun, özellikle küçük çocuklar için çok zehirli bir maddedir. Kurşun ayrıca yağlı boya, üstübeç ve lehim üretimi gibi diğer alanlarda da kullanılır.

Kurşunun tipik özellikleri     

• Özgül ağırlık :11.34 kg/l
• Elastik modülü :200000 kgf/cm
• Çekme mukavemeti :2140 kgf/cm
• Isıl genleşme katsayısı: 229.5 x 10-6 l/oC
• Isıl iletkenlik katsayısı :2.9 kcal/m.h.oC

Çinko

Tabiatta saf olarak bulunmaz.  Blent, kalamin ve kırmızı çinko filizi halinde bulunur. Filizler yıkanır ufalanır ve daha sonra kavrularak karbondioksit ve kükürt ayrılır. 1100-1300 oC sıcaklıkta ve özel fırınlarda ısıtılan çinko gerekli işlemler sonunda sıvı hale getirilir. Böylece elde edilen ham çinko alev fırınlarında tekrar eritilerek temizlenmek suretiyle saf çinko haline getirilir.

Yağmur borusu, dere ve olukların üretiminde ve çatılarda kaplama malzemesi olarak kullanılır. Isıl genleşme katsayısı oldukça yüksektir  (40 x 10-6 l/oC’ye kadar çıkabilir).

Çelik saçların ve boruların kaplanmasında da kullanılır. Ergimiş çinkoya daldırılan çelik saçların ve boruların yüzeyleri çinko ile kaplanır ve bu saçlara galvanize saç, borulara da galvanize boru denir. Bu kaplama işlemi malzemelerin paslanmasını önler.