Paslanmaz Çelik İle Kompozit Bir Köprünün Eurocode’a Göre Tasarımı Ve Maliyet Analizi - Bayer, Tijen (Fen Bilimleri Enstitüsü, 2015)
On dokuzuncu yüzyılda demir ve çelik köprülerde önemli ilerlemeler kaydedilmiştir. Önceleri taş ve ahşap köprü yapım tekniğine uygun demir ve çelik köprüler yapılmışsa da, daha sonra bu tür malzemenin kendine has imkânlarının olduğu anlaşılmıştır. Bu köprülerin bir türü olan asma köprülerde, köprü tabliyesi, iki ayağa bağlı çelik halatlara asılı olarak taşınır. Diğer bir tür de kafes taşıyıcı sistemi olan çelik köprülerdir. Bunların özelliği yüksek titreşimlere mukavim olmalarıdır Yapı malzemesi olarak karbon çelik, demir elementi ile genellikle %0,2 ila %2,1 oranlarında değişen karbon miktarının bileşiminden meydana gelen bir alaşımdır. Çelik alaşımındaki karbon miktarları çeliğin sınıflandırılmasında etkin rol oynamaktadır. Karbon genel olarak Demir'in alaşımlayıcı maddesi olsa da demir elementini alaşımlamada Magnezyum, Krom, Vanadyum ve Volfram gibi farklı elementler de kullanılabilir. Karbon ve diğer elementler demir atomundaki kristal kafeslerin kayarak birbirini geçmesini engelleyerek sertleşme aracı rolü üstlenirler. Alaşıyımlayıcı elementlerin, çelik içerisindeki, değişen miktarları ve mevcut bulundukları formlar (çözünen elementler, çökelti evresi) oluşan çelikte sertlik, süneklilik ve gerilme noktası gibi özellikleri kontrol eder. Karbon miktarı yüksek olan çelikler demirden daha sert ve güçlü olmasına rağmen daha az sünektirler. Yüksek Karbon içeren alaşımlar, düşük erime noktaları ve dökme kabiliyetleri nedeniyle dökme demir olarak bilinirler. Çelik ayrıca az miktarda karbon içeren fakat demir cüruflarını da kapsayan dövme demir olarak da ayırt edilir. İki ayırt edici faktör de çeliklerin pas önleyiciliklerini artırır ve daha iyi kaynaklanabilirlik sağlar. Her ne kadar Rönesans'tan uzun süre önceleri çelik çeşitli etkisiz metotlarla üretilmişse de 17. yüzyılda icat edilen daha etkili üretimlerden sonra kullanımı yaygın bir hâl almıştır. 19. yüzyılın ortalarında Bessemer Değiştirgeci'nin icadıyla çelik pahalı olmayan seri üretim materyali olmaya başladı. İlerleme sürecinde ilave edilen temel oksijen ile çelik yapımı gibi mükemmelleştirmeler üretimin maliyetini düşürürken metalin kalitesini arttırmıştır. . Çeliğin ucuzlaması bunun daha yaygın kullanılmasını sağlamıştır. Ayrıca kaynak tekniğinin ilerlemesi daha sağlam birleşme yerlerinin yapımını sağlamıştır. Çeliğin mukavemetinin yüksekliğinden dolayı, taşıdığı yükün ağırlığına oranı yüksektir. Değişik çelik alaşımlarının kullanılması çelik köprülerin mukavemetinin daha yüksek ve dış tesirlere daha dayanıklı olmasını sağlamıştır. Her ne kadar alüminyum kullanılmasıyla, daha hafif köprüler elde edilebilirse de pahalı olması bunların yaygınlaşmasını önlemiştir. Ancak daha sonra betonarme yapı türünün gelişmesi ve 1950'lerden sonra öngerilmeli betonun uygulanmağa başlanması, köprü inşaatında önemli adımların atılmasına yol açmıştır. Köprü inşaatında önemli gelişmeleri ayrıca matematiksel ve deneysel araştırmalar, bilgisayar kullanımı hızlandırmıştır. Bu tür metodları kullanarak, mühendisler statik ve dinamik yükler altında köprüde ortaya çıkacak gerilmeleri daha kesin elde edebilecek duruma gelmişlerdir. Bu suretle daha büyük açıklıkların daha narin köprülerle geçilmesi mümkün olmuştur. Çeliğin gelişimi ise daha eskilere dayanmaktadır. Günümüzde, her yıl 1300 milyon ton üretimi ile, çelik dünyada en çok kullanılan ortak malzemelerden birisidir. Binalarda, altyapı üretiminde, aletlerde, gemilerde, otomobillerde, makinelerde, aksesuarlarda ve silahlarda ana malzemedir. Modern çelik çeşitli standartlar kuruluşları tarafından çeşitli özelliklerine göre sınıflandırılır. Demir, birçok metal gibi, yeryüzü kabuğunda oksijen ve ya sülfür gibi diğer elementlerle kombine olmuş halde, sadece cevher şeklinde bulunur. Standart demirin içerdiği mineraller arasında demir oksit (esmer renkte olan doğal demir oksidineden ibaret bir maden filizi) ve pirit (budala altını) vardır. Demir, oksijenin uzaklaştırılması ve cevherin kimyasal açıdan tercih edilen eşi karbon ile birleştirilmesi ile cevherden çekilir. Bu süreç, ilk olarak kalay (yaklaşık olarak erime noktası 250 °C (482 °F)) ve bakır (yaklaşık olarak erime noktası 1.000 °C (1,830 °F)) gibi erime noktası düşük metallerde tatbiki yapılmış ve madeni tasviye etme işlemi olarak bilinmektedir. Karşılaştıma yapılırsa dökme demirin yaklaşık olarak 1.370 °C (2,500 °F) civarında eridiği görülür. Bütün bu sıcaklıklara Bronz Çağı'ndan buyana uygulanan eski metodlarla ulaşmak mümkündür. Oksijen oranının kendi kendini hızlıca 800 °C nin civarına yükseltmesinden beri, madenin tasviyesi işleminin düşük oksijen ortamında yer alması önem taşımaktadir. Bakır ve kalaya benzemeyen sıvı demir karbonu kolayca çözer. Maden tasviye işlemi çelik adı verilen yüksek karbon içeren alaşım pik demir olarak sonuçlanır. Fazla gelen karbon ve diğer katkı maddeleri bir sonraki basamakta uzaklaştırılır. Paslanmaz çelikler ise, günümüz çelik sektörünün üzerine yoğunlaştığı ve en çok kullanılan çelik türüdür ayrıca neredeyse tüm sanayi kollarında kullanılmaktadır.Yıllardır süregelen etkin ve sürekli araştırmalar ile daha ekolojik ve daha yenilikçi nitelikler köprü gibi yapıların tasarımında olumlu gelişmeler sağlamıştır. Paslanmaz çelik köprüler tüm dünyada kullanılmaya başlanmış olup bu yeni malzeme türü ile daha ekolojik ve yenilikçi tasarımlar mümkün hale gelmiştir: Antik çağlarda pasa ve korozyona dirençli demir yapı elemanları için çalışmalar yapılmaya başlanmış olup, Hindistan'ın Delhi şehrinde bulunan 7 metre yüksekliğindeki "Delhi Demir Ayağı" Gupta Kralı I. Kumaragupta tarafından yaptırılmıştır. Pasa dirençli bu demir direkte krom yerine fosfor kulanılarak direnç sağlanmıştır. 1821 yılında demir-krom alaşımları kullanarak korozyona karşı direnç sağlamaya çalışan ilk kişi Fransız metalurjist Pierre Berthier olmuştur. 19. yüzyıl metalurjistlerinin düşük karbon ve yüksek krom alaşımları kullanarak paslanmaz çelik elde etmelerine karşın bu alaşımların kırılganlığı yüksek olmuştur. Daha sonrasındaki gelişim sürecinde ise 17 Ekim 1912 tarihinde ise, Krupp mühendisleri Benno Strauss ve Eduard Maurer Thyssen-Krupp Nirosta olarak ostenitik paslanmaz çelik patentini alması ile başlayıp günümüze kadar gelişim göstermiştir. Ekolojik ve yenilikçi bir yapı malzemesi olarak köprülerde kullanılmaya başlanan paslanmaz çelik, metalurjide çeliğin, minimum % 10,5 il % 11 arasında krom eklenerek elde edilen alaşım olarak tanımlanır. Eknenen krom, çeliğin yapısında çeliğin yüzeyine çıkarak kromoksit tabakası oluşturur ve demirin oksitlenmesini engeller. Paslanmaz çelik, beş ana gruba ayrılır; ostenitik, ferritik, martenzitik, duplex ve de çökeltme sertleşmesi uygulanabilen alaşımlar olup bu malzemenin en belirgin özelliklerinin başında korozlanma veya paslanma yapmaması ve sıradan çelikler gibi üzerinde su lekeleri bırakmaması gelmektedir. Ancak tamamen leke geçirmez olduğu söylenemez. Düşük oksijenli ve zayıf sirkülasyonlu ortamlar ile yüksek tuzluluk paslanmaz çeliği etkiler. Krom oranı ve pasivasyon oranı çeliğin korozyona ve pasa direncini belirlemektedir. Alışılagelmiş yapılarda kullanılan karbon çeliği ise demir elementi ile genellikle % 0,2 ila %2,1 oranlarında değişen karbon miktarının bileşiminden meydana gelen bir alaşımdır. Alaşıyımlayıcı elementlerin, çelik içerisindeki, değişen miktarları ve mevcut bulundukları formlar (çözünen elementler, çökelti evresi) oluşan çelikte sertlik, süneklilik ve gerilme noktası gibi özellikleri kontrol eder. Karbon miktarı yüksek olan çelikler demirden daha sert ve güçlü olmasına rağmen daha az sünek olduğu söylenebilir. Bu iki yapı malzemesi kıyaslandığında ise ana farklar arasında karbon çeliğin içerdiği daha yüksek karbon içeriği ile daha düşük bir erime noktasına sahip olup daha fazla yumuşaklık ve dayanıklılığa sahip olup iyi ısı dağılımı göstermektedir. Paslanmaz çelik ise, içeriğindeki yüksek krom oranı ile korozyon ve boyama önlemek için çelik üzerinde görünmez bir tabaka oluşturması ve bu sayade karbon çeliğinden daha az bakım gerektirmesi, fiyat optimizasyonu sağlamasıdır. Bu tez çalışmasında paslanmaz çelikten kompozit bir köprünün Eurocode standartlarına göre dizaynına, maliyet analizine ve Danimarka’da yer alan geleneksel ardgermeli betonarme bir köprünün maliyet kıyasına yer verilmiştir. Fiyat analizinde Bayındırlık bakanlığının birim fiyat verileri ile Danimarka Karayolları genel müdürlüğünün birim fiyat verileri temel esas alınarak kıyas yapılmıştır. Kompozit köprü tasarımı ile paslanmaz çelik yapı malzemesi kullanılarak çelik profiller üzerlerindeki betonarme döşemeden gelen yükleri kenar ve orta ayaklara aktararak, çelik köprülerden farklı olarak çelik profillerle üzerlerindeki döşemenin uygun bir detayla birleştirilerek birlikte çalışmaları sağlanmıştır. Bu bağlamda, yurdumuzda sıkça kullanılan, elastomer mesnetlere serbestçe oturan paslanmaz çelik kirişler tasarımı ele alınmıştır. Paslanmaz çelik ile kompozit köprü tasarımı konusunda ülkemizde köprü tasarım yönetmeliği olmaması, köprü projelendiren mühendisler için belirsizlikler oluşturmaktadır. Bu çalışmada ayrıca Eurocode koşullarının uygulanmasında karşılaşılan sorunlara çözümler geliştirilmiştir. Depremsellik açışından yüksek ivmeye hakim olmayan Danimarka’da, tasarımı belirleyen etkinin depremsellik olmadığı görülmüştür. Tasarım parametreleri ağırlıklı olarak Eurocode (EN) 1993-2 Çelik yapılar, Eurocode (EN) 1994-2 Kompozit köprüler, Eurocode (EN) 1992-2 Betonarme köprüler, Eurocode (EN) 1990 tasarım kombinasyonları, Eurocode (EN) 1991 yüklemeler ve Danimarka Karayolları Müdürlüğü’nün Eurocode’a ilave olarak belirttiği ekler kullanılmıştır. Ayrıca paslanmaz çelik ile kompozit kopru tasarımı hakkında Avrupa ve Amerika başta olmak üzere dünya çapında yapılmış olan birçok araştırma dikkatle incelenerek tasarım kriterleri belirlenmiştir ve fiyat analizi için detaylı çalışmalar yapılmıştır. Doğru uygulanan paslanmaz çeliklerin korozyona karşı mükemmel direnç göstermeleri bakım maliyetlerini düşürmektedir. Bunun bir sonucu olarak, korozyon payı ya da herhangi bir koruyucu kaplamaya ihtiyaç duyulmamaktadır. Bu geleneksel malzeme eşdeğer bileşenleri dışında imal etmek için, daha hafif ve daha küçük kesitler ile paslanmaz çelik bileşenlerin kullanılmasına izin vermektedir. Yapı tasarımında karbon veya düktil çelikten paslanmaz çeliğe gidildiğinde ağırlık %25 oranında azalabilirken köprü maliyeti %30 ile %60’a kadar optimizasyon sağlayabilmektedir. Sonuç olarak yapı malzemesi olarak paslanmaz çelik seçimi yaşam döngüsü maliyetlerinin (LCC) 'yükleme, işletim ve tam ömrü boyunca bakımı ile ilgili toplam maliyetlerin analizi oldukça optime sonuçlar çıkardığı görülmüştür.

A constant research of more ecological and efficient structures has enabled bridges to be more innovative through the years. Nowadays, as the need is greater than ever, a new kind of bridge is expanding in the entire world: the stainless steel bridges. On 17 October 1912, Krupp Iron Works in Germany, Benno Strauss and Eduard Maurer patented austenitic stainless steel as Thyssen-Krupp Nirosta and it has been improved since then. Recently, there are different types of stainless steels: when nickel is added, for instance, the austenite structure of iron is stabilized. This crystal structure makes such steels virtually non-magnetic and less brittle at low temperatures. For greater hardness and strength, more carbon is added. with proper heat treatment, these steels are used for such products as razor blades, cutlery, and tools. In this study of thesis, dublex stainless steel which has a mixed microstructure of austenite and ferrite, the aim usually being to produce a 50/50 mix, although in commercial alloys the ratio may be 40/60. Duplex stainless steels have roughly twice the strength compared to austenitic stainless steels and also improved resistance to localized corrosion, particularly pitting, crevice corrosion and stress corrosion cracking. They are characterized by high chromium (19– 32%) and molybdenum (up to 5%) and lower nickel contents than austenitic stainless steels is preferred for the bridge design. The aim of the thesis is to investigate the structural behavior of these a stainless steel composite bridge in accordance with Eurocode norms and a comparison of the composite bridge versus a traditional post-tensioned bridge in Denmark. During this cost estimation, construction unit prices according to Turkey Road Directorate was used for Turkish construction unit prices , on the other hand construction unit prices according to Denmark Road Directorate was used for construction unit prices in Denmark. To analysis structure, a 2D model has been designed to be optimal and tested under national annex for the loads defined in the Eurocodes. Guidelines from the literature has been used to determine the optimal geometry of the bridge.
Design Of A Stainless Steel Composite Bridge According To The Eurocodes And Cost Analysis
Tez (Yüksek Lisans) -- İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2015
Thesis (M.Sc.) -- İstanbul Technical University, Instıtute of Science and Technology, 2015
Keywords: Paslanmaz Çelik Kompozit Köprü; Köprü Tasarım; Karayolu Köprüsü; Maliyet Analizi; Stainless Steel Composite Bridge; Bridge Design; Roadway Bridge; Comparison Of Cost