Geleneksel metal yapılara göre kompozit malzemeler birçok avantajlarından dolayı değişik alanlarda kullanılmaktadırlar. Bu uygulamalarda, yüklerin transferi, taşınması ve artırılması gibi görevler üstlenmektedir. Kompozit yapılarda değişik bağlantı şekilleri mevcuttur.
Bağlantıların amacı, yapılarda elemanların birinden diğerine yük transferini sağlamaktır. Fiber takviyeli kompozit yapılarda bağlantı dizaynının özel bir öneme sahip olmasının iki nedeni vardır. Bunlar kompozit malzemelerin sünek metallerin karakteristik özelliklerini taşımaması ve kompozit yapıda bağlantıların genellikle en zayıf alanda yapılmasıdır [66].
Bu kısımda tabakalı kompozit malzemelerin bağlantı biçimleri kısaca anlatılmaktadır.
18
Tabakalı kompozit malzemeler en az iki farklı malzemeden oluşmaktadırlar. Tabakalı kompozit malzemelerin, metalik malzemelere göre avantajları şu şekilde sıralanabilir:
• Tabakalı kompozit malzeme üzerine etki eden yükleri farklı katmanlarında sahip olduğu farklı takviye açılarından dolayı daha kolay taşır.
• Bağıl olarak düşük bir tokluk değerine sahiptirler.
• Farklı tabaka dizilimleri ile gerilme yığılmalarına karşı oldukça mukavemetlidirler. • Korozyona karşı dayanıklıdırlar.
• Isı, elektrik ve ses yalıtımı için uygun malzemelerdir. • Isı iletim katsayıları düşüktür [67].
Kompozit malzemelerin yapı veya makine elemanlarından bir konstrüksiyon oluşturmak için bu elemanların birbirlerine bağlanmaları gereklidir. Bu bağlanma işlemi birleştirme olarak gerçekleşmektedir. Yapılardaki birleştirmelerin çoğu, kompozit- kompozit arasında veya kompozit-metal malzemeler arasında olabilmektedir. Yapıların veya elemanların birleştirme işlemlerinde, hasar kaynağı ve üretim probleminin bir nedeni olarak ağırlığın yaratacağı hasardan dolayı dizayn işleminde bunlardan kaçınmak zorunludur. Ancak yapıların onarılması veya yeniden denetlenmesi ihtiyacı, ulaşım veya üretimdeki güvenlilik, malzeme boyutu üzerindeki sınırlamalardan dolayı mutlaka (ya da çoğunlukla) konstrüksiyonlar elemanların birleştirilmelerinden oluşmaktadır.
Temel olarak kompozit malzemelerde bağlantının iki türü vardır [68]. Tabakalı kompozitler için temel bağlantılar ya mekanik ya da yapıştırma bağlantılardır. Mekanik bağlantılar cıvata, perçin veya pim elamanı yardımıyla, yapıştırma bağlantıları ise yapıştırıcı kullanımıyla gerçekleştirilir [66].
1-Yapıştırmalı bağlantılar: Bu bağlantı türünde üretim sırasında bağlantı şekli yoluyla veya uygun yapıştırma ile ön hazırlık aşamasından geçirilmiş tabakalar ile beraber yapıştırma yapılır. Bu bağlantıda deliğe gerek yoktur, yapıştırma yapıya fazla ağırlık katmaz, sıcaklık, nem ve diğer çevre şartlarından etkilenebilir. Bu bağlantı türünde bağlantı kalitesini kontrol etmek oldukça zordur [66].
2-Mekanik bağlı bağlantılar: Bu çalışmada mekanik bağlı bağlantı biçimi kullanıldığından dolayı bu bağlantı türü hakkında aşağıda kısaca bahsedilmiştir.
19
Bu bağlantılarda, kontrol veya bakım/onarımı için bağlantının kaldırılması gerekebilir. Birçok araştırmacı; hasar tipleri üzerinde rondela, sürtünme, bağlantı tipi, tabaka dizilimi vb. etkilerini araştırmak için çoğunlukla tek yönlü prepreg malzemeden üretilmiş kompozit tabakalar için bağlantı davranışını incelemişlerdir [68].
Mekanik bağlı bağlantılar çoğunlukla pim, perçin ve cıvata vb. elemanlar yoluyla gerçekleştirilmektedir. Bu bağlantı tipinde temel olarak çekme, kopma, yırtılma hasarı (net-tension), kayma-kesme hasarı (shear-out) ve ezilme-yatak hasarı (bearing) olmak üzere üç çeşit hasar tipi vardır.
Bu bağlantılarda yırtılma (net-tension) ve kesme (shear-out) istenmeyen hasar tipleridirler [26, 28, 68]. Ayrıca mekanik bağlantıların avantaj ve dezavantajları da aşağıdaki şekilde sıralanabilir.
Mekanik bağlantıların avantajları;
• Mekanik bağlantılarda; mekanik bağlantı şekli yapının kolaylıkla montaj ve demontajına imkan tanımaktadır. Bu özelliğinden dolayı hasar gören parçalar rahatlıkla yenisiyle değiştirilebilmektedir.
• Mekanik bağlantılar ortam sıcaklığının aşırı yükselmesinden veya düşmesinden çok fazla etkilenmezler.
• Mekanik bağlantılarda yüzeyin hazırlanmasına gerek yoktur. Mekanik bağlantıda bağlantının kalitesini kontrol etmek kolaydır.
• Birleştirme işlemi hızlı olarak ve çok fazla teknik bilgi gerektirmeden yapılabilir. • İşçiliği ve uygulama malzemeleri oldukça ucuz ve yaygındır.
Mekanik bağlantıların dezavantajları;
• Bağlantı elemanı yapıya ek bir ağırlık katmaktadır. • Bağlantı elamanı korozyon problemi yaratabilmektedir.
• Bağlantı için yapı üzerinde delik açılmasıdır. Metallerde delik etrafında oluşan gerilme yığılması malzemenin sünek yapısından dolayı lokal plastik gerilmeye neden olmakta bu da statik yüklemede önemli bir durum teşkil etmemektedir. Ancak takviyeli kompozit levhaların bağlantısında ise malzemenin gevrek ve anizotropik olmasından dolayı delik civarındaki gerilme yığılması yapının mukavemetini ciddi şekilde azaltmaktadır.
20
• Ulaşılması güç olan tamirat gerektirmeyecek yerlerde kullanılması maliyeti yükseltmektedir [66].
Mekanik (çözülebilir) bağlantılı kompozit levhalarda oluşması muhtemel hasar tipleri Şekil 2.2’ de verilmiştir. Bu hasar tipleri çeşitli parametrelere bağlı olarak açıklanmaktadır. Bu parametrelerden;
a) Kompozit malzeme bileşenlerinin etkisi: Takviye malzemesinin türü ve yapısı (tekyönlü, örgülü, kırpılmış, rastgele dağılımlı vb.), reçine tipi, fiber oryantasyonu, tabaka dizilimi vb.
b) Bağlantı parametrelerinin etkisi: Bağlantı tipi, bağlantı boyutu, delik büyüklüğü ve toleransları, rondela boyutu vb.
c) Geometrik parametrelerin etkisi: Plaka genişliği (W), plaka genişliğinin delik çapına oranı (W/D), kenar mesafesi (E), bağlantı elemanının montajının yapılacağı deliğin plakanın kısa kenarına olan mesafesinin oranı (E/D), plaka uzunluğu ve plaka kalınlığı, delik çapı.
d) Dizayn (tasarım) tipinin etkisi: Yükleme tipi, yükleme yönü, bağlantı tipi, geometrisi (delik, kenar mesafesi vb.), farklı bağlantı elemanları kullanılmış olması (cıvata, perçin veya pim), çekme, basma veya kayma zorlanmaları, yayılı yükleme, moment etkisi gibi konstrüktif zorunluluklardan kaynaklanan etkiler, çevre ve hasar kriterleri [69].
Bunlara ek olarak, pim bağlantılı numunelerin gerilmelerini tahmin etmek için statik gerilmeler tanımlanmaktadır. Bu gerilmeler aşağıdaki formüllerle hesaplanabilinir.
Yırtılma gerilmesi (Net-tension);
t D W P t ). ( ) ( max max
Ezilme gerilmesi (Bearing);
t D P b . ) ( max max
Kayma/Kesme gerilmesi (Shear-out);
t E P s . . 2 ) ( max max
eşitlikleri yardımıyla hesaplanmaktadır. Bu eşitliklerde, Pmax levhanın maksimum hasar
yükü,W levha genişliği, D delik çapı, t ise levha kalınlığını, E ise delik kenar mesafesini belirtmektedir [69].
21
Mekanik bağlantı uygulamalarında temel üç hasar tipi görülmektedir. Güvenli bir tasarım açısından; ezilme hasarı, kesme ve yırtılma hasarından ziyade daha çok istenen bir hasar tipidir. Bununla birlikte E/D ve W/D oranları çok büyük olmadıkça, bir ezilme hasarı nadiren elde edilmektedir. Eğer E/D>3 ve W/D>6’ dan kaçınılması halinde ise yırtılma ve kesme hasarı oluşmaktadır [66].