INS 222 Yapı Malzemesi

INS 222

Yapı Malzemesi

DERSLER

Öğretim Üyesi: Yrd. Doç. Dr. Ü. Anıl DOĞAN Zaman:

Çarşamba / 12:30-15:20

Derslik:

A205

Aktiviteler:

• Yeni konuların sunulması

• Ders, deney, ödev, sınav vb. ile ilgili duyurular

• Sınavlar*

*Mazeret sınavı sadece acil durumlar için yapılır.

-Deneyleri kaçırmamaya dikkat ediniz.

-Eğer bir öğrenci deney uygulamasına katılmazsa vereceği deney raporu kabul edilmemektedir.

LABORATUVAR DENEYLERİ

Zaman: Laboratuvar deneylerinin ne zaman yapılacağı dönem içerisinde ilan edilecektir

Yer: Yapı Malzemeleri Laboratuvarı

Amaç: Derslerde öğrenilenleri deneysel gözlemlerle birleştirerek malzemeler hakkında daha çok şey öğrenmek. Aynı zamanda mühendislik raporlarının uygun bir şekilde hazırlanması.

1-Çimento Deneyleri 2-Agrega Deneyleri 3-Beton Üretimi

4-Sertleşmiş Beton Deneyleri

OFİS SAATLERİ

Aktiviteler:

• Sınav, deney vb. tartışmak

• Dersle ilgili sunumları, soruları, kitap bölümlerini tartışmak

Çarşamba 09:30-12:00

e-posta: doganunal@itu.edu.tr

Ders kitabı:

• Sınıf notları

• Yapı Malzemesi, İTÜ İnşaat Fakültesi, 1991, Prof. Dr. M.

Süheyl AKMAN

• Materials for Civil and Construction Engineers: Michael S. Mamlouk and John P. Zaniewski, third (international) edition, Pearson Education Inc. (2011)

DERS KİTABI

Ek kaynaklar:

• Beton: Cilt I (Çimento), Cilt II (Agrega ve beton), Teknik Kitaplar Yayınevi, 1986-1987, Prof. Dr. Bekir POSTACIOĞLU

• Malzeme Bilimi, Bilim Teknik Yayınevi, 2006, Kaşif ONARAN

• Properties of Concrete, Prentice Hall, Fourth Edition, London, 2000, A. M. Neville

• Lea’s Chemistry of Cement and Concrete, Fourth Edition, Butterworth-Heinemann; Fourth Edition, 2004, Peter Hewlett

DEĞERLENDİRME

Laboratuvar raporları % 5

Laboratuvar ve yıliçi sınavları ile ilgili dönem içerisinde

Yıliçi Sınavları % 20+ % 20

Planlanan tarihler: 7. hafta: 21/03/2018 14. hafta: 16/05/2018

Yılsonu Sınavı* % 50

2 Dönem Ödevi % 5

Yıliçi Toplam Etkisi

% 50

Planlanan tarihler: 6. hafta: 14/03/2018 8. hafta: 04/04/2018 9. hafta: 11/04/2018

GİRİŞ

• Yaygın inşaat mühendisliği malzemeleri:

 çelik

 mineral aggregalar

 beton

 duvar elemanları

 asfalt

 ahşap

 Zemin mekaniğinde toprak

• Az yaygın malzemeler

 aluminyum

 cam

 plastik

 Lifli kompozitler

Yeni Malzemeler

•Gelişmeler

 polimerler

 adhesiveler

 kompozitler

 Geotekstiller

 kaplamalar

 Sentetik malzemeler

• Yüksek performanslı malzemeler

 Yüksek dayanım/ağırlık oranı

 Yüksek dürabilite

 düşük maliyet

Malzeme Seçim Kriterleri

• Ekonomik faktörler

• Mekanik faktörler

• Mekanik olmayan faktörler

• Üretim/yapım

• Estetik özellikler

• Sürdürülebilirlik kriterleri

• Ön şartlar

 Müşteri talepleri

 Tesisin kullanım fonksiyonu

1.1 Ekonomik Faktörler

Gözönünde bulundurulacak faktörler:

 Ham madde mevcudiyeti ve fiyatları

 Üretim maliyetleri

 Ulaşım

 Yerleştirme

 Bakım

1.2 Mekanik Özellikler

• Dış yüklere karşı gösterilen direnç

• Yükleme altında tüm malzemeler aşağıdaki kriterlere bağlı olarak deforme olurlar:

 malzeme özellikleri

 yükün tipi ve şiddeti

 malzeme boyutları

Gerilme-Birim Şekil Değiştirme İlişkisi

Tüm katı malzemeler yük altında deforme olur

• Gerilme, kuvvetin (veya yükün) boyuttan bağımsız olarak ifadesidir. Böylece farklı boyutlardaki

malzemeleri karşılaştırabiliriz

 gerilme = kuvvet / alan

s = F / A (psi, ksi, kPa, MPa, GPa, N/mm²)

• Birim şekildeğiştirme deformasyonun boyuttan bağımsız ifadesidir

 Birim şekildeğiştirme = deformasyon / ilk boy e = DL / L (%, in/in, mm/mm)

Tipik Gerilme-Şekildeğiştirme Diyagramları

 s – e genellikle düşük gerilmeler altında doğrusaldır fakat daha sonra doğrusallıktan ayılır.

Cam ve tebeşir

Çelik Aluminyum alaşımlar

Beton Yumuşak kauçuk

(elastomer)

Gerilme Gerilme Gerilme Gerilme Gerilme

Birim şekil değiştirme

Birim şekil

değiştirme Birim şekil

değiştirme Birim şekil değiştirme

Birim şekil değiştirme

Elastik Davranış

• Uygulanan yüke gösterilen tepki

• Yükleme kaldırıldığında orijinal şekline geri döner

 Atomlar arasındaki bağlar düzenleri değişmeden uzar

Gerilme

Birim şekil değiştirme

Yükleme Boşaltma

Doğrusal & Doğrusal Olmayan Davranış

• Doğrusal bir davranış gerilme-birim şekildeğitirme diyagramında düz bir çizgidir.

• Elastik bir malzeme orijinal haline geri döner.

Linear elastic

Non-linear elastic

Non-linear inelastic

Gerilme GerilmeDoğrusal elastik

Doğrusal olmayan elastoplasik Doğrusal olmayan

elastik

Elastik Malzeme Özellikleri

• Elastisite Modülü veya Young Modülü

E = Ds / De

 Gerilme-birim şekildeğiştirme eğrisinin doğrusal kısmının eğimi

• Poisson oranı

n = - e

/ e

 Yanal şekildeğiştirmenin, e_l, boyuna şekil değiştirmeye oranı, e_a

 Malzeme uzatıldığında kesiti daralır ve basınç halinde de tam tersi olur

• Eğer davranış doğrusal değilse nasıl hesaplanır?

• Eğimi nasıl bulabiliriz (Elastisite Modülü)?

Birim şekildeğiştirme

Stress

Başlangıç Tanjant Modülü

Sekant Modülü

Kiriş Modülü

Tanjant Modülü

Gerilme

Tipik Elastisite Modülü ve Poisson Oranları

Malzeme Elastisite Modülü (GPa)

Poisson Oranı

Aluminyum 69-76 0.33

Tuğla 10-17 0.23-0.40

Beton 14-41 0.11-0.21

Kireçtaşı 58

Çelik 200 0.27

Ahşap 6-15

Elastoplastik Davranış

Çoğu malzeme düşük gerilmeler altında elastik daha sonra plastik davranış gösterir.

 Geçiş noktası elastik limit

• Elastik

 Atomlar arasındaki bağlar düzenleri bozulmadan uzar

 Toparlanabilir deformasyon (yayın geri gelmesi)

• Plastik

 Atomsal bağlar birbiri içerisinde kayar ve yeniden düzenlenir

 Kalıcı deformasyon (geri ilk haline dönemez)

Gerilme

Toplam birim şekil değişimi

Elastik birim şekil değişimi Plastik

birim şekil değişimi

Yükün uygulanması ile gerilme ve birim şekil değiştirme oluşur

Birim şekil değişimi

Yük kaldırıldığı zaman gerilme sıfıra geri döner.

Eğrinin başlangıç kısmının eğimine paralel davranış gösterir.

Birim şekildeğişiminin bir kısmı

“toparlanabilir”, bu elastik davranıştır.

Birim şekil değişiminin bir kısmı kalıcıdır, bu plastik davranıştır.

Elastik Limit

Yeni elastik limit

Yeniden yükleme gerilmenin en yüksek değerinden devam eder.

Elastik limit önceki en yüksek gerilme değeri olur.

Sonraki yükleme durumunda orijinal gerilme-birim şekil değiştirme davranışını takip eder

Eğer belirgin bir geçiş noktası yok ise ne olur?

Uzama metodu Ofset metodu

Gerilme

Birim şekil değişimi, %

% 0,5 uzamadan akma dayanımı

Gerilme

Birim şekil değişimi, %

% 0,2’den

akma dayanımı orantılılık

sınırı

Gerilme-Birim Şekil Değiştirme Eğrisinin Önemli Noktaları

Yumuşak çeliğin tipik gerilme-birim şekil değiştirme davranışı

Gerilme

Birim şekil değiştirme Akma

dayanımı

Orantılılık sınırı

En büyük gerilme

Kopma

Mühendislik gerilme- birim şekildeğiştirmesi Gerçek gerilme-birim

şekildeğiştirmesi

Tanımlar

• Orantılılık Sınırı

 Doğrusal ve doğrusal olmayan davranış arasındaki sınır

• Elastik Limit (Akma noktası)

 Elastik ve plastik davranış arasındaki sınır – tamamen geri toparlanmanın olabildiği en yüksek gerilme

• Akma

 Gerilme artmadan veya çok az artarak birim şekil değişiminin artmaya devam etmesi (elastik limitten sonra)

• Maksimum Gerilme

Tanımlar (Devam)

• Kopma Gerilmesi

 Numunenin koptuğu veya kırıldığı noktadaki gerilme değeri

• Gevrek Malzeme

 Kırılmadan önce çok az plastik deformasyon gösterir (cam, beton)

• Sünek Malzeme

 Kırılmadan önce çok fazla plastik deformasyon gösterir (yapısal çelik, kauçuk)

Vizkoelastik Davranış

• Viskozite: Akmaya karşı

direnç (yani kayma kuvvetine karşı)

 Doğrusal malzemeler için:

= kayma gerilmesi/kayma şekil değiştirme oranı,

birimi Pa.s veya cP

• Viszkoelastik malzemeler

 Hem elastik hem viskoz davranış gösterirler

Vizkoelastik malzemeler

– Deformasyon aşağıdakilere bağlıdır:

• Yükleme süresi

• Yükleme hızı

Ani bir şok veya darbe az deformasyona neden olurken, sürekli bir yükleme daha fazla

deformasyona neden olur

• Sıcaklık

Sünme: Sabit yük altında uzun süreli deformasyon – Asfalt betonunun sünmesi

– Portland çimentolu betonların sünmesi on yıllar alır.

İş & Enerji

İş (veya Enerji) = kuvvet x mesafe

• Sönümleme Modülü: akma dayanımına ulaşmak için gerekli enerji

• Tokluk: Kırmak için gerekli enerji

Gerilme Gerilme Gerilme

Rezilyans modülü

Tokluk

Kırılma

Yüksek dayanım

Yüksek tokluk

Kırılma ve Güvenlik

• Çok çeşitli kırılma yolları vardır –

 Kırılma veya çatlama

 yorulma (tekrarlı yükleme)

 akma

 burkulma

 Aşırı deformasyon

• Güvenlik için, yapılar beklenenden daha fazla yük taşıyacak şekilde tasarlanır.

Yorulma Limiti

Yorulma limiti

Uygulanan gerilme/dayanım

Kırılmaya neden olan tekrar sayısı

Güvenlik Faktörü

• GF maliyetle orantılıdır ve aşağıdakilere bağlı olarak seçilir:

– maliyet

– malzeme farklılıkları – Tüm yüklerde kesinlik

– Muhtemel yanlış kullanım

– Malzeme davranışını belirlemede kesinlik (iyi test?)

𝐺𝐹 = 𝜎_{𝑘ı𝑟ı𝑙𝑚𝑎}

𝜎𝑚ü𝑠𝑎𝑎𝑑𝑒 𝑒𝑑𝑖𝑙𝑒𝑛

> 1

1.3 Mekanik Olmayan Özellikler

Uygulanan yüke tepkinin dışında:

• Yoğunluk

• Isıl Genleşme

• Yüzey Özellikleri

• Aşınma & Yıpranma Direnci

• Yüzey Yapısı

Yoğunluk ve Birim Ağırlık

• yoğunluk =

r

• birim ağırlık =

g

• özgül ağırlık

w

G _ r r

1.4 Üretim ve Yapım

Üretim

 Bir malzemeyi istenen şekilde üretebilme yeteneğine ve zamana sahip olma

• Yapım

 Yapıyı şantiyede yapabilme (yetişmiş iş gücü)

• Yüksek erken dayanımlı betonlar trafiğe erken açılması istenen yollarda kullanılabilir.

1.5 Estetik Özellikler

• İnşaat mühendisi mimarlarla birlikte uyum içinde çalışmalıdır.

• Artistik ve teknik tasarım yöntemlerin birleşimi

toplum tarafından çok daha kabul edilen yapıların ortaya çıkmasına neden olur.

• Mühendisler teknik faktörlerin dışında birçok

faktörün de gözönünde bulundurulması gerektiğini anlamalıdır.

1.6 Sürdürülebilir Tasarım

• Fiziksel objelerin tasarımında sürdürülebilirlik, yapı ortamının ve hizmetlerinin ekonomik,

sosyal ve ekolojik sürdürülebilirlik prensipleriyle uyumlu olmasıdır.

• İnşaat mühendisliğinde kullanılan malzemeler projenin sürdürülebilirliği için önemlidir.

• ABD’de Yeşil Binalar Konseyi, Çevre ve

Enerji Dizaynında Liderlik (LEED) sertifikası ile projelerin sürdürülebilirliklerini

değerlendirmektedir.

Sürdürülebilir Tasarım (Devam)

 Yeni binalar ve büyük tadilatlarda değerlendirme kriterleri:

– Sürdürülebilir alanlar – Etkin su kullanımı

– Enerji ve atmosfer

– Malzemeler ve kaynaklar – Bina iç kalitesi

– Tasarımda yenilik – Bölgesel öncelikler

1.7 Malzemede Değişkenlikler

• Tüm malzemelerde farklılıklar gözükür

 Bazı malzemeler diğerlerinden daha üniformdur

• Çelik vs. beton vs. ahşap

• Kusur vs. büyük kusur

• Değişkenliğin üç kaynağı:

 Malzeme

 Numune alma

 Test

• Bu değişkenlikleri minimize etmek için numune alımı ve testler en iyi şekilde gerçekleştirilmelidir.