KARBON FİBER DESTEKLİ (CFRP) LAMİNE AĞAÇ MALZEMENİN BAZI FİZİKSEL VE MEKANİK ÖZELLİKLERİNİN BELİRLENMESİ

KARBON FİBER DESTEKLİ (CFRP) LAMİNE AĞAÇ MALZEMENİN BAZI FİZİKSEL VE

MEKANİK ÖZELLİKLERİNİN BELİRLENMESİ

2014

YÜKSEK LİSANS TEZİ

MOBİLYA VE DEKORASYON EĞİTİMİ

Çağlar ALTAY

KARBON FİBER DESTEKLİ (CFRP) LAMİNE AĞAÇ MALZEMENİN BAZI FİZİKSEL VE MEKANİK ÖZELLİKLERİNİN BELİRLENMESİ

Çağlar ALTAY

Karabük Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü

Mobilya ve Dekorasyon Eğitimi Anabilim Dalında Yüksek Lisans Tezi

Olarak Hazırlanmıştır

KARABÜK Ocak 2014

ii

Çağlar ALTAY tarafından hazırlanan “KARBONFİBER DESTEKLİ (CFRP)

LAMİNE AĞAÇ MALZEMENİN BAZI FİZİKSEL VE MEKANİK

ÖZELLİKLERİNİN BELİRLENMESİ” başlıklı bu tezin Yüksek Lisans Tezi olarak uygun olduğunu onaylarım.

Prof. Dr. Ayhan ÖZÇİFÇİ ..…….………...

Tez Danışmanı, Orman Endüstri Mühendisliği Anabilim Dalı

Bu çalışma, jürimiz tarafından oy birliği ile Mobilya ve Dekorasyon Eğitimi Anabilim Dalında Yüksek Lisans tezi olarak kabul edilmiştir. 06 /01 /2014

Ünvanı, Adı SOYADI (Kurumu) İmzası

Başkan : Prof. Dr. Ayhan ÖZÇİFÇİ (KBÜ) ...

Üye : Doç. Dr. Mehmet BUDAKÇI (DÜ) ...

Üye : Yrd. Doç. Dr. Günay ÖZBAY (KBÜ) ...

.../….../2014 KBÜ Fen Bilimleri Enstitüsü Yönetim Kurulu, bu tez ile, Yüksek Lisans derecesini onamıştır.

Prof. Dr. Mustafa BOZ ...

Fen Bilimleri Enstitüsü Müdürü

iii

“Bu tezdeki tüm bilgilerin akademik kurallara ve etik ilkelere uygun olarak elde edildiğini ve sunulduğunu; ayrıca bu kuralların ve ilkelerin gerektirdiği şekilde, bu çalışmadan kaynaklanmayan bütün atıfları yaptığımı beyan ederim.”

Çağlar ALTAY

iv ÖZET

Yüksek Lisans Tezi

KARBONFİBER DESTEKLİ (CFRP) LAMİNE AĞAÇ MALZEMENİN BAZI FİZİKSEL VE MEKANİK ÖZELLİKLERİNİN BELİRLENMESİ

Çağlar ALTAY

Karabük Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü

Mobilya ve Dekorasyon Eğitimi Anabilim Dalı

Tez Danışmanı:

Prof. Dr. Ayhan ÖZÇİFÇİ Ocak 2014, 62 sayfa

Bu çalışmada, ahşap yapı elemanlarının güçlendirilmesinde kullanılan karbon fiber takviye uygulamasının lamine elemanların fiziksel ve mekanik özelliklerine etkisinin belirlenmesi amaçlanmıştır. Doğu kayını (Fagus orientalis L.) odunundan hazırlanan örneklere çift bileşenli epoksi ve nem kürlenmeli poliüretan yapıştırıcıları kullanılarak lamine çalışması yapılmıştır. Lamine elemanların mukavemetini artırmak amacıyla karbon fiber (CFRP) uygulanmıştır. Deney örneklerine TS 2474 standardına göre, eğilme direnci ve eğilmede elastikiyet modülü, BS EN 204 ve BS EN 205 standartlarına göre, yapışma direnci, ASTM E-69 standardına göre, yanma direnci, TS 2477 standardına göre, dinamik eğilme (şok) direnci ve TS EN 317 standardına göre, boyutsal kararlılık testleri uygulanmıştır. Deney sonuçlarına göre, statik eğilme direnci en fazla katmanlar arası CFRP malzemeli ve Epoksi yapıştırıcısı kullanılan lamine örneklerde (132,80 N/mm²) tespit edilmiştir. Eğilmede elastikiyet

v

modülü en fazla katmanlar arası Epoksi ve etrafı CFRP kaplanarak elde edilen örneklerde (14004,83 N/mm²) belirlenmiştir.

Yapışma deneyi sonucunda, en fazla CFRP+Epoksi ile yapıştırılan örneklerde (22,77 N/mm²) bulunmuştur. Yanma deneyinde, en fazla ağırlık kaybı, poliüretan yapıştırıcılı örneklerde (%31,38) belirlenmiştir. Örneklerin yanmasında en yüksek sıcaklık CFRP+Epoksi yapıştırıcılı örneklerde (551,23 ^oC) elde edilmiştir. Dinamik eğilme (şok) direnci değerleri en fazla epoksi ile yapıştırılan etrafı CFRP kaplamalı örneklerde (0,62 kgm/cm²) tespit edilmiştir. Boyutsal kararlılık testlerinde, en fazla ağırlık artışı 96 saat su buharına maruz bırakılan poliüretan yapıştırıcılı örneklerde (% 48,81) belirlenmiştir..

Sonuç olarak, karbon fiber (CFRP) yapı malzemesi ve epoksi yapıştırıcısı, ahşap yapıların eğilme ve zorlanmaya maruz kalan köprü, merdiven, kolon, kiriş ve çatı gibi kısımlarında bölgesel güçlendirme amaçlı kullanılabilir.

Anahtar Kelimeler : Laminasyon, ahşap, karbon fiber (CFRP), yapıştırıcılar, fiziksel ve mekaniksel özellikler

Bilim Kodu : 711.3.023

vi ABSTRACT

M. Sc. Thesis

DETERMINATION OF SOME PHYSICAL AND MECHANICAL PROPERTIES OF LAMINATED WOOD MATERIAL

REINFORCED WITH CARBON FIBER (CFRP)

Çağlar ALTAY

Karabük University

Graduate School of Natural and Applied Sciences Department of Furniture and Decoration Education

Thesis Advisor:

Prof. Dr. Ayhan ÖZÇİFÇİ January 2014, 62 pages

In this study, it was aimed to determine the effect of physical and mechanical properties of structural laminated wood reinforced with carbon fiber. Samples prepared from oriental beech (Fagus orientalis L.) were laminated using moisture curing polyurethane and two component epoxy adhesives. Carbon fiber (CFRP) structural material applied to laminated samples in order to increase their strength.

Bending strength and elasticity modulus in bending (TS 2474), bonding strength (BS EN 204 and BS EN 205), combustion resistance (ASTM E-69), dynamic bending (shock) strength (TS 2477) and dimensional stability (TS EN 317) properties of the samples were determineted. According to results of the experiments; the highest static bending strength (132.80 N/mm²) was obtained in laminated samples used CFRP building material between layers and epoxy adhesive. The highest elasticity

vii

modulus in bending value (14004.83 N/mm²) was obtained in laminated samples epoxy between layers and covered with CFRP. As a result of bonding strength tests, the highest value (22.77 N/mm²) was found in laminated samples bonded with epoxy and reinforced CFRP. In combustion test, the highest weight loss (31.38%) was determined in laminated samples with polyurethane adhesive. Also, the highest temperature (551.23 ^oC) was obtained in laminated samples bonded with epoxy adhesive and CFRP in combustion of samples. The highest dynamic bending (shock) strength value (0.62 kgm/cm²) was determined in laminated samples covared with CFRP and bonded with epoxy. In the dimensional stability tests, the highest increase in weight (48.81%) was obtained in laminated samples after 96 hours bonded with polyurethane adhesive.

Consequently, CFRP building material and epoxy adhesive can be used in sections which are exposed to bending and stress such as bridge, stair, column, beam and roofs for local reinforcement.

Keywords : Lamination, wood, carbonfiber (CFRP), adhesives, physical and mechanical properties

Bilim Kodu : 711.3.023

viii TEŞEKKÜR

Tez çalışmam olan ''Karbon fiber destekli (CFRP) lamine ağaç malzemenin bazı fiziksel ve mekanik özelliklerinin belirlenmesi'' adlı tezimin belirlenmesinde ve bu tezle ilgili çalışmalarımda bana desteğini ve yardımını esirgemeyen, bilgi ve deneyimlerinden yararlandığım Sayın Prof. Dr. Ayhan ÖZÇİFÇİ' ye şükranlarımı arz ederim.

Bu çalışmalar sırasında bana yardımcı olan Sayın Doç. Dr. Şeref KURT, Sayın Yrd.

Doç. Dr. Cemal ÖZCAN, Sayın Arş. Gör. Erkan LİKOS, Sayın Yrd. Doç. Dr. Raşit ESEN, Sayın Doç. Dr. Fatih YAPICI, Sayın Yrd. Doç. Dr. Suat ALTUN, Sayın Yrd.

Doç. Dr. Günay ÖZBAY ve Sayın Doç. Dr. Hamiyet ŞAHİN KOL hocalarıma minnetlerimi arz ederim.

Ayrıca tez çalışmam sırasında yardımlarını benden hiç esirgemeyen arkadaşlarım İzham KILINÇ, Mustafa KORKMAZ ve Mustafa DURAK' a çok teşekkür ederim.

ix

İÇİNDEKİLER

Sayfa

KABUL ... ii

ÖZET ... iv

ABSTRACT ... vi

TEŞEKKÜR ... viii

İÇİNDEKİLER ... ix

ŞEKİLLER DİZİNİ ...xii

ÇİZELGELER DİZİNİ ... xiii

SİMGELER VE KISALTMALAR DİZİNİ ... .xv

BÖLÜM 1. ... 1

GİRİŞ ... 1

BÖLÜM 2. ... 3

GENEL BİLGİLER ... 3

2.1. LİTERATÜR ÖZETLERİ ... 5

BÖLÜM 3. ... 9

KARBON FİBER ELYAF TAKVİYELİ POLİMERLER (CFRP) ... 9

3.1. KARBON FİBER ELYAFI ... 9

3.2. CFRP ÜRETİM YÖNTEMLERİ ... 10

3.2.1. El Yatırma Yöntemi ... 10

3.2.2. Püskürtme Yöntemi ... 11

3.2.3. Hazır Kalıplama Yöntemi ... 11

3.2.4. Reçine Transfer Kalıplama Yöntemi ... 11

3.2.5. Profil Çekme Yöntemi ... 12

3.2.6. Elyaf Sarma Yöntemi ... 12

x

Sayfa

3.2.7. Tabakalı Birleştirme Yöntemi ... 13

3.3. AHŞAP MALZEMENİN KARBON FİBER (CFRP) İLE LAMİNASYON İLİŞKİSİ ... 14

BÖLÜM 4. ... 16

MATERYAL VE METOD ... 16

4.1. MATERYAL ... 16

4.1.1. Ahşap Malzeme ... 16

4.1.2. Yapıştırıcılar ... 16

4.1.3. Karbon Fiber (CFRP) Yapı Malzemesi ... 17

4.2. DENEY ÖRNEKLERİNİN HAZIRLANMASI ... 17

4.3. DENEY METODU ... 21

4.3.1. Hava Kurusu Yoğunluklar ... 21

4.3.2. Statik Eğilme Direnci ve Eğilmede Elastikiyet Modülü Deneyi... 21

4.3.3. Yapışma Direnci Deneyi ... 24

4.3.4. Yanma Direnci Deneyi ... 25

4.3.5. Dinamik Eğilme (Şok) Direnci Deneyi ... 26

4.3.6. Boyutsal Kararlılık Testleri ... 28

4.4. VERİLERİN İSTATİSTİKSEL OLARAK DEĞERLENDİRİLMESİ ... 30

BÖLÜM 5. ... 31

BULGULAR VE TARTIŞMALAR ... 31

5.1. HAVA KURUSU YOĞUNLUKLAR.. ... 31

5.2. STATİK EĞİLME DİRENCİ DENEYİNE AİT BULGULAR ... 31

5.3. EĞİLME DİRENCİNDE ELASTİKİYET MODÜLÜNE İLİŞKİN BULGULAR ... 34

5.4. YAPIŞMA DİRENCİ DENEYİNE İLİŞKİN BULGULAR ... 35

5.5. YANMA DİRENCİ DENEYİNE İLİŞKİN BULGULAR ... 38

5.5.1. Ağırlık Kaybı Değerleri (g) ... 38

5.5.2. Sıcaklık Değerleri (°C) ... 39

xi

Sayfa

5.5.3. Oksijen (O2) Değerleri (%) ... 41

5.5.4. Karbon monoksit (CO) Değerleri (ppm) ... 44

5.5.5. Azot oksit (NOx) Değerleri (ppm) ... 46

5.6. DİNAMİK EĞİLME (ŞOK) DİRENCİ DENEYİNE İLİŞKİN BULGULAR ... 48

5.7. BOYUTSAL KARARLILIK TESTLERİ ... 50

BÖLÜM 6. ... 54

SONUÇLAR VE ÖNERİLER ... 54

KAYNAKLAR ... 57

ÖZGEÇMİŞ... 62

xii

ŞEKİLLER DİZİNİ

Sayfa

Şekil 2.1. Lamine ahşabın tarihsel gelişimi ... 4

Şekil 2.2. Ahşap taşıyıcı sistemlerin CFRP’ler ile güçlendirilmesi... 5

Şekil 3.1. El yatırma düzeneği ... 10

Şekil 3.2. Hazır kalıplama düzeneği ... 11

Şekil 3.3. Reçine transfer kalıplama düzeneği ... 12

Şekil 3.4. Profil çekme düzeneği ... 12

Şekil 3.5. Elyaf sarma düzeneği ... 13

Şekil 3.6. Kar kayaklarının kompozit malzeme ile üretilme aşaması. ... 13

Şekil 3.7. Tabakalı birleştirme şeması ... 14

Şekil 3.8. Eğilme deneyine tabi tutulan FRP’lerle güçlendirilmiş deney numuneleri ... 15

Şekil 3.9. Çekme deneyine tabi tutulan FRP’lerle güçlendirilmiş deney numuneleri ... 15

Şekil 4.1. Epoksi etrafı CFRP kaplamalı örnek türü... 19

Şekil 4.2. Poliüretan etrafı CFRP kaplamalı örnek türü ... 19

Şekil 4.3. CFRP+Epoksi yapıştırıcılı örnek türü ... 20

Şekil 4.4. Epoksi yapıştırıcılı örnek türü ... 20

Şekil 4.5. Poliüretan yapıştırıcılı örnek türü... 20

Şekil 4.6. Statik eğilme ve eğilmede elastikiyet modülü deney cihazı ... 23

Şekil 4.7. Statik eğilme ve eğilmede elastikiyet modülü deney düzeneği ... 23

Şekil 4.8. Yapışma direnci deney cihazı ... 24

Şekil 4.9. Yapışma direnci deney örneği ... 25

Şekil 4.10. Yanma direnci deney düzeneği ... 25

Şekil 4.11. Yanma direnci deney örneği ... 26

Şekil 4.12. Dinamik eğilme (şok) direnci deney cihazı ... 27

Şekil 4.13. Dinamik eğilme (şok) direnci deney düzeneği ... 28

Şekil 4.14. Boyutsal kararlılık testi deney kazanı ... 29

Şekil 4.15. Boyutsal kararlılık testi deney örneği ... 29

xiii

ÇİZELGELER DİZİNİ

Sayfa Çizelge 3.1. Karbon fiber (CFRP) malzemesinin bazı mekanik özellikleri... 9 Çizelge 4.1. Deney türlerine ait lamine örneklerin adetleri ... 18 Çizelge 5.1. Hava kurusu yoğunluklara ait ortalama değerler ... 31 Çizelge 5.2. Eğilme direnci deneyine ait aritmetik ortalama değerleri (N/mm²) .... 32 Çizelge 5.3. Eğilme direnci deneyine ait varyans analizi sonuçları ... 32 Çizelge 5.4. Eğilme direnci deneyine ait Duncan testi sonuçları ... 33 Çizelge 5.5. Eğilme direncinde elastikiyet modülüne ait

aritmetik ortalama değerleri (N/mm²) ... 34 Çizelge 5.6. Eğilme direncinde elastikiyet modülüne ait varyans analizi sonuçları 34 Çizelge 5.7. Eğilme direncinde elastikiyet modülüne ait

Duncan testi sonuçları (N/mm²) ... 35 Çizelge 5.8. Yapışma direnci deneyine ait aritmetik ortalama değerleri (N/mm²) .. 36 Çizelge 5.9. Yapışma direnci deneyine ait varyans analizi sonuçları... 36 Çizelge 5.10. Yapışma direnci deneyine ait Duncan testi sonuçları (N/mm²) ... 37 Çizelge 5.11. Yanma direnci deneyine ait ortalama ağırlık kaybı değerleri (g) ... 38 Çizelge 5.12. Yanma direnci deneyine ait ağırlık kaybı değerlerinin varyans

analizi sonuçları ... 38 Çizelge 5.13. Yanma direnci deneyine ait ortalama ağırlık kaybı değerlerine

ilişkin Duncan testi sonuçları. (g) ... 39 Çizelge 5.14. Yanma direnci deneyine ait ortalama sıcaklık değerleri (°C) ... 40 Çizelge 5.15. Yanma direnci deneyine ait sıcaklık değerlerinin varyans

analizi sonuçları ... 40 Çizelge 5.16. Yanma direnci deneyine ait ortalama sıcaklık değerlerine

ilişkin Duncan testi sonuçları (°C)... 41 Çizelge 5.17. Yanma direnci deneyine ait ortalama O2 değerleri ... 42 Çizelge 5.18. Yanma direnci deneyine ait ortalama O₂ değerlerinin varyans

analizi sonuçları ... 42 Çizelge 5.19. Yanma direnci deneyine ait ortalama O2 değerlerine

ilişkin Duncan testi sonuçları... 43 Çizelge 5.20. Yanma direnci deneyine ait ortalama CO değerleri (ppm) ... 44

xiv

Sayfa Çizelge 5.21. Yanma direnci deneyine ait ortalama CO değerlerinin varyans

analizi sonuçları ... 44 Çizelge 5.22. Yanma direnci deneyine ait ortalama CO değerlerine

ilişkin Duncan testi sonuçları (ppm) ... 45 Çizelge 5.23. Yanma direnci deneyine ait ortalama NOx değerleri (ppm) ... 46 Çizelge 5.24. Yanma direnci deneyine ait NOx ortalama değerlerinin

varyans analizi sonuçları ... 46 Çizelge 5.25. Yanma direnci deneyine ait ortalama NOx değerlerine

ilişkin Duncan testi sonuçları. (ppm).. .. ... 47 Çizelge 5.26. Dinamik eğilme (şok) direnci deneyine ait

aritmetik ortalama değerleri (kgm/cm²)... 48 Çizelge 5.27. Dinamik eğilme (şok) direnci deneyine ait

varyans analizi sonuçları... 48 Çizelge 5.28. Dinamik eğilme (şok) direnci deneyine ait

Duncan testi sonuçları (kgm/cm²).. ... 49 Çizelge 5.29. Ağırlık, kalınlık ve genişlik artışına ilişkin % değişim oranları. ... 50 Çizelge 5.30. Lamine örnek türlerinin ve su buharına maruz kalma süresinin ağırlık değişimi etkisine ait varyans analizi sonuçları...52 Çizelge 5.31. Lamine örnek türlerinin ve su buharına maruz kalma süresinin kalınlık değişimi etkisine ait varyans analizi sonuçları...52 Çizelge 5.32. Lamine örnek türlerinin ve su buharına maruz kalma süresinin genişlik değişimi etkisine ait varyans analizi sonuçları...53

xv

SİMGELER VE KISALTMALAR DİZİNİ

SİMGELER

CO : Karbon monoksit NO_x : Azot oksit

D₀ : Tam kuru yoğunluğu D_l2 : Hava kurusu yoğunluğu

KISALTMALAR

CFRP : Karbon Fiber Takviyeli Polimerler FRP : Fiber Takviyeli Polimerler

PU : Poliüretan TS : Türk Standardı Mpa : Mega paskal BS EN : British Standards TS EN : Türk Standardı

ASTM : American Society for Testing and Materials

1 BÖLÜM 1

GİRİŞ

Ağaç malzeme diğer maddelere oranla ses ve ısı yalıtımı konusunda üstün özelliklere sahip olmakla birlikte; vida tutma, çivi tutma gibi özelliklere de sahiptir. Bununla birlikte ağaç malzemenin doğal olması en üstün özelliklerinden biridir.

Ağaç malzemenin pek çok olumlu özelliklerinin yanında olumsuz özellikleri de mevcuttur. Bunlar; doğal bir yapıya sahip olmasından dolayı mantar ve böcekler tarafından tahrip edilmesi, higroskopik özelliğinden dolayı atmosferdeki rutubet ve sıcaklığa bağlı olarak boyutlarını değiştirmesi ve yanabilen bir malzeme olmasıdır.

Bundan dolayı, ağaç malzemenin doğal haldeki sağlamlığı; başka bir ifadeyle, kullanım alanında ki farklı çevresel etkenlere karşı gösterdiği doğal mukavemet süresi yeterli miktarda uzun olamamaktadır. Bunda, ağaç malzemeyi tahrip edecek özelliğini bozan çeşitli biotik (bitkisel, hayvansal) ve abiotik (fiziksel, kimyasal, mekanik) zararların oldukça fazla bir etkisi vardır (Usta, 1993; Uysal, 2005).

Bununla birlikte, ahşap lamine yöntemlerle ağaç malzemenin direnç özellikleri bir miktar artırılmıştır.

Ahşap lamine malzemeler iki veya daha fazla katmanın tutkalla yapıştırılması ve katmanların lif yönleri birbirine paralel ya da dik gelecek şekilde birleştirilmesi ile elde edilir. Lif yönlerinin paralel gelecek şekilde hazırlanması fazla yaygın olarak kullanılmaktadır. Eğer, meydana getirilen ahşap lamine eleman kavisli ise katların lif yönlerinin paralel olarak tatbik edilme mecburiyeti vardır. Laminasyonda değişik ağaç türü, değişken kat sayısı, farklı boyut, şekil ve kat kalınlıkları uygulanabilmektedir (Kurtoğlu vd., 1979).

Laminasyon tekniği ağaç malzemenin kusurlarından arındırılarak kullanılmasına imkan sağlamakta ve üretilen malzemenin kalite özellikleri masif ağaç malzemede

2

daha iyi olmaktadır. Dayanıklı modüllerden elde edilen lamine ağaç malzeme kusursuz olmasıyla birlikte lamine katlarda değişik kalınlık ve renkte ağaç malzemelerden meydana getirildiğinden dolayı estetik yönü de fazladır (Keskin ve Togay, 2004).

Ağaç malzeme yerine alternatif olarak laminasyon tekniği uygulanırsa, ayrıca laminede kullanılan papel kaplamalar emprenye edilirse kullanım ömrü artacaktır.

(Özçifçi, 2001). Ahşap laminasyon tekniği ağaç malzemenin dış etkenlere karşı daha dayanıklı olmasını sağlamaktadır. Günümüzde karbon fiber takviyeli laminasyon işlemleri inşaat sektöründen mobilya sektörüne kadar geniş bir alanda kullanılmaktadır.

Karbon lifleri inşaat sektöründe daha çok kolon mantolama ve perde yöntemlerinde kullanılmaktadır. Dünya çapında ise bunlara ek olarak daha çeşitli yöntemler de kullanılmaktadır. FRP (Fiber takviyeli polimerler) isimli kompozitler ile kuvvetlendirme ülkemizde de yaygın olarak kullanılmaktadır. Genelde karbon fiber (karbon lifi) adıyla bilinen bu materyaller hafif, yüksek mukavemetli, liflerin dizilim yönleri değiştirilerek dayanıklılığı ayarlanabilen, ince, uygulaması hızlı ve pratik, korozyona dayanıklı, uzun ömürlü yeni nesil maddelerdir. Cam lifi de betonarme yapılarda tahribata uğramış kısımlarının güçlendirilmesi, taşıyıcı yapı elemanlarının taşıma gücü kapasitelerinin arttırılması, yüksek hidrostatik basınca dayanıklı alt yapı borularının üretimi gibi çok fazla alanda kullanılmaktadır. Cam lifi yapılarda aynı zamanda yangına karşı önemli mukavemet sağlamaktadır. Cam lifinde korozyon olayı söz konusu olmamaktadır (Güler ve Subaşı, 2012).

Bu çalışmada, ahşap yapı elemanlarının güçlendirilmesinde kullanılan karbon fiber (CFRP) takviye uygulamasının lamine elemanların fiziksel ve mekaniksel özelliklerine etkisinin belirlenmesi amaçlanmıştır.

3 BÖLÜM 2

GENEL BİLGİLER

Günümüzde ağaç malzemeye uygulanan laminasyon tekniğiyle; ağaç malzemenin fiziksel dayanımı artırmakta ve mevcut olandan çok daha uzun tek parça ahşap elde edilebilmektedir. Bu teknikte ağaç malzemenin katmanlar arasına veya çevresine çeşitli emprenye maddeleri, özel yapıştırıcılar ve karbon fiber (CFRP) gibi malzemeler eklenerek fiziksel dayanımları artırılmaktadır.

Okcu’ya (1979) göre lamine malzeme, istenilen biçim ve boyutta tek parça olarak üretilmesi, estetik ve bakım kolaylığı, montaj zamanının kısalığından dolayı yapı endüstrisinde (kültürel, spor ve eğlence tesisleri, fabrika, konut, ibadet yerleri, konferans salonları) ve oturma mobilyalarının ahşap kısımlarında kullanım olanağına sahiptir.

Laminasyon işlemleriyle, ağaç malzemenin rasyonel kullanımı çerçevesinde, hammaddeden tasarruf, kusurların giderilmesi ve yüksek kaliteli malzemeye ulaşma, odunun çalışmasının azaltılması, çok kısa boylu parçaların değerlendirilmesi ve arzu edilen boyutlara ulaşma olanağı gibi avantajlar sağlanabilmektedir (Dilik, 1997).

Lamine ahşap tiplerine örnek Şekil 2.1'de verilmiştir.

4

Şekil 2.1. Lamine ahşabın tarihsel gelişimi (Tokyay, 1998).

Fiber takviyeli polimerler, hafiflik korozyona uğramama ve esneklik gibi avantajlarının yanında ahşap görünümünü yitirmeden uygulanabilmeleri, söz konusu sorunun çözümünde FRP' lerin tercih edilmesinin gerekli olduğunu bildiren bilimsel bir gerçektir (Şahin, 2000).

Karbon fiber takviyeli polimerler laminasyonda uygulandığı yüksek bir dayanım elde edilebilir. Bu özelliği ile özellikle zarar görmüş kolonlarda, kirişlerde ve ahşap yapılarda uygulanarak yüksek dayanım gücü sağlamaktadır. Bununla birlikte, karbon fiber takviyeli polimerlerde yapıştırıcı olarak kullanılan çift bileşenli epoksi macunun maliyeti diğer yapıştırıcılara göre daha hesaplıdır ve daha kolay uygulanmaktadır.

Kolay eğilen lamine ağaç malzeme karbon lifle (yüksek dirence sahip suni lif) kuvvetlendirilse büyük oranda eğilme direnci artırılabileceği belirtilmektedir. İki tabakanın ayrılması hasarı (delamination) söz konusu olmayacağı belirtilmektedir (Brunner and Schnueriger, 2005).

Ayrıca karbon fiber takviyeli polimerler günümüzde tarihi bakımdan değeri olan ahşap konutlarda restorasyon çalışması olarak kolon ve kirişlerin zarar görmüş bölümlerine uygulanmakta ve bu konutların uzun süre dış etkilere karşı direncini artırmaya yardımcı olmaktadır (Şekil 2.2.).

5

Şekil 2.2. Ahşap taşıyıcı sistemlerin CFRP’ler ile güçlendirilmesi (Steiger, 2003).

2.1. LİTERATÜR ÖZETLERİ

Son zamanlarda çelik ve betonarme yapıların kuvvetlendirilmesinde olduğu gibi ahşap yapılarda da fiber takviyeli plastiklerle (FRP) uygulamaların sayısının oldukça fazla olduğu tespit edilmiştir. Ahşap yapı tasarımında eleman büyüklüğü uygun birleştirme detaylarına bağlıdır. Yapılan çalışmalarda, tasarlanan ahşap yapıların birleştirme kısımlarının yüksek performans göstermesi, çekme yüklerine karşı mukavemetini arttırmak bunun ise bu kısımların elyaf takviyeli plastikler kullanılarak güçlendirilmesiyle mümkün olduğu belirlenmiştir (Akgül, 2007).

Steiger (2003), ahşap yapılarda yüksek performanslı karbon fiber takviyeli polimerlerin epoksi ile ahşaba yapıştırılması ve kullanılan epoksinin çekme mukavemetine etkisi üzerine çalışmalar yapmıştır. Optimum sıcaklıkta en iyi güçlendirme özelliklerini tespit etmiştir. Yapılan deneysel çalışmalar sonucunda karbon fiber takviyeli polimerler ile epoksi reçinesinin ahşaba yapışma sıcaklılığının optimum değerlerinin tutkal üreticilerinin verdiği değerler ile uyumlu olduğunu bildirmiştir.

6

Borri et al. (2005), karbon fiber takviyeli polimerler ile güçlendirilmiş ahşap yapı sistemlerinin yükler altındaki davranışları üzerine yaptıkları araştırmada mevcut ahşap yapı sistemlerinin lineer olmayan modelleriyle tahmin edilen yük miktarının karşılaştırmasını yapmışlardır. Sonuç olarak karbon fiber takviyeli güçlendirmeden olumlu sonuçlar almışlardır.

Premrov et al. (2003), yaptıkları çalışmada; karbon fiber takviyeli polimerler ile güçlendirilmiş ahşap yapı elemanlarının CFRP ile güçlendirilmesi ile %50 oranında daha yüksek bir dayanım elde etmişlerdir.

Roberto et al. (2004), tamamen zarar görmüş ahşap kolonların fiber takviyeli kompozit levhalarla güçlendirilmiş elemanların yapısal olarak sınıflandırılması ile ilgili bir çalışma yapmışlardır. Yapılan eğilme testleri sonucu elde edilen verilerde, fiber takviyeli kompozit levhalarda %60 oranında bir iyileşme olduğu tespit etmişlerdir.

Yeou-Fong (2009), yaptığı çalışmada CFRP ile güçlendirilmiş kirişlerin eğilme performanslarını teorik analiz ile %5,05 hata paylı olarak hesaplamıştır. Deneysel çalışmalarda CFRP ile güçlendirilmiş kirişlerin eğilme dayanımları %44 artarken, teorik analiz ile %39 artacağı öngörülmüştür.

Dempsey and Scott (2006), ahşap köprü yapı elemanlarının güçlendirilmesinde FRP şerit kullanarak eğilme dayanımlarını araştırmışlar ve ağaç malzemenin nem oranının büyük ölçüde ahşap yapı elemanlarının süneklik oranını etkilediğini ortaya koymuşlardır.

Radford et al. (2001), ahşap köprü kirişlerinin eğilme ve kesmeye karşı cam takviyeli kompozitlerle güçlendirilmesi üzerine çalışmışlardır. Oluşturulan güçlendirilmiş tabakalı kirişlerde, kullanılan cam elyaf tabakanın eğilme dayanımına etkisi incelenmiş sonuç olarak kirişlerde %25' lik bir dayanım elde edilmiştir.

Fiorelli and Dias (2006), 6-7 ve 9 tabakadan oluşmuş ve Pinus caribaea var.

hondurensis odunu kullanılmış glulamda 0,25 ile 0,90 cm kalınlığında güçlendirilmiş

7

cam yünü (fiberglas-reinforced) ile üretilmiş kompozit malzemenin bazı mekanik özelliklerini incelemişlerdir. Sonuçta cam yünü ile güçlendirilmiş kompozit malzemede eğilme ve esneklik direncinin arttığını belirtmişlerdir.

Luggin and Bergmeister (1998), karbon fiber tabakası ile güçlendirilmiş ve ağaç malzemenin lifler yönünde yapıştırılması ile elde edilmiş ve yapıştırıcı olarak epoksi tutkalı kullanılmış glulamın makaslama direnci özelliklerini incelemişlerdir ve sonuç olarak elde edilen malzemede %32 oranında bir iyileşme tespit etmişlerdir.

Ogawa (1999), mimari yapı tasarımında karbon elyaflarla ahşapların güçlendirilmesi üzerinde yaptığı çalışmada kirişler üst, orta ve alt bölgelerine karbon levhalar yapıştırmak veya tüm kirişi belirli aralıklarla karbon elyaf kumaşla sararak güçlendirilmiş ve eğilme deneyine tabi tutmuştur. Ayrıca aynı deney numuneleri 800

°C’lik alev altında tutularak güçlendirilmiş numunelerin sıcaklık altına yapısal ve statik açıdan davranışları gözlenmiş ve farklı tiplerde hazırlanan deney numuneleri arasında en yüksek dayanımı veren numunelerde gerek eğilme gerek yangına karşı dayanım açısından %300’lük performans artışı belirlenmiştir.

Peter and Tim (1998), ahşapların yüksek performanslı birleştirme sistemleri üzerinde çalışmışlardır. Farklı boy birleştirme bölgelerinin cam elyaflarla sarılarak hazırlanan numuneler çekme deneyine tabi tutulmuştur. Güçlendirilen bu numunelerde gerilme ve birim deformasyonlarda oldukça yüksek performans gözlenmiştir.

Chi-Jen (1999), fiber takviyeli ahşap birleşimlerinin mekanik davranışı isimli makalesinde cam fiberlerle güçlendirilmiş kavelalı ahşap birleştirmelerin mekanik performansları nümerik analizler ve mikroskop altında yapılan deneysel çalışmalar sonucu incelenmiştir. Yapılan deneysel çalışmalarda güçlendirme yüzeyleri mikroskop altında gözlenmiş ve birleşim bölgelerinde oluşan stres yoğunluklarında ciddi bir iyileşme olduğu gözlemlemiştir.

Guan et al. (2005), CFRP ile güçlendirilmiş ahşap kirişlerin eğilme dayanımı üzerinde yaptıkları çalışmada tabaklı ahşap malzemeden oluşan kirişlerin alt bölgelerine farklı kalınlıkta cam elyaf levhalar yapıştırılarak eğilme deneyine tabi

8

tutulmuştur. Aynı tasarımlar nümerik modellemelerle yapılıp deneysel çalışmalarda elde edilen bulgularla karşılaştırılmıştır. Yapılan bu güçlendirmelerle kullanılan elyaf kalınlığına bağlı olarak geçilebilecek açıklıklar tespit edilmiştir.

9 BÖLÜM 3

KARBON FİBER ELYAF TAKVİYELİ POLİMERLER (CFRP)

3.1. KARBON FİBER ELYAFI

Karbon fiber (CFRP) ipliksi bir maddedir. Ana bileşimleri orlon, katran ve naylondur. Lif takviyeli malzemelerde kullanılan karbon lifleri düşük yoğunluktaki hafif reçineleri takviye etmede kullanılır. Genellikle epoksi reçineleri matris malzeme olarak kullanılmakla beraber, bazende polyester reçineleri kullanılmaktadır.

Karbon liflerinin takviye elemanı olarak kullanılması grafit kristalinin karakteristik sonucudur. Karbon grafit kristali altıgen hegzagonal katlı bir yapıda olup, her köşedeki karbon atomları birbirlerine kovalent, katlar ise Vander Waals bağlarıyla bağlanmıştır. Bu şekilde bir düzenleme yüksek elastikiyet modülüne sahip karbon lifi üretmek için gereklidir (Kılıç, 2006). Çizelge 3.1'de karbon fiber (CFRP) yapı malzemesinin bazı mekanik özellikleri verilmiştir.

Çizelge 3.1. Karbon fiber (CFRP) malzemesinin bazı mekanik özellikleri (Özdemir, 2005).

Özellikler Miktar Birimi

Birim Ağırlık 0,30 kg/mm²

Etkili Kalınlık 0,17 Mm

Çekme Dayanımı 3,43 Mpa

Elastikiyet Modülü 230,05 Mpa

Gerilme Dayanımı 0,02 mm/mm

10 3.2. CFRP ÜRETİM YÖNTEMLERİ

Termoset matrisli kompozitlerin birçok üretim yöntemleri vardır. Bu üretim yöntemlerinden bazıları aşağıda açıklanmıştır. Termoset matrisli kompozit malzemesinin üretiminde matris malzemesi genellikle epoksi, doymamış polyester ve vinil ester kullanılır (Kılıç, 2006). Bu çalışmada kullanılan karbon fiber yapı malzemesi aşağıda verilen yöntemlerden elyaf sarma sistemi ile üretilmiştir.

3.2.1. El Yatırma Yöntemi

Kompoziti hazırlamak için kalıp gereklidir. Kalıbın iç yüzeyi silindikten sonra birinci ayırıcı olarak vaks ile temizlenir. Daha sonra ikinci ayırıcı PVA sürülür. Fırça ile viskozitesi yüksek reçine (jelkot) sürüldükten sonra fiberler kesilerek hazırlanır.

Jelkot üzerine reçine sürülür ve keçe veya dokuma şeklindeki takviye elemanı yerleştirilir. Fırça darbeleriyle reçine iyice emdirilir. Rulo kullanılarak hava kabarcıklarının kalmaması sağlanır. İstenilen kalınlık sağlanana kadar bu işleme devam edilir. Bu yöntemde en çok polyester ve epoksi reçine kullanılır. Sertleşme beklendikten sonra ürün kalıptan çıkarılır. Bu yöntem yoğun işçilik gerektiren bir yöntemdir ve az sayıda parça üretimi için uygundur. Şekil 3.1’de el yatırma yöntemi ve bu üretim yöntemine örnek bir kayık gösterilmiştir (Kılıç, 2006).

Şekil 3.1. El yatırma düzeneği (Tsai, et al., 2003).

11 3.2.2. Püskürtme Yöntemi

Püskürtme yöntemi elle yatırma yönteminin aletli şekli olarak kabul edilebilir. El yatırma yöntemine benzer açık kalıplama düşük ve orta hacimdeki tekneler ve kayıklar, tanklar, duş ünitesi ve daha büyük karmaşık şekilli ise bu teknik el yatırma tekniğinden daha iyidir. Bu tekniğin avantajı, basit, maliyeti düşük olması, taşınabilir aygıt ve parça boyutu sınırlamasının olmamasıdır (Şahin, 2000).

3.2.3. Hazır Kalıplama Yöntemi

Diğer yöntemlere göre daha hızlıdır. Çocuk oyuncaklarından uçak parçalarına kadar bir çok ürün bu yöntemle üretilebilmektedir. Şekil 3.2’de hazır kalıplama şeması görülmektedir (Kılıç, 2006).

Şekil 3.2. Hazır kalıplama düzeneği (Tsai, et al., 2003).

3.2.4. Reçine Transfer Kalıplama Yöntemi

Bu yöntemle karmaşık parçalar üretilebilir. Formula 1 (F1) arabalarında bazı parçalar bu yöntemle hazırlanmaktadır. Şekil 3.3’de reçine transfer kalıplama düzeneği ve bu yöntemle üretilebilecek parça görülmektedir (Yıldızhan, 2008).

12

Şekil 3.3. Reçine transfer kalıplama düzeneği (Tsai, et al., 2003).

3.2.5. Profil Çekme Yöntemi

Profil çekme yöntemi Şekil 3.4'de şematik olarak verilmiştir. Bu yöntemde reçine malzemesi olarak genellikle polyester, vinil ester ve epoksi kullanılır. Takviye malzemesi olarakta sürekli fiber malzemesi kullanılır (Kılıç, 2006).

Şekil 3.4. Profil çekme düzeneği (Tsai, et al., 2003).

3.2.6. Elyaf Sarma Yöntemi

Bu yöntemle yapılan ürünler, füze boruları, petrol nakli için borular, yat direkleri, uçak, su tankları, spor aletleri vb. ürünlerdir. Şekil 3.5’de elyaf sarma şeması ve Şekil 3.6’da bu yöntemle elde edilen spor malzemesi görülmektedir (Yıldızhan, 2008).

13

Şekil 3.5. Elyaf sarma düzeneği (Tsai, et al., 2003).

Şekil 3.6. Kar kayaklarının kompozit malzeme ile üretilme aşaması.

3.2.7. Tabakalı Birleştirme Yöntemi

Açık yapılar şekillenmiş kalıp yüzeyi ile ısıtılmış zımba arasında sıcak presleme usulü ile uygun şekilde üretilir. Ön gömülmüş elyaf (prepreg)’lerin reçine ile doyurulması ile preslenir veya sarılarak üretilir. Üretim şeması Şekil 3.7’de verilmiştir (Kılıç, 2006).

14

Şekil 3.7. Tabakalı birleştirme şeması (Tsai, et al., 2003).

3.3. AHŞAP MALZEMENİN KARBON FİBER (CFRP) İLE LAMİNASYON İLİŞKİSİ

Lamine ahşap malzeme TS EN 386 (1999)’da odun lamellerinin özellikle liflerin paralel olarak yapıştırılması ile elde edilen yapı elemanı olarak tanımlanmaktadır.

Laminasyonda daha büyük boyutlu ahşap elemanlar kullanıldığında bunlar glulam olarak adlandırılır. Glulam, masif kerestelerin büyük boyut oluşturmak için uç uca, yan yana ve üst üste eklenmesiyle üretilen bir yapı elemanıdır. Kavisli elemanlarda 2,54 cm kalınlıkta keresteler kullanılırken az kavisli yada düz elemanlar için 5 cm kalınlıkta keresteler kullanılmaktadır. Bu tip yapı elemanlarının lif yönüne paralel düzenlenmesi zorunludur (Guller, 2001). Bununla birlikte ağaç malzemede karbon fiber yapı malzemesi lamine katmanların ve köşe birleştirmelerin arasına ve etrafına olmak üzere çeşitli yöntemlerle uygulanabilir. Karbon fiberin ahşap malzemede mukavemetini ölçmek için çeşitli deneyler yapılmaktadır.

Şekil 3.8 ve Şekil 3.9’da fiber takviyeli plastikler ahşap katmanların ve köşe birleştirmelerinin arasına eklenerek yapılan FRP’lerle güçlendirme yöntemleri ile ahşap laminasyonda olumlu sonuçlar alınmıştır (Akgül, 2007).

15

Şekil 3.8. Eğilme deneyine tabi tutulan FRP’lerle güçlendirilmiş deney numuneleri

(Akgül, 2007).

Şekil 3.9. Çekme deneyine tabi tutulan FRP’lerle güçlendirilmiş deney numuneleri (Akgül, 2007).

16 BÖLÜM 4

MATERYAL VE METOD

4.1. MATERYAL

4.1.1. Ahşap Malzeme

Deney malzemesi olarak, Doğu Kayını (FagusOrientalis L.) kullanılmıştır. Tam kuru yoğunluğu (D0) 0, 68 g/cm³, hava kurusu yoğunluğu (Dl2) 0,72 g/cm³ tür. E-modülü 15700 MPa, eğilme direnci (σE) 120 MPa, liflere paralel çekme direnci (σg) 132 MPa, liflere paralel basınç direnci (σB) 60 MPa’dır (Bozkurt ve Erdin, 2000).

4.1.2. Yapıştırıcılar

Epoksi yapıştırıcısı, Dost Kimya Endüstriyel Hammaddeler Sanayi ve Tic. Ltd. Şti.

firmasından temin edilmiştir. İnce tip uygulamalarda, katı malzemelerin parlak yüzeylere yapıştırılmasında kullanılan, kimyasallara karşı dayanıklı, betona, ahşaba, çeliğe ve plastik malzemelere mükemmel yapışma sağlayan, istenen mekanik mukavemete çok hızlı ulaşan çift bileşenli bir yapıştırıcıdır. Epoksi beton elemanlarının, demir, çelik ve benzeri metallerin, ahşap ve cam çeşitlerinin yapıştırılmasında, ağır ve orta yüke maruz kalacak montaj işlemlerinde CFRP ile kullanılır. Yoğunluğu 20^oC’de 1,5 g/cm³, viskositesi 1100 mPas' dır. Kullanım şekli 200 g/m² olarak firma önerisine uyulmuştur.

Nem kürlenmeli poliüretan yapıştırıcısı, SBC Kimya Endüstriyel Hammaddeler Sanayi ve Tic. Ltd. Şti. firmasından temin edilmiştir. Bu yapıştırıcı NCO grubuna sahip izosiyanatlar ile OH grubuna sahip poliollerin reaksiyonları sonucu oluşan (plastik) polimerlerdir. Katılım reaksiyonu, tamamen bir polimerizasyon reaksiyonudur. İzosiyanatlar, NCO yüzde içeriğine ve fonksiyonuna yada bir

17

moleküldeki NCO sayısına bakılarak adlandırılır. NCO sayıları izosiyanatların ayırt edici bir özelliğidir. Ayrıca bu yapıştırıcı, suya ve neme karşı dayanıklı, çözücü içermeyen, tek kompenantlı poliüretan esaslı bir tutkal olup, deniz ve göl vasıtalarında, binaların dış cephe, metal ve ahşap kısımlarının montaj ve onarımlarında tercih edilmektedir. Yoğunluğu 20^oC’de 1,11±0,02 g/cm³, viskozitesi 25^oC’ de 14.000±3.000mPas, 20^oC±2 sıcaklık ve %65±3 bağıl nem ortamında 30 dakika sertleşmektedir. Üretici firma önerilerine göre bu tutkal ambalaj viskozitesinde ve 150 g/m² yüzeylerden emiciliği yüksek olana sürülmesi ve kurumuş satıhların hafifçe nemlendirilmesi önerilmektedir. Nem kürlenmeli Poliüretan yapıştırıcısı endüstride D-VTKA olarak da bilinmektedir.

4.1.3. Karbon Fiber (CFRP) Yapı Malzemesi

Bu çalışmada CFRP yapı malzemeleri incelenmiş ve yapılacak güçlendirme çalışmasına uygun ebat ve form olarak 1,2 mm kalınlığında, 300 g/m² yoğunlukta düz desenli CFRP yapı malzemeleri, Dost Kimya Endüstriyel Hammaddeler Sanayi ve Tic. Ltd. Şti. firmasından temin edilmiştir. Metallere göre oldukça düşük yoğunlukta, çeliğe göre mukavemeti yüksek, aşırı katı olup yüksek aşınma direncine sahiptir. Ayrıca kimyasal dirençleri fazla, hafif ve sınırsız boyda üretim yapılabilir.

Karbon lifi takviyeli kompozit malzemeler genellikle; uçak sanayisinde, roket ve uydu yapımında, otomotiv sanayisinde ve birçok spor malzemelerinin yapımında kullanılır (Yıldızhan, 2008).

4.2. DENEY ÖRNEKLERİNİN HAZIRLANMASI

Deney örnekleri TS 2470 standartlarına göre, Karabük sanayisindeki kereste işletmelerinden ''Rastgele seçim'' yöntemiyle temin edilmiştir. Kullanılan ağaç malzemenin de birinci sınıf çatlaksız ve budaksız olmasına dikkat edilmiştir. Odun örnekleri 5x70x1200 mm olarak kaba ölçülerde daire testere makinesinde kesilmiştir.

Kesilen örneklere nem kürlenmeli poliüretan ve çift bileşenli epoksi yapıştırıcıları ve karbon fiber yapı malzemesi eklenerek lamine edilmiştir. Çalışmada kullanılan çift bileşenli Epoksi yapıştırıcısının a bileşeni (reçine) ve b bileşeni (sertleştirici) 1/1 oranında açık gri rengi alana kadar karıştırılıp ve uygulanan yüzeye 200 g/m² olacak

18

şekilde spatula yardımıyla sürülmüştür. Aynı zamanda CFRP yapı malzemesi hazırlanırken liflerinde kopma meydana gelmeyecek şekilde maket bıçağı ile düzgün kesim yapmaya dikkat edilmiştir. Kesilen CFRP yapı malzemesi lamine katmanların arasına ve etrafına epoksi yapıştırıcısı ile yapıştırılmıştır. Örnekler 2,5 kg/cm² pres basıncı, 20 ^oC derece sıcaklık ve 60 dakika bekleme süresi altında prese verilmiştir.

Bununla birlikte elde edilen örnekler her deney grubu için uygun standartlarda istenilen ölçülere getirilmiştir. Çalışmada Çizelge 4.1' de deney türlerine ait lamine örneklerin adetleri verilmiştir.

Çizelge 4.1. Deney türlerine ait lamine örneklerin adetleri.

Deney Türü Örnek Türü Adet

Statik Eğilme direnci deneyi ve eğilmede

elastikiyet modülü

Epoksi etrafı CFRP 10 Poliüretan etrafı CFRP 10

CFRP+Epoksi 10

Epoksi 10

Poliüretan 10

Yapışma direnci deneyi

Epoksi etrafı CFRP 10 Poliüretan etrafı CFRP 10

CFRP+Epoksi 10

Epoksi 10

Poliüretan 10

Yanma direnci deneyi

Epoksi etrafı CFRP 10 Poliüretan etrafı CFRP 10

CFRP+Epoksi 10

Epoksi 10

Poliüretan 10

Dinamik eğilme (Şok) direnci deneyi

Epoksi etrafı CFRP 10 Poliüretan etrafı CFRP 10

CFRP+Epoksi 10

Epoksi 10

Poliüretan 10

Boyutsal kararlılık testleri

Epoksi etrafı CFRP 10 Poliüretan etrafı CFRP 10

CFRP+Epoksi 10

Epoksi 10

Poliüretan 10

Toplam 250

19

Epoksi etrafı CFRP kaplamalı örnek türü hazırlanırken, 5 mm kalınlığındaki masif (kayın) odunları arasına 0,2 mm kalınlığında çift bileşenli Epoksi yapıştırıcısı sürülmüş ve lamine edilen kayın odunu katmanların etrafına 1,2 mm kalınlığında karbon fiber (CFRP) yapı malzemesi kaplanmıştır (Şekil 4.1.).

Şekil 4.1.Epoksi etrafı CFRP kaplamalı örnek türü.

Poliüretan etrafı CFRP kaplamalı örnek türü hazırlanırken, 23 mm kalınlığında lamine edilen masif (kayın) odunları arasına 0,2 mm kalınlığında poliüretan yapıştırıcısı nüfuz edilmiş ve lamine katmanların etrafına 1,2 mm kalınlığında karbon fiber (CFRP) yapı malzemesi ile kaplanmıştır (Şekil 4.2.).

Şekil 4.2. Poliüretan etrafı CFRP kaplamalı örnek türü.

CFRP+Epoksi yapıştırıcılı örnek türü hazırlanırken, kayın odunu katmanlarının arasına CFRP yapı malzemesi ve Epoksi yapıştırıcısı eklenmiş ve 4 katman halinde lamine örneği elde edilmiştir (Şekil 4.3.).

20

Şekil 4.3.CFRP+Epoksi yapıştırıcılı örnek türü.

Epoksi yapıştırıcılı örnek türü hazırlanırken 5 mm kalınlığındaki masif (kayın) odunları arasına 0,2 mm kalınlığında çift bileşenli Epoksi yapıştırıcısı eklenerek lamine elde edilmiştir (Şekil 4.4.).

Şekil 4.4.Epoksi yapıştırıcılı örnek türü.

Poliüretan yapıştırıcılı örnek türü hazırlanırken kayın odunu örneklerinin arasına 0,2 mm kalınlığında poliüretan yapıştırıcısı eklenerek elde edilmiştir (Şekil 4.5.).

Şekil 4.5. Poliüretan yapıştırıcılı örnek türü.

21 4.3. DENEY METODU

Deney örneklerinin hava kurusu yoğunlukları belirlendikten sonra, liflere dik doğrultuda, 1) Statik eğilme ve eğilmede elastikiyet modülü deneyi, 2) Yapışma direnci deneyi, 3) Yanma direnci deneyi, 4) Dinamik eğilme (şok) direnci deneyi ve 5) Boyutsal kararlılık testleri uygulanmıştır.

4.3.1. Hava Kurusu Yoğunluklar

Deney örneklerinin rutubetleri TS 2471, yoğunlukları TS 2472 standartlara uyularak belirlenmiştir. Deney örnekleri 20±2 °C sıcaklık ve %65 bağıl nem şartlarında kabinde değişmez ağırlığa ulaşıncaya kadar bekletildikten sonra 0,01 g duyarlılıklı hassas terazide tartılmıştır. Boyutları ±0,01 mm duyarlılıkta kumpas ile ölçülerek hacimleri belirlendikten sonra hava kurusu haldeki ağırlık (M) ve hacim (V) değerine göre hava kurusu yoğunluk (δ) değeri formül 4.1'e göre belirlenmiştir.

δ = g/cm3

(4.1)

Bu eşitlikte;

M= Örnek ağırlığı (g),

V= Örnek hacmi (cm³), değerlerini ifade etmektedir.

4.3.2. Statik Eğilme Direnci ve Eğilmede Elastikiyet Modülü Deneyi

Statik eğilme direnci ve eğilmede elastikiyet modülü deneyi TS 2474 standartlarına uygun olarak örnekler, 20x20x360 mm ölçülerinde lamine edilerek hazırlanmıştır.

Daha sonra örnekler üniversal test cihazında yerleştirildiği mesnetlerin merkezleri arasındaki uzaklık, deney parçası kalınlığının 10 katı olacak şekilde ayarlanmıştır.

Yük, deney parçasının radyal yöndeki yüzüne mesnetler arasındaki açıklığın orta yerinden uygulanmıştır. Örnekler yükleme anından itibaren 6 mm/dak. hızında yapılmıştır. Deney örneklerinin tam ortasında kırılma olduğu anda deney

22

sonuçlandırılmıştır. Eğilme direnci ve eğilmede elastikiyet modülünün hesaplanmasında aşağıda verilen eşitliklerden yararlanılmıştır.

Statik eğilme direnci deneyi için formül 4.2' den faydalanılmıştır.

) / x (

b x 2

L x 3xF

F_m ^max ₂ N mm²

 h (4.2)

Burada;

F

Fmax = Kırılma anındaki maksimum kuvvet (N) L = Dayanak eksenleri arasındaki mesafe (mm) b= Deney örneğinin genişliği (mm)

h= Deney örneğinin kalınlığı (mm)

Elastikiyet modülü için formül 4.3' den yararlanılmıştır.

) / ) ( a - x(a h x b x 4

) F - x(F L

E ²

1 2 3

1 3 1

m  N mm (4.3)

Burada;

Em= Eğilmede elastikiyet modülü (N/mm²) L₁= Dayanak eksenleri arasındaki mesafe (mm) b= Örnek genişliği (mm)

h= Örnek kalınlığı (mm)

F2-F1= Yük-sehim diyagramı oranlılık bölgesindeki yük artışı (N)

a2-a1 = Kuvvet artışları nedeniyle örnek uzunluğunun ortasında meydana gelen sehim farkıdır (mm).

formüllerine göre hesaplanıp bilgisayardan otomatik elde edilmiştir. Bu deney cihazı Şekil 4.6'da ve deney düzeneği Şekil 4.7'de gösterilmiştir.

23

Şekil 4.6. Statik eğilme ve eğilmede elastikiyet modülü deney cihazı.

Şekil 4.7. Statik eğilme ve eğilmede elastikiyet modülü deney düzeneği (Keskin vd., 2003).

24 4.3.3. Yapışma Direnci Deneyi

Yapışma direnci deney örnekleri, BS EN 204 ve BS EN 205 standartlarında, 10x20x150 mm ölçülerinde hazırlanmıştır. Daha sonra örnekler üniversal test cihazında yapışma yüzeyine 3 mm/dk yükleme hızıyla çekme mukavemeti uygulanarak yapıştırıcı hattından koparılmaya çalışılmıştır. Kopma anındaki maksimum kuvvet (Fmax) tespit edilerek yapışma direnci (σy)' nin tespitinde formül 4.4 kullanılmıştır.

σy=

(4.4)

Burada;

A = axb = yapışma yüzey alanı (mm²)

F max = uygulanan kuvveti (N/mm²), değerlerini ifade etmektedir. Bu deney cihazı Şekil 4.8'de ve deney örneği Şekil 4.9'da gösterilmiştir.

Şekil 4.8.Yapışma direnci deney cihazı.

25

Şekil 4.9.Yapışma direnci deney örneği (BS EN 204, 205).

4.3.4. Yanma Direnci Deneyi

Yanma direnci deney örnekleri, ASTM E-69 prensiplerine göre, 9x19x1016 mm ölçülerinde lamine edilerek hazırlanmıştır. Örnekler bilgisayar kontrollü ağaç malzeme yanma düzeneğinde her örnek için 4 dakika alev kaynaklı ve 6 dakika alev kaynaksız yanma olmak üzere toplam 10 dakika boyunca devam etmektedir. Yanma deney düzeneği Şekil 4.10'da gösterilmiştir.

Şekil 4.10.Yanma direnci deney düzeneği (Esen, 2009).

26 Burada;

Baca gazı analizörünü (1), Ateş tüpünü (2),

Ateş borusunu (3),

Ayak, ince çelik telini (4),

Elektronik teraziyi (5), ifade etmektedir.

Yanma sonucunda, yanma deney düzeneği ile 1) Ağırlık Kaybı, 2) Sıcaklık (^oC), 3) Oksijen (O2), 4) Karbon monoksit (CO), 5) Azot oksit ( NOX ) değerleri tespit edilmiştir. Elde edilen deney örneği ise Şekil 4.11’de gösterilmiştir.

Şekil 4.11.Yanma direnci deney örneği (ASTM E-69).

4.3.5. Dinamik Eğilme (Şok) Direnci Deneyi

Dinamik eğilme (şok) direnci deneyi için, her bir deney örneği 5x20x320 mm ölçülerinde 4 katman halinde elde edilmiştir. Deney örnekleri, TS 2477 esaslarına göre, 20x20x360 mm boyutlarında kesilmiştir. Dinamik eğilme direnci, pandüllü çekiç aleti ile hesaplanmıştır. Belli bir yükseklikten serbest halde düşürülen 10 kg/m

27

iş gücüne sahip çarpma çekici ilk konumda sahip olduğu kinetik enerjinin bir kısmını örneği kırmak için harcar. Kırılma anında harcanan iş (W) aletteki taksimatlı kadrandan belirlenerek dinamik eğilme direnci (σDE) formül 4.5' den faydalanılarak tespit edilmiştir.

(σ_DE) =

. kg.m/cm² (4.5)

eşitliğinden hesaplanmıştır.

Burada,

w : Kırılma anında harcanan iş (kg.m) a : Örneğin kalınlığı (cm)

b : Örneğin genişliği (cm) ifade etmektedir. Bu deney cihazı ve düzeneği Şekil 4.12 ve Şekil 4.13' de verilmiştir.

Şekil 4.12. Dinamik eğilme (şok) direnci deney cihazı.

28

Şekil 4.13. Dinamik eğilme (şok) direnci deney düzeneği (Çetin, 2003).

4.3.6. Boyutsal Kararlılık Testleri

Örnekler TS EN 317 standardına uygun olarak, 20x100x100 mm boyutlarında istenen ölçülere getirilmiştir. Daha sonra elde edilen örnekler 50 ^oC derece sıcaklıkta ki buhar kazanına atılarak 4, 8, 16, 24, 48 ve 96 saatte bir kontrol örneklerine göre ağırlık farkları ve boyutsal değişimleri ölçülmüştür.

Bu deney örnekleri ölçülürken formül 4.6 ve 4.7' dan faydalanılmıştır.

A= (M1….9 – Mb) * 100/Mb (4.6) Burada; Mb = İlk ağırlık (g)

M1…9 = Ağırlık değişimi (g)

G = (a1…9 – ab) * 100/ab (4.7) Burada; ab = İlk kalınlık (mm)

a1…9 = Ölçüm anındaki kalınlık (mm) formüllerinden faydalanılmıştır.

Şekil 4.14'de deney kazanı ve Şekil 4.15'de deney örneği gösterilmiştir.

29

Şekil 4.14. Boyutsal kararlılık testi deney kazanı.

Şekil 4.15. Boyutsal kararlılık testi deney örneği (TS EN 317).

30

4.4. VERİLERİN İSTATİSTİKSEL OLARAK DEĞERLENDİRİLMESİ

Verilerin istatistiksel olarak değerlendirilmesi için SPSS paket programından faydalanılmıştır. Örnek türlerinin sonuçlar üzerinde etkili olup olmadığını belirleyebilmek için varyans analizi uygulanmıştır. Daha sonra faktörler üzerinde, farklılığın boyutunu belirleyebilmek için örneklere Duncan testi uygulanmıştır.

31 BÖLÜM 5

BULGULAR VE TARTIŞMALAR

5.1. HAVA KURUSU YOĞUNLUKLAR

Lamine örneklere ait hava kurusu yoğunluk ortalama değerleri Çizelge 5.1’de verilmiştir.

Çizelge 5.1 Hava kurusu yoğunluklara ait ortalama değerler.

No Örnek Türü Ortalama

(g/cm³)

1 Epoksi etrafı CFRP 1,79

2 Poliüretan etrafı CFRP 1,68

3 CFRP+Epoksi 1,77

4 Epoksi (Kontrol) 1,72

5 Poliüretan (Kontrol) 0,78

Yapılan deneyler sonucunda en yüksek hava kurusu yoğunluk, katmanlar arası Epoksi etrafı CFRP kaplamalı örneklerde 1,79 g/cm³, en düşük yoğunluk poliüretan (kontrol) ile lamine edilen örneklerde 0,78 g/cm³ elde edilmiştir.

5.2. STATİK EĞİLME DİRENCİ DENEYİNE AİT BULGULAR

Örneklerin hazırlanmasında belirlenen üretim şartları ve bunun sonucunda elde edilen eğilme direnci değerlerine ait aritmetik ortalama değerleri Çizelge 5.2’de verilmiştir.

32

Çizelge 5.2. Eğilme direnci deneyine ait aritmetik ortalama değerleri (N/mm²).

Çizelge 5.2' ye göre aritmetik ortalama değerlerinde farklılık olduğu tespit edilmiş ve bu farklılığın hangi faktörden kaynaklandığını belirlemek için yapılan varyans analizi sonuçları Çizelge 5.3. 'de verilmiştir.

Çizelge 5.3. Eğilme direnci deneyine ait varyans analizi sonuçları.

Varyans Kaynağı Kareler Toplamı

Serbestlik Derecesi

Kareler Ortalaması

F (Hesap)

P değeri (p≤0,05) Etkileşim 647908,13 1 647908,13 2151,01 0,00

Tutkal 327,070 1 327,07 1,086 0,03

Kaplama 10839,19 2 5419,59 17,99 0,00

Tutkal * Kaplama 24,996 1 24,99 0,08 0,02

Hata 13554,45 45 301,21

Toplam 702981,43 50

Varyans analizi sonuçlarına göre, ağaç malzeme türü, tutkal türü ve tutkal-kaplama etkileşimlerinin eğilme direnci üzerine etkisi (p≤0,05) önemli olduğu tespit edilmiştir. Bu sebeple gruplar arasında farklılığı belirlemek için, elde edilen verilere Duncan testi uygulanmış ve sonuçları Çizelge 5.4 'de verilmiştir.

No Örnek

Türü

Eğilme Direnci ( N/mm²)

Standart Sapma 1 Epoksi etrafı CFRP 129,10 13,51 2 Poliüretan etrafı

CFRP 124,96 20,06

3 CFRP+Epoksi 132,80 29,73

4 Epoksi (Kontrol) 101,10 3,46 5 Poliüretan (Kontrol) 93,80 4,95

33

Çizelge 5.4. Eğilme direnci deneyine ait Duncan testi sonuçları (N/mm²).

Örnek Türü

Ortalama Değer ( N/mm²)

Homojenlik Grubu

CFRP+Epoksi 132,80 A

Epoksi etrafı CFRP 129,10 AB

Poliüretan etrafı CFRP 124,96 B

Epoksi (Kontrol) 101,10 C

Poliüretan (Kontrol) 93,80 CD

LSD:3,7

Duncan testi sonuçlarına göre; lamine örneklerin eğilme direnci en fazla CFRP+Epoksi yapıştırıcısı kullanılan örneklerde (132,80 N/mm²) elde edilmiştir.

Ancak istatistiksel olarak poliüretan ile epoksi tutkallı örnekler aynı homojenlik grubunda bulunmuştur. Bununla birlikte; CFRP+Epoksi yapıştırıcılı, Epoksi yapıştırıcılı ve etrafı CFRP kaplamalı, poliüretan yapıştırıcılı ve etrafı CFRP kaplamalı örneklerde istatistiksel olarak bir fark bulunmamıştır. Mıstak (2013), yaptığı çalışmada sarıçam ağaç malzemesiyle ve farklı fiber (FRP) kumaşları ile lamine katmanlar elde ederek eğilme dirençlerini incelemiştir. Bunun sonucunda poliüretan esaslı reçine ve karbon fiber kumaş (CFRP) ile güçlendirilmiş sarıçam örneklerinde en yüksek direnci 81,54 N/mm² elde etmiştir. Premrov et al. (2003), yaptıkları benzer bir çalışmada, karbon fiber ile güçlendirilmiş ahşap yapı elemanlarının CFRP ile güçlendirilmesi sonucu lamine elemanların eğilme direncinde %50 oranında daha yüksek bir dayanım elde etmişlerdir.

Literatürde lamine ahşap köprü kirişleri eğilme ve kesmeye karşı cam takviyeli kompozitlerle güçlendirildikten sonra %25 daha fazla dayanım elde edilmiştir (Radford et al., 2001). Buna göre lamine elemanların ara katmanlarına yerleştirilen CFRP malzemesi örneklerin eğilme direncini artırdığı literatürdeki bilgilerle desteklenmektedir. Bunun nedeni, CFRP yapı malzemesinin yüksek aşınma direnci ile Epoksi yapıştırıcısının yüksek kopma direncine sahip olması lamine elemanların eğilme direncini olumlu yönde etkilediği söylenebilir.

34

5.3. EĞİLME DİRENCİNDE ELASTİKİYET MODÜLÜNE İLİŞKİN BULGULAR

Uygun sıcaklık ve pres basıncı altında lamine edilen örneklerin eğilme direncinde elastikiyet modülüne ilişkin aritmetik ortalama değerleri Çizelge 5.5’de verilmiştir.

Çizelge 5.5. Eğilme direncinde elastikiyet modülüne ait aritmetik ortalama değerleri (N/mm²).

No Örnek

Türü

Elastikiyet Modülü (N/mm²)

Standart Sapma

1 Epoksi etrafı CFRP 14004,83 1418,97

2 Poliüretan etrafı CFRP 13457,65 2828,57

3 CFRP + Epoksi 13351,93 1758,35

4 Epoksi (Kontrol) 9929,99 470,32

5 Poliüretan (Kontrol) 9272,85 1112,31

Yapılan deneyler sonucu lamine örnekler arasında istatistiksel olarak bir fark bulunmuştur. Farklılık bulunan türlerin elastikiyet modülü üzerine etkisini belirlemek için yapılan varyans analizi sonuçları Çizelge 5.6'da verilmiştir.

Çizelge 5.6. Eğilme direncinde elastikiyet modülüne ait varyans analizi sonuçları.

Varyans Kaynağı Kareler Toplamı

Serbestlik Derecesi

Kareler Ortalaması

F (Hesap)

P değeri (p≤0,05)

Etkileşim 6,86 1 6,86 2356,95 0,00

Tutkal 3625972,67 1 3625972,67 1,24 0,00

Kaplama 1,83 2 9,16 31,46 0,00

Tutkal * Kaplama 30225,25 1 30225,25 0,01 0,00

Hata 1,31 45 2912910,15

Toplam 7,53 50

Tutkal türü ile tutkal-kaplama etkileşiminin elastikiyet modülü üzerine etkisinin istatistiksel olarak önemli olduğu belirlenmiştir. Önemli çıkan gruplar içerisinde farklılıkları belirlemek için yapılan Duncan testi sonuçları Çizelge 5.7'de verilmiştir.

35

Çizelge 5.7. Eğilme direncinde elastikiyet modülüne ait Duncan testi sonuçları (N/mm²).

Örnek Türü

Ortalama Değer ( N/mm²)

Homojenlik Grubu

Epoksi etrafı CFRP 14004,83 A

Poliüretan etrafı CFRP 13457,65 A

CFRP+Epoksi 13351,93 A

Epoksi (Kontrol) 9929,99 B

Poliüretan (Kontrol) 9272,85 B

LSD: 3421,94

Duncan testi sonuçlarına göre, katmanlar arası epoksi yapıştırıcılı ve etrafı CFRP kaplamalı olan lamine malzemenin eğilmede elastikiyet modülü (14004,83 N/mm²) en yüksek olduğu belirlenmiştir. Buna göre CFRP malzemesi lamine ağaç malzemenin elastiklik özelliğini artırıp, daha rijit (sert) hale getirmiştir. Bu da eğilme direncini artırmaktadır. Muratoğlu (2011), yaptığı benzer bir çalışmada tarihi yapıların restorasyonunda yapılan güçlendirme işlemlerinde karbon fiber takviyeli şerit çubuk (CFRP) ve çift bileşenli epoksi yapıştırıcısı ile yüksek dayanım elde etmiştir. CFRP yapı malzemesi ahşap malzemenin zorlanmaya maruz kalan kısımlarına olumlu katkı sağladığı ve mukavemetini artırdığı literatürdeki bilgilerle desteklenmiştir. Epoksi yapıştırıcısının poliüretan yapıştırıcısına göre daha fazla direnç sağlamasının nedeni, kohezyon gücünün ve kopma mukavemetinin daha yüksek olmasından kaynaklanabilir. Ayrıca ahşap lamine katmanların etrafına CFRP sarıldığında CFRP' nin yüksek germe ve sıkıştırma dayanımı ile yüksek kopma uzamasına sahip olmasından dolayı daha fazla direnç sağladığı söylenebilir.

5.4. YAPIŞMA DİRENCİ DENEYİNE İLİŞKİN BULGULAR

Yapışma deneyleri sonucunda lamine edilen gruplara ait yapışma direnci ortalama değerleri Çizelge 5.8’de verilmiştir.

36

Çizelge 5.8. Yapışma direnci deneyine ait aritmetik ortalama değerleri (N/mm²).

No Örnek

Türü

Yapışma Direnci (N/mm²).

Standart Sapma 1 Epoksi etrafı CFRP 21,09 1,82 2 Poliüretan etrafı

CFRP 20,03 1,22

3 CFRP+Epoksi 22,77 1,15

4 Epoksi (Kontrol) 12,82 1,61 5 Poliüretan (Kontrol) 10,60 10,9

Lamine örneklerin yapışma direnci en fazla (22,77 N/mm²) CFRP+Epoksi ile yapıştırılan örneklerde, en az (10,60 N/mm²) poliüretan ile yapıştırılan örneklerde bulunmuştur. CFRP ve yapıştırıcı çeşidinin yapışma direnci üzerine etkisini belirlemek için yapılan varyans analizi sonuçları Çizelge 5.9'da verilmiştir.

Çizelge 5.9. Yapışma direncine ait varyans analizi sonuçları.

Varyans Kaynağı Kareler Toplamı

Serbestlik Derecesi

Kareler Ortalaması

F (Hesap)

P değeri (p≤0,05)

Etkileşim 4621,41 1 4621,41 4498,16 0,00

Tutkal 25,89 1 25,89 25,20 0,00

Kaplama 3042,72 2 1521,36 1480,78 0,00

Tutkal * Kaplama 25,89 1 25,89 25,20 0,00

Hata 46,23 45 1,02

Toplam 7801,24 50

Varyans analizi sonuçlarına göre, kaplama, tutkal ve tutkal-kaplama etkileşimlerinin yapışma direnci üzerine etkisi %95 güven aralığında önemli olduğu belirlenmiştir.

Bunlara ait Duncan testi sonuçları ise Çizelge 5.10' da verilmiştir.