YAPI MALZEMELERİ DERS NOTLARI

Transkript

1 YAPI MALZEMELERİ DERS NOTLARI

2 YAPI MALZEMELERİ Herhangi bir yapının projelendirmesi ve inşaatı aşamasında amaç aşağıda belirtilen üç koşulu bir arada gerçekleştirmektir: a) Yapı istenilen işlevi yapabilmelidir, b) Yapı değişik dış etkilere süresiz dayanıklı olmalıdır, c) Yapı güzel ve ekonomik olmalıdır. Bu koşulların yerine getirilmesinde malzeme özellikleri önemli yer tutar. Malzemenin özelliklerini bilmeden yukarıdaki koşulların sağlanabilmesi olanaksızdır. Malzemelerden beklenilenen önemli özellikler: -Gerilmelere karşı göstermiş olduğu dayanım, -Aşındırıcı etkilere karşı göstermiş olduğu dayanım, -Yüksek sıcaklık dayanımı, -Hafiflik, -Elektrik ve ısı iletkenliği, -Üretilebilme ve şekillendirilebilme özelliği 1 MALZEME ÇEŞİTLERİ FONKSİYONLARINA GÖRE SINIFLANDIRMA 1. Taşıyıcı malzemeler Bu gruba giren yapı malzemeleri, yapıyı ayakta tutan, yükleri karşılayan, yapının iskeletini oluşturan beton, çelik, betonarme, ahşap gibi mekanik özellikleri yüksek olan malzemelerdir. 2. Detay malzemeler Bu malzemeler yapılarda belirli işlevleri olan ve dekoratif amaçlarla kullanılan cilalı taş, boya gibi malzemelerdir. 3. Koruyucu malzemeler Yapıyı olumsuz dış etkilerden koruyan, cam pamuğu, perlit, bitümlü malzemeler gibi ısı, ses ve su izolasyon malzemeleri bu gruba girerler. Bazı malzemeler ise çok amaçlı olarak kullanıldığı için, bu gruplama kesinlik taşımaz. Örneğin, boya malzemesi hem detay hem de izolasyon amaçlıdır. 2

3 MALZEME ÇEŞİTLERİ ŞEKİL DEĞİŞİMİNE GÖRE SINIFLANDIRMA 1. Elastik Malzemeler Yük etkisi altında şekil değiştirip, yük kalkınca yeniden ilk şekline dönen malzemelere elastik malzemeler denir. Elastik davranışı en iyi simgeleyen eleman yaydır. Lastik ve kauçuk elastik malzemelere örnek olarak verilebilir. 2. Plastik Malzemeler Yük etkisi altında şekil değiştirip, yük kalkınca yeniden ilk şekline dönmeyen, kalıcı şekil değişimi bırakan malzemelere plastik malzemeler denir. Bu davranışa en iyi örnek kildir. 3. Elasto-plastik malzemeler Malzemeler Bu tip malzemeler yükün mertebesine bağlı olarak hem elastik, hem de plastik davranış gösterirler. Çelik gibi bir çok yapı malzemesi bu tip davranış gösterirler. 3 MALZEME ÇEŞİTLERİ BÜNYE BAKIMINDAN SINIFLANDIRMA 1. Fiziksel Yapı Fiziksel özellikleri açısından malzemeler 4 şekilde gruplandırılır: Homojen: Madde dağılımı ve özellikleri her yerde aynıdır. Heterojen: Madde dağılımı ve özellikleri her yerde aynı değildir. İzotrop: Maddenin tüm özellikleri tüm yönlerde aynıdır. Anizotrop: Madde değişik yönlerde değişik özelliklere sahiptir. 2. Kimyasal Yapı Kimyasal özellikleri açıdan malzemeler 4 şekilde gruplandırılır: Metaller: Çelik, alüminyum, çinko, bakır gibi malzemelerdir. Seramikler: Tuğla, cam, zımpara taşları gibi malzemelerdir. Polimerler: Kauçuk, plastik ve yapıştırıcıları içine alan gruptur. Kompozitler: İki veya daha fazla malzemeden meydana gelir. Beton, çimento ile kumun karışımı ile meydana gelen kompozit bir malzemedir. 4

4 MALZEME ÖZELLİKLERİ Malzeme özellikleri başlıca 5 başlıkta incelenebilir: 1. Mekanik özellikler 2. Fiziksel özellikler 3. Kimyasal özellikler 4. Termik özellikler 5. Akustik özellikler Malzemelerin doğru seçimi ve kullanılması yapının işlevsellik, estetik, ekonomik ve kalıcı olmasını sağlar. Malzemelerin bazı özellikleri diğer özellikleri ile doğrudan ilgilidir. Örneğin, fiziksel özellikler, mekanik özellikleri doğrudan etkiler. Bazı özellikler malzemenin yapıdaki fonksiyonuna göre ön plana çıkar. Örneğin, taşıyıcı malzemeler için mekanik özellikler bilinmesi zorunlu değerlerdir. 5

5 MEKANİK ÖZELLİKLER 6 MEKANİK ÖZELLİKLER Dış kuvvetlerin etkisi altında değişik zorlamalar karşısında, malzemede oluşan şekil değişiklikleri ve bu etkiler altında malzemenin gösterdiği dayanma gücü özelliklerine mekanik özellikler adı verilir. Dış kuvvetler altında dengede olan katı bir cisim düşünelim. Dış kuvvetler cisim içinde her atoma etkiyen yayılı iç kuvvetler oluştururlar. Bu cisim hayali bir CC kesiti ile K ve L parçalarına ayrılsın ve kesilen iki parça dengede kalsın. 7

6 MEKANİK ÖZELLİKLER F kuvveti kesite dik normal (N) ve kesit yüzeyine teğet (T) bileşenlerine ayrılabilir. N ara kesit düzleminde her atoma etkiyen normal yayılı kuvvetlerin toplamına, T ise yayılı teğetsel (kesme) kuvvetlerinin toplamına eşittir. 8 MEKANİK ÖZELLİKLER Kuvvetler yerine parça boyutundan bağımsız zorlama şiddetini belirten GERİLME tanımı kullanılır. (N/mm 2, MPa) Gerilme en basit şekliyle birim alana gelen kuvvet olarak tanımlanabilir. Bu durumda cismin parçasının kesit alanı A ise, NORMAL GERİLME TEĞETSEL GERİLME (kesme, kayma gerilmesi) 9

7 MEKANİK ÖZELLİKLER 10 MEKANİK ÖZELLİKLER

8 MEKANİK ÖZELLİKLER MEKANİK ÖZELLİKLER Gerilme bir, iki ve üç eksenli olmak üzere çeşitli şekillerde cismi etkileyebilir. Uygulamada yapı elemanları daha çok iki veya üç eksenli gerilmeler altındadır. Ancak özellikle üç eksenli gerilmenin incelenmesi ileri düzeyde mukavemet bilgisi gerektirir. İki ve üç eksenli gerilme durumunu deneylerle gerçekleştirmek de çok zordur. Bu nedenle genellikle, tek eksenli gerilme durumundan, uygun kırılma hipotezleri kullanılarak üç eksenli gerilme durumuna geçilir. 13

9 ŞEKİL DEĞİŞTİRME Bir malzemeye gerilme uygulandığında şekli değişir. Gerilme kalkınca malzeme eski durumuna geliyor ise elastik şekil değiştirmeye, gelmiyor ise plastik şekil değiştirme söz konusudur. 14 ŞEKİL DEĞİŞTİRME Malzemelerdeki şekil değiştirme yalnızca dış kuvvetlerin etkisi ile oluşmaz. Bir takım fiziksel ve kimyasal tesirler de cisimlerin şekil değişimine neden olabilir. Örneğin, ısının cisimlerde bir genleşme oluşturduğu bilinen bir gerçektir. Bu arada, çimento kullanılarak yapılan yapı malzemelerinde su miktarında olabilecek bir azalma malzemede büzülme "rötre" adı verilen bir olaya yol açar. Ayrıca çevre etkisiyle yapı malzemesi bünyesinde kimyasal reaksiyonlar sonucunda bazı değişimler olabilir. Şekil değiştirme yapı mühendisliği bakımından önemli bir kavramdır. Büyüklüğünün bilinmesi statik sistemlerin çözümü ve özellikle "taşıma gücü" kavramına göre yapılan kesin hesaplar için için gereklidir. Ayrıca betonarme gibi beton ve çeliğin ortaklaşa çalıştığı malzemelerde her iki cismin aynı miktarda şekil değişimi yapması gerekmektedir. Böyle bir durumun sağlanabilmesi ancak her iki malzemenin şekil değiştirmelerini ayrı ayrı incelemekle sağlanabilir. 15

10 ŞEKİL DEĞİŞTİRME 16 ŞEKİL DEĞİŞTİRME D 17

11 BASINÇ DENEYİ VE BASINÇ DAYANIMI 18 BASINÇ DENEYİ VE BASINÇ DAYANIMI 19

12 BASINÇ DENEYİ VE BASINÇ DAYANIMI 20 BASINÇ DENEYİ VE BASINÇ DAYANIMI 21

13 ÇEKME DENEYİ VE ÇEKME DAYANIMI 22 ÇEKME DENEYİ VE ÇEKME DAYANIMI 23

18 ÇEKME DENEYİ VE ÇEKME DAYANIMI Malzemeler düşük gerilmeler altında çoğunlukla lineer elastik davranışlar gösterirler. Hooke yasası: Lineer elastik davranışta gerilmelerle şekil değiştirmeler orantılıdır ve şekil değiştirmeler tersinirdir. Örneğin, çeliğin elastisite modülü aliminyuminkinden 3 kat fazladır. Buna göre aynı boyutta aliminyumve çelik çubuklara elastik bölgede eşit yük uygulanırsa alüminyum çelikten 3 kat daha fazla uzar, kiriş halinde ise 3 kat daha fazla çöker. 32 ÇEKME DENEYİ VE ÇEKME DAYANIMI τ= Gγ Kayma gerilmesi = kayma modülü. kayma açısı 33

19 ÇEKME DENEYİ VE ÇEKME DAYANIMI ÇEKME KUVVETİ ALTINDA GERİLME-BİRİM ŞEKİL DEĞİŞTİRME (Yumuşak çeliklerde) 34 ÇEKME DENEYİ VE ÇEKME DAYANIMI ÇEKME KUVVETİ ALTINDA GERİLME-BİRİM ŞEKİL DEĞİŞTİRME (Yumuşak çeliklerde) 35

23 ÇEKME DENEYİ VE ÇEKME DAYANIMI ÇEKME KUVVETİ ALTINDA GERİLME-BİRİM ŞEKİL DEĞİŞTİRME (Yumuşak çeliklerde) 42 ÇEKME DENEYİ VE ÇEKME DAYANIMI ÇEKME KUVVETİ ALTINDA GERİLME-BİRİM ŞEKİL DEĞİŞTİRME (Sert çeliklerde) 43

24 ÇEKME DENEYİ VE ÇEKME DAYANIMI ÇEKME KUVVETİ ALTINDA GERİLME-BİRİM ŞEKİL DEĞİŞTİRME (Sert çeliklerde) 44 ÇEKME DENEYİ VE ÇEKME DAYANIMI 45

27 ÇEKME DENEYİ VE ÇEKME DAYANIMI 50 BAZI MALZEMELERİN ÇEKME VE BASINÇ GERİLMELERİ ALTINDA ÖZELLİKLERİ 51

28 BAZI MALZEMELERİN ÇEKME VE BASINÇ GERİLMELERİ ALTINDA ÖZELLİKLERİ 52 BAZI MALZEMELERİN ÇEKME VE BASINÇ GERİLMELERİ ALTINDA ÖZELLİKLERİ 53

32 DİĞER MEKANİK ÖZELLİKLER Cisimlerin en önemli mekanik özellikleri basınç, çekme, kesme ve eğilme dayanımlarıdır. Kesme ve eğilme dayanımları ile ilgili bilgiler Mukavemet dersi içerisinde incelenebilir. İkinci derece önem taşıyan mekanik özellikler; Sertlik, Aşınmaya dayanıklılık, İşlenebilirlik, Tokluk ve darbeye dayanıklılık, Yorulma şeklinde sıralanabilir. Bu özellikler, çoğunlukla birinci derecedeki önemli özelliklere bağlıdır. Örneğin, basınç dayanımı yüksek olan bir malzemenin çoğunlukla sertlik derecesi de fazladır. 60 SERTLİK 61

33 SERTLİK 62 SERTLİK 63

43 AŞINMAYA DAYANIKLILIK 82 AŞINMAYA DAYANIKLILIK 83

44 AŞINMAYA DAYANIKLILIK 84 AŞINMAYA DAYANIKLILIK 85

45 İŞLENEBİLİRLİK 86 TOKLUK VE DARBEYE DAYANIKLILIK Tokluk bir malzemenin kırılmadan önce sönümlediği enerjinin bir ölçüsüdür. Çok yüksek hızla uygulanan kuvvet malzemede ani büyük gerilmelere yol açmaktadır. Cisimlerin darbeye dayanıklılığı malzemenin atom bağları (kohezyon dayanımı) ile yakından ilişkilidir. Malzemelerin darbeye dayanıklılıkları, karmaşık bir olgu olup, ancak özel deneylerle saptanabilir. Malzemenin darbeye dayanıklılığına şekli ve boyutu, kuvvetin uygulama hızı, gerilme yığılmasının şiddeti (çentik derinliği ve keskinliği) ve sıcaklık etki eder. 87

46 YORULMA 88 YORULMA 89

47 YORULMA 90 YORULMA 91

48 YORULMA 92