Dokuz Eylül Üniversitesi İnşaat Mühendisliği Bölümü YAPI MALZEMESİ I DERSİ

Transkript

1 Dokuz Eylül Üniversitesi İnşaat Mühendisliği Bölümü YAPI MALZEMESİ I DERSİ ĞİŞİMİNİ ÖLÇME 2 KASIM 2010

2 ŞEKİL L DEĞİŞ ĞİŞTİRMENİN ÖLÇÜLMESİ Mekanik komperatör Strain gauge Malzemenin yük-şekil y değiştirme ilişkisi tespit edilmek istendiğinde inde yükleme y sırasında mekanik komperatör veya dijital deformasyon ölçerler kullanılır.

3 Değişik Kumpaslar Mikrometre

4

5

6

7 Dokuz Eylül Üniversitesi İnşaat Mühendisliği Bölümü YAPI MALZEMESİ I DERSİ REOLOJİ

8 Reoloji ve viskoelastisite Reoloji cisimlerin gerilme altında zamana bağlı şekil değişimini imini (deformasyon) inceleyen bilim dalıdır. Genel olarak katılar ların n deformasyon ve sıvılars ların n akış özelliklerini belirlemek amacıyla kullanılır. İster katı ister sıvıs olsun her malzeme gerilme altında şekil değiştirir.

9 Reoloji ve viskoelastisite Malzemelerin kendi ağıa ğırlığı da gerilme oluşturan bir unsurdur. Bu nedenle her malzeme dışd yükleme olmasa da deformasyona uğrar. u Fakat katı cisimler için i in kendi ağıa ğırlığından kaynaklanan deformasyon miktarı ihmal edilebilecek kadar küçük üçüktür.

10 Reoloji ve viskoelastisite Bu olaya kanıt t olarak tarihi binaların camları gösterilebilir asırl rlık bina camlarının n alt ve üst kalınl nlıkları ölçüldüğünde camların n alt kısımlarının üste göre g daha kalın n olduğu görülmüştür.

11 Reoloji ve viskoelastisite Camlarda görülen g akma olayı her cisim için i in farklı hızlarda gerçekle ekleşmektedir. Şekil değişimi imi miktarı; cismin maruz kaldığı gerilmenin şiddetine, uygulama hız h z ve doğrultusuna, cismin yapıld ldığı malzemenin viskozitesine göre değişir. ir.

12 Reoloji ve viskoelastisite Viskozite cismin akmaya karşı gösterdiği i direnç olarak tanımlanabilir. Örneğin, bal suya kıyasla k çok daha zor akar, diğer bir deyişle viskozitesi daha fazladır.

13 Reoloji ve viskoelastisite Cisme uygulanan dışd kuvvet kaldırıld ldığı zaman cisim ilk konumuna geri dönüyorsa, d bu davranış elastik bir davranış ıştır. Viskoz davranış ise cisme dışd kuvvet uygulanınca nca gösterdig sterdiği gecikmeli şekil değişimi imi davranışı ışıdır.

14 Reoloji ve viskoelastisite Viskoelastisite cisimlerin ortak elastik ve viskoz davranışı ışıdır. Pek çok malzeme gerilmeler altında hem elastik hem de viskoz davranış gösterir.

15 Reoloji ve viskoelastisite Elastik davranışı ışın n zamandan bağı ğımsız, viskoz davranışı ışın n zamana bağlı olduğu u açıkta ktır. Bu nedenle viskoelastik davranış iki etkinin toplamı olarak zamana bağlı bir davranış ıştır. Elastik ve plastik davranış ışlarda, yükleme y hızıh ne olursa olsun cisimde oluşan son şekil değiştirmeler aynıdır. Buna karşı şın n viskoelastik bir cisimde yavaş yükleme sonucu oluşan şekil değiştirme, hızlh zlı yüklemenin oluşturdu turduğundan undan daha büyüktb ktür

16 Reoloji ve viskoelastisite

17 Reoloji ve viskoelastisite 1678 yılında y Robert Hooke katılar ların n reolojik özelliklerini modelleme amacıyla yazdığı Elastisite Teorisi adlı kitabında bir yayda oluşan şekil değişimi imi ile yaya etkiyen gerilme arasında doğrusal bağı ğıntı olduğunu, unu, yayın n ideal elastik olduğunu unu göstermig stermiştir. tir. Hooke Cismi Hooke cismi olarak adlandırılan sistemde yay tam bir elastik elemandır. σ = E.ε

18 Reoloji ve viskoelastisite Isaac Newton ise 1687 yılında y Principia adlı kitabında sıvılars ların kayma gerilmesi altında gecikmeli şekil değişimi imi gösterdig sterdiğini ini açıklamış ve tamamıyla viskoz davranış gösteren yağ kutusu (iç sürtünmeli amortisör, r, sönüm s m kutusu) ile modellemiştir. Newton Cismi Newton cisminin sabit gerilme altında şekil değişimi imi zamanla sürekli olarak artar.

19 Reoloji ve viskoelastisite Newton Cismi Newton cisminin sabit gerilme altında şekil değişimi imi zamanla sürekli olarak artar. Gerilme kaldırılınca Newton cismi aldığı son şekil değişimini imini korur. viskoz davranışı simgeleyen bağı ğınt ntı da, normal gerilme halinde: da, normal gerilme halinde:. σ = µ. ε. ε = dε dt

20 Reoloji ve viskoelastisite Yaklaşı şık k 300 yıldan y beri Hooke Yasası katılar ve Newton Yasası da sıvılar s için i in uygulamada kullanılm lmıştır. 19. yüzyy zyıldan itibaren endüstrile strileşme ile birlikte bilim adamları sıvı davranışı gösteren katılar ve katı davranışı gösteren sıvılar s keşfetmi fetmişlerdir. Üstelik aynı malzemenin farklı gerilme düzeylerinde d farklı davranış gösterebildiği i hatta gerilmenin uygulanma hızının h n bile reolojik davranışı değiştirdi tirdiği görülmüştür.

21 Reoloji ve viskoelastisite Örneğin yol yapımında kullanılan lan bitüml mlü malzemeler araçlar ların n hızlh zlı hareket ettiği i en sol şeritte daha az deforme olmakta, buna karşı şılık k araçlar ların n daha yavaş hareket ettiği i en sağ şerit, kavşaklar aklar ve otobüs duraklarında daha fazla deforme olmaktadır. Burada tekerlek yüklerinin y uygulanma hızıh yol malzemesinin reolojik davranışı ışını değiştirmektedir. Fakat en sağ şerit, kavşaklar aklar ve otobüs s duraklarının deforme olmasında buralarda ağıa ğır r araçlar ların seyretmesinin de önemli rol oynadığı dikkate alınmal nmalıdır.

22 Şekil Değiştirme TürleriT Her malzemenin yükleme y karşı şısında göstereceg stereceği i içi dirence bağlı olarak yükleme y ve yüküy kaldırma (boşaltma) şekil değişimi imi ilişkisi farklı olabilir.

23 Şekil Değiştirme TürleriT Bir malzemenin içi direnci (deformasyonlara karşı koyması); katı cisimler için i in elastisite modülü, sıvılar için i in viskozite katsayısı ile karakterize edilebilir.

24 Uygulamadaki tipik yükleme, y boşaltma şekil değiştirme türlerit Elastik şekil değiştirme Yükleme ve boşaltma eğrilerinin çakıştığıığı şekil değiştirme tirme: elastik şekil değiştirme Lineer Elastik şekil değiştirme yük şekil değişimi imi bağı ğıntısının n doğrusal olduğu u elastik şekil değiştirme tirme: lineer- elastik şekil değiştirme

25 Uygulamadaki tipik yükleme, y boşaltma şekil değiştirme türlerit İç sürtünmeli elastik şekil değiştirme Yükleme ve boşaltma farklı eğriler üzerinde meydana gelir, fakat yükleme y eğrisinin e başlang langıcı ile boşaltma eğrisinin e sonu çakışırsa ve ayrıca bu eğriler e zamana bağlı olmazsa bu tür şekil değiştirme tirme: iç sürtünmeli elastik şekil değiştirme

26 Uygulamadaki tipik yükleme, y boşaltma şekil değiştirme türlerit Plastik şekil değiştirme Yükleme ve boşaltma eğrileri e farklı olan ve yükleme y başlang langıcı ile boşaltma sonu çakışmayan şekil değiştirme tirme: plastik şekil değiştirme

27 Histeris çemberi Gerilme deformasyon diyagramında yükleme boşaltma sonucu oluşan eğriler arasında kalan alan Histeris çemberi veya döngd ngüsü (hysteresis loop) olarak adlandırılmaktad lmaktadır Malzeme sürekli s bir yükleme y boşaltmaya maruz kalırsa her döngü sonucu malzemede plastik deformasyonlar artar ve elastisite modülünde azalma meydana gelir.

28 Histeris çemberi Histeris çemberi içinde i inde kalan alan malzemede yükleme y ve boşaltma sırasında ısıya dönüşerek d kaybolan enerjinin bir göstergesidir. Boşaltma sonunda kalan şekil değiştirmeler zamanla sıfıra s inerse viskoelastik şekil değiştirme adını alır, ve Lv ile gösterilir

29 Histeris çemberi Boşaltma sonunda kalan şekil değiştirmeler zamanla sıfıra s inerse viskoelastik şekil değiştirme adını alır, ve Lv ile gösterilir viskoelastik şekil değiştirme

30 Histeris çemberi Bazı hallerde boşaltma sonunda kalan şekil değiştirme zamanla azalmakla beraber tamamen sıfıra s inmez. Burada Lv viskoz şekil değiştirmenin geri dönen d kısmk smını, Lp ise kalıcı şekil değiştirmeyi göstermektedir g Plastik (kalıcı) şekil değiştirme

31 REOLOJİ MODELLERİ

32 REOLOJİ MODELLERİ Reoloji modelleri de basit cisimlerin değişik ik düzenlemeleri d sonucuyla elde edilmektedir. Bu amaçla iki basit cisimden yararlanılmaktad lmaktadır: 1. Elastik davranışı simgeleyen Hooke cismi 2. Viskoz davranışı simgeleyen yağ kutusu.

33 REOLOJİ MODELLERİ En önemli basit reolojik modeller bunların n paralel ve seri bağlanmalar lanmaları ile elde edilir Bunlardan Maxwell modeli akış ışkan özelliği üstün cisimleri daha iyi, Kelvin modeli ise katı cisimleri daha iyi simgeler. Maxwell Modeli Kelvin Modeli

34 REOLOJİ MODELLERİ Maxwell modelinin veya simgelediği i cismin şekil değişimi imi denklemi: Sistemin denge Koşulu: σ = E ε = µ ε& 1 2 Sistemin Uyum Koşulu: ε = ε + ε 1 2

35 REOLOJİ MODELLERİ ε = ε + ε 1 2 İki tarafın n türevi t alınırsa; ε & = ε& + ε& 1 2 σ = E ε = µ ε& idi. Buradan; 1 2 ε& = 2 σ µ ε & = ε& + ε& 1 2 ve & = ε 1 σ& E σ ε & = & + E σ σ ε = + t olur. E µ Olur. σ µ İfadenin zamana göre g integrali alınırsa;

36 REOLOJİ MODELLERİ σ σ ε = + t Bu davran E µ Maxwell Modeli Bu davranışın n grafik üzerinde gösterimig

37 REOLOJİ MODELLERİ Kelvin modeli ise; Sistemin denge Koşulu: σ = σ + σ 1 2 Sistemin Uyum Koşulu: Uyum şartında Kelvin cismi rijid varsayıld ldığından, Hooke ve Newton cisimlerinin aynı büyüklükte kte şekil değişimi imi yaptığı kabul edilir. ε = ε = ε 1 2 Kelvin Modeli

38 REOLOJİ MODELLERİ σ = σ + σ 1 2 Kelvin Modeli σ 1 = E.ε ve σ 2 = µ ε& σ µ σ = Eε + µε& ε = ε& E E Bu diferansiyel denklem çözülürse; ε = σ (1 e Et/µ ) E

39 REOLOJİ MODELLERİ ε = σ E (1 e Et/µ ) Kelvin Modeli denklemin grafik üzerinde gösterimig

40 REOLOJİ MODELLERİ Kelvin ve Maxwell modellerinin düzenleri d ile viskoelastik malzemeler çok iyi simgelenebilir. 3 elemanlı reolojik model betonun sünme s halini oldukça a iyi temsil edebilir.

41 Cisimlerde Sünme S (Krip( Krip) ) Olayı Cisimlerde araştırılan dayanım m halleri kısa k süreli s deneyler ile saptanan parametrelerle belirlenmektedir. Yapıdaki elemanlar sonsuz denebilecek bir süre s boyunca kuvvetlerin etkisi altında bulunurlar. Sünme olayının n etkisini anlayabilmek için i in çok sayıda uzun süreli s deneyler yapılm lmış olup, bu uzun süreli s zorlanma altında cisimlerin çok değişik ik mekanik özelliklere sahip olduğu u anlaşı şılmıştır.

42 Cisimlerde Sünme S (Krip( Krip) ) Olayı Genel olarak herhangi bir cisme belirli büyüklb klükte kte bir kuvvet uygulanıp p bu kuvvetin uygulanmasına na devam edilince, cismin iki tür şekil değişimi imi gösterdig sterdiği i belirlenmiştir. Bunlardan bir tanesi kuvvetin tatbik edildiği i an gösterdig sterdiği i ani şekil değişimi, imi, diğeri zamanla artan gecikmeli şekil değişimidir. imidir. Toplam şekil değişimi imi bu iki şekil değişiminin iminin toplamıdır. Sünme olayının n meydana getirdiği şekil değişimleri imleri belirli bir büyüklüğü aşınca gerek kullanım, gerek görünüş, g, gerekse statik hatta emniyet açısından a bazı önemli sakıncalar doğabilir. Sünme olayı önemli çatlaklar meydana getirebilir. Bu çatlaklar stabiliteyi etkilemese bile yapının n estetiğini ini bozabilir.

43 Cisimlerde Sünme S (Krip( Krip) ) Olayı Deney örneği i belirli bir σ 1 gerilmesi altında tutulup, birim şekil değişimleri imleri kaydedilirse yükün y n mertebesine ve zamana bağlı karakteristik eğriler e elde edilir

44 Cisimlerde Sünme S (Krip( Krip) ) Olayı Malzemeye yükleme y yapıld ldığında ani bir ε a gerilmesi oluşur. ur. ε a şekil de ekil değişiminden iminden sonra sünme değerleri erleri oldukça a hızlh zlı artar (1. bölge). b Sonra şekil değişim im artım m hızlarh zlarının n azaldığı 2. bölgeb vardır. r. Eğer yükler y kler yeterince büyük b k ise şekil değişimlerin imlerin arttığı 3. bölgeb oluşur ur ve bu durum kırılmaya k kadar gider. Şekil değişim im hızının h n belirli bir değere ere varması ile ikinci kısım, k diğer bir deyişle sünme s başlar.

45 Cisimlerde Sünme S (Krip( Krip) ) Olayı Yükleme düşük d mertebelerde ise sünme s yandaki gibi zamanla azalan bir deformasyon artış hızıyla gerçekle ekleşir İkinci bölgeyeb ulaştıktan sonra geçen en bir (t 1 ) süresinde s meydana gelen sünme s miktarı V 0 x t 1 den ibarettir. Bu kısımda k cisim belirli bir hız h z altında akan bir sıvıya s benzemekte olduğundan undan bu tür t r sünmeye s viskoz sünmes denir.

46 Cisimlerde Sünme S (Krip( Krip) ) Olayı Gerilmenin kaldırılmas lması halinde cisimde derhal ani bir elastik şekil değişimi imi azalması ve bunu takiben gecikmeli bir şekil değişimi imi azalması görülür. r. Ancak geciken elastik şekil değişimi imi sonucunda cisimde ε k kalıcı bir (plastik) şekil değişimi imi oluşur ur

47 Cisimlerde Sünme S (Krip( Krip) ) Olayı Betonun zamana bağlı şekil değişimi imi uzun zamandır r bilinen bir gerçektir. ektir. 30 yıl y l süreli s deneylerde bile betonun sünme s yaptığı gözlenmiştir. Eğer uygulanan gerilmeler betonun kırılma k gerilmesinden küçük üçük büyüklüklerde klerde ise bu olayın çok önemli sakıncalar ncaları olmayabilir.

48 Cisimlerde Sünme S (Krip( Krip) ) Olayı Ancak sünme s olayının önemi kısaca k şöyle belirtebilir; başlang langıçta (yükleme anında) nda) malzeme pratik değeri eri az olan şekil değişimi imi gösterirse g de, sünme s olayı sonucunda şekil değişimlerinin imlerinin başlang langıç şekil değişiminin iminin katına ulaştığı görülmüştür. Örneğin deneyler sonucu, betonun etkilendiği i gerilme değeri, eri, basınç dayanımının n 0.70'ini aştığıa takdirde, sünme s etkisiyle belirli bir süre s sonra betonun dayanımını kaybedip yıkılma durumuna geçebildi ebildiği i anlaşı şılmıştır.

49 Cisimlerde Sünme S (Krip( Krip) ) Olayı Yapılarda toplam şekil değişimlerin imlerin sınırlands rlandırılması şeklinde çeşitli ülkelerin şartnamelerinde hükümler h vardır. r. Ayrıca sünme, s öngerilmeli betonda önemli gerilme kayıplar plarına yol açabilir. a abilir. Bu nedenle ilk öngerilmeli beton yapılar başar arısızlığa uğramışlardır r ve aynı nedenle mukavemet hesaplarında sünme etkisi gözönüne g ne alınır.

50 Gevşeme eme (Rölaksasyon( laksasyon) Sünme olayında sabit gerilmeden etkilenen malzemede şekil değişimlerinin imlerinin nasıl l değişti tiği i incelenmiş idi. Rölaksasyon olayında ise şekil değişiminin iminin sabit tutulması halinde uygulanan gerilmenin nasıl l değişti tiği incelenir. Cisme herhangi bir P 0 kuvveti uygulanıp, ε 0 büyüklüğünde bir şekil değişimi imi verilsin. Bu şekil değişimi imi sabit tutulursa, gerilmeler zamanla azalır.

51 Gevşeme eme (Rölaksasyon( laksasyon) Cisme herhangi bir P 0 kuvveti uygulanıp, ε 0 büyüklüğünde bir şekil değişimi imi verilsin. Bu şekil değişimi imi sabit tutulursa, gerilmeler zamanla azalır. Aslında uygulanan kuvvet herhangi bir şekilde azalmaz ise cisim uzamaya devam eder, bu uzama devam etmediğine ine göre, uygulanan gerilmenin zamanla azalacağı açıktır.

52 Gevşeme eme (Rölaksasyon( laksasyon) Gevşeme eme olayı özellikle çelik yapılar ların n bulon ve perçinli birleşimlerinde imlerinde ara sıra s görülen gevşekliklerde ekliklerde ve ön gerilmeli beton çeliklerinin uzaması olaylarında kendini gösterir. Benzer şekilde motor silindir kapaklarını sıkan civatalar yeterli ön n gerilme ile sıkılmazlar s ise zamanla gevşerler. erler.