ÇELİK LİFLİ BETONUN DİREKT ÇEKME DAYANIMININ ÖLÇÜLMESİ ÜZERİNE DENEYSEL BİR ÇALIŞMA

Transkript

1 ÇELİK LİFLİ BETONUN DİREKT ÇEKME DAYANIMININ ÖLÇÜLMESİ ÜZERİNE DENEYSEL BİR ÇALIŞMA Fehmi ÇİVİCİ(*), İlker EREN(*) Özet Beton agrega ile bağlayıcı elemanların birleşiminden oluşan kompozit bir malzemedir. Günümüzün inşaat sektörünün popüler yapı malzemelerinden biri olan beton basınç dayanımının oldukça iyi olması ile bilinir. Buna karşın betonun çekme dayanımı basınç dayanımına göre çok düşüktür. Çekme dayanımının belirlenmesi amacıyla yapılan bir beton elemanın eksenel çekme deneyleri başarısızlıklarla sonuçlanmıştır. Bu sonuçların başarısızlığı, direkt çekme dayanımı deneylerinin yerini dolaylı çekme oluşturarak numunenin çekilmesini sağlayan deneylere bırakmıştır. Bu çalışmada betonun direkt çekme etkisi altındaki davranışının incelenebilmesi için önceki yıllarda sunulan çalışmalardakine benzer çekme numuneleri üretilmiştir. Buna ilaveten, içerisine lif katılması ile elde edilen lifli beton numunelerin çekme etkisi altındaki davranışları beton numuneler ile karşılaştırılmıştır. Lif malzemesi olarak kullanılan çelik liflerin betonun çekme dayanımına katkısının hangi mertebede olacağı araştırılmıştır. Çalışma ile çelik lifli betonun özellikleri tekrar gözden geçirilerek, hiçbir standart numune testi olmayan beton direkt çekme dayanımı üretilen lifsiz ve lifli çekme numunelerinin deneyleri aracılığıyla yapılmıştır. Anahtar Kelimeler: Beton, direkt çekme, çelik lif 1. Giriş İnşaat sektörünün ana malzemelerinden biri olan betonun artan kullanımı ile birlikte, beton içine ikinci faz olarak adlandırılan elemanların katılması, mekanik, fiziksel ve kimyasal özelliklerinin iyileştirilmesi üzerine yapılan çalışmalar yoğunluk kazanmıştır. Özellikle betona süneklik kazandırabilme çalışmalarına ağırlık verilmiştir. Bu amaçla, çelik, sentetik, cam ve ahşap esaslı lif malzemelerinin beton içerisine katılması sonunda süneklik, çekme dayanımı, tokluk vb. özelliklerinde önemli artışlar gözlenmiştir. Bilinen beton yüksek basınç dayanımı, düşük çekme dayanımına sahiptir. Basınç dayanımı tayini TS-EN e göre silindir ve küp numuneler kullanılarak yapılır. Ancak betonun direkt çekme altındaki davranışının incelenmesi ve direkt çekme dayanımının tayini kolay değildir. Önceleri beton numunelere direkt çekme uygulanması ile yapılan deneylerde karşılaşılan çekme numunesinin çekme cihazının çenelerine bağlandığı zaman kesit değişimi olan bölgelerdeki gerilme yığılmaları nedeni ile numunenin kırılarak, çenelerden ayrılması gibi olumsuzluklar araştırmacıları kiriş numuneler ile yapılan dolaylı çekme dayanımı tayini deneylerine yöneltmiştir. Betonun direkt çekme altındaki dayanımını ölçmek için yapılan çalışmalar bu nedenle azdır. (*) Y. Doç. Dr., Balıkesir Üniversitesi, İnşaat Mühendisliği Bölümü, Balıkesir Şekil 1 - Rüsch ün kullandığı eksenel çekme deney numune geometrisi TMH - TÜRKÝYE MÜHENDÝSLÝK HABERLERÝ SAYI /6 49

2 Şekil 2 - Doğrudan çekme deneyleri için Kassas tarafından kullanılan numune-başlık düzeni Yaklaşık 20 yıl kadar önce Rüsch betonda eksenel çekme deneyleri yapmayı başarmıştır. Rüsch ün kullandığı deney numune geometrisi şekil 1'de gösterilmiştir. Prizma ve silindir şeklindeki bu deney numunesinde pres çenesinin numuneyi kavradığı yerdeki yerel kırılmayı önlemek için iki uçta kesit büyütülmüştür. Yük, beton deney numunesine yüksek dayanımlı yapıştırıcılar ile tutturulan, çelik plakalardan yararlanarak uygulanmıştır [1]. Kassas ve Erdoğan tarafından yürütülen bir araştırmada, beton numunelere şekil 2'de görülen metal başlık düzeni takılmıştır. Numunelerin alt ve üst yüzeyleri, metal başlık düzenine çok kuvvetli bir yapıştırıcı ile yapıştırılmıştır. Bu yöntemle, numunelere oldukça üniform dağılımlı çekme yükü uygulanabileceği sonucuna ulaşılmıştır [2]. Shah ve diğerleri ise düz, uçları kancalı ve uçlarında ve uçlarında topuz olan çelik lifleri harç içerisine katıp, bu yeni malzemenin çekme etkisindeki gerilme-şekil değiştirme eğrilerini elde etmişlerdir [3]. Bu eğrinin ilk çatlak ktasına kadar yükselen kısmı donatısız harçtakine benzerdir. Azalan kısmı ise, lif parametrelerine, lif şekli, lif miktarı ve görünüm oranına bağlıdır. Gerilme-şekil değiştirme eğrisinin azalan kısım ya da çatlama sonrası kısmının araştırılması Visalvanich ve Naaman[4] tarafından yapılmıştır. Elde ettikleri sonucu denklem (1) ile ifade etmişlerdir. (1) 2. Araştırmanın Amaç ve Kapsamı Güncelliğini bulunuşundan beri hiç yitirmeyen beton, binalarımızda içine döküldüğü kalıbın şeklinde yer almaktadır. Yüksek basınç dayanımı ile bilinen betonun çekme dayanımı basınç dayanımının % 10 u kadardır. Bu denli düşük çekme dayanımını iyileştirmek için beton içerisine çelik liflerin konulması bir yöntemdir. Bu yöntemle betonun süneklik, çekme dayanımı, tokluk vb. özelliklerinde gelişme göstermektedir. İnşaat sektöründe püskürtme beton uygulamaları, park sahaları, oyulma ve erozyona maruz yüzeylerde, ağır yük taşıyan endüstriyel döşemelerde yoğun bir şekilde kullanılan lifli betonun özelliklerini tekrar gözden geçirmek, Hiçbir standart direkt çekme numune geometrisi olmayan beton içerisine çelik liflerin katılmasının, betonun çekme dayanımını hangi mertebede geliştireceği bu çalışmanın amaçları arasındadır. Üretilen donatısız ve lifli çekme numunelerine direkt çekme uygulanması ile deneyler yapılmıştır. Bu deneyler ışığında, çalışma lifli betonun özelliklerini daha iyi tanıtıp, direkt çekme altındaki davranışını ele alan standart oluşturulması için katkı sağlayacaktır. 3. Betonun Çekme Dayanımı Tayini Yöntemleri Betonun çekme dayanımı, betonda çekme etkisi yaratacak kuvvetlerin neden olacağı şekil değiştirmelere ve kırılmaya karşı betonun gösterebileceği direnç olarak tanımlanır [5]. Genellikle yapıda bulunan betona doğrudan çekme kuvveti uygulanmamaktadır. Ancak beton elemanların üzerine gelen basınç ve/veya eğilme kuvvetleri betonun içerisinde dolaylı olarak çekme kuvvetlerinin oluşmasına neden olmaktadır. Betonun çekme dayanımının tayini için kullanılan üç değişik yöntem vardır. Bunlar, doğrudan çekme dayanımı, yarmada çekme dayanımı ve eğilmede çekme dayanımı tayinidir Doğrudan Çekme Dayanımı Tayini Betonun doğrudan çekme yükleri altındaki dayanımını belirlemek için standart bir deney yöntemi olmadığı için, kullanılan çekme numuneleri özel boyutludur. Daha önceki çalışmalarda kullanılan numune tipleri şekil 1 ve 2'de gösterilmiştir. Şekildeki numunelere doğrudan çekme yüklerini uygulayabilmek için çekme başlıkları yapılmaktadır. Bu metal başlıkların numuneye güçlü yapıştırıcılarla yapıştırılması ile çekme kuvveti uygulanmaktadır Yarmada Çekme Dayanımı Genellikle silindir şeklindeki numunelerin kullanıldığı deney yöntemi TS 3129 [6] ve ASTM C TMH - TÜRKÝYE MÜHENDÝSLÝK HABERLERÝ SAYI /6

3 TS 3284 [10] ve ASTM C 78 [11] ise, beton kirişin oturtulduğu mesnetlerden L/3 uzaklıktaki iki ktadan yüklenmesi durumundaki deney yöntemi anlatılmaktadır. Bu yöntem ile çekme dayanımı, (4) denklemi ile hesaplanır. Genellikle eğilmede çekme dayanımı deneylerinde kare kesitli kirişler kullanılır. Şekil 3 - Yarma deneyi uygulama düzeni [7] ya göre yapılmaktadır. Şekil 3'de görüldüğü gibi numune, deney presinin üzerine numune ekseni presin alt tablasına paralel olacak şekilde yatırılmaktadır. Uygulanan basınç yükü altında numune kırılır ve kırılma yükü ölçülür. Silindir numunenin kırılma şekli ortadan ikiye yarılarak gerçekleşmektedir. Basınç yükü uygulanması ile, beton yük ekseninde kısalma, yük eksenine dik doğrultuda uzama yani çekme gerilmeleri oluşacaktır. Numune üzerindeki çekme gerilmesi denklem (2) ile hesaplanır. Bu denklemde P, kırılmaya neden olan basınç yükü, L silindir numune boyu, D silindir numunenin çapıdır Eğilmede Çekme Dayanımı Betonun eğilmede çekme dayanımının tayini için kiriş numuneler hazırlanmaktadır. TS 3285 [8] ve ASTM C 293 [9] beton kirişin oturtulduğu mesnetlerin arasındaki mesafenin orta ktasından yüklenmesi durumundaki deney yöntemini anlatır. Bu deney yöntemi ile çekme dayanımı, denklemi ile hesaplanır. Şekil 4 - Orta ktasından yüklenmiş kiriş eğilmede çekme deney düzeneği (2) (3) Şekil 5 - Üçtebir ktalarından yüklenmiş kiriş eğilmede çekme deney düzeneği 4. Malzeme ve Metotlar numunelerinin üretiminde, Balıkesir deki bir hazır beton tesisinden alınan agregalar kullanılmıştır. Bu agregalar I lu mıcır, II lu mıcır ve kum olarak adlandırılmaktadır. I lu mıcırın sıkışık birim ağırlığı kg/m³, gevşek birim ağırlığı 1415 kg/m³, su emme oranı % 1.09, II lu mıcırın sıkışık birim ağırlığı kg/m³, gevşek birim ağırlığı 1434 kg/m³, su emme oranı % 0.78, kumun sıkışık birim ağırlığı kg/m³, gevşek birim ağırlığı 1283 kg/m³, su emme oranı % 5 olarak bulunmuştur. Araştırmada kullanılan beton numunelerin hazırlanmasında beton karma suyu olarak kullanılan su, kampüs su şebekesinden sağlanmıştır. Araştırmada kullanılan betonlarda, özel bir firma tarafından üretilen özgül ağırlığı 3.10 kg/dm³ olan katkılı portland çimentosu (PKÇ/A 42.5) kullanılmıştır. Kullanılan çelik lifler Dramix RC 80/60 BN türü olup, lif boyu 60 mm, lif çapı 0.75 mm dir. Böylece lifin narinliği (tel boyu/tel çapı) 80 bulunur. Çelik lifin standard çekme dayanımının en az 1100 N/mm² olduğu firma tarafından belirtilmiştir. Kullanılan çelik liflerin uçları kancalı olup birbirlerine özel tutkalla yapıştırılmış ve demetler halinde orijinal torbalarında ambalajlanmıştır. Beton karışım hesabı, istenen kıvam, işlenebilme, dayanım, dayanıklılık, hacim sabitliği ve diğer aranan özelliklere sahip en ekomik betonu elde edebilmek amacıyla gerekli agrega, çimento, su, hava ve gerektiğinde katkı maddesi miktarlarını tespit edebilmek için yapılan hesaptır [12]. Beton dizaynı için önce, beton tesisinden alınan agregaların tane büyüklüğü dağılımlarının belirlenmesi yapılmıştır. İyi bir beton elde edebilmenin ilk şartı malzemenin granülometrik olmasıdır. Yani, beto- TMH - TÜRKÝYE MÜHENDÝSLÝK HABERLERÝ SAYI /6 51

4 Çizelge 1-1 m³ karışıma giren agrega miktarları Karışım oranı Agrega hacmi, dm³ Ağırlığı, kg Kum x715.5= I lu mıcır x715.5= II lu mıcır Çizelge 2 - Kiriş eğilmede çekme dayanımları nun içindeki agregaların birbirleri arasındaki boşlukları iyi bir şekilde doldurabilmesi gerekmektedir. Bu nedenle, uygun granülometri için; % 40 kum, % 30 I lu mıcır ve %30 II lu mıcır agrega miktarları uygun bulunmuştur. Ayrıca elde edilen granülometrik eğrinin, TS 802 de verilen uygun bölgeye düştüğü görülmüştür. Beton karışım hesabı ile 1 m³ betona katılan agrega miktarları çizelge 1'de verilmiştir. numunelerinin hazırlanmasında kullanılan beton dış ortam şartlarında ve betoniyerde karıştırılarak üretilmiştir. Öncelikle betoniyere agrega ve çimento konularak kuru karıştırma işlemi yapılmış, daha sonra su ilave edilerek karıştırılmaya devam edilmiş ve beton kıvamını alınca çelik lifler karışıma atılarak lifli beton elde edilmiştir. Su/çimento oranının 0.45 olarak alındığı beton kalıplara üç tabaka halinde ve her defasında 25 kez şişlenerek yerleştirilmiştir. Numuneler döküldükten bir gün sonra kalıplarından çıkarılarak kür işlemine tabi tutulmuşlardır Numuneleri Betonun direkt çekme altındaki dayanımını araştırmak için şekilde görülen çekme numuneleri üretilmiştir. Üretilen numuneler lifsiz ve lifli olmak üzere iki grupta hazırlanmıştır. Hazırlanan numunelerin bir kısmı betonun TS 3114 [13] e göre yapılan basınç dayanımı tayininde, diğerleri de direkt çekme dayanımı tayininde kullanılmıştır. Bunlara ilaveten 150 x 150 x 500 mm lik kirişler eğilmede çekme dayanımı tayini için dökülmüşlerdir. Eğilmede çekme dayanımı orta ktasından yüklenmiş kiriş deneyleri aracılığıyla yapılmış, elde edilen sonuçlar çizelge 2'de özetlenmiştir Düzeneği Hazırlanan deney numunelerine direkt çekme kuvveti uygulayabilmek için numune çekme başlıkları tasarlanmıştır. numuneleri ve çekme başlıkları resim'1 de görülmektedir. lere başlamadan önce çekme başlıkları ile numune uyumu ve beklenilen numune kırılma türünün elde edilip edilemeyeceğini görmek için ön hazırlık olarak deneme deneyleri yapılmıştır. Bu deneylerde, istenilen numune davranışı ve çekme başlıklarının çekme cihazının verdiği çekme yükünü numunelere uygun biçimde ilettiği gözlendikten sonra çalışmanın çatısını oluşturan deneylere başlanmıştır. Resim 2'de görüldüğü üzere çekme numunesine önce çekme başlıkları takılmıştır. Çekme numunesi, bu metal başlıklar aracılığıyla çekme cihazına monte edilmiştir. Numunenin çekme cihazına yerleştirilmesi aşamasında oldukça titiz davranılması mümkün olabilecek deney hatalarını minimize etmeyi amaçlamıştır. Hazırlanan çekme numunelerinin direkt çekme altındaki dav- Resim 1 - Hazırlanan deney numuneleri ve çekme başlıkları Resim 2 - Çekme deney düzeneği 52 TMH - TÜRKÝYE MÜHENDÝSLÝK HABERLERÝ SAYI /6

5 ranışları kaydedilmiştir. ler sırasında olabilecek kazalara karşı özellikle numune taşıma gücünü yitirdikten sonra numune ve başlıklarının düşmesini engellemek için gerekli önlemler alınmıştır. 5. Sonuçlarının Tartışılması ve Öneriler Betonun basınç ve çekme dayanımları birbirleri ile yakından ilişkilidir. Genel anlamda, betonun çekme dayanımı basınç dayanımının % 10'u kadar alınmaktadır. Yapıların tasarım hesaplarında genellikle basınç dayanımı kullanılmaktadır. Ancak gevreklik özelliği ile bilinen betonun çekme kuvvetlerine karşı direnci düşük olduğu üzere, özellikle betonarme kirişlerde oluşan eğik çekme kuvvetleri çok büyük sorunlar yaratmakta olduğu hatırlanırsa betonun çekme dayanımının ne denli önemli olduğu bir kez daha vurgulanmış olur. Yapılan bu çalışma ile donatısız ve lifli betonun çekme dayanımlarının hem direkt çekme hem de eğilmede çekme altındaki davranışlarının deneyler ile gözlenmesi yapılmıştır. Elde edilen sonuçların toplu bir şekilde gösterimi çizelge 3'de verilmiştir. Çizelgede kullanılan birim kgf/cm²'dir. Çizelge 3 - Donatısız ve lifli numunelerden elde edilen çekme dayanımı değerleri Lifsiz Lifli Lifsiz Lifli Çalışmanın amaçlarından bir diğeri beton içerisine liflerin katılmasının çekme dayanımını hangi mertebede artıracağı idi. Elde edilen sonuçlara göre, direkt çekme altında lifli numunelerden elde edilen çekme dayanımı değerinin donatısız numunelerinkinden % daha fazla olduğu söylenebilir. Çalışmada kullanılan liflerin kesit içinde yönlenmesinin betonun çekme dayanımını etkilediği unutulmamalıdır. Direkt çekme dayanımı tayini deneyinde bir eksenli yükün uygulanması ile dayanımın elde edildiğine göre, yük uygulanma doğrultusuna paralel uzanan bir lifin katkısı ile yük doğrultusuna dik uzanan bir lifin katkısı arasında önemli fark söz konusudur. ler sonucunda beklenilen kırılma yüzeyi elde edilmiş olup, yük ile aynı yönde uzanan liflerin herhangi bir şekilde kopmadığı gözlenmiştir. Lifli çekme numuneleri taşıma gücünü lifler betondan sıyrılıp ayrılıncaya kadar devam etmişlerdir. Dolayısı ile liflerin çekme dayanımına katkısının beton ile lif arasındaki bu bağ kuvveti kadar olduğu söylenebilir. Oysa ki donatısız çekme numuneleri ise, beklenildiği gibi gevrek bir tarzda kırılmışlardır. Gevreklik özelliği ön planda olan basınç dayanımı yüksek betonun, çekme dayanımının özellikle betonarme kirişlerde oluşan eğik çekme gerilmeleri ve bu gerilmelerin yarattığı çatlakların varlığı bir kez daha düşünülürse betonun çekme dayanımının ne kadar önemli olduğu aşikardır. Dolayısı ile betonun çekme yükleri altındaki davranışının iyileştirilmesi önem kazanmaktadır. Bu amaçla, çalışmada kullanılan liflerin katkısının önemli derecede olduğu görülmektedir. 6. Kaynaklar [1] Ersoy U., Betonarme Temel İlkeler Taşıma Gücü Hesabı Cilt I, Evrim Yayınevi, [2] Kassas, A.A., Studies on the Tensile Strenght of Concrete, M.S. Thesis, METU, Ankara, [3] Shah, S. P., Stroeven, P., Dalhuisen, D.,Van Stekelenburg, P., Complete Stress-strain curves for Steel Fibre Reinforced Concrete in Uniaxial Tension and Compression, Testing and Test Methods of Fibre Cement Composites, RILEM Symposium 1978, Construction Press, Lancaster, pp [4] Visalvanich, Kitisak, and Naaman, Antoine E., Marc- April 1983, Fracture Model for Fiber Reinforced Concrete, ACI Journal, Proceedings V. 80, No.2, pp [5] Erdoğan T., Beton, ODTÜ Geliştirme Vakfı Yayıncılık ve İletişim A.Ş., [6] TS 3129, Betonda Yarmada Çekme Dayanımı Tayini i(silindir Yarma Metodu), Türk Standartları Enstitüsü, [7] ASTM C 496, Standart Test Method for Split Tensile Strenght of Cylindrical Concrete Specimens, Annual Book of ASTM Standards, [8] TS 3285, Betonun Eğilmede Çekme Dayanımını Tayini i(orta Noktasından Yüklenmiş Basit Kiriş Metodu İle), Türk Standartları Enstitüsü, Ankara, [9] ASTM C 293, Standart Test Method for Flexural Strenght of Concrete(Using Simple Beam with Center-Point Loading), Annual Book of ASTM Standards, 1994 [10] TS 3284, Betonun Eğilmede Çekme Dayanımını Tayini i(üçte Bir Noktalarından Yüklenmiş Basit Kiriş Metodu İle), Türk Standartları Enstitüsü, Ankara, [11] ASTM C 78, Standart Test Method for Flexural Strenght of Concrete(Using Simple Beam with Third-Point Loading), Annual Book of ASTM Standards, [12] TS 802, Beton Karışım Hesap Esasları, Türk Standartları Enstitüsü, Ankara, [13] TS 3114, Betonda Basınç Mukavemeti Tayini, Türk Standartları Enstitüsü, Ankara, TMH - TÜRKÝYE MÜHENDÝSLÝK HABERLERÝ SAYI /6 53