Pultruzyon Metodu ile Üretilen Cam Fiber Takviyeli Plastik Profillerin Sera Modellemesinde Kullanılması

Transkript

1 Uluslararası Deprem ve Yapı Mühendisliğinde Gelişmeler Sempozyumu, 4-6 Ekim 007 Süleyman Demirel Üniversitesi, Isparta-Antalya, Türkiye Pultruzyon Metodu ile Üretilen Cam Fiber Takviyeli Plastik Profillerin Sera Modellemesinde Kullanılması M. Sarıbıyık, A. Cumhur, F. Aydın, A. Sarıbıyık Sakarya Üniversitesi, Yapı Eğitimi Bölümü, Sakarya, Türkiye N. Çağlar Sakarya Üniversitesi, İnşaat Mühendisliği Bölümü, Sakarya, Türkiye Öz Dünyadaki teknolojik gelişmelere bağlı olarak iklime bağlı kalmadan, bütün yıl boyunca ekonomik olarak tarımsal üretimin yapıldığı tesislerin (sera) yapımında kullanılan yeni malzemeler ve teknolojik ürünler sürekli araştırılmakta ve geliştirilmektedir. Teknolojinin son ürünlerinden biri de Cam Elyaf Takviyeli Plastik (CTP) malzemelerdir. Cam elyaf takviyeli plastik malzeme temel olarak kalıp görevi gören reçine içine gömülmüş sürekli veya kırpılmış elyaflardan oluşmaktadır ve çeşitli üretim metotları kullanılarak üretilmektedir. Bu metotlardan Pultruzyon metodu, CTP kalıplamasında, özellikle inşaat sektöründe hem ana malzeme hem de tamamlayıcı malzeme olarak kullanılan profil türündeki ürünlerin yapımında kullanılmaktadır. Bu çalışmada, pultruzyon metodu ile üretilmiş CTP profillerinin mekanik özellikleri, ulusal ve uluslararası düzeyde kabul edilen metotları kullanılarak belirlenmiştir. Belirlenen mekanik özellikler kullanılarak yapı sistemi bilgisayar ortamında yaygın olarak kullanılan sonlu elemanlar metodu ile modellenerek statik ve dinamik yükler altındaki davranışı tespit edilmiştir. CTP malzemeden üretilmiş modele ait bilgisayar verileri, çelik konstrüksiyon çözümleri ile karşılaştırılarak alternatif çözüm olma durumları belirlenmiştir. CTP profillerin avantajları dikkate alındığında seracılıkta kullanımının önem ortaya konulmuştur. Anahtar sözcükler: Cam takviyeli plastik, Pultruzyon metodu, Sera tasarımı, Statik analiz, Dinamik analiz. ABSTRACT Research activities have been taking on place in many ports of the world to develop or produce new greenhouse construction materials in order to grow more economical agricultural products. One of the new technological materials is Pultruded Glass Fiber 674

2 Reinforced Plastic (GRP) materials. GRP materials are made using resin and glass fibers and are produced by many manufacturing methods. GRP structural members are currently produced successfully by pultrusion and are used in a number of civil engineering applications as main and secondary structural elements. In this study, mechanical properties of the pultruded GRP sections have been determined according to the national and international standards to use in the numerical model. Pultruded GRP greenhouse construction has been modeled and compared with the steel structure, which are under the effect of dynamic and static loads. Therefore; the GRP materials strongly recommended to use in the greenhouse structures due to the advantages compared with the conventional materials. Key Words: Glass reinforced plastic, Pultrution method, Greenhouse model, Static analysis, Dynamic analysis. Giriş Ülkemizde kırsal kesimde nüfusun tutulmasının en önemli sorunlarından biri toprak sermaye büyüklüğüdür. Artan nüfus, gittikçe parçalanan arazi her geçen gün küçük alanlardan daha fazla yararlanmayı gerektirmektedir. Sera, şu anda ülkemizde işsizliği azaltan, daha fazla ürün alınmasını sağlayan, nüfusu kırsal kesimde tutarak çarpık şehirleşmeyi önleyen önlemlerin biri olarak görülmektedir (Nedim,004). Sera elemanlarının planlanmasında ve seçiminde bölgenin iklim durumu, serada yetiştirilmek istenen bitki türü, seracılık işletmesinin büyüklüğü ve işletme tipi göz önüne alınmalıdır. Ayrıca seranın yapımında kullanılacak olan malzemenin seçilmesinde ucuz ve sağlam olması, seri üretime uygun olması, kuruluş ve tamirinin kolay olması, hava koşullarından etkilenmemesi ve yetiştirilecek ürüne göre iklimlendirme yapılabilmesi gibi etmenlerin göz önüne alınması gerekmektedir. Günümüzde bu özellikleri sağlayan, geleneksel malzemelere göre birtakım avantajlara sahip kompozit malzemelerden olan CTP malzemeler giderek önem kazanmakta ve kullanımı yaygınlaşmaktadır. Cam Elyaf Takviyeli Plastikler Cam Elyaf Takviyeli Plastikler (CTP) temel olarak kalıp görevi gören reçine içine gömülmüş sürekli veya kırpılmış cam elyaflardan oluşmaktadır ve çeşitli üretim metotları kullanılarak üretilebilmektedir. Bu metotlardan Pultruzyon (Profil Çekme) metodu, CTP kalıplamasında, özellikle inşaat sektöründe hem ana malzeme hem de tamamlayıcı malzeme olarak kullanılan profil türündeki ürünlerin yapımında kullanılmaktadır. Pultruzyon metodu ile elde edilen profiller içinde içerdiği yüksek oranda elyaf fiberleri sayesinde çok yüksek mukavemete ve mekanik değerlere sahip olmaktadır (Şekil 1). Bunun sonucu olarak birçok alanda kullanıma bağlı olarak çeşitli metallere, ahşap ve plastiklere oranla tercih edilmektedirler. 675

3 Şekil 1 Pultruzyon metodu ile üretilmiş profil detayı ( Pultruzyon metodu; karbon, aramid ve cam elyaf gibi çeşitli elyaflar ile dokuma ve keçelerin bir reçine banyosundan geçirilerek kalıp içinde ısı altında şekillendirilmesidir. Burada elyaflar bir banyo içinde istenilen özelliklere uygun olan reçine ile ıslatılırlar ve şekillendirilmenin yapılacağı kalıp içine girerler. Kalıp içinde birkaç bölgede kontrol edilen sıcaklık dağılımı altında şekillendirirler ve daha sonra çekici yardımı ile çekilerek istenilen boylarda kesilirler (Şekil ). Bu yolla elde edilen kompozit malzeme termoset özelliklerde olup, sıcaklık ile tekrar yumuşamaz, eritilemez ve yapısında yüksek oranda elyaf yüzdesine sahip olurlar. Şekil Pultruzyon makinesinin taslak gösterimi ( Profil çekme metodu ile üretilen kutu, boru, I, T, L, ve U profillerinin yanı sıra sabit şekle sahip olmayan ve renkli profillerin de üretimi rahat bir şekilde yapılabilmektedir (Şekil 3). 676

4 Şekil 3 Pultruzyon metodu ile üretilmiş CTP profil örnekleri ( CTP malzemenin üstün mekanik dayanımının yanısıra, hafifliği, korozyon dayanımı, düşük yoğunluk ve dayanım/yoğunluk oranının yüksekliği, düşük ısı iletkenliğine sahip olması, uzun yıllar bakım ve boya gibi ek bir hizmete ihtiyaç duymaması, üretimin düşük iş gücü ile yapılabilir olması, kolay kesilebilir ve işlenebilir olması gibi özelliklerinden dolayı CTP profilleri inşaat sektöründe birçok malzemenin alternatifi olma yönünde hızla ilerlemektedir. Bütün bu üstün özelliklerinden dolayı inşaat sektöründe birincil (taşıyıcı) eleman olarak kullanılmasının yolları aranmıştır. Başlangıç aşamalarında fazla yüke maruz kalmayan küçük yapılar daha sonra ise daha kapsamlı yapılarda kullanılma çalışmaları devam etmiştir (Şekil 4). Şekil 4 CTP profillerle üretilmiş yapı örnekleri ( 677

5 CTP lerin Fiziksel ve Mekanik Özelliklerinin Belirlenmesi Bir yapıya etki eden kar, rüzgar, deprem kuvvetleri ile yapı elemanlarının ağırlıkları ve hareketli yükler yapı elemanlarında çeşitli gerilmeler oluşturmaktadır. Bu nedenle bir yapı tasarlanırken yapıyı oluşturan yapı elamanlarının bu etkilere karşı yeterli dayanım ve dayanıklılıkta olması beklenir. Pultruzyon metodu ile üretilmiş CTP malzemelerin sera tasarımında kullanılması için mekanik özelliklerinin belirlenmesi ve emniyet sınırları içerisinde hesap yapılması gereklidir. Bu amaçla CTP profiller üzerinde deneysel çalışmalar yapılmıştır. Çekme Deneyi Kalıcı sera tasarımında kullanılacak CTP profile ait, elastisite modülü, poisson oranı ve çekme dayanımlarını belirlemek için çekme deneyleri yapılmıştır. Öncelikle ülkemizde üretim yapan fabrikalardan temin edilen farklı boyutlardaki CTP profilleri, ilgili standartlara (TS 3860, TS ,5 1997) ve deney şartlarına uygun şekilde hazırlanmış ve teste tabi tutulmuşlardır. Numunelerin çekme test makinesinin çenelerinden zarar görmemesi için uçlarına 1mm kalınlığında 15mm x 50mm lik metal plakalar yapıştırılmıştır (Şekil 5). Yükleme esnasında deney numunesi tamamen koparılıncaya kadar çekme kuvveti uygulanmıştır (Şekil 5). Şekil 5 Metal başlık yapıştırılmış çekme test numuneleri ve deney sonrası. Elde edilen veriler ile elastisite modülleri, poisson oranı ve çekme gerilmeleri hesaplanmıştır. Lifler doğrultusundaki ve liflere dik doğrultudaki elastisite modülleri, maksimum gerilmeler ve poisson oranları hesaplanmıştır. Deney sonuçlarında ortalama değerleri incelendiğinde lif doğrultusuna paralel numunelerin elastisite modülü (E) 9,537 kn/mm ve uzama değeri %,01 olarak bulunmuştur. Çekme gerilmesi ortalaması ise 0,586 kn/mm olarak bulunmuştur. Lif doğrultusuna dik numunelerin elastisite modülü 7,8717 kn/mm, maksimum çekme gerilmesi 0,034 kn/mm ve ortalama uzama değeri %0,35 olarak bulunmuştur. Poisson oranı deneylerinden elde edilen sonuçlar incelendiğinde tüm numunelerin ortalaması 0,34 olarak bulunmuştur. Eğilme Gerilmesi CTP malzemesinin eğilme özelliklerinin belirlenmesi için standartlara uygun (TS 4650-, TS 985, 000 ve ASTM D 790, 199) eğilme deney numuneleri hazırlanmıştır. 70x6x3,5mm lik kutu profillerden 50mm boyunda ve 11,5mm genişliğinde numuneler hazırlanarak eğilme testine tabi tutulmuşlardır. Yapılan eğilme 678

6 deneyleri sonucunda elde edilen veriler hesaplandığında numunelerin ortalama eğilme gerilmesi 0,560 kn/mm² olarak bulunmuştur. Isıl Genleşme 0 CTP profillere ait genleşme değeri için çalışma sıcaklığı C arası seçilmiş ve her sıcaklık arttırılışında çubukların termal dengeye gelmeleri için bir müddet beklenmiştir. Bu bekleme süresinin belirlenmesinde, sıcaklık artışı sonucu çubukta meydana gelen uzamanın sonlanması için gereken zaman baz alınmıştır. Hesaplamalar sonucunda ısıl genleşme kat sayısı 5,118 x 10-6 mm/mm C olarak bulunmuştur. Birim ve Özgül Ağırlık Toplam 10 adet numune ile yapılan birim ve özgül ağırlık değerleri incelendiğinde CTP malzemesinin ortalama birim ağırlık değeri 1,75gr/cm 3 olarak bulunmuştur. Aynı numunelere ait özgül ağırlık değerleri incelendiğinde CTP malzemesinin ortalama özgül ağırlık değeri 1,77g/cm 3 olarak bulunmuştur. CTP ile Model Seranın Tasarımı Bir sera hangi malzeme ile inşa edilirse edilsin (CTP, çelik, ahşap vs.) genel olarak beklenenlerin başında, statik ve dinamik (rüzgar ve deprem) yüklere karşı dayanım, hafiflik, sera yapım süresinin kısalığı ve kullanım amacına uygun olması beklenir. Bütün bu nitelikleri içeren ve özellikleri Tablo 1 de özellikleri verilen sera modeli SAP000 sonlu elemanlar programı kullanılarak bilgisayar ortamına aktarılmış ve Şekil 6 da görüldüğü gibi simüle edilmiştir. Tablo 1 Tasarlanan Sera Modelinin Özellikleri. Sera Tipi Makaslı Tek Çatılı, Blok Sera Sera Genişliği 6,00m Sera Uzunluğu 1,00m Sera Yan Duvar Yüksekliği,40m Sera Çatı Eğim Açısı 6 Sera Mahya Yüksekliği 3,90m Su Basman Duvar Yüksekliği 0,0m Sera Alanı 7,00m Sera Yapı Malzemesi CTP Kutu Profil Sera Çatı Örtü Malzemesi Plastik Sera Yan Duvarlar Örtü Malzemesi Plastik Mertek Aralığı,00m Ekleme ve Bağlantılar Geçmeli ve Yapıştırmalı Tasarımı yapılan serada yük hesabı, yük cinslerine göre yük miktarları belirtilerek model sera üzerindeki verilere göre teorik yük hesabı yapılmıştır. Hesaplamalara esas teşkil eden yük cinsleri ve miktarları (Nedim, 004) Tablo de verilmiştir. Pultruzyon metodu ile üretilmiş CTP profillere ait mekanik özellikler; malzeme üzerinde yapılmış deneysel çalışmalar sonucunda, çeliğe ait mekanik özellikler kaynaklara göre (TS 648, 679

7 198 ve SAP000) belirlenmiştir (Tablo 3). Yapılan bu hesaplamalar sonucunda bulunan yük değerleri göz önüne alınarak kombine edilmiş (Tablo 4) ve SAP000 programının da, seraya yüklerin kombinasyonlar halinde etki ettirmesi sağlanmıştır. Tablo Hesaplamalara esas teşkil eden yük cinsleri ve miktarları Yük Cinsi Yük Miktarı Kar Yükü (Çatı için Hareketli Yük) 0,661 kn/ m Çatı Kaplaması (Ölü Yük) 0,061 kn/ m (3,5mm kalınlıkta CTP) Rüzgar 0,40 kn/ m Zati Malzemeye Göre Deprem Yükü Tablo ve Şekillerden Şekil 6 CTP sera modeli perspektifleri. Tablo 3 Malzeme mekanik özellikleri. ÇELİK CTP 3 Birim hacim ağırlık ( ) ( g / cm ) ,749 3 Özgül Ağırlık(γ ) ( g / cm ) ,773 Su emme Yüzdesi ( Ağırlıkça) ( S a ) (%) 0 0,5 Elastisite Modülü ( E x ) ( kn / cm ) Elastisite Modülü ( ) y,z E ( / cm ) kn Poison Oranı ( ν ) 0,3 0,34 x,y,z Isı Gen. Katsayısı ( T ) (mm/ 0 ) 1, , x,y,z C Kayma Modülü ( G x,y,z ) ( kn / cm ) 7690,31 31,3 Kayma Gerilmesi ( kn / cm ) 8,153 8,8 Kayma Gerilmesi τ y, z ( kn / cm ) 8,153 6,44 Çekme Gerilmesi ( kn / cm ) 4,8 54,57 Eğilme Gerilmesi ( kn / cm ) - 56,06 Tablo 4 Yük kombinasyonları. 680

8 Kombinasyon Adı Kombinasyon 1 (K.1) Kombinasyon (K.) Kombinasyon 3 (K.3) Kombinasyon 4 (K.4) Kombinasyon 5 (K.5) Kombinasyon 6 (K.6) Kombinasyon Şekli [ Zati 1 ] + [ Kar 1] [ Zati 1 ] + [ Rüzgar 1] [ Zati 1 ] + [ Kar 1] + [ Rüzgar 1] [ Zati 1 ] + [ Deprem ±1] [ Zati 1 ] + [ Kar 1] + [ Deprem 1] [ Zati 1 ] + [ Kar 1] + [ Rüzgar 0,5] Model Sera Tahkik Sonuçları Model sera yapıları aynı boyutlarda hem çelik hem de CTP malzemeleri ile modellenmiş ve model yapıların Tablo 4 deki yük kombinasyonlarına göre SAP000 programı ile analizleri yapılmıştır. Sera için yapılan tahkiklerde, sera taşıyıcı kutu profil elemanlarında maksimum olan iç kuvvet değerleri esas alınarak tahkikler yapılmıştır. Çelik ve CTP model serada malzemede meydana gelen basma, çekme, kesme, eğilme gerilmeleri Tablo 5 de gösterilmiştir. Tablo 5 Sera modelinde yük değerlerine göre tahkik sonucu. Çekme Basma Gerilmesi (kn/cm²) Kayma Gerilmesi (kn/cm²) Eğilme Gerilmesi (kn/cm²) Çelik CTP Çelik CTP Çelik CTP Kolon + 16,07 +1,16 3,60 3,58 Aşık -,81 -,09 0,395 0,314 14,60 11,13 Çatı Üst Başlığı - 8,45-3,38 Çatı Alt Başlığı + 8,71 + 6,7 Çatı Dikme Elemanı +,69 +,67 Çatı Diyagonal Elemanı - 4,16-4,5 Çelik ve CTP sera modeli için Tablo 4 de gösterilen malzeme mekanik özelliklerine göre Tablo 5 de sera modelinin sınır emniyet değerlerine göre değerlendirilmesi yapılmıştır. Elde edilen verilerden yararlanılarak model sera için yapılan çözümler malzeme sınır değerleri ile karşılaştırılmış ve eleman bazında, CTP malzemesinin özelliklerine uygun sera tasarlanması ile güvenli bir sistem oluşturulduğu ortaya konulmuştur. Sonuç ve Öneriler Yapı sektöründe her geçen gün yeni bir malzeme veya mevcut malzemelerin iyileştirilmesi için sayısız çalışmalar yapılmaktadır. Bu çalışmada; sera ihtiyacına cevap verebilecek hafif, güvenilir ve sağlam malzemelerden biri olan pultruzyon metodu ile üretilmiş CTP profillerin alternatif bir çözüm olma durumu incelenmiştir. Buna göre: 681

9 CTP malzeme üzerinde yapılan deneysel çalışmalara göre; Lif doğrultusuna paralel elastisite modülü (Ex) 9,54 kn/mm², lif doğrultusuna dik elastisite modülü (Ey,z) değeri 7,87kN/mm², poisson oranı 0,34, dolu kesitli numuneler üzerinde yapılan deney sonucunda eğilme gerilmesi 0,56 kn/mm², ısı genleşme katsayısı (λ) 6 5, ( mm / mm. C), birim ağırlık değeri 1,749 g/cm³, özgül ağırlık değeri ise 1,773 g/cm³ olarak belirlenmiştir. CTP sera elemanlarının malzeme mekanik özelliklerine göre yapılan analizlerde yeterli sınır emniyet değerlerine ve kesitlere sahip olup olmadığı ile ilgili yapılan tahkiklerinde, CTP sera elemanlarının sınır emniyet değerleri içerisinde kaldığı tespit edilmiştir. Böylece CTP malzemesinin özelliklerine uygun sera tasarlanması ile güvenli bir sistem oluşturulduğu ortaya konulmuştur. CTP profillerin özgül ağırlığının çeliğe düşük olması, CTP ile oluşturulan model seradaki zati ağırlığının önemli ölçüde azalmasını sağlamıştır. Böylece, en önemli taşıyıcı eleman olan kolonlara, dinamik yükler (rüzgar ve deprem yükü) altında gelen kesme kuvvetini azalttığı tespit edilmiştir. CTP profillerin boya gerektirmemesi, rutubete dayanıklı olması, hafif olmaları nedeniyle sağladığı düşük işçilik avantajı, yüksek fayda/maliyet oranı sayesinde kalıcı seracılıkta kullanılması birçok avantaj sağlayacaktır. Kaynaklar ASTM D 790 (199) Standart Test Methods For Flexural Properties Of Unreinforced Plastics and Electrical İnsulating Materials. Nedim Yüksel, A. (004) Sera Yapım Tekniği. 4. baskı, Hasad Yayıncılık Ltd. Şti, İstanbul, Türkiye. TS 3860, (198) Plastikler Cam Lifle Pekiştirilmiş Malzemelerde Çekme Özelliklerinin Tayini, Ankara, Türkiye. TS (1997) Plastikler-Çekme Özelliklerinin Tayini-Bölüm 4: İzotropik ve Ortotropik Elyaf Takviyeli Plastik Kompozitler İçin Deney Şartları, Ankara, Türkiye. TS (1997) Plastikler - Çekme Özelliklerinin Tayini Bölüm 5: Tek Yönlü Elyaf Takviyeli Plastik Kompozitler İçin Deney Şartları, Ankara, Türkiye. TS 4650-, (1997) Plastikler - Cam Elyaf Takviyeli - Fitille Takviye Edilmiş Reçine Çubukların Mekanik Özelliklerinin Tayini Bölüm : Eğilme Mukavemetinin Tayini, Ankara, Türkiye. TS 985 (000) Plâstikler - Eğilme Özelliklerinin Tayini Ankara, Türkiye. TS 648, (198) Çelik Yapılar Hesap ve Yapım Kuralları, Türk Standartları Enstitüsü, Ankara, Türkiye