6. EMNİYET GERİLMESİ - GÜVENİRLİK VE KOROZYON

Transkript

1 6. EMNİYET GERİLMESİ - GÜVENİRLİK VE KOROZYON Bir yapının projelendirilmesindeki temel ilke, "taşıyıcı elemanların yapım sırasında ve bunu izleyen yıllarda, yapıya etkimesi beklenen çeşitli yük ve diğer etkilere emniyetle ve yapının kullanılış amacına zarar verecek duruma düşürmeden karşı koyabilmesi" olmalıdır. Bu bakımdan proje mühendisinin işi oldukça zordur. Özelliklerini iyi tanımlayamadığı malzemelerle, olası yükleri tahmin ederek, bazı varsayımlarla hesaplar yaparak, güvenilir yapılar oluşturmak oldukça riskli bir iştir. Bu durumda mühendisin görevi, çeşitli zorlamaları ve yapının gerçek davranışını tahmin ederek yapının tümünün veya bazı elemanların kullanılır olmaktan çıkmasını önlemektir. Kullanılır olmaktan çıkma deyimi kırılma ve çökmeyi kapsadığı gibi yapının kullanılışını etkileyen aşırı çatlama, titreşim ve deformasyonu da içermektedir. Bir yapının dış etkiler altında göçmemesi için, yapıda oluşan çeşitli gerilmelerin, her zaman malzemenin mekanik dayanımlarından küçük olması gerekir. Ancak, yapı elemanlarının mukavemet hesapları yapılırken aşağıdaki nedenlerden dolayı hiç bir zaman malzemenin gerçek mekanik dayanımları esas alınmaz: 1- Malzemelerin mekanik dayanımları deneylerle saptanmaktadır. Bu deneylerin yapılışında ve deney düzeneklerinde kaçınılmaz hatalar olabilir. Ayrıca, deneyler genellikle tek eksenli yükleme şeklinde yapılır. Ancak çoğunlukla malzemenin yapı içindeki gerçek durumu iki veya üç eksenli gerilme şeklindedir. 2- Deneylerle bulunan dayanımlar, özellikle doğal malzemelerde (taş vb.) önemli değişkenlikler gösterebilmektedir. Az sayıda deney örneği ile genel hükümlere varmak yanıltıcı sonuçlar verebilir. Hataları ortadan kaldırmak için istatistiksel yöntemler kullanılmaktadır. 3- Mekanik özellikleri belirlemeye yönelik yapılan deneyler genellikle kısa sürelidir. Uygulamada uzun süreli, zamana bağlı olarak değişen yükler ve diğer dış etkiler nedeniyle, mekanik dayanımlar deneylerle saptanan değerlerden farklılıklar gösterebilir.

2 4- Yapıyı etkileyebilecek yüklerin tahmininde ve hesaplanmasında hatalar olabilir. Ayrıca projelendirme hesaplarında yapılan kabullerde kaçınılmaz yanlışlıklar vardır 5- Yapının inşaatı sırasında değişik nedenlerle bazı önemli uygulama hataları yapılabilir. Taşıyıcı elemanların kesitlerinin daha büyük veya küçük yapılması, tesisat delikleri gibi projeye uymayan imalatlar, projede öngörülen malzeme kalitesinin tutturulamaması gibi hatalar yapının davranışının değişmesine neden olabilmektedir. Ayrıca yapının yıkılmamasından başka, kullanımı etkileyen bazı kusurları da (çatlak, sehim vb.) göstermemesi gerekir. Tüm bu nedenlerle yapı elemanlarının/malzemenin son dayanımına kadar yüklenmemesi gerekir. σ max yapıda oluşabilecek en büyük gerilme ise, yıkılmanın olmaması için σ max 'nin emniyet gerilmesi adı verilen bir gerilme değerinden küçük olması gerekir: σ max < σ emn. Emniyet gerilmesi, malzeme dayanımlarının 1'den büyük k emniyet katsayılarına bölünmesi ile elde edilir, k emniyet katsayıları her ülkenin yapı şartnamesinde tespit edilmiştir. Örneğin, bu katsayı betonlar için genellikle 3-4 arasında, çelikte ise 1.7 dolaylarındadır. Bir malzemenin özellikleri fazla değişim göstermiyorsa, statik ve dayanım hesapları çok itinalı yapıldı ise ve özellikle inşaat aşamasında iyi bir kontrol sağlanabiliyorsa, emniyet katsayısı oldukça küçük seçilebilir. Ancak yeni geliştirilen "Taşıma Gücü Kavramları" emniyet gerilmesi kullanılmasını benimsemez. Böyle olmakla beraber bugün için emniyet gerilmesi kavramı statik, mukavemet hesaplarında çok sık kullanılır. Aslında taşıma gücü ile yapılan hesaplarda da emniyetsiz bir durum söz konusu değildir. Bu yöntemle yapılan hesaplarda yükler birden büyük yük katsayıları ile çarpılır. Sınır gerilme değerleri birden büyük, malzeme katsayılarına bölünür. Ancak, bu katsayılar elastik teorideki emniyet katsayılarına kıyasla çok küçüktür ve elde edilen gerilmeler emniyet gerilmeleri değildir. Mühendislikte artık vazgeçilmez olarak kullanılan bilgisayar programları

3 yapı analizlerini ve projelendirmeyi oldukça kolaylaştırmaktadır. Burada unutulmaması gereken nokta program sonuçlarının körü körüne kullanılmasından kaçınmaktır. Mühendislik tecrübesi ve önsezisi ile yapılacak kontroller geri dönüşü olmayan hataların başta düzeltilmesini sağlayacaktır. Zamanla yapıların kullanılış amaçları da değişebilmektedir, örneğin, 80 yıl önce at arabalarının geçmesi için yapılan bir köprü bugün ağır motorlu taşıtların yüklerine maruz kalmaktadır. Bugün planlanan ve projelendirilen yapıların da gelecekte çok değişik koşullar altında değişik amaçlarla kullanılma olasılığı yüksektir. Ancak, bu değişmeler projelendirmede dikkate alınmadığından, yapının kullanım amacının değişmesi sırasında yapılması gereken tetkikler çok büyük önem taşımaktadır. Yapı emniyeti ile yapı maliyeti arasında doğrudan bir ilişki vardır. Ancak maliyetin tanımında "ilk maliyet" yerine, yıkılma veya hasar nedeni ile oluşacak zarar ve onarım masraflarını da kapsayan "toplam maliyet" kullanılmalıdır. Yapının hasar görme olasılığı çok düşük tutulduğu takdirde ilk yatırım maliyeti çok yüksek olacaktır. Aksi takdirde ise, hasarın doğuracağı ek maliyet artacağından her iki çözüm de ekonomik olmayacaktır. Dolayısı ile konu, bir optimizasyon problemi haline dönüşür. Şekil 9.1'de ise bir yapının performansı ve ekonomik servis ömrü arasındaki ilişki şematik olarak gösterilmiştir. Şekil 9.1'de tasarım kurallarına uyulmadan yapılmış, sürekli bakım, onarım hatta takviye gerektiren bir yapının verimi kesikli çizgilerle simgelenmektedir. Buna karşılık, aynı servis ömrü içinde hiç bakım gerektirmeyen bir yapının verimi ise düz çizgi ile gösterilmiştir. Burada bakım, onarım ve takviye işlemlerinin gerektirdiği ek zorunlu giderler dışında; görünüm bozukluğu, taşınma, yapının tamir süresince servis dışı kalması gibi dolaylı rahatsızlıklarda hesaba katılmalıdır. Yapıların ekonomik servis ömürleri yapı tipine göre değişmektedir. Çok önemli olmayan yapıların en az 50 yıl sorun çıkarmadan fonksiyonlarını yerine getirmesi beklenirken, önemli yapılarda bu süre 100 yıla kadar çıkabilir.

4 Korozyon Malzemelerin bulunduğu ortam (çevresel koşullar) tarafından kimyasal saldırıya uğrayarak bozulması korozyon olarak tanımlanabilir. Korozyon kimyasal reaksiyon sonucu oluştuğundan, korozyonun meydana gelme hızı bir dereceye kadar sıcaklığa ve tepkimeye girenler ile ürünlerin konsantrasyonuna bağlı olacaktır. Metallerin korozyonu bir dereceye kadar üretim metalürjisinin tersi olarak düşünülebilir. Metallerin çoğu doğada bileşikler halinde, örneğin oksitler, sülfürler, karbonatlar veya silikatlar olarak bulunur. Metallerin enerjileri bu tür bileşikler halinde iken daha düşüktür. Bu nedenle, saf halde enerjileri daha yüksek olan metallerin kendiliğinden kimyasal bileşikler oluşturma eğilimi vardır. Doğada yaygın olarak bulunan demir oksitler, ancak ısı enerjisi verilerek daha yüksek enerji durumundaki demir alaşımı olan çeliğe dönüştürülür. Daha sonra demir, çevre koşullarının etkisi ile paslanarak daha düşük enerjili durumdaki demir oksit haline diğer bir deyişle aslına geri döner.

5 Metaller, kimyasal etkilenme sonucu, belirli bir hızla oksit, tuz veya başka bileşim haline dönüşür. Korozyon sonucu metaller dayanım, düktilite gibi arzu edilen özelliklerini kaybederler. Metallerin korozyonu, yarattığı dolaylı rahatsızlıkların yanı sıra, her zaman malzeme israfına ve ekonomik kayıplara neden olmaktadır. Yaklaşık olarak her yıl üretilen demir miktarının % 25'i kadar demirin korozyon nedeniyle kullanılamaz hale geldiği sanılmaktadır. Korozyon nedeniyle ülkelerin malzeme, enerji, emek kayıplarının "Gayri Safı Milli Gelirinin" (GSMG) % 'i düzeyinde olduğu tahmin edilmektedir. Bu değere korozyonun neden olduğu üretim ve ürün kaybı dahil değildir. Örneğin, büyük şehirlerde korozyon nedeniyle delinen su borularından kaçan su miktarı çok büyük değerlere varmaktadır. Metallerde korozyon olayının gelişimi; malzeme türüne, ortam koşullarına ve yabancı faktörlerin varlığına bağlıdır. Korozyon ayrıca malzeme seçiminin ekonomikliğinde önemli rol oynar. Gereğinde daha ucuz bir malzeme korozyon nedeniyle, sık sık tamir veya yenilenme gerektirebileceğinden, daha çok dayanabilecek ve fiyatı fazla bir malzemeden daha az ekonomik olabilir. Bir metalin korozyona dayanıklı olup olmadığı; onun kimyasal bileşimine, kristal yapısına ve saflık derecesine bağlıdır. Su, endüstriyel bölgelerin atmosferi, toprak, asitler, bazlar, tuz çözeltileri gibi çevre koşulları korozyonun gelişimi için çok uygundur. Özellikle aktif iyonların ve korozyonu etkileyen bakterilerin varlığı ve ortamın asitlik derecesi korozyon olayında göz önüne alınmalıdır. İki tip kimyasal etkilenme vardır: 1) Doğrudan kimyasal etkilenme, 2) Elektro-kimyasal etkilenme Doğrudan kimyasal etkilenmede bir elektron akımı (cereyan) yoktur. Bu tip etkilenmede metallerin yüzeyinde eş dağılımlı oksijen reaksiyonu oluşur. Doğrudan korozyon sonucu metal üzerinde oluşan yapışık korozyon tabakasının kalınlığı, yaklaşık olarak, oluşma zamanının kare kökü ile orantılıdır.

6 Bu tip etkilenmeye en iyi örnek, bakır çatı kaplamalarında görülen korozyon olayıdır. Özellikle endüstriyel bölgelerin atmosferlerinde bulunan oksijen, nem, sülfür oksitleri, çatı kaplaması üzerinde yeşil renkli, erimeyen bakır sülfat örtüsü oluşturur. Oksit filminin metali koruma derecesi birçok etkene bağlı olup, önemli olanlar aşağıda verilmiştir: 1. Oksitlenmeden sonra, oksidin oksitlenen metale hacimsel oranı 1'e yakın olmalıdır. 2. Filmin iyi bir yapışma özelliği olmalıdır. 3. Oksidin erime noktası yüksek olmalıdır. 4. Oksit filminin buhar basıncı düşük olmalıdır. 5. Oksit filminin genleşme katsayısı metalinkine yakın olmalıdır. 6. Film parçalanmaması için yüksek sıcaklıkta şekil değişimi yapabilmelidir. 7. Metal iyonları ve oksijenin film içindeki yayılmaları ve filmin iletkenliği düşük olmalıdır. Oksitlenmeden sonraki oksit-metal hacim oranlarını hesaplamak, metalin oksidinin koruyucu olup olmayacağını belirlemek için yapılacak ilk iştir. Bu oran, oksitlenme ile oluşan oksidin hacminin oksitlenme ile tüketilen metalin hacmine oranı olup, Pilling-Bedvvorth (P.B.) oranı diye adlandırılır. Eğer oksit filminin hacmi metale kıyasla küçükse, gözenekli ve yüzeye zayıf bağlı ise kolayca dökülür. Yüzeyi koruma özelliği kaybolur. Yüzeyde oluşan oksit filminin hacmi metalinkine yakın ve yüzeye iyi bağlı ise, oksitlenme kısa sürede durur, ince film tabakası halinde kalır ve yüzeyi korur. Bakır ve alüminyum oksitlenmeleri bu tür olup zararsızdır. Demirde olduğu gibi P.B. oranı birden büyükse basınç gerilmelerı meydana geleceğinden, oksit çatlayarak soyulma eğiliminde olacaktır. Dolayısı ile hasar sürekli olarak devam edecektir. Elektrokimyasal etkilenmede ise belirgin anot bölgelerinden katot bölgelerine önemli bir elektron akımı vardır, iyon hareketi ile bir elektrik akımı doğar ve korozyon yerel olarak oluşur. Pillerin oluşması ile metal zamanla harap olur. Bu olay tersinir olup, kısa sürede dengeye ulaşır. Aynı eriyik içine iki ayrı türde metal daldırılırsa aralarında bir gerilim doğar ve buna galvani pili adı verilir. Elektron veren metal anot, elektron alan metal ise katot olur. Bir iletkenle birleştirilirse anottan çıkan elektronla katoda geçer. Elektron kaybeden metalin iyonları eriyiğe geçerek korozyon oluşturur, katot ise etkisiz kalır. Bu şekilde

7 galvani çiftlerinde görülen korpzyona elektrokimyasal korozyon denir. Her metalin hidrojen elektrotuna göre ölçülen bir elektrot potansiyeli vardır. Demir ortamın rutubeti ve oksijenle birlikte galvani elemanı oluşturur ve sürekli olarak korozyon etkisinde kalır. Demir, nemli ortamda aşağıdaki şekilde iki aşamada iyonlarına ayrılır. Böylece sürekli olarak pas adı verilen Fe(OH) 3 oluşur. Görüldüğü gibi demirin korozyonu için sürekli olarak oksijen ve su olması gerekir. Aksi takdirde demir paslanmaz. Bu nedenle çöl iklimi gibi kurak bölgelerde metaller daha az paslanır.

8

9 Korozyondan Korunma Yöntemleri Metallerin korozyonunu önleme yöntemleri farklılıklar gösterirse de asıl olan korozyon yapan etkenleri ortadan kaldırmaktır. Ancak uygulamada elektrolitin bulunmadığı halleri sağlamak son derece güçtür. Örneğin, havadaki su buharı yoğuşarak yüzeylerde su filmi oluşturur. Bu su filmi de elektrolit görevi yapar. Bu nedenle metal parçalan üzerine yağ ve gres sürülür. Uygulamada kullanılacak yöntemi genellikle ekonomik koşullar belirler. Bir mühendis bazı cihazları ve parçaları belirli sürelerde değiştirmenin mi, yoksa parçayı korozyona daha dayanıklı fakat daha pahalı bir malzemeyle üreterek daha uzun bir süre kullanmanın mı daha ekonomik.

10 Bozulma Korozyon metallerin değişik yollarla bozulması olayıdır. Beton, ahşap gibi diğer yapı malzemelerinin önemli bir kısmı; fiziksel, mekanik, kimyasal ve biyolojik etkenler sonucu zamanla bozulup, işlevlerini yerine getiremez hale gelebilir. Malzemenin donma-çözülme, aşırı yükleme, sülfat-asit etkisi, küflenme, çiçeklenme, deniz suyu, güneş ışığının etkisi gibi çok sayıda etkene karşı dayanıklı olmasına kalıcılık (durabilite) özelliği adı verilir.