INS 222 Yapı Malzemesi

DERSLER Öğretim Üyesi: Yrd. Doç. Dr. Ü. Anıl DOĞAN Zaman: Çarşamba / 12:30-15:20 Derslik: A205 Aktiviteler: Yeni konuların sunulması Ders, deney, ödev, sınav vb. ile ilgili duyurular Sınavlar* *Mazeret sınavı sadece acil durumlar için yapılır. 2

LABORATUVAR DENEYLERİ 1-Çimento Deneyleri 2-Agrega Deneyleri 3-Beton Üretimi 4-Sertleşmiş Beton Deneyleri Zaman: Laboratuvar deneylerinin ne zaman yapılacağı dönem içerisinde ilan edilecektir Yer: Yapı Malzemeleri Laboratuvarı Amaç: Derslerde öğrenilenleri deneysel gözlemlerle birleştirerek malzemeler hakkında daha çok şey öğrenmek. Aynı zamanda mühendislik raporlarının uygun bir şekilde hazırlanması. -Deneyleri kaçırmamaya dikkat ediniz. -Eğer bir öğrenci deney uygulamasına katılmazsa vereceği deney raporu kabul edilmemektedir. En az 2 deneye katılım zorunludur. 3

OFİS SAATLERİ Çarşamba 09:30-12:00 e-posta: doganunal@itu.edu.tr Aktiviteler: Sınav, deney vb. tartışmak Dersle ilgili sunumları, soruları, kitap bölümlerini tartışmak 4

DERS KİTABI Ders kitabı: Sınıf notları Yapı Malzemesi, İTÜ İnşaat Fakültesi, 1991, Prof. Dr. M. Süheyl AKMAN Materials for Civil and Construction Engineers: Michael S. Mamlouk and John P. Zaniewski, third (international) edition, Pearson Education Inc. (2011) Ek kaynaklar: Beton: Cilt I (Çimento), Cilt II (Agrega ve beton), Teknik Kitaplar Yayınevi, 1986-1987, Prof. Dr. Bekir POSTACIOĞLU Malzeme Bilimi, Bilim Teknik Yayınevi, 2006, Kaşif ONARAN Properties of Concrete, Prentice Hall, Fourth Edition, London, 2000, A. M. Neville Lea s Chemistry of Cement and Concrete, Fourth Edition, Butterworth-Heinemann; Fourth Edition, 2004, Peter Hewlett Concrete: Microstructure, Properties and Materials, McGraw-Hill Professional, Third Edition, 2005, Kumar Mehta 5

DEĞERLENDİRME Laboratuvar raporları % 5 Planlanan tarihler: 6. hafta: 14/03/2018 8. hafta: 04/04/2018 9. hafta: 11/04/2018 2 Dönem Ödevi % 5 Yıliçi Sınavları % 20+ % 20 Yıliçi Toplam Etkisi % 50 Planlanan tarihler: 7. hafta: 21/03/2018 14. hafta: 16/05/2018 Yılsonu Sınavı* % 50 Laboratuvar ve yıliçi sınavları ile ilgili dönem içerisinde yapılacak duyuruları takip ediniz. 7

GİRİŞ Yaygın inşaat mühendisliği malzemeleri: çelik mineral aggregalar beton duvar elemanları asfalt ahşap Zemin mekaniğinde toprak Az yaygın malzemeler aluminyum cam plastik Lifli kompozitler 8

Yeni Malzemeler Gelişmeler polimerler adhesiveler kompozitler Geotekstiller kaplamalar Sentetik malzemeler Yüksek performanslı malzemeler Yüksek dayanım/ağırlık oranı Yüksek dürabilite düşük maliyet 9

Malzeme Seçim Kriterleri Ekonomik faktörler Mekanik faktörler Mekanik olmayan faktörler Üretim/yapım Estetik özellikler Sürdürülebilirlik kriterleri Ön şartlar Müşteri talepleri Tesisin kullanım fonksiyonu 10

1.1 Ekonomik Faktörler Gözönünde bulundurulacak faktörler: Ham madde mevcudiyeti ve fiyatları Üretim maliyetleri Ulaşım Yerleştirme Bakım 11

1.2 Mekanik Özellikler Dış yüklere karşı gösterilen direnç Yükleme altında tüm malzemeler aşağıdaki kriterlere bağlı olarak deforme olurlar: malzeme özellikleri yükün tipi ve şiddeti malzeme boyutları 12

Gerilme-Birim Şekil Değiştirme İlişkisi Tüm katı malzemeler yük altında deforme olur Gerilme, kuvvetin (veya yükün) boyuttan bağımsız olarak ifadesidir. Böylece farklı boyutlardaki malzemeleri karşılaştırabiliriz gerilme = kuvvet / alan s = F / A (psi, ksi, kpa, MPa, GPa, N/mm 2 ) Birim şekildeğiştirme deformasyonun boyuttan bağımsız ifadesidir Birim şekildeğiştirme = deformasyon / ilk boy e = DL / L 0 (%, in/in, mm/mm) 13

Gerilme Gerilme Gerilme Gerilme Gerilme Tipik Gerilme-Şekildeğiştirme Diyagramları s e genellikle düşük gerilmeler altında doğrusaldır fakat daha sonra doğrusallıktan ayılır. Birim şekil değiştirme Birim şekil değiştirme Birim şekil değiştirme Birim şekil değiştirme Birim şekil değiştirme Cam ve tebeşir Çelik Aluminyum alaşımlar Beton Yumuşak kauçuk (elastomer) 14

Gerilme Elastik Davranış Uygulanan yüke gösterilen tepki Yükleme kaldırıldığında orijinal şekline geri döner Atomlar arasındaki bağlar düzenleri değişmeden uzar Yükleme Boşaltma Birim şekil değiştirme 15

Gerilme Gerilme Doğrusal & Doğrusal Olmayan Davranış Doğrusal bir davranış gerilme-birim şekildeğitirme diyagramında düz bir çizgidir. Elastik bir malzeme orijinal haline geri döner. Doğrusal olmayan Non-linear elastik elastic Linear Doğrusal elastic elastik Birim şekil değiştirme Birim şekil değiştirme Doğrusal Non-linear olmayan inelastic elastoplasik 16

Elastik Malzeme Özellikleri Elastisite Modülü veya Young Modülü E = Ds / De Gerilme-birim şekildeğiştirme eğrisinin doğrusal kısmının eğimi Poisson oranı n = -e l / e a Yanal şekildeğiştirmenin, e l, boyuna şekil değiştirmeye oranı, e a Malzeme uzatıldığında kesiti daralır ve basınç halinde de tam tersi olur Değeri = 0-0.5 (genelde 0.1-0.45) 17

Gerilme Stress Eğer davranış doğrusal değilse nasıl hesaplanır? Eğimi nasıl bulabiliriz (Elastisite Modülü)? Başlangıç Tanjant Modülü Tanjant Modülü Kiriş Modülü Sekant Modülü Birim şekildeğiştirme 18

Tipik Elastisite Modülü ve Poisson Malzeme Oranları Elastisite Modülü (GPa) Poisson Oranı Aluminyum 69-76 0.33 Tuğla 10-17 0.23-0.40 Beton 14-41 0.11-0.21 Kireçtaşı 58 Çelik 200 0.27 Ahşap 6-15 19

Elastoplastik Davranış Çoğu malzeme düşük gerilmeler altında elastik daha sonra plastik davranış gösterir. Geçiş noktası elastik limit Elastik Atomlar arasındaki bağlar düzenleri bozulmadan uzar Toparlanabilir deformasyon (yayın geri gelmesi) Plastik Atomsal bağlar birbiri içerisinde kayar ve yeniden düzenlenir Kalıcı deformasyon (geri ilk haline dönemez) 20

Gerilme Yeni elastik limit Elastik Limit Sonraki yükleme durumunda orijinal gerilme-birim şekil değiştirme davranışını takip eder Yükün uygulanması ile gerilme ve birim şekil değiştirme oluşur Yük kaldırıldığı zaman gerilme sıfıra geri döner. Eğrinin başlangıç kısmının eğimine paralel davranış gösterir. Plastik birim şekil değişimi Elastik birim şekil değişimi Toplam birim şekil değişimi Birim şekil değişimi Birim şekildeğişiminin bir kısmı toparlanabilir, bu elastik davranıştır. Birim şekil değişiminin bir kısmı kalıcıdır, bu plastik davranıştır. Yeniden yükleme gerilmenin en yüksek değerinden devam eder. Elastik limit önceki en yüksek gerilme değeri olur. 22

Gerilme Gerilme Eğer belirgin bir geçiş noktası yok ise ne olur? Ofset metodu Uzama metodu % 0,2 den akma dayanımı % 0,5 uzamadan akma dayanımı orantılılık sınırı Birim şekil değişimi, % Birim şekil değişimi, % 23

Gerilme Gerilme-Birim Şekil Değiştirme Eğrisinin Önemli Noktaları Akma dayanımı Gerçek gerilme-birim şekildeğiştirmesi Mühendislik gerilmebirim şekildeğiştirmesi Orantılılık sınırı En büyük gerilme Kopma Birim şekil değiştirme Yumuşak çeliğin tipik gerilme-birim şekil değiştirme davranışı 24

Tanımlar Orantılılık Sınırı Doğrusal ve doğrusal olmayan davranış arasındaki sınır Elastik Limit (Akma noktası) Elastik ve plastik davranış arasındaki sınır tamamen geri toparlanmanın olabildiği en yüksek gerilme Akma Gerilme artmadan veya çok az artarak birim şekil değişiminin artmaya devam etmesi (elastik limitten sonra) Maksimum Gerilme Eğri üzerindeki en yüksek gerilme (çekme veya basınç dayanımı) 25

Tanımlar (Devam) Kopma Gerilmesi Numunenin koptuğu veya kırıldığı noktadaki gerilme değeri Gevrek Malzeme Kırılmadan önce çok az plastik deformasyon gösterir (cam, beton) Sünek Malzeme Kırılmadan önce çok fazla plastik deformasyon gösterir (yapısal çelik, kauçuk) 26

Vizkoelastik Davranış Viskozite: Akmaya karşı direnç (yani kayma kuvvetine karşı) Doğrusal malzemeler için: = kayma gerilmesi/kayma şekil değiştirme oranı, birimi Pa.s veya cp Viszkoelastik malzemeler Hem elastik hem viskoz davranış gösterirler Gecikmeli davranış sergilerler 27

Vizkoelastik malzemeler Deformasyon aşağıdakilere bağlıdır: Yükleme süresi Yükleme hızı Ani bir şok veya darbe az deformasyona neden olurken, sürekli bir yükleme daha fazla deformasyona neden olur Sıcaklık Sünme: Sabit yük altında uzun süreli deformasyon Asfalt betonunun sünmesi Portland çimentolu betonların sünmesi on yıllar alır. 28

Gerilme Gerilme Gerilme İş & Enerji İş (veya Enerji) = kuvvet x mesafe Sönümleme Modülü: akma dayanımına ulaşmak için gerekli enerji Tokluk: Kırmak için gerekli enerji Kırılma Yüksek dayanım Rezilyans modülü Tokluk Yüksek tokluk Birim şekil değişimi Birim şekil değişimi Birim şekil değişimi 29

Kırılma ve Güvenlik Çok çeşitli kırılma yolları vardır Kırılma veya çatlama yorulma (tekrarlı yükleme) akma burkulma Aşırı deformasyon Güvenlik için, yapılar beklenenden daha fazla yük taşıyacak şekilde tasarlanır. 30

Uygulanan gerilme/dayanım Yorulma Limiti Yorulma limiti Kırılmaya neden olan tekrar sayısı 31

Güvenlik Faktörü GF = σ kırılma σ müsaade edilen > 1 GF maliyetle orantılıdır ve aşağıdakilere bağlı olarak seçilir: maliyet malzeme farklılıkları Tüm yüklerde kesinlik Muhtemel yanlış kullanım Malzeme davranışını belirlemede kesinlik (iyi test?) 32

1.3 Mekanik Olmayan Özellikler Uygulanan yüke tepkinin dışında: Yoğunluk Isıl Genleşme Yüzey Özellikleri Aşınma & Yıpranma Direnci Yüzey Yapısı 33

Yoğunluk ve Birim Ağırlık yoğunluk = r = m / V birim ağırlık = g = W / V özgül ağırlık G r r w 34

1.4 Üretim ve Yapım Üretim Bir malzemeyi istenen şekilde üretebilme yeteneğine ve zamana sahip olma Yapım Yapıyı şantiyede yapabilme (yetişmiş iş gücü) Yüksek erken dayanımlı betonlar trafiğe erken açılması istenen yollarda kullanılabilir. 35

1.5 Estetik Özellikler İnşaat mühendisi mimarlarla birlikte uyum içinde çalışmalıdır. Artistik ve teknik tasarım yöntemlerin birleşimi toplum tarafından çok daha kabul edilen yapıların ortaya çıkmasına neden olur. Mühendisler teknik faktörlerin dışında birçok faktörün de gözönünde bulundurulması gerektiğini anlamalıdır. 36

1.6 Sürdürülebilir Tasarım Fiziksel objelerin tasarımında sürdürülebilirlik, yapı ortamının ve hizmetlerinin ekonomik, sosyal ve ekolojik sürdürülebilirlik prensipleriyle uyumlu olmasıdır. İnşaat mühendisliğinde kullanılan malzemeler projenin sürdürülebilirliği için önemlidir. ABD de Yeşil Binalar Konseyi, Çevre ve Enerji Dizaynında Liderlik (LEED) sertifikası ile projelerin sürdürülebilirliklerini değerlendirmektedir. 37

Sürdürülebilir Tasarım (Devam) Yeni binalar ve büyük tadilatlarda değerlendirme kriterleri: Sürdürülebilir alanlar Etkin su kullanımı Enerji ve atmosfer Malzemeler ve kaynaklar Bina iç kalitesi Tasarımda yenilik Bölgesel öncelikler 38

1.7 Malzemede Değişkenlikler Tüm malzemelerde farklılıklar gözükür Bazı malzemeler diğerlerinden daha üniformdur Çelik vs. beton vs. ahşap Kusur vs. büyük kusur Değişkenliğin üç kaynağı: Malzeme Numune alma Test Bu değişkenlikleri minimize etmek için numune alımı ve testler en iyi şekilde gerçekleştirilmelidir. 39