Dokuz Eylül Üniversitesi Đnşaat Mühendisliği Bölümü YAPI MALZEMESĐ I DERSĐ GĐRĐŞĐŞ YRD.DOÇ.DR. KAMİLE TOSUN 1
KAYNAK KĐTAP: Đnşaat Mühendisleri için MALZEME BĐLGĐSĐ Prof. Dr. Bülent BARADAN Dokuz Eylül Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Yayınları Yayın No : 307 2
1. GİRİ 2. KATI CİSİMLERİN İÇ YAPISI 3. MALZEMELERİN MEKANİK ÖZELLİKLERİ 4. CİSİMLERİN DİĞER MEKANİK ÖZELLİKLERİ 5. ÇEVRE ve KULLANIM KO ULLARININ MALZEME ÜZERİNDEKİ ETKİLERİ 6. MALZEMELERİN EKİL DEĞİ İMİNİ ÖLÇME TEKNİĞİ
7. GERİLME, EKİL DEĞİ İMİ VE ZAMAN İLİ KİLERİ 8. PERİYODİK YÜKLEME ve YORULMA 9. EMNİYET GERİLMELERİ ve GÜVENİLİRLİK 10.MALZEMELERİN FİZİKSEL ve KİMYASAL ÖZELLİKLERİ 11.MALZEME BİLGİSİNDE İSTATİSTİKSEL YÖNTEMLER
12.MÜHENDİSLİK METAL ve ALA IMLARI 13.CAMLAR 14.POLİMERLER 15.SERAMİKLER ve Pİ Mİ TOPRAK ÜRÜNLERİ 16.BİTÜMLÜ MALZEMELER 17.AH AP 5
DERS UYGULAMA EKLİ: TEORİK + LABORATUVAR UYGULAMALARI DERSE DEVAM ZORUNLUDUR! SINAV: TEST+KLASİK 1 Ara Sınav: %50 Final : %50 6
MÜHENDĐS - MĐMARIN MARIN GÖREVG REVĐ İSTENEN DAYANIMDA DAYANIKLI (DURABİLİTE) EKONOMİK İ LEVSEL LEVSEL- FONKSİYONEL GÜZEL- ESTETİK YAPININ; BELİRL RLİ BİR R GÜVENLG VENLİKLE YÜKLER TA INMALI KALICI DENECEK KADAR UZUN ÖMÜRLÜ KIT KAYNAKLARIN VERİML MLİ KULLANIMI İHTİYACA CEVAP VEREN İNSAN DOĞASI OLMASINI SAĞLAMAKTIR
GİRİ İ Herhangi bir yapının projelendirmesi ve inşaatı aşamasında, inşaat mühendisinin görevi ve amacı, aşağıda belirtilen üç koşulu bir arada gerçekleştirmektir: a) Yapı istenilen işlevi yapabilmelidir, b) Yapı değişik dış etkilere süresiz dayanıklı olmalıdır, c) Yapı güzel ve ekonomik olmalıdır. Bu koşulların yerine getirilmesinde malzeme özellikleri önemli yer tutar. Malzemenin özelliklerini bilmeden yukarıdaki koşulların sağlanabilmesi olanaksızdır.
Yapı malzemelerinin fiziksel, mekanik ve kimyasal özelliklerini, üretim şekillerini, kullanım sırasındaki davranışlarını, amaca uygun malzeme seçimini ve geliştirilmesini araştıran ve öğreten bilim alanına Yapı Malzemesi bilim dalı adı verilir. 9
Yapı malzemelerinin gelişimi imi insanlık k tarihi kadar eskidir. İlk insanlar malzemeleri doğadaki şekilleri ile olduğu u gibi kullanmış ışlardır. r. AğaçA dalları ve çamurdan yapılan barınaklar, taş yığınlarından ndan oluşturulan yapıtlar bunlara en iyi örneklerdir. İkinci aşamada a amada insanlar basit araç ve gereçlerle malzemeleri şekillendirerek kullanmış ışlardır. r. Üçünc ncü aşama ama ise doğadaki malzemelerin fiziksel ve kimyasal değişikliklere ikliklere uğratu ratılarak kullanıld ldığı devirdir. Örneğin, bu devirde madenler eritilerek metaller, metal eriyikleri karış ıştırılarak alaşı şımlar, killer şekillendirilip, pişirilerek irilerek tuğla vb. üretilmiştir. tir. Dördüncü aşamada amada insanlar doğada bulunmayan yapay malzemeleri (plastik, betonarme vb.) üretmişlerdir.
Bir yapının ömrü yalnızca projesinin iyi olmasına ve işçiliğine bağlı değildir. En önemli faktör yapıda kullanılacak olan malzemelerin iyi seçilmesi, denetlenmesi, iyi işçilikle yerine konması ve bakımıdır. Malzemenin az veya çok bakım gerektirmesi özellikle yapının ömrü boyunca işletme giderlerini önemli ölçüde etkiler. Örneğin, ucuz bir malzeme, belirli bir süre sonra sürekli bakım veya yenileme gerektirebileceğinden, ilk fiyatı daha fazla olan bir malzemeye kıyasla ekonomik olmayabilir. 11
12
Genelde bir yapının inşaat bedelinin yaklaşık % 65-75'ini malzeme giderleri oluşturur. Bu oran malzeme biliminin önemini ortaya koyar. Yapı malzemesi bugün için sürekli yeni ürünlerin ortaya çıktığı, çok hızlı gelişen bir bilim dalıdır. 13
Bir malzemenin üretim ve uygulama koşullar ullarının çağdaş,, sağlıkl klı ve ekonomik olabilmesi için i in bazı kural ve yöntemler y standardizasyon ve kalite kontrol yöntemleri y başlığı altında toplanmış ıştır. Genel anlamda standardizasyon ve kalite kontrol yöntemleri, y malzeme seçimi ve kullanımı,, planlama gücü, g, kalite güvenlig venliği i ve ekonomi açısından a büyük b k olanaklar yaratmaktadır. r. Ayrıca, standardizasyon ve kalite kontrol yöntemleri y malzemenin kalitesi konusunda kuramsal ve matematiksel kavramlar getirmektedir.
Malzemelerden beklenilen en önemli özellikler: Gerilmelere karşı göstermiş olduğu u dayanım, Aşındırıcı etkilere karşı göstermiş olduğu u Dayanıkl klılık, k, Yüksek sıcakls caklık k dayanımı, Hafiflik, Elektrik ve ısı iletkenliği, i, Üretilebilme ve şekillendirilebilme özelliği, i, vs.
MALZEMELERİN N GRUPLANDIRILMASI KULLANI YER VE AMACINA GÖRE GRUPLANDIRMA 1. Taşı şıyıcı malzemeler Bu gruba giren yapı malzemeleri, yapıyı ayakta tutan, yükleri karşı şılayan, yapının n iskeletini oluşturan beton, çelik, betonarme, ahşap ap gibi mekanik özellikleri yüksek y olan malzemelerdir.
MALZEMELERİN N GRUPLANDIRILMASI KULLANI YER VE AMACINA GÖRE GRUPLANDIRMA 2. Detay malzemeleri Bu malzemeler yapılarda belirli işlevleri i olan ve dekoratif amaçlarla kullanılan lan cilalı taş,, boya gibi malzemelerdir.
MALZEMELERİN N GRUPLANDIRILMASI KULLANI YER VE AMACINA GÖRE GRUPLANDIRMA 3. Koruyucu malzemeler Yapıyı olumsuz dışd etkilerden koruyan, cam pamuğu, u, perlit, bitüml mlü malzemeler gibi ısı,, ses ve su izolasyon malzemeleri bu gruba girerler. Bazı malzemeler ise çok amaçlı olarak kullanıld ldığı için, in, bu gruplama kesinlik taşı şımaz. Örneğin, boya malzemesi hem detay hem de izolasyon amaçlıdır.
MALZEMELERİN N GRUPLANDIRILMASI EKİL DEĞİ İMİNE GÖRE GRUPLANDIRMA 1. Elastik Malzemeler Yük k etkisi altında şekil değiştirip, yük y k kalkınca yeniden ilk şekline dönen d malzemelere elastik malzemeler denir. Elastik davranışı en iyi simgeleyen eleman yaydır. Lastik ve kauçuk uk elastik malzemelere örnek olarak verilebilir.
MALZEMELERİN N GRUPLANDIRILMASI EKİL DEĞİ İMİNE GÖRE GRUPLANDIRMA 2. Plastik Malzemeler Yük k etkisi altında şekil değiştirip, yük y k kalkınca yeniden ilk şekline dönmeyen, d kalıcışekil değişimi imi bırakan b malzemelere plastik malzemeler denir. Bu davranış ışa a en iyi örnek kildir.
MALZEMELERİN N GRUPLANDIRILMASI EKİL DEĞİ İMİNE GÖRE GRUPLANDIRMA 3. Elasto-plastik malzemeler Malzemeler Bu tip malzemeler yükün y n mertebesine bağlı olarak hem elastik, hem de plastik davranış gösterirler. Çelik gibi bir çok yapı malzemesi bu tip davranış gösterirler.
MALZEMELERİN N GRUPLANDIRILMASI BÜNYE BAKIMINDAN GRUPLANDIRILMA 1. Fiziksel Yapı Fiziksel özellikleri açısından a malzemeler homojen, heterojen, izotrop ve anizotrop malzemeler şeklinde gruplandırılabilir. labilir. Element Bileşik Homojen karışım Heterojen karışım
MALZEMELERĐN GRUPLANDIRILMASI BÜNYE BAKIMINDAN GRUPLANDIRILMA 1. Fiziksel Yapı Fiziksel özellikleri açısından a malzemeler homojen, heterojen, izotrop ve anizotrop malzemeler şeklinde gruplandırılabilir. labilir. 2. Kimyasal Yapı Kimyasal açıdan a ise malzemeler metalik (kristal), amorf, bileşik, ik, kolloidal ve seramik yapışeklinde sınıflands flandırılabilir. labilir.
YAPI MALZEMELERİNİN DEĞİ İK ÖZELLİKLERİ VE DENEYLERİ Yapı malzemelerinin değişik ik özellikleri vardır. r. Bunları genel olarak; mekanik, fiziksel, kimyasal, fiziko-kimyasal, kimyasal, termal, elektriksel, akustik ve optik şeklinde gruplamak olanaklıdır. Malzemelerin bazı özellikleri diğer özellikleri ile ilişkilidir. Örneğin, fiziksel özellikler, mekanik özellikleri doğrudan etkiler. Bazı özellikler malzemenin yapıdaki fonksiyonuna göre ön n plana çıkar. Örneğin, taşı şıyıcı malzemeler için i in mekanik özellikler bilinmesi zorunlu değerlerdir. erlerdir.
YAPI MALZEMELERİNİN DEĞİ İK ÖZELLİKLERİ VE DENEYLERİ Malzemelerin özellikleri farklı deney yöntemleri y ile belirlenir. 1. Kalite kontrol deneyleri: Belirli malzemelerin standart veya şartnamelerde belirtilen özellikleri sağlay layıp p sağlamad lamadığı kontrol edilir. Bu deneyler laboratuvar veya üretim yerinde yapılabilir. 2. Kıyaslama deneyleri: Belirli ortamlarda kullanılacak lacak farklı malzemeleri aynı koşullarda kıyaslamalk yaslamalı olarak denemek suretiyle uygun malzeme seçimi amacıyla yapılır. 3. Araştırma rma-geliştirme deneyleri: Bu tip deneyler daha sofistike olup, yeni malzemelerin geliştirilmesine veya bilinen malzemelerin bazı özelliklerinin düzeltilmesine d yöneliktir. y
MALZEME ÇE İTLERİ Metaller ve alaşı şımları; Çelik, alüminyum, magnezyum, çinko, dökme d demir, titanyum, bakır r gibi malzemelerdir. Metallerin karakteristik özellikleri, Element olarak veya bunların n alaşı şımlarının kristalik yapıya sahip olmaları, ısıyı ve elektriği i iyi iletmeleri, diğer malzemelere göre g izafi olarak daha sağlam ve daha tok olmaları, sünek ve plastik şekillenebilir olmaları ve darbelere dayanıkl klı olmalarışeklinde sayılabilir.
Polimerler; Kauçuk, uk, plastik ve yapış ıştırıcıları içine ine alan malzeme grubudur. Bu malzemeler polimerizasyon yöntemiyle organik moleküllerden llerden meydana getirilir. Polimerler mer lerin eklenmesiyle meydana getirilir. Mesela, etilen (C 2 H 4 ) bir monomer dir.. Polietilen ise mer lerin (-C 2 H 4 -)) oluşturdu turduğu u (-C( 2 H 4 -) n zinciridir. n burada 100 ile 1000 arasında değişen en bir sayıdır. MALZEME ÇE İTLERİ
MALZEME ÇE İTLERİ Polimerler; Pek çok polimerin temel elementi hidrojen ve karbondur. Diğer elementler ise akriliklerde olduğu u gibi oksijen, naylonda olduğu gibi azot, fluoroplastiklerde olduğu u gibi flor ve silisyumdur. Polimerlerin elektrik ve ısı iletkenlikleri azdır r ve yüksek y sıcaklıklarda klarda bulunmaları uygun değildir ildir. Uzun molekül l zincirine sahip termoplastikler sünektir ve bunlara şekil verilebilir. Termoset polimerlerin ise dayanıkl klılıkları daha iyi olmakla beraber kırılgandk lgandırlar. Polimerler elektronik cihazlarda yaygın n olarak kullanılmaktad lmaktadırlar. Plastikler metallere göre g hafif ve ucuz olmalarından dolayı tasarımc mcılar için i in cazip malzemelerdir.
MALZEME ÇE İTLERİ Seramikler; Tuğla, cam, yüksek y sıcakls caklığa a dayanıkl klı refrakterler ve aşındırıcı (zımpara taşlar ları) ) gibi malzemelerdir. Alüminyum metaldir, fakat oksijenle yapmış olduğu u Al 2 O 3 bileşiği i bir seramiktir. Al 2 O 3 in alüminyuma göre g yüksek y sıcakls caklık k gibi değişik ik çevre şartlarında stabil bir kimyasal yapıya ve yüksek y bir ergime sıcakls caklığına (2020 C) sahip olması gibi iki üstünlüğü vardır r (alüminyumun ergime sıcakls caklığı 660 C dir). Al 2 O 3 bu özelliklerinden dolayı yüksek sıcakls caklığa a dayanıkl klı refrakter malzeme olarak kullanılır.
MALZEME ÇE İTLERİ Seramikler; Seramikler, metaller gibi kristalik yapıya sahip olabilirler; fakat kristalik yapıya sahip olmayan pek çok seramik de vardır. r. Kristalik yapıya sahip olmayan seramiklere genellikle cam denilmektedir. Mesela, pencere camı %72 SiO 2 ve geri kalanı Na 2 O ve CaO dir.
MALZEME ÇE İTLERİ Seramikler; Seramiklerin elektrik ve ısı iletkenlikleri azdır; bundan dolayı elektrik izolatörleri seramiklerden yapılır. Seramikler dayanımı yüksek, sert ve kırılgan k malzemedirler, yüksek y sıcaklık k ve korozyonlu ortamlara dayanıkl klılıkları mükemmeldir. Yeni gelişmeler sayesinde, seramikler jet motoru kanatları gibi yüksek y sıcakls caklıkta kta çalışan parçalar aların imalinde kullanılabilmektedirler. labilmektedirler.
MALZEME ÇE İTLERİ Kompozit malzemeler; iki veya daha fazla malzemeden meydana gelmişlerdir. lerdir. Beton, çimento ile kumun karışı ışımı ile meydana gelen kompozit bir malzemedir. Polyester ile camyünü beraber kullanılarak larak kompozit bir malzeme yapılabilir. Kompozit malzemeler, hafif, dayanıkl klı, sünek ve yüksek y sıcaklığa a dayanıkl klılık k gibi özelliklere sahip olarak üretilebilirler. Karbon fiber takviyeli polimerler gibi kompozit malzemeler uzay araçlar ları ve uçak u sanayinde yaygın n olarak kullanılmaktad lmaktadırlar. Ağaç,, tabiatta bulunan kompozit malzemelere iyi bir örnektir.
Çeşitli Malzemelerin Kullanıld ldıkları Yerler ve Özellikleri Metaller Bakır Gri dökme demir Alaşımlı çelik Seramikler SiO 2 -Na 2 O-CaO Al 2 O 3,MgO, SiO 2 Polimerler Polietilen Epoxy Fenoller Yarı iletkenler Si Kompozitler Grafit-epoxy Tungsten karbür-kobalt Titanyum kaplı çelik Kullanım yerine örnek Elektrik iletim teli Otomobil motor bloğu Cıvata anahtarı Pencere camı Ergimiş metal taşımak için refrakter Gıda paketi Entegre devreleri kapsülleme Ağaç levhalarını yapıştırıcı Transistör ve entegre devreler Uçak parçaları Kesici takım Reaktör kabı Özellikleri Yüksek elektrik iletkenliği ve iyi plastik şekillendirilebilme Đyi dökülebilirlik, iyi işlenebilirlik ve iyi titreşim absorbe etme Isıl işlemelerle daha iyi dayanım Đyi ışık geçirgenliği, düşük ısı iletkenliği Đyi ısı yalıtımı, yüksek ergime sıcaklığı, ergimiş metalin etkilerine dayanıklılık Kolayca şekillenebilme ve hava geçirmez ince levha Đyi elektrik yalıtkanlığı ve neme dayanıklılık Sağlamlık ve neme dayanıklılık Benzersiz elektriksel davranış Yüksek dayanım/hafiflik oranı Yüksek sertlik ve yeterli şoka dayanıklılık Titanyumun yüksek korozyona dayanıklılığı yüksek mukavemet ve düşük maliyet ile
Dokuz Eylül Üniversitesi Đnşaat Mühendisliği Bölümü YAPI MALZEMESĐ I DERSĐ GĐRĐŞĐŞ 34