ÇELİK PLAKALI ELASTOMERİK KÖPRÜ YASTIKLARININ DÜŞÜK SICAKLIK KAYMA DENEYLERİ Seval Pınarbaşı Yapı Mekaniği Laboratuvarı, İnşaat Mühendisliği Bölümü, Orta Doğu Teknik Üniversitesi, Eposta:sevalp@metu.edu.tr, Tel: 0 312 210 54 64, Fax: 0 312 210 11 93 Uğurhan Akyüz Yapı Mekaniği Laboratuvarı, İnşaat Mühendisliği Bölümü, Orta Doğu Teknik Üniversitesi, Eposta:han@metu.edu.tr, Tel: 0 312 210 54 59, Fax: 0 312 210 11 93 GİRİŞ Sismik izolasyon tekniğinde sıkça kullanılan çok tabakalı çelik plakalı elastomerik yastıklar, yüksek basınç ve sıcaklıkta kauçuk tabakalara yapıştırılan ince çelik plakalar yoluyla düşey yönde güçlendirilmiş yatay yönde ise oldukça düşük rijitliğe sahip kompozit yapı elemanlarıdır. Köprülerde yaygın şekilde kullanılan çok katmanlı elastomerik yastıkların başlıca görevi sıcaklık değişimi, betonun sünmesi ve/veya büzülmesi, ve köprünün üzerindeki trafikten kaynaklanan fren ve sürtünme kuvvetleri gibi pek çok etkinin köprüde oluşturacağı hareketlere ve dönmelere köprünün uyum sağlayabilmesine yardımcı olmaktır. Bir elastomerik köprü yastığının tasarımında belirlenmesi gereken başlıca parametrelerden biri yastıkta kullanılacak elastomer bileşiminin sahip olması gereken fiziksel özelliklerdir. Bazı köprü projelerinde kullanılıyor olmasına karşın çok katmanlı elastomerik yastıkların mekanik özellikleri hakkında ülkemizde oldukça az sayıda araştırma yapılmıştır. Bu nedenle Orta Doğu Teknik Üniversitesi Yapı Mekaniği Laboratuvarında söz konusu yastıkların mekanik özelliklerinin tespiti ve geliştirilmesini hedefleyen geniş kapsamlı bir araştırma programı başlatılmıştır [1,2]. Araştırma programı sismik izolasyon yönteminde sıkça kullanılan değişik tip ve ebattaki çok tabakalı çelik plakalı elastomerik kauçuk yastığın değişik yüklemeler altındaki davranışlarını incelemeyi hedefleyen deneysel ve analitik çalışmaları içermektedir. 1
Bu çalışmada deneysel programın ilk aşamasında gerçekleştirilen üç değişik tip ve boyuttaki yastığa uygulanan düşük sıcaklık kayma deneyleri sunulmaktadır. Deney elemanı olarak kullanılan yastıklardan iki tanesi dikdörtgen kesitli olup köprülerde kullanılan gerçek ölçekli yastıklardır. Üçüncü deney numunesi ise kare kesitli küçük ölçekli model yastığıdır. Çelik plakalı elastomerik yastıkların tasarımını standartlaştıran bir yönetmelik henüz geliştirilmediği için köprülerde kullanılacak yastıklarının tasarımını içeren yönetmelikler üretilen her yastığın fiziksel özelliklerinin üretimden hemen sonra deneysel olarak kanıtlanmasını şart koşmaktadır. Bu çalışmada deney yastıklarına uygulanan düşük sıcaklık kayma deneyleri, köprü tasarımı için geliştirilen ve dünyada bir çok ülkede kullanılan AASHTO (American Association of State Highway and Transportation Officials) malzeme ve deney şartnamesinde [3] tanımlanan bu tür deneylerden biridir. 2
ÇALIŞMA PROGRAMI 1. SICAKLIĞIN ELASTOMER DAVRANIŞINA ETKİSİ Bir elastomerin rijitliği elastomer soğutuldukça artar. Sıcaklığın doğal kauçuğun kayma modülüne olan etkisi Şekil 1 de gösterilmektedir. Şekilden de anlaşılacağı gibi doğal kauçuğun kayma modülü yaklaşık -20 C den düşük sıcaklıklarda azalan sıcaklıkla artmaktadır [4]. Eğer sıcaklık -40 C nin altına düşerse, kauçuğun rijitliğindeki artış binlerce katı bulabilir. Kauçuğun bu çok düşük sıcaklıklardaki davranışı normal sıcaklıktaki davranışından çok farklıdır. Rijitliğindeki aşırı ve ani artış nedeniyle kauçuk çok sert, cam gibi kırılgan bir malzemeye dönüşür ve gevrek bir davranış sergilemeye başlar. Fakat düşük sıcaklığın bütün bu etkileri tamamen tersinirdir. Yani, sıcaklık eski değerine çıktığında kauçuk eski özelliklerini geri kazanır [5,6,7]. Şekil 1 de görülen frekanslar yastıkların yükleme hızını göstermektedir. Şekilden de görüldüğü üzere yükleme hızı da kauçuğun kayma modülünü etkilemektedir. Kayma Modülü Sıcaklık C Şekil 1. Sıcaklığın kauçuğun kayma modülüne etkisi [4] 2. ODTÜ DEKİ DENEYSEL ÇALIŞMALAR 2.1. Deney Elemanları ODTÜ Yapı Mekaniği laboratuvarında başlatılan deneysel çalışmaların ilk aşamasında üç değişik tip ve ebattaki kauçuk köprü yastığına düşük sıcaklık kayma deneyleri uygulanmıştır. 3
Bu yastıklar küçük ölçekli kare yastık (Şekil 2, Tip 1) ile gerçek ölçekli iki farklı kalınlıkta dikdörtgen yastıklardır (Şekil 3a ve 3b, Tip 2 ve Tip 3). 150 130 A-A Kesiti A A 2 mm çelik plaka 130 150 42 Ölçüler mm.dir. Şekil 2. Tip 1 kare elastomerik yastıkların detaylı çizimi 200 180 A-A kesiti üst ve alt kauçuk tabakalar: 2x5 mm ara kauçuk tabakalar: 4x8 mm 52 A A 380 400 5x2 mm çelik plakalar a. Tip 2 yastıklar üst ve alt kauçuk tabakalar: 2x5 mm ara kauçuk tabakalar: 5x8 mm 62 Ölçüler mm.dir. 6x2 mm çelik plakalar b. Tip 3 yastıklar Şekil 3. Tip 2 ve Tip 3 dikdörtgen yastıkların detaylı çizimleri 4
2.2. Deney Düzeneği ODTÜ Yapı Mekaniği Laboratuvarında geliştirilen Şekil 4 te görülen deney düzeneği, aynı anda iki elastomerik yastığa bileşik sabit basınç ve tersinir yinelenir kesme kuvveti uygulayabilecek şekilde tasarlanmıştır. Şekil 4. Deney Düzeneğinin Fotoğrafı 2.3. Düşük Sıcaklık Kayma Deneyleri Deneysel çalışmalarda, deney yastıklarının düşük sıcaklık davranışlarını araştırmak amacıyla yastıklara AASHTO da tanımlanan düşük sıcaklık kayma deneyleri uygulanmakta ve elde edilen sonuçlar oda sıcaklığında tekrarlanan deneylerden elde edilen sonuçlarla karşılaştırılmaktadır. 2.3.1. Deney Prosedürü AASHTO da tarif edildiği üzere bir soğutucuda -29 C de 96 saat bekletilen aynı türden iki yastık, belirtilen sürenin sonunda deney düzeneğindeki yükleme plakalarının arasına Şekil 5
5a da görüldüğü gibi aralarına çelik yanal yükleme plakası konularak üst üste yerleştirilmektedir. Daha sonra yastıklara 3.4 MPa basınç uygulanmaktadır. Yastıklara uygulanan bu basınç sabit tutularak, toplam kauçuk kalınlığının %25 ine tekabül eden deplasman değerine kadar itme kuvveti uygulanmaktadır (Şekil 5b). Yastıklar bu durumda 15 dakika bekletilerek yastıklardaki kesme kuvveti değişimi gözlenmektedir. a. Soğutulmuş deney yastıklarının deney düzeneğine yerleştirilmesi ve basınç uygulanması b. Soğutulmuş yastıkların bileşik basınç ve kesme yükleri altındaki fotoğrafı Şekil 5 Soğutulmuş yastıkların deney fotoğrafları 2.3.2. Yükleme ve Ölçüm Sistemleri Deney yastıkları için kullanılan yükleme ve ölçüm sistemleri Şekil 6 da görülmektedir. Yastıkların yatay yöndeki deplasmanı orta kayma plakasına yerleştirilen iki adet LVDT, düşey yöndeki toplam deplasmanları ise alt yükleme plakasının dört köşesine yerleştirilen komparatörler yoluyla kaydedilmektedir. Şekil 6 Yükleme ve ölçüm sistemleri 6
BULGULAR Uzun süreli bir çalışmanın ilk aşaması olarak yapılan deneyler, değişik tip ve boyuttaki deney yastıklarının düşük sıcaklık kayma davranışlarının birbirinden oldukça farklı olduğunu göstermiştir (Şekil 7a-b). Hatta geometrik özellikleri hemen hemen aynı olan fakat farklı firmalar tarafından üretilen Tip 2 ve Tip 3 yastıkları arasında bile kayda değer davranış farklılıkları olduğu gözlemlenmiştir (Şekil 7b). Gerek oda sıcaklığı ve düşük sıcaklık kayma modülleri arasındaki farklılık gerekse de gözlemler Tip 1 ve Tip 2 yastıklarının doğal kauçuk, Tip 3 yastıklarının ise neopren olduğunu göstermektedir. Kayma Gerilmesi (MPa) 0.25 0.20 0.15 0.10 0.05 Düşük Sıcaklık Oda Sıcaklığı Kayma Gerilmesi (MPa) 2.0 1.5 1.0 0.5 Düşük Sıc. Oda Sıc. Tip 3 Tip 2 Tip 3 Tip 2 0.00 0.00 0.10 0.20 0.30 Birim Şekil Değiştirme 0.0 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 Birim Şekil Değiştirme a. Tip 1 Yastıklar b. Tip 2 ve Tip 3 Yastıklar Şekil 7. Deney yastıklarının kayma gerilmesi birim şekil değiştirme ilişkileri 7
REFERANSLAR 1. Pınarbaşı, S., Akyüz, U., Yakut A., Elastomerik yastıkların mekanik özelliklerinin belirlenmesi, Yapı Mekaniği Laboratuvarları Toplantısı II, Konya, 2003. 2. Pınarbaşı, S., Akyüz, U., Seismic base isolation: philosophy, development and applications, International Conference on Earthquake Engineering to mark 40 Years from the Catastrophic 1963 Skopje Earthquake and Successful City Reconstruction, 40 SWEE, IIZIS Macedonia, August 2003 (bildiri yollanmış ve kabul edilmiştir) 3. AASHTO M251-97, Standard Specifications for Plane and Laminated Elastomeric Bridge Bearings, 1997. 4. Clark, P.W., Aiken, I. D., Kelly, J. M., Experimental Studies of the Ultimate Behavior of Seismically-Isolated Structures, UCB / EERC 97 /18, 1997. 5. Treloar L.R.G., The Physics of Rubber Elasticity, Second Edition, Oxford University Press, 1958. 6. Long J.E., Bearings In Structural Engineering, London / Newnes-Butterwoths, 1974. 7. Yakut, A. Performance of Elastomeric Bridge Bearings at Low Temperatures, Ph.D. Dissertation, The University of Texas at Austin, 2000. 8