BETONUN ÇARPMA MUKAVEMETİNİN TESBİTİ

8. Uluslar Aras K lma Konferans Bildiriler Kitab
7 – 9 Kas m 2007
Prooceedings of 8th International Fracture Conference 7 – 9 November 2007
Istanbul/TURKEY
BETONUN ÇARPMA MUKAVEMET
N TESB
Erdinç ARICIa, Resul DURSUNa ve Rag p NCEb
a
F rat Üniversitesi, Teknik E itim Fakültesi, Yap E itimi Bölümü, Elaz , Türkiye
b
F rat Üniversitesi,
aat Mühendisli i Bölümü, Elaz , Türkiye
ÖZET
Bu çal mada; betonun çarpma mukavemetini belirleyebilmek için Charpy metodu
kullan lm ve bu metodun betona uygulanabilirli i ara
lm r. Bu amaç do rultusunda
100x100x500 mm. lik beton numunelerde kullan labilecek boyutlarda Charpy deney düzene i
haz rlanm r.
Çarpma mukavemetinin belirlenmesi için yap lan deneylerde max. agrega çap 8 ve 16 mm.
olan, iki farkl ba lang ç çatla boyutuna ( relatif çentik boyu 0,2 ve 0,3 ) sahip iki seri
numune haz rlanm r. Ayr ca serilerin bas nç, yarma ve e ilme dayan mlar belirlenebilmesi
içinde numuneler dökülmü tür. Elde edilen deneysel verilerden çarpma dayan nda max.
agrega boyutunun etkisi incelenmi tir.
Anahtar kelimeler: Beton, max. agrega çap , Charpy metodu, çarpma dayan
.
DETERMINATION OF IMPACT STRENGTH OF CONCRETE
ABSTRACT
In this study, Charpy method was used so as to determine the impact strength of concrete and
applicability of this method to concrete was investigated. For this aim, Charpy experiment
apparatus was prepared in size of 100x100x500mm to be used in concrete specimens.
In the experiments done to determine the impact strength, two serial specimens with two
different initial crack sizes ( relative notch length 0,2 and 0,3 ) and whose aggregate diameter
were maximum 8 and 16 mm were prepared. In addition, to determine the pressure, split and
bending strength of the serials, samples were forged. From the findings obtained, the effect of
maximum agrega size in impact strength was investigated.
Key Words: Concrete, maximum aggregate diameter, Charpy method, impact strength.
628
8. Uluslar Aras K lma Konferans Bildiriler Kitab
7 – 9 Kas m 2007
Prooceedings of 8th International Fracture Conference 7 – 9 November 2007
Istanbul/TURKEY
1. G
Betonun kalitesi genel olarak dayan mla ölçülmektedir. Beton dayan , üzerine gelen
yüklerin neden olaca
ekil de tirmelere ve k lmaya kar , betonun gösterebilece i
maksimum direnme olarak tan mlanmaktad r [1]. Betonun üzerine de ik yönlerde uygulanan
yükler, de ik etkilere sebep olabilmektedir. Bas nç, çekme, e ilme ve kayma etkisi yaratacak
yükler alt nda beton ekil de tirmeye ve k lmaya kar mukavet gösterebilmelidir. Betonun
kullan laca yap n tasar
yap rken, betonun üzerine gelebilecek de ik türdeki yüklerin
büyüklükleri göz önünde tutulmakta ve üretilecek betonun mekaniksel özelliklerinin bu
yüklere kar yeterli dayan
gösterece i varsay lmaktad r. Üretilecek betondaki dayan m
de erlerinin, tasar m hesaplar nda kullan lm
olan de erlerden daha az olmamas
gerekmektedir [2]. Geli en teknolojiyle birlikte farkl türde malzeme kulan mlar ile betonlar n
mekaniksel özelliklerinin iyile tirilmesi için çal malar yap lm r [3]. Ayr ca k lma
mekani indeki geli melere parelel olarak betonun k lma parametreleride malzeme
parametrelerine ba olarak incelenmi tir [4]. Betonun mekaniksel özelliklerinden biri olan
çarpma dayan
n belirlenebilmesi için kesin bir metod belirtilmemi ve dolayl yollardan
belirlenmeye çal lm r.
Bir cismin belirli bir yükseklikten dü mesi veya bir kuvvetin birden bire
uygulanmas yla
malzeme çarpma etkisine maruz kalmaktad r. Çarpma sonucu, gerilme çok k sa süre içerisinde
artarak büyük de erlere ula r. Bu tür çarpma etkisinin meydana getirdi i gerilme alt nda,
malzeme çarpma tesirlerine dayan kl de ilse k sa sürede deformasyona u rar ve beklenilen
fonksiyonu gösteremez. Çarpma olay nda, malzeme d kuvvetlerin yapm oldu u bir i e
maruz kalmaktad r. Malzemedeki deformasyonun kritik bir de ere ula mas halinde malzeme
çarpma etkisiyle mukavemetini kaybederek k r [5].
Çarpma deneyleri, malzeme ekline ve cinsine ba
olarak farkl ekillerde
yap labilmektedir. Bunlar;
aHareketli Sarkaç – Charpy [6-7], zod [8-9]
bDü en Top – Dü me makinesinin tipine göre; sabit yükseltideki dü
veya
de ken yükseltideki dü
[10-11]
cBelirli bir yükseklikten dü ürülen yap sal elemanlar [12]
dPatlay Maddeler [10-11-13]
Beton ve betonarme elemanlar kullan m yerlerine ba olarak önemli ölçüde çarpma etkisi
alt nda kalabilirler. Hava alanlar , yollar, genel amaçl dö eme kaplamalar , kaz k ve palplan
ba klar çarpma tesiri alt nda kalabilmektedir. Betonun yeterli çarpma dayan na sahip
olmamas halinde bu gibi yap lar ve elemanlar i levlerini göremez hale gelirler veya faydal
ömürleri k sal r. Bir malzeme üzerinde çarpma etkisi, yüzeyine bir cismin belirli yükseklikten
dü mesi ile olaca gibi aniden uygulanan kuvvetler eklinde de olabilir. Çarpma sonucunda
bir cisimde gerilmeler çok k sa sürede büyük de erlere ula abilmekte, gerilme ve
deformasyonlar n irdelemesi karma k ve zor hale gelebilmektedir.
Bir cismin çarpma dayan , gerilme- birim deformasyon e risinin alt ndaki alan, yani
toklulu u ile yak ndan ili kilidir. Bu alan n büyük olmas cismin yüksek dayan na sahip
olmas kadar, sünek olmas na da ba
r. Genelde k lgan bir malzeme olan betonda
dayan m, normal agrega kullan lmas halinde harç matrisine ve ara yüzeyinin kalitesine ba
olarak de mektedir [14].
629
8. Uluslar Aras K lma Konferans Bildiriler Kitab
7 – 9 Kas m 2007
Prooceedings of 8th International Fracture Conference 7 – 9 November 2007
Istanbul/TURKEY
Yükleme ekli esas al nd nda malzemeyi k rmak iki yolla mümkündür. Birincisi, gerilmeekil de tirme diyagramlar n elde edili inde yap ld gibi yükü yava yava
artt rmak
suretiyle k rmakt r ve k lma i i, ekil de tirme e risinin alt nda kalan alanla ölçülür.
kincisi ise malzemeyi, sarkaç eklinde G a rl ndaki bir tokmak vas tas yla k rmakt r.
Metallerde çarpma dayan
zod veya Charpy çentik darbe deneyi kullan larak belirlenirken,
yap ta lar nda a rl n belirli bir yükseklikten serbestçe numune üzerine dü ürülmesi
yöntemi uygulan r [14].
2. CHARPY DENEY METODU
Darbe deneyinde, numunenin dinamik bir zorlama alt nda k lmas için gereken enerji miktar
tayin edilir. Bulunan de er, malzemenin darbe mukavemeti olarak tan mlan r. A rl “G”
olan sarkaç, “h0” yüksekli ine ç kar ld nda potansiyel enerji (Gxh0) mertebesindedir. Sarkaç
bu yükseklikten serbest b rak ld nda, dü ey bir düzlem içinde hareket ederek numuneyi k rar
ve aksi istikamette “h” yüksekli ine kadar ç kar. Böylece, numunenin k lmas ndan sonra
sarkaçta kalan potansiyel enerji (Gxh) mertebesinde demektir.
L
α
β
h0
Tokmak
Beton Numune
h
ekil 1. Charpy deney düzene i
Sarkac n ba lang çta b rak ld andaki enerjisi ile numune k ld ktan sonra sarkaçta kalan
potansiyel enerji fark , o numunenin k lmas için gereken enerjiyi ba ka bir deyimle, darbe
direncini verir. Bu enerji a
daki formülle de gösterilebilir:
U = G(h0-h) = G.L. (cosβ – cos )
(1)
Bu deney tamamen ampirik oldu u ve artlar de tikçe malzeme farkl özellik gösterdi i için
numunelerin cihaza uygun bir ekilde yerle tirilmesi ve deney artlar do ru sonuç alma
yönünden önemlidir.
Deney esnas nda sarkaç, daha önce tespit edilen potansiyel enerjiye sahip olabilece i bir
yüksekli e ç kar r. Daha sonra numune, uygun bir ekilde yerle tirilir. Örne in, en çok
uygulanan Charpy deneyinde numune, mesnetlere tam yaslanacak ekilde ve çekicin sal m
düzlemi ile çenti in simetri düzlemi 0,5 mm içinde birbirine ç acak ekilde yerle tirilir. Bu
durum cihaza ba , yard mc bir aletle sa lanabilir. Numune uygun ekilde yerle tirildikten
sonra, okumalar n yap ld
kadran n göstergesi ba lang ç durumuna getirilir ve sarkaç
düzgün bir ekilde serbest b rak r. Sonuç, deneyden sonra kadrandan okunur [15]. Tokma n
ilk ve son konumlar ndaki potansiyel enerjileri aras ndaki fark bulunur ve numune kesit
alan ndan faydalan larak çarpma mukavemeti belirlenir.
Charpy metodunun temeldeki ana fikri enerjinin korunumudur. Sarkaç belli bir yükseklikte
durgun halde iken potansiyel enerjisi maksimumdad r. Numuneye çarpt anda kinetik enerji
630
8. Uluslar Aras K lma Konferans Bildiriler Kitab
7 – 9 Kas m 2007
Prooceedings of 8th International Fracture Conference 7 – 9 November 2007
Istanbul/TURKEY
maksimum seviyeye ula
r. Numuneyi k rd nda enerjinin belli bir miktar numunenin
lma enerjisi olarak harcan r, geriye kalan enerji vas tas yla tokmak devam ederek yükselir.
Buradaki enerji kayb , bize çarpmadaki k lma enerjisini verir. K lma enerjisinden
faydalanarak çarpma mukavemeti belirlenir. Genel olarak çarpma dayan
kg.m/cm² veya
N.mm/mm2 cinsinden ifade edilmektedir.
Ç=U/A=(G(h0-h))/A
(2)
3. BULGULAR VE DE ERLEND RME
Çarpma dayan
n belirlenmesi için yap lan deneylerde kullan lacak numunelerin kar m
hesaplamalar TS 802 esaslar dikkate al narak yap lm r. Numuneler; max. agrega çap 8 ve
16 mm. olan, iki farkl ba lang ç çatla boyutuna (relatif çentik boyu (a) 0,2 ve 0,3) sahip iki
seri halinde haz rlanm r. 28 günlük numunelerin bas nç, e ilmede çekme ve yarma
dayan mlar n belirlenmesinde yükleme kapasitesi maksimum 2,5 MN olan hidrolik yük
kontrollü pres kullan lm r. Çarpma dayan mlar n belirlenmesinde ise beton numune
boyutlar na uygun olarak haz rlanan Charpy deney düzene i kullan lm r. Bas nç
dayan mlar n belirlenmesinde standart silindir numuneler kullan rken, e ilme ve çarpma
deneylerinde 100x100x500 mm. boyutunda numuneler üzerinde deneyler yap lm r.
Çizelge 1. Kar m Hesaplamalar
Seri
Malzeme (kg/m3)
Su
Kum
230
890
210
750
Çimento
430
395
I
II
Çak l
820
980
Çizelge 2. Serilerin Dayan mlar
Dayan m cinsi
Seri I
Bas nç Dayan
ilmede Çekme Dayan
Yarma Dayan
(Mpa)
(Mpa)
(Mpa)
( dmax=8mm.)
28
2,81
2,88
Seri II
(dmax=16 mm.)
32
3,79
3,60
Çizelge 3. Çarpma Dayan m Deney sonuçlar
Seri I ( dmax=8mm.)
Çentik Boylar (mm)
20
30
Potansiyel Enerji (U)
(N.mm)
Çarpma Dayan
(Ç)
(N.mm/mm2)
Seri II
(dmax=16 mm.)
20
30
32943
29291
35274
31389
4,12
4,18
4,41
4,48
631
8. Uluslar Aras K lma Konferans Bildiriler Kitab
7 – 9 Kas m 2007
Prooceedings of 8th International Fracture Conference 7 – 9 November 2007
Istanbul/TURKEY
Bas nç Dayan
(Mpa)
q
(Ç/ )
( )
28
0,77
32
0,79
0,78
0,80
40000
Potansiyel enerji (N.mm)
35000
30000
25000
Seri I
20000
Seri II
15000
10000
5000
0
20
Çentik Boyutu (mm)
30
ekil 1. Çentik boyu ve serilerin k lmadaki potansiyel enerji de erleri
Çarpma Mukavemeti (N.mm/mm2)
4,6
4,5
4,4
Seri I
4,3
Seri II
4,2
4,1
4
3,9
ekil 2. Çentik 20
boyu ve serilerin çarpma
mukavemeti de erleri
30
Çentik Boyutu (mm)
4. SONUÇLAR
Yap lan çal malar esnas nda ve elde edilen deneysel veriler neticesinde a daki sonuçlara
ula lm r.
1- Çarpma mukavemetinin tayininde deney sonuçlar etkileyen baz faktörler vard r. Bunlar;
tokmak a rl , sarkaç kol boyu, dü me aç , çarpma h ve mesnetlenmedir.
2- Betonun çarpma mukavemeti max. dane çap na ve dolay yla bas nç dayan na ba
olarak artmaktad r.
3- Çentik boyunun artmas yla, numunenin k lmas için gerekli olan potansiyel enerji
de eride azalmaktad r. Fakat çarpma dayan
bunun aksine artmaktad r. Çal maya boyut
etkisi aç ndan yakla lmas yla sonuçlar daha iyi yorumlanabilir.
632
8. Uluslar Aras K lma Konferans Bildiriler Kitab
7 – 9 Kas m 2007
Prooceedings of 8th International Fracture Conference 7 – 9 November 2007
Istanbul/TURKEY
4- Betonun çarpma dayan
(Ç) ile bas nç dayan
n karekökü ( ) aras ndaki orana (q)
bakt
zda, genel olarak bu de erler 0,7 - 0,8 aras nda de mektedir.
Bu sonuçlar; Charpy metodunun, betona uygulanabilirli ini göstermekle beraber kapsaml bir
çal ma yap larak formülasyona gidilebilir. Böylece dinamik bir etkide betonun davran
ve
çarpma mukavemetini rahatl kla belirleyebiliriz.
KAYNAKLAR
1.
2.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
16.
ACI-116.R-90, “Cement and Concrete Terminology”,ACI Manual of Concrete Practicle, Part I, 1994.
ERDO AN, T. Y., Beton, ODTÜ Geli tirme Vakf Yay nc k ve leti im A. ., Ankara, May s 2003. 3.
ESEN, Y., “Poliakrilonitril Lif Takviyeli Betonlar n Mekaniksel Özelliklerinin ve Kullan labilirli inin
Ara
lmas ”, F.Ü. Fen ve Mühendislik Bilimleri Dergisi, Vol. 15, pp.47-54, Elaz , 2003.
ALYAMAÇ, K. E., “Betonun K lma Parametreleri Üzerine Malzeme Parametrelerinin Etkisi” , F rat
Üniv. Fen Bilimleri Enstitüsü. 82 sayfa, 2004.
GÜNER M. S., SÜME, V., Yap Malzemesi ve Beton, Aktif Yay nevi, Ankar, 2000.
EDGINGTON, J., HANNANT, D. J. and WILLIAMS, G. I. T., “Steel fibre reinforced concrete”,
Building Research Establishment Current Paper, CP 69/74, July 1974.
JOHNSTON, C. D., “Steel fiber reinforced mortar and concrete: a review of mechanical properties”,
Fiber Reinforced Concrete, Publication SP-44, American Concrete Institute, Detroit, pp.127-142, 1974.
KRENCHEL, H. and MILLER, A. Slagseghet, Metodstudie, Fibrobetong, Nordforsks projektkommitte
for FRC material, De1rapporter, Nordforsks,Stockholm~Sub-Report R,pp.R1-R15.
SKARENDAHL, A., Stalfiberbetongs slagseghet vid 1-och 2-dimens. fiberorientering, Nordforsks
projektkommitte for FRC material, Delrapporter, Nordforsks, Stockholm, Sub-Report S, pp. S1-S10.
VERHAGEN, A. H., “Impact testing of fibre reinforced concrete: reflection on possible test methods”,
Testing and Test Methods of Fibre Cement Composites, RILEM Symposium , pp. 99-105, 1978.
JAMROZY, Z. and SWAMY, R.N., “Use of steel fibre reinforcement for impact resistance and
machinery foundations”, International Journal of Cement Composites,Vol.1,No.2, pp.65-75, July 1979.
BARB, S. and HANSON, D., 1974, “Investigation of fiber reinforced breakwater armour units”, Fiber
Reinforced Concrete Publication SP-44, American Concrete Institute, Detroit,pp.415-434.
U.S. Army Engineering Division, “Fibrous reinforcements for Portland cement concrete”, Technical
Report No. 2-40, Cincinnati, Ohio 45227, May 1965.
KOCATA KIN, F., Yap Malzemesi Bilimi, Ar Kitabevi, stanbul, 1969.
ANIK, S., Metalik Malzemelerin Mekanik Deneyleri, Birsen Yay n Evi, stanbul, 1999.
“TS. 802, Beton Kar m Hesap Esaslar ”, Türk Standartlar Enstitüsü, Necati Bey Caddesi, 112,
ANKARA, 1985.
633