SÜRDÜRÜLEB R M MARLIK KAPSAMINDA AH AP VE PVCDO RAMALARIN DE ERLEND LMES
EVALUATION OF TIMBER AND PVC JOINERY WITHIN THE CONTEXTOF SUSTAINABLE ARCHITECTURE
Zübeyde SAYARa*, Arzuhan Burcu GÜLTEK Nb ve Çi dem Belgin D KMENc
a*Gazi Üniversitesi Teknik E itim Fakültesi Yap E itimi Bölümü, Ankara, Türkiye, E-posta: [email protected] Üniversitesi Teknik E itim Fakültesi Yap E itimi Bölümü, Ankara, Türkiye, E-posta: [email protected]
cBozok Üniversitesi,Mühendislik Mimarl k Fakültesi Mimarl k Böl., Yozgat, Türkiye, E-posta: [email protected]
Özet
Yerel ve küresel ölçekte çevre sorunlar yo un olarakya ant etkilemektedir. Bu ba lamda, çevresorunlar na neden olan sektörlerin ba nda gelen yapsektöründe, sürdürülebilir yap malzemeleri tercihedilmelidir. Yap malzemesinin ya am süreçlerindeki herevre, çevresel etkileri de beraberinde getirmektedir. Bunedenle, sürdürülebilir yap malzemelerinin özelliklerikadar, malzemelerin ya am süreçleri boyunca geçirdikleride imler ve bu de imlerin sebep oldu u çevresel etkilerde belirlenmelidir. Bu çal mada ayn i leve sahip ah apve PVC do ramalar, sürdürülebilir mimarl k ölçütlerikapsam nda kar la lm r. Bu kar la rmada “ah ap”ve “PVC” do ramalar, malzemelerin hammaddesinin
kar lmas ndan ba lay p, i lenmesi, paketlenmesi,ta nmas , kullan , bak , onar , kullan m ömrünütamamlad nda geri dönü ümü ve yeniden kullan nakadar, ya am süreçleri boyunca sürdürülebilir mimarl kkapsam nda de erlendirilmektedir.
Anahtar kelimeler: Ah ap Do rama, PVC Do rama,Sürdürülebilirlik, Ya am Döngüsü De erlendirme
Abstract
Environmental problems in local and global scale effect ourlives to a high degree. In this context, construction sectoris one of the leading sectors causing environmentalproblems. Therefore sustainable construction materialsshould be favoured in buildings. Every stage in the life timeof a material creates some certain environmental impacts.On this account, not only the properties of constructionmaterials but also the interaction between the environmentand the materials should be specified. In this study, timberand PVC types of joineries having the same function willbe compared regarding sustainable architectural criteria.The comparison will be performed in the subject such asmining and processing the raw material, packaging,transporting, utilization, maintenance, recycling and reuseof these materials during their life time within the context ofsustainable architecture.
Nüfus art na paralel olarak geli en bar nma gereksinimi,yap sektörünün h zla büyümesine sebep olmu tur. Çevreve insan sa na uygunlu u dü ünülmeden üretilenyap lar çevre kirlili ine yol açmaktad r [1]. Çevre kirlili inin
azalt lmas amac yla, mimarl k disiplininde sürdürülebilirmimari tasar m ölçütlerinin belirlenmesine, yapmalzemelerinin ya am süreçleri boyunca sebep olduklarçevresel etkilerin ara lmas na ve bu malzemelerinsürdürülebilirlik ölçütlerinin de erlendirilmesine gereksinimduyulmaktad r.
Yap malzemesi olarak ah ap do ramalara alternatifgörülen ve kullan giderek yayg nla an PVC (Poly VinylChloride - Polivinilklorür) do ramalar ya am süreçlerininher evresinde olumsuz çevresel etkilere sebepolabilmektedir. Bu ba lamda, sürdürülebilirlik aç ndan enuygun malzemenin seçimi için ah ap ve PVC do ramalar nya am süreçleri boyunca sebep olabilece i çevreseletkilerin de erlendirilmesi önem kazanmaktad r.
2. Sürdürülebilir Mimarl k
Enerji tüketiminin önemli kaynaklar ndan biri olarak yap lar,enerji korunumu aç ndan anahtar rol oynamaktad r. Yapsektöründe yap lar n sadece kullan nda harcanan enerjimiktar , dünyadaki y ll k enerji tüketiminin %40’olu turmaktad r [2].
Sürdürülebilirlik, sadece yapay ve do al çevreninkorunumunu de il, ayn zamanda canl varl klar n vekaynaklar n süreklili ini de sa lamay amaçlamaktad r.Mimarl k disiplininde sürdürülebilirli in kapsad hedefler,enerjinin, bak m ve onar m maliyetlerinin, yap yla ili kilihastal klar n, at k ve kirlili in azalt lmas ; yap ürünlerininverimlili inin ve konforunun, yap bile enlerinindayan kl ile esnekli inin att lmas r [3].
2.1. Sürdürülebilir Yap Malzemeleri
Sürdürülebilir yap malzemeleri, ya am döngüleri boyuncaminimum düzeyde enerji harcayan, hammaddelerinin eldeedilmesi, i lenmesi, kullan , bak m-onar ve at kolu umlar s ras nda çevreye ve insan sa na zararvermeyen malzemelerdir. Sürdürülebilir mimarl kta yapmalzemeleri, yap lar n enerji tüketimi, do al kaynaklar nkorunumu, kullan ve çevre sa aç ndan önemli biryer tutmaktad r [4].
2.2. Ah ap ve PVC Do ramalar n Sürdürülebilirli i
Dünyada do al kaynaklar giderek azalmaktad r. Do alkaynaklar n baz lar n gelecek yüzy l içerisindetükenece i tahmin edilmektedir. Ancak ah ap gibiyenilenebilen kaynaklardan elde edilen ah ap do ramalarbunlar n d nda kalmaktad r [5]. Ah ap do rama, esnekve sürdürülebilir bir yap malzemesidir [6]. Ah ap, güncel
ve gelecekteki taleplere yan t verebilecek bir potansiyelesahiptir. Yenilenebilir kaynaklardan elde edilen ve çevredostu ve geri dönü türülebilir malzemeler aras nda olanah ap do ramalar, kullan m ve uygulama kolaylyönünden de tercih edilen bir yap malzemesidir [7].
PVC ürünler Türkiye’de 1980'li y llarda yap sektöründekullan lmaya ba lanm , sundu u avantajlar nedeniylepazar h zla geli tirmi ve bu çerçevede PVCdo ramalar n kullan giderek yayg nla r.Günümüzde PVC ürünlerde, yat mlar n talebe ko utolarak artt gözlenmektedir [8]. Ço u kez "vinil" olarakadland lan PVC malzemelerinden üretilen PVCdo ramalar, dünyada en çok kullan lan ve çevreye en çokzarar veren yap malzemelerindendir [9].
Yüksek enerji tüketen PVC do ramalar, kansere, çevrekirlili ine ve biyoçe itlili in zarar görmesine sebep olanyap malzemeleridir [9]. Bu çerçevede PVC do ramalar n,ah ap do ramalar gibi sürdürülebilir bir yap malzemesiolmad görülmektedir.
3. Ah ap ve PVC Do ramalar n Ya am Döngüleri
Sürdürülebilir bir yap sektörü için, yap malzemelerininçevresel etkilerinin belirlenmesi gereklidir. Bir yapmalzemesinin veya yap ürününün hammaddesinin
kar lmas ndan i lenmesi, paketlenmesi, ta nmas ;kullan , bak m ve onar , ömrünü tamamlad klar ndaat lmas , geri dönü türülmesi ve yeniden kullan ma haz rhale getirilmesine kadar geçen sürece “yapmalzemelerinin ya am döngüsü de erlendirmesi” denir.[4]
Bir yap malzemesinin ya am ndaki her evre beraberindeçevresel etkileri getirmektedir. Ah ap ve PVCdo ramalar n sürdürülebilirlikleri, hammaddenin eldeedilmesinden at k evresine kadar tüm ya amsüreçlerindeki performanslar dikkate al narakde erlendirilmelidir. Malzemenin tüm ya am süreciyleili kili olan su, enerji, toprak gibi çevresel girdileri ilehavaya, suya ve topra a sal gibi çevresel ç kt lararas ndaki ili kiler tam ve do ru olarak belirlenmeli vede erlendirilme bu ba lamda yap lmal r.
3.1. Ah ap Do ramalar n Ya am Döngüsü
Çok eski bir yap malzemesi olan ah ap, binlerce y ld ryap larda ta eleman, pencere do ramas , dö eme-çat eleman ve d cephe kaplamas olarak kullan lm r,kullan lmaya da devam etmektedir. Yap malzemeleriaras nda ah ap, sahip oldu u avantajlar nedeniyle herdönem tercih edilen malzemeler aras nda yer alm r.Ah ap ya am döngüsü boyunca olumsuz çevresel etkileresebep olmamaktad r. Bu nedenle, çevre dostu olan ah apmalzemeden üretilen ah ap do ramalar da yap üretimindetercih edilen vazgeçilemeyecek yap malzemelerindenbiridir. Ah ap do ramalar n ya am döngüsü de erlendirmeemas ekil 1’ de ifade edilmektedir.
ORMANLAR HAMMADDEN NÇIKARILMASI
HAMMADDEN NDEPOLANMASI
HA ERELERE VEDO AL ETKENLEREKAR I KORUNMASI
ATMOSFER HAMMADDEN NTA INMASI
HAMMADDEN NLENMES
YAKIT OLARAKKULLANILAN
DO RAMALAR
KULLANIMALANLARININBEL RLEN P
ÜRET MYAPILMASI
AH APDO RAMALARINGER DÖNÜ ÜM
LEMLER
GERDÖNÜ TÜRÜLMÜ
AH APDO RAMALAR
AH APDOGRAMALARINPAZARLANMASI
KULLANIM ÖMRÜSONA ERM
AH APDO RAMALARINSÖKÜM LER
AH APDO RAMALARINPAZARLANMASI
AH AP DOGRAMALARIN YA AM DÖNGÜSÜ DE ERLEND RME EMASI
ekil 1. Ah ap do ramalar n ya am döngüsü
3.2. PVC Do ramalar n Ya am Döngüsü
Son dönemde ah ap do ramaya alternatif olarak görülenve kullan giderek yayg nla an PVC do ramalar, ya amsüreçleri boyunca tehlikeli kimyasallar n kullangerektirmektedir. PVC do ramalar n geri dönü ümü, ah apdo ramaya k yasla daha zor olup, geri dönü üm s ras ndakullan lan baz kimyasallar n havaya, suya ve topra asal mlar çevreyi olumsuz etkilemektedir. Tüm PVCürünlerinin alternatifi olabilecek ve daha güvenli yapmalzemeleri olmas na kar n, PVC üretiminin tüm dünyadaartmas çevre aç ndan olumsuz bir geli medir [8]. PVCdo ramalar n ya am döngüsü de erlendirme emas ekil2’ de ifade edilmektedir.
2068
Sayar, Z.a, Gültekin A. B.b. ve Dikmen Ç. B.c
.
ELEKTR K ET LEN
TUZ KLOR EDC
SODYUM H DROKS T VCM
PVCDO RAMALARINGER DÖNÜ ÜM
LEMLER
PVC
KATKIMALZ.
PVCDO RAMALARINPAZARLANMASI
GERDÖNÜ TÜRÜLEM YEN
PVC DO RAMALAR
PVCDO RAMALARINSÖKÜM LER
PVCDO RAMALARIN
MONTAJ VE
PVC DO RAMLARIN YA AM DÖGÜSÜ DE ERLEND RME EMASI
ekil 2. PVC do ramalar n ya am döngüsü
4. Ah ap ve PVC Do ramalar n “Ya amDöngüleri Boyunca “Sürdürülebilir Mimarl k”Kapsam nda De erlendirilmesi
Ah ap ve PVC do ramalar n ya am döngüsüde erlendirmesini yapabilmek için, çevresel ölçütleringerektirdi i çok kapsaml verilerin toplanmas ve buverilerin sistemli bir ekilde düzenlenmesi gerekmektedir[10].
Bu bildiride, ah ap ve PVC do ramalar n ya am döngüleriboyunca de erlendirmesini pratik olarak yapabilmek için,ah ap ve PVC do rama üreticilerine, tasar mc lar na vetüketicilerine bir de erlendirme yöntemi sunulmaktad r. Buyöntemde, yap malzemelerinin ya am süreçleri,hammaddenin ç kar lmas , üretim, yap m, kullan m, y mve y m sonras olmak üzere alt alt sistemdetan mlanmakta ve bu evrelerdeki sürdürülebilirlik ölçütleriayr ayr belirlenmektedir.
Ya am döngüsünün her evresi için sürdürülebilirlikölçütlerine göre malzeme denetim listeleri olu turulmaktave her sistemdeki ah ap ve PVC do ramalarsürdürülebilirlik ölçütleri kar nda olumlu ise (+), olumsuzise (-), de ken ise (+-) eklinde de erlendirilmektedir.
4.1. Hammaddenin Ç kar lmas Evresinde Ah ap vePVC Do ramalar n De erlendirilmesi
Ah ap hammaddesi yenilenebilir ve do al kaynak olanaçlardan elde edildi inden, hammadde ç kar lmas
evresinde iyi bir ormanc k politikas izlenildi inde çevreyezarar verilmesi söz konusu de ildir. Oysa alternatif görülenPVC do ramalar için ayn eyleri söylemek mümkünde ildir.
PVC do raman n hammaddesi olan PVC, yayg n deyimi ile"vinil" polivinilklorür kelimesinin k salt lm eklidir vehammaddesi petrol veya do algazd r. Ah ap do ramalar nhammaddesi ise ah ap yani a açt r. Ah ap ve PVCdo ramalar n hammaddenin ç kar lmas evresi;hammaddenin kayna ndan ç kar lmas ile ba lay p, eri imyollar n yap lmas , kaynaklar n ç kar ld yerlere yenidendüzenlenmesi ve hammaddenin do raman n üretimindekullan lmak üzere imalathaneye ta nmas ile sona erer [9].Bu evrede sürdürülebilirli i belirleyen süreçler Çizelge 1’deverilmi tir.
Çizelge 1. Hammaddenin ç kar lmas evresinde ah ap vePVC do ramalar n sürdürülebilirlik ölçütleri kapsam nda
de erlendirilmesi
4.2. Üretim Evresinde Ah ap ve PVC Do ramalar nDe erlendirilmesi
Üretim evresi; malzemelerin hammaddelerininkayna ndan ç kar p fabrikaya getirilmesiyle ba lay p,
lenmesi, paketlenmesi ve in aat alan na ta nmas ylasona erer [11]. Tomruklar halinde getirilen ah aphammaddesi ise çevreye zarars z bir ekilde makinelerdenkesilerek do rama haline getirilir. Üretimi ve i lenmesi içinaz enerji istemesi nedeniyle ah ap do ramalar, ça nçevre ve enerji sorunlar na en iyi cevap veren yapmalzemesidir. Bilinenin aksine ah ap kullanmakormanlar n ya amas sa lamaktad r. Nitekim ah abfazla kullanan ülkelerde orman alanlar devamlço almaktad r [12].
PVC, petrol veya do algaz ile tuzdan petrokimyatesislerinde üretilen, formülü -(CH2-CH2) olan bir polimertürüdür. Bu polimer, belli katk malzemeleri kar rarak,üretime haz r profil yar mamul hale getirilir. Aç a ç kan bukar m extrüzyon makinelerinde yüksek s cakl k (~180–200ºC) ve bas nç alt nda i lenerek, plastifiye eklinesokmak suretiyle profiller çekilerek PVC do ramalarüretilir. PVC do ramalar n üretimi esnas nda yüksek enerji
SÜRDÜRÜLEB RL K ÖLÇÜTLERYap
MalzemeleriAh ap PVC
Tüketilen enerjimiktar belirli mi?
Do al ve yerel kaynaklardanelde edilebiliyor mu? + -
Hammaddenin ç kart lmasras nda tüketilen enerji
miktar n az olmassa lanabiliyor mu?
+ -
Hammaddenin depolanacayere ta nmas s ras ndatüketilen enerji miktar n azolmas sa lanabiliyor mu?
+ -
Ta ma maliyeti azalt labiliyormu? +- +-
Çevre kirlili iazalt yor mu?
At klar n azalt lmassa lanabiliyor mu? + -
Görsel kirlilik olu mamassa layabiliyor mu? + -
Gürültü kirlili i olu mamassa layabiliyor mu? + +-
Hava kirlili i olu mamassa layabiliyor mu? + +-
Habitat nkorunmassa lanabiliyormu?
Biyolojik çe itlili inkorunmas sa layabiliyormu?
+ -
Toprak niteliklerininkorunmas sa layabiliyormu?
+ -
(+) olumlu, ( -) olumsuz, (+-) de ken
2069
Sayar, Z.a, Gültekin A. B.b. ve Dikmen Ç. B.c
.
tüketimi, kanserojen ek maddeler ve ciddi kirliliklermeydana gelir [13]. Üretim evresinde sürdürülebilirli ibelirleyen ölçüter Çizelge 2’de verilmi tir.
Çizelge 2. Üretim evresinde ah ap ve PVC do ramalar nsürdürülebilirlik ölçütleri kapsam nda de erlendirilmesi
4.3. Yap m Evresinde Ah ap ve PVC Do ramalar nDe erlendirilmesi
Yap m, antiye alan na ah ap ve PVC do ramalar ngetirilmesiyle ba lay p, malzemelerin in a edilmesiyle sonaerer. Yap m, fabrikada üretimi tamamlanan do ramalar n,antiyede parça, eleman veya bile en baz nda bir araya
getirilerek yap n in a edildi i evredir [14]. Yap mevresinde sürdürülebilirli i belirleyen ölçütler Çizelge 3’teverilmi tir.
Çizelge 3. Yap m evresinde ah ap ve PVC do ramalar nsürdürülebilirlik ölçütleri kapsam nda de erlendirilmesi
4.4. Kullan m Evresinde Ah ap ve PVC Do ramalar nDe erlendirilmesi
Kullan m, yap biten do ramalar n kullan ld vegerekti i dönemlerde bak m ve onar n yap ld evredir[15]. ngiliz standartlar ah ap do ramalar için 60 y l hizmetömrü vermektedir, ancak çevremizde hizmet ömrü 100
ldan fazla olan ve hala i levini sürdüren ah apdo ramalar görmek mümkündür. Ayr ca ah apdo raman n paslanmamas , korozyona u ramamas , iyi
nland nda ekil de tirmemesi ve mor ötesi nlar netkisiyle k lganla mamas da kullan m evresinde avantajsa lamaktad r. Di er bütün artlar e it oldu unda birah ap pencerenin yal m de eri PVC'den %10 dahaiyidir. Ço unlukla göz ard edilen en önemli konu ise birah ap pencerenin kullan m ömrü boyunca bu özelliklerinikorumas r. Bu ah ab n do rama olarak önemli birüstünlü üdür [16].
ngiliz standartlar n PVC do ramalar için verdikleri ömür20–25 y l aras nda de mektedir [17]. PVC do ramalar,çevresel aç dan zararl olman n yan s ra, katkmaddelerinden sal m ve yang n gibi riskler de ta maktad r.Kullan m evresinde kullan sa ve konforu en önemliölçüt olup, tma, havaland rma, ayd nlatma kullan gibi
levlerin dikkate al nmas gerekir. Bu evredesürdürülebilirli i belirleyen ölçütler Çizelge 4’de verilmi tir.
Çizelge 4. Kullan m evresinde ah ap ve PVC do ramalar nsürdürülebilirlik ölçütleri kapsam nda de erlendirilmesi
4.5. Y m Evresinde Ah ap ve PVC Do ramalar nDe erlendirilmesi
m, yap n y larak ah ap ve PVC do ramalar nya am döngüsünün sona erdi i evredir. Y m evresindeyap dan artakalan do rama parçalar n geridönü türülmesi, yeniden kullan lmas veya at söz
SÜRDÜRÜLEB RL K ÖLÇÜTLERYap
MalzemeleriAh ap PVC
Tüketilen enerjimiktar belirli mi?
Hammaddenin depolanacayere ta nmas s ras ndatüketilen enerji miktar n azolmas sa lanabiliyor mu?
+ -
Ta ma maliyeti azalt labiliyormu? +- +-
Çevre kirlili iniazalt yor mu?
At klar n azalt lmassa lanabiliyor mu? + -
Görsel kirlilik olu mamassa layabiliyor mu? + -
Gürültü kirlili i olu mamassa layabiliyor mu? +- +-
Bak onar kolay m ? +-Zehirli olmayan temizleyicikullan na olanak veriyormu?
+- +-
Eski yap lar n yenilenmesineolanak veriyor mu? + +
Mevcut strüktürün i levineuyumu kolayla yor mu?Habitat n korunmassa lanabiliyor mu? + -
Yapay iklimlendirmenin enaz derecede kullan naolanak veriyor mu?
+- +-
Çevre kirlili iniazalt yor mu?
At klar n azalt lmassa layabiliyor mu? +- +-
Görsel kirlilik olu mamassa layabiliyor mu? - +-
Böcek ilac kullanazalt yor mu? - +
Yüksek iç havakalitesisa lanabiliyormu?
Kirli gaz yayazaltabiliyor mu? + -
Kokular n emiliminiönleyebiliyor mu? + -
Yap eleman ve bile enlerininnefes almas na olanak veriyormu?
+ -
Radon gaz yayazalmas sa layabiliyormu?
+ -
(+) olumlu, ( -) olumsuz, (+-) de ken
2070
Sayar, Z.a, Gültekin A. B.b. ve Dikmen Ç. B.c
.
konusu olacakt r [18]. Y m evresinde geri dönü üm vedepolama (gömme) sorunlar ile yakma sonucu ortaya
kan dioksit ve tehlikeli art klar olumsuz çevresel etkileraras nda say labilir. Y m evresinin sürdürülebilirli inibelirleyen ölçütler Çizelge 5’te verilmi tir.
Çizelge 5. Y m evresinde ah ap ve PVC do ramalar nsürdürülebilirlik ölçütleri kapsam nda de erlendirilmesi
4.6. Y m Sonras Evresinde Ah ap ve PVCDo ramalar n De erlendirilmesi
Yap n y yla, yap daki i levini tamamlayan ah ap vePVC do ramalar, y m sonras nda arazi doldurma, yakmaveya denize atma yöntemleriyle imha edilebilir veyayeniden kullan m ve geri dönü türülme yöntemleriyle iletekrar kullan labilir [19].
tamamlanan yap lardan ç kar lan ah apdo ramalar, ba ka alanlarda (örne in bahçe çitlerinde)kullan labilir. Kullan lamayan ah ap do ramalar yakacakolarak de erlendirilebilir veya at k sahalar na b rak larak bumalzemelerin do aya kat lmas sa lanabilir [20]. Ah apdo raman n geri dönü ümü s ras nda çevreye zararverecek etkilerde bulunmamaktad r [21].
PVC do ramalar n bertaraf ise çevresel sorunlaryaratmaktad r. PVC do ramalar n aç k alanda veya yakmatesisinde yak lmas durumunda, PVC’nin klorlu içeri inedeniyle PVC do ramalar, dioksitlerle beraber asidik birgaz yaymaktad r. PVC ürün, düzenli depolama durumundadahi, sonunda yeralt su kaynaklar tehdit edecekkatk sallar b rakmaktad r. PVC içeren at klar n aç kdepolama alanlar ndaki yak lmalar daha da fazla dioksitkayna n aç a ç kmas na yol açmaktad r. u an PVCdo ramalar n %1’inden daha az miktar , maddesel olarakgeri dönü türülmektedir. Tüketim sonras ürünler veyaPVC do rama at klar , ayn kalitedeki ürünleri yapmak içingerekli PVC kalitesine dönü türülememektedir. Geridönü türülen PVC ürünlerinin birço u zehirli a r metalbile ikleri veya di er stabilitörler ile tekrar olu turulmakzorundad r. Bu, ikincil üründeki zehirli bile ikler diziliminidaha da artt rmaktad r. Bu nedenle toplanan PVC do ramaat klar n büyük bölümü indirgenmekte veya bahçebanklar ve otoyol boyunca ses bariyerleri gibi daha altürünlerin yap nda kullan lmaktad r. Y m sonrasevrenin sürdürülebilirli ini belirleyen ölçütler Çizelge 6’daverilmi tir.
Çizelge 6. Y m sonras evrede ah ap ve PVCdo ramalar n sürdürülebilirlik ölçütleri kapsam nda
de erlendirilmesi
5. Sonuç
Ah ap do ramalar, üretimi ve i lenmesi için az enerji yegereksinim duymas , sa kl ya am, sürdürebilmeaç ndan ekolojik, yap m a amas nda bölgesel özelliklereba olarak yöresel malzeme oldu u için bulunabilmesi,ta sistemin i levine uygun olarak kullan labilmesi,ekolojik olmas , kayna yenilenebilir ve kullan n kolayolmas , y lmaya kar daha güvenli davranmasnedeniyle uzmanlar taraf ndan da onaylanmaktad r. Buözelliklerin yan s ra ah ap do ramalar, gereksinimlereba olarak eklenebilen, yenilenebilen esnek birmalzemedir. . Bu özellikleri birle tirilince onu ça nçevre ve enerji sorunlar na cevap veren en iyi yapmalzemesi yap yor.
Ah ap do ramalara alternatif olan PVC do ramalar için buözellikleri söylemenin pek mümkün de ildir. PVCdo ramalar, üretim evresinden geri dönü üm evresinekadar geçen süreçte çevreye insan sa na zararl etkilerde bulunmaktad r.
Bu nedenle ah ap ve PVC do ramalar ya am döngülerikapsam nda, sürdürülebilirlik ölçütlerine görede erlendirilmesi sonucunda; ah ap do ramalar n PVCdo ramalara göre daha sürdürülebilir bir yap malzemesioldu unu görmekteyiz.
Kaynaklar[1] Gültekin, A.B., Ya am döngüsü de erlendirme
yöntemi kapsam nda yap ürünlerinin çevreseletkilerinin de erlendirilmesine yönelik bir modelönerisi, Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, 10-60, 2006.
[2] Zeytun, A.B., Sustainable buildings and buildingmaterials : environment, human health and energy,
SÜRDÜRÜLEB RL K ÖLÇÜTLERYap
MalzemeleriAh ap PVC
Çevre kirlili iazalt yor mu?
Tüketilen enerji miktar az? +- +-
Kullan lan ekipman miktaraz m ? +- +-
Yeniden kullanabilirlikkapasitesi yüksek mi? + -
Geri dönü ebilirlikkapasitesi yüksek mi? + -
At klar n azalt lmassa lanabiliyor mu? + -
Görsel kirlilik olu mamassa layabiliyor mu? - -
Habitat nkorunmassa lanabiliyormu?
Biyolojik çe itlili inkorunmas sa layabiliyormu? + -
(+) olumlu, ( -) olumsuz, (+-) de ken
SÜRDÜRÜLEB RL K ÖLÇÜTLERYap
MalzemeleriAh ap PVC
Tüketilen enerjimiktar belirli mi?
Do al ve yerelkaynaklardan eldeedilebiliyor mu?
+ -
Hammaddesinindepolanaca yereta nmas s ras ndatüketilen enerji miktar naz olmas sa lanabiliyormu?
+- +-
Ta nma maliyetiazalt labiliyor mu? +- +-
Çevre kirlili iazalt yor mu?
At klar n azalt lmassa lanabiliyor mu? + -
Görsel kirlilik olu mamassa layabiliyor mu? - -
Gürültü kirlili iolu mamassa layabiliyor mu?
- -
Hava kirlili i olu mamassa layabiliyor mu? - -
Habitat n korunmassa lanabiliyor mu?
Biyolojik çe itlili inkorunmas sa layabiliyormu?
+ -
Toprak niteliklerininkorunmas sa layabiliyormu?
+ -
(+) olumlu, ( -) olumsuz, (+-) de ken
2071
Sayar, Z.a, Gültekin A. B.b. ve Dikmen Ç. B.c
.
The Graduate School of Natural and Applied Sciencesof METU, 2000.
[3] Osso, A., Walsh T, and Gottfried, D., SustainableBuilding Technical Manual, Public Technology Inc.,New York, 1996.
[4] Çelebi, G. ve Ayd n, A.B., Sürdürülebilir mimarl kyakla nda yap malzemelerinin irdelenmesi, IV.Ulusal Ekoloji ve Çevre Kongresi, Bodrum, 457 - 464,2001.
[5] Erdin, N., A aç malzeme kullan ve çevreye etkisi,Interteks aat Fuar Ah ap Seminerleri, stanbul,2003.
[6] Ak nc türk, N., Beceren,R., Considering thecontinuity of wooden construction culture in traditionalsettlements, IAPS Uluslararas Kongresi, Amasya,2001.
[7] Beceren, R., Mimaride ah ap, Güney MarmaraMimarl k Dergisi, Mimarlar Odas Bursa ubesiYay nlar , 2000.
[8] Akgül, M., Etüt ve ara rma ubesi sektör profillraporu, stanbul Ticaret Odas ,1-4, 2004.
[19] Gültekin, A. B., Sürdürülebilir mimari tasar m ilkelerikapsam nda çözüm önerileri, 19. Uluslararas Yap veYa am Kongresi (Mimarl n Gelece i ve Gelecek çinMimarl k), Mimarlar Odas Bursa ubesi Yay nlar ,2007.
YÜKSEK HIZLI DEM RYOLU KÖPRÜLER NDEETK N D NAM K ANAL Z YÖNTEM VE UYGULAMASI
EFFECTIVE DYNAMIC ANALYSIS METHOD AND ITS APPLICATION FOR HIGH SPEED RAILWAY BRIDGES
Bar Günestanbul Üniversitesi, stanbul, Türkiye, E-posta: [email protected]
Özet
Ülkemizde demiryollar n önemi artan ula m talebineba olarak her geçen gün artmaktad r. Buna ba olarakyüksek h zl demiryolu hatlar na ve bunlar n bir parçasolan köprü ve viyadüklere ihtiyaç duyulmaktad r. Günümüzde 250-300 km/sa gibi yüksek h zl ta tlara servis verendemiryollar mevcuttur. Bu hatlardaki demiryoluköprülerinde, artan h z ve dingil a rl klar na ba olarakrezonans problemleri ortaya ç kabilmektedir. Bu nedenleyüksek h zl demiryolu köprü ve viyadüklerinin tasar ndastatik analiz yan nda dinamik analizde yap lmas dagerekmektedir.
Bu çal mada, Sivas-Erzincan h zl tren demiryolu hatt ndayap lmas planlanan ve projelendirme a amas nda olan birköprü örne i incelenmi tir. Bu örnek üzerinde, Eurocode[1] ve UIC [2] artnamelerine ba olarak kritik dinamikanaliz yük modelinin seçimi ve uygulamas yap lm r.Farkl tren yük modelleri için statik ve dinamik analizleryap larak rezonans riski olu turabilecek h z seviyeleribelirlenmi ve bu tip köprülerde dinamik analiz yap lmasgerekti i vurgulanm r.
Anahtar kelimeler: Yüksek h zl demiryolu, köprü, dinamikanaliz
Abstract
The importance of railways in Turkey increases by the day,in correlation with the ever increasing demand for moretransportation capacity. Accordingly, there is a growingneed for high-speed railway lines and for bridges andviaducts, which constitute integral components of railways.In our day, there are railways that can reach high speedslike 250-300 km/h, or more. Depending on increasedspeed and axle weight, resonance problems may beencountered in railway bridges that are incorporated intothese lines. Therefore, the design of bridges and viaductsfor high-speed railways requires dynamic analysisalongside static analysis.
This study examines the issue in the example of aparticular bridge, contemplated to be built on the Sivas-Erzincan high-speed railway line, which is currently atproject preparation stage. Using said example, a criticaldynamic analysis load model was selected and appliedpursuant to Eurocode [1] and UIC [2] specifications.Speed levels that can give rise to resonance risks weredetermined through static and dynamic analyses ofdifferent train load models and the necessity of performinga dynamic analysis was thereby emphasized.
Keywords: High speed railways, bridges, dynamicsanalysis
1. Giri
Genellikle her malzeme bir do al titre im frekans nasahiptir. Do al titre im frekans ile dinamik yükünfrekans n çak mas durumunda rezonans olaymeydana gelmektedir. Ray ve tekerlek aras ndaki ili kidenkaynaklanan dinamik etki, sistemde titre im hareketimeydana getirir. Bu etkinin mevcut demiryolu üstyap ndo al titre im frekans na yakla mas durumunda, sistemeilave dinamik yüklerin etkimesi sonucu ta sistemingüvenli i azalmakta ve yolcu ta ma konforu dü mektedir.Yükleme frekans ile yap do al titre im frekans nçak mas durumunda ise, ta sistemin güvenli i ciddiekilde tehlike alt na girmektedir. Bu nedenle sistemde
rezonans olu mamas için gereken önlemlerin al nmasgerekmektedir.
Demiryolu köprülerinde, özellikle ta t h zlar n 200 km/sade erinin üzerinde ve aç kl n 40 m’nin alt nda oldu udurumlar da hareketli yükün dinamik etkisi hayli önemkazanmaktad r.
ekil.1’de Sivas-Erzincan h zl tren hatt projesikapsam nda projelendirme a amas nda olan bir köprükesiti görülmektedir. Köprü iki adet hattan olu maktad r.Köprü geni li i 12 m olup 190 cm yüksekli inde 10 adet öngerilmeli prekast kiri ve yakla k 30 cm betonarmetabliyeden olu maktad r. Ön gerilmeli prekast kiri lerinhesap aç kl L = 30 m’dir.
ekil 1. Sivas-Erzincan h zl tren hatt örnek köprü kesiti
Yap sal model, genel amaçl bir yap sal analiz programolan SAP2000 program nda haz rlanm r [3]. Mesnetko ullar yaylarla tan mlanm r. Bir taraf boyuna yöndesabit di er taraf ise hareketli mesnet olaraktan mlanm r. Prekast kiri elemanlarla tabliyearas ndaki ba lant lar üç do rultuda da rijit cisimhareketi yapmalar sa layan noktalar tan mlanaraksa lanm r.
ekil 2. Üst yap sonlu eleman modeli
ekil 3. Birinci do al e ilme frekans 3.63 Hz
ekil 4. Birinci do al burulma frekans 7.83 Hz
3. Dinamik Analiz
3.1 Yüksek H zl Demiryolu Köprülerinde DinamikAnaliz Gereklili i
EN 1991-2 Eurocode 1’de yüksek h zl demiryoluköprüleri için dinamik analiz gereklili i a dakifaktörlere ba olarak gösterilmi tir [1].
Köprü aç kl na Köprü sistemine Tren h na Trenin dingil yüklerine Yap n kütlesine, rijitli ine Yap n sönüm oran na
Demiryolu köprülerinde dinamik analiz ak emasdaki ekildedir [4].
ekil 5. Dinamik analiz ak emas [4].
L = Köprü aç kl k uzunlu u [m]V = Köprü yerindeki en büyük hat h [Km/sa]no = Zati yükler alt nda köprünün birinci do al e ilmefrekans [Hz]nT = Zati yükler alt nda köprünün birinci do al burulmafrekans [Hz]v = En büyük anma h (m/s)
= Dinamik etki katsaydyn = Dinamik analiz sonucunda bulunan dinamik etki
katsay
2074
Güne , B.
Dinamik analiz gereklili i ekil 5’ de belirtilen esaslarave ak emas na göre kontrol edilmi tir.
no hattaki düzensizlikler nedeni ile konulan bir üst s rde eridir.
no = 94,76 L-0,748 ifadesi ile bulunur.
no alt s ise hattaki dinamik darbe ölçütüdür veaç kl a ba olarak a daki gibi hesaplanmaktad r.
no = 80/L 4 m L 20 m için
no = 23,58 L-0,592 20 m < L 100 m
no , köprünün zati yükler alt nda birinci do al frekans r.
Seçilen aç kl k için alt ve üst de erler ;
no = 3.15 no = 7.44
L , basit mesnetli köprüler için aç kl k uzunlu udur.
ekil 6. Köprü aç kl na göre köprü do al frekans n s rlar [1]
(1) : Do al frekans için üst s r (2) : Do al frekans için alt s r
Proje h = V = 250 km/saMaksimum Tasar m h = 1.2*Proje h = 300 km/saV = 300 km/sa= 83.33 m/snKiri Aç kl = 30 m < 40 m
Frekanslar ;Yap dü ey e ilme titre im frekans no = 3.63 HzYap burulma titre im frekans nt = 7,83 Hz
nt >1.2*no oldu u için ak m emas na göre TS EN1991-2 Annex F’deki F1 ve F2 tablolar kullan lm r [1].
(v/no)lim = TS EN 1991-2 Annex F’ den elde edilmi tir.[1]
(v/n0)=83.33/3.63=22.96
(v/n0)lim= 19.17
Yap lan hesaplamalar sonucunda dinamik analizyap lmas gerekti i ortaya ç km r.
3.2. Yap sal Sönüm
Yap n sönümü rezonans h zlar na yak n h zlarda,yap n davran büyük ölçüde etkilemektedir.Sönüm ile ilgili olarak alt s r tahmin de erlerikullan lm r.
Çizelge.1’de aç kl a ba sönüm oranlar verilmi tir.L=30 m aç kl nda öngerilmeli betonarme prekastkiri lerler için sönüm oran =1.0 al nm r. [4]
Çizelge 1 Köprü tiplerine göre kritik sönüm oran [4].
Köprü tipi( ) Kritik sönüm
yüzdesinin alt s(%)
Aç kl k L 20 m
Çelik ve kompozit = 0.5Öngerilmeli beton = 1.0
Betonarme = 1.5
3.3. Maksimum Dalga Boyunun Belirlenmesi
EN1991-2 Bölüm 6.4.6.21’de öngörüldü ü üzere 40m/sn ve maksimum tasar m h aras nda de ik h zde erleri için uygulanm r [1].
40 m/sn < vi < 83.3 m/sn
EN 1991-2 Annex E2 bölümünde maksimum tasar mna ait dalga boyu tan mlanm r [1].
Maksimum tasar m h :
VDS = 300 km/sa= 83.33 m/sn
lk do al titre im frekans no = 3.63 Hz
Maksimum tasar m h na ait dalga boyu :
mn
v
o
DSv 96.22 bulunmu tur.
3.4. Kritik Dalga Boyunun Belirlenmesi
EN 1991-2 Annex E, E2 bölümündeki L = 30 m aç kl kve sönüm oran =1.0’e ait grafikler kullan larak kritikdalga boyu c belirlenmi tir [1].
2075
Güne , B.
ekil 7. L=30 m =1.0 için kritik dalga boyu [1].
v = 22.96 m için bulunan de er c = 22.96 m
< v de erleri için grafik daha büyük GA L /
de erine ula yorsa c de eri olarak ilgili de erikullan lm r.
3.5. Yük Tipinin Belirlenmesi
Dinamik analiz için HSLM yük modelinin uygulanmasgerekmektedir. HSLM Yük modeli, HSLM-A ve HSLM-Bolmak üzere vagon boyu de ken olan farkl ikiUniversal tren’ den olu maktad r. EN1991-2 bölüm6.4.6 tablo 6.4’de öngörüldü ü üzere L = 30 m içinHSLM-A türü tren yükü uygulanm r [1].
Çizelge 2 HSLM-A tipi tren s flar ve özellikleri [4].
3.6. HSLM-A6 Yüklemesinin Sisteme Uygulanmas
HSLM-A6 treni statik ve dinamik olarak Sap2000program nda tan mlanm r. Dinamik yüklemedekullan lacak olan tren h 83,3 m/sn olarak sistemeuygulanm r.
V=83.3 m/sn h z de eri için HSLM-A6 statikyüklemesinde maksimum dü ey deplasman de eri2.40 mm’dir. Ayn h z de erindeki dinamik yüklemedeise dü ey deplasman de eri ise 5.42 mm olarakbulunmu tur
ekil 8. HSLM-A tipi tren [1]
ekil 9. c dalga boyuna ba olan HSLM-A tipi tren parametreleri [1].c = 22.96 m de eri için ; D=23 m, d=2 m, P=180 kN, N=13 adet de erleri elde edilmi tir (HSLM-A6).
UniversalTren
Aravagonlar n
SayN
VagonBoyuD (m)
Bogiedingilarald (m)
NoktaYükü
P(kN)
A1A2A3A4A5A6A7A8A9A10
18171615141313121111
18192021222324252627
2,03,52,03,02,02,02,02,52,02,0
170200180190170180190190210210
2076
Güne , B.
ekil 10. V=83.33 m/sn h z için HSLM-A6 statik yükdü ey deplasman de erleri.
ekil 11. V=83.33 m/sn h z için HSLM-A6 dinamik yükdü ey deplasman de erleri.
Yük modeli HSLM-A6 için statik yük etkilerini artt randinamik katsay 1 + dyn + ’’ olarak hesaplanm r [1].
25.11maxstat
dyndyn y
y
EN 1991-2 Bölüm 6.4.6.5’e göre hat ve araçdüzensizliklerinden dolay hesaplanan dinamik yükleriartt rma faktörü ’’
0*180*
*50*56*100
22
1010L
oL
enL
e
= 0.02 olarak bulunmu tur [1].
Toplam dinamik etki faktörü top= 1 + dyn + ’’ =2.27
HSLM-A6 dinamik etkiler göz önüne al nd ndaolu acak deplasman ;
HSLM-A6ydyn = HSLM-A6ystat * top =5.45 mm olarakhesaplanm r.
HSLM-A6 treni Sap2000 program nda 150 km/sa ve350 km/sa aral ndaki h z seviyeleri için sistemeuygulanm r.
120 160 200 240 280 320 360Tren h (km/sa)
2
3
4
5
6
Dü
ey D
epla
sman
(mm
)
ekil 12. HSLM-A6 treni h z-deplasman grafi i.
V=83.33 m/sn h z de eri için HSLM-A6 dinamikyüklemesinde maksimum dü ey ivme de eri 1.606m/sn2 olarak bulunmu tur.
ekil 13. 83.33 m/sn h z için HSLM-A6 dinamik yükdü ey ivme de erleri.
120 160 200 240 280 320 360Tren h (km/sa)
0
0.4
0.8
1.2
1.6
2
vme
(m/s
n2)
ekil 14. HSLM-A6 treni h z-ivme grafi i.
HSLM-A6 treni d nda ICE-2 treni içinde de ikzlarda dinamik hesaplamalar yap lm r. ICE-2 treni
16 m dingil aral na ve P=195 kN dingil yüklerine sahipbir trendir.
2077
Güne , B.
120 160 200 240 280 320 360Tren h (km/sa)
0.8
1.2
1.6
2
Dü
eyD
epla
sman
(mm
)
ekil 15. ICE-2 treni h z-deplasman grafi i
120 160 200 240 280 320 360Tren h (km/sa)
0
0.2
0.4
0.6
0.8
Dü
eyiv
me
(m/s
n2 )
ekil 16. ICE-2 treni h z-ivme grafi i
4. Statik Yükleme Durumu
Normal demiryolu trafi i alt nda dü ey yükün statiketkisini temsil eden yük modeli LM 71 yük modelidir.LM 71 yük modeli için verilen karakteristik de erler,normal demiryolu trafi inden daha a r yada daha hafiftrafik yükü ta yan hatlar için katsay ileçarp lmal r. katsay ile çarp ld nda bu yüklere“s fland lm dü ey yükler “ denir. katsay buproje için 1.33 olarak al nm r.
EN1991-2 belirtilen dinamik analiz d nda, LM71 yükmodeli kullan larak statik yükleme de yap lm vesonuçlar kar la lm r [1].
LM 71 yük modeli statik yüklemesi neticesinde bulunantesirler 3 de eri ile çarp larak büyütülmü tür [1].
L = L kiri = 30 m
139.173.02.0
16.23
L
LM71 yüklemesi sonucu bulunan dü ey deplasmande eri 9.1 mm dir.
LM71 için dinamik etkilere göre olu acak deplasman:
LM71ydyn = LM71ystat * 3 =10.36 mm
5. Sonuçlar
Yap lan analizler sonucunda LM71 yüklemesi için(LM71ydyn ) 10.36 mm, HSLM-A6 yüklemesi için (HSLM-A6ydyn ) 5.45 mm dü ey deplasman de erleri eldeedilmi tir. Dinamik analiz yap lan HSLM-A6yüklemesindeki dü ey deplasman de eri, dinamiketkilerle ( 3) çarp lm statik yük LM71’den dü ük
km r. LM71* 3 yüklemesi daha olumsuz tesirlerolu turmu tur.
Dinamik etki katsay ile artt lm LM71ydyn statikyüklemesi daha olumsuz tesirler olu turmas na ra menrezonans etkisini göz ard etmektedir. Köprüde HSLM-A6 yüklemesinde 300 km/sa h zda, ICE-2 yüklemesindeise 209 km/sa h zda rezonans riski oldu u belirlenmi tir.Bu nedenle LM71ydyn statik yüklemesine göre daha aztesir olu turan HSLM-A6 ve ICE-2 trenleri, belirli
zlarda köprüde rezonans olay olu turarak LM71ydynstatik yüklemesine göre çok daha büyük tesirlerolu turarak yap güvenli ini tehlikeye atmaktad r.
HSLM-A6 dinamik yüklemesinde maksimum dü eyivme de eri 1.606 m/sn2 olarak bulunmu tur. Bu de erEN1991-2’deki s r de er olan 3.5 m/sn2 de erindenküçüktür ve EN 1990-A2’de belirtilen onaylanabilirkonfor s r de eri olan 2 m/sn2 de erinden küçüktür[1,5]. Yap daki dü ey ivmelenme güvelik s rlariçerisinde kalm r.
Yüksek h zl demiryolu hatlar nda, tren yükündenkaynaklanan tahrik frekans , köprünün birinci do al
ilme frekans na e it oldu u zaman rezonans olaymeydana gelmektedir. Rezonans etkisi ise köprülerdebetonarme ta elemanlarda çatlak olu umu,balast n stabilitesinin bozulmas ve a titre imlerinmeydana gelmesi gibi olumsuz etkilere sebep olarakköprü ta sistem güvenli ini tehlikeye sokmakta veyolcu konforunu azaltmaktad r.
L=40 m den küçük aç kl klarda ve V=200 km/sa h zdandaha yüksek h zlarda mutlaka dinamik analiz yap larakköprünün rezonans riskinin belirlenmesi ve dinamikanaliz sonuçlar na göre rezonans olu masengellemek için köprü yada ta t tasar de tirmekgerekmektedir.
Kaynaklar
[1] EN1991-2, European Committee forStandardization. EN1991-2: EUROCODE 1-Actionson structures, Part 2: Traffic loads on bridges,European Union, 2003.
[2] UIC Code 774-3 2nd Edition (October 2001 Leafletrevised). International Union of Railways. (1stedition July 1995 Leaflet first drafted), 2001.
PERFORMANCE OF NON-LINEAR BASE ISOLATION SYSTEMSDESIGNED ACCORDING TO UNIFORM BUILDING CODE
Cenk Alhana and Metin Altun b
a Department of Civil Engineering, stanbul University, stanbul, Turkey E-mail: [email protected] Department of Civil Engineering, stanbul University, stanbul, Turkey E-mail: [email protected]
Abstract
For the safety and welfare of the public, industrial facilitiesand public structures must remain functional at all times.Consequently, they have to remain essentially elastic evenafter major earthquakes. This could be achieved viaseismic base isolation which is an advanced technologyused in earthquake-resistant design. Rubber isolation padswith low horizontal stiffness placed between the columnsand the foundation lengthen the period of a structure andthereby reduce floor accelerations and inter-story drifts. Achallenge that base isolated structures may face is thenear-fault earthquakes which contain long-period velocitypulses that may coincide with the period of base isolatedstructures resulting in excessive deformation and ruptureof isolators. Uniform Building Code (UBC97) is widely usedin design of base isolation systems which containsprovisions accounting for near-fault earthquake effects. Inorder to investigate the performance of base isolationsystems designed according to UBC97 under near-faultand far-fault earthquakes, bi-directional non-linear timehistory analyses of a 4-story base isolated benchmarkbuilding, located close to an active fault, are carried out.The isolation system is composed of high damping rubberbearings and the force-displacement behavior of thebearings is modeled as bi-linear. Design displacementsare estimated using UBC97 parameters. The building issubjected to the far-fault 1940 El Centro Earthquake andthe near-fault 1996 Kobe Earthquake. Results show thatUBC97 predicts isolator displacements successfully. Flooraccelerations and inter-story drifts of the subject base-isolated building are significantly reduced when comparedto its fixed-based counterpart.
Keywords: Seismic isolation, earthquake engineering,non-linear isolation system, Uniform Building Code
1. Introduction
The basic philosophy of the seismic codes is to save livesby requiring that structures are designed such that anypartial or total collapse is prevented in case of majorearthquakes [1]. In conventional earthquake-resistantdesign, this is provided by ductility whereby the structure isallowed to deform beyond the elastic range. Thisconsequently means that even though the collapse of thestructure can be prevented, significant structural damagemay be sustained in case of major earthquakes. However,for the safety and welfare of the public, structures such ashospitals, fire departments, and industrial facilities mustremain completely functional [2]. Therefore, thesestructures have to remain essentially elastic even aftermajor earthquakes. Seismic base isolation is an advanced
technology that could provide such desired behavior [3, 4,5, 6, 7].
Seismic isolation can be achieved by lengthening thenatural period of vibration of a structure via use of rubberisolation pads between the columns and the foundation [3,8]. Consequently, the seismic effects are reduced whichleads to significant reductions in seismic responsevariables such as floor accelerations, inter-story drifts, andbase shear [9, 10]. On the other hand, as the flexibility ofthe isolation system increases, base displacementsbecome larger [11, 12]. Since all isolation systems have adeformation capacity, the peak isolator deformationsshould not exceed a certain design value [13]. In case thedeformation capacity of the isolators exceeded, rupture orbuckling of the isolators may come into scene which wouldbe a major safety problem [14, 15, 16]. Therefore, it is vitalto accurately estimate the peak base displacements incase of major earthquakes, particularly if the base isolatedbuilding is likely to be struck by near-fault earthquakes.Near-fault earthquakes may contain long-period velocitypulses which may coincide with the period of the baseisolated structures. In such a case, the isolators maydeform excessively [2, 17, 18, 19]. Uniform Building Code(UBC97) [20] is a seismic code that is widely used in thedesign of base isolation systems which contains specialprovisions to account for the near-fault earthquake effectsdepending on the closest distance to an active fault [2, 13].
In this study, bi-directional non-linear time history analysesof a 4-story base isolated building are carried out in orderto investigate the performance of base isolation systemsdesigned according to UBC97 [20]. The building isassumed to be located close to an active fault and thedesign displacements of high damping rubber bearingsused in the isolation system are estimated usingparameters defined in UBC97 [20]. The building issubjected to the 1940 El Centro Earthquake which can beclassified as a typical far-fault earthquake and the 1996Kobe Earthquake which can be classified as a near-faultearthquake.
2. Mathematical Modeling
Typical floor plan and elevation of the base-isolated three-story reinforced concrete building, which is used as thesubject structure in this study, are shown in Fig 1 and Fig2, respectively. All columns are 45 cm x 45 cm, all beamsare 30 cm x 55 cm, and the floor heights are 3.00 m. Thereare 4 bays of 5.00 m in each direction, i.e. plan dimensionsare 20.00 m x 20.00 m. The total mass of the building is1280 tons corresponding to a total weight of W=12556.8kN. All structural members are of concrete class C30 withan elasticity modulus of 32000 MPa. Each floor has three
degrees of freedom, X and Y translations and rotationabout the center of mass of the floor. These degrees offreedom are attached to the center of mass of each floorwhich is at the geometric center. The centers of mass andcenters of rigidity of each floor coincide and therefore thereexists no eccentricity. The fixed-base periods of the super-structure in each translational direction are 0.34 secondsand the super-structure modal damping ratios areassumed to be constant for each mode as 5%. The super-structure is placed on an isolation system consisting ofhigh-damping rubber bearings (HDR) placed under eachcolumn. Since the weight transferred to the bearingslocated on the corners and sides of the building is lessthan the weight transferred to the inner ones, two types ofbearings are designed. The outer (corner and side) andinner bearings are labeled as HDR-A and HDR-B,respectively. There exists a rigid slab at the base level thatconnects all isolation elements. The three-dimensionalmodel of the base-isolated building and the non-lineartime-history analyses are made using a well-known finiteelement analysis program SAP2000n [21].
Figure 1. Typical floor plan
Figure 2. Elevation
The building is assumed to be located in a high-seismicityregion, i.e Zone 4, and assigned a seismic zone factorZ=0.4 according to Table 16-I of the UBC97 [20]. The
closest distance to a known fault that is capable ofproducing large magnitude events and that has a high rateof seismic activity (Class A seismic source according toTable 16-U of the UBC97 [20]) is assumed to be 5 km.Since the building is in the vicinity of an active fault, it islikely to be subjected to the near-fault effects. The UBC97[20] takes these effects into account by defining the near-source factor Nv. Based on the closest distance to theknown seismic source, which is 5 km, the near-sourcefactor Nv is obtained from Table 16-T of the UBC97 [20] as1.6. Based on the seismic zone factor and the soil profiletype, which is assumed as SB that corresponds to rockprofile, the seismic coefficient CVD=Cv is obtained fromTable 16-R of the UBC97 [20] asCVD=Cv=0.4Nv=0.4x1.6=0.64.
High damping rubber bearings are composed of rubberlayers and thin steel sheets. The damping is increased byadding oils, resins, or other fillers and a damping around10%~15% can be obtained. The stiffness of the bearing ishigh in case of small displacements and low in case ofhigh displacements. This is very advantageous since largemovements are prevented under wind load. On the otherhand long periods and therefore isolation under strongground motion are obtained. Following the standard designprocedure for high damping rubber bearings [4, 22, 23]target design level effective isolation period TD and targetdesign level effective damping ratio D are selected, whichare TD=2 s and D= 0.13 in this study. Horizontal stiffnessof an individual rubber isolation bearing is given by:
Dr
GAkt
(1)
where G is the shear modulus of the rubber, A is the cross-sectional area of the bearing, and tr is the total thickness ofthe rubber layers in the bearing. Selecting the totalthickness of the rubber layers in each bearing as tr=25 cmand the diameter of each bearing as =50 cm, thehorizontal stiffness for HDR-A (G=0.5 Mpa) and HDR-B(G=1.0 Mpa) with cross sectional areas ofA= x0.52/4=0.19635 m2 are calculated following (1):
0.5 0.19635 0.3927 MN/m0.25
HDR ADk (2a)
1.0 0.19635 0.7854 MN/m0.25
HDR BDk (2b)
The total effective stiffness of the isolation system isobtained as
16 9 13351.8 kN/mHDR A HDR BD D Dk k k (3)
providing an effective isolation period of
2 1.95 snDD
WTk g
(4)
which is very close to the target period. Here, g is thegravitational force and taken as 9.81 m/s2. The designlevel damping ratio of the isolation system is obtained by:
X
Y
Base
1st Floor
2nd Floor
3rd Floor
SeismicIsolator
2080
Alhan, C. and Altun, M.
0.127HDR A HDR A HDR B HDR B
D D D DD
D
k kk
(5)
where DHDR-A and D
HDR-B are damping ratios of individualbearings and are chosen as 0.10 and 0.15, respectively.The damping coefficient corresponding to D=0.127 isBD=1.28 according to Table A-16-C of the UBC97 [20].
The design displacement of the isolation system alongeach main horizontal axis at design basis earthquake(DBE) level is calculated according to the UBC97 [20]:
24 0.242 mVD D
DD
g C TD
B (6)
Finally, the total design displacement including additionaldisplacement due to accidental torsion is calculatedaccording to the UBC97 [20] as follows:
2 2
121 0.278 mTD DeD D y
b d(7)
where b=20 m is the shortest plan dimension of thestructure measured perpendicular to the longest plandimension of the structure, which is d=20 m. Here, y is thedistance between the center of rigidity of the isolationsystem and the isolation bearings placed at the sides ofthe plan, measured perpendicular to the direction ofseismic loading under consideration, thus y=b/2=d/2=10 min this study. Finally, e is the actual eccentricity plus theaccidental eccentricity which is taken as 5 percent of themaximum building dimension perpendicular to the directionof force under consideration. Since the structure at hand issymmetrical, the actual eccentricity is zero and thereforee=0.05x20=1.00 m. The total design displacementcalculated above satisfies the UBC97 [20] minimumcriteria; DTD=0.278 m > 1.10xDD=0.266 m.
Force displacement relationship of a high-damping rubberbearing, which is modeled as bi-linear, is shown in Fig 3.Shown in the figure are the yield force, Fy, the yielddisplacement, Dy, the design displacement, DD, the pre-yield stiffness, K1, the post-yield stiffness, K2, the effectivestiffness, Kef, and characteristic force, Q. Post-yield to pre-yield stiffness ratio ( =K2/K1) depends on the material usedand typically attains values around 0.05~0.15. In thisstudy, is chosen as 0.10 for both HDR-A and HDR-B andthe design displacement values for both isolators are thesame (DD=0.242 m). In order to achieve effective stiffnessvalues of kD
HDR-A=392.7 kN/m and kDHDR-A=785.4 kN/m,
other parameters of the curves are calculated asK1=3296.8 kN/m, K2=329.7 kN/m, Fy=16.9 kN, Q=15.2 kN,and Dy=5.1 mm for HDR-A and K1=5934.5 kN/m, K2=593.5kN/m, Fy=51.6 kN, Q=46.4 kN, and Dy=8.7 mm for HDR-B.For high damping rubber bearings, typically, yielddisplacements attain values around 5 mm~15 mm and theyield displacements calculated in this study lie in thistypical range. In this study, the total characteristic force is
Q=16x15.2+9x46.4=660.8 kN. Typically, Q/W would be
around 0.05~0.15. Therefore, Q/W=660.8/12556.8=0.052lies in the typical range.
Figure 3. Force-Displacement relationship of a high-
damping rubber bearing.
3. Earthquake Data
The 18 May 1940 El Centro Earthquake and the 17January 1995 Kobe Earthquake data are used in the bi-directional time history analyses. The NS and EWcomponents of the earthquakes are applied in X and Ydirections, respectively. However, since the NScomponents are the larger components of theseearthquakes, only the results in X-direction will bepresented and discussed here. The velocity records of theNS components are shown in Fig 4. As it can be seen fromthe figure, while there exists no significant pulse in the ElCentro record, there exists a significant velocity pulse withamplitude of 91.33 cm/s in the Kobe record. While ElCentro is a typical far-fault earthquake, the KobeEarthquake can be classified as a near-fault earthquake.The peak ground accelerations for the NS components ofthe El Centro and Kobe Earthquakes are 3.42 m/s2 and8.18 m/s2, respectively.
4. Performance Criteria
Displacements, accelerations, and base shear discussedhere are all in X-direction. In order to assess theperformance of the structure when subjected to near-faultand far-fault earthquakes, a performance criteria isestablished. These include peak base displacement (P1),peak roof-drift ratio (P2), peak 3rd floor acceleration (P3),and peak base shear (P4). Since there exists a rigid slab atthe base level that connects all isolation elements, relativedisplacement of the base with respect to the ground alsorepresents the deformations of the isolators:
1 max ( )t bP d (8)
where t is time, db is the relative displacement of base withrespect to the ground. As a measure of the inter-storydrifts, a roof-drift ratio is defined as the difference between
1
1
Fy
1
DyD
F
K1
Q
DD
Kef
K2
2081
Alhan, C. and Altun, M.
the displacement of the third floor (roof) and the base floordivided by the total height of the building. Thus, peak roof-drift ratio is defined as
2 3max ( ( ) / )t bP d d H (9)
where d3 is relative displacement of the roof with respect tothe ground and H is total height of the building. Peak 3rd
floor acceleration is
3 3max ( )tP a (10)
where a3 is the total acceleration of the third floor. Finally,peak base shear is given by
4 max ( )t bP V (11)
where Vb is the base shear of the structure..5. Results
Fig 5 shows the X-direction base shear time history ofbase-isolated building and its fixed-base counterpart forboth El Centro and Kobe Earthquakes. As it can be seenfrom the figure, the period of the base-isolated building ismuch longer and the base shear is much smaller.Evidently, the seismic effects are reduced significantly. Acomplete list of the performance criteria is presented inTable 1. The peak base shear (P4) of the base-isolatedbuilding is only 16% of its fixed-base counterpart in case ofboth El Centro and Kobe Earthquakes. The peak 3rd flooracceleration is reduced from P3=8.24 m/s2 to P3=2.06 m/s2
in case of El Centro Earthquake and from P3=29.56 m/s2 toP3=3.02 m/s2 in case of Kobe Earthquake. The peak 3rd
floor acceleration is only 60% and 37% of the peak groundacceleration (ag) in case of El Centro and KobeEarthquakes, respectively showing the success ofisolation.
Table 1. Performance Criteria
Performance EL CENTRO KOBECriteria Fixed-
baseBase-
isolatedFixed-base
Base-isolated
P1 [cm] - 6.51 - 25.34
P2 (x10-3) [-] 2.57 0.60 9.74 1.25
P3 [m/s2] 8.24 2.06 29.56 3.02
P4 [kN] 5532 878 21206 3399
P3/ag [-] 2.41 0.60 3.61 0.37
Likewise, the roof-drift ratio is reduced to P2=0.0006 incase of El Centro Earthquake proving that the super-structure moved almost like a rigid-body above theisolation system. In case of Kobe Earthquake, the roof-driftratio for the fixed-base building is 0.00974 which would beunacceptable. With the aid of base isolation, this value isreduced to an acceptable level, i.e P2=0.00125.
The force-displacement curves for the two types ofbearings, HDR-A and HDR-B are presented in Figs 6 and 7in case of El Centro and Kobe Earthquakes, respectively. Itis seen that the bi-linear behavior assumption made in thedesign stage according to the UBC97 [20] is appropriate. Aclose inspection of the curves shows that the characteristicforce, yield displacement, pre-yield stiffness and post-yieldstiffness for the HDR-A and HDR-B bearings appear asdesigned and modeled. The peak displacement is P1=6.51cm in case of the far-fault El Centro Earthquake which ismuch smaller than the predicted total design displacementof 27.8 cm. However, this prediction included the likelihoodof the building to be subjected to a near-fault earthquakeand corresponding near-source factor was included in thedesign displacement calculations. The peak displacementin case of the near-fault Kobe Earthquake shows theimportance of taking this near-source factor into account.
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50-100
-50
0
50
100
Time (s)
Vel
ocity
[cm
/s]
EL CENTRO
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50-100
-50
0
50
100
Time (s)
Vel
ocity
[cm
/s] KOBE
Figure 4. Velocity records for NS components of the El Centro and the Kobe Earthquakes
2082
Alhan, C. and Altun, M.
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50-6000
-4000
-2000
0
2000
4000
6000
Time [s]
Bas
e S
hear
[kN
]
EL CENTRO Base-IsolatedFixed-Base
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50-25000
-20000
-15000
-10000
-5000
0
5000
10000
15000
20000
25000
Time [s]
Bas
e S
hear
[kN
]
KOBE Base-IsolatedFixed-Base
Figure 5. Base Shear under El Centro and Kobe Earthquakes
-10 -5 0 5 10-40
-20
0
20
40
Displacement [cm]
Forc
e [k
N]
HDR-A
-10 -5 0 5 10-100
-50
0
50
100
Displacement [cm]
Forc
e [k
N]
HDR-B
Figure 6. Force-Displacement curves for rubber bearings under El Centro Earthquake
-20 0 20-100
-50
0
50
100
Displacement [cm]
Forc
e [k
N]
HDR-A
-20 0 20-200
-100
0
100
200
Displacement [cm]
Forc
e [k
N]
HDR-B
Figure 7. Force-Displacement curves for rubber bearings under Kobe Earthquake
2083
Alhan, C. and Altun, M.
The peak base displacement in case of Kobe Earthquakejumps to P1=25.34 cm which is 91% of the total designdisplacement calculated according to the UBC97 [20].
5. Conclusions
Seismic base isolation can reduce the seismic effects andtherefore floor accelerations, inter-story drifts, and baseshear by lengthening the natural period of vibration of astructure via use of rubber isolation pads between thecolumns and the foundation. However, in case thedeformation capacity of the isolators exceeded, isolatorsmay rupture or buckle. Therefore, it is vitally important toaccurately estimate the peak base displacements in caseof major earthquakes, particularly if the base isolatedbuilding is likely to be struck by near-fault earthquakes.Near-fault earthquakes may contain long-period velocitypulses which may coincide with the period of the baseisolated structures. In such a case, the isolators maydeform excessively. Uniform Building Code [20] is widelyused in design of base isolation systems which containsprovisions accounting for near-fault earthquake effects. Inorder to investigate the performance of base isolationsystems designed according to UBC97 [20] under near-fault and far-fault earthquakes, bi-directional non-lineartime history analyses of a 4-story base isolated benchmarkbuilding, located close to an active fault, are carried out.Based on the simulations carried out, it is concluded thatseismic base isolation is a successfull technique that canbe used in earthquake-resistant design.
A major improvement in the super-structure performance isachieved as the floor accelerations, inter-story drifts andbase shear can be significantly reduced alltogether.However, inclusion of near-source effects defined in theUBC97 [20] in calculating the total design displacement iscrucial since the peak base displacement is significantlybigger when a base-isolated building is hit by a near-faultearthquake containing a long-period and large amplitudevelocity instead of a far-fault earthquake.
References
[1] Dowrick, D.J., Earthquake Resistant Design ForEngineers and Architects, 2nd Ed., John Wiley &Sons, Great Britain, 1987.
[2] Ramallo, J.C., Johnson, E.A., and Spencer Jr., B.F.,Smart base isolation systems, Journal of EngineeringMechanics, vol 28, 1088-1099, 2002.
[3] Deb, S.K., Seismic base isolation – an overview,Current Science, vol 87, 1426-1430, 2004.
[4] Kelly, J.M., Earthquake-resistant design with rubber,Springer-Verlag, London, UK, 1997.
[6] De la Llera, J., Lüders, C., Leigh, P., and Sady, H.,Analysis, testing, and implementation of seismicisolation of buildings in Chile, Earthquake Engineeringand Structural Dynamics, vol 33, 543-574, 2004.
[7] Nagarajaiah, S. And Xiaohong, S., Response of base-isolated USC hospital building in NorthridgeEarthquake, Journal of Structural Engineering, vol126, 1177-1186, 2000.
[8] Naeim, F. and Kelly, J.M., Design of seismic isolatedstructures from theory to practise, John Wiley & Sons,USA, 1999.
[9] Morales, C.A., Transmissibility concept to control basemotion in isolated structures, Engineering Structures,vol 25, 1325-1331, 2003
[10] Skinner, R.I., Robinson, W.H., and McVerry, G.H., Anintoduction to seismic isolation, John Wiley & Sons,UK, 1993.
[11] Alhan, C. and Gavin, H., A parametric study of linearand non-linear passively damped seismic isolationsystems for buildings, Engineering Structures, vol 26,485-497, 2004.
[12] Su, L. And Ahmadi, G., A comparative study ofperformances of various base isolation systems PartII: Sensitivity analysis, Earthquake Engineering andStructural Dynamics, vol 19, 21-33, 1990.
[13] Kelly, J.M., The role of damping in base isolation,Earthquake Engineering and Structural Dynamics, vol28, 3-20, 1999.
[14] Koh, C.G. and Balendra, T., Seismic response of baseisolated buildings including P-Delta effects of isolationbearings, Earthquake Engineering and StructuralDynamics, vol 18, 461-473, 1989.
[15] Nagarajaiah,S. and Ferrell, K., Stability of elastomericseismic isolation bearings, Journal of StructuralEngineering, vol 125, 946-954, 1999.
[16] Nagarajaiah,S. and Ferrell, K., Stability of elastomericseismic isolation bearings: Experimental study,Journal of Structural Engineering, vol 128, 3-11, 2002.
[17] Heaton, T.H., Hall, J.F., Wald, D.J., and Halling, M.W.,Response of high-rise and base-isolated buildings to ahypothetical Mw 7.0 blind thrust earthquake, Science,vol 267, 206-211, 1995.
[18] Jangid, R.S. and Kelly, J.M., Base isolation for near-fault motions, Earthquake Engineering and StructuralDynamics, vol 30, 691-707, 2001.
[19] Yoshioka, H., Ramallo, J.C., and Spencer Jr., B.F.,Smart base isolation strategies employingmagnetorheological dampers, Journal of EngineeringMechanics, vol 128, 540-551, 2002.
[20] International Code Council, Uniform Building Code,Vol. 2, USA, 1997
[21] Computers and Structures Inc., SAP2000N Static anddynamic finite element analysis of structures, Version10.0.1, Berkeley, USA, 2005.
[22] Tezcan, S.S. and Cimilli, S., Seismic base isolation,Yüksek Ö renim E itim Ve Ara rma Vakf , Yay nNo:KT004/02, Cenkler Matbaac k, stanbul, 2002.
[23] Ba tu , B.K., Yap sistemlerinde depreme kar sismikizolatör kullan lmas , Yüksek Lisans Tezi, Y ld zTeknik Üniv., Fen Bilimleri Enst., aat Mühendisli iAnabilim Dal , Mekanik Program , stanbul, 2004.
20
40Fo
rce
[kN
]HDR-A
2084
5. Uluslararas leri Teknolojiler Sempozyumu (IATS’09), 13-15 May s 2009, Karabük, Türkiye
YÜKSEK HIZLI DEM RYOLU KÖPRÜLER NDERAY-KÖPRÜ ETK LE VE UYGULAMASI
TRACK–BRIDGE INTERACTION IN HIGH-SPEEDRAILWAY BRIDGES AND ITS APPLICATION
Bar Güne* stanbul Üniversitesi, stanbul, Türkiye, E-posta: [email protected]
Özet
Ülkemizde uzun bir süre ihmal edilen demiryollar sondönemlerde yap lan yat mlarla tekrar hak etti i önemekavu maktad r. Artan ula m talebine ba olarak yüksek
zl demiryolu hatlar na ve bunlar n bir parças olan köprüve viyadüklere ihtiyaç her geçen gün artmaktad r. BirçokAvrupa ülkesinde 250-300 km/sa gibi yüksek h zlaraula an demiryollar mevcuttur.
Demiryolu köprülerinde artan h z ve dingil a rl klar naba olarak fren ve demeraj etkilerinden dolay önemliölçüde yatay kuvvetler olu maktad r. Buna ilave olarak etkisi de yatay kuvvetler olu mas na sebep olmaktad r. Bukuvvetler izin verilen s rlar a zaman, raygeometrisinin bozulmas na ve ray n i levini yerinegetirememesine sebep olarak trenin raydan ç kmas gibiçok ciddi sonuçlar do urabilir. Bu çal ma da UIC [1] veEurocode [2] artnamelerine ba olarak, ray ve köprüaras ndaki etkile im, Sivas-Erzincan h zl tren demiryoluhatt nda yap lmas planlanan ve projelendirme
amas nda olan bir köprü örne i ile incelenmi tir.
Anahtar kelimeler: Yüksek h zl demiryolu, köprü, ray-köprü etkile imi
Abstract
Railways, which had long been neglected in Turkey,reclaim their significance once more with the newinvestments that are being made in recent years. Incorrelation with growing demand for transportation, theneed for high-speed railway lines and for bridges andviaducts, which constitute integral components of railways,increases by the day. In many European states, there arerailways that can reach high speeds like 250-300 km/h, ormore.
Due to increased speed and axle weight, braking andtraction effects generate substantial lateral forces onrailway bridges. Moreover, heating is another factor thatcauses lateral forces. When they exceed permitted limits,these forces cause distortion in rail geometry, renderingthe rail unable to fulfill its function, which may have veryserious consequences like derailing. This study examinesthe interaction between the track (rail) and the bridgepursuant to UIC [1] and Eurocode [2] specifications in theexample of a particular bridge, contemplated to be built onthe Sivas-Erzincan high-speed railway line, which iscurrently at project preparation stage.
Keywords: High speed railways, bridges, track-bridgeinteraction.
1. Giri
Son dönemlerde yüksek h zl demiryolu köprülerindeönemli teknolojik ilerlemeler kaydedilmi tir. Bu teknolojikgeli melere paralel olarak trenlerin h zlar da önemli ölçüdeartm r. Artan h z ve a rl klara ba olarak fren vedemeraj kuvvetleri de artmaktad r. Fren kuvveti, harekethalindeki bir cismin fren yapmas ile temas halindebulundu u yüzeye uygulad kuvvet olarak tan mlanabilir.Demeraj kuvveti ise, sabit bir yüzeye temas ederekharekete geçen bir cismin o yüzeye temas yla olu ankuvvet olarak tan mlanabilir.
Ray (hat) ve köprü (köprü tabliyesi) aras nda, fren vedemeraj kuvvetlerine ilave olarak l etkilerdenkaynaklanan tesirlerde olu maktad r. Bu tesirlerin de gözard edilmemesi gerekmektedir.
Fren, demeraj, gibi yatay kuvvetler köprüye (köprütabliyesine), ray ve köprü aras nda bulunan balast tabakasile iletilmektedir. Dolay yla balast tabakas nözelliklerine ba olarak bu etkile im önemli ölçüdede mektedir. UIC (International Union of Railways)artnamesinde ray ve köprü aras ndaki etkile im, bu
etkile imin ba oldu u faktörler, gerilme vedeplasmanlar n s r de erleri belirtilmi tir [1].
ekil1’de Sivas-Erzincan h zl tren hatt projesikapsam nda projelendirme a amas nda olan bir köprükesiti görülmektedir. Köprü iki adet hattan olu maktad r.Köprü geni li i 12 m olup 190 cm yüksekli inde 10 adetöngerilmeli prekast kiri ve ortalama 30 cm betonarmetabliyeden olu maktad r. Öngerilmeli prekast kiri lerinhesap aç kl L=30 m’dir.
ekil 1. Sivas-Erzincan h zl tren hatt örnek köprü kesiti.
ekil 2’de ise ayn köprünün boy kesiti görülmektedir.Köprü boyu 2x31.5m + 3 x 33 m olmak üzere toplam162 m’dir. Ön gerilmeli prekast kiri ler, P1 orta aya naher iki mesnette sabit, di er orta ayaklara ise sabit vehareketli mesnet olarak mesnetlendirilmi tir
2. Ray ve Köprü Etkile imi
2.1 Fren ve Demeraj Kuvvetleri
Fren ve demeraj kuvvetleri ekil 3’de görüldü ü gibiray n üst seviyesinden, boyuna do rultudauygulanm r. Bir hattaki fren kuvveti, di er hattakidemeraj kuvvetiyle birlikte uygulanm r.
ekil 3. Fren ve demeraj kuvvetinin uygulanmas [3]
Köprüye tren yükü olarak LM71 tipi yük modeliuygulanm r. LM71 yüklemesi katsay (1.33) ileçarp larak s fland lm dü ey yükler olarakuygulanm r. Fren ve demeraj kuvvetlerihesaplan rken dinamik katsay kullan lmam r.
LM71 yüklemesi için fren ve demeraj kuvvetlerininde erleri bir hat için a daki gibi hesaplanm r [4].
Fren kuvveti:
qf = 20 kN/m/hat , L 300 m ve Qf 6000 kN
Demeraj kuvveti:
qd = 33 kN/m/hat, L 30 m ve Qd 1000 kN
L ise fren ve demeraj kuvvetlerinin uyguland hatuzunlu u olarak tan mlanmaktad r.
2.1 Ray Özellikleri
Köprü üst yap nda UIC 60 tipi ray kullan lm r. Buray n kesit alan ray AUIC = 7686 mm2 , a rl 60.34kg/m, çekme dayan ise minimum 900 Mpa’d r [5].
ekil 4. Ray kesiti
2.3 Ray ve Köprü Etkile im Özellikleri
Ray ve köprü aras nda balast tabakas vard r. Frendemeraj ve yüklerinden olu an tesirler balasttabakas arac yla köprü üst yap elemanlar na(tabliye) aktar lmaktad r. Balast tabakas n tesirleriaktarabilme kapasitesi, hatta tren yükü olupolmamas na göre yani de mektedir.
Ray ve köprünün boyuna do rultudaki yük-deplasmandavran , ekil 5’de gösterilen diyagram ile ifadeedilmektedir. Burada ba lang ç k sm (u0 deplasman nakadar olan k m) elastik kesme dayan , yatay
m plastik kesme dayan göstermektedir [4].
ekil 5. Ray-köprü aras ndaki yük deplasman ili kisi [4]
2086
Güne , B.
1) Hatta birim uzunluk için boyuna do rultudakikesme kuvvetidir, k ile ifade edilmi tir.
2) Ray n dö eme üstüne göre yapt yerde tirme
3) Ray n traveslerdeki dayan (yüklü hat)(donmu balast ya da geleneksel ba lantbalasts z hat)
4) Traverslerin balasttaki dayan (yüklü hat)5) Ray n traversteki dayan (yüksüz hat)
(donmu balast ya da geleneksel ba lantbalasts z hat)
6) Traverslerin balasttaki dayan (yüksüz hat)
u0 elastik bölgeden plastik bölgeye geçi teki boyunadeplasman de eridir. u0 de erinden itibaren malzemeplastikle mi tir ve boyuna do rultudaki deplasmanakar direnci sabit kalm r.
Bu bilgiler nda, çe itli yükler alt nda analizlerdekullan lan parametreler a da verilmi tir [2].
u0 =2 mm
k = 20 kN/m (Ray üzerinde hareketli yük olmamasdurumu)
k =60 kN/m (Ray üzerinde hareketli yük olmasdurumu)
2.4 Sonlu Eleman Modeli
Yap sal model, genel amaçl bir yap sal analiz programolan SAP2000 program nda haz rlanm r [6]. Mesnetko ullar link elemanlarla tan mlanm r. Kenarayaklarlar hareketli mesnet olarak tan mlanm r. UICartnamesine göre köprü, kenar ayaklardan itibaren
100’er m uzat larak modellenmi tir
Köprüdeki her iki hatta ayr ayr modellenerek fren vedemeraj kuvvetlerinin ayr hatlara uygulanmassa lanm r. Fren kuvveti tek bir hat için boyunado rultuda 300 m’lik bir mesafede 20 kN/m olarakuygulanm r. Demeraj kuvveti ise di er hatta her biraç kl k için 33 kN/m olarak uygulanm r. Bir hattakifren kuvveti ile olu acak en büyük tesirler ile di erhattaki demeraj kuvveti ile olu acak en büyük tesirler ilesüperpoze edilerek en büyük tesirler elde edilmi tir.
ekil 6’da ray ve köprü etkile im modeli görülmektedir.Ray, tabliye ve ba k kiri i aras ndaki ba lant larmodellemek için fiktif ve link elemanlar kullan lm r.
ekil 6. Ray - köprü etkile imi k smi modeli.
Ray ve köprü üst yap aras ndaki etkile im nonlineeryaylarla modellenmi ve sistem etki eden yükler alt ndanonlineer malzeme özelliklerine göre analiz edilmi tir.
Ray ve köprü etkile imi ile ilgili analizlerde iki farkl kde eri için iki ayr yap sal model kullan lm r. Fren vedemeraj kuvvetleri için yüklü durumdaki k de eri 60kN/m, s cakl k de imi için ise yüksüz durumdaki kde eri 20 kN/m al nm r. Bundan dolay iki modelkurularak tesirler elde edilmi tir.
Model-LL olarak adland lan ilk modelde k=60 kN/mrijitlik de eri al narak nonlineer analiz yap lm r. Frenve demeraj yüklerinden kaynaklanan ray ve köprüaras ndaki tesirler bu modelden elde edilmi tir.
Model-RST olarak adland lan ikinci modelde ise k=20kN/m rijitlik de eri al narak nonlineer analiz yap lm r.
cakl k yüklemesinden kaynaklanan ray ve köprüaras ndaki tesirlerde bu modelden elde edilmi tir.
Haz rlanan yap sal modellerde köprü üstyap ve raylar2 m lik parçalara bölündü ü için, modeldeki nonlineertan nda yukar da birim boy için verilen k de erleri 2ile çarp lm r. Balast davran sergilemek amac ylakullan lan k rijitli ine sahip elemanlar bilineer linkeleman olarak tan mlanm ve nonlineer analizyap lm r.
ekil 7. Ray- köprü etkile imi sonlu elaman modeli [7].
2087
Güne , B
3. Tasar m Kriterleri
3.1 Gerilme Kontrolleri
Her iki hat için uygulanan fren+demeraj+s cakl kkuvvetlerinin süperpozisyonu sonucunda raylardaolu acak ilave bas nç ve çekme gerilmeleri a dakide erler ile s rland lm r [4].
Bas nç durumunda 2/72 mmNbrayem
Çekme durumunda 2/92 mmNçrayem
Müsaade edilebilir ilave ray gerilmelerinin s r de erleridaki ko ullara uyan hatlar için geçerlidir [4].
Minimum 900 N/mm2 çekme dayan na sahipolan UIC 60 tipi ray.
Düz hatlar veya r 1500 m yar çapl hatlar. Maksimum aral 65 cm olan a r beton
traverslere ya da e de er yap ya sahip balastlhatlarda
Traverslerin alt nda minimum 30 cm s lmbalasta sahip balastl hatlarda
Bölüm 2’de belirtilen esaslara göre yap n sonlueleman modeli haz rlanarak analiz edilmi tir. ekil 8’deyap n sonlu eleman modeli görülmektedir.
Köprü üst yap nda s cakl k de imi olarak T = ± 35o
yük uygulanm r. ekil 10’da pozitif ve negatif yüklemesi sonucunda olu an tesirler görülmektedir.
ekil 9’da fren ve demeraj kuvvetlerinin süperpozisyonu sonucu olu an tesirler görülmektedir.Maksimum eksenel çekme kuvveti KA1 kenar aya nda,maksimum eksenel bas nç kuvveti ise KA2 kenaraya nda olu mu tur.
UIC 60 tipi ray n kesit alan AUIC = 7686 mm2 dir.
Çekme bölgesinde gerilme kontrolü (KA1 kenar ayakta);
Fren ve demeraj yükleri; Pfd-ç = 845 kN (Çekme)
cakl k de imi yükleri; Pt-ç = 195 kN (Çekme)
2/68*2
mmNA
PP
UIC
çtçfdçray
22 /92/68 mmNmmN çrayemçray Uygun
Bas nç bölgesinde gerilme kontrolü (KA2 kenar ayakta);
Fren ve demeraj yükleri; Pfd-b = 750 kN (Bas nç)
cakl k de imi yükleri; Pt-b = 230 kN (Bas nç)
2/64*2
mmNA
PP
UIC
btbfdbray
22 /72/64 mmNmmN çrayembray Uygun
Yap lan gerilme kontrolleri sonucunda rayda olu anilave gerilmelerin müsaade edilebilen gerilme s rde erlerinin alt nda kald görülmü tür. Dü ey yüklersonucu olu an gerilmeler bu çal mada göz önüneal nmam r.
ekil 8. Köprünün sonlu eleman modeli.
ekil 9. Fren ve demeraj kuvvetleri sonucunda olu an tesirler (Model-LL).
ekil 10. Is yüklemesi sonucunda olu an tesirler (Model-RST).
2088
Güne , B.
3.2 Deplasman Kontrolleri
ekil 11’de fren ve demeraj kuvvetlerinden dolay , birdö emenin ucu ile ona biti ik kenar ayak aras ndaboyuna do rultudaki göreli yer de tirme veya birbiriniizleyen dö emeler aras nda boyuna do rultudaki göreli
1 deplasman görülmektedir [4].
ekil 11. Dö emelerin göreli yatay deplasman [7].
Köprünün iki ucunda da ray genle me elemanlar nasahip olmayan sürekli kaynakl raylar için 1 de erinin 5mm’yi a mamas gerekmektedir [4].
Fren ve demeraj kuvvetleri sonucunda bulunan 1deplasman de eri 3.6 mm bulunmu tur.
mmmm llmit 56.3 11 Uygun
ekil 12’de fren ve demeraj kuvvetlerinden dolay , birdö emenin sonunda, dö emenin üst yüzeyinin dö emedeformasyonu nedeniyle olu an boyuna do rultudaki 2deplasman görülmektedir [4],
ekil 12. Dö emelerin yatay deplasman [7].
Hat ve yap n de ken yükler alt nda birle ikdavran n göz önünde bulunduruldu u durumlarda 1de erinin 8 mm’yi a mamas gerekmektedir. Bu de erköprüde bir genle me ayg bulundu u ya da hiçbulunmad durumlarda geçerlidir [4].
Fren ve demeraj kuvvetleri sonucunda bulunan 2deplasman de eri 4.6 mm bulunmu tur.
mmmm llmit 86.4 22 Uygun
Fren ve demeraj kuvvetlerinden dolay , köprü ve rayaras ndaki göreli yer de tirme 3 (mm) deplasmanifade edilmi tir. 3 deplasman n 4 mm de erini
mamas gerekmektedir [1].
ekil 13. Dö emelerin göreli yatay deplasman [7].
r23 olarak ifade edilmi tir.
Fren ve demeraj kuvvetleri sonucunda bulunan 3deplasman de eri 2.7 mm bulunmu tur
mmmm llmit 47.2 33 Uygun
Dö eme üst yüzeyinin göreli olarak kom u yap lara(kenarayak ya da ba ka bir dö emeye) göre dü ey yerde tirmeleri 4 ile ifade edilmi tir.
160 km/sa’ h zdan daha fazla h zlar için bu de erin 2mm’yi a mamas gerekmektedir [4].
ekil 14. Dö emelerin göreli dü ey deplasman [7].
Fren ve demeraj kuvvetleri sonucunda bulunan 4deplasman de eri 1 mm bulunmu tur
mmmm llmit 21 44 Uygun
5. Sonuçlar
Bu çal mada yüksek h zl demiryolu köprülerinde rayve köprü etkile imi bir örnek üzerinde incelenmi tir.Buna ba olarak ray ve köprü aras ndaki etkile iminhangi faktörlere ba oldu u, bu etkile imin köprüdavran yans tacak ekilde nas l modellenmesigerekti i vurgulanarak, gerilmelerin ve deplasmanlar n
r de erleri a p a mad incelenmi tir.
2089
Güne , B.
ekil 5’de verilen grafik nda ray ve köprü aras ndakibalast tabakas n fren, demeraj ve gibi yataykuvvetler alt nda nas l davrand yorumlanm r.Balast tabakas n belirli bir deplasman yapt ktan sonrayatay yük aktarma kapasitesinin, rijtli inin sabit kaldgörülmü tür. Balast tabakas n, ray ve köprüaras ndaki yük aktar n sonlu elemanlarlamodellenmesinde dikkat edilmesi gereken hususlarincelenmi tir
Yüksek h zl demiryolu köprülerinde, fren demeraj ve gibi yatay kuvvetler alt nda, ray ve köprü aras ndakietkile im sonucunda, rayda olu acak ilave gerilmelerinbelirli s r de erleri vard r. Ayn ekilde köprütabliyesinin de yatay ve dü ey yönde göreli deplasmanveya ray ile göreli deplasman içinde belirli s r de ervard r. Bu de erlerin a lmas , raylarda deformasyonlar,balast tabakas nda stabilitenin bozulmas gibiistenmeyen durumlar ortaya ç karabilir. Bu durum isetrenin raydan ç kmas gibi can ve mal güvenli initehlikeye sokan çok önemli sonuçlar do urabilir.
Bu nedenle yüksek h zl demiryolu köprülerinde fren,demeraj ve gibi yatay kuvvetler alt nda ray ve köprüaras ndaki etkile im mutlaka incelenerek, gerilmelerinve deplasmanlar n s r de erler içerinde kal pkalmad hesaplanmal r. Ray gerilmelerinin de erleri
lmas durumunda ise ray genle me ayg tlarkullanarak gerilmelerin s r de erler içerisindetutulmas sa lanmal r.
Kaynaklar
[1] UIC Code 774-3 2nd Edition (October 2001 Leafletrevised). International Union of Railways. (1stedition July 1995 Leaflet first drafted), 2001.
[2] EN1991-2, European Committee forStandardization. EN1991-2: EUROCODE 1-Actionson structures, Part 2: Traffic loads on bridges.European Union, 2003.
[3] Fenercio lu, T., Sönmez, N., Koçak, A., U ur, Y. veSönmez, .K., Öngerilmeli betondan I kesitliprefabrike kiri lerin demiryolu köprülerinde etkinkullan , 1. Köprü ve Viyadükler Sempozyumu.
[4] T.C. Ula rma Bakanl Demiryollar, Limanlar,Havameydanlar in aat Genel Müdürlü üDemiryollar Eki Köprü Tasar m Esaslar , 2007.
[5] Vitez I., Krumes D., and Vites B., UIC-Recomendations for the use of rail steel grades.METABK 44(2), 137-140, 2005.
[7] Jos´e M., Goicolea., Railway Bridges for HighSpeed Lines Dynamic Behaviour and Risk,Analysis and Risk Management in ProductionActivities CERUP, Porto, 2007.
2090
5. Uluslararas leri Teknolojiler Sempozyumu (IATS’09), 13-15 May s 2009, Karabük, Türkiye
SIKI TIRMA BASINCININ REAKT F PUDRA BETONUNUN E LMEDAYANIMINA ETK
EFFECT OF PRE-SETTING PRESSURE TO FLEXURE STRENGTH OFREACT VE POWDER CONCRETE (RPC)
Metin PEK a, * ve Kemalettin YILMAZ b
a, * Sakarya Üniversitesi, Teknik E itim Fakültesi, Yap E itimi Bölümü, Sakarya, Türkiye, E-posta: [email protected] Sakarya Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, aat Müh. Bölümü Sakarya, Türkiye, E-posta: [email protected]
Özet
Bu çal mada, reaktif pudra betonunun (RPB); kar moranlar , lif içeri i ve s rma bas nc n e ilmedayan na etkisi ara lm r. RPB’yi olu turan çok incetaneli farkl yap daki pudra malzemeler üzerinde yap landeneylerle fiziksel ve kimyasal özellikleri belirlenmi tir.RPB’ nu olu turan malzemelerin özellikleri kullan larak,bilgisayar paket programlar , literatür ve farkl kar mteknikleri yard yla kar m oranlar elde edilmi tir. Bukar m oranlar na göre haz rlanan numuneler belirliya larda bas nç deneyine tabi tutulmu ve bunlardan enyüksek bas nç dayan veren kar m seçilmi tir. Seçilenbu kar ma, RPB’ da kullan lan mikro boyuttaki çelik lif,hacimce alt farkl oranda (% 0–2–4–6–8–10) kat larakdeney numuneleri üretilmi tir. Bu numuneler üzerindebas nç dayan , elastisite modülü ve poisson orandeneyleri yap lm ve bütün kar mlar için optimum çelik lifiçeri i %4 olarak bulunmu tur. Bu deneylerin ard ndanbeton numuneleri plastik k vamdayken, haz rlanan özelkal plara doldurularak, 5 Mpa s rma bas ncuygulanm r. Uygulanan s rma bas nc n betonun
ilme parametreleri üzerinde kayda de er oranda olumluetki yapt görülmü tür.
Anahtar kelimeler: Reaktif, pudra, beton, s rma
Abstract
In this study, mix rates, fibre content and pre-settingpressure of reactive powder concrete (RPC) were flexurestrength examined. Physical and chemical characteristicsof RPC which has tiny grain and different structural powdermaterials were determined with experimentally. Mixingratios were determined by using material characteristics,computer software, literature and different mixingtechniques. The samples which were prepared accordingto this mixing ratio were applied to compressive strengthtest at specified ages and sample was selected that theyhad the highest compressive strength value. Test sampleswere produced by adding micro size fibre which use inRPC at six different ratios by volume to these selectedmixtures. The compressive strength, young modulus andpoisson ratio tests were applied to the samples andoptimum fibre content was determined as 4% by volume.After test samples were prepared by using this optimumfibre content. These fresh concrete samples were filled tomould that private designed and applied to 5 MPa pre-setting pressure. Pre-setting pressure of applied wasremarkable increased flexure strength.
Keywords: Reactive, powder, concrete, compressive
1. Giri
Dayan artt lm beton veya bilinen ad yla yüksekdayan ml betonlar günümüzdeki kullan h zl bir ekildeartmaktad r. Bu betonlar n dayan n yan s rageçirimsiz olmas sebebiyle durabilite yönünden de olumluözelliklere sahiptir. Ancak bu betonlarda, dayan m artt kçaortaya ç kan önemli bir olgu gevreklik sorunu olmu tur.Normal betonun çekme dayan , çatlak direnci, a nmave darbe dayan , tokluk gibi mekanik özelliklerinigeli tirmek için içerisine çelik, cam ve polipropilen liflerkat lmaktad r [1].
Lifli betonlar, donat z betondan oldukça farkl mekanik vefiziksel özelliklere sahip bir kompozit malzemedir. Liflibetonun en önemli mekanik özelliklerinden birisi, toklukolarak da adland lan enerji yutabilme kapasitesidir [2].
Yüksek dayan ml betonlardan farkl olarak betona çelik lifkat lmas , tane da n yeniden düzenlenmesi, puzolanikaktivitenin artt lmas , farkl üretim tekni i ve kür i leminetabi tutulmas yla ultra yüksek performansl betonlarüretilmi tir. Bu betonlardan biri de reaktif pudra betonudur.Reaktif pudra betonu, ilk kez 1990’l y llar n ba lar ndaParis’te Bouygues’in laboratuarlar ndaki ara rmac lartaraf ndan geli tirilmi tir. Reaktif pudra betonu ilgili ilkçal malar P. Richard ve M. Cheyrezy taraf ndanyap lm r [3].
Bu ara rmac lar bir dizi çal malar yaparak, içyap daha tane düzenine sahip olan ve mümkün olan en s
mikro yap elde etmi ler ve bu mikro yap yine mikroboyuttaki çelik lifler ile güçlendirerek çimento matrisli,dayan oldukça yüksek olan reaktif pudra betonunu eldeetmi lerdir. Bu çal malar sonucunda elde ettikleri ReaktifPudra Betonunun (RPB) özellikleri; küp bas nç dayan mlar150 ile 800 MPa aras nda, çekme dayan mlar 25 ile 150MPa aras nda, k lma enerjileri yakla k 30000 J/m2,elastisite modülleri 50000 ile 75000 MPa aras nda ve birim
rl klar 2500-3000 kg/m3 aral nda olmu tur. Buözellikleri ile RPB’ler üstün mekanik ve fiziksel özeliklere,mükemmel sünekli e ve çok dü ük geçirimlili e sahip ultrayüksek dayan ml çimento esasl kompozit olmu tur. Aynzamanda taze betonu, 50 MPa bas nç alt nda sertle tirerekbetona farkl s cakl klarda kür i lemi uygulam vedayan n büyük oranda artt ifade etmi lerdir [2, 3, 4].
Dugat, Roux ve Bernier, yapt klar çal mada, RPB 200 veRPB 800 olmak üzere iki de ik kar m üzerinde bas nçve e ilme deneyleri yapm lard r. Ürettikleri RPB 200numunelere, 7 gün 20 ºC de su kürü, 4 gün 90 ºC de s caksu kürü ve 2 gün 90 ºC de kuru s cak hava kürü olmak
üzere 3 farkl türde kür uygulam lard r. Ürettikleri RPB800 türdeki betonlara taze halde iken s rma s ras nda60 MPa bas nç uygulam lard r. Ayr ca RPB 800numunelere 90 ºC ve ard ndan 250 ºC’de l i lem kürüuygulam lard r. RPB 200 numunelerinde bas nçdayan yakla k 200 MPa, elastisite modülünü 66000MPa, e ilme dayan ortalama 32 MPa ve k lmaenerjisini yakla k 40000 J/m2 olarak bulmu lard r.RPC800 numunelerinde ise bas nç dayan yakla k500 MPa ve elastisite modülünü 36000 ile 74000 MPaolarak bulmu lard r [5].
Reaktif pudra betonlar nda gerek kar ma girenmalzemeler ve bunlar n oranlar bak ndan gerekse lif ve
rma bas nc aç ndan kapsaml bir çal mayap lmas hedef olarak belirlenmi tir. Bunun için önceliklekar olu turacak malzemelerin mekanik ve kimyasalözellikler belirlenmi tir. Daha sonra kar m oranlarbelirlemek için farkl metotlar kullan larak kar m oranlarbelirlenmi ve bu kar m oranlar ile ön deneyler yap laraken iyi sonucu veren kar m seçilmi tir. Seçilen bukar ma, RPB’da kullan lan mikro boyuttaki çelik lif,hacimce alt farkl oranda (% 0–2–4–6–8–10) kat larakdeney numuneleri üretilmi tir. Bu numuneler üzerindebas nç dayan , elastisite modülü ve poisson orandeneyleri yap lm r. Deney sonucu bulunan uygun çelik lifiçeri i kat larak, deney numuneleri haz rlanm ve budeney numuneleri plastik k vamdayken, haz rlanan özelkal plara doldurularak, 5 Mpa s rma bas ncuygulanarak bu bas nc n betonun 28 günlük e ilmedayan na etkisi ara lm r.
2. Materyal ve Metot
2.1. Materyal
Malzeme seçiminde öncelikle malzemelerin her zaman bolmiktarda bulunan, homojen özelliklere sahip ve zamanlakalitesi ve özellikleri de meyen malzemeler olmas nadikkat edilmi tir. Deneylerde kullan lan ince tanelimalzemelerin tane da , Türkiye Çimento MüstahsilleriBirli inin laboratuar nda kuru olarak lazer tane da manalizi ile yap lm granülometri e risi bu bölümünsonunda toplu olarak tek bir grafikte gösterilmi tir.
2.1.1. Çimento
Reaktif pudra betonlar , ana bile eni çimento olan venormal betonlara oranla çimento miktar n (yakla k 1000kg/m3) çok fazla oldu u betonlard r. Amaca uygun çimentoseçiminde daha önceki yap lan çal malar incelenmi vebu çal malar n genelinde yüksek performansl çimentolarkullan lm r [3].
Yap lan deneysel çal malar n tamam nda, Lafarge AslanÇimento taraf ndan üretilen, PÇ 52,5 CEM I R tipi yüksekperformansl çimento kullan lm r.
2.1.2. Silis duman
Silis duman , silikon veya demirli silisyum imalat s ras ndaat k olarak ortaya ç kan ekilsiz effaf silisyum dioksit(SiO2) kürelerinden olu an bir mineraldir. Bu kürelerinortalama büyüklü ü 0,5 µm alt ndad r (Matte ve Moranville,1999). Yap lan deneysel çal malar n tamam nda, silisduman olarak Norveç’te bulunan Elkem firmas n 968-Ukodlu yo unla lmam silis duman kullan lm r.
2.1.3. Kuvars pudras
Reaktif pudra betonunun ismindeki pudra kelimesi, bubetonlarda kullan lan mikron boyuttaki kuvars pudras ndangelmektedir. Kuvars pudras taneciklerinin geneli beyazrenkte, taneleri kö eli ve ekilsizdir. Kuvars pudras normalolarak kum boyutundaki agregan n özel tekniklersayesinde istenilen boyutlara getirilmesiyle olu maktad r.Kuvars pudras olarak da 0-100 µm tane aral ndakipudralar deneylerde kullan lm r.
2.1.4. Kuvars kumu
Genellikle reaktif pudra betonlar nda kullan lan en büyüktaneye sahip olan malzeme kuvars kumudur. Kuvarskayac di er kayaçlara göre çok sert ve sa lamkayaçlard r. Normal dayan ml betonlarda kullan lanagregalar n dayan yakla k 100 MPa iken, kuvarsagregas n bas nç dayan yakla k 180 MPa kadarula maktad r. Sertlik olarak ta çok sert ( 7) bir agregaoldu u için a nma direnci yüksektir. RPB’de istenilendayan mlara ç labilmesi için bu betonlara uygun agregakullan lmal r. Bu nedenle hem dayan yüksek hem de
nma direnci yüksek agregalara ihtiyaç duyulmu tur.,Kuvars kumu elde edili ekli ve mineralojik bak mdanyukar da özellikleri verilen kuvars pudras ile aynözelliklere sahiptir ve sadece fiziksel olarak farkl kgöstermektedir. Deneylerde kullan lan kuvars kumu, 150–300 µm ve 300-600 µm aral ktaki iki farkl s ftabulunmaktad r. Reaktif pudra betonunda kullan lan tanelimalzemelerin toplu olarak granülometri e risi ekil 1’deverilmi tir.
2.1.5. Çelik lif
Bu çal mada kullan lan çelik lif, 6 mm uzunlu unda 0,16mm çap nda ve lifin her iki ucu da kancas zd r. Bu lifinçekme dayan 2250 MPa, özgül a rl 7,181 gr/cm³ venarinli i 37,5’tir.
2.1.6.Kimyasal katk
ksa firmas taraf ndan üretilen yeni jenerasyon birpolikarboksilat bazl yüksek oranda su azalthiperak skanlast olan Polycar 100 kullan lm r. Buhiperak kanla dü ük su/çimento oran nda yüksekislenebilirlikte beton elde edilmesinde, taze betonun zamaniçerisinde islenebilirli ini korumas nda ve betonun erkenyüksek mukavemet kazanmas nda oldukça etkilidir.
Reaktif pudra betonlar n kar m dizayn için henüz yerlive yabanc herhangi bir standart mevcut de ildir. Karolu turan taneli malzemelerin s bir yap olu turacakekilde oranlanmas için farkl kar m teorileri
kullan lm r. Bu teorilerden birisi reaktif pudra betonlariçin en çok kullan lan teori olan Mooney’in katsüspansiyon viskozite modeli kullan lm r [6].
Kar n diyazn edilmesinde haz r bilgisayar paketprogram ndan da yararlan lm r. Bilgisayar programolarak, Danimarka Teknoloji Enstitüsü’nce geli tirilen “4C-Packing” ticari ismine sahip bilgisayar programkullan lm r. Bu program ile iki veya üç agrega sbirle tirilerek bu bile imin doluluk oranlarhesaplanabilmektedir ( ekil 2) (Yazan ve arkada lar ,2005). Bu çal mada bu programdan yararlan lm r.Bunun için her bir tane grubunun kompasitesi deneyselolarak belirlenerek programa girilmi ve kar n oranlarve kompasitesi hesaplanm r [7].
ekil 2. 4C-Packing program ndan bir görünü
Taneli malzemelerin kar m oranlar belirlendikten sonra,su/çimento ve su/katk oranlar farkl oranlar kullan larakdeney numuneleri haz rlanm ve i lenebilirlik ile bas nçdayan mlar belirlenmi tir.
2.2.2. Lif hacminin belirlenmesi
Deney numuneleri, 10 cm çap nda, 20 cm yüksekli indesilindir olarak üretilmi tir. Kullan lan lif betona hacimce %0, 2, 4, 6, 8, 10 olmak üzere 6 farkl oranda ikameedilmi tir. Betonu olu turan tüm malzemeler, kullan lacaklif hacmi oran na göre azalt larak lif ikamesi yap lm r.
2.2.3. S rma bas nc n uygulanmas
Betonun iyi bir ekilde yerle tirilmesi için en çok kullan lanmetot leme ve vibrasyondur. Bu metotlar normal veyüksek performansl betonlar için yeterli olabilmektedir.Yap lan ilk denemelerde bu metotlar RPB için deuygulanm r. Fakat kullan lan kimyasal katk dozaj nfazla olmas , i lenebilirli e olumlu etkisinin yan s ra, betoniçerisine hava kabarc klar sürüklemesi gibi olumsuzetkilere de neden olmaktad r. RPB’ye vibrasyonuygulanmas s ras nda katk n sürükledi i havamiktar nda art oldu u, betonun hava kabarc klarsayesinde erek kal ptan ta görülmü tür. Bu nedenleRPB’de vibrasyon uygulamas ndan vazgeçilmi tir.
RPB dü ük su/çimento oran na sahip olmas na ra menyüksek orandaki kimyasal katk dozaj sayesinde
lenebilirlik istenilen düzeye getirilebilmektedir. Bunara men RPB’de su/çimento oran normal betonlara göreçok dü ük olsa da yine taze betonun içerisindeki kapalceplerde su ve s hava bulunmaktad r. Bu su vehavan n beton içerisinden ç kar lmas için de taze haldekibetona bas nç uygulanmas dü ünülmü tür.
Belirlenen kar ma uygun lif miktar kat larak haz rlanannumuneler ekil 3’teki özel olarak tasarlanm çelik kal badoldurulmu tur. Bu kar ma 5 MPa s rma bas ncuygulanm r. Numuneler kal plardan 24 saat ç kar larakküre tabi tutulmu tur.
2093
pek,M. ve Y lmaz, K.
8,4617 34,54 50 34,54 17
8,46
565
178
16
2830
3530
30
50
190
170
Numune
ekil 3. Beton S rma Kal
2.2.4. Beton numunelerinin üretimi ve bak
Yukar daki kar m metotlar sonucunda 32 farkl kar mhesaplanm r. Bu kar mlar lifsiz olarak hesaplanm veüretilmi tir. Bu kar mlardan en iyi sonucu veren kar mseçilerek sonraki deneylerde bu kar m kullan lm r.Reaktif pudra betonlar nda kar rma i lemi normalbetonlara göre oldukça farkl r. Kar rma i lemi içinkullan lan mikserin kar rma h ve kar ma girenmalzemelerin miksere konulma s ras belli bir düzeniçerisinde olmal r. Aksi takdirde ayn malzemeler ile çokyüksek dayan ml bir beton elde edilebilece i gibi çokdü ük dayan ml bir beton da elde edilebilir. Bu nedenlenumunelerin üretilebilmesi için özel bir miksertasarlanm r. Bu mikserin, hem numunelerin konuldu uhazne hem de mikserin ç rp n ayn veya z t yöndedönebilmekte ve kar rma h da elektronik kumandasayesinde ayarlanabilmektedir ( ekil 4).
ekil 4. Deneylerde kullan lan mikser
Numunelerin kal plara yerle tirilmesinde vibrasyon veleme denenerek en iyi yerle tirme metodununleyerek yerle tirme oldu una karar verilmi tir.
Vibrasyonun kimyasal katk n bir tak m özelliklerindendolay beton içerisindeki hava bo lu u miktar artt rdgörülmü tür. Numuneler bir gün sonra kal plardan
kar larak, çelik lif içeri inin belirlenmesi için üretilennumunelere, 28 gün 20 ºC su kürü, s rma bas ncuygulanm numunelere, 3 gün 90 ºC buhar kürü vehemen sonra 12 saat 300 ºC f n kürü uygulanm r.
2.2.5.Beton numuneleri üzerinde yap lan deneyler
Kar m oranlar n belirlenmesi için lifsiz olarak üretilennumunelere bas nç dayan deneyi, lif oran nbelirlenmesi için üretilen beton numunelere bas nçdayan , elastisite modülü ve poisson oran deneyi,
rma bas nc uygulanm numunelere ise ilk çatlak veilme dayan , k lma toklu u, k lma enerjisi, ekil
de tirme indeksleri deneyi yap lm r. Bas nç dayan mtestleri, yükleme h ayarlanabilen 300 ton kapasitelibeton presinde, e ilme deneyi ise 40 ton kapasiteli e ilmetest cihaz nda ilgili standartlar na uygun olarak yap lm r[8-12].
Elastisite modülü ve poisson oran testleri, beton presineyerle tirilen yük hücresi ile dü ey ve yatay deformasyonuayna anda ölçerek bilgisayar ortam na aktaran sistemtaraf ndan yap lm r ( ekil 5). Deney sonuçlar ilgilistandarda göre de erlendirilerek numunelere ait mekaniközellikler elde edilmi tir. S rma bas nc uygulanmRPB’nin e ilme deneyi ekil 6’da verilen deney düzene iile yap lm r.
ekil .5. Elastisite modülü ve poisson oran ölçümdüzene i
2094
pek,M. ve Y lmaz, K.
l
l/3 l/3 l/3
1 2 3 4 5 6
P
P/2 P/2
b
h
25 83,33 83,33 83,33 25
50
50
300
ekil 6. E ilme deney düzene i3. Ara rma Sonuçlar ve Tart ma
Kar n belirlenmesi için yap lan deneylerden elde edilenmalzeme miktarlar Tablo 1’de verilmi tir. Uygun çelik lifiçeri inin belirlenmesi için haz rlanan numunelere ait bas nçdayan m sonuçlar Tablo.2’de verilmi tir.
Tablo 1. 1 m3’deki malzeme miktarlar (kg)
Malzeme Miktar (kg)Çimento 900Silis duman 270K. Pudras 360K. Kum(100-300) 282.94K. Kum(300-600) 282.94Su 225,00K. Katk 27Hava % 1,7Toplam 2347,88
Tablo 2. Kar m ve lif içeri ine göre numune bas nçdayan mlar
Lif miktar n artmas ile bas nç dayan at göstermi tir.Art oran % 0 ile % 4 aras nda yüksek olurken di eroranlardaki art oran daha az olmu tur ( ekil 7).
RPB de kullan lan mikro lifler beton içerisine çok sa lambir agrega gibi da larak dayan m art na neden olmu tur.Kar mdaki lif miktar %6 geçtikten sonra kar rma veyerle tirmede ciddi zorluklar ya anm özellikle %10 lifiçeren numunelerin üretimi oldukça zor olmu tur. % 4 ile%6 aras ndaki dayan m farkl klar bütün kar mlardaoldukça dü ük olmu , lif miktar n beton maliyetiniartt rd , kar rma ve yerle tirme i lemini oldukçazorla rd görülmü tür.RPB elastisite modülü yakla k olarak 50000-60000 MPaaras nda de mektedir. Farkl lif içeri i kullan larakhaz rlanm numunelerin elastisite modülü grafi i ekil8’de verilmi tir.
0
50
100
150
200
250
0 2 4 6 8 10
Lif Oran (%)
Bas
nç D
ayan
(MPa
)
7 günlük 28 günlük
ekil 7. Lif içeri ine göre numune bas nç dayan mlar
0
10000
20000
30000
40000
50000
60000
70000
0 2 4 6 8 10
Lif Miktar (%)
Elas
tisite
Mod
ülü
(MP
a)
ekil 8. Lif içeri ine göre elastisite modülü grafi i
Elastisite modülü, lif miktar n %6’s na kadar ters orandaazalma göstermi , daha sonra tekrar artm r. Betonakat lan lifler % 6 ya kadar dayan m art na ters bir orantgösterirken, daha sonra dayan ma paralel bir artgöstermi tir ( ekil 8). Elastisite modülü için dü eydeformasyonlar ölçülürken ayn zamanda poisson oraniçin yanal deformasyonlarda ölçülerek RPB’nin poissonoran 0,20 ile 0,22 aras nda bulunmu tur. Bu de er normalbetonlar ile hemen hemen ayn r.Bütün sonuçlar de erlendirilerek uygun lif miktar % 4olarak belirlenmi tir. Belirlenen bu lif içeri i kullan larakkar m haz rlanm ve 5 MPa s rma bas ncuygulanarak s lm r. 28 gün sonunda e ilmedayan testine tabi tutularak s rma bas ncuygulanmam ( ahit) ve uygulanm numunelere ait yüksehim e risi ekil 9’de verilmi tir.
2095
pek,M. ve Y lmaz, K.
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
16000
18000
20000
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Sehim (mm)
Yük
(N)
5 MPa S t. Bas. Uyg.
ahit
ekil 9. 5 MPa s rma bas nc uygulanm ve ahit RPB’ye ait yük-sehim grafi i
Bu grafi e göre RPB’nin ilk çatlak yükü 12420 N, çatla nolu tu u sehim 1,52 mm olarak ölçülmü tür. Maksimumyük 14640 N ve maksimum sehim miktar 11,32 mm olarakölçülmü tür. Lif boyunun k sa olmas na ra men son sehimmiktar n belirgin olarak artt görülmü tür. S rmabas nc 5 MPa olan RPB maksimum k lma yükü, ahitRPB’ye göre yakla k %18’lik bir art göstermi tir. ahitRPB’nin içyap n 5 MPa s rma bas nc uygulanmRPBnin içyap ndan daha bo luklu oldu u görülmü tür.Maksimum e ilme yükünün ve sehim miktar n artmas ,pastada ve lif-pasta ara yüzeyinde s rman n etkisi ilebo luklar n azalmas ve aderans n artmas yla olmaktad r.
4. Sonuç ve Öneriler
rma bas nc 5 MPa olan RPB’nin ilk çatlak dayan24,84 MPa, e ilme dayan 29,28 MPa ve e de er
ilme dayan 33 MPa olarak hesaplanm r. K lmatoklu u 82,5 Nm ve k lma enerjisi 32379,33 joule/m2
olarak hesaplanm r. Bu sonuçlar ahit numune ilekar la ld nda, e ilme dayan %34 ve e de er
ilme dayan n ise 3 kattan daha fazla artt tespitedilmi tir. K lma toklu u ve enerjisi de erleri, ahit RPBile kar la ld nda yine 3 kattan daha fazla art oldu ugörülmektedir. Numunenin çatlaktan sonraki davran içinhesaplanan indeks de erleri s ras yla I5= 5,19, I10= 7,98 veI20= 8,75 olarak hesaplanm r. Bu de erler, ilgilistandarda göre de erlendirildi inde lifli betonlar s nadenk gelmektedir. Uygulanan s rma bas nc sayesindepasta çelik liflerin çevresini hemen hemen bo luksuzolarak sarmakta ve sonucunda da lif ile pasta arayüzeyinde aderans artmaktad r. Aderans n artmaskancas z olan çelik lifin pasta içerisinden s yr larak
kmas zorla rarak, lifli RPB’nin tepe yükü a ld ktansonra da yük ta maya devam etmesine neden olmaktad r.
RPB’lerin durabilite özellikleri literatürdeki çal malara göreincelendi inde normal betonlar ile k yas edilemeyecekdüzeyde yüksek oldu u görülmektedir. S rma bas ncuygulanmas RPB’nin birim hacim a rl artt rmaktad r.Birim hacim a rl n artmas betonun bünyesinde bulunanbo luklar n azalmas anlam na gelmektedir. Bu nedenlezaten yüksek olan durabilite özellikleri, s rma bas ncuygulanmas ile daha da artacakt r. Bu nedenle yüksekdurabilite özelliklerine ihtiyaç duyulan malzemelerin yerineendüstriyel ve nükleer at klar n depoland tesislerdekullan labilir. S rma bas nc uygulamas ile ince cidarlelemanlar üretilebilece i gibi mevcut üretilen elemanlar n
kal nl klar veya içerisinde kullan lan ve en büyük maliyetolu turan lif miktar azalt labilir.
5. Te ekkür
Yazarlardan Metin PEK doktora ö rencisi olarak ald zrakanlar Bursu’ndan dolay Türkiye Çimento
Müstahsilleri Birli i’ne te ekkür eder.
Kaynaklar
[1] Tasdemir, M.A., Bayramov, F., Kocatürk, A.N.,Yerlikaya, M., Betonun Performansa GöreTasar nda Yeni Geli meler, Beton 2004 Kongresi,10-12 Haziran 2004, stanbul, 24-57, 2004.
[2] Çivici F., Çelik Lif Donat Betonun E ilme Toklu u,Pamukkale Üniversitesi Mühendislik FakültesiMühendislik Bilimleri Dergisi, Cilt 12, Say 2, S 183-188, 2006.
[3] Richard, P., and Cheyrezy, M., Composition ofReactive Powder Concrete, Cement and ConcreteResearch Vol. 25, No 7, pp. 1501-1511, 1995.
[4] Bonneau, O., Lachem , M., Dalla re, E., Dugat, J. andtc n, P-C., Mechanical Properties and Durability of
Yak n zaman içersinde lif takviyeli plastik kompozitmalzemelerin kullan her sektörde oldu u gibi in aatalan nda da h zla artmaktad r. Ba lang çta yap larda ikincilelamanlar olarak kullan lan bu tür malzemeler, günümüzdeesas malzeme ya da güçlendirme malzemesi olarak tercihedilmektedir. Son zamanlarda yo un ekilde tercih edilenkompozit malzemelerden birisi de profil çekme metodu ileüretilen Cam Elyaf Takviyeli Plastik (CTP) profillerdir.Özellikle yap sektöründe esas malzeme olarak kullangiderek artan, CTP profillerin üstün çekme dayan nyan s ra, hafifli i, korozyon dayan gibi özellikleri, CTPprofilleri in aat sektöründe birçok malzemeye alternatifyapmaktad r.
Bu çal mada; yüksek bas nç dayan ile tan nanbetonun, yüksek çekme dayan na sahip CTP kutuprofiller ile hibrit kullan ara lm r. Yal n haldekibeton numuneleri, içi bo kutu profiller ve içi betonladoldurulmu ayn kesitteki deney numuneleri bas nç ve
ilme testlerine tabi tutularak, elde edilen sonuçlarkar la lm r. Farkl kesit özellikleri ve fiber oranlar nasahip kutu profillerin bas nç ve e ilme özelliklerine etkileriincelenmi tir.
Anahtar kelimeler: Cam Elyaf Takviyeli Plastik, Beton,Hibrit, Bas nç Gerilmesi ve E ilme Gerilmesi
Abstract
Recently uses of fiber reinforced plastic profiles haveincreased in construction sector. Initially though they areused as a secondary member, preferring mainconstruction member or reinforcement in buildings at thepresent time. One of the new composite materials is thepultruded Glass Fibre Reinforced Plastic (GFRP) sectionsused as primary load bearing elements has beenincreased in construction. Factors of tensile strength,lightweight ve non-corrosive properties are make theGFRP materials to competitive alternative to traditionalstructural materials.
In this study; the effect of hybrid usage of GFRP profilewith concrete, which have a high compressive strength, oncompressive and flexural properties have beeninvestigated. The compressive and flexural tests havebeen applied on the plain concrete, GFRP box profiles andconcrete filled profiles, and the outcomes are compared.Effects on compressive and flexural behavior of box
profiles, which have different cross-section and fibre ratio,have been investigated.
Malzeme teknolojileri alan nda her geçen gün yenimalzeme türleri ve uygulamalar geli tirilmektedir. Bugeli imin esas dayana olu turan, malzemelerin birliktekullan yani kompozit yada hibrit tasar mlard r.Kompozit malzeme, iki veya daha fazla malzemenin üstünözelliklerini tek bir malzemede toplamak ya da yeni birözellik ortaya ç karmak amac yla, makro düzeydebirle tirilmeleri ile olu turulan malzemeler olarakadland r. Yap olu turan bile enler, kimyasal olarakfarkl rlar ve fazlar birbirinden ay ran belirgin bir arayüzey bulunmaktad r [1]. Ortaya ç kan kompozitmalzemelerin zay f özellikleri ise farkl malzemelerin birliktekullan yla yani hibrit kullan mlar olu turularak giderilmeyoluna gidilmektedir.
Fiber Takviyeli Plastik (FRP) kompozitler son 20 y geçensüre içersinde binalar ve köprüler için hem ekonomik hemde birincil yap malzemesi olarak geli im göstermi lerdir[2]. Lifli kompozit malzeme olan CTP profiller ile tanelikompozit malzeme s na giren klasik betonun yapalan nda birlikte kullan yla ilgili çal malar ise son 10
ll k dönemde yayg nla r. Özellikle karbon fibertakviyeli kompozitlerin yap güçlendirmesinde kullan
kça uygulanmaktad r. Yap güçlendirme çal malar nyan s ra fiber takviyeli boru elamanlar n içersine betonyerle tirilmesi ile olu an tasar mlar n zeminiyile tirilmesinde kullan h zla artmaktad r. Ayr caköprülerde klasik kiri ler yerine beton ve lif takviyeli plastikkompozitlerden olu an hibrit kiri lerin kullan damevcuttur. Bu iki malzemenin birçok farkl metotlarlaberaber kullan n yan nda profiller içersine betonyerle tirilmesiyle ilgili önemli bilimsel çal malar mevcuttur.
Mirmiran ve arkada lar [3] FRP ile betonu hibrit olarakkullanarak, kolon-kiri lerin dayan m ve sünekli iniincelemi lerdir. Betonla doldurulmu borular n kolon-kiridavran ara rmak amac yla numuneler haz rlam vefakl kombinasyonlarda deneyler yapm lard r. Ayr ca bazkiri teorileri kullanarak hesaplamalar yap p, deneyverilerini kar la rmal grafikler halinde ifade etmi lerdir.Sonuç olarak betonla doldurulmu elamanlarda çe itliperformans art lar elde etmi lerdir.
Fam ve arkada lar [4] yapt klar çal mada dikdörtgenkesitli CTP elaman n içersini betonla doldurarak hibrit yapelde etmi ler ve kolon-kiri gibi kullanm lard r. Bazelamanlar tamam yla baz lar ise k smen betonladoldurup, haz rlanan numunelere farkl eksantrik yükleruygulayarak deneyler yapm lard r. Çal malar sonundadeney numunelerine ait çe itli grafikler elde etmi ler vetamamen dolu profiller ile k smen dolu profiller aras ndakar la rmalar yapm lard r. Deneyler sonucunda yardolu profil kiri ler tam dolu profiller ile benzer rijitlikgöstermi ler fakat e ilme deneylerinde yar dolu profillerdaha dü ük de erlerde k lm r.
Di er bir çal mada [5] CTP profiller ile polimer betonunuhibrit kiri olarak kullanm lard r. Deneysel çal malarlabirlikte teorik modellemeler yaparak farkl kesitlerdekikiri lere e ilme testleri yapm lard r. Profil, polimer beton,hibrit kiri ve sonlu elaman modelinin yük-deformasyongrafiklerini kar la rm lard r. Hibrit dikdörtgen kesitlikiri leri tasarlayan, üreten ve test eden yazarlar en yüksekdayan , hibrit kiri lerde elde etmi lerdir.
Literatürde yap lm çal malardan farkl olarak buçal mada; yayg n ekilde yap malzemesi olarakkullan lan beton ile son y llarda piyasada kullanmayaba lam yeni nesil malzemelerden say lan CTP kutu profilelamanlar n birlikte kullan ara larak, uygun çözümlerüretilmesi amaçlanm r. Mevcut çal malar n d ndafarkl kesitteki profillerin kullan lmas , CTP profillerdeki liforanlar n mekanik davran lara etkisi ve bas nç dayandeneyleri kar la rmal olarak verilmi tir. Yüksek bas nçdayan ile tan nan klasik betonun, di er üstünözelliklerinin yan s ra yüksek çekme dayan na sahipCTP profiller içersinde kullan n getirece i avantajlarçal ma sonucunda analiz edilmi tir.
2. Deneysel Çal malar
Temel yap malzemelerinden olan beton, yüksek bas nçdayan n aksine çekme ve e ilme gerilmelerine karoldukça zay f oldu undan dolay malzeme tasar mlar ndayaln zca bas nç gerilmelerine kar kullan r. CTPkompozit malzeme ise özellikle yüksek çekme dayan ileön plana ç kmaktad r. Yap lan hibrit malzeme tasar ylakiri lerde bas nç etkilerini beton, çekme gerilmelerini iseCTP profilin kar lamas dü ünülmektedir. Bas nçdeneylerinde ise betonda bas nç kuvveti etkisi ile olu acakyanal çekme gerilmelerini yine profil taraf ndanengellenerek mukavemet art sa lamas beklenmektedir.
Bu çal mada, farkl kesit ve lif oranlar na sahip CTPprofiller ile betonun hibrit olarak kullan lmas n e ilme vebas nç davran lar na etkileri ara lm r. Bu amaçlafarkl kesit özelliklerine sahip CTP kutu profiller içersine,önceden TS 802’ ye [6] göre tasarlan p üretilen tazehaldeki betonla doldurulmu ve 28 gün gereklimukavemetine ula ncaya kadar kür havuzundabekletilmi tir. çersi betonla doldurulmu profillerin yan
ra ayn kesit özelliklerine sahip taze haldeki yal nbetonlar önceden haz rlanan kal plara kar la rmayapmak amac yla yerle tirilmi tir. E ilme deneylerindebetonla doldurulmu profiller ve ayn kesitteki yal n betonnumunelerle birlikte içi bo kutu profiller de haz rlanm r.Bas nç testleri için kesit boyutlar 75-100 mm olan kutuprofillerin et kal nl klar ise 4-5 mm olmak üzere iki tip küpkesit ve et kal nl kl numuneler kullan lm r. Küp olarak
haz rlanan yal n haldeki beton numunelerin yan s raiçersine beton doldurulmu ayn kesitteki profillere bas nçdeneyi yap lm r. Her profil ve kesit tipi için 3’er adetnumune haz rlanm ve bas nç gerilmeleri bulunmu tur.
ilme testleri için ise et kal nl klar 3-5 mm olmak üzere ikitip ve 45 mm kesit ölçülerine sahip 400 mm uzunlu undakiprofiller kullan lm r. E ilme deneyindeki her kesit tipi için3 adet dolu profil ve 3 adet yal n beton numunelerin yan
ra 3 adet ayn kesitteki içi bo profiller de test edilmi tir.Mesnet aç kl n 350 mm olarak tasarlanan numunelere üçnoktal e ilme testleri yap lm r. çi bo profiller, içi betondoldurulmu profiller ve yal n beton e ilme elamanlar ndanyük-sehim grafikleri olu turulmu tur.
Çok uzun bir süredir yap malzemesi olarak kullan lanbetonun mekanik ve fiziksel özellikleri bilim dünyastaraf ndan çok iyi bilinmekle beraber, betonun tersine CTPprofil elamanlar yeni nesil malzemeler olmas ve ülkemizdeüretiminin s rl kapasitede olmas nedeniyle öncelikleprofillerin baz fiziksel ve mekanik özelliklerinin deneylerlebelirlenmesi gerekmektedir. Kutu profillerin bas nç ve
ilme deneylerinin yan nda baz fiziksel ve mekaniközellikleri de belirlenmi tir. Bu amaçla CTP malzemesininçekme özellikleri ve Elastisite modülünü belirlemekamac yla çekme testleri yap lm r. CTP profilleri ilgilistandartlar [7-9] ve deney artlar na uygun ekildehaz rlanarak, çekme makinesinde belirli h zlarda çekmetesti yap lm r. Profiller için ayr ca özgül ve birim a rl kbelirleme deneyleri yap larak bulunan sonuçlar verilmi tir.Çekme özelliklerinin belirlenmesi testlerinden sonra kutuprofiller içersindeki fiber oranlar n belirlenmesi amac ylareçine yakma metodu uygulanarak lif oranlar her kesit tipiiçin deneylerle bulunmu tur.
2.1. CTP Profil Özelliklerinin Belirlenmesi
Bas nç ve e ilme deneylerinde kullan lan profillerinmekanik özelliklerini belirlemek amac yla profillerdenkesilerek haz rlanan toplam 10 adet çekme deneyinumunesi test edilmi ve çekme özellikleri tespit edilmi tir.Verilerin i lenmesi sonucunda 10 adet numune içinElastisite Modülleri (E), Çekme Gerilmeleri ve UzamaYüzdeleri hesaplanarak Çizelge 1’ de gösterilmi tir.
Deney sonuçlar nda ortalama de erler incelendi indenumunelerin Elastisite modülü (E) 30089 Mpa ve Uzama
2098
Ayd n, F. ve Sar k, M.
de eri % 2 olarak bulunmu tur. Çekme gerilmesiortalamas ise 611 Mpa olarak bulunmu tur.
Çekme özelliklerinin yan s ra profillere ait özgül a rl k vebirim a rl k testleri de yap lm r. profillerinden kesilerekelde edilen toplam 10 adet parça üzerinde ilgili deneyleryap larak, elde edilen verilerin ortalamas al nm r.Yap lan deneyler sonucunda CTP malzemesinin özgül
rl k de eri 1,77 g/cm3 olarak bulunmu tur. Numuneleraras ndaki standart sapma de eri 0,017 ve varyasyonkatsay ise % 0,95 gibi küçük de erlerde bulunmu tur.Birim a rl k de eri ise 1,75 g/cm3 olarak bulunmu ,numuneler aras ndaki standart sapma de eri 0,01 vevaryasyon katsay ise % 0,57 olarak bulunmu tur. Busonuçlar deney güvenirli i aç ndan oldukça tatminedicidir.
CTP kutu profiller içersindeki fiber oranlar n belirlenmesiamac yla Reçine yakma metodu uygulanarak tüm kesitiçersindeki lif oranlar tespit edilmi tir. Reçine yakmametodunda 1400 Co’ ye kadar uygulanabilen veotomatik zaman ayarlay f n kullan lm r. Her kesit tipiiçin profillerden kesilerek haz rlanan numuneler 500 Co’de2 saat süre ile bekletilmi tir. lem sonras matrisi yanannumunelerdeki boyuna ve keçe lifleri tart larak gereklihesaplamalar yap lm r.
Çizelge 2. Bas nç numuneleri a rl kça fiber oranlar .
Et kal nl 5 mm
Numune No Toplam BoyunaFiber
KeçedekiFiber Matris
1rl k (gr) 24,55 13,652 1,692 9,206
% 100 55,60 6,89 37,51
2rl k (gr) 19,25 10,737 1,493 7,02
% 100 55,77 7,75 36,48
3rl k (gr) 24,30 13,354 2,193 8,753
% 100 54,95 9,02 36,03
4rl k (gr) 21,74 11,360 2,294 8,086
% 100 52,25 10,55 37,20
Ort. A rl k (gr) 22,46 12,275 1,918 8,266
Ortalama (%) 100 54,64 8,55 36,80
Et kal nl 4 mm
1rl k (gr) 15,14 8,359 1,776 5,00
% 100 55,21 11,73 33,06
2rl k (gr) 14,43 5,660 1,930 6,24
% 100 39,22 13,37 43,25
3rl k (gr) 16,23 9,414 1,675 5,141
% 100 58,00 10,32 31,68
4rl k (gr) 16,27 8,578 1,984 5,70
% 100 52,22 12,19 35,59
Ort. A rl k (gr) 15,51 8,00 1,84 5,52
Ortalama (%) 100 51,16 11,90 35,89
Bas nç deneylerinde kullan lan CTP kutu profillerdenkesilerek haz rlanan parçalar üzerinde gerçekle tirilen fiberoran belirleme test sonuçlar Çizelge 1’ de verilmi tir. Kutuprofillin kesiti 75 mm, et kal nl ise 4 ve 5 mm olan iki tipnumune kullan lm r. Et kal nl 5 mm olan profillerin
ortalama boyuna yüzde fiber oran % 54,64 ve keçedekitoplam yüzde fiber oran ise % 8,55’ dir. Et kal nl 4 mmolan profillerin ortalama boyuna yüzde fiber oran % 51,16ve keçedeki toplam yüzde fiber oran ise % 11,90 olarakbulunmu tur.
ilme deneylerinde kullan lan kutu profillerin kesit boyutu45 mm ve et kal nl klar ise 3-5 mm’ dir. Kutu profillerdenkesilerek haz rlanan parçalar üzerinde gerçekle tirilen fiberoran belirleme test sonuçlar Çizelge 2’ de verilmi tir.Buna göre et kal nl 5 mm olan profillerin ortalamaboyuna yüzde fiber oran % 59,56 ve keçedeki toplamyüzde fiber oran ise % 8,38’ dir. Et kal nl 3 mm olanprofillerin ortalama boyuna yüzde fiber oran % 57,95 vekeçedeki toplam yüzde fiber oran ise % 10,91’ dir.
Çizelge 3. E ilme numuneleri a rl kça fiber oranlar .
rl kça elde edilen fiber ve matris oranlar hacimceoranlara dönü türmek için bulunan de erler üreticifirmadan al nan fiber yo unlu una (2,56 g/cm³) ve matrisinyo unlu una (1,24 g/cm³) bölünerek bulunmu tur.Deneylerden elde edilen numunelere ait tüm tabakadakihacimce ortalama yüzde oranlar ve ortalama a rl klarÇizelge 4’ te verilmi tir.
2099
Ayd n, F. ve Sar k, M.
Çizelge 4. A rl k ve Hacimce ortalama fiber oranlar .
BoyunaFiber
KeçedekiFiber Matris
Bas nçNumunesi
5 mm
rl k (gr) 12,27 1,92 8,26
Hacim (cm³) 4,79 0,75 6,66
Bas nçNumunesi
4 mm
rl k (gr) 8,00 1,84 5,52
Hacim (cm³) 3,12 0,71 4,45
ilmeNumunesi
5 mm
rl k (gr) 9,20 1,29 4,94
Hacim (cm³) 3,59 0,50 3,98
ilmeNumunesi
3 mm
rl k (gr) 5,87 1,08 3,09
Hacim (cm³) 2,29 0,42 2,49
Fiber oranlar incelendi inde bas nç numunelerinden 5 mmet kal nl olan profilde boyuna fiber miktar 4,79 cm3,keçedeki fiber 0,75 cm3 ve matris ise 6,66 cm3 iken 4 mm’lik profilde ise boyuna fiber 3,12 cm3, keçedeki fiber 0,71cm3 ve matris 4,45 cm3’ tür. E ilme numunelerinden 5 mmet kal nl olan profilde boyuna fiber miktar 3,59 cm3,keçedeki fiber 0,50 cm3 ve matris ise 3,98 cm3 iken 3 mm’lik profilde ise boyuna fiber 2,29 cm3, keçedeki fiber 0,42cm3 ve matris 2,49 cm3’ tür. Hem e ilme hem de bas nçnumunelerinde 5 mm et kal nl kl profilin tüm lif ve matrisde erleri 3 ve 4 mm’ lik profillerden çe itli oranlarda fazla
km r.
2.2. Bas nç Deneyleri
Bas nç deneylerinde öncelikli beton kar m hesabyap larak gerekli birle im elamanlar haz rlanm ve tazebeton elde edilmi tir. Yal n beton küp numuneler, 4 mm etkal nl na sahip içersi beton dolu küp profiller ve 5 mm etkal nl na sahip içersi beton doldurulmu küp numunelerhaz rlanarak bas nç deneyine haz r hale getirilmi tir. Profilolarak et kal nl 5-4 mm ve kesiti 75 mm olan kutuprofiller kullan lm , her tip için 3’ er numune haz rlanm r
ekil 1).
ekil 1. Farkl et kal nl na sahip beton doldurulmu küpnumuneler.
Haz rlanan numuneler prizini ald ktan sonra 28 gün kürhavuzunda bekletilmi ve yeterli dayan m kazand ktansonra bas nç testine tabi tutulmu tur. Bas nç deneyleri
sonras sütun grafikler olu turularak deney sonuçlarkar la lm r ( ekil 2-4).
ekil 2’ de verilen grafikte, 75 mm kesitli kutu profillerleüretilen iki farkl et kal nl na sahip (4-5 mm) doluprofillerin yal n beton numune ortalamalar aras ndakikar la rmalar verilmi tir. Grafik incelendi inde 5 mm etkal nl na sahip dolu profilin bas nç dayan mortalamas n yal n betona göre % 261, et kal nl 4 mmolan dolu profile göre ise % 74 daha fazla bas nç dayangösterdi i gözlenmi tir. Et kal nl 4 mm olan dolu profilinyal n betona göre bas nç dayan ise % 50 oran ndaartm r. Profil et kal nl ile birlikte artan lif oranlarbas nç dayan art rm r. Bas nç testlerinde boyunaliflerin etkisi olmamakla birlikte, 4 mm’ lik profile göre 5 mmet kal nl na sahip numunelerin yanal lif yani keçe lifmiktar % 54 ve matris oran ise % 50 fazla olmas bas nçmukavemetini art rm r.
0
10
20
30
40
50
1Kutu Profil (75 mm)
Ger
ilme
(N/m
m2 )
5 mm
4 mm
Yal n Beton
ekil 2. Dolu profil ve yal n beton bas nç dayan mlar nkar la lmas (75 mm).
Kesiti 100 mm olan kutu profiller ile üretilen dolu profillerinyal n beton numune ortalamalar aras ndakikar la rmalar ekil 3’ te verilmi tir. Grafik incelendi inde4 mm et kal nl na sahip dolu profilin bas nç dayan mortalamas n yal n betona göre % 13 daha fazla bas nçdayan gösterdi i tespit edilmi tir.
0
5
10
15
20
25
1Kutu Profil (100 mm)
Ger
ilme
(N/m
m2 )
4 mm
Yal n Beton
ekil 3. Dolu profil ve yal n beton bas nç dayan mlar nkar la lmas (100 mm).
Et kal nl klar ve kullan lan beton özellikleri ayn , fakat farklkesite sahip numuneler kar la ld nda, 75 mm kesitli
2100
Ayd n, F. ve Sar k, M.
numunelerin bas nç dayan 100 mm kesitli numuneleregöre % 21 daha yüksek ç km r ( ekil 4).
0
5
10
15
20
25
30
1Et kal nl k 4 mm
Ger
ilme
(N/m
m2 )
75 mm
100 mm
ekil 4. Farkl kesitteki dolu bas nç dayan mlar nkar la lmas .
2.3. E ilme Deneyleri
Bas nç deneylerinde oldu u gibi öncelikle taze betonlarüretilmi , bir k sm yal n olarak bir k sm ise profilleriçersine beton doldurularak deneye haz rlanm r. Ayr cayal n beton ve dolu profiller ile kar la rma yapmakamac yla ayn kesite sahip içi bo profillere e ilme testiuygulanm r. ekil 5’ te 3 mm et kal nl na sahip boprofil ve beton doldurulmu e ilme deneyi numunelerigörülmektedir.
Üç noktal e ilme deneyi yap lan numunelerin yük-sehimgrafikleri olu turulup, her kesit tipi için kar la lmalolarak verilmi tir. E ilme gerilmeleri formül (1) kullan larakhesaplanm r.
yI
LP
WM 4
. (1)
Burada;
= Gerilme (N/mm2)M = Moment (Nmm)W = Mukavemet Momenti (cm3)P = Max. Yük (N)L = Mesnet Aç kl (mm)I = Atalet Momenti (mm4)y = Tarafs z eksen uzakl (mm)
ekil 5. Et kal nl 3 mm olan bo ve dolu profil e ilmenumuneleri
ilme grafikleri her deney için olu turulup, oldukça.abenzer e riler elde edilmi tir. Her et kal nl için uygungrafikler seçilerek 3-5 mm’ lik bo profil, ve 3-5 mm’ lik doluprofil ve yal n beton e ilme grafikleri kar la lm r
ekil 6).
0
5000
10000
15000
20000
25000
0 3 6 9 12 15Sehim (mm)
Yük
(N) Dolu Profil (5 mm)
Dolu profil (3 mm)Bo Profil (5 mm)Bo profil (3 mm)Yal n Beton
ekil 6. E ilme grafiklerinin kar la lmas .
2101
Ayd n, F. ve Sar k, M.
ekil 6’ da her tip e ilme deneyini temsil eden e rilerdenolu turulan kar la lmal grafikleri görülmektedir. Profilkullan lan numunelere göre çok küçük de erde k lan yal nbeton numunesinin sehim miktar da çok küçükdüzeydedir. Yal n betona k yasla profil kullan lan tüm doluyada bo deney numunelerinin sehim miktarlar yani enerjiyutma kapasiteleri oldukça büyüktür. Ayn özellikteki betonkullan larak yap lan e ilme deneyi grafikleri neticesindeyal n betonun k lma yükü 1217 N ve e ilme gerilmesi77,01 N/mm2’ dir. Bo profillerden 3 mm et kal nl kl profilinmaksimum yükü 5580 N, e ilme gerilmesi 73,76 N/mm2 ve5 mm et kal nl kl bo profilin maksimum yükü 11620 N,
ilme gerilmesi 105,58 N/mm2 olarak hesaplanm r.çersine beton doldurulmu kutu profillerden 3 mm et
kal nl kl profilin maksimum yükü 21190 N, e ilmegerilmesi 122,08 N/mm2 ve 5 mm et kal nl kl dolu profilinmaksimum yükü 24260 N, e ilme gerilmesi 139,76 N/mm2
olarak bulunmu tur. Çok dü ük de erlerde k lan yal nbeton numuneleri d nda bo profillere göre betondoldurulmu numunelerin maksimum yük de erleri 2-4 katartmaktad r. E ilme gerilmelerinde ise dolu profiller 3-5mm et kal nl kl bo profillere göre s ras yla % 33 ve % 64oran nda art göstermektedir.
Reçine yakma deneylerinde elde edilen fiber ve matrisoranlar n et kal nl artt kça artmas e ilme deneylerinede yans ve mukavemet de erlerini art rm r. Etkal nl 5 mm olan e ilme numunelerinin boyuna lif miktar3 mm’ lik numunelere göre % 57, yanal lif yani keçe lifmiktar % 19 ve matris miktar ise yakla k % 60 oran ndadaha fazla olmas e ilme davran lar olumlu yöndeetkilemi tir. E ilme deneylerinde mukavemete betondançok daha fazla etki eden yüksek çekme dayan na sahipCTP profilin toplam kesitteki oran artt kça mukavemete deparalel ekilde yans r. E ilme numunelerinde toplamkesitteki profil oran 5 mm’ lik profillerde % 40 iken, 3 mm’lik profillerde bu oran % 25’ e dü mektedir.
3. Sonuçlar ve Öneriler
Beton ile CTP kutu profillerin birlikte kullan ylaolu turulan deney numunelerine uygulanan bas nç ve
ilme deneyleri sonucunda malzemenin bu mekaniketkiler kar nda davran incelenmi tir. Yal n betonunçok dü ük olan çekme mukavemetini hibrit kullan mlaart rmak, bo kutu profillerin çe itli kuvvetlere kar zay fyönlerini iyile tirmek ve iki farkl malzemeden daha iyimekanik özelliklere sahip bir yap malzemesi olu turmakamac yla yap lan çal malardan elde edilen sonuçlaragöre:
1. CTP malzemesinin birim a rl 1,75 g/cm3 ve özgülrl 1,77 g/cm3 olarak bulunmu tur. Elde edilen bu
de erler ile CTP malzemesinin betona göre yakla k %40 hafif bir malzeme oldu u ortaya konulmu tur.
2. Çekme deneyleri neticesinde Elastisite Modülü 30089N/mm2, maksimum çekme gerilmesi 611 N/mm2 veUzama de eri % 2 olarak bulunmu tur. Malzemeninhafifli ine nazaran çekme gerilmesi de eri çekmekuvvetlerine kar iyi bir malzeme oldu unugöstermi tir.
3. Profiller içersindeki cam fiber ve matris oranlarbelirlemek amac yla yap lan deneyler neticesinde 5mm et kal nl na sahip profillerin boyuna yüzde fiber
oran yakla k % 57 ve keçedeki toplam yüzde fiberoran ise yakla k % 8,5 civar nda bulunmu tur. Etkal nl 4 mm olan profillerin ortalama boyuna yüzdefiber oran yakla k % 51 ve keçedeki toplam yüzdefiber oran ise yakla k % 12 olarak bulunmu tur. Etkal nl 3 mm olan profillerin ortalama boyuna yüzdefiber oran yakla k % 58 ve keçedeki toplam yüzdefiber oran ise yakla k % 11’ dir.
4. Hem bas nç hem de e ilme testlerinde lif miktar nartmas yla mukavemet de erleri artm r. Bas nçnumunelerinde 5 mm’ lik profilin 4 mm’ lik profile görekeçe lif miktar % 54 ve matris oran ise % 50 fazlaolmas bas nç mukavemetini art rm r. E ilmenumunelerinde ise 5 mm’ lik profilin 3 mm’ lik profilegöre boyuna lif % 57, keçe lif % 19 ve matris miktar iseyakla k % 60 oran nda daha fazla olmas e ilmemukavemetini art rm r.
5. Bas nç deneylerinden elde edilen bas nç dayan mlarincelendi inde yal n haldeki betona kar hem 4 mmhem de 5 mm et kal nl kl profiller bas nç mukavemetiniart rm r. Bu art lar 5 mm et kal nl kl profilde yal nbetona göre 2,5 kat civar nda iken 4 mm et kal nl kprofilde % 50 düzeyindedir.
6. E ilme deneylerinden olu turulan grafiklerincelendi inde bo profile göre beton doldurulmunumunelerin maksimum e ilme yükünde art larolmu tur. Et kal nl 3 mm olan bo profilin maksimum
ilme yükü beton doldurulan numunede 3,8 katartm r. Et kal nl 5 mm olan bo profilin maksimum
ilme yükü ise beton doldurulan numunede yakla k 2kat artm r.
Kaynaklar
[1] Callister, W.D., Materials Science and Engineering,Second edition, John Wiley and Sons Inc., Singapore,1990.
[2] Lawrence C.B., Composites for Consruction:Structural Design with FRP Materials. Jonh W ley andSons. Inc., New Jersey, 2006.
[3] Mirmiran A., Shahawy M. and Michael Samaan,Strength and Ductility of Hybrid FRP-Concrete BeamColumns, Journal of Structural Engineering, Vol. 125,No. 10, pp. 1085–1093, 1999.
[4] Fam A.Z., Schnerch D.A. And Rizkalla S.H.,Rectangular FRP tubes filled with concrete for beamand column applications, Proceeding of the sixthinternational symposium on FRP reinforcement forconcrete structures (FRPRCS-6), pp. 685–694,Singapore, 8–10 July 2003,
[5] Ferreira A.J.M., Ribeiro M.C.S. and Marques A.T.,Analysis of hybrid beams composed of GFRP profilesand polymer concrete, International Journal ofMechanics and Materials in Design 1: 143–155, 2004.
Beton s belirli olan geri dönü üm agregas ile TS802/1985 göre uygun beton kar m hesab haz rlanm veDmax 16 seçilmi tir. C20, C25, C30 ve C35 beton
flar ndaki betonlar n mühendislik özellikleribelirlendikten sonra ayr ayr geri dönü ümlü betonagregas üretilmi tir. Bu agregalar kullan larak 10*20 cmboyutunda beton numuneler üretilmi tir. Üretilennumuneler üzerinde 7 ve 28 günlük numuneler üzerindegörünür özgül a rl k, ultra ses ve bas nç deneyleriyap lm r. Sonuçta, betonlar n mühendislik de erleri biralt s ftaki betonun mühendislik de erlerine yaklagörülmü tür. Geri dönü üm beton agregan n tamam betoniçerisine kullan lmak istenildi inde tasarlanan beton
n bir üst s fa göre kar m hesab yap lmasgerekmektedir.
Anahtar kelimeler: Geri dönü üm beton agregas , Beton, Beton
Abstract
The concrete design was carried out with the cycledaggregates known as the concrete classes according tothe TS 802/1985. It was targeted to obtain the subclass ofthe concrete which composed of Dmax 16 aggregates.After the determination of engineering properties of theC20, C25, C30 and C35 concrete classes, recycledaggregates were produced separately. The samples wereproduced using the recycled aggregates of whichdimensions of 10*20cm. The unit weight, ultra sound andcompression tests were carried out on 7 and 28 day agedsamples. Finally, the compression strength of concreteswas observed to approach the strength values belongingto a lower concrete class. When it is necessary to use thecycled aggregates of concrete, as a whole, the concretedesign should be carried out of concrete design.
Hammaddenin en çok tüketildi i sektörlerden birisi in aatsektörüdür. aat sektörü, imalat süreçlerindeki girdileriniasgari düzeye indirme için hammaddelerin en uygunkullan lmas , enerji ve emisyonlar de erlerini azalt lmasyönünde çal malar sürmektedir [1]. Bu ba lamda betonmolozlardan elde edilen geri dönü türülmü betonagregalar na (GDBA) olan talep son on y lda büyük ölçüdeartm r [2]. Literatürü incelendi inde GDBA ile ilgiliçal malar bulunmaktad r.
GDBA olarak yeniden de erlendirilmesi ile ilgiliçal malarda GDBA’n n k rma agregalara göre daha dü üközgül a rl a ve Los Angeles a nma yüzdesi de erlerigöre daha yüksek oldu u belirtmektedir [3,4]. Ayr ca, do alagrega yüzeyine yap k eski harç yüzdelerinin % 30 ile %60 aras nda de ti ini, bu harçlar n eski betonagregas n elastisite, sünme ve rötre gibi deformasyonözelliklerini etkileyece i sonucuna var lm ve agregaemme suyuna ilaveten % 10 daha fazla suya gereksinmeoldu u belirlenmi tir. Ara rmac lar, i lenebilirli in çok k sasürede azalma gösterdi ini ve çökme kayb n oldukça
zl oldu unu saptam lard r [3]. GDBA’n n bas nçmukavemetlerinin ve elastisite modüllerinin eski betonunsu/çimento (s/ç) oran na ba oldu u, ayet eski betonuns/ç oran e it ve daha dü ükse, GDBA ile yap lan betonunbas nç mukavemeti ve elastisite modülü de e it veya dahayüksek de erler alabilece i belirtilmi tir [5].
Geri dönü ümlü betonlardan elde edilen agregalarlayap lan betonlardaki bo luk agregalardaki su tutmakabiliyeti için gereken sertle me, çok h zl bir ekildeolu ur. Bunun önlemek için süper ak kanla lar ngeciktirici ve i lenebilirli in üzerindeki olumlu etkilerindenyararlan larak poroz (bo luklu) agregalar n yüksek sututma kapasitesi azalt labilir. Dolay yla GDBA kullan laraküretilen betonlar n rijitliklerini geli tirmede olumlu yönündekatk sa lamaktad r [6]
.Bu çal mada TS 802’e göre C20, C25, C30, C35flar ndaki betonlar üretilmi tir. Bu betonlar n
mühendislik özellikleri incelendikten sonra betonlarlarak GDBA’lar elde edilmi tir. Bu GDBA’lar
kullan larak tekrar C20, C25, C30, C35 s flar ndakibetonlar üretilmi ve bu s ftaki betonlar üzerine birim
rl k, ultra ses ve bas nç deneyleri gerçekle tirilerekGDBA’lar n kullan labilirli i ve beton s flar ndaki etkileriara lm r.
2. Malzeme ve Yöntem
2.1. Malzeme
Bu çal mada TS 802’e [7] göre k rma agregalarla üretilenC20, C25, C30, C35 s flar daki betonlar üretilmi vebunlar k larak GDBA üretilmi tir. Bu agregalar her bir s fiçin üç farkl grupta (0-4, 4-8, 8-16) ayr larak, en büyükdane çap 16 mm olacak ekilde ayarlanm r. Betonüretimi yap lmadan önce GDBA’s n özellikleri ö renmekiçin beton agrega deneyleri yap lm ve TS 3530 EN 933-1uygun elek analiz sonuçlar ekil 1’de gösterilmi tir [8].
ekil 1. Geri dönü üm agregas elek analizi sonuçlar
Ankara Set Çimento fabrikas ndan temin edilen CEM I PÇ42.5 R kullan lm r. Çimentonun fiziksel, kimyasal vemekanik analizlerine ait deney sonuçlar Çizelge 2’deverilmi tir. Betonda, Ankara ehir ebeke suyukullan lm r. Yo unlu u 1.20 ± 0.02 kg/l olan süperak kanla (SA) kimyasal katk maddesi kullan lm r.
Çizelge 2. CEM I PÇ 42.5 R kimyasal, fiziksel ve mekanikanalizi
Kim
yasa
l ana
liz, %
SiO2 20,41
Fizi
ksel
ana
liz
Özgül yüzey,cm2/g
3350
Al2O3 5,35 Geni leme, mm 1,0Fe2O3 3,30 Su ihtiyac , gr 28,2CaO 62,50 Priz ba . sür., dak 157MgO 1,65 Priz bit. sür., dak. 235SO3 2,93 Özgül a rl k, g/cm3 3,1Na2O 0,15
Mek
anik
anal
iz
Gün MPaK2 0,71 3. gün 28,5Cl 0,0110 7. gün 41,7HCl 0,28 28. gün 52,4
Çizelge 3. Üretiminde kullan lan betonun kar m miktarlar
Toplam 1000 1000 1000 1000Slump (mm) 7,6 8,4 8,2 8,1
2.2. Yöntem
2.2.1. Agrega deneyleri
Agrega tene büyüklü ü da TS 3530 EN 933–1“Agregalar n Geometrik Özellikleri çin Deneyler Bölüm 1:Tane Büyüklü ü Da Tayini” [8] ve TS 130 “AgregaKar mlar n Elek Analizi Deneyi” standartlara göre [9],Birim hacim a rl TS 3529, “Beton Agregalar n Birim
rl klar n Tayini” standard göre [10], özgül a rl k vesu emme deneyi TS EN 1097 – 6, “Agregalar n mekanik vefiziksel özellikleri için deneyler bölüm 6: tane yo unlu u vesu emme oran n tayini” standard na göre [11]gerçekle tirilmi tir.
2.2.2. Sertle mi beton deneyleri
Beton kar TS 802 [7]ve TS EN 206–1 [12]standartlar na uygun olarak belirlenmi tir. Kar n beton
C20, C25, C30 veC35 olarak seçilmi tir. Hesaplabelirlenen oranlarla beton kar mlar haz rlanm r. Betonnumunelerinin haz rlanmas TS EN 12390–2 “Beton -Sertle mi beton deneyleri - Bölüm 2: dayan mdeneylerinde kullan lacak deney numunelerininhaz rlanmas ve kürlenmesi” standard na uygun olarakyap lm r [13]. Ara rmada çimento miktar n %1.2’sioran nda SA kullan lm r. Deneyler 100 x 200 mm’liknumuneler üzerinde yap lm r. Beton gruplar nda agregagranülometrisi sabit tutulmu tur. Agregan n emdi i sumiktar , kar m suyuna ilâve edildi i için s/ç orande mi tir. Beton kar mlar nda çimento miktar sabital nm r. Ayr ca, bas nç dayan TS EN 12390–3standard na göre [14], su emme ve özgül a rl k deneyleriTS 3624’e standard na göre yap lm r [15]. UltrasesDeneyi, ASTM C597-83 “Standard Test Method for PulseVelocity Through Concrete”, standard na göre [16].
3. Bulgular ve Tart ma
Deney numuneleri üzerinde yap lan deneylerin sonuçlarve aç klay istatistiksel çal malar sunulmu tur.
3.1. GDBA ve K rma agregan n bulgular
En büyük tane çap na ba olarak agrega granülometrir e rileri GDBA’lar n teknik özellikleriyle literatür s r
de erleri Çizelge 4’de verilmi tir.
Çizelge 4. K rma agrega ve iri geri dönü üm agregas ngenel özellikleri
Çizelge 4’de k rma agregan n gev ek ve s k birimhacim a rl k, özgür a rl k, su emme ve a nma de erleriliteratürle uyumluluk göstermektedir. GDBA’da ise, gev ekve s k birim hacim a rl k ve a nma de erleri literatürleuyumluluk göstermektedir. Ancak, GDBA’n n görünür özgül
rl ve su emmesi literatür s rlar n d nakmaktad r. Özgül a rl n daha dü ük olmas bo luklu
yap ndan kaynaklad söylenebilir. Su emmesi ise budü ünceyi do rulamaktad r.
2104
Durmu ,G.,Can, Ö. ve EK, O.
3.2. Sertle mi beton bulgular
Beton örnekleri üzerinde görünür özgül a rl k ve ultrasesgeçi h Çizelge 5’de verilmi tir. Bas nç dayan na aitgrafik ekil 2’de verilmi tir.
Çizelge 5. GDBA’l betonun fiziksel ve mekanik özellikleri
Zaman faktörüne göre gerçekle tirilen varyans analizsonuçlar Çizelge 6’te gösterilmektedir. Yüzdelik de erlerars ndaki fark n belirlenmesinde çoklu kar la rmatestlerinden Duncan testi kullan lm r (Çizelge 7) .
Çizelge 6. Bas nç dayan m de erlerine ait varyansçözümleme de erleri
GDBA’s ile üretilmi betonlar üzerinde gerçekle tirilençoklu kar la rma yap lm bas nç dayan na göre; 7.gündeki C20 ve C25 beton s n istatistiki olarak farklolmad , C30 ve C35 bunlardan fakl oldu u, 28. gündekiC30 ve C35 istatistiki olarak fakl olmad , C20 ve C 25bunlardan farkl oldu u görülmü tür.
ekil 3’de bas nç dayan ile ultrases geçi h ili kisigösterilmi tir. Beton s na ba olarak de iminibelirlemek amac yla, bas nç dayan ile ultrases geçi
aras nda regresyon analizi gerçekle tirilmi tir.Gerçekle tirilen regresyon analizi sonucunda su i lemederinli i-bas nç de erleri aras ndaki ili ki ikinci derecedenY= AX+B model denklemi ile aç klanabilmektedir.
C20, C25, C30 ve C35 s flar ndaki betonlar k larak eldeedilen geri dönü ümlü beton agregas üretilmi tir. Buagregalar kullan larak 7 ve 28. günlük numuneler üzerindegerçekle tirilen deney sonuçlar a da verilmi tir.
rma agregalarla üretilen de ik s flardaki taze betonungev ek ve s k birim hacim a rl k, özgür a rl k, suemme ve a nma de erleri literatürle uyumlulukgöstermektedir. GDBA’da ise, gev ek ve s k birimhacim a rl k ve a nma de erleri literatürle uyumlulukgösterirken, GDBA kullan larak üretilen betonlar n görünürözgül a rl ve su emmesi literatür s rlar n d na
kmaktad r.
Beton betonlar karakteristik dayan ma göre tasarlan r velaboratuar artlar nda ise hedef dayan ma ula mas istenir.C20 C25, C30 ve C35 s uygun olarak haz rlanankar mlar n hedef dayan mlar s ras yla 25, 30, 37 ve 45MPa olmas gerekmektedir. Çal mada Ø100 mm çap ndasilindir örneklerin kullan lmas ndan dolay karakteristikdayan mlar s ras yla 20, 25, 30 ve 35 MPa olmas gerekir.Buna göre; GDBA üretilen bütün beton s flar ndakiörnekler bir alt s ftaki hedef dayan ma ula r.GDBA’n n tamam ile beton içerisine kullan lmakistenildi inde tasarlanan beton s n bir üst s fa görekar m hesab yap lmas gerekmektedir.
statistikî de erlendirme sonucuna göre beton s flar veultrases geçi h de erleri aralar nda gerçekle tirilenregresyon katsay n iyi sonuçlar verdi i bulunmu tur.
2105
Durmu ,G.,Can, Ö. ve EK, O.
Hesaplanan denklemler kullan larak ileri günlerdeki bas nçdayan de erleri hesaplanabilmesi mümkün olmaktad r.
5. Kaynaklar
[1]. Co kun,N., Esin,T., Haz r Beton Üretiminin, ÇevreselEtkiler, Aç ndan De erlendirilmesi, Beton 2004kongresi, 2004.
[2]. Öztürk Ö., Çelikkol M., Erkan M., Türkiye AgregaSektör Raporu, Türkiye haz beton Birli i,Haz r BetonDergisi, Kas m-Aral k: 52-56, 2007.
[3] Hansen, T.C., Narud, H., Strength of Recycled ConcreteMade From Crushed Concrete Coarse Aggregate, ACI,Concrete International, Design and Construction, s.79– 83, Germany, 1983
[5]. Özturan, T., Eski Beton K Agregal Betonlar, .T.Ü.aat Fakültesi, Yap Malzemesi Seminerleri, stanbul,
1988.[6].Nealen, A., Rühl, M., Consistency aspects in the
production of concrete using aggregates from Recycleddemolition material, Darmstadt Concrete, Darmstadt,Germany, 1997.
[7].TS 802, Beton Kar m Hesap Esaslar , TürkStandartlar Enstitüsü, Ankara,1985.
[8]. TS 3530 EN 933–1, Agregalar n Geometrik Özellikleriçin Deneyler Bölüm 1; Tane Büyüklü ü Da –
Eleme Metodu, Türk Standartlar Enstitüsü,Ankara,1999.
[9]. TS 130, Agrega Kar mlar n Elek Analizi Deneyi çinMetot, Türk Standartlar Enstitüsü, Ankara,1978.
[10]. TS 3529, Beton Agregalar n Birim A rl klar Tayini,Türk Standartlar Enstitüsü, Ankara, 1980.
[11]. TS EN 1097–6, Agregalar n Mekanik ve FizikselÖzellikleri çin Deneyler Bölüm 6: Tane Yo unlu u veSu Emme Oran n Tayini, Türk Standartlar Enstitüsü,Ankara, 2002.
[12]. TS EN 206-1, “Beton- Bölüm 1: Özellik, Performans,malat ve Uygunluk”, Türk Standartlar Enstitüsü,Ankara, 2002.
[13]. TS EN 12390–2, Beton – Sertle mi Beton Deneyleri –Bölüm 2: Dayan m Deneylerinde Kullan lacak DeneyNumunelerinin Haz rlanmas ve Kürlenmesi, TürkStandartlar Enstitüsü, Ankara, 2002.
[14]. TS EN 12390–3, Beton- Sertle mi Beton Deneyleri-Bölüm 3: Deney Numunelerinde Bas nç Dayan nTayini, Türk Standartlar Enstitüsü, Ankara, 2003.
[15] TS 3624, Sertle mi betonda özgül a rl k, su emme vebo luk oran tayin metodu, Türk Standartlar Enstitüsü,Ankara, 1981.
[16]. ASTM C597-83 Standard Test Method for PulseVelocity Through Concrete, ASTM, 04.02.
[17]. TS 3814 EN 933–4, Agregalar n Geometrik Özellikleriçin Deneyler–Bölüm 1: Tane eklinin Tayini- ekilndisi’, Türk Standartlar Enstitüsü, Ankara, 2001.
[18]. Erdo an, Y, T., Beton, Metu, Ankara, 2003.[19]. Erdo an, Y. T., “Betonu Olu turan Malzemeler,
Agregalar”, THBB, Ankara, 88-90, 1995.[20]. Topçu ., B., Yap malzemeleri ve beton, 2006.[21]. im ek, O., Beton ve Beton Teknolojisi, Seçkin
yay nc k, Ankara, 2007.[22]. TS EN 1097–2, Agregalar n Mekanik ve Fiziksel
Özellikleri çin Deneyler Bölüm 2: Parçalanma
Direncinin Tayini çin Metotlar, Türk StandartlarEnstitüsü, Ankara, 2000.
[23]. TS 9582 EN 933-3, Agregalar n Geometrik Özellikleriçin Deneyler Bölüm 3: Tane ekli Tayini Yass k
Endeksi, Türk Standartlar Enstitüsü, Ankara, 1999.[24]. Nevile, A. M., Properties of Concrete, .Forth and
Final Edit. John Wiley. G. Sons., 1996.
2106
5. Uluslararas leri Teknolojiler Sempozyumu (IATS’09), 13-15 May s 2009, Karabük, Türkiye
Yüksek s cakl k etkisindeki malzemelerin fiziksel, kimyasalve mekanik özelliklerinde meydana gelebilecekde imlerin önceden bilinmesi gerekmektedir. Bukapsamda çimento harc n yüksek s cakl k etkisindeki veso utma sonras ndaki fiziksel ve mekanik özellikleriara lm r. CEM I 42.5 R Portland çimentosu kullanaraküretilen harçlara 20, 100, 300, 400, 500, 600, 700 ve 900°C s cakl klar uygulanm r. So utma i lemi kendili indenve suda olmak üzere iki ekilde gerçekle tirilmi tir.Laboratuar ko ullar na kadar so utulan numunelere bas nçdayan deneyleri yap lm ve bo luk yap için civalporozimetre cihaz kullan lm r. 300 °C s cakl klardabas nç dayan mda art olmu ama bu s cakl kde erlerinden sonra sürekli bir azalma gerçekle mi tir.Çal mada, bo luk yap n incelenmesiyle yüksek
cakl klara maruz kalm harçlar n dayan mdaki de erlerihakk nda fikir yürütülebilece i kan na var lm r.
Anahtar kelimeler: Yüksek s cakl k, Cival Prozimetre,Çimento harc
Abstract
Changes in physical, chemical and mechanical propertiesof materials under the effect of high temperature must beknown before. In this context, a physical and mechanicalproperty of cement mortar under high temperature effectand after cooling was investigated. 20, 100, 300, 400, 500,600, 700 and 900 °C temperatures were applied to mortarsthose were produced by using CEM I 42.5 R Portlandcement. Cooling process was implemented in two ways asnaturally and in water. The compressive strength of thesamples that have been cooled to laboratory conditionswere tested, and mercury intrusion Porosimetry instrumentwas used for cavity structure. There was an increase incompressive strength in 300 °C temperature, howeverafter these temperature values continues decrease hasbeen seen. In this study, it was concluded that the valuesof mortars that were exposed to high temperature may beopined by examination of cavity structure.
Keywords: High temperature, Mercury IntrusionPorosimetry, cement mortar
1. Giri
Yüksek s cakl k alt nda betonun malzeme özellikleri ilemikro-yap sal de iklikleri birbiri ile ba lant r [1,2].Dolay yla, beton malzemelerin ço unda, bo luktan dolay
-nem davran incelenmesi gerekir [3]. Ancak, sukayb na u ram beton numunelerinin sünme ve bas nç
dayan incelenirken normal artlardaki bu özeliklerdenbahsetmek daha do ru olacakt r [4].
Yap lan çal malarda, yüksek s cakl k etkisi alt nda kalmbetonun mekanik özelikleri [5-8], ve betonun fizikselözellikleri ( iletkenlik, genle me, bo luk oran vb.)ara lm r [9]. Ayr ca, kütle betonun içerisindegerçekle en kimyasal de iklikleri tahmin edebilmek içinnümerik ve fiziko-kimyasal de imler üzerinde e zamanlçal malar bulunmaktad r [10-16]. Bunlar n d nda, yüksek
cakl ktan do abilecek zarar de erlendirmenin belliyöntemleri vard r. Bu yöntemlerden en kolay gözlemyapmakt r. Betonda olu an çatlaklar, dökülmeler ve renkde iklikleri kolayca görülebilir [17].
Is art ve çimento tipi gibi karakteristik özellikler içerençal mada, dayan m özelikleri incelendikten sonranumunelerin art k parçalar yla cival porozimetre (MIP,Mercury Intrusion Porosimetry) deneyi yap lm r.Sonuçta, çimento birle iminde etkin olan portlandit, etringit(C6AS3H32; kalsiyum-alumino-trisülsohidrat), kalsit, kireç,larnite ve kalsiyum hidroksit silika (C-S-H) jelinde artma veazalma olu tu u görülmektedir. Ayr ca, deney süresincebetonun serbest ve iç bünyesinde su kayb dagözlemlenmi tir [18].
Çimento/uçucu kül hamuru üzerine 1 C/dk nma oran ile100 C dan 600 C kadar lan beton numuneleri üzerinebas nç dayan m deneyi yap lm ve s cakl k art ile tersorant olarak azalma meydana gelmi tir. Ancak uçucukülün 300 C s cakl a kadar olumlu etkisinin oldu u,literatür bilgilerine uygun oldu u görülmektedir [19].
Bu çal mada, yüksek s cakl k de erlerini ve söndürmedensonraki fiziksel ve mekanik özelliklerini ara rmak içinCEM I 42.5 R Portland çimentosu kullanarak üretilenharçlara 20, 100, 300, 400, 500, 600, 700 ve 900 °C
cakl klara maruz b rak lm ve so utma i lemi sudagerçekle tirilmi tir. Çimento üzerine özgül yüzey, hacimgenle mesi, su ihtiyac , priz ba lang ç ve biti süresi, özgül
rl k deneyleri, üretilen harçlar üzerinde e ilmedeçekme, bas nç dayan deneyi ve cival porozimetrekullan larak bo luk yüzdesi de erleri incelenmi tir.
2. Deneysel Çal ma
Ara rmada PÇ CEM I 42.5 R Portland çimentosu (PÇ),su ve standart kum kullan lm r.
2.1. Malzemeler
Deney çal malarda, PÇ’su kullan lm r. Çimentolar nkimyasal analizleri Ankara Set Çimento fabrikas nda,fiziksel ve mekanik analizleri Gazi Üniversitesi Teknik
itim Fakültesi Yap E itimi Malzeme laboratuarlar nda
yap lm r. Harç numunelerinin haz rlanmas nda; TrakyaSet Çimento Sanayi T.A.S. Çimento Fabrikas üretimi olanTS EN 196–1 Rilem-Cembureau P narhisar Standart kumukullan lm r. Çimento ve harç kar mlar nda çimentoyazararl olabilecek organik madde ve madensel tuzlar ihtivaetmeyen Ankara ehir içme suyu kullan lm r.
2.2. Yöntemler
2.2.1. Çimento deneyleri
PÇ’lara TS EN 196-3’göre standart k vam [20], TS EN 197-1’göre priz ba lang ve priz sonu süreleri, hacimgenle me de erleri ve özgül yüzey deneyleri yap lm r[21]. PÇ’lar n fiziksel, kimyasal ve mekanik dayan mlarÇizelge 1’de verilmi tir.
Çizelge 1. PÇ’lar n kimyasal, fiziksel ve mekanik analizleri
SO3 (%) 2,84 3. gün 28,5HCl 0,28 7. gün 41,7LOI (%) 0,96 28. gün 52,4
2.2.2. Yüksek s cakl k etkisi
Genellikle betonda yüksek s cakl k etkisi çal malar ,yüksek s cakl k alt ndaki betonun yap nda meydanagelen gerilme ve ekil de tirmeleri belirtildi i de ik ülkestandartlar vard r. Yap analizi ve tasar , deneyselçal malarda kullan lan standart yang nlardaki
cakl k/zaman e rileri gerçek yang n deneyimlerindenolu turulmu üç ana kategoriye ayr lm r ( ekil 1) [22].
Bunlar; Konut yap lar, (BS EN 13501-1 ve ISO 834) Petrokimyasal yap lar, (Hidrokarbon e risi) Tüneller(rijswaterstaat (RWS), Almanya yang n e risi
(RABT) olarak bilinmektedir.
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
0 20 40 60 80 100 120 140Zaman, Dk
cakl
k,°C
Standart ISO ve BS
Hidrokarbon e risi
TWT ve RABT
Deneysel s caklk e risi
ekil 1. Standart ve deneysel yang n e rileri
BS EN 13238, 13501-1 veya ISO 834’da ilk 30 dakikadansonran s cakl k art 20 C – 842 C olarak kabul edilmi tir[23-24]. (Ortalama art oran 27,4 C/dk denkgelmektedir). Bu yang n modeli yakla k 35 dakikada 1000C lik bir s cakl a ula maktad r.
Çal mam zda harç numuneler 1800 ºC kapasiteli MOS180/8 laboratuar tipi f nda 120 dk süreyle 20, 100, 300,400, 500, 600, 700 ve 900 °C yüksek s cakl klara maruz
rak lm r. Bütün s cakl k de erlerinde alt ar adetnumune kullan lm , art oran 10 ºC/dk olacak ekildeayarlanm ve f n içeri inde bekletme süreleri Çizelge2’de verilmi tir
Çizelge 2 De ik s cakl klardaki art oranlar vebekleme süreleri
ndan ç kart lan numunelerin üçü laboratuarko ullar nda kendili inden so umaya di erleri ise su ile aniso utulmu lard r. Tüm numunelere porozite ve bas nçdayan deneyleri yap lm ve 20 ºC’de al nan sonuçlar
yaslanm r.
Resim 1. Yüksek s cakl k f
2.2.3. E ilmede çekme ve bas nç dayan m tayinideneyleri
Bas nç dayan m deneyleri, TS 196-1’e [25] uygun40x40x160 mm boyutlar nda üçlü çelik harç kal plarkullan larak haz rlanm ve ELE Autotest 250 marka
ilmede çekme bas nç deney cihaz kullan larakyap lm r. E ilmede çekme numunelerinin tümündecihaz n yükleme h 0,05 kN/sn, bas nç dayan nda ise0,5 kN/sn olarak al nm r. Deney, e ilmede çekmedayan deneyi uygulanarak ortadan ikiye bölünen harçprizmalar üzerinde, bu deneyden hemen sonragerçekle tirilmi tir. Deney sonuçlar , deney numunelerinin
2108
Durmu , G. ve ARSLAN, M.
28. gün yaslar nda dayan m de erleri k ld ktan sonraaritmetik ortalamalar al narak belirlenmi tir.
2.2.3. Porozite
Yüksek s cakl k uygulanm harç numunelerine e ilmedeçekme dayan uyguland ktan sonra so uma ko ulunaba olarak alt numune içerisinden en yüksek e ilmedayan veren numune üzerinden Ø25x30 mmyüksekli inde karot al nm r.
Bo luk miktar ölçmek için Cival porozimetre cihazkullan lm r (Resim 2). Bo luk yüzdesi tayinindePoromaster markal cival porozimetre ile ASTM D 4404“Standard Test Method for Determination of Pore Volumeand Pore Volume Distribution of Soil and Rock by MercuryIntrusion Porosimetry” standard na uygun olarakyap lm r [26].
Deneyde numuneler, içerisindeki civa miktar bilinen camdeney tüplerine yerle tirildikten sonra içersindeki hazneyecihaz civa doldurmu tur. Civa giderek artan bas nç ilenumunelere nüfuz ettirilmesi sa lanm r. Deneysistemine ait yaz mdan faydalan larak örnek içerisindekibo luk da mlar numunelere nüfuz eden civa hacmineba olarak (ml/gr) belirlenmi tir.
Resim 2. Cival porozimetre cihaz
3. Bulgular ve tart ma
Haz rlanan iki so utma durumuna göre de en sekizcakl k de erinin e ilme ve bas nç Dayan m de erleriekil 3.1 ve 3.2’de verilmi tir.
20 100 300 400 500 600 700 900
Yüksek s cakl k, oC
0
1
2
3
4
5
6
7
8
ilmed
e çe
kme
daya
n,
MPa
Kendili inden so uma Su i le so uma
ekil 3.1. E ilme çekme dayan deneyi sonuçlar
ekil 3.1’de görüldü ü gibi so utma durumlar aras ndafark gözükmektedir. Laboratuar ko ullar nda so umunumunelerin su ile so utmaya göre e ilme dayande erlerini daha yüksek oldu u anla lmaktad r. Her ikiso utmada 500 ºC’de yakla k e ilmede çekme dayan n% 50 kaybetmektedir.
20 100 300 400 500 600 700 900
Yüksek s cakl k, oC
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
Bas
nç d
ayan
, MPa
Kendili inden so uma Su ile so uma
ekil 3.2. Bas nç dayan deneyi sonuçlar
ekil 3,2’de görüldü ü gibi kendili inden so umada 100 ºCbir miktar artm ama di er bütün yüksek s cakl k de erlerisürekli azalm r. Kendili inde so uma ile su ile so utmaaras nda fark olu mu tur. Harç numunelerin 700 ºC’deKendili inde so utmada % 35, 500 ºC su ile so utmada %33’ü azalmaktad r.
PÇ’lar n bo luk çap (µm) ile kümülatif nüfuz eden civahacmi (cc/gr) aras ndaki de imler, 20, 100, 300, 500 700ve 900 °C s cakl klar için s ras yla kendili inden ve su ileso utulmu numunelere ait grafik ekil 4.3’degösterilmi tir.
0,00
0,01
0,02
0,03
0,04
0,05
0,06
159,5
91,09
62,37
43,79
31,84
23,89
17,38
13,09
10,56
8,386
6,494
5,405
4,407
Bo luk çap , (µm)
Küm
ülat
if nu
füz
eden
Civ
a H
acm
i, cc
/gr
900 °C
700 °C
500 °C
300 °C
100 °C
20 °C
ekil 3.3. PÇ’lu harçlar n kendili inden so utulduktansonra bo luk çap ile kümülatif nüfuz eden civa hacmi
aras ndaki ili ki.
ekil 3.3 ve 3.4 incelendi inde, s cakl k de erini artmas ylanumunenin içine nüfuz eden toplam civa hacminde artmagözükmektedir. Bunun nedenini, harç numunelerineyüksek s cakl k uyguland nda bünyesinde kimyasalreaksiyonlar n gerçekle mesi sonucu k lcal bo lukhacminin artt eklinde aç klanabilir. ekil 3.5’de 28günlük numunelerin s cakl k derecelerine göre bo lukmiktarlar % olarak verilmi tir. Ayr ca su ile so utmada 700°C üstündeki s cakl klarda malzeme ani so umadan dolay
bozulmalar olu makta ve hiçbir mekanik ve fizikseldeney yap lamamaktad r.
2109
Durmu , G. ve ARSLAN, M.
0,00
0,01
0,01
0,02
0,02
0,03
0,03
0,04
0,04
0,05
148,4
90,21
61,97
43,18 31
,323
,6616
,7612
,3810
,128,2
586,5
885,4
454,4
38
Bo luk çap , (µm)
Küm
ülat
if nu
füz
eden
Civ
a H
acm
i, cc
/gr
700 °C
500 °C
300 °C
100 °C
20 °C
ekil 3.4. PÇ’lu harçlar n su so utulduktan sonra bo lukçap ile kümülatif nüfuz eden civa hacmi aras ndaki ili ki.
0,0
2,0
4,0
6,0
8,0
10,0
12,0
14,0
Bo
luk
deer
i, %
100 200 300 400 500 600 700 900
cakl k. °C
PÇ Kend. So . PÇ Su ile So .
ekil 3.5. PÇ’lu harçlar n toplam bo luk yüzdeleri
Yüksek s cakl n poroziteye etkisi grafik olarak ekil3.5’de görünmektedir. Sekiz s cakl k de erine ait bo lukyüzdeleri verilmi tir. Çimento hamurundaki jel yapolu turan kalsiyum silikat hidrate’nin (CSH) kat ögeleri,adsorbsiyon suyu yard yla birbirine ba lanmakta ve 300°C’den itibaren buharla maya ba lamaktad r. Buharla ansu, harç büzülerek çatlamas na neden olmaktad r. Olu anmikroçatlaklar 300–500 °C s cakl k Aral nda 500 nm’dandaha büyük bo luk çaplar na sebep olabilir. Ancak600°C’de genel toplam bo luk olu ma noktas r. Ayr cabu s cakl k de eri ve sonraki s cakl klarda 250–500 nmçap ndaki kapiler bo luklarda önemli art olmaktad r.Gözenekteki bu h zl art a daki iki kimyasal tepkimeyeaç klanabilir.
Kalsiyum oksitte bulunan serbest suyun Ca(OH)2(Ca(OH)2 CaO+H2O) ortaya ç kmas ,
Kalsiyum karbonattan ayr an karbondioksitin CaCO3(CaCO3 CaO+CaO2) olu mas eklindegerçekle mektedir.
4. Sonuçlar
Yüksek s cakl n, çimento harc n e ilmede çekme, bas nçdayan bo luk oran üzerindeki etkileri ara ldçal mada a daki sonuçlara var lm r.
So utma durumlar incelendi inde kendili indenso uma ile su ile so uma aras nda önemli farkl klarolmaktad r. Bu durum, su ile so utulan numunelerin
içyap lar nda kimyasal tepkimenin h zlagerçekle mesi olu maktad r. Özellikle 500 °C vedaha yüksek s cakl klarda çimentonun içyapbozulmakta ve daha büyük bo luk olu maktad r.
Her iki so utma durumunda 500 ºC’de e ilmedeçekme ve bas nç dayan n de erleri yakla k %50’sini kaybetmektedir. Bu durumda tersinedü ünüldü ünde yüksek s cakl a u ram harçlardakarot al nmas ve bo luk oran tespit edildikten sonramekanik dayan m aral klar na karar verilebilir.
Mekanik dayan mlar incelendi inde, kendili indenso uma ile su ile so utma aras nda yakla k 200 °Cfark olmaktad r.
E ilmede çekme ve bas nç dayan m de erleri, 300°C bir miktar art göstermekte ama di er bütün
cakl k de erlerinde dü mektedir. Bu art harçtanelerin yüzeyindeki adsorpsiyon suyunkaynakland dü ünülmektedir.
CSH arayüzündeki suyun buharla mas sonucu 300°C’de % 2 bo luk de erine sahipken, 600 °C’de %10 bo luk de erine sahip olmaktad r.
Kaynaklar
[1] Bazant Z. B., Chern J.C., Normal and refractoryconcrete for lmfbr applications, final report, NP-2437,Research Project 1704-12, 1704-19 NorthwesternUniversity, Evanston, (1982).
[2] Schneider U., Behavior of concrete at hightemperatures, Deutsxher Ausschuss Fur Stahlbeton,Berlin,15-24, (1982).
[3] Schneider U., Concrete at high temperatures,University Kassel, Monchebergstr 55-82, (1988).
[4] ensoy L., Betonun yang n dayan ve yenidenkullan labilirli i, Gazi Üniversitesi Fen BilimleriEnstitüsü, Ankara, 02-14 (1989).
[5] Bazant, Z.P., Kaplan, M.F., Concrete at hightemperatures, Material Properties and MathematicalModels, Longman Group, England, (ISBN 0-582-08624-4, 1996.
[6] X. Fu, D.D.L. Chung, Reversible decrease of theflexural dynamic modulus of cement pastes up onheating, Cement and Concrete. 27 (6) 839– 844,1997.
[7] Malhotra, H.L. The effect of temperature oncompressive strength of concrete, Magazine ofConcrete. 875–894, 1956.
[8] Koury, G.A., Sarshar, R., Sullivan, P.J.E., Grainger,B.N., Factors affecting the compressive strength ofunsealed cement paste and concrete at elevatedtemperatures up to 600, Wiss. Z. Hochsch, Archit.Bauwes. Weimar, B 36 (1– 2) 89–92, 1990.
[9] Rostasy, F.S. Ehm, C., Hinrishsmeyer K., Structuralalterations in concrete due to thermal and mechanicalstresses, J.C. Maso (Ed.), Pore Structure andMaterials Properties, vol. 1, Chapman & Hall,London-New York,. 92– 99, 1987.
[10] Koury, G.A., Grainger, V.N., Sullivan, P.J.E.,Transient thermal strain of concrete: Literaturereview, conditions within specimen and behaviour ofindividuals constituents, Magazine of ConcreteResource, 37 (132) 131– 143, 1985.
[11] Consolazio, G.R., McVay, M.C., Rish, J.W.,Measurement and prediction of pore pressures in
2110
Durmu , G. ve ARSLAN, M.
saturated cement mortar subject to radiant heating,ACI Materials, J. 95 (5) 525–536, 1998.
[12] Rostasy, F.S., Weis, R., Wiedemann, G., Changesof pore structure of cement mortars due totemperature, Cement of Concrete Resource, 157–164, 1980.
[13] Piasta, J., Heat transformations of cement phasesand the microstructure of cement paste, Materials ofConstruction, 17 (102) 415– 420, 1984.
[14] Alonso, C., Andrade, C., Menéndez, E., Evolucio´nmicroestructural de hormigones de altas y ultra altasresistencias a elevadas temperatures, Hormigo¯n yacero, 221–222 97– 105, 2001.
[15] Heikal, M., Effect of temperature on the physico–mechanical and mineralogical properties of Homrapozzolanic cement pastes, Cement of Concrete.Resource, 30 1835–1839, 2000.
[16] Handoo, S.K., Agarwal, S., Agarwal, S.K.,Physicochemical, mineralogical and morphologicalcharacteristics of concrete exposed to elevatedtemperatures, Cement of Concrete. Resource 321009–1018, 2002.
[17] Yüzer N., Aköz F., Öztürk L., D., Yang na maruzyap larda betonun bas nç dayan m-renk de imiili kisi, Y ld z Teknik Üniversitesi Dergisi, 4, 2001.
[18] Castellote, M., Alonso, C., Andrade, C., Turrillas, X.,Campo. J., Composition and microstructural changesof cement pastes upon heating, as studied byneutron diffraction, Pergamon, 1633-1644, 2004.
[19] Sarshar, R., Khoury, G.A., Material andenvironmental factors influencing the compressivestrength of unsealed cement paste and concrete athigh temperatures, Magazine of Concrete Resource.45 (162) 51–61, 1993.
[20] TS EN 196-3, Çimento deney metotlar -Bölüm 3: Prizsüresi ve genle me tayini, Türk StandartlarEnstitüsü, Ankara, 2002.
[21] TS EN 197-1, Çimento-Bölüm 1: Genel çimentolar-bile im, özellikler ve uygunluk kriterleri, TürkStandartlar Enstitüsü, Ankara, 2002.
[22] Khoury G., A., Effect of fire on concrete and concretestructures, Prog. Struct. Engng Mater. ImperialCollege, London, UK, 2: 429-447, 2000.
[23] British Standards Institution, BS EN 13501-1, Fireclassification of construction products and buildingelements. Classification using data from reaction tofire tests, London: BSI, 2007.
[24] International Standard, ISO 834., Fire resistance testelements of building ISO Standard, 1975.
[25]TS EN 196-1, Çimento deney metotlar -Bölüm 1:Dayan m tayini, Türk Standartlar Enstitüsü, Ankara5-10, 2002.
[26]ASTM D 4404 Standard Test Method forDetermination of Pore Volume and Pore VolumeDistribution of Soil and Rock by Mercury IntrusionPorosimetry, ASTM International, Aug 31, 1984.
2111
5. Uluslararas leri Teknolojiler Sempozyumu (IATS’09), 13-15 May s 2009, Karabük, Türkiye
Bu ara rman n amac farkl vibrasyon süreleri uygulanmve farkl birim a rl k de erlerine sahip beton bas nçdayan mlar n tahmin edilmesi için alternatif tahminmodelleri geli tirmektir.
Bu amaçla C 16 s nda tasar yap lm betondan TSEN 12390-2 standard na uygun olarak toplam 60 adet15x15x15 ebad nda küp numune haz rlanm r.Haz rlanan numunelere dald rma vibratörü kullan larak 0,5, 10, 15 ve 20 sn vibrasyon uygulanm r. Vibrasyonuygulanan numuneler bir gün sonra kal ptan ç kar larak kürtank na konulmu tur. 28. günde numunelerin birim
rl klar ölçülerek TS EN 12390-3 standard na uygunolarak bas nç dayan mlar belirlenmi tir. Vibrasyon süresive birim a rl k de erlerine ba olarak çoklu lineerregresyon ve bulan k mant k yöntemleri ile beton bas nçdayan tahmin edilmi tir. Tahmin modellerinden eldeedilen veriler ile gerçek bas nç dayan de erlerikar la rmal olarak de erlendirilmi tir.
Sonuç olarak olu turulan bulan k model ve çoklu lineerregresyon modeli ile beton bas nç dayan n tahminedilmesinin mümkün oldu u, bulan k modelin çoklu lineerregresyona göre beton bas nç dayan daha do rutahmin etti i görülmü tür.
Anahtar kelimeler: Vibrasyon Süresi, Birim A rl k, Bas nçDayan , Bulan k Mant k, Regresyon
Abstract
The aim of this study is to develop different estimatingmethods for guessing the compressive strength of theconcrete having different unit weights and vibration times.
For this reason, totally 60 numbers of concrete specimenshaving 15x15x15 cm dimensions were obtained from theC16 concrete in accordance with the TS EN 12390-2Standard. Vibration operation was performed on theprepared specimens during 0, 5, 10, 15 and 20 sec usingdiver type vibrator. Vibrated specimens were cured afterone day. At the 28th day, the unit weight of the specimenswas measured and compressive strengths weredetermined according to the TS EN 12390-3 Standard.Concrete compressive strength was estimated using multilinear regression and fuzzy logic based on the vibrationtime and the unit weight. The values obtained from the
estimation model were evaluated comparatively with theexperimental values.
As a result, it is seen that estimation of the concretecompressive strength using multi linear regression andfuzzy logic methods is possible; however the fuzzy logicmethod was estimated the concrete compressive strengthexcellently than the multiple linear regression method.
Keywords: Vibration time, unit weight, compressivestrength, fuzzy logic, regression.
1. Giri
Beton malzemelerinin kar lmas ve taze betonun yerineyerle tirilmesi i lemleri esnas nda, beton kar niçerisine kendili inden (istenmeden) bir miktar hava da
maktad r. çerisinde büyük miktarda hapsolmu havabo lu u bulunduran taze beton, yerle tirildi i kal niçerisini tamamen doldurmam ve yo unlu u az olan birbeton durumundad r; o haliyle sertle ti i takdirde,agregalarla çimento hamuru aras nda, betonla donataras nda veya betonla kal p aras nda bo luklarbulunduran, su geçirgenli i yüksek, dayan vedayan kl dü ük olan bir beton elde edilmektedir. Onedenle, betonu yerine yerle tirdikten hemen sonra,içerisinde yer alan hapsolmu havan n mümkün olabildi ikadar d ar ç kart lmas gerekmektedir [1-3].
Taze betonun içerisindeki hapsolmu havan n d arkart lmas i lemine "betonun s lmas " denilmektedir.
Bazen, "betonun s lmas " terimi yerine, "birle tirme,peki tirme, bütünle tirme, yo unla rma" anlamlar nagelen "konsolidasyon" terimi de kullan lmaktad r [1].
Üretilen taze betonun kal na yo un ve homojen olarakyerle mesini sa lamak için çe itli yöntemleruygulanmaktad r. Yerinde üretilen geleneksel betonarmeyap sistemleri için en uygun vibrasyon yöntemi dalg çvibratörlerle betonun s lmas r. Uygulanan vibrasyonsonucu beton kütlesi içerisinde titre im dalgalarolu makta, tanelerin titre ime u ramas ve hareketlili isonucu hava bo luklar yok edilerek beton
lmaktad r. S lm taze betonda kompasiteninyükseltilmesi sonucu beton kalitesi, yani sertle mibetonun dayan m ve dayan kl önemli oranda art lmolmaktad r. Ayr ca betonla donat aras ndaki aderansgüçlenerek betonarmenin monolitik davran na olumlukatk sa lamaktad r [4,5].
Taze betonun kal ba yerle tirilmesinde iki önemli hedefvard r. Bunlardan birincisi, betonu kal n her taraf nayaymak ve donat lar , devaml bir ekilde kaplamassa lamak, ikincisi ise, kal ba dökülen betonu s rmak,böylelikle hava bo luklar d ar ya ç kartarak kompasiteyiart rmakt r. te bu iki hedefe ula abilmek için betonun iyibir ekilde s lmas gerekmektedir [6].
Taze betonu s rmak için modern vibratörler hizmetegirinceye kadar betonun yerle tirilmesi i lemi, kürek, eltokma , gibi aletlerle veya i çilerin ayaklar ileyap lmaktayd . Ancak günümüz de, yüksek frekanslvibratörler ile betonun mükemmel bir ekilde s lmasmümkün olabilmektedir [7].
Vibrasyonla s rma için, betonun çökme de erinin 0–10cm aras nda olmas gerekti i belirtilmi tir. Optimum bir
rma elde edebilmek için, vibratör süresinin 15–25saniye olmas gerekti i ve vibratörle s lan tabakan nkal nl n 70 cm’yi geçmemesi ve en az 30 cm olmasgerekti i belirlenmi tir [4,5]. Vibrasyon, beton yüzeyindeparlak ve ak bir yüzey görüntüsü elde edilinceye kadarve hava kabarc klar n ç sona erinceye kadar devametmelidir. Bu durumu elde etmek için gerekli süre normal
vaml i lenebilen kar mlarda 5–20 saniyeyi geçmedi ibelirtilmi tir [8].
Di er bir ara rmac taraf ndan ise vibrasyon süresinin 5–15 saniye aras nda olmas gerekti i ifade edilmektedir. Busüre içerisinde s man n olaca e er süre a rsabetonun yüzeyinde erbet birikimi olaca ve bunundabetonun bas nç dayan dü ürece ini belirtmi tir [9]. TS1247, Beton Yap m, Döküm ve bak m kurallarstandard nda, vibratörün beton içerisinde 5–15 saniyetutulmas gerekti i belirtilmi tir [10].
Mühendislik ara rmalar nda kullan lan birçok tahminyöntemi bulunmaktad r. Bunlardan baz lar istatistikbaz lar ise yapay zeka temellidir. Bu çal mada istatistikyöntemlerden olan regresyon analizi ve yapay zekayöntemlerinden olan bulan k mant k yöntemi ele al nm r.Regresyon analizi bir ba ml de ken ile bir ba ms z(basit regresyon) veya birden fazla ba ms z (çokluregresyon) de ken aras ndaki ili kilerin bir matematiksel
itlik ile aç klanmas süreci olarak tan mlanmaktad r. Basitdo rusal regresyon modeli birçok durum için elveri liolabilmektedir. Ancak gerçek hayatta birçok modelinaç klamas için iki veya daha fazla aç klay de kenegerek duyulmaktad r. Birden çok aç klay de kenlimodeller çoklu regresyon modeli olarak adland lmaktad r[11].
Yayg n olarak kullan lmaya ba lanan yöntemlerden olanbulan k mant k modelleme ise ilk olarak 1965’de L. A.Zadeh’in yeni bir matematiksel yöntemi aç klayan “FuzzySets (Bulan k Kümeler)” [12] adl ünlü makalesiniInformation and Control isimli dergide yay nlamas ileortaya ç km r. O zamandan günümüze, bulan k kümelerkuram hem Zadeh’in kendisi, hem de say z ara rmactaraf ndan h zl bir biçimde geli tirilmi tir [13]. Çal madafarkl vibrasyon süreleri uygulanm ve farkl birim a rl kde erlerine sahip beton bas nç dayan mlar tahmin edenmodeller, regresyon ve bulan k mant k yöntemleri ileolu turulmaya çal lm r.
2. Regresyon Analizi ve Bulan k Mant kYönteminin Uygulanmas
Çal mada farkl vibrasyon süreleri uygulanm ve farklbirim a rl k de erlerine sahip betonlar n bas nçdayan mlar n tahmin edilmesi amac yla hem regresyonanalizi hem de bulan k mant k yöntemiyle iki farkl tahminyakla uygulanm r. Çal mada ilk olarak birden fazlaba ms z de kenin aras ndaki ili kileri bir matematiksel
itlik ile aç klanmas sa layan çoklu lineer regresyonanalizi gerçekle tirilmi tir. Çoklu do rusal regresyonmodeli ile tahmin yakla E itlik 1’de verilen genelregresyon denklemi kullan larak uygulanm r.
y= bo+b1X1+…..+ bnXn+ (1)
Model denklemlerde,Y= Ba ml de keniXi=Ba ms z de kenleribi= Hesaplanan katsay parametreleri
= Hata terimini ifade etmektedir.Çoklu regresyon analizi ile model denklemiolu turulmas n yan s ra di er bir tahmin yöntemi olarak
ekil 1’de görüldü ü gibi 2 girdi ve 1 ç kt bulan k modelolu turulmu tur. Olu turulan modelde, dald rma vibratörükullan larak 0, 5, 10, 15 ve 20 sn vibrasyon uygulanm vebirim a rl k de erleri tayin edilmi olan farkl dayan masahip beton numunelere ait de erler referans olarakkullan lm r.
ekil 1. Bulan k mant k modelinin genel yap
Modelde vibrasyon süresi girdisi için 5, birim a rl k girdisiiçin 6 ve bas nç dayan ç kt için ise 12 adet üçgenüyelik fonksiyonu belirlenmi tir. Üyelik fonksiyonlarbelirlendikten sonra ekil 2’de görülen kural taban ndagirdiler ve ç kt aras ndaki ili kilendirme kurallarbelirlenmi tir.
ekil 2. Kurallar n olu turulmas
2113
Suba , S. ve Beycio lu, A..
3. Deneysel Çal ma
Beton numunelerinin haz rlanmas nda 0-4, 4-16 mm elekaç kl na sahip k rmata kalker agregas kullan lm r.Ba lay olarak CEM I 42,5 R çimentosu ile betonlardökülmü tür. Beton kar mlar TS 802 standard na uygunolarak dizayn edilmi tir [14]. Tasar gerçekle tirilen C16betonunun kar m miktarlar Çizelge 1’de verilmi tir.
Çizelge 1. 1m3 Beton kar malzeme miktar
Malzeme rl k(kg)
Yo unluk(kg/dm3)
Hacim(dm3)
Çimento 316 3,05 104Su 167 1 167
Hava ---- ---- 20Agrega 0-4
( %56 ) 1012 2,55 397
Agrega 4-16( %44 ) 833 2,67 312
Vibrasyon süresinin beton bas nç mukavemetine etkisinibelirlemek için haz rlanan taze beton numuneleri 5 – 10 –15 ve 20 sn. süre ile frekans 3000 vuru /dakika olan 50Hz. motorlu vibratör masas nda vibrasyona tabitutulmu tur. Belirlenen her vibrasyon süresi için 5 adet(15x15x15 boyutlar nda küp) deney numunesihaz rlanm r.
Haz rlanan beton numuneleri 28 gün suda kür edildikensonra bas nç dayan ve birim a rl k deneylerine tabitutulmu tur. Bas nç dayan deneyi TS 12390-3 “Beton –Sertle mi Beton Deneyleri, Bölüm 5: DeneyNumunelerinde Bas nç Dayan n Tayini” standard ndabelirtilen esaslara uygun olarak, birim a rl k deneyi ise TS12390-7 “Beton-Sertle mi Beton Deneyleri-Sertle miBetonun Yo unlu unun Tayini” deneyine uygun olarakgerçekle tirilmi tir [15,16].
4. Bulgular ve Tart ma
4.1. Deneysel Bulgular
Farkl sürelerde vibrasyona tabi tutulmu betonnumunelerinin deney sonuçlar na ait aç klay istatistiklerÇizelge 2’de verilmi tir. Ayr ca, ortalama bas nç dayande erlerine ait grafik ekil 3’te ortalama birim a rl kde erlerini gösteren grafik ise ekil 4’te görülmektedir.
Çizelge 2. Deney sonuçlar na ait aç klay istatistikler
Elde edilen veriler ve grafikler incelendi inde 10 sn dendaha fazla vibrasyon uyguland nda numunelerin bas nçdayan de erlerinin dü tü ü görülmektedir. Bu duruma
vibrasyondan dolay betonda meydana gelensegregasyonun neden oldu u dü ünülmektedir.
4.2. Regresyon Analizi Bulgular
Deneysel çal ma sonucunda elde edilen veriler üzerindeçoklu lineer regresyon uygulanm r. Vibrasyon süresi vebirim a rl k de erlerine ba olarak bas nç dayande erlerini tahmin eden Y=a+bX1+cX2 model denklemiolu turulmu tur. Olu turulan model denklemde;
Y= Bas nç dayan (MPa)X1= Vibrasyon süresi (sn)X2= Birim a rl k (gr/cm3)a, b, c = regresyon katsay lar ifade etmektedir.
2114
Suba , S. ve Beycio lu, A..
Çoklu lineer regresyon analizi sonucunda r2=0,90 olan Y=-39,192-0,018X1+23,240X2 model denklemi eldeedilmi tir.
Regresyon analizi sonucunda elde edilen çoklu lineermodelin %10 hata ile bas nç dayan de erlerini tahminetti i tespit edilmi tir. Regresyon model denkleminintahmin etti i bas nç dayan de erleri ile deneysel bas nçdayan de erleri aras ndaki ili kiye ait grafik ekil 5’tegörülmektedir.
252321191715131197531
Numune No
20
18
16
14
12
10
8
Beto
n Ba
snç
Day
an (M
Pa)
Deney SonucuRegresyon Tahmini
ekil 5. Deneysel ve RT ile elde edilen de erlere ait grafik
Regresyon tekni i ile elde edilen veriler ve deneysel olarakbulunan veriler aras ndaki ili ki grafi i ise ekil 6 ‘dagörülmektedir.
18161412108Deneysel Bas nç Dayan (MPa)
20
18
16
14
12
10
8
Reg
resy
on T
ahm
ini D
ayan
m (M
Pa)
r2= 0,90
ekil 6. Deneysel ve RT tahmin verileri aras ndaki ili kigrafi i
4.3. Bulan k Mant k Modeli Bulgular
Kural taban nda uzman görü ü ile belirlenen kurallara göreolu an vibrasyon süresi-birim a rl k-beton bas nçdayan aras ndaki ili ki ekil 7’de görülmektedir.
ekil 7. Olu turulan kurallara göre girdiler ile ç ktaras ndaki ili ki
Modelin e itilmesi i lemlerinden sonra modelin tahminsonuçlar ekil 8’de görülen durula rma ekran ndanal nm r.
ekil 8. Olu turulan bulan k modele ait durula rma ekran
Durula rma ekran ndan modelin tahmin sonuçlaral nd ktan sonra deneysel sonuçlar tahmin etmeyetene ini belirlemek amac yla deney sonuçlar ile modelsonuçlar aras nda ili ki grafi i çizilmi tir ( ekil 9). Bulan kmodelden elde edilen veriler ile deney sonuçlar aras ndaili ki grafi i incelendi inde, olu turulan bulan k mant kmodelinin bas nç dayan de erlerini % 6 oran nda hataile tahmin etti i görülmü tür.
2115
Suba , S. ve Beycio lu, A..
1816141210Deneysel Bas nç Dayan (MPa)
18
16
14
12
10
8
Bula
nk
Mod
el T
ahm
in D
ayan
(MPa
)
r2=0,94
ekil 9. Deneysel ve bulan k model tahmin verileriaras ndaki ili ki grafi i
5. Sonuçlar
Çal mada tasar gerçekle tirilen C16 s taze betonnumuneleri 0, 5, 10, 15 ve 20 sn vibrasyona tabitutulmu tur. Farkl vibrasyon süreleri uygulanm ve farklbirim a rl k de erlerine sahip beton bas nç dayan mlar ntahmini için çoklu lineer regresyon ve bulan k mant kmodelleri olu turulmu tur. Tahmin modellerinden eldeedilen veriler ile gerçek bas nç dayan de erlerikar la rmal olarak de erlendirilmi tir. Yap lande erlendirmeler sonucunda;
10 sn den daha fazla vibrasyon uyguland ndanumunelerin bas nç dayan de erlerinin azald , buazalman n a vibrasyondan dolay betonda meydanagelen segregasyondan kaynakland dü ünülmektedir.
Regresyon analizi sonucunda elde edilen çoklu lineermodelin %10 hata ile bas nç dayan de erlerini tahminetti i, bulan k modelin ise bas nç dayan de erlerini %6oran nda hata ile tahmin etti i belirlenmi tir. Bulan kmodelin regresyon tekni ine göre %4 oran nda daha azhata ile deney sonuçlar tahmin etti i görülmü tür.
Kaynaklar
[1]. Erdo an, T. Y., “Beton”, METU Press, I. Bask ,Ankara, 66-67, 191-198, 652-677, 2003.
[3]. Neville, A. M., “Properties of concrete”, Fourth andFinal Edition, Pearson Prentice Hall, England, 303-306, 391-394, 504-505, 581-585, 605-609, 610-624,2003.
[4]. ACI 309R-96, “Guide for Consolidation of Concrete”,ACI Manual of Concrete Practice, Detroit, 1996.
[5]. ACI 309.1 R-98, “Behavior of Fresh Concrete DuringVibration”, ACI Manual of Concrete Practice, Detroit,1998.
[6]. M. Uyan ve B. Y. Pekmezci, “Tekrarl VibrasyonunBeton Özelliklerine Etkisi”, Beton PrefabrikasyonDergisi, Say 60, ss. 5-8, Ekim 2001.
[7]. Osman im ek, Salih Bekta , Mürsel Erdal,Vibrasyon Süresinin Betonun Bas nç Dayan na VeBirim A rl na Etkisi, Politeknik Dergisi, Cilt: 5 Say : 2S. 185-193, 2002.
[9]. Kemalettin Y lmaz, Hasan Arman, “TekrarlVibrasyonun Beton Kalitesindeki Önemi BetonSempozyumu, 2004.
[10]. TS 1247, Beton Yap m, Döküm ve Bak m Kurallar(Normal Hava Ko ullar nda), Türk StandartlarEnstitüsü, Ankara, 1984.
[11]. Suba , S., Beycio lu, A., “Farkl Tahmin YöntemleriKullan larak K rmata Kalker Agregal Betonlar nBas nç Dayan n Belirlenmesi” e-Journal of NewWorld Sciences Academy , Volume: 3, Number: 4,2008
[12]. Zadeh, L.A., “Fuzzy Sets”, Information and Control,Vol. 8., pp. 338-353, 1965.
[13]. Terzi, S, “Bitüm Miktar n Asfalt Betonu Dayan naEtkisinin Bulan k Mant k Yöntemi le Modellenmesi”, 4.Uluslar aras leri Teknolojiler Sempozyumu, 28-30Eylül, Konya, 2005.
[14]. TS 802, Beton Kar Hesap Esaslar . TürkStandartlar Enstitüsü, Ankara, 1985.
[15]. TS EN 12390-3, Beton – Sertle mi Beton Deneyleri,Bölüm 5: Deney Numunelerinde Bas nç Dayan nTayini, Türk Standartlar Enstitüsü, Ankara, 2003.
[16]. TS 12390-7, “Beton-Sertle mi Beton Deneyleri-Sertle mi Betonun Yo unlu unun Tayini”, TürkStandartlar Enstitüsü, Ankara, 2002.
2116
5. Uluslararas leri Teknolojiler Sempozyumu (IATS’09), 13-15 May s 2009, Karabük, Türkiye
ÖzetKal plar, beton yüzeyinin performans aç ndan büyükönem ta maktad r. Betonarme kal p yüzeylerinin malzemetürü, tasar ve yap m hatalar ndan dolay kal plananbeton yüzeylerinde beton kabu un fiziksel ve mekaniközelliklerini etkileyen yüzey kusurlar n meydana geldi ibilinmektedir. Bu çal mada geçirgen kal p kullan nbeton yüzey kusuruna olan etkisi ara lm r.
Çal mada 70x120 cm boyutlar nda 20 cm kal nl nda üçadet perde duvar kal haz rlanm r. Haz rlanan perdeduvar kal plar n iki tanesinin yüzeyine drenaj kanal vedelikleri aç larak farkl geotekstil astarlarla kaplanm r.Di er plywood yüzeyli kal p ise hiçbir i lem yap lmaks nreferans olarak kullan lm r. Haz rlanan kal plara C25betonu yerle tirilerek vibratör ile s lm r. Kal plarsöküldükten sonra beton yüzeylerinde 6 farkl bölgedehava bo luklar (blow hole) olu umu ölçülmü tür. Ölçümde erleri resim analizi (image analiz) yap larakhesaplanm r.
Sonuç olarak, geçirgen kal p kullan ile beton yüzeykusurlar n çok büyük bir oranda azalt labildi i, geçirgenkal plara dökülen betonlarda astarl kal pta meydanagelenin % 3’ü kadar hava bo lu u olu tu u, di er birifadeyle geçirgen kal p kullan ile hava bo lu umiktar n % 97 oran nda azald görülmü tür.
Anahtar kelimeler: Geçirgen kal p, beton, dayan kl k,yüzey kusuru, hava bo lu u.
Abstact
Formworks are very important for performance of theconcrete surface. It is known that, surface fault which areeffected the physical and mechanical properties on theconcrete surfaces, because of the mistakes originatedfrom formwork material type, design and application. In thisstudy, the effects of use of permeable formwork onconcrete surface faults were investigated.
Three number of the shear wall formworks having 70x120cm dimensions and 20 cm thickness were prepared in thestudy. Drain channels and holes were opened on thesurface of two of the three prepared formworks, and werecovered by using different geotextile undercoat. And theother polywood surfaced formwork which is made anyoperation was selected as reference. C25 concrete werecast in the prepared formworks using vibrator. Blow hole
formation were measured on the 6 different region after thetaking of the formworks. The measurement values werecomputed using image analysis.
As a result, it is seen that, concrete surface faults wereextremely decreased, when using the permeableformworks 3% more blow hole were occurred than theundercoated formwork done, and the other manner withusing permeable formwork the blow hole quantity weredecreased the rate of 97%.
1. GiriBetonarme yap üretim sistemi içerisinde önemli bir yere sahipolan kal p, kendisini ta yabilecek hale gelinceye kadar betonudesteklemek, betona ekil vermek, betonda istenilen yüzeydüzgünlü ünü sa lamak gibi temel fonksiyonlara sahiptir [1,2].Kal p bu temel fonksiyonlar n yan s ra beton yüzeyininperformans aç ndan büyük önem ta maktad r. Kal p vekal p ya lar n seçimi veya uygulanmas ndan kaynaklananhatalardan dolay beton yüzeylerinde birçok kusurunmeydana geldi i bilinmektedir[3-5].
Beton kusurlar , betonarme elemanlar n yüzeyinde ve içmlar nda olabilmektedir. Ço u zaman beton içmlar nda olu an kusurlar n görünü leri beton yüzeyine
de yans maktad r. Beton kusurlar n yüzeyde olu anlarve iç k mlarda olu tu u halde yüzeye yans yanlar dahaçok gündeme getirilmektedir[6,7].
Beton yüzeyinde yer yer farkl görünümlere neden olanyüzey kusurlar ayn yüzeyde fiziksel özellikler bak ndanfarkl yap lar n olu tu unu göstermektedir. Bu olu um,yap n bulundu u ortam artlar ndan kaynaklanan zararltesirlere kar farkl direnç gösteren beton yüzeyalanlar n olu aca anlam ndad r. Dolay ile ileri y llardafarkl zamanlarda, farkl seviyelerde y pranma ve tamir-bak m gereksinimi ortaya ç kacak ve yap n farkl kullan mömrü problemleri ile kar la lacakt r. Bu bak mdan yüzeykusurlar n dereceleri ve beton yüzeyinin fiziksel özelliklerbak ndan üniform olmas önem ta maktad r [8,9].De erlendirme kriteri olarak; beton yüzeyinin görünümü veyüzey fiziksel özelliklerinin etkin oldu u betonarmestrüktürün kullan m ömrü, esas al narak tasar mfaktörlerinin organize edilmesiyle daha fonksiyonel veekonomik sonuçlar elde edilebilecektir. Strüktürel amaçlolman n yan s ra estetik özellik de ta mas beklenen brüt
beton yüzeylerinin tasar nda yüzey kusurlar minimizeedecek; yap , kal p ve beton tasar n bir bütünlükiçerisinde gerçekle tirilmesi gerekli görülmektedir [10].
Kal plar, beton yüzeyinin performans aç ndan büyükönem ta maktad r. Kal p yüzeylerinin yap nda genelolarak; masif kereste (tahta), kontrplak (playwood), metalve plastik malzemelerin kullan lmakta oldu u bilinmektedir.Su emme özelli i olmayan geçirimsiz kal p yüzeyleri, betonyüzeyinde bo luklara neden olmaktad r. Bo luklu betonyüzeyleri zararl aktif maddelerin betona daha kolay nüfuzederek beton dayan kl n azalmas na sebepolmaktad r[9,11,12].
Çal mada öncelikle kal ptan kaynaklanan beton yüzeykusurlar incelenmi ve betonarme kal p yüzeyözelliklerinden kaynaklanan beton yüzey kusurlar nazalt lmas na yönelik alternatif geçirgen kal plartasarlanm r. Tasarlanan geçirgen kal plar n beton yüzeykusuruna olan etkisi ara lm r.
2. Litaratür Taramas
Beton yüzeylerinde olu an bir çok kusur bulunmaktad r.Ancak çal mam zda betonarme kal ndan ve ya kal pya ndan kaynaklanan beton yüzey kusurlar eleal nacakt r. Kal ptan kaynaklanan beton yüzey kusurlar
da belirilmi tir.
2.1. Beton Yüzeyinde Renk ve Görüntü Kusurlar
Betonun yap sal rengi betonu olu turan çimento ve agregagibi iki temel unsurun rengine ba r. Çimento renkleriayn fabrikadan olsa bile geni bir ekilde de ir. Griçimentolar; mavi-gri’ den ye il-gri, gümü i-gri ve sar -gri’ yedo ru bir renk de imine sahiptir. Beyaz ve esmer-haki(tan) çimentolar da üretilmektedir. Agregalar ise çokde ik renk ve büyüklüklerde bulunabilmektedir. Renkbozukluklar (discoloration) genel terim olarak; betonunyap sal renginde de imlerden anla lan kusurlar nanlat için kullan r[13].
Betonun homojen olmamas veya yeterince kar lmamolmas , vibratörün kal ba çok yak n tutulmas yla betonyüzeyinde kayma n olu mamas , vibratörü dald rmanoktalar n iyi seçilmemesi, üniform olmayan kal pabsorbsiyonu ve/veya kal p ay lar kullan renkbozukluklar na neden olabilmektedir [14-16].
a) Ya renk bozukluklar (oil discoloration); Betonyüzeyinde sadece krem veya kahverengi renk de imieklinde gerçekle en renk bozukluklar r ( ekil1).Ço u
zaman farkl kal p ya lar n kullan veya ayn tür kal pya lar n farkl yo unlukta kullan n sonucu olarakortaya ç kmaktad r[17].
b) Hidrotasyon renk bozukuklar (hydration discoloration);Yüzey yap nda renk farkl klar , genelde aç k renktenkoyu renge do ru bir geçi , nadiren bir s r çerçeve çizgisiile ayr lan bir görüntü olarak ortaya ç kmaktad r.Hidrotasyon renk bozukluklar olu tu u artlar iki anagruba ayr r. Betonun içeri indeki toplam su de imibeton kütlesinin renginde e it oranda renk de imisonucunu do uraca bazen kabul edilirken, betonunyerle tirilmesi sürecinde nem hareketlerinin çimentokar rengini koyula rma e ilimi gösterece i ortaya
kar. Ayr ca kal p yüzeylerinin farkl miktarlarda suemmesi farkl renk bozukluklar n olu mas na nedenolur[13,17].
ekil 1. Kal p ya n yanl kullan ndan kaynaklananyüzey kuduru.
c) Tozlanma (dusting); Sertle mi beton yüzeyindemalzemenin tozlanmas , beton yüzeyinde tozlanma;dayan kl zay f ve aç k renkli kolayca tozlanabilen betonyüzeyleri için kullan lan bir ifadedir. Genel olarak betonyüzeyinde gecikmelere neden olan faktörler, tozlanman nnedeni olarak görülebilir ( ekil 2). Örne in, yüzeydehidratasyonu geciktiren veya engelleyen a uygulanmkal p ya , yetersiz kür i lemleri gibi uygulamayetersizlikleri tozlanman n nedenleri aras ndagörülmektedir[17].
ekil 2. Beton yüzeyinde meydana gelen tozlanma
c) Kuruma renk bozukluklar (drying discolorations); Kal pal nmas ndan sonra yüzey renk tonunda olu an renkde iklikleri olarak görülür ( ekil 3). Kal p al nmas ndansonra beton yüzeyinin kurumas ile ortaya ç kan bu renkfarkl klar n pek çok nedeni olmakla beraber en önemliolan olarak kür i lemi farkl klar gösterilebilir[13].
2118
Suba , S..
ekil 3. Beton yüzeyindeki kuruma renk bozukluklar
d) Yüzeyde Hava Bo lu u (blow holes); Beton yüzeyinde,15 mm’ yi geçmeyen düzenli veya düzensiz küçükbo luklard r. Beton yüzeyinde hava bo luklar n olu umuile ilgili olarak de ik zamanlarda çok say da görüaç klanm r. Bu görü ler, beton içerisinde hava ve suküreciklerinin nas l olu tu unu aç klanmas nda dayard mc olmaktad rlar. ki ayr tip hava bo lu undanolu tu u görülmektedir. Birincisi ve en yayg n tip; hemenyüzeyin alt nda gömülü olarak kal p yüzeyi ile kontakhalinde yumurta eklinde (ovoid) olan hava kabarc klar r.kinci tip; agregalar n aras nda düzensiz bir ekle sahip
olan hava kabarc klar r ( ekil 4). Beton yüzeyinde havabo luklar n olu mas nda, kal p yüzeyinin geçirimsizli i,uygun olmayan kal p ya seçimi, çok fazla kal p yakullan , yetersiz vibrasyon, önemli faktörler olarakgörülmektedir [18].
ekil 4. Beton yüzeyinde olu an haza bo lu u
e) Kal p zleri yans mas (Form ofset); Kal p birle imyerlerinin beton yüzeyine yans mas r ( ekil 5). Kal nba lanmas nda yeterli rijitli in sa lanamamas , betondöküm yüksekli inin fazla olmas , çok güçlü vibratörkullan lmas , kal p izleri yans mas na neden olan faktörlerolarak bilinmektedir[18].
ekil 5. Kal p izlerinin beton yüzeyine yans mas
f) K lcal çatlak a (crazing); A parlak cams betonyüzeylerinde, betonun ileri ya lar nda ince yap çatlak aolu mas r ( ekil 6). K lcal çatlak a n, çok parlak,cams kal p yüzeyi kullan , kar n fazla miktardaçimento ve ince malzeme içermesi, betonun yüksek suiçeri i, gibi faktörlerden kaynakland bilinmektedir [19].
ekil 6. Beton yüzeyinde olu an k lcal çatlak a .
g) Soyulma (peeling); Çok ince bir tabakan n betonyüzeyinden koparak ayr lmas ve bu tabakan n aderansyitirerek beton yüzeyinden dü mesidir ( ekil 7). Betonyüzeyinden olan bu kopma uygun olmayan kal p yüzeyi,yanl kal p ya seçimi, a kusma gibi faktörlerdenkaynaklanabilir[20,21].
h) Kal p yüzeyi kopmas (form scabbing); Kal p yüzeykaplamas n beton yüzeyine yap arak kopmas r(Resim 4.21). Kal p yüzeyinin betona yap mas ndandolay kopmas r ( ekil 8). Kal p yüzey malzemesiözellikleri, kal p ya özellikleri, beton kar m özellikleri,yerle tirme teknikleri, kür artlar gibi faktörlerdenkaynakland bilinmektedir[17].
2119
Suba , S..
ekil 7. Beton yüzeyinde meydana gelen soyulma
ekil 8. Kal p yüzey astar n beton yüzeyine yap araktabakalar halinde kopmas ndan bir görüntü.
2.2. Geçirgen Kal p Kullan
Betonarme yap l elemanlar nda beton dayan kl , küruygulamalar n de iminden büyük ölçüde etkilenir. Kür
lemi, beton yüzeyini nemli tutmak veya rutubet kaybönlemek için uygulanan de ik metodlarlagerçekle tirilebilir. Di er taraftan kür i lemleri zamankaybettirici ve masrafl olabilmektedir. Bu nedenle betondayan kl art rmaya yönelik alternatif metodlar nara lmas çal malar devam etmektedir. Son y llardaüzerinde ara rmalar yap lan yönlerden birisi kal pyüzeylerinin geçirgen ve astarl yap lmas r. Drenajlastarl kal p yüzeylerinin kullan n temel amac , fazlakar m suyunun ve hava kabarc klar n beton yüzeyindendrene edilmesini sa lamakt r [22-24]. Bunun yan s ra birmiktar kar m suyunu bünyesine alan kal p astar betonu küretmek gibi önemli bir görevi de yerine getirmektedir.
Donat kaplayan beton kabuk özelliklerinde iyile melerlebetonarme eleman dayan kl nda etkin geli mesa lanmas n geçmi te dü ünülmedi i görülmektedir.Ancak, son y llarda yap lan çal malar beton kabu uözelliklerinin betonarme kal plar n kontrol edilebilirmiktarda su geçirmesi ile gerçekle tirilebilece ini
göstermektedir. Bu amaca yönelik kal p yüzeylerinin,çimento partiküllerini geçirmeyen, fakat hava ve suyugeçirecek ekilde özel olarak tasarlanm olmasgerekmektedir [25,26]. ekil 9’da kal p yüzeylerinde kullan lanastar n lif yap na ait optik mikroskop görüntüsü görülmektedir.
Kal p yüzeyleri, beton suyunu emici astarlar ile kaplanmassonucunda geleneksel kal p yüzeyleri korunarak kullan madedi art lmaktad r. Di er taraftan yüzeye kaplanan astarsuyun kal p yüzey elemanlar na aç lan deliklerinden direneedilerek d ar at lmas na ve dolay ile beton yüzeyindesu/çimento oran dü ük bir beton kabu un olu mas naneden olmaktad r ( ekil 10) [27].
ekil 9. Kal p yüzeylerinde kullan lan astar n lif yap
ekil 10. Geçirgen kal p kullan ile beton yüzeyinde W/Coran nda dü ün sa lanmas
Kal p yüzeylerinde kullan lan astarlar yard ile geçirgenbir kal p yüzeyi elde edilmekte, böylece beton içerisindekidazla kar m suyu ve hava kabarc klar betonbünyesinden uzakla lmaktad r [27]. ekil 11’de astar ilekaplanm geçirgen kal p içerisine beton dökümündensonra drene etti i su görülmektedir. Drene edilen suyunberrakl na bak ld nda su ile beraber çimentonunbetondan uzakla mad tam tersine beton kabu undafiltrelenerek tutuldu u görülmektedir.
2120
Suba , S..
ekil 11. Geçirgen kal plardan drene edilen kar m suyu.
Geçirgen kal p yüzeyleri beton kar ndaki fazla suyunbir k sm drene ederken bir k sm da bünyesindetutmaktad r. Astar bünyesinde tutulan su, özellikle betonsertle tikten sonra nemli bir ortam n olu mas ve betonkabu unun kürüne destek olmaktad r. Bu durum betonyüzeyinde kür ko ullar ndan dolay olu abilecekkusurlar nda önüne geçmektedir.
3. Materyal ve Metod3.1. MateryalKal p örneklerinin üretiminde, kal p yüzey malzemesiolarak plywood kullan lm r. Kal p yüzey astar olarak,Zemdrain MD Tip-III (GEO-I) kal p astar ; %100polypropylene liflerden olu an, l yap rmal , dokumaolmayan (nonwoven), 3 L/m2 suyu drene edebilen, 0,35L/m2 suyu bünyesinde tutabilen, 35 µm’den az ortalamagöz aç kl olan, 20 kPa yük alt nda %10 boy uzamasolan, 4 mm aç kl nda zgara destekli, 0,5-1.10-4 m2/sgeçirimlili e sahip ve SB 20 (GEO-II)geotekstil astar;
rl k 200 gr/m2, çekme dayan 286 N, kopma uzamas% 29, delinme dayan 225 N olan iki farkl tip astarkullan lm r.Kal plar içerisine Çizelge 1'de özellikleri verilen C 25 ak
vaml haz r beton dökülmü tür.
Çizelge 1. Beton kar m özellikleri
Beton s C25Dmax 25 mmW/C oran 0,49Su 181 litreÇimento (CEM I 42,5 R) 370 kg
rma Kum (0-5 mm) 526 kgAgrega (5-15 mm) 468 kgAgrega (15-22 mm) 454 kgTa unu 335 kgSüper Ak kanla 3,7 kgHava içeri i 1,5Çökme 16 cm
3.2. Metodlar3.2.1. Kal p örneklerinin haz rlanmas
70x120x20 cm boyutlar nda, 3 adet perde duvar kalüretilmi tir ( ekil 12). Kal plardan 2 adetinin yüzeyindedrenaj kanal ve delikleri aç larak kal p yüzey astar ilekaplanm r. Drenaj kanallar kal p yüzeyinin iç k sm nda
100 mm aral klarla 4 mm geni lik ve 4 mm derinlikte yatayve dü ey kanallardan olu maktad r. Di er taraftan, drenajkanallar n birle im noktas nda 4 mm çap nda drenajdelikleri aç lm r. Bu ekilde drenaj kanal ve deliklerihaz rlanan kal p yüzeylerine Zemrain-MD (GEO-I) ve SB20 (GEO-II) geotekstilleri kal p yüzey astar olarakuygulanm r. Geriye kalan bir adet plywood kal pyüzeyinde i lem yapmaks n referans olarak kullan lm r.Kal p örneklerine ait bilgiler Çizelge 2'de verilmi tir.
ekil 12. Tasar yap lan perde duvar kal na aitperspektif görünü ü
Çizelge 2. Kal p kodlar ve yüzey özellikleri
Kal pkodu
Kal pyüzeymalzemesi
Yüzeylemi
Yüzeyastar
Kal pyüzeydokusu
K0 Plywood - -
K1 Plywood Drenajl Zemdrain
K2 Plywood Drenajl SB20
3.2.2. Beton dökümü
Beton dökümü öncesinde yüzeylerine astar kaplanmayanK1 kal konsantre kal p ya ile ya lanm r. Transmikser ile getirilen C25 haz r beton, kal plara iki tabakahalinde dökülmü tür. Her tabaka üç noktadan iç pokervibratör kullanarak s lm r. Betonun kürü sulanmaksuretiyle yap lm r.
3.2.3.Yüzeyde hava bo lu u miktar tayini deneyi
28 günlük kür i leminden sonra beton blok yüzeyinde 6bölgede 200x200 mm’lik alanda uygulanm r ( ekil 13).
2121
Suba , S..
Beton yüzeyinde bulunan hava bo luklar effaf ka tlarüzerine kopya edilmi tir [5]. Kopya edilen effaf ka tlartaray yard ile taranarak dijitalle tirilmi tir. Corel PhotoPaint program kullan larak “Raster Image Analizi”yap lm r. Analiz sonucunda beton yüzeyindeki bo lukmiktar % olarak hesaplanm ve istatistikide erlendirmeler bu veriler üzerinden gerçekle tirilmi tir.
65
3 4
2120x20cm
120
cm
70 cm
ekil 13 . Beton blok yüzeyinde hava bo lu u ölçümbölgeleri
Analiz sonuçunda elde edilen yüzeyde hava bo luk miktarde erleri tek faktörlü tekrarlanan ölçümlü varyans analizitekni i ile de erlendirilmi tir. Gerçekle tirilen tek faktörlütekrarlanan ölçümlü varyans analizinde kal p faktörünün üçseviyesi (K0, K1, K2) bulunmaktad r [28].
4. Bulgular ve Tart maGeçirgen ve geçirgen olmayan betonarme kal plar nadökülen beton bloklar n yüzey görünümlerine ait örnekler
ekil 14’te görülmektedir. ekilde K0 ve K1 kal plar nadökülen beton yüzeylerinin foto raf verilmi tir. Yüzeydehava bo lu u mikar ölçmek için beton yüzeyinden effafka tlara kopya edilen hava bo luk miktarlar na ait birerörnek ekil 15’te görülmektedir. Deney sonuçlar na aitaç klay istatistikler Çizelge 3’te verilmi tir.
Kal p faktörünün üç seviyesinde (K0, K1, K2)gerçekle tirilen tekrarlanan ölçümlü varyans analizisonucunda kal p faktörünün yüzeyde hava bo lu u miktarde erleri üzerinde istatistik olarak önemli bir etkiye sahipoldu u görülmü tür (P<0,01) (Çizelge 4). Di er bir ifadeyleyüzeyde hava bo lu u miktar n kal p farkl na baolarak de mekte oldu u görülmü tür. Ortalamalararas ndaki fark n belirlenmesinde çoklu kar la rmatestlerinden Bonferroni testi kullan lm r (Çizelge 5).Ayr ca ortalama yüzeyde hava bo lu u miktar de erlerineait grafik ekil 16’da görülmektedir.
ekil 14. K0 ve K1 kal plar na dökülen beton yüzeygörüntüsü
ekil 15. effaf ka tlara kopya edilmi olan yüzeydeki hava bo luklar
ekil 14 ve 15’te geçirgen kal p astar ile kaplanmamolan K0 referans kal na dökülen beton yüzeyinde olu an
hava bo lu u (blow hole) miktar n geçirgen kal plara
dökülen betonlara göre çok daha fazla oldu ugörülmektedir.
K1 K2K0
1 cmK1 K0
2122
Suba , S..
Çizelge 3. Yüzeyde hava bo lu u miktar verilerine ait aç klay istatistikler
Kal p kodu N
OrtalamaHava Bo lu u
(%) Std. Hata Minumum Maksimum
K0 6 2,71 0,5056 1,49 4,59
K1 6 0,10 0,0198 0,03 0,16
K2 6 0,47 0,1408 0,16 0,97
Çizelge 4. Yüzeyde hava bo lu u miktar verilerine ait varyans çözümleme tablosu
Varyans nKayna
SerbestlikDerecesi
KarelerToplam
KarelerOrtalamas F-testi
Anlaml kdüzeyi
(p)Genel 17 32,218 ~ ~ ~
Gruplar Aras 5 2,394 0,479 ~ ~Gruplar çi 12 29,824 ~ ~ ~
Kal p koduekil 16. Ortalama yüzeyde hava bo lu u miktar
de elerine ait ait çubuk grafi i
Gerçekle tirilen Bonferroni çoklu kar la rma testisonuçlar na göre yüzeyde hava bo lu u miktar de erleribak ndan;
Kal plar aras nda istatistik olarak önemli bir fark oldu u, Astarl K1 ve K2 kal plar n birbirinden farks z,astars z K0 kal ndan farkl oldu u,
Astarl K1 kal n %0,10 ile en küçük yüzeyde havabo lu u de erine sahip oldu u,
Astars z K0 referans kal n ise %2,71 ile en büyükyüzeyde hava bo lu u de erine sahip oldu u,
Astars z K0 kal n astarl K1 kal na göre 27 katdaha büyük yüzeyde hava bo lu una sahip oldu u,
Di er bir ifadeyle, astarl K1 kal nda gözlenenyüzeyde hava bo lu u miktar n astars z K0kal ndakinin %3’ü kadar oldu u görülmü tür.
5. Sonuçlar
Çal mada geçirgen kal p kullan n beton yüzeykusurlar na olan etkisini ara rabilmek için 70x120 cmboyutlar nda 20 cm kal nl nda üç adet perde duvar kalhaz rlanm r. Haz rlanan perde duvar kal plar n ikitanesinin yüzeyine drenaj kanal ve delikleri aç larak farklgeotekstil astarlarla kaplanm r. Di er plywood yüzeylikal p ise hiçbir i lem yap lmaks n referans olarakkullan lm r. Haz rlanan kal plara C25 betonuyerle tirilerek vibratör ile s lm r. Kal plarsöküldükten sonra beton yüzeylerinde 6 farkl bölgedehava bo lu u (blow hole) miktar ölçülmü tür. Ölçümde erleri resim analizi yap larak hesaplanm veistatistiksel olarak de erlendirilmi tir. Ayr ca betonyüzeylerinde olu abilecek di er yüzey kusurlargözlenmi tir. Yap lan de erlendirmeler sonucunda;
Geçirgen olmayan plywood yüzeyli kal ba dökülen betondayakla k olarak toplam yüzey alan n %2,71 oran ndayüzeyde hava bo lu u (blow hole) oldu u, çok az miktardakal p yüzeyine sürülen kal p ya ndan dolay y renkbozukluklar (oil discoloration), beton dökümünü takiben üçay sonra yap lan gözlemlerde ise az miktarda k lcal çatlak
n (crazing) olu tu u belirlenmi tir.
Geçirgen K1 ve K2 kal plar na dökülen betonlarda yakla kolarak toplam yüzey alan n s ras yla %0,10 ve %0,47oran nda yüzeyde hava bo lu u (blow hole) oldu u,geçirgen kal plar aras nda en az yüzeyde hava bo lu ude erine Zemdrain kal p astar ile kaplanan kal ptameydana geldi i, geçirgen olmayan K0 kal n geçirgenK1 kal na göre 27 kat daha büyük yüzeyde havabo lu una sahip oldu u, di er bir ifadeyle, geçirgen K1kal nda gözlenen yüzeyde hava bo lu u miktar n
2123
Suba , S..
geçirgen olmayan K0 kal ndakinin %3’ü kadar oldu ugörülmü tür.
Bununla beraber geçirgen kal plara dökülen betonlardaSB-20 astarl kal ba dökülen beton ile astar aras nda birmiktar yap ma meydana gelmi tir. Bunun haricindegeçirgen astarl kal plara dökülen betonlarda hidrotasyonrenk bozukuklar (hydration discoloration), tozlanma(dusting), kuruma renk bozukluklar (drying discolorations),kal p izleri yans mas (Form ofset);k lcal çatlak a(crazing); soyulma (peeling);kal p yüzeyi kopmas (formscabbing); gibi beton yüzey kusurlar görülmemi tir.
Sonuç olarak, geçirgen astarl kal p kullan ile betonyüzeylerinde olu abilecek birçok yüzey kusurunun ciddioranda azalt labilece i ve böylece betonun çevreselfaktörlerden daha az etkilenerek servis ömrününartt labilece i görülmü tür.
Kaynaklar
[1]. Arslan, M., The Effects of Permeable Formworks withSucker Liners on The Physical Properties of ConcreteSurfaces, Construction and Building Materials, vol:15, p. 149- 156, 2001.
[2]. Arslan, M., “Betonarme (Brüt Betonlu) YapTasar nda Dikkate Al nmas Gereken Beton YüzeyKusurlar ” G.Ü., Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi, Cilt:9,No:3, Ankara, 1996.
[3]. Arslan M., Su Emici Astarl ve Drenaj Özelli i BulunanKal plar n Beton Yüzey özellikleri Üzerine Etkileri,TÜB TAK Türk Mühendislik ve Çevre Bilimleri Dergisi,Cilt: 23, Say : 2, ANKARA, 1999.
[4]. Arslan M., M, Su Emici Astarl - Drenajl Dü ey Kal pYüzeylerinin Beton Kabu u Fiziksel Özellikleri veDonat Korozyonu Üzerine Etkileri, TMMOB Müh.Odas , Teknik Dergi, Cilt: 10, Say : 2, ANKARA,1999.
[5]. Marosszeky, M., Chew, M., Arioka, M., and Peck, P.,“Textile form method to improve concrete durability,”Concrete International, 15(11): 37-41, 1993.
[6]. Stok, Y. et al. "Effects of Mix Proportions and CuringConditions on Properties of Concrete Surface Layers"Proc. Cement Association of Japan, No: 43, Pp:358-363, 1989.
[7]. Long, A., Sháat, A., and Basheer, P. , “The influenceof controlled permeability formwork on the durabilityand transport properties of near surface concrete.”Advances in concrete technology, Special Publication154. V. Malhotra, ed., American Concrete Institute,41-54, 1995.
[8]. ACI Committee 347, Recommended Practice ForConcrete Formwork, (ACI 347-78), Manual ofConcrete Practice Part. 2, American ConcreteInstitute, Detroit, 2000.
[9]. Hurd, P. M., Formwork. Construction Press, P: 136,London, 1983.
[10]. Suba , S., “Farkl Yüzey Astarlar le KaplanmDrenaj Özelli i Bulunan Kal plar n Betonun BazFiziksel Özellikleri Üzerine Etkileri, Doktora Tezi, GaziÜnv.,Fen Bilimleri Enst., Ankara, 2005.
[11]. Awad S. Hana, “Concrete formwork systems”, MarcelDekker Inc., 1999.
[12]. Suba ,S., Kal p Yüzey Fakl klar n Betonun BazFiziksel Özelliklerine Etkileri, Y.Lisans Tezi, GaziÜnv.,Fen Bilimleri Enst., Ankara, 2001.
[13]. Arslan, M., “Beton (Dökümü, Kal plar , Kusurlar ,Dayan kl )”,Atlas Yay nlar , ISBN: 97-6574-02-X,stanbul, A ustos, 2001.
[14]. Suba , S., Arslan, M., “Kal p Yüzey ÖzelliklerininBetonun Karbonatla mas Üzerine Etkileri”, GaziÜniversitesi Mühendislik-Mimarl k Fakültesi DergisiCilt 23, No 4, 913-921, 2008.
[15]. M. J. McCarthy, A. Giannakou and M. R. Jones,“Comparative performance of chloride attenuatingand corrosion inhibiting systems for reinforcedconcrete”, Materials and Structures' / Mat6riaux etConstructions, Vol. 37, pp 671-679, 2004.
[16]. Reading, T., J. "Deleterious Effect of Wood Forms onConcrete Surface" Concrete International, Vol: 7,App.-62, Nov, 1985.
[17]. ACI Committee 397 2R -82, Identification and Controlof Consolidation Releated Surface Defects in FormedConcrete.
[18]. ACI Committee 309, Recommended Practice forConsolidation of Concrete, American ConcreteInstitute, Detroit, 1974.
[19]. ACI Committee 303, Guide To Cast-in-PlaceArchitectural Concrete Practice, (ACI 303 R-74),American Concrete Institute, Detroit, 1974.
[20]. ACI Committee 309, Recommended Practice forConsolidation of Concrete, Manual of ConcretePractice Part. 2, American Concrete Institute, Detroit,2000.
[21]. ACI Committee 201 1R –97, Guide For Making aCondition Survey of Concrete in Service, AmericanConcrete Institue, 1992.
[22]. L. Basheer, S. V. Nanukuttan, P. A. M. Basheer, “Theinfluence of reusing ‘Formtex’ controlled permeabilityformwork on strength and durability of concrete”,Materials and Structures, 41:1363–1375, 2008.
[23]. Arslan, M., Suba ,S., Durmu , G., “Kal pYüzeylerinin Beton Kabu unun Kapileritesi ve DonaDayan kl Üzerine Etkileri”, Haz r Beton Dergisi,
l:9, Say :50, ISSN:1300-8390 Nisan, 2002.[24]. Malone, P.G., Use of Permeable Formwork in Placing
and Curing Concrete, tecnical report SL-99-12, USArmy Corps of Engineers, Washington, 1999.
[25]. J. Sousa Coutinho, “The combined benefits of CPFand RHA in improving the durability of concretestructures”, Cement & Concrete Composites 25, 51–59, 2003.
[26]. Evaluation of the effects of Formtex CPF on thesuraface properties of concrete, Taywoodengineering Ltd. Technology Division, 104/98/10115,1998.
[27]. Zemdrain®- Controlled Permeability Formwork (CPF)liners for high quality durable concrete surfaces, MaxFrank GmbH & Co. KG, Accessories for thereinforced concrete construction Mitterweg 1 · D-94339 Leiblfing, http://www.maxfrank.de.
[28]. Gürbüz, F., Ba nar, E. ve ark., “Tekrarlananölçümlü deneme düzenlerinin analizi”, Van Yüzüncü
F KATKILI BETONLARIN A INMA D RENC ÜZER NDEK ETK LER
THE EFFECTS OF THE CONCRETE MIXED FIBROUS MATERIAL ONTHE WEARING STRENGTH
Ömer CAN a*, Gökhan DURMU a, Serkan SUBA Ib, Kür at YILDIZa, Metin ARSLANa
a,*Gazi Üniversitesi Teknik E itim Yap E itimi Bölümü, Ankara, Türkiye,b Düzce Üniversitesi, Teknik E itim Fakültesi, Yap E itimi Bölümü, Konuralp, Düzce. Türkiye,
Bu çal mada a nmaya maruz kalan beton yolkaplamalar nda kullan lan betonlara çelik ve polipropilen lifkat larak normal betonlara göre a nma dirençlerinin tespitihedeflenmi tir. Çal mada 100*200*20 cm ebatlar ndahaz rlanm kal plara dökülmek üzere referans, çelik vepolipropilen lifli olmak üzere üç tip beton haz rlanm r.Beton bloklar üzerinden al nan 10*20 cm boyutlar ndakarot numuneleri üzerinde ASTM C 944-99’a göre a nmadayan deneyi gerçekle tirilmi tir. Sonuçta olarak, enfazla a nma drencini s rayla çelik lifli, polipropilen lifli ve lifkatk z referans betonda oldu u görülmü tür.
Anahtar kelimeler: Çelik lif, Polipropilen lif, A nmaDayan
Abstract
In this study, the main goal is to determine the abrasionwearing strength of the concrete, which is used in concreteroad covering exposed to wearing, by mixing steel fiberand polypropylene fiber comparing to the normalconcretes. Three types of samples were prepared withsteel fiber mixed polypropylene and reference, with for theformwork dimensions of 100*200*20 cm. The wearingstrength tests were carried out according to the ASTM C-944-99 on the samples taken from the concrete blocks withdimensions of 10*20cm. In the end, maximum abrasionwearing strength was observed in the steel fiber andpolypropylene fiber and reference concretes.
lk ça lardan beri k lgan yap malzemelerinin takviyesindeliflerin kullan lmas prati ide göz önüne al narak betondada saman, polipropilen lif, yonga lif, plastik-cam bazl lif veçelik lifler kullan lmaya ba lanm r. Geleneksel beton tipikolarak; yorulma dayan , kavitasyon ve a nma dayan ,çekme dayan , deformasyon kapasitesi, kaymadayan , çatlama sonras yük ta ma dayan ve toklukaç ndan zay f performans gösterir. Betonun buözelliklerinin belirgin olarak gerekti i yerlerde betoniçerisine de ik malzemelerden üretilmi ve tekniközellikleri yüksek liflerin kat lmas sonucu betonunyukar daki zay f özellikleri iyile tirilerek beton gibimalzemelere olan ilginin artmas na neden olmu tur [1-9].Bu tür malzemelerin kullan m alanlar günümüzde oldukçayayg nla ve kompozitlerin özeliklerini geli tirmek ad naönemli ad mlar at lm r [10-11]. Çelik lifler betonun çekmedayan önemli ölçüde art rmaktad r. Çekme dayan n
yan s ra di er özelliklerinde bir düzelme söz konusuolmaktad r [12].
Polipropilen lifler, korozyondan etkilenmeyen, tuz vealkalilere dayan kl malzemelerdir. Betondaki iç gerilmeleriazaltarak mikro çatlaklar engellemekte ve gerilmeleri çelikhas rda % 72’ye kadar dü ürmektedir [13]. Ayr capolipropilen, cam ve çelik lifli betonlar n dayan kl klarara lm r. Deneyler ASTM C 666 standard ndanhavada h zl donma-çözülme ko ullar dikkate al narakyap lm r. Donma deneyi uygulanm numuneler üzerinde
rl k kayb , ultrases geçi h ve dayan kl k faktörüde erleri belirlenmi tir. Sonuçta, betonda kullan lan liftipine göre de erler aras nda önemli farkl klar oldu unugöstermi tir [14].
Do al mineral katk lardan uçucu külün, çelik vepolipropilen lif katk betonlar üzerindeki etkisi incelenmi ,sonuçta lif eklenmesi beton için daha iyi performanssa lad , kar mdaki uçucu kül i lenebilirli i ayarlad veliflerin sebep oldu u güç kay plar n görüldü übelirtilmi tir [15]. Ayr ca çok yüksek silis içeri ine vegenellikle cams , düzgün yüzeyli küresel tanecikler içerensilis duman , polipropilen lif katk taze beton karözellikleri, boy de imi, h zl klorid geçirimlili i, bas nçdayan , e ilme dayan ve sertle mi betonunadrerans ve mekanik özellikleri incelenmi tir. Silis dumanmiktar % 5 ve % 10, hacimsel lif oranlar ise % 0.10, %0.30, ve % 0.50 olarak belirlenmi tir. Sonuçta % 0.30 liforanl % 0.5 silis duman içeren kar m i lenebilirlikaç ndan tamir uygulamalar , aderans, dayan m, boyde imi ve geçirimlilik aç ndan en uygun kar mtasar oldu unu belirtmi tir [16].
Kendili inden yerle en beton üzerine yap lm birçal mada beton içerisine çelik lif ve polipropilen lifkullan n beton i lenebilirli ine ve bas nç dayan naetkisi incelenmi tir. Beton kar m içerisine çelik lif,polipropilen lif ve çelik+polipropilen lif kat larak üç çe itkatk kar mlar elde edilmi tir. Kar mda süperak kanla n yan nda uçucu kül ve ta unu dakullan lm r. Sonuçta çelik lif ve polipropilen lifin V-hunisiakma süresini artt rd , yay lma çap nda azalmaya nedenoldu u di er bir ifadeyle beton i lenebilirli ini azalttgörülmü tür. Bas nç dayan mlar n ise polipropilen katkbetonda % 20, çelik lif katk betonda % 32,çelik+polipropilen katk betonda ise %56 oran nda arttbelirlenmi tir [17].
Pomza agregas kullan larak üretilen çelik lif katkbetonunun mekanik özellikleri incelenmi tir. Çelik fiberoran n betonun mekanik özellikleri üzerinde ki etkisinibelirlemek için do al agrega n n yerine % 25, % 50, % 75ve % 100 pomza oranlar kullan lm ve do al agregan nhacimce %0,5. %1, ve %1,5 oran n da çelik fiber
Can, Ö., Durmu , G.,Suba , S., Y ld z, K. ve Arslan, M.,
kullan lm r. Sonuçta pomza agrega oran n artt lmasbetonun mekanik özelliklerini ve birim a rldü ürmü tür. Çelik lif oran n artt lmas yla betonun birim
rl k, bas nç dayan , çekme dayan ve e ilmedayan s ras yla % 8.5, % 21.1, % 61.2, % 120.2 kadarart lar gözlemlenmi tir [18].
Beton içerisine kat n liflerin boyutu, lif miktar ve uçucu külmiktar üzerine mekanik özellikleri incelenmi tir. Sonuçta,küçük boyutlu lif eklenmesinin bas nç dayan üzerindeönemli bir etkisinin oldu u, fakat gerilme dayan na çokaz etkisi oldu u görülmü tür [19]
Bu çal mada a nmaya maruz kalan beton yolkaplamalar nda kullan labilecek çelik ve polipropilen liflibetonlar n nma dayan mlar n ara lmasamaçlanm r.
2. Malzeme ve Yöntem
2.1. Malzeme
Ara rmada haz r beton tesisinden temin edilen C30 katvaml haz r beton kullan lm r. Referans beton, çelik lifli
beton ve polipropilen lifli beton yap nda TS 802 [20],standartlar nda belirtilen kurallara uygun olarak 1x2 mboyutunda 20 cm kal nl nda kal ba yerle tirilmi tir. Çeliklifli katk betonu olu turmak için TS 10514 “Çelik TelleriBetona Kar rma ve Kontrol Kurallar ” [21] ve TS 10513“Beton Takviyesinde Kullan lan Çelik Teller” [22],standard nda belirtilen özelliklere uygun 60 uzunluk/çaporan na sahip çelik teller kullan lm r. Elastisite modülü3500 N/mm2, çekme mukavemeti 400 N/mm2 olanpolipropilen lifleri beton içerisine 900 gr/m3 dozaj ndakullan lm r. 1 m3 beton kar nda kullan lanmalzemelere ait özellikler Çizelge 1’de ve kullan lanbetona ait özellikler Çizelge 2’de verilmi tir.
Çizelge 1. 1 m3 kar mda kullan lan malzemelere aitözellikler
Malzeme Tip Özgül.
(gr/cm³)
rl k(Kg)
Hacim(m³)
AgregaOran(%)
0-4 2.68 920 0.354 48.7
4-16 2.71 400 0.148 21.2
16-22 2.74 570 0.208 30.2
Çimento PÇ42.5
3.09 340 0.144 TeorikBirim
rl kM. Katk U. Kül 2.15 50 0.023
Su Kuyu 1 170 0.170
Çizelge 2. Çal mada kullan lan betonun özellikleriBeton s C30Dmax 22 mmS/Ç oran 0.5Hava içeri i 1.4Çökme 14.9
2.2. Yöntem
Haz rlanan beton bloklar üzerinde ve bu bloklardan al nan10 cm çap nda 20 cm yüksekli inde karot örneklerüzerinde gerçekle tirilmi tir. Beton bloklardan 7. ve 28.günlerde her bir deney için karot örnekler al nm r.
Üretimi yap lan beton bloklar üzerinde; schmidt çekici ileyüzey sertli i tayini, bas nç ve a nma direnci deneylerigerçekle tirilmi tir.
2.2.1. Schmidt çekici ile yüzey sertli i tayini
Beton bloklar üzerinde 7. ve 28. günlerde dü eypozisyonda Schmidt yüzey sertli i okumalar yap lm r.Bütün betonlarda her bir zaman aral için ve beton türünegöre 50 adet yüzey sertli i okumas gerçekle tirilmi tir.(ASTM C805-97) [23].
2.2.2. Bas nç dayan tayini
Beton bloklar üzerinden 7 ve 28 günlerde iki bölgede 3’eradet olmak üzere her beton bloktan 6 adet ve toplamda 54adet karot numune al nm r. Bas nç dayan deneyi,karot numuneler üzerinde TS EN 12390–3 “Sertle mibeton numunelerinde bas nç dayan tayini” standard nauygun olarak gerçekle tirilmi tir [24]. Deneyde, 3000 kNyükleme kapasiteli, dijital kumanda üniteli ve yükleme hayarlanabilen tek eksenli beton bas nç test cihazkullan lm r. ( ekil 1a.)
ekil 1. Deformasyon kontrollü beton bas nç dayandeneyi
2.2.3. A nma tayini
nma dayan 28. gündeki beton bloklardan al nankarot numuneler üzerinde ASTM C 944-99 “Standard testmethot for abrasion resistance of concrete or mortarsurfaces by the rotating-cutter method” standard ndabelirtilen esaslara uygun olarak gerçekle tirilmi tir [27].
Numuneler 197 N’luk kuvvet olu acak ekilde a rl kalt nda 200 devir/dakika h nda dönen a nd lara 6.32sn dakika boyunca maruz b rak lm r ( ekil 2). Deneysonunda numunelerdeki kütlece a rl k kay plar ölçülereksonuçlar “% a rl k kayb ” olarak hesaplanm r.
ekil 2. A nma dayan deney cihaz ve a nd rmaaparat
a b
2126
Can, Ö., Durmu , G.,Suba , S., Y ld z, K. ve Arslan, M.,
3. Deneysel Bulgular ve Tart ma
statistiki olarak yap lan de erlendirmede zamanfaktörünün iki seviyede (7. ve 28. gün), <0,5 anlaml kdüzeyinde olarak gerçekle tirilen tekrarl varyans analizi veortalamalar aras ndaki fark n belirlenmesinde çoklukar la rma yöntemlerinden Duncan testi kullan lm r.
3.1. Schmidt Çekici ile Yüzey Sertli i
Yüzey sertli i deneyi sonuçlar n ortalama de erleri ekil1’de verilmi tir Yüzey sertli i de erlerinde yap lan betontürleri aras ndaki gözlenen farklar n deneyin yap ldzamana ba olarak de ti i görülmü tür. Ayr cagerçekle tirilen Duncan testi sonuçlar na göre Schimidtyüzey sertli i de erleri bak ndan;
7 ve 28. günlerde referans, çelik ve polipropilen liflibeton ölçümlerin birbirinden farkl oldu u,
28. günlerde en yüksek yüzey sertli i s ras yla ÇL, PLve Ref oldu u görülmü tür.
ekil 1. Ortalama schmidt çekici ile yüzey sertli i de erleri
3.2. Bas nç Dayan
Bas nç dayan deneyi sonuçlar n ortalama de erleriekil 2’de verilmi tir. Ref., ÇL ve PL katk betonlar n
bas nç dayan m de erlerinin istatistik olarak fark oldu ugörülmü tür. Zaman faktörü seviyeleri aras ndaki farklarbelirlemek için çoklu kar la rma tekniklerinden Duncantesti sonuçlar na göre,
7 ve 28. günlerde referans, çelik ve polipropilen lifli betonölçümlerin birbirinden farkl oldu u, en yüksek dayan n
ras yla ÇL, PL ve Ref oldu u görülmü tür.
ekil 2. Bas nç dayan na ait ortalama verilerin grafi i
Tekrarlanan ölçümlü varyans analizine göre beton türündezaman faktörünün istatistik olarak farkl ( <0.05) oldu ubulunmu ve aras ndaki farklar belirlemek için çoklu
kar la rma tekniklerinden Duncan uygulanm r.Duncan testi sonuçlar na göre, 28 günde Ref ve PLaras nda fark olmad ÇL’in ise bunlardan farkl oldu ugörülmü tür.
3.3. A nma Dayan m
nma dayan de erlerine ait aç klay istatistikî bilgilerÇizelge 3’de verilmi tir. Analize tabi tutulan verilerinda gösteren çizgi grafik ekil 2’de görülmektedir.
Çizelge 3. A nma dayan na ait istatistiki aç klamalar
BetonTürü
N nmaOrt. Std. Hata
Ref 6 0,344 0,044ÇL 6 0,149 0,011PL 6 0,281 0,030
ekil 3. Ortalama a nma dayan verilerine ait çizgigrafi i
ekil 3’te görüldü ü gibi a nma dayan na göre ennmay s ras yla Ref, PL ve ÇL olarak
gerçekle mektedir. A nma dayan deney sonuçlar nagöre istatistikî olarak önemsiz bulunmu tur ( <0.05)(Çizelge 4).
Çizelge 4. A nma dayan varyans sonuçlar
Ort.Karesi
Serbest.Der.
KarelerOrt
F p
Beton 0,119 2 0,060 10,2 0,00Hata 0,088 15 0,006
Ortalamalar ars ndaki fark n belirlenmesinde çoklukar la rma yöntemlerinden Duncan testi kullan lm r(Çizelge 5).
Çizelge 5. Ortalamalar aras ndaki farkl klar
Betontürü
Farkl olan grup.1 2
CL 0,149PL 0,281
Ref 0,344
Gerçekle tirilen çoklu kar la rma testi sonuçlar na görenma dayan de erleri bak ndan;
2127
Can, Ö., Durmu , G.,Suba , S., Y ld z, K. ve Arslan, M.,
En büyük de ere % 0,34 ile Ref betonunun sahipoldu u,
En küçük de ere ise % 0,15 ile ÇL betonun sahipoldu u,
Ref ve PL istatistiksel olarak ( <0,05) farkl olmad ,ÇL betonun ise bunlardan farkl oldu u bulunmu tur.
4. Sonuçlar
Esnek yol üst yap lar na alternatif olarak dü ünülen rijit üstyap larda kullan lacak olan beton türü bu ba lamda çokbüyük önem arz etmektedir. Rijit yol üst yap lar ndakullan labilirli i ad na yap lm üç farkl (referans beton,çelik ve polipropilen lif katk ) beton türü üzerindegerçekle tirilen dayan m ve dayan kl a yönelik deneyleryap lm r. Buna göre;
Beton türleri üzerinde gerçekle tirilen schimidt çekiciile yüksek yüzey sertli i s ras yla ÇL, PL ve Refoldu u görülmü tür.
Beton türleri üzerindeki gerçekle tirilen bas nçdayan na göre, referans, çelik ve polipropilen liflikatk betonlar n farkl oldu u, en yüksek dayan n
ras yla ÇL, PL ve Ref oldu u görülmü tür. Beton türleri üzerindeki gerçekle tirilen a nma
dayan ma göre, istatistiki olarak PL ve Ref birbirindenfarks z, ancak ÇL bunlardan farkl ve en iyi a nmadayan veren beton türü olarak gerçekle mi tir.
Kaynaklar
[1] Do, M.T., Chaal O. and Aitcin P.C., Fatigue Behavior ofHigh-Performance Concrete, ASCE JM. 1, 96–111,1993.
[2] Gao L., and Hsu C.T.T., Fatigue of Concrete underUniaxial Compression Cyclic Loading, ACI Mater J,Sept.–Oct.. 575–581, 1998).
[3] Hordijk D.A., Wolsink G.M. and Vries J., Fracture andFatigue Behaviour of High Strength LimestoneConcrete as Compared to Gravel Concrete, HERON.40(2):125–146, 1995.
[5] Otter D.E. and Naaman A.E., Properties of Steel FiberReinforced Concrete under Cyclic Loading, ACIMaterial Journal. July-Aug. 254–261, 1988.
[6] Ramakrishnan V., Meyer C., Naaman A., Zhao G. andFang L., Cyclic Behavior, Fatigue Strength, EnduranceLimit and Models for Fatigue Behavior of FRC, Highperformance fiber reinforced cement composites.London: E & FN Spon, 1996.
[7] Su E.C.M. and Hsu T.T.C., Biaxial Compression Fatigueand Discontinuity of Concrete, ACI Material Journal,May–June. 178–188. (1988).
[8] Cachim, P.B., Figueiras, J.A. and Pereira, P.A.A..,Fatigue Behavior of Fiber-Reinforced Concrete inCompression, Cement and Concrete Composites. 24,211–217, 2002.
[9] Singh, S.P. and Kaushik, S.K, Fatigue Strength of SteelFibre Reinforced Concrete in Flexure, Cement andConcrete Composites, 25, 2003.
[10] Ezeldin A.S. and Shiah T.W, Analytical Immediateand Long-Term Deflections of Fiber-ReinforcedConcrete Beams, Journal of Structural Engineering,121, 1995.
[11] Ayd n, A. B. ve Sancak, E., Yap Sektörü - Çevreli kisi Ba lam nda Çimento ve Beton Üretiminin
Çevresel Etkilerinin rdelenmesi (The Evaluation ofCement and Concrete Production within the Contextof Building Sector - Environment Relationship), 4thInternational Advanced Technologies Symposium,Selcuk University, Technical Education Faculty,Konya, 1057-1062, 2005.
[12] Ekinci, C.E., Bordo Kitap: Yap ve Tasar mc naat El Kitab , Üniversite Kitabevi. 1206s. Elaz .
(2005),[13] Türker, T., Betonarmede Olu an ç Gerilimlere Kar
Gerçek Önlem. aat ve Malzeme, 150, 24-25,2000.
[14] Yerlikaya, M, Çelik Tel Donat Yol Betonlar ,www.beksa.com.tr/dramixdocs.tr/celik_tel.pdf
[15] Topçu, ., B., Canbaz, M., Effect of different bres onthe mechanical properties of concrete containing yash, Construction and Building Materials, 21, 7,1486-1491, 2007.
[16] Houssam A. Toutanji, Properties of polypropylenefiber reinforced silica fume expansive-cementconcrete, Construction and Building Materials, 13,171-177, 1999.
[17] Suba , S., Özgan, E., Uzuno lu, M., M., Çullu, M.,Tekin, ., Kendili inden Yerle en Betonlarda Çelik vePolipropilen Lif Kullan n Ak kanl k ParametreleriVe Bas nç Dayan na Etkisi, Uluslararas Haz rBeton Kongresi Bildirileri, 331-344, 19-21 Haziran,stanbul, 2008.
[18] Düzgün, O., A., Gül, R., Ayd n, A., C., (2005), “Effectof steel fibers on the mechanical properties of naturallightweight aggregate concrete” Materials Letters, 59,3357–3363,
[19] Qian, C., X., Stroeven, P., Development of hybridpolypropylene-steel fibre-reinforced concrete,Cement and Concrete Research, 30, 63–69, 2000.
[20] TS 802, , Beton Kar m Hesap Esaslar , TürkStandartlar Enstitüsü, Ankara, 1985.
[21] TS 10514, Çelik Telleri Betona Kar rma ve KontrolKurallar , Türk Standartlar Enstitüsü, Ankara, 1992.
[22] TS 10513, Beton Takviyesinde Kullan lan ÇelikTeller, Türk Standartlar Enstitüsü, Ankara, 1992.
[23] ASTM C805-97, Standard Test Method for ReboundNumber of Hardened Concrete, American SocietyFor Testing And Materials, USA, 1997.
[24] TS EN 12390-3, Beton-Sertle mi Beton Deneyleri-Deney numunelerinde bas nç dayan n tayini,Türk Standartlar Enstitüsü, Ankara, 2002.
[25] TS EN 12390-5, Beton - Sertle mi Beton Deneyleri -Bölüm 5: Deney Numunelerinin E ilme Dayan nTayini, Türk Standartlar Enstitüsü, Ankara, 2002.
[26] TS 3502, Betonda Statik Elastisite Modülü vePoisson Oran Tayini, Türk Standartlar Enstitüsü,Ankara, 1981.
[27] ASTM C944-99, Standard Test Method for AbrasionResistance of Concrete or Mortar Surfaces by theRotating-Cutter Method, American Society ForTesting And Materials, USA, 1999.
THE EFFECT OF THE EPOXY TYPE TO THE ANCHORAGEPERFORMANCE
lhami DEM Ra*, Osman EKb, Hasbi YAPRAKc
a. kkale Üniversitesi Mühendislik Fakültesi aat Mühendisli i Bölümü, K kkale, Türkiye, [email protected]. Gazi Üniversitesi Tek. E t. Fakültesi Yap E itimi Bölümü, 06500 Teknikokullar, Ankara, Türkiye, [email protected]
c. Kastamonu Üniversitesi MYO., Kastamonu, Türkiye, [email protected]
ÖZET
Ülkemizdeki yap lar n birço unda depreme dayan kl kbeklemek zordur. Bu nedenle yap lar n güçlendirilmesininönemi büyüktür.
Mevcut bir yap n depreme kar güçlendirilmesi içinsisteme sonradan eklenen betonarme perdelerin mevcutta sistemle birlikte çal mas sa lamak amac yladonat filizlerinin betona ekilmesinde farkl kimyasalreçineler kullan lmaktad r. Bu amaçla kullan lan reçineleriniçerisinde ankraj epoksileri önemli bir yer tutmaktad r.
Bu çal mada ankraj malzemesi olarak uygulamada yayg nbiçimde kullan lan BÇI s donat seçilmi tir. Donat lar nbetona eklenmesinde reçine bazl iki farkl firman n üretti iepoksi kullan larak numuneler üretilmi tir. Numunelereçekip-ç karma (pull-out) testi uygulanm , ankraj delikçap ve ankraj gömme derinli inin test sonuçlar na etkisiara lm r.
Test sonuçlar n istatistiksel analizi sonucuna göre; delikçap n donat çap na yak nl n s yr lma direnciniart rd görülmü tür. Ankrajlar n gömme derinli inin
yr lma direncine etkisinin olmad saptanm r. Farklfirmalar n üretti i epoksilerin birbirlerinden farkl sonuçlarverdi i gözlenmi tir.
Anahtar kelimeler: Epoksi, Ankraj, Donat , Beton
1.G
Türkiye’de 17 A ustos ve 12 Kas m 1999 depremlerindehasar alan veya depreme dayan kl yeterli olmayanyap lar n onar m ve güçlendirilmesi yöntemleri ile ilgiliçal malar n önemi çok artm r. Betonarme yap lar nonar m ve güçlendirilmesinde büyük önem ta yansorunlardan biri de; yeni betonarme elemanlarla var olaneski betonarme elemanlarla birlikte çal abilir biçimdekayna lmas n sa lanmas r.
Betonarme yap larda, beton ve donat n birlikte çal masiçin betonun donat ya tam olarak yap mas gerekir.Çekme gerilmesi ta yan donat n betondan s yr lmamasiçin beton ile aras nda en üst düzeyde yap ma olmas , birba ka deyi le donat daki çekme kuvvetinin beton veyap ma ile dengelenmesi gerekir. Bu i lem; donat nbetona ba lanmas , ankrajlama olarak tan mlan r. Onar mveya güçlendirme i lemi s ras nda betonarme elemanakonulacak ek donat lar n iyi ankrajlanmas çok önemlidir[1].
Yap lar n güçlendirilmesi s ras nda eklenen yeni bir taeleman n var olan elemanlarla birlikte çal mas içinaralar nda tam bir kuvvet aktarmas olmas gerekir. Örnekolarak çerçeve ortas na konulan perde duvar n çerçeve ile
birlikte çal mas için kolonda aç lan yuvalara donat larankre edilir. Ankraj donat lar perde ile kolonun birlikteçal malar için kesme kuvveti aktar sa lamaklagörevlendirilmi tir[2].
Ta elemanlar n kuvvet aktarma i lemi ankrajlama yada kamalama ile yap lmaktad r. Ankrajlama da donat ,ekseni do rultusunda çekme kuvveti ta r. Kamalama daise betona gömülü donat eksenine dik yönde kesmekuvveti ta lmaktad r [3].
Donat n betona ankrajlanabilmesi için; Ucu genle enözel ankraj bulonu veya epoksi gibi kimyasal yap larkullan lmaktad r. Birinci ankrajlama yönteminde özel ticariadlar alt nda an lan ankraj sistemleri vard r. Bu sistemlerdebetonda aç lan deli e mekanik olarak yerle tirilmi bulonlartak r. Bu bulonlar n derinlik ve özel kesme takozlar gibiözelliklerine ba olarak ta yabilecekleri çekme ve kesmekuvveti vard r. Burada uygulanan çekme kuvveti bulon iledelik aras nda sürtünme ve olu an kesme takozuçevresindeki betonun kesme dayan ile ta nmaktad r[4].
Epoksi reçineleri içine pek çok dolgu maddesi kat r.Bunlar viskoziteyi de tirmek, termik genle me katsaydü ürmek, elektriksel iletkenli i sa lamak, tiksotropikazand rmak, sertli i artt rmak gibi amaçlar ta rlar. Al, Cu,Fe, Ag, çelik, A1203 kolloidal silis, kuvars kumu, alç , mika,asbest, grafit gibi maddeler dolgu malzemesi olarakkullan labilirler [5].
Yap lan tüm parçalarda kopma harç bölgesindeolmu tur. Yani verilen de erler epoksi ile harc n gerçekyap ma dayan n daha da alt ndad r. Epoksiler her nekadar s ca a dayan kl iseler de yang n s ras nda anigöçmeler beklenir. Bu bak mdan plaka beton tekni indesistemin perlit betonu gibi izolen bir madde ile örtülmesizorunludur [6].
Yöntemlerden ikincisi ise epoksi ile ankrajd r. Bu yöntemdeankrajlanan malzemenin çevresine özel sentetikyap lar sürülmektedir. Bu tür sentetik yap lar n100–150°C de yand bilinmektedir. E er yang n tehlikesivarsa deliklerin olmas gerekenden daha derin yap lmasönerilmektedir [ 4].Epoksi reçineleri iki bile enli (komponentli) olarak sat rlar.Bunlardan biri prepolimerdir. kincisi ise sertle tirici olarak
adland lan çok fonksiyonlu bir üründür. Serle tiriciler üçgrupta toplanabilir;
Sertle tirici miktar n mekanik mukavemetler üzerindeönemli etkisi olmaktad r. %50-%60 oran nda sertle tiricimukavemeti tamamen dü ürmekte %25-%30mertebesinde en yüksek dayan m elde edilebilmektedir,daha dü ük yüzdelerde ise mukavemet dü mekle berabersertle mi reçine k lmadan büyük deformasyonyapabilmektedir.
Epoksi reçineleri yap rma özellikleri çok iyi olan sentetikreçinelerdir. Bunlar n çekme gerilmeleri 50–110 kglcm²aras nda de ir. Kopma birim uzamalar %15–50 aras ndaolabilmektedir. Zamanla özelliklerini yitirmezler. Çatla adoldurulmu epoksi yap , çatla n yarattsüreksizlik ortam sürekli duruma dönü türür. Çatla nher iki yüzünü çatlak boyunca sürekli olarak birbirineba lar ve gerilme birikimlerini önler. Sentetik reçinelerlekimyasal moleküler yap ma sa larlar. Kimyasal moleküleryap ma yüzeylerinin pürtizlülü ü ile artar, böylece kuvvetaktarmada daha büyük bir yüzey alan elde edilmektedir[7].Epoksinin bas nç dayan 700–800 kg/cm² ye kadarula abilmektedir. Çekme dayan da 300 kg/cm² yekadar olabilmektedir [8].
Kullan lan epoksi harc yada reçinesinin bas nç dayanistenilen biçimde de tirilebilir. Beton bas nç dayan nadaha yak n dayan mlarda (dü ük dayan ml ) epoksireçinesi yada harc kullan lmas daha uygundur. Epoksireçinesi ve harc n elastik modülünün betona göre dahadü ük olmas daha elastik bir malzeme oldu unugöstermektedir. Epoksinin elastisite modülü de katkmaddeleri ile azalt p ço alt labilmektedir.Piyasada çe itli ticari markalar ad alt nda sat lan sentetikyap rma maddeleri bulunmaktad r. Bunlar n kullanyerleri eski ve yeni beton aras nda ba lant sa lama, yenibetonda delik, çatlak ve kö elerin onar r. Bu aradabaz katk maddeleri ince kumlu harca kat larak çekmedayan yüksek harç yap lmaktad r. Genellikle 5 mm yekadar olan çatlaklara yaln z epoksi, daha geni çatlaklardaise dolgu maddesi kat lm epoksi harc kullan lmaktad r.Bu çal mada epoksi reçine bazl ba lay lar n genelolarak malzeme özellikleri aç ndan incelenmesi, ayr cayap lar n onar m ve güçlendirme uygulamalarda yayg nolarak kullan lan BÇl in aat demirlerinin ankraj olarakbetona ekilmesinde gerekli olan ankraj n delik çap veankraj gömülme boyu konusu ara lm r.
2. Materyal ve Metot
2.1. Materyal
Deneylerde kullan lan malzemeler ve bu malzemelerinözellikleri öyledir; Çimento Set çimento fabrikalar ndaüretilmi CEM l 42.5 çimentosu kullan lm r. Agregaolarak K kkale ili Irmak mevkii K rmak Kum Oca ndantemin edilen dere malzemesi kullan lm r.Kar m suyu olarak Ankara ehir ebeke suyukullan lm r. Çelik olarak Karabük Demir ÇelikFabrikalar nda TS 708’e uygun olarak üretilmi olan BÇIdonat 14 mm çap nda donat kullan lm r. Epoksiolarak iki farkl firmadan temin edilen yap rma harckullan lm r.
Bu epoksiler A ve B olarak kodland lm r.
1- Epoksi A: Yap , sertle tirici ve fillerden olu an, üçbile enli epoksi reçine bazl harç.2- Epoksi B: Yap nc , sertle tirici ve filler olmak üzere üçbile imli epoksi reçine bazl harç.
2.2.Metot
TS 802’e göre kar m hesab yap larak su/çimento oran0,55 çökme 7 cm ve agrega; çak l 4–16 mm dane çapl ,kum 0–4 mm dane çapl gruplardan %63 çak l %36 kumkullan lm r. Kar mda 193 lt su ve 350 kg çimentokullanarak beton üretilmi tir [9]. Beton bas nç dayan nbelirlenmesin TS EN 12390-3’e göre yap lm r [10].
Deneme 120x120x26 cm boyutunda 2 blok üzerindeyap lm r. Ayn betonda beton dayan tespit için15x30 boyutunda silindir beton örnekleri haz rlanm r.
1. Blok Epoksi A ile Ø14 çap ndaki donat lar BÇl2. Blok Epoksi B ile Ø14 çap ndaki donat lar BÇI.
Olmak üzere haz rlanan bloklar n gömme derinlikleri delikçaplan ve donat tipleri Çizelge 1’ de verilmi tir.
Çizelge 1’de görüldü ü gibi her bir donat bir gömmederinli i için 3 de ik çapta ankraj deli i kullan lacakekilde iki farkl epoksi kullan larak toplam 18 adet deney
yap lm r. Deneylerde kullan lan isimlendirme ise deneyinözelliklerini belli edecek ekilde dü ünülmü tür.
Örnek:14L14D11 => 14: Donat çapL14: Gömme derinli iD11: BÇ I için Delik çap
2.2.1. Deney numunelerinin haz rlanmas
15 x 30 cm’lik silindir numuneleri 28 gün sonra kürdenkar larak ba klanm r. 120x120x26 cm boyutunda
beton bloklar n gömme derinli i ekil 1. deki gibi aç lacaknoktalar belirlenmi tir. Belirlenen noktalar el breyizi ile
Çizelge 1.Kullan lan donat gömme derinlikleri vedelik çaplar
ekil 1. Beton blok üzerinde aç lacak ankraj delik noktalar
Böylelikle muhtemel olarak ankraj donat lar n yan yanakullan lmas ndan do abilecek hasarlar n azalt lmas ayr caçekip ç kartma (pull out) deneyi yap rken olu masmuhtemel çatlaklar n deney sonuçlar na tesirlerinin en azaindirilmesi için blok ebatlar hesaplanm r.
Deliklerin haz rlanmas yan nda ayr ca ankraj donat lar dahaz rlan p deney düzene ine uymas için düzeltildi,donat lar n uçlar ndaki çapaklar n çekme dayanetkileyebilece i göz önünde bulundurularak uçlarta lanarak düzeltildi. Pasl donat lar n epoksi ile betonagömülecek k mlar z mpara ile temizlendi.
Epoksi malzemesi mikserle tam k vam na gelinceye dekkar ld ktan sonra deliklere dökülmü e zamanl olarakdonat lar epoksi ile doldurulan deliklere yerle tirilmi tir.28günlük kür süresini tamamlayan beton bloklara epoksi iledonat yap ld ktan 7 gün sonra çekme deneylerineba lanm r. Böylece kullan lan epoksinin çekip ç karmadeneyinde aderansa etkisi belirlenebilmi tir.
3. Bulgular ve Tart ma
Deneylerde kullan lan beton bloklar n 28 günlük silindirbas nç dayan mlar deney elemanlar ile ayn gün testedilmi tir. Beton silinidir dayan ortalama de erleri C20
betonu vermi tir.
3.1. Epoksi A
Bu bölümde yap lan deneysel çal man n sonucunda onsekiz ayr deney eleman ndan al nan sonuçlar irdelenmive bütün elemanlar n çekip ç kartma (pull out) deneyindensonraki durumlar ve dayan mlar aras nda bir ili kiaranm r. Çizelge 2’de A grubu epoksi ile yap lan deneysonuçlar verilmi tir. Deneyler esnas nda bütün ankrajdonat lar akm , pekle me esnas nda epoksi s yr lmalarolu mu tur. Donat lar n hepsi epoksiden s yr lm ,
yüklemeler esnas nda betonda çatlaklar olu mu ,baz lar nda konik k lma gerçekle mi tir.
Çizelge 2. Epoksi A ile yap lan çekipkartma sonucunda elde edilen veriler
Çizelge 2’de görüldü ü gibi A grubu Epoksi için Ø14 çapldonat lar için üç de ik gömme derinli i kullan lmbunlar:; 14 Ø, 16 Ø ve 18 Ø dir. Bunlar içerisinde en fazlagömme derinli ine sahip 18 Ø elemanlarda bile epoksi
yr lmas olu mu tur. Bu sonuç düz donat lar n gömmederinliklerinin s yr lmay engellemek için yeterli olmadve donat lar n yüzey pürüzlülü ünün az olmas ndan dolayepoksi ile aras ndaki aderans yeterli ölçüdesa layamad göstermi tir.
Çizelge 2’ye göre delik çap artt kça betondan s yr lmamiktar n delik çap n donat çap na yak n olmas iledayan n artt gözlenmi tir. Delik çap donat çap ndanbüyüdükçe s yr lma boyu artm r.
3.2. Epoksi B
Çizelge 3’de B grubu epoksi ile yap lan deney sonuçlarverilmi tir. Deneyler esnas nda bütün ankraj donat larakm , pekle me esnas nda epoksi s yr lmalarolu mu tur. Donat lar n hepsi epoksiden s yr lm ,yüklemeler esnas nda betonda çatlaklar olu mu ,baz lar nda konik k lma gerçekle mi tir.
Çizelge 3. Epoksi B ile yap lan çekipkartma sonucunda elde edilen veriler
ElemanlarPik Noktas
Yük(kN)
Betondanyr lma
Miktar(mm)
14L14D15 58,77 30*14L14D16 46,36 41*14L14D18 38,37 63*14L16D15 44,16 33*14L16D16 50,84 36*14L16D18 53,32 38*14L18D15 62,21 40*14L18D16 60,37 48*14L18D18 59,64 47** S yr lma devam etti i için deneye son verildi
Çizelge 3’de görüldü ü gibi Epoksi B içinde Ø14 çapldonat lar için üç de ik gömme derinli i kullan lm bunlar:14 Ø, 16 Ø ve 18 Ø dir. Bunlar içerisinde en fazla gömmederinli ine sahip 18 Ø elemanlarda bile epoksi s yr lmasolu mu tur. Bu sonuç düz donat lar n gömme
2131
Demir, ., im ek O. ve Yaprak H.
derinliklerinin s yr lmay engellemek için yeterli olmadve donat lar n yüzey pürüzlülü ünün az olmas ndan dolayher iki epoksidede aderans yeterli ölçüde sa layamadgöstermi tir.
3.3. Farkl ki Çe it Epoksinin Kar la rmas
Epoksi A ve Epoksi B için pik noktas dayan de erleriÇizelge 4’de kar la rmal olarak verilmi tir.
Epoksi A ve Epoksi B kar la ld nda u durumgözlenmi tir (Çizelge 4, ekil 1 ve ekil 2);
Ø14 çapl ve 14,16 ve 18mm derinli indekiankrajlarda pik noktas de erleri Epoksi A içindaha yüksek ç km r.
Ø14 çapl donat da gömme derinli i artt kça piknoktas de erleride artm r.
Ø14 çapl donat da, 14,16 ve 18mm derinli indekiankrajlama boyunun betondan s yr lmaya çokfazla etkisinin olmad görülmü tür.
Ø14 çapl ve 14,16 ve 18mm derinli indekiankrajlarda betondan s yr lma boyu de erleriEpoksi A için daha yüksek ç km r.
Epoksi B’ de Ø14 çapl ve 18mm derinli indekiankrajlarda akma noktas de erleri Epoksi A ilebirbirlerine yak n sonuçlar verdi i görülmü tür.
ekil 1. Epoksi A ve B’n n pik noktas de erleri
ekil 2. Epoksi A ve B için elde edilen beton s yr lmade erleri
4. Sonuç ve Öneriler
Yap lan çal malar ve istatistiksel analizler sonucundadaki sonuçlar elde edilmi tir.
1. Deneysel çal ma sonucunda olu an aderanstükenmelerinde; Tüm BÇl nervürsüz donat larda epoksi iledonat aras nda s yr lma gözlenmi tir.2. Tüm ankrajlarda BÇl nervürsüz donat lar n dayandü ük oldu u için ankrajlamada olumlu katk elde edilirken,donat yüzeyinde nervürlerin bulunmay aderansolumsuz yönde etkilemektedir.3. BÇl donat larda ankrajlama derinli inin dayan naetkisinin oldu u saptanm r.4. BÇl donat larda ankrajlama derinli inin betondan
yr lmaya çok fazla olumlu ekisinin olmad belirlenmi tir.5. Farkl firmalar n üretti i epoksilerin birbirlerinden farklsonuçlar verdi i gözlenmi tir.6. Delik çap n donat çap na yak nl n s yr lmadirencini art rd görülmü tür.7. Ankrajlar n gömme derinli inin s yr lma direncineetkisinin olmad saptanm r.8. Çal mada kullan lan iki çe it epoksi ürününden epoksiA di er ürüne göre daha iyi bir davran göstermi tir.
Kaynaklar
[1] Bayülke N.,“Depremde Hasar Görmü Yap lar nOnar m ve Güçlendirilmesi” aat Mühendisleri.Odas zmir ubesi, 1999.
[2] Ersoy, U., Tankut, T. And Alt n, S.”SeismicStrengthening of Reinforced Concrete Frames withReinforced Concrete Infihis” Seminar On Assessmentand Redesign of reinforced Concrete Syructures, 12-13 April, zmir., Turkey, 1989.
[3] Park, R. and Paulay. T. “Reinforced ConcreteStructres” John Willey and Sons, New York, USA,1975.
[4] Jirsa, J., “Behaviour of Epoxy-Grauted Dowels andBolts Used for Repair or Strengthening of reinforcedConcrete Structures” Proceedings of the 9th World
Çizelge 4. Deneylerde elde edilenpik noktas de erleri
Ø L D BÇl(kN)Epoksi A Epoksi B
14
1415 62,43 58,7716 66,09 46,3618 61,52 38,37
1615 61,91 44,1616 63,87 50,8418 66,62 53,32
1815 63,87 62,2116 65,91 60,3718 70,40 59,64
0
10
20
30
40
50
60
70
14L1
4D15
14L1
4D16
14L1
4D18
14L1
6D15
14L1
6D16
14L1
6D18
14L1
8D15
14L1
8D16
14L1
8D18
Yük
(kN
)
A B
0
10
20
30
40
50
60
70
80
14L1
4D15
14L1
4D16
14L1
4D18
14L1
6D15
14L1
6D16
14L1
6D18
14L1
8D15
14L1
8D16
14L1
8D18
yrlm
a m
ikta
r (m
m)
A B
2132
Demir, ., im ek O. ve Yaprak H.
Conference on Earthquake Engineering Vol Vll .Pp371–376, 1988.
[5] Saito, T. Et al,”Shear Tests for Construction Joint ofReinforced Concrete Beam-Wali by ExpansionAnchors” Annual Conference of AIJ, October 1977,pp1805–1806, 1977.
[6] Ohkubo, M., “Current Japanese System on SeismicCapacity and Retrofit, 1991.
[7] Anonymus: Sikadur 42 epoksi harc tan m k lavuzu,2001.
[8] Tasai, A. Sakai, Y., Y., Otani, S., and Aoyama, H.,Experimental Study on Repair with Epoxy Resin forDamaged Reinforced Concrete Members,Transaction of Japan Concrete Institute, Vol: 9, pp.557-564, 1987.
[9] TS. 802, Beton Kar m Hesap Esaslar , TürkStandartlar Enstitüsü, Ankara, 1985.
[10] TS EN 12390–3, Beton- Sertle mi Beton Deneyleri-Bölüm 3: Deney Numunelerinde Bas nç Dayan nTayini, T.S.E., Ankara, 2003.
2133
5. Uluslararas leri Teknolojiler Sempozyumu (IATS’09), 13-15 May s 2009, Karabük, Türkiye
THE EFFECT OF THE ANCHORAGE REINFORCEMENT TO THEANCHORAGE PERFORMANCE
lhami DEM R*a, Osman EKb, Hasbi YAPRAKc
a * kkale Üniversitesi Mühendislik Fakültesi aat Mühendisli i Bölümü, K kkale, Türkiye, [email protected] Gazi Üniversitesi Tek. E t. Fakültesi Yap E itimi Bölümü, 06500 Teknikokullar, Ankara, Türkiye, [email protected]
c Kastamonu Üniversitesi MYO., Kastamonu, Türkiye, [email protected]
ÖZET
Ülkemizdeki yap lar n birço unda depreme dayan kl kbeklemek zordur. Bu nedenle yap lar n güçlendirilmesininönemi büyüktür.Mevcut bir yap n güçlendirilmesi için sisteme sonradaneklenen betonarme perdelerin mevcut ta sistemlebirlikte çal mas sa lamak gerekir.Bu çal mada ankraj malzemesi olarak uygulamada yayg nbiçimde kullan lan BÇI ve BÇIII s donat lar seçilmi tir.Donat lar n betona eklenmesinde reçine bazl epoksikullan larak numuneler üretilmi tir. Numunelere çekip-
karma (pull-out) testi uygulanm , ankraj delik çap veankraj gömme derinli inin test sonuçlar na etkisiara lm r.
Test sonuçlar na göre; delik çap n donat çap nayak nl n s yr lma direncini art rd , nervürsüz(BÇI)donat larda aderans tükenmesinin epoksi ile donataras ndaki s yr lma sonucu olu tu u, nervürlü (BÇIII)donat ankrajlarda aderans tükenmesinin epoksi ile betonaras nda ki yetersizlik sonucu olu tu u ve betondakonik çatlaklar n meydana geldi i gözlenmi tir. BÇI veBÇIII donat ankrajlar n her ikisinde de gömmederinli inin s yr lma direncine etkisinin olmadsaptanm r. Yap lan ankrajlamada BÇlll çeli i BÇl’ e göredaha iyi de erler vermi tir.
Anahtar kelimeler: Epoksi, Ankraj, Donat , Beton
ABSTRACT
It is hard to expect resistance from structures in ourcountry for earthquake. Thus strengthening of structureshas a big importance. To strengthen an existing structure,it is need to provide to synchronization between theconcrete shear walls which are added afterwards and theexisting load-bearing system.
In this study, BC I and BC III class reinforcements whichare commonly used have been chosen as anchoringmaterials. The specimens are produced by using resin-based epoxy for adding the reinforcement to concrete. Thepull-out tests are applied to the specimens and the effectof anchorage hole diameter and burial depth to the testresults are investigated.
For the test results it is observed that the closeness of holediameter to reinforcement diameter is increasing the pull-out strength, the adherence exhausting with non-ribbedreinforcements (BC I) results from grazing between epoxyand the reinforcement, the adherence exhausting withribbed reinforcements (BC III) results from the insufficiency
between epoxy and the reinforcement and this results inconic cracks. It is determined that the burial depth doesn’teffect the pull-out strength, in anchoring with both BC I andBC III class reinforcements. BC III has given better valuesthan BC I in the anchorings.
Dünyadaki son depremler, depreme dayan kl yeterliolmayan yap lar n onar m ve güçlendirilmesi yöntemleri ileilgili çal malar n önemi çok artm r. Betonarme yap lar nonar m ve güçlendirilmesinde büyük önem ta yansorunlardan biri de; yeni betonarme elemanlarla var olaneski betonarme elemanlarla birlikte çal abilir biçimdekayna lmas n sa lanmas r.
Betonarme yap larda, beton ve donat n birlikte çal masiçin betonun donat ya tam olarak yap mas gerekir.Çekme gerilmesi ta yan donat n betondan s yr lmamasiçin beton ile aras nda en üst düzeyde yap ma olmas , birba ka deyi le donat daki çekme kuvvetinin beton veyap ma ile dengelenmesi gerekir. Bu i lem; donat nbetona ba lanmas , ankrajlama olarak tan mlan r. Onar mveya güçlendirme i lemi s ras nda betonarme elemanakonulacak ek donat lar n iyi ankrajlanmas çok önemlidir[1].
Yap lar n güçlendirilmesi s ras nda eklenen yeni bir taeleman n var olan elemanlarla birlikte çal mas içinaralar nda tam bir kuvvet aktarmas olmas gerekir. Örnekolarak çerçeve ortas na konulan perde duvar n çerçeve ilebirlikte çal mas için kolonda aç lan yuvalara donat larankre edilir. Ankraj donat lar perde ile kolonun birlikteçal malar için kesme kuvveti aktar sa lamaklagörevlendirilmi tir [2].
Ta elemanlar n kuvvet aktarma i lemi ankrajlama yada kamalama ile yap lmaktad r. Ankrajlama da donat ,ekseni do rultusunda çekme kuvveti ta r. Kamalama daise betona gömülü donat eksenine dik yönde kesmekuvveti ta lmaktad r [3].
Donat n betona ankrajlanabilmesi için;Ucu genle en özelankraj bulonu veya epoksi gibi kimyasal yap larkullan lmaktad r. Birinci ankrajlama yönteminde özel ticariadlar alt nda an lan ankraj sistemleri vard r.Bu sistemlerdebetonda aç lan deli e mekanik olarak yerle tirilmi bulonlartak r. Bu bulonlar n derinlik ve özel kesme takozlar gibiözelliklerine ba olarak ta yabilecekleri çekme ve kesmekuvveti vard r. Burada uygulanan çekme kuvveti bulon iledelik aras nda sürtünme ve olu an kesme takozu
çevresindeki betonun kesme dayan ile ta nmaktad r[4].Kimyasal ankrajlar, sertle mi betona sonradan aç landeli e yap lan ba tipi ankrajlard r.
Betonarme yap lar n güçlendirilmesi esnas nda, mevcutta sistem elemanlar n kesitlerinin büyütülmesi veyamevcut sisteme yeni ta eleman ilavesinde ihtiyaçduyulan yeni donat lar n kimyasal ankrajla betona tespitien s k kullan lan yöntemdir. Kimyasal ankrajlar planlama,tasar m ve uygulama a amalar nda kullan ya büyükesneklik sa lamalar n yan nda; sahip olduklar yüksekyap ma dayan mlar , kolay ve h zl uygulanabilir olmalarnedeniyle s kl kla kullan lmaktad rlar [5].
Di er yöntem ise epoksi ile ankrajd r. Bu yöntemdeankrajlanan malzemenin çevresine özel sentetikyap lar sürülmektedir. Bu tür sentetik yap lar n100–150°C de yand bilinmektedir. E er yang n tehlikesivarsa deliklerin olmas gerekenden daha derin yap lmasönerilmektedir [4].
Yap lacak ankrajlamada delik derinli inin betonarme demirçap n 15 kat olmas yeterli görülmektedir. Betonun çokkötü olmas nda bu deli in artt labilece i belirtilmektedir[6].
Bu çal mada yap lar n onar m ve güçlendirmeuygulamalarda yayg n olarak kullan lan BÇ-I ve BÇ-IIIin aat demirlerinin ankraj olarak betona ekilmesindegerekli olan ankraj n delik çap ve ankraj gömülme boyukonusu ara lm r.
2. Materyal ve Metot
2.1. Materyal
Deneylerde kullan lan malzemeler ve bu malzemelerinözellikleri öyledir; Çimento olarak CEM.l 42.5 çimentosukullan lm r. Agrega olarak K kkale ili Irmak mevkii
rmak Kum Oca ndan temin edilen dere malzemesikullan lm r.
Kar m suyu olarak Ankara ehir ebeke suyukullan lm r. Çelik olarak Karabük Demir ÇelikFabrikalar nda TS 708’e uygun olarak üretilmi olan BÇIdonat 14 mm çap nda, BÇ lll donat 14 mm çap ndaolmak üzere toplam 2 grup donat kullan lm r. Epoksiolarak bir firmadan temin edilen yap , sertle tirici vefillerden olu an üç bile enli epoksi reçine bazl harçkullan lm r.
2.2.Metot
TS 802’e göre kar m hesab yap larak su/çimento oran0,55 çökme 7 cm ve agrega; çak l 4–16 mm dane çapl ,kum 0–4 mm dane çapl gruplardan %63 çak l %36 kumkullan lm r. Kar mda 193 lt su ve 350 kg çimentokullanarak beton üretilmi tir [7]. Beton bas nç dayan nbelirlenmesin TS EN 12390-3’e göre yap lm r [8].
Deneme 120x120x26 cm boyutunda 2 blok üzerindeyap lm r. Ayn betonda beton dayan tespit için15x30 boyutunda silindir beton örnekleri haz rlanm r.
1. Blok Ø14 çap ndaki donat lar BÇl2. Blok Ø14 çap ndaki donat lar BÇllI.
Olmak üzere haz rlanan bloklar n gömme derinlikleri delikçaplar ve donat tipleri Çizelge 1’ de verilmi tir.
Çizelge 1’ ve ekil 1’de görüldü ü gibi her bir donat birgömme derinli i için 3 de ik çapta ankraj deli ikullan lacak ekilde epoksi kullan larak toplam 54 adetdeney yap lm r. Deneylerde kullan lan isimlendirme isedeneyin özelliklerini belli edecek ekilde dü ünülmü tür.
Örnek:14L14D11 => 14: Donat çap L14: Gömme derinli i D11: Delik çap
2.2.1. Deney numunelerinin haz rlanmas
15 x 30 cm’lik silindir numuneleri 28 gün sonra kürdenkar larak ba klanm r.
120x120x26 cm boyutunda beton bloklar n gömmederinli i ekil 1. deki gibi aç lacak noktalar belirlenmi tir.Belirlenen noktalar el breyizi ile istenen çapta delinerekepoksilerle ankraj çubuklan ekilmi tir.
Deney elemanlar nda istenilen beton bas nç dayanBöylelikle muhtemel olarak ankraj donat lar n yan yanakullan lmas ndan do abilecek hasarlar n azalt lmas ayr caçekip ç kartma (pull out) deneyi yap rken olu masmuhtemel çatlaklar n deney sonuçlar na tesirlerinin en azaindirilmesi için blok ebatlar hesaplanm r.
Deliklerin haz rlanmas yan nda ayr ca ankraj donat lar dahaz rlan p deney düzene ine uymas için düzeltildi,donat lar n uçlar ndaki çapaklar n çekme dayanetkileyebilece i göz önünde bulundurularak uçlarta lanarak düzeltildi. Pasl donat lar n epoksi ile betonagömülecek k mlar z mpara ile temizlendi.
Epoksi malzemesi mikserle tam k vam na gelinceye dekkar ld ktan sonra deliklere dökülmü e zamanl olarakdonat lar epoksi ile doldurulan deliklere yerle tirilmi tir.28günlük kür süresini tamamlayan beton bloklara epoksi iledonat yap ld ktan 7 gün sonra çekme deneylerineba lanm r. Böylece kullan lan epoksi ile Betonarmeçeliklerinin çekip ç karma deneyinde aderansa etkisibelirlenebilmi tir.
Çizelge 1. Kullan lan donat gömme derinliklerive delik çaplar
DonatÇap (Ø)
14
GömmeDerinli i( L cm)
DelikÇap
BÇl(D,mm)
BÇlll(Q,mm)
1415 1516 1618 18
1615 1516 1618 18
1815 1516 1618 18
2135
Demir, ., im ek, O. ve Yaprak, H.
ekil 1. Beton blok üzerinde aç lacak ankraj delik noktalar
3. Bulgular ve Tart ma
Deneylerde kullan lan beton bloklar n 28 günlük silindirbas nç dayan mlar deney elemanlar ile ayn gün testedilmi tir. Beton silinidir dayan ortalama de erleri C20
betonu vermi tir.
3.1. BÇl ve BÇlll Çeli i Kopma Kuvveti Verileri
Bu bölümde yap lan deneysel çal man n sonucunda onsekiz ayr deney eleman ndan al nan sonuçlarirdelenmi tir. Bütün elemanlar n çekip ç kartma (pull out)deneyinden sonraki durumlar ve deplasman (donat nyük kar nda akmaya ba lad boy) noktas kuvvetiaras nda bir ili ki aranm r.
Çizelge 2’de BÇl grubu çelik ile yap lan deney sonuçlarverilmi tir. Deneyler esnas nda bütün ankraj donat larakm , pekle me esnas nda epoksi s yr lmalarolu mu tur.BÇ lll’ de ise gömme derinli in artt lmas ankraj pull outgerilmesini artt rmad belirlenmi tir. Dayan m art nankaraj derinli i ile birlikte delik çap n büyütülmesi ileartt gözlenmi tir. BÇlll donat ankrajlamada betondan
yr lma görülmemi tir. Yüklemeler esnas nda betondaçatlaklar olu mu , baz lar nda konik k lmagerçekle mi tir.
BÇl donat da gömme derinli i ile birlikte delik çap nartmas gerilmeyi artt rmam r. Dayan m art n ankarajderinli i ile birlikte delik çap n büyütülmesi ile arttgözlenmi tir ( Çizelge 2).
Çizelge 2. BÇl ve BÇlll ile yap lan çekipkartma sonucunda elde edilen veriler
Çizelge 2’de görüldü ü gibi Ø14 çapl BÇl çeli i için üçde ik gömme derinli i kullan lm bunlar:; 14, 16 ve18mm dir. Bunlar içerisinde en fazla gömme derinli i olan18mm de epoksi s yr lmas olu mu tur.
3.3. BÇl ve BÇlll Çeliklerinin Ankraj Performans nKar la rmas
BÇl ve BÇlll çeliklerinin deplasman noktas dayande erleri Çizelge 2’de kar la rmal olarak verilmi tir.
BÇl ve BÇlll kar la ld nda u durum gözlenmi tir(Çizelge 2ve ekil 2);
Ø14 çapl ve 14,16 ve 18mm derinli indekiankrajlarda deplasman noktas de erleri BÇlll içindaha yüksek ç km r.
Ø14 çapl donat da gömme derinli i artt kçadeplasman noktas de erleride artm r.
Ø14 çapl donat da, 14,16 ve 18mm derinli indelik çap ile birlikte büyümesi deplasman noktasgerilme yükünü artt rm r.
Ø14 çapl ve 14,16 ve 18mm derinli indekiankrajlarda betondan s yr lma boyu de erleri BÇllliçin daha yüksek ç km r.
Betondan s yr lma boyu ankrajlama derinli i vedelik çap n birlikte büyümesi ile artm r.
ekil 2. BÇl ve BÇlll için deplasman noktas de erleri
0102030405060708090
100110120130
14L1
4D15
14L1
4D16
14L1
4D18
14L1
6D15
14L1
6D16
14L1
6D18
14L1
8D15
14L1
8D16
14L1
8D18
Yük
(kN
)
BÇ l BÇ lll
2136
Demir, ., im ek, O. ve Yaprak, H.
4. Sonuç ve Öneriler
Yap lan çal malar ve sonucunda iki farkl betonarme çeli iiçin a daki sonuçlar elde edilmi tir.
1. Deneysel çal ma sonucunda olu an aderanstükenmelerinde; Tüm BÇl nervürsüz donat larda epoksi iledonat aras nda s yr lma gözlenmi tir. Fakat BÇlll donatankrajlardaki s yr lma olmam r. Aderans tükenmesisonucu epoksi ile beton aras nda yetersizlik veya betondakonik çatlaklar olu mu tur.2. Tüm ankrajlarda BÇl ve BÇIII çelikleriaras nda uba lant kurulabilir; BÇl nervürsüz donat lar n dayan dü ük oldu u için
ankrajlamada olumlu katk elde edilirken, donatyüzeyinde nervürlerin bulunmay aderans olumsuzyönde etkilemektedir.
BÇl donat larda ankrajlama derinli inin dayan naetkisinin oldu u saptanm r.
BÇl donat larda ankrajlama derinli inin betondanyr lmaya çok fazla olumlu etkisinin olmad
belirlenmi tir. Ankrajlar n gömme derinli inin s yr lma direncine
etkisinin olmad saptanm r. Bu çal mada kullan lan BÇlll çeli i BÇl göre daha iyi
bir davran ve kopma dayan m gerilmesigöstermi tir.
Kaynaklar
[1] Bayülke N., Depremde Hasar Görmü Yap lar nOnar m ve Güçlendirilmesi aat Mühendisleri.Odas zmir ubesi, 1999.
[2] Ersoy, U., Tankut, T. And Alt n, S., SeismicStrengthening of Reinforced Concrete Frameswith Reinforced Concrete Infihis, Seminar OnAssessment and Redesign of reinforced ConcreteSyructures, 12-13 April, zmir., Turkey.,
1989.[3] Park, R. and Paulay. T., Reinforced Concrete
Structres, John Willey and Sons, New York, USA.1975.
[4] Jirsa, J., Behaviour of Epoxy-Grauted Dowels andBolts Used for Repair or Strengthening ofreinforced Concrete Structures, Proceedings ofthe 9th World Conference on EarthquakeEngineering” Vol V . Pp 371–376., 1988.
[5] GÜRBÜZ, T , vd, Güçlendirme Çal malar ndaKullan lan Kimyasal Ankrajlar n Eksenel ÇekmeEtkisi Alt nda Davran lar , Alt nc Ulusal DepremMühendisli i Konferans , stanbul, 16-20 Ekim2007.
[6] Ersoy, U., Betonarme Yap lar n Onar VeGüçlendirilmesi Uygulama Ve Ara rmalar, Alt ncUlusal Deprem Mühendisli i Konferans , 16-20Ekim, stanbul, 207-216, 2007.
[7] TS. 802, Beton Kar m Hesap Esaslar , TürkStandartlar Enstitüsü, Ankara, 1985.
[8] TS EN 12390–3, Beton- Sertle mi BetonDeneyleri-Bölüm 3: Deney Numunelerinde Bas nçDayan n Tayini, T. S. E., Ankara, 2003.
2137
5. Uluslararas leri Teknolojiler Sempozyumu (IATS’09), 13-15 May s 2009, Karabük, Türkiye
FARKLI PUZOLAN K KATKININ SERTLE BETONÖZELL KLER NE ETK N KAR ILA TIRILMASI
COMPARISON THE EFFECTS OF TWO DIFFERENT POZZOLANS TOHARDENED CONCRETE
lhami DEM Ra,*, Muhammed Yasin DURGUNb, Demet KURTc
a,* K kkale Üniversitesi aat Mühendisli i Bölümü, K kkale, Türkiye, E-Posta: [email protected] K kkale Üniversiesi aat Mühendisli i Bölümü, K kkale, Türkiye, E-Posta: [email protected] K kkale Üniversitesi aat Mühendisligi Bölümü, K kkale, Türkiye, E-Posta: [email protected]
Özet
Günümüzde do al kaynaklar n h zla tükenmesiengellenememektedir. Bu sebeple endüstriyel at klar nbeton sektöründe kullan lmas üzerinde çal malaryap lmaktad r. Bu çal mada iki farkl endüstriyel at k olan,ayn zamanda puzolanik özellikleriyle in aat sektörüneyak n özellik gösteren uçucu kül ve silis duman nsert le mi beton üzerine olan etkileri inclenmi tir.Betonda %5,10,15,20 ve 25 oranlar nda bumalzemelerden çimento yerine ikame edilmi tir. 7. ve 28.günlerdeki dayan m özellikleri incelenmi ve katk z betonözelliklerine göre daha kaliteli sonuçlar elde edilmi tir.
Anahtar kelimeler: Silis Duman , Uçucu Kül, Beton,Dayan m
Abstract
At present days we are not able to avert the consuming ofthe naturel sources. For this reason, studies on usingindustrial wastes have been carried out. In this study, theeffects on hardened concrete of fly ash and silica fume,which are two different industrial wastes, and at the sametime showing similar properties to the concrete sector,have been examined. In concrete, 5%, 10%, 15%, 20%and 25% from these materials were replaced with cement.The strength properties on 7th and 28th days wereexamined and compare with pure conncrete properties,more qualified results were obtained.
Türkiye’de elektrik enerjisi, kömüre dayal termiksantrallerden ve hidroelektrik santrallerinden eldeedilmektedir. Son y llarda bunlara üçüncü olarak do algazsantralleri de kat lm r. Dü ük kalorili linyit kömürlerininyak ld termik santrallerde, elektrik üretimi s ras nda tozhaldeki kömürün yanmas sonucu baca gazlar ilesürüklenen mikron boyutunda kül tanecikleri meydanagelmektedir. Endüstriyel bir at k olan ve uçabilen buküllere, uçucu kül (UK) ad verilmektedir [1]. Çevreyiolumsuz olarak etkileyecekleri için, uçucu küllerin santralbacas ndan ç karak havaya kar malar önlenir. Buamaçla, küller mekanik ve elektrostatik yöntemletoplanarak santral çevresinde veya ba ka uygun yerlerdedepolan r. Zamanla biriken küller geni alanlar kapsamayaba lar ve santral idaresi için bir problem olur [2].
Uçucu Küllerin özellikleri genel itibariyle kömürünözelliklerine ve yak lma yöntemine ba olarak de iklikgösterir. Genelde silisli ve alüminli olan bile imi dolay ylapuzolanik özellik göstererek çimento ve betonda katkmalzemesi olarak yararl olur. nce ve küresel tanecikleridolay ile taze betonda i lenebilirli i artt r. Çimentohidratasyonu sonucu olu an kireçle reaksiyona girerekilave ba lay jel olu turur, linyit kömürünün yak lmas ileelde edilen uçucu külde kireç oran genellikle yüksek olupbu tür küller ayn zamanda hidrolik, yani ba lay közelli i gösterirler [2]. Çimento içerisindeki bo luklardoldurur ve hidratasyon dü ürüp, betonda erkenya lardaki çatlaklar n olu umunun engellenmesi içinkullan r. Bu ekilde beton yap lar n uzun süre kal vedayan kl sa lanm olur [3]. Uçucu külde bulunanba ca bile enler SiO2, Al2O3, Fe2O3 ve CaO olup bunlar nmiktarlar uçucu külün tipine göre de mektedir. Ayr caMgO, SO3, alkali oksitler de minör bile en olarakbulunmaktad r. Uçucu küldeki temel oksitlerden SiO2 %25– 60, Al2o3 % 10 – 30, Fe2O3 %1 – 15 ve CaO % 1- 40oranlar nda bulunmaktad r. Bu farkl aral klardaki de erleruçucu külün tipini karakterize etmektedir [4–7].
Uçucu külün çimento ile birlikte in aat sektöründe en çokkullan ld alan, beton üretimidir. Uçucu kül, hem normalve hafif betonda hem de giderek kullan yayg nla anhaz r beton üretiminde gerek katk gerekse ikamemalzemesi olarak kullan lmaktad r. Betonda yüksek orandauçucu kül ikamesi yap lan bir çal mada bas nç dayanartarken a nma dayan mlar n da artt gözlenmi tir [1].Uçucu kül kullan en dü ük su/ba lay oran ndakullan ld nda dayan m ve durabilite aç ndan daha iyisonuçlar vermektedir [3]. Ayn ekilde C s uçucu külkullan lan ba ka bir ara rmada ise, erken bas nçdayan olumsuz yönde etkiledi i ancak 3 gündensonra yava yava olumlu özelliklerini gösterdi isaptanm r. Uçucu kül içeren numunelerle normalnumunelerin kür artlar na verdikleri tepkiler incelenmi ,uçucu kül içeren betonlar n kür ko ullar na kar daha çokhassasiyet gösterdi i ortaya konmu tur [8]. Ayr ca uçucuküllü beton puzolanik reaksiyonlar sonucu beton zamanladaha geçirimsiz bir yap kazan r [9]. Uçucu kül süperak kanla beton üzerinde de denenmi tir. Yap landeney sonuçlar nda uçucu kül katk n çökme de eriniazaltt görülmü tür. Uçucu kül ikamesi artt kça bütünya larda betonda bas nç ve yarmada çekme dayan mlarartm r [10]. Ba ka bir çal ma betonun mekaniközellikleri aç ndan de erlendirildi inde; uçucu kül ikamemiktar na ba olarak bas nç dayan de erleriazalm r. Uçucu kül ikamesi beton i lenebilirli ini olumluyönde etkilemektedir. Uçucu kül ikame miktar nçimentonun % 5 inden fazla olmas sertle me süreleriniartt rmaktad r. Uçucu kül çimento gibi ba lay k özelli i
göstermesine ra men tam olarak çimentonun ba lay közelli ini sergileyememekte ve bas nç dayandü ürmektedir [11]. Bu sonuçlardan gördü ümüz kadar ylauçucu külün betonda kullan yla ilgili zaman zamançeli kili sonuçlar elde edilmi tir.
Silis duman ; Silisyum metalinin veya ferrosilisyumala mlar n üretiminde yan ürün olarak elde edilen,endüstriyel bir at kt r. Silis duman silisyum metali veyaferrosilisyum (FeSi) ala mlar n üretimi s ras ndakullan lan elektrik ark f nlar nda yüksek safl ktakikuvarsitin kömür ve odun parçac klar ile indirgenmesisonucu elde edilen çok ince taneli tozdur. Silis duman nde erlendirilmesi konusundaki ilk çal malar çevrekorumas amac ile 1950li y llarda Norveç’de ba lam r.Çok ince taneli ve yüksek oranda amorf silis içeri i nedeniile etkili bir puzolan olan bu maddenin çimento katkolarak kullan gene Norveç’de 1969 y nda denendi. Bukonudaki uygulamalar ve silis duman n beton içindekidavran ile ilgili ara rmalar daha ziyade skandinavülkelerinde olmak üzere 1980’li y llar n ba na kadaroldukça yava geli ti. Beton için ak kanla katkmaddelerinin kullan ma girmesi, silis duman n birçokbeton özelli i üzerinde olumlu etkilerinin ortaya ç kmas veçevre kirlili ine kar endüstriyel at klar n daha s kontrolügibi faktörler silis duman konusundaki çal malar n sonyirmi y l içerisinde h zla yayg nla mas na neden olmu tur[12].
Kaynaklar ne olursa olsun puzolanlar n esas silistir.Doyurucu özelliklere sahip puzolanlar %40’dan %90’akadar SiO
2içerebilirler. Silis duman betonda kullan
ekli k smen çimento yerine veya ilave olarak kat lmaseklindedir. Beton bas nç dayan art rmas nedeniyle
yap lan ara rmalar sonucunda, çimento a rl n %20-25’i aras nda bir miktar n çimento yerine konmas noptimizasyonu sa lad belirtilmi tir [13]. Silis dumankatk k lcal bo luklar küçülterek süreksiz hale getirdi iiçin betonda geçirgenli i azalt r. Örne in çimentohamurunda 3.8x10-13 m/s olarak ölçülen su geçirgenli i%10 ve %20 miktarlar nda silis duman kat ld nda s rasile 0.9x10-13 m/s ve < 0.1x10-13 m/s gibi de erleredü mektedir. Silis duman hamurlarda gözenek yapdaha geçirimsiz hale getirmektedir. Arayüzey bölgesinin de
lanmas sonucu silis duman katk betonlarda benzerbak m ko ullar ndaki normal betonlara göre geçirgenlikazalmaktad r [12].
Silis duman katk di er puzolanlar gibi yeni C-S-H jelleriolu mas sa lamalar yan s ra ince silis duman taneleriagrega-hamur ara yüzey bölgesini s lay pkuvvetlendirerek beton dayan artt rlar. Buna kar nbelli bir i lenebilirlik için su ihtiyac artmalar gibi olumsuzetkileri de vard r. Dolay ile betondaki optimum silisduman miktar bu etkilerin göreceli de erlerine baolacak ve çimento, agrega, ak kanla katk tip vemiktarlar ile bak m ko ullar gibi klasik faktörlerden deetkilenecektir. Baz ara rmac lara göre silis dumankatk n beton dayan na olan olumlu etkisi agregahamur ara yüzeyini kuvvetlendirmesinden dolay r. Ziraayn çimento/ silis duman oranlar nda silis duman katkve katk z çimento hamurlar n dayan mlar aras ndabelirgin bir fark görülmemi tir. Di er taraftan en önemlifaktörün daha s ve kaliteli bir çimento hamuru olu masoldu u da öne sürülmektedir [12]. Çal malara göre silis
duman bas nç dayan art rma etkisi 3 günde kendinigöstermemekteyse de, 28 gün sonra belirgin bir ekildeortaya ç kmaktad r. Silis duman ikamesiyle 28 günlükbas nç dayan mlar nda, kar m oranlar na ba olmaküzere, %20 den ba lay p % 50 mertebesine kadar artelde edilebilmektedir [14]. Silis duman ve Süperak kanla lar n birlikte kullan ld tüm harçlar, kontrolharçlar na göre daha iyi bas nç dayan göstermi lerdir.Silis duman ve Süper ak kanla lar n optimumoranlarda beraber kullan lmas , yüksek dayan ml betonüretmek için mümkün olabilir. [15]. Bir di er çal madade ik silis duman ikamelerinde ve de ik su/ba layoranlar nda yarmada çekme dayan mlar incelenmi tir.Silis duman ikamesinin yarmada çekme dayanartt rd gözlenmi tir. % 15’in üzerindeki yüksek orandasilis duman ikamesinin önemli bir ölçüde art rmayapmad tespit edilmi tir. Tüm su/ba lay oranlar nda% 5–10 kadar olan ikamelerde yarmada çekme dayanoldukça art göstermi tir [16].
2. Deneysel Çal malar
2.1 Malzemeler
2.1.1 Çimento
Çal mada çimento olarak CEM I 42,5 kullan lm r. CEM I42,5 kimyasal ve fiziksel özellikleri çizelge 1 de verilmi tir.
Çizelge 1 CEM I 42,5 Çimentosunun Kimyasal ve FizikselÖzellikleri
Fiziksel Özellikleri90 µm elek üstü (%) 1.72Priz ba lang (dk) 195Priz sonu (dk) 309Özgül yüzey (Blaine) (cm2 /g) 3092Özgül a rl k (g/cm3) 3.15Hacim genle mesi (mm) 3.0
2.1.2 Agrega
TS 706 EN 12620/AC’ye göre granülometrik analizyap lm ve Agrega granülometrisi ekildeki gibi ç km r.
Agregalar n özgül a rl klar , su emme miktarlar ve nemoranlar TS EN 3526 ya göre tespit edilmi ve de erler 0-4için 2,65 gr/cm3, 7-15 ve 15-30 içinse 2,69 gr/cm3 olarakbulunmu tur. Yine ayn standarda göre su emme de erleri0-4 için %2,7, 7-15 için %0,9 ve 15-30 için %0,49bulunmu tur. Tabi nem oranlar ise 0-4’de %0,5oran ndayken, di erlerinde 0’a çok yak n bulunmu tur.
2.1.3 Uçucu Kül
Deneyde kullan lan uçucu kül Zonguldak Çatala TermikSantrali bacalar nda, kuru olarak elektro filtrelerdetoplanm r. Çatala uçucu külünün kimyasal analiziçizelge 2’de verilmi tir [2]. Uçucu külün kimyasal bile imiolarak SiO2, Al2O3, Fe2O3 toplam %87,7 olup TS 639’daöngörülen uçucu kül ko ullar sa lamaktad r. ASTM C686’ya göre dü ük kireçli uçucu kül (F) s na girmektedir.Bu gruba giren uçucu küllerde SiO2, Al2O3 ve Fe2O3 %70’den fazla olmas ve CaO oran n % 10’dan dü ükolmas gerekmektedir. Kimyasal kompozisyonuna göreÇatala uçucu külü siliko alümünöz uçucu kül olaraktan mlanabilir [17].
Çizelge 2 Çatala Uçucu Külü Kimyasal Bile imi
Madde Analiz (%) TS 639’a Görerlar
SiO2 56,8Al2O3 24,1Fe2O3 6,8
SiO2+ Al2O3+Fe2O3
87,7 > 70
CaO 1,4MgO 2,4 < 5SO3 2,9 < 5K2O3 -
Na2O3 -TiO2 1,1
zd rma Kayb 0,6 < 10Di er 3,9
Uçucu külün tane boyut da ise ekil 2’de verildi igibidir [17].
ekil 2 Uçucu Külün Tane Boyutu Da
2.1.4 Silis Duman
Deneyde kullan lan silis duman ise Antalya’da EtiElektrometalurji A. tesislerinde üretilmektedir.Silskoferrokrom ve ferrosilisyum baca tozlar olaraktoplanmaktad r. Kullan lan silis duman n kimyasalbile imi çizelge 3 de verilmi tir. Silisyum metali ile % 85ferrosilisyum ala mlar veya bunlar n kar mlar ndan eldeedilen silis dumanlar n bile imlerinde SiO2 miktar % 852igeçmemekte, genellikle % 90 civar nda olmaktad r [12].
Silis duman n özgül a rl ortalama 2,20 civar ndaolmaktad r. Gev ek birim a rl ise 130 – 430 kg/m3
aras nda de ir [12].Silis duman n tane boyu da ekil 3’de verildi igibidir [12].
0
20
40
60
80
100
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5
Tane Çap (µm)
Dah
a K
üçük
Tan
e (%
)
SD
ekil 3 Silis Duman n Tane Boyutu Da
2.1.5 Hiperak kanla
Çal malarda yüksek performansl hiperak kanlabeton katk kullan lm r. Yo unlu u 1,03 – 1,07
2140
Demir , Durgun M.Y., Kurt D.
aras nda olan malzemenin pH de eri 3 – 7 ve donmanoktas – 4 C°’dir
2.2 Yöntem
TS 802’ye göre yapt z kar m hesab nda eldeetti imiz, kullan lacak çimento miktar yerine % 0, 5, 10,15, 20 ve 25 oranlar nda, uçucu kül ve silis duman ikameedilmi tir. Deney numunesi olarak 15x15x15’lik küpnumuneler kullan lm r. Her bir ikame miktar için 3’übas nç ve 3’ü yarmada çekme numunesi olmak üzeretoplam 66 numune dökülmü tür. TS 3261’e göre tazebetonun hava miktar ve TS EN 206’ya göre çökmede erleri tayin edilmi tir. Numuneler 7 ve 28 gün boyunca,su içerisinde 20 ± 2 C°’lik standart kür ortam ndamuhafaza edilmi ve belirtilen süreler sonunda tek eksenlibas nç ve yarmada çekme deneylerine tabi tutulmu tur.Numune dökümünde kullan lan kar m oranlar çizelge 4de verilmi tir. Hiperak kanla katk çimento kütlesinin0,005’i kadar kullan lm r. Çizelge 5’de dökülennumunelerin özellikleri s ralanm r.
Yap lan beton bas ç dayan testleri ve yarmada çekmedayan testleri sonucu için silis duman ve uçucu külikameli betonlar n 7 ve 28 günlük dayan mlar a dakiçizelgelerdeki gibi ç km r. Bas nç dayan m de erleriÇizelde 6’da verildi i gibidir.
Çizelge 6 SD ve UK Numulerinin 7 ve 28 Günlük Bas nçDayan Sonuçlar (N/mm2)
7. günün sonunda yap lan yarmada çekme deneylerindeelde edilen de erlerin kar la lmas ekil 5’te verilmi tir.
2141
Demir , Durgun M.Y., Kurt D.
7 Günlük Yarmada Çekme De erlerinin Kar la lmas
0
1
2
3
4
5
6
0 5 10 15 20 25
Katk Yüzdeleri (%)
Muk
avem
et (N
/mm
2)
SDUK
ekil 5 SD ve UK Numunelerinin 7 Günlük YarmadaÇekme Dayan mlar n Kar la lmas
28. günün sonunda yap lan yarmada çekme deneylerindeelde edilen de erlerin kar la lmas ekil 6’daverilmi tir.
28 Günlük Yarmada Çekme De erlerinin Kar la lmas
0
1
2
3
4
5
6
0 5 10 15 20 25
Katk Yüzdeleri (%)
Muk
avem
et (N
/mm
2)
SDUK
ekil 6 SD ve UK Numunelerinin 28 Günlük YarmadaÇekme Dayan mlar n Kar la lmas
Yukar da verilen tablolara ve grafiklere göre silis dumanve uçucu kül katk n beton dayan m özellikleri üzerineetkilerini inceleyecek olursak a daki sonuçlaravarmam z mümkündür.1. Çatala uçucu külü erken ya lar bas nç dayan ndadü e sebep olurken silis duman ise bu de erinartmas na sebep olmu tur.2. 28. gün bas nç dayan nda uçucu kül 7. gündegösterdi i etkinin aksine, dayan mlarda yükselmeye sebepolmu tur. Ancak bu silis duman n etkisine göre çok çokdaha dü üktür. Silis duman yüzdesi artt kça artan bi grafikolu turmu tur.3. %5’lik katk miktar nda uçucu kül ve silis dumanaras nda çok fazla bir fark olu turmam , genel olarakde erler birbirine yak n ç km r.4. Yarmada çekme dayan mlar incelendi inde uçucu külkatk n ayn bas nç dayan nda oldu gibi 7. günde erlerinde genel bir dü me olu turdu u ancak 28. gündebu de erlerin normal de erin üstüne ç kt gözlenmi tir.Silis duman katk ise %15 lik katk miktar nda en yüksekde eri vermek üzere normal mukavemet de erininüzerinde de erler vermi tir.5. Silis duman katk beton her iki dayan m özelli i içinhem 7. hemde 28. günde uçucu küle aç kça üstünlüksa lam r.
Te ekkür
Çal malar zda kimyasal katk lar konusunda bizlereyard mc olan S KA Yap Kimyasallar A. ’ne, uçucu kültemin edilmesinde yard mlar esirgemeyen Çatala
Termik Santrali’ne ve bizlere her türlü çal ma ortamsa layan K kkale Fatih Haz r Beton Santrali’nete ekkürler.
Kaynaklar
[1] Arunta , H.Y., Uçucu Küllerin aat SektöründeKullan m Potansiyeli, Gazi Ünv. Müh. Mim. Der. 21 (1):193 – 203., 2006
[2] Türker, P., Erdo an, B., Kanta , F. ve Ye inobal , A.,Türkiye’deki Uçucu Küllerin S fland lmas veÖzellikleri, Türkiye Çimento Müstahsilleri Birli i Ar –Ge, Ankara, 2007.
[3] Topçu, .B., and Sar demir, M., Prediction ofCompressive Strength of Concrete Containing Fly AshUsing Artifical Natural Networks and Fuzzy Logic”,Computational Materials Science, 41, 305 – 311,2008.
[4] TS EN 197 – 1, Çimento – Bölüm 1: Genel Çimentolar– Birle im, Özellikler ve Uygunluk Kriterleri, TürkStandartlar Enstitüsü, Ankara, 2007.
[5] ASTM C 618, Standart Spesification for Coal Fly Ashand Raw or Calcined Natural Pozzolan for Use inConcrete, American Society For Testing andMaterials, 2008.
[7] TS EN 450, Uçucu Küller – Betonda Kullan lan, TürkStandartlar Enstitüsü, Ankara, 2008.
[8] Yi iter, H., Ayd n, S., Yaz , H. Ve Bardan, B., C TipiUçucu Kül Katk Betonlar n Baz Fiziksel, Mekanik veDurabilite Özelliklerinin Ara lmas , Beton 2004,stanbul, 2004.
[9] Asan, A. ve Yalç n, H., Uçucu Küllerin BetonarmeDemirlerinin Korozyonu Üzerine Etkisi, G.Ü FenBilimleri Dergisi, 16 (1): 47 – 54, 2003.
[10] Yaprak, H., im ek, O. ve Arunta , H.Y., Uçucu Kül veYüksek F n Cürufunun Ak kanla Katk BetonÜzerine Etkisi, Beton 2004, stanbul, 2004.
[11] Suba , S., Kap, T., Beycio lu, A. ve Çullu, M., UçucuKül Katk Miktar n Beton lenebilirli i ve Sertle meSürelerine Olan Etkisi, Düzce Üniversitesi, 2008.
[12] Ye inobal , A., Silis Duman ve Çimento ile BetondaKullan , Türkiye Çimento Müstahsilleri Birli i Ar –Ge, Ankara, 2007.
[13] Çelik, Ö., Alp., Y.Z., Damc , E., Elbeyli, .Y., Pi kin, S.,At k Çamur ve Silis Duman n Çimentolar n Bas nçDayan mlar Üzerine Etkileri, Beton 2004, stanbul,2004.
[14] Özcan, F., Silis Duman çeren Harç ve Betonlar nÖzellikleri ve H zland lm Kür ile Dayan m Tahmini,Çukurova Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü DoktoraTezi, Adana, 2005.
[15] im ek, O., Dur, A. ve Yaprak, H., Silis Duman veSüperak kanla Harçlar n Özellikleri, PoliteknikDer. Cilt:7 Say :2, 169 – 178, 2004.
[16] Bhanja, S. and Sengupta, B., Influence of Silica Fumeon the Tensile Strength of Concrete, Cement andConcrete Research 35, 743 – 747, 2005.
[17] K zgut, S., Çuhadaro , D. ve Çolak, K., ÇatalaTermik Santrali Uçucu Küllerinden Tu la ÜretimOlanaklar n Ara lmas , TUMAKS 2001, ISBN 975– 395 – 416 – 6, 2001
2142
5. Uluslararas leri Teknolojiler Sempozyumu (IATS’09), 13-15 May s 2009, Karabük, Türkiye
DETERMINATION OF CONCRETE PROPERTIES WITH IMAGEPROCESSING
emsettin KILINÇARSLAN a, *, Celalettin BA T b, Bekir ÇOMAK c ve skender AKKURT d
a * Yap E itimi Bölümü, TEF, Süleyman Demirel Üniversitesi, Isparta, Türkiye, E-posta: [email protected] Yap E itimi Bölümü, TEF, Süleyman Demirel Üniversitesi, Isparta, Türkiye, E-posta: [email protected] Yap E itimi Bölümü, TEF, Süleyman Demirel Üniversitesi, Isparta, Türkiye, E-posta: [email protected] Fizik Bölümü, FEF, Süleyman Demirel Üniversitesi, Isparta, Türkiye, E-posta: [email protected]
Özet
Bütün canl lar radyasyonla birlikte ya amakta, hayat n birparças olarak d uzay ve güne ten gelen kozmik nlar,yerkabu unda bulunan radyoizotoplar dolay yla toprak veyap malzemeleri, su ve g dalar gibi do al kaynaklardan vebunlara ilave olarak da yapay kaynaklardan
nlanmaktad r. Bu yollarla al nan dozun; yakla k %87'sido al kaynaklardan, %12'si t bbi uygulamalardan, gerikalan k sm ise mesleki nlamalar ve di er yapaykaynaklardan meydana gelmektedir. Radyasyon; maruzkalma süresine, iddetine ve maruz kal nan vücutbölgesine ba olarak, hücreyi parçalayabilir, zararverebilir. Radyasyondan korunman n temel kural ndan birtanesi z rhlamad r.
Röntgen nlar yumu ak ve sert olarak ikiye ayr r.Yumu ak X nlar n frekans dü ük, dalga boyuuzundur. Sert X nlar n ise dalga boyu k sa, frekansyüksektir. Sertli inin fazla olmas X nlar n en büyüközelli i olup, cisimlerin içine girebilme özelli iyle do ruorant r. çinden geçtikleri cismin atom a rl nartmas , X nlar n bu özelli ini azalt r. X nlar atom
rl fazla olmayan kal n maddelerin içinden çok kolaygeçebilirler.
Betonlar, kullan lan agregalar n a rl na ba olarakyo unluklar de ir. A r agregalar kullan rsa a rbetonlar, hafif agregalar kullan rsa hafif betonlar eldeedilir. Yo unlu u yüksek betonlardan daha az X geçerve röntgen filmi daha aç k renkli, yo unlu u dü ükbetonlardan daha fazla X geçecek ve daha koyurenkli röntgen filmi elde edilir.
Bu çal mada de ik yo unlukta betonlar üretilmi ve bubetonlar n röntgen filmleri çekilmi tir. Al nan görüntülergörüntü i leme teknikleri kullanarak i lenmi tir. Görüntü
leme metodunda görüntüsü beyazdan siyaha kadar olanrenkler ile skala olu turulmu tur. Görüntüler sonluelemanlara ayr larak her bir parça skala dade erlendirilmi ve bütün parçalar n de erleri toplanarakgörüntünün bütünü için bir de er elde edilmi tir. kütleselzay flatma katsay lar teorik olarak hesaplanm vesonuçlar kar la lm r.
Anahtar kelimeler: Beton, Görüntü i leme teknikleri,Röntgen, Lineer zay flatma katsay .
AbstractAll alive live can be irradiated due to the sources of naturalsuch as earth, cosmic rays and due to technological
development. Those of radiation include %87 naturalsources, %12 medicine practices and %1 other sources.Radiation harmful effects depend on experience time,experience place on body and radiation dosages. If anyprotection provisions don’t take it will to break up anddamage the cell. There are basic rules of protecting theradiation ray. One of them is shielding.
X-ray beams separate hard and soft beam. Soft X beamshave low frequency and have long wave. But hard Xbeams have long frequency and have long wave. Xbeams have got special characteristic hard and intomaterials. These characteristic decreases which matterhave got atomic weight. X beams could pass into matterwhich less atomic weight.
Concrete weight vary depend containing aggregate weight.If using heavy aggregate obtain heavy concrete, using lightaggregate obtain light concrete. Heavy concrete passingless X beams and obtain from clear X ray film. Lightconcrete passing more X beams and obtain from bold Xray film.
In this study, different types of concrete have beenproduced and X ray films have been taken. Those filmshave been processed using image process technique. Ascale has been formed from white to black. Imageseparate finite element and all images turn to account. Allimage account total amount. The mass attenuationcoefficients of those materials have been obtained andresults were compared.
Keywords: Concrete, Image processing techniques,Roentgen, linear absorption coefficient.
1. Giri
Bütün canl lar radyasyonla birlikte ya amakta, hayat n birparças olarak d uzay ve güne ten gelen kozmik nlar,yerkabu unda bulunan radyoizotoplar dolay yla toprak veyap malzemeleri, su ve g dalar gibi do al kaynaklardan vebunlara ilave olarak da yapay kaynaklardan
nlanmaktad r. Bu yollarla al nan dozun; yakla k %87'sido al kaynaklardan, %12'si t bbi uygulamalardan, gerikalan k sm ise mesleki nlamalar ve di er yapaykaynaklardan meydana gelmektedir [1].
Radyasyon; maruz kalma süresine, iddetine ve maruzkal nan vücut bölgesine ba olarak, hücreyi parçalayabilir,zarar verebilir. Bu yüzden radyasyondan korunma çokönemli olup bu korunma zaman, uzakl k ve z rh olarak
özetlenebilecek üç temel yolla yap r. Radyasyondankorunmada kur un gibi a r maddeler kullan labilmekteancak bu malzemelerin pahal ve di er olumsuzdurumlar ndan dolay en s k kullan lan betonlar nüretiminde çe itli malzemelerin agrega olarak kullan lmasda bu amaçla kullan labilmektedir [2]. Kullan lacakbetonlar n radyasyon so urma özellikleri yan nda di erfiziksel ve mekanik özelliklerinin belirlenmesi de önemlidir[3].
Betonlar n radyasyon so urma özelliklerinin ara lmasde ik metotlarla yap labildi i gibi bilgisayarla görüntü
leme yönteminin kullan lmas önemli ve ilginç bir metotolacakt r. Bilgisayarla görme, bir veya daha çokgörüntünün üzerinde bilgisayar analizinin, bir veya dahaçok ana i lemciyle zaman s ras na göre çe itli tekniklerlegerçekle tirilmesidir. Bilgisayarla görme, görüntü veyagörüntü setleri üzerinden bilgilerin teorik ve algoritmikolarak bilgisayar taraf ndan ç kar p incelenmesinisa layan bir bilimdir. Görüntü üzerindeki nesne venesnelerle ilgili, nesnenin konumu ve yönlendirilmesi ileilgili ve boyutuyla ilgili kavramlar içerir [4].
Görüntü i leme, genel terim olarak resimsel bilgilerinmanipulasyonu ve analizi demektir [5]. Bu analizde takipedilen baz temel a amalar u ekilde özetlenebilir: Birinci
ama, görüntü edinme i lemidir. Di er ad m ön i lemedir.Bu a amada, al nan görüntü bir sonraki a amada hatas zve kolay i lenebilmesi için daha belirgin ve anla r halegetirilir. Bu i lemlerden baz lar :
Görüntüyü belirginle tirmek Görüntüde bulunan kirlilikleri filtrelemek Görüntü üzerindeki yap sal bozukluklar yok etmek
veya minimize etmek
Daha sonraki i lem ise görüntüyü, kendisini meydanagetiren alt görüntülere parçalama, ay rma i lemidir. Buna,görüntü ay rma i lemi ya da segmentasyon i lemi denir.Detayl görüntü ay rma i lemleri, görüntü i lemede en zor
lemlerden say r. Bu nedenle genellikle küçük hatalarlabirlikte kaba görüntü ay rma i lemleri uygulan r[4].Bu çal mada üretilen beton çe itlerinin radyasyonso urma özellikleri görüntü i leme metodu ile eldeedilebilirli i ara lm r.
2. Kullan lan Malzemeler Ve Deneysel Yöntem
Bu çal mada; Isparta bölgesinin önemli agrega ihtiyackar layan Isparta-Atabey kum çak l oca ndan teminedilen kalker kökenli agrega, Isparta – Gölcük civar ndakipomza ocaklar ndan temin edilen agrega olmak üzere ikitip malzeme kullan lm r. Agrega kar m oranlar % 40kum (dane çap 0-4 mm) ve % 60 çak l (4-16 mm.) al nmve A16-B16 bölgesi içinde kalacak ekilde ayarlanm r.Kar m hesaplar , üretilecek betonun kuru plastik k vamdave maksimum dane çap 16 mm. ve beton s BS20olacak ekilde TS 802 ye uygun olarak haz rlanm r.
Normal agrega ile elde edilen betona NB ve Pomza ileelde edilen betona PB isimleri verilmi tir. Pomza ve baritile beton üretilirken, normal agrega hacmi kadar pomzakullan lm r. Beton üretilirken deneylerde kullan lan 1 m3
lm beton bile enlerinin miktarlar Çizelge 1’ deverilmi tir.
Çizelge 1. 1 m 3 kar ma ait beton bile enleri (kg)
Beton Su Çimento Agrega Pomza
Atabey (NB) 200 310 1800 ---
Pomza (PB) 140 440 --- 1020
Çe itli deneylerde kullan lmak üzere her bir betonndan 3 adet standart silindir numune, 5 adet 15 cm.
küp ve röntgen filmi çekebilmek için 35x35x3 cmölçülerinde numuneler üretilmi tir. Numuneler deneylerinyap laca güne kadar ba l nemi % 65 olan ve s cakl 220C olan kür odas nda saklanm r.
Beton kar n homojen olabilmesi için kar m suyunaçimento miktar n %1’i kadar süper ak kanla katkkullan lm r. Röntgen filminde kullan lacak beton plaklar ngörüntüsü ekil 1’de verilmi tir.
ekil.1 Röntgen filmi çekiminde kullan lan beton örnekler
Agregaya ait kimyasal analizler Gölta ÇimentoFabrikas ’nda yapt lm r. Beton bile iminde kullan lanmalzemelere göre hesaplanan ve betonlar n radyasyongeçirgenlik de erlerinin bilgisayar program ile eldeedilmesi için kullan lan beton çe itlerinin kimyasal bile imde erleri yüzde olarak Çizelge 2’de verilmi tir.
Betonlar n kütle zay flatma katsay lar teorik olarakhesaplanm r. Teorik hesaplar; XCOM adl bilgisayarprogram kullan larak elde edilmi tir.
Çizelge 2. Beton çe itlerinin kimyasal analiz % de erleri
KimyasalBile im NB PBCaO 0,37643 0,12124
MgO 0,10930 0,01064
NaO 0,00343 0,03957
K20 0,00043 0,03616
Fe2O3 0,00403 0,00801
P2O5 0,00004 0,00005
CO2 0,29271 0,00152
SiO2 0,13740 0,56014
H2O 0,06450 0,09348
Al2O3 0,00903 0,12102
SO2 0,00402 0,00579
Bu program foton enerjisi 1keV’dan 100 GeV’ e kadar olanherhangi bir element veya malzemenin kütlesel so urmakatsay lar hesaplayarak fotoelektrik, Compton ve çiftolu umuna ait lineer so urma katsay lar ayr ayrhesaplayarak toplam kütlesel zay flatma katsay lar verir[6].
2144
KILINÇARSLAN . , AKKURT . , ÇOMAK B. ve BA T C.
Görüntü i lemede kullan lacak olan beton ve kur unlevhan n röntgenleri ekil 2 de gösterildi i gibi SüleymanDemirel Üniversitesi T p Fakültesi hastanesindegerçekle tirilmi tir. Betonlarla yap lan deneyler SDÜ FizikBölümü Nükleer Fizik Laboratuar ndan temin edilen20*10*3cm lik kur un levhalarla tekrarlanm r.
Elde edilen röntgen filmi görüntüleri Matlab program nImaging Processing Toolbox’ kullan larak i lenmi tir.Betonlardan ve kur una ait röntgen filmlerinden 200x200piksellik röntgeni temsil edecek ekilde 3 ayr noktadanbölümler al nm r. Al nan resimler Matlab programsayesinde say salla lm r. Say salla lm resimler200 sat rdan ve 200 sütundan olu an 40.000 elemandanolu an bir matristir. Elde edilen resimler Grayscale’da 8bitlik resimler olup sadece 0–255 aras nda renk de erialabilmektedir. 0 de eri siyah rengi, 255 de eri de beyazrenge kar k gelmektedir. ekil 3’de Matlab n mtool arackullan larak seçili pikselin renk de eri görülmektedir. ekil4 de NB türü betona ait betonlar n say salla lm haliverilmi tir.
ekil 2. Kur un ve betonlar n röntgen filminin çekilmesi
ekil 3. Seçili pikselin alm oldu u renk de eri
ekil 4. Atabey’e ait betonun say salla lm hali
3. Sonuçlar ve Tart ma
Bu çal mada beton ve z rh malzemesi olarak en çokkullan lan kur unun çekilen röntgen filmlerinden say salde erler elde edilerek bu de erlerin radyasyon so urmaözellikleri ile ili kisi ara lm r. Elde edilen Çizelge 3’dekur un ve üretilen betonlar n birim a rl klar verilmi tir.Hesaplanan kütlesel so urma katsay lar ve elde edilenrenk de erleri Çizelge 3’de verilmi tir. ekil 5,malzemelerin yo unluklar ile piksel renk say lararas ndaki ili kiyi göstermektedir. Elde edilen kütleso urma katsay lar ile elde edilen renk say lar aras ndakiili ki ise ekil 6 da gösterilmi tir. Bu ekilden görüldü ügibi %99 gibi bir lineer korelasyon bulunmu olup görüntü
leme metodunun malzemelerin radyasyon so urmaözelliklerinin elde edilmesi amaçl olarak kullan labilece inigöstermektedir.
Çizelge 3. Kur un ve betonlar n say salla lm renkde er ortalamalar
Numune Yo unluklargr/cm3
Piksel renkde er
ortalamas
Kütleselso urmakatsay
Kur un 11,34 5.070.502 2,42E+00NB 2,59 768.325 2,25E-01PB 1,92 380.292 2,12E-01
2145
KILINÇARSLAN . , AKKURT . , ÇOMAK B. ve BA T C.
ekil 5. Yo unlu un renk say lar ile de imi
ekil 6. Kütlesel so urma katsay lar n renk say lar ilede imi
Kaynaklar
[1] TAEK http://www.taek.gov.tr/[2] I. Akkurt vd "Radiation shielding of concretes
containing different aggregates" Cement and ConcreteComposites, 28-2 (2006)153-157.
[3] S. K nçarslan vd "The effect of barite rate on the somephysical and mechanical properties of concrete"Materials Science & Engineering A Volume 424, 1-2,(2006)83.
[4] Baxes, G.A., Digital image processing, principles andapplications. 452 s., John Wiley & Sons, Inc., USA,1994.
[5] Castelman, R. K., Digital image processing. Prenticehall, Englewood Cliffs, New Jersey, USA. 1996.
[6] Berger MJ, Hubbell JH. NBSIR 87-3597: Photoncross- sections on a 158 personal computer. NationalInstitute of Standards, Gaithersburg. MD 20899, USA;1987.
KATI ATIKLARLA ELDE ED LM BETONLARDA DAYANIM AZALMAFAKTÖRÜNÜN BEL RLENMES
THE DETERMINATION OF THE STRENGTH REDUCTION FACTOR ONTHE CONCRETE PRODUCED WITH SOLID WASTES
Mehmet EM RO LUa, * Servet YILDIZb, M. Halidun KELE TEMURc
a, * Düzce Üniversitesi Teknik E itim Fakültesi Yap E itimi Bölümü, DÜZCE, TÜRK YE, [email protected] rat Üniversitesi Teknik E itim Fakültesi Yap E itimi Bölümü, ELAZI , TÜRK YE, [email protected]
c rat Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Metalurji ve Malzeme Mühendisli i Bölümü, ELAZI , TÜRK YE,[email protected]
Özet
At k ta t lasti i ve kay çekirde i kabu u gibi kat at klarbeton içerisinde çe itli amaçlarla de erlendirilenmalzemeler aras ndad rlar. Kay çekirde i kabu u, sertve gözenekli yap ndan dolay , beton agregalar nabenzerlik göstermektedir ve beton içerisinde kullanmak içinuygundur. At k ta t lastikleri ise son y llarda betoniçerisinde agrega olarak kullan lmaktad r. Bu çal madaat k ta t lasti i ve kay çekirde i kabu u beton içerisindehammadde olarak kullan lm r. Çal mada, hem at k ta tlasti i hem de kay çekirde i kabu u kullan ile eldeedilen betonlar n bas nç dayan mlar n azaldgözlenmi tir. Dayan mdaki bu azalmay simule etmekamac yla kat at klar n kullan ile beton dayan ndameydana gelen azalma istatistiksel olarak belirlenmeyeçal lm r.
Anahtar kelimeler: Beton, Kat at klar, statistik, Dayan mazalma faktörü
Abstract
Waste vehicle tire and apricot pip shells are some of thematerials evaluated in the concrete for various intention.Because of their rough and porous structures, apricot pipshells resemble similarity to the concrete aggregates.Waste vehicle tires are used as aggregate in the concreterecently. In this study, rice waste vehicle tires and theapricot pip shells are used as raw materials in theconcrete. It is observed that using them into the concreteas aggregate, the compressive strength of the concretewas reduced. Strength reduction factor of the concreteincluding these wastes was studied to determinestatistically.
Kat at klar, son y llarda dünyada en önemli çevreselsorunlardan biri olarak gösterilmektedir. Üretim ve kullan mfaaliyetleri sonucu ortaya ç kan, insan ve çevre sa nazarar verecek ekilde do rudan veya dolayl biçimde alortama verilmesi sak ncal olan her türlü maddeye at kdenilmektedir [1]. Cam eler, plastik içecek ve yemekkaplar , teneke kutular, kereste at klar , mobilya dö emeat klar , ezilmi seramikler ve camlar, at k beton kütleleri,at k araç lastikleri, kauçuklar ve meyve çekirdekleri vbtar msal at klar endüstriyel kat at klar aras nda yer
almaktad r. Son y llarda, bu at klar beton içerisindede erlendirilerek hem betonun arzu edilen özelliklerininbaz lar n sa lanmas hem de çevre için zararl olan buat klar n yönetimine katk da bulunulmas amaçlanmaktad r[2, 3].
At k lastiklerin yönetimi konusunda son zamanlardadünyada oldukça fazla çal ma yap lmaktad r. Khatib veBayomy 1999 y nda yapm olduklar çal mada, lastikkauçuklu betonun mekanik özelliklerini incelemi lerdir.Çal mada, ince agrega yerine k nt lastik, iri agregayerinede lastik çip kullan lm r. Çal ma neticesinde,kauçuk içeri indeki art la birlikte mukavemet de erlerindeazalma meydana geldi i gözlenmi tir [4]. Güneyisi vearkada lar yapt klar çal mada, silika katk ve silikakatk z lastik kauçuklu betonun mekanik özelliklerinibelirlemi lerdir [5]. Emiroglu 2004 y nda yapm oldu uçal mas nda at k ta t lastiklerinin beton içerisindekullan labilirli ini ara rm r. Bu amaçla normal agrega ileat k ta t lastiklerini %0, %5, %10, %15 ve %20oranlar nda yer de tirmi tir. Bu ekilde elde edilen betonnumunelerinin bas nç dayan mlar nda lastik ilavesi ileazalma oldu unu kaydetmi ler ve dayan mdaki buazalman n lastikler ile çimento harc aras ndaki aderanstankaynakland belirtmi lerdir [3].
Geli mekte olan ülkelerde, tar msal at klar yayg n bir alanasahiptirler ve bu tar msal at klar yap endüstrisindealternatif bir malzeme olarak kullan labilir [6]. Kayçekirde i kabu u yayg n olarak üretildi i bölgelerde çevresorunlar na neden olmakta ve genel olarak nmaihtiyac kar lamak üzere yöre halk taraf ndan yak tolarak de erlendirilmektedir. Bu çal ma aç ndan kayçekirde i kabu unun beton içerisinde kullan lma nedeni,sert ve gözenekli yap ndan dolay beton agregalar nabenzerlik göstermesidir.
Bu çal mada, beton içerisinde kat at klar n kullan ilebeton dayan nda meydana gelen dü istatistikselolarak belirlenmeye çal lm r.
2. Materyal ve Metot
Bu çal mada, %0, %10, %15 ve %20 oranlar ndaki at kta t lasti i ve kay çekirde i kabu u agrega ile hacimceyer de tirilerek beton numuneler elde edilmi tir. Eldeedilen numuneler 28 gün süresince kür edildikten sonra TSEN 12390-3’e göre bas nç dayan mlar belirlenmi tir [7].
Çal mada Elaz Alt nova Çimento Fabrikas A. .’ninüretmi oldu u PÇ 42,5 R tipi çimento kullan lm r.Çimentoya ait fiziksel, kimyasal ve mekanik özelliklerÇizelge 1’de verilmi tir.
Çizelge 1 Kullan lan çimentoya ait özellikler.
2.2. At k Ta t Lasti i
Bu çal mada kullan lan at k ta t lastikler, lastik kaplamalemi s ras nda ortaya ç kan at k lastiklerden seçilmi tirekil 1).
ekil 1. At k lastik agrega.
Çal mada kullan lan at k lastik agregalar n özgül a rl0.95 gr/cm3 ve gev ek ve s k birim a rl klar s ras yla0.36 ve 0.46 gr/cm3, olarak belirlenmi tir.
2.3. Kay Çekirde i Kabu u
Bu çal mada kullan lan kay çekirde i kabuklar , Elazve Malatya yörelerinde yeti tirilen kay lar n fabrikalarda
kükürtleme i lemi ile kurutulmas sonucu ortaya ç kan at kkabuklardan elde edilmi tir. Kükürtleme i lemi sonundaelde edilen kay çekirde i kabuklar beton içerisindeagrega olarak kullan lmak için uygun de ildir. Bu nedenledeney öncesi kabuklar y kanarak yüzeyleri kükürttenar nd lm ve bilyeli tamburda ö ütülerek beton içerisindeagrega olarak kullan lmaya haz r hale getirilmi tir ( ekil 2).Deneyler kullan lan kay çekirde i kabu unun özgül
rl 1,40 gr/cm3 olarak tayin edilmi tir [8].
ekil 2. Kay çekirde i kabu u.
3. Deneysel Bulgular
3.1. Bas nç Dayan
Kür i lemi sonras nda, %0, %10, %15 ve %20oranlar ndaki at k ta t lasti i ve kay çekirde i kabu uagrega ile hacimce yer de tirilerek elde edilen betonnumunelerin bas nç dayan mlar belirlenmi ve sonuçlarÇizelge 2’de verilmi tir.
Çizelge 2 Bas nç dayan sonuçlar .
Kat At k Türü Oran(%)
Bas nç Dayan(MPa)
At k Ta t Lasti i 0 45.695 42.4910 37.3015 26.9620 23.91
Kay Çekirde i Kabu u 0 66.415 61.4210 54.0615 50.1720 43.79
3.2. Dayan m Azalma Faktörü
Beton içerisinde kat at klar n kullan ile betondayan nda meydana gelecek azalmay simule etmekamac yla, dayan m azalma oran (SRF) ile beton içerisindekullan lan kat at k oran (%) aras daki ili ki ara lm vebu parametreler aras ndaki ili ki regresyon analizi ilebelirlenmeye çal lm r. Dayan m azalma oran (SRF),kat at k içeren betonlar n bas nç dayan mlar n kontrolnumunesinin bas nç dayan na oran ile belirlenmi tir.
Çimentonun fiziksel özellikleriÖzgül a rl k, (gr/cm3) 3,05Özgül yüzey, (cm2/gr.Blaine) 3470Hacim genle mesi, (mm) 7Priz ba lama süresi, (h/dk.) 03:10Priz sonu, (h/dk.) 04:15
Çimentonun mekanik özellikleri2. gün mukavemet, (N/mm2) 24,27. gün mukavemet, (N/mm2) 43,528. gün mukavemet, (N/mm2) 54,5
2148
Emiro lu, M., Y ld z, S. ve Kele temur, M., H.
Çal mada RF’yi belirlemek için regresyon analizinde dahaönceden Khatip ve Bayomy ve Güneyisi ve di . taraf ndankullan lan ve ba ar sonuçlar n elde edildi i formülkullan lm r (Denklem 1).
ileartba 1R)-(1baSRF m
. (1)
Burada;SRF: Dayan m azalma faktörü (0 ile 1 aras nda),R: Kat at k içeri i, toplam agrega hacmine göre (%),a, b ve m ise fonksiyon parametreleridir.
Yap lan regresyon analizi sonucunda elde edilen fonksiyonparametreleri çizelge 3’de ve SRF’lere ait grafik ise ekil3’de verilmi tir.
Çizelge 3 Fonksiyon parametreleri.
FonksiyonParametresi
At k Ta t Lasti i Kay Çekirde iKabu u
a 0.120 0.362
b 0,880 0.638
m 3.25 3.54r2 0.926 0.988
4. Sonuçlar
Bu çal mada, normal agrega ile at k ta t lastikleri vekay çekirde i kabu u %0, %5, %10, %15 ve %20oranlar nda yer de tirilmi ve elde edilen numunelerinbas nç dayan mlar belirlenmi tir. Ayr ca kurulan regresyonmodeli ile de kat at k kullan ile dayan mda meydanagelen dü simule edilmeye çal lm r.
Yap lan çal ma sonucunda; beton içerisinde at k ta tlasti i ve kay çekirde i kabu u gibi kat at klar nkullan ile beton bas nç dayan nda dü oldu u vekurulan regresyon modeli ile dayan m azalma faktörününiyi bir biçimde modellendi i gözlenmi tir.
Kaynaklar
[1] http://www.atikyonetimi.net/index.php?categoryid=10.[2] Emiro lu, M., “At k ta t lasti in beton içerisinde
kullan ve betonun karakteristiklerine etkisi” F ratÜniversitesi, Fen bilimleri Enstitüsü, Yüksek LisansTezi, 2006.
[3] Emiroglu, M., Yildiz, S., Kelestemur, M., H. “AnInvest gat on On Itz M crostructure Of The concreteconta ng waste veh cle t re”, 8. Uluslar Aras K lmaKonferans Bildiriler Kitab , 453-459, 2007 .
[4] Khatib, Z., K. and Bayomy, F., Rubberized PortlandCement Concrete”, Journal of Materials in CivilEngineering, Vol. 11, No. 3, 206-213, 1999.
[5] Güneyisi, E., Geso lu, M. and Özturan, T., Propertiesof Rubberized Concretes Containing Silica Fume,Cement and Concrete Research, 34, 2309-2317,2004.
[6] Manan, M., A., Ganapathy, C., Concrete from anagriculture waste-oil palm shell (OPS), Building andEnvironment, (39), 441-448, 2004.
[7] TS EN 12390-3, Beton–sertle mi beton deneyleri,Bölüm 3: Deney numunelerinde bas nç dayan nTayini, Türk Standartlar Enstitüsü, 2003, Ankara
[8] Atalar, O., Kay çekirde i kabu unun ilave edilmesiile elde edilen hafif betonun karakteristik özelliklerininara lmas , F rat Üniversitesi, Fen bilimleri Enstitüsü,Yüksek Lisans Tezi, 2006.
FARKLI YÖNLERDEN ALINAN BETON KAROT NUMUNELER N BASINÇDAYANIMLARININ ALTERNAT F B R YÖNTEMLE TAHM
WITH AN ALTERNATIVE METHOD PREDICTION OF THE COMPRESSIVESTRENGH OF CONCRETE CORE SAMPLES TAKEN FROM DIFFERENT
DIRECTION
Metin M. Uzuno lua, Ahmet Beycio lub , Sercan Serinc
a*Düzce Üniversitesi, Teknik E itim Fakültesi, Yap E itimi Bölümü, Düzce, Türkiye, [email protected]üzce Üniversitesi, Teknik E itim Fakültesi, Yap E itimi Bölümü, Düzce, Türkiye, [email protected]
cDüzce Üniversitesi, Teknik E itim Fakültesi, Yap E itimi Bölümü, Düzce, Türkiye, [email protected]
Özet
Bu çal mada, sertle mi betondan farkl yönlerdeal nan karot numunelerinin bas nç dayan mlar , al nankarot numunelerin aç sal olarak yönü ve birim a rlreferans al narak bulan k mant k yakla ile tahminedilmi tir. Deneysel çal malar kapsam nda C25betonundan 40 adet küp numune haz rlanm r. Al nanbu numunelerden 8 tanesi ahit numune olarak ayr lmdi er numuneler ise beton döküm yönü baz al narakbeton döküm yönüne paralel (dü ey), beton dökümyönüne dik (yatay), beton döküm yönüne 300 ve 450
imle toplam 62 adet karot numune al nm r. ahitnumune ve al nan karot numunelerin temel fizikselözellikleri, su emme oranlar , bo luk oranlar ve bas nçmukavemetleri belirlenmi tir.
Deney sonuçlar ndan elde edilen veriler kullan larakbeton bas nç mukavemetinin tahmin edilebilmesiamac yla karot alma yönü ve birim a rl n girdi olarakkullan ld bir bulan k mant k modeli olu turulmu vedeneysel sonuçlarla kar la lm r. Sonuç olarakolu turulan modelin bas nç dayan n tahmini içinkullan labilece i görülmü tür.
Anahtar kelimeler: Beton, Karot, Bas nç Mukavemeti,Bulan k Mant k
Abstract
In this study, the compressive strength of the coresamples taken different direction of the hardenedconcrete were predicted by using fuzzy logic approachbased on the angel of direction and unit volume weightof the core samples. In the experimental study, 40 cubesamples with 15x15x15 cm were prepared from C25concrete and from them 8 samples were used asreferences. From the other samples totally 62 coresamples were taken according to angle with 00, 300, 450
and 900 of the direction of concrete pouring. Basicphysical properties, the ratio of the water absorption,the ratio of volume of voids and compressive strength ofthe core samples were designed.
By using the result of the experimental test a fuzzy logicmodel was constituted according to the angel of thepouring direction and unit volume weight of the
hardened concrete to predict the compressive strengthof the concrete. The experimental test result and theresults of the prediction model were compared withtogether. As a result, it was seen that the predictionmodel could be used for prediction the compressivestrength of the concrete with different angel of thepouring direction.
Beton bas nç dayan n belirlenmesinde farklyöntemler kullan lmaktad r. Beton kalitesini belirlemeyeyönelik yap lacak testler için betonun yerine dökümüesnas nda standart küp veya silindir deney numunelerial nmaktad r. Bu numunelerin mukavemet de erleri 28günlük bas nç dayan mlar na göre belirlenmektedir [1].Betonun zemin üstü veya zemin alt yap larda tasistem malzemesi olarak kullan m tarihçesinebak ld nda, yap servis ömrünün de ik a amalar ndave yine farkl amaçlara yönelik olarak kalitesininbelirlenmesi gere i hep duyulmu ve duyulacakt r da[2].
Beton, bas nç mukavemetlerini kar layan bir malzemeoldu u için betondan beklenilen en önemli özellikbas nç mukavemetinin yüksek olmas r. Yüksekmukavemetli betonun genel olarak bo luk oran azd r,su geçirimlili i dü üktür, a nmaya kar dirençlidir ve
etkilere dayan kl r [3-4]. Beton kalitesinin gerekdenetleme gerekse de erlendirme amac ilebelirlenmesinde de ik yöntemler kullan lmaktad r.Genelde beton döküm a amas nda özellikle önemliyap larda ve büyük antiyelerde standart küp veyasilindir örnekler al nmaktad r. Bu örneklerin 28 günlükbas nç mukavemetlerinde, çimento, agrega, su/çimentooran vb. deneylerden kaynaklanan, deney sonuçlar nfarkl klar olu maktad r. Bunlar n yan s ra betonundökümü s ras nda kal ba yerle tirme ve s rmadaki,özen yap elemanlar n gerçek boyutlar n 15 cm likküp örneklerinden de kenlik göstermesi, kürartlar n standartlarda kabul edilen de erlerden farkl
olabilmesi betonun “yerinde dayan ” n n standart küpveya silindir örneklerinden daima daha küçük olmas nayol açmaktad r [5-6].
Bu çal mada, betonun bas nç dayan n karotnumuneler ile belirlenece i durumlarda karot almayönünün betonun bas nç dayan na olan etkisideneysel olarak ara lm r. Deney sonuçlar ndanelde edilen veriler kullan larak beton bas nçmukavemetinin tahmin edilebilmesi amac yla karot almayönü ve birim a rl n girdi olarak kullan ld birbulan k mant k modeli olu turulmu tur. Modelolu turulurken birim a rl k girdisine ait üyelikfonksiyonlar olu turulurken bütün deney setlerindenbirim a rl k de erleri için ortalama, en küçük ve enbüyük de erler referans al nm r. 00 (yatay), 300, 450
ve 900 (dü ey) aç ile al nan karot numunelerden her biraç de eri için 5 adet olmak üzere 20 adet betonnumunesine ait deneysel veri modelin test edilmesiamac yla kullan lm r. Tahmin sonuçlar 00 (yatay),300, 450 ve 900 (dü ey) yönde elde edilen deneysonuçlar ile kar la lm r.
2. Malzeme ve Yöntem
2.1. Malzeme
Bu çal mada C25 haz r betonu kullan lm olupkullan lan betonun özellikleri a da ifade edilmi tir.
Beton s : C25Dmak : 22 mmS/Ç : 0,49Çökme : 16 cm
1 m3 beton kar nda kullan lan malzemelere aitözellikler a da verilmi tir.
Malzeme Ad Tip A rl k(kg)rma Kum 0-5 526
r 1 5-15 468r 2 15-25 454
Ta tozu 335
Toplam agrega 1783 (kg)Çimento PÇ 42.5 370 (kg)K.Katk Süper Flow NY 3,7 (kg)Su 181 (lt)
Haz rlanan beton kar ndan TS EN 12390-1’e göre150 mm boyutlar ndaki küp kal plara TS EN 12390-2 yegöre 40 adet numune haz rlanm r.
2.2. Yöntem
28 günlük kür i leminden sonra bu numunelerin 8 tanesiahit numune olarak ayr lm di er numuneler ise beton
döküm yönü baz al narak beton döküm yönüne paralel(dü ey), beton döküm yönüne dik (yatay), beton dökümyönüne 300 ve 450 e imle toplam 62 adet 70 mm’ likkarot numune al nm r. ( ekil 1–2). Elde edilen karotnumunelerin TS EN 12390-3’e göre bas nç dayan mlarbelirlenmi tir.
ekil 1. Aç sal (30-45 ) olarak karot al nmas
ekil 2. Dü ey-Yatay olarak (0-90) karot al nmas
3. Bas nç Deneyi Sonuçlar
Beton karot numuneler ve ahit numuneler TS EN12390–3 Sertle mi Betonun Bas nç Dayanstandard na göre 0,2 MPa/sn lik bir h z ile bas nçdeneyine tabi tutulmu tur. Ayr ca bütün karotnumunelerin birim hacim a rl k de erleri debelirlenmi tir. Deneysel olarak bulunan ve bulan kmant k modelinin hem olu turulmas nda hem de testedilmesinde kullan lan karot numunelere ait deneysonuçlar dört ayr grupta gösterilmi tir. 1. Gruptakarotlar dü ey, 2. grupta 300, 3. grupta yatay ve 4.grupta ise 450 lik bir aç yla al nm r (Çizelge 3).
Bulan k mant k yakla ilk olarak 1965 y ndayay nlanan bir makalede Lotfi A. Zadeh taraf ndantan mlanm r. Zadeh bu çal mas nda insan beynininbüyük bir bölümünün bulan k oldu unu belirtmi tir.Klasik kümeler olarak bilinen kesin kümeler ait oldu uevrensel kümenin her bir eleman na 1 ya da 0 de eriniatamaktad r. Bir nesne 1 de erini al rsa kümenineleman , 0 de erini al rsa kümenin eleman de ildir. 0ve 1 de erlerini alan kesin kümelere kar k olarakbulan k mant k kümelerinde 0 ve 1 aras nda de ebilende erler vererek üyelik i levlerini ortaya koymu tur.Bulan k mant kta belirsizlik durumlar , bu durumu temsileden küme elemanlar na üyelik fonksiyonlar nverilmesi ile tan mlan r. En büyük önem derecesinesahip olan ö elere 1 de eri atan rsa, di erleri 0 ile 1aras nda de im gösterir. Bu ekilde 0 ile 1 aras ndakide imin her bir ö e için de erine üyelik derecesi vebunun bir alt küme içindeki de imine de üyelikfonksiyonu denilmektedir. Bulan k mant k (BM) bulan kdenetleyiciden olu maktad r. Genel olarak bir bulan kmant k i lemi, veri taban , bulan kla rma, ç kar mmotoru, kural taban , durula rma ve ç kt i lemlerindenmeydana gelmektedir. Bulan k mant kta Mamdani veSugeno olmak üzere iki farkl ç kar m sistemikullan lmaktad r. [7-8-9].
5. Uygulama ve Bulgular
Çal mada betondan aç sal olarak karot alma yönü vebirim hacim a rl k de erleri girdi parametresi ve bas nçdayan de eri ç kt parametresi olan 2 girdi ve 1 ç ktbir sistem olu turulmu tur. Olu turulan sistemde girdilerve ç kt için belirlenen üyelik fonksiyonlar ekil 3. a-bve c’de verilmi tir.
ekil 3a. Karot alma yönü için bulan k üyelikfonksiyonlar
ekil 3b. Birim hacim a rl k için bulan k üyelikfonksiyonlar
ekil 3c. Bas nç dayan için bulan k üyelikfonksiyonlar
De im aral klar s ras yla karot alma yönü için [0-90],birim a rl k için [2,23-2,41] ve bas nç dayan için [26-43] alt ve üst s rlar nda olan seçilmi üyelikfonksiyonlar ile olu turulan modelde 4*10=40 adetkural yaz larak girdiler ve ç kt de eri aras ndakimant ksal etkile im sözel ifadelerle belirlenmi tir.Modelde kurallar olu turulduktan sonra durula rma
amas nda modelin tahmin sonuçlar , her bir açde erinde rastgele olarak belirlenmi olan 20 adet testverisi ile deneysel sonuçlarla kar la lm r.Olu turulan bulan k mant k modelinden elde edilende erler ile deneysel olarak elde edilen de erleraras ndaki ili kiler her aç de eri için ayr ayr seçilmiolan veriler ile kar la lm r.Yap lan kar la rmalarda 0 0C (yatay), 30 0C, 45 0Cve 90 0C (dü ey) aç ile al nm karot numuneler içinbulunan korelasyon grafikleri s ras yla ekil 4 a-b-c ved’ de verilmi tir.
2152
Uzuno lu, M., Özgan, E., Beycio lu, A.,
R2 = 0,7698 aç =90 (dü ey)
37
38
39
40
41
42
37 38 39 40 41 42
ekil 4a.Dü ey yönde al nan karot numuneler içinmodel-deney ili kisi
R2 = 0,9029aç = 0 (yatay)
33
34
35
36
37
38
39
40
41
33 35 37 39 41 43
ekil 4b.Yatay yönde al nan karot numuneler içinmodel-deney ili kisi
R2 = 0,9707aç = 30
29
30
31
32
33
34
35
36
37
30 32 34 36 38
ekil 4c. 300 aç ile al nan karot numuneler için model-deney ili kisi
R2 = 0,7139aç = 45
303132
33343536
373839
30 32 34 36 38 40
ekil 4d. 450 aç ile al nan karot numuneler için model-deney ili kisi
6. Sonuçlar ve öneriler
Sonuçlar deneysel çal malar aç ndande erlendirildi inde;
Al nan karot numunelerin bas nç dayan mlar ahitnumuneler ile kar la ld nda beton döküm yönüneparalel (dü ey) olarak al nan karot numunelerinin betonbas nç dayan mlar di er yönlerde al nan numunelerinbeton bas nç dayan mlar na göre daha yüksek ç ktbelirlenmi tir. Dü ey yönde al nan karot numune iledi er yönlerde al nan karot numunelerin bas nçdayan mlar aras nda % 0.5 ile % 4 aras nda de enbir fark oldu u tespit edilmi tir.
Deneysel çal malardan elde edilen birim hacim a rl kde erleri ile karot alma aç n girdi olarak kullan ldbulan k mant k modeli sonuçlar deneysel sonuçlarlakar la rmal olarak incelendi inde;
Bulan k mant k modeli ile dü ey yönde (900 ) al nankarot numunelerinin deneysel sonuçlar aras ndakorelasyonun 0,7698 de erini ald , yatay yönde (00)al nan karot numuneler ile 0,9029, 300 aç ile al nankarot numuneler ile 0,9707 ve 450 aç ile al nan karotnumuneler ile 0,7139 de erini ald görülmektedir.
Sonuç olarak, test amac yla seçilmi farkl karot yönüve birim a rl k de erlerine sahip olan bütün betonserilerinde bulan k mant k modelinin deneyselsonuçlarla uyum içerisinde oldu u söylenebilir. Fakatbilindi i gibi betondan al nan karot numunelerdemekanik özellikler üzerinde etkili olan birçok parametrevard r. Bu çal mada seçilmi olan girdi parametrelerineek olarak daha kapsaml ve beton bas nç dayanetkileyen daha fazla girdi parametresi kullan larakyap lacak modelleme çal malar faydal olacakt r.
KAYNAKLAR
[1] TS EN 206-1 Beton, TSE yay nlar , Ankara, 2002[2] Uzuno lu M., 1999 Düzce Depreminde Y lan
Baz Binalar n Betonlar n Fiziksel Ve MekanikÖzelliklerinin ncelenmesi,Yüksek lisans Tezi,
2153
Uzuno lu, M., Özgan, E., Beycio lu, A.,
Sakarya Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü,Sakarya, 2005.
[3] Baradan, B., Yaz , H., Ün, H., “BetonarmeYap larda Kal k, (Durabilite)” Dokuz EylülÜniversitesi Mühendislik Fakültesi Yay nlar , 2002.
[4] im ek O., Bekta , Salih. Erdal, Mürsel.Vibrasyon Süresinin Beton Bas nç Dayan na veBirim A rl na Etkisi: Bilimsel Makale. PoliteknikDergisi Cilt: 5 Say : 2, 2002
[5] im ek,Osman. Sancak, Emre. Yaprak, Hapsi.Beton Yollarda Alternatif Bir Malzeme. VakumluBeton: Bilimsel Makale. Ankara:2005
[6] Erdo an, Y. Turhan. Beton. O.D.T.Ü. aatMühendisli i Böl. Metu PressPublishing Company.1.Bask Ankara:2003
[7] Zadeh, L.A., “Fuzzy Sets”, Information andControl, Vol. 8., pp. 338-353, 1965.
[8] Demir, F, Tekeli H, Korkmaz, A, “ElastisiteModülünün Göreli Kat Ötelemelerinin
[9] Ozgan, E., Fuzzy Logic and statistical-basedmodeling of the Marshall stability of asphaltconcrete under carying temperature and exposuretimes. Advances in Engineering Software. In Pres.
2154
5. Uluslararas leri Teknolojiler Sempozyumu (IATS’09), 13-15 May s 2009, Karabük, Türkiye
YAPI ÜRÜNLER N “H ZMET ÖMRÜ” AÇISINDAN RDELENMES :BETONARME ÖRNE
EXAMINATION OF CONSTRUCTION PRODUCTS WITHIN THE CONTEXTOF “SERVICE LIFE”: CASESTUDY OF REINFORCED CONCRETE
lknur BEKEMa * , Arzuhan Burcu GÜLTEK Nb ve Çi dem Belgin D KMENc
a*Ahi Evran Üniversitesi Kaman Meslek Yüksekokulu, K ehir, Türkiye, E-posta: [email protected] Üniversitesi Teknik E itim Fakültesi Yap E itimi Böl., Ankara, Türkiye, E-posta: [email protected]
cBozok Üniversitesi Mühendislik Mimarl k Fakültesi Mimarl k Böl., Yozgat, Türkiye, E-Posta: [email protected]
Özet
zl nüfus art , plans z kentle me, plans z endüstrile meve do al kaynaklar n h zl bir ekilde tüketilmesi çevresorunlar beraberinde getirmektedir. Yap sektörü çevresorunlar na neden olan sektörlerin ba nda gelmektedir.Uzun hizmet ömrü olan yap lar, ya am döngüleri boyuncaen çok “kullan m” evresinde olumsuz çevresel etkilereneden olmaktad r. Günümüzde genellikle betonarmekarkas yap m tekni i ile yap üretilmektedir. Betonarmehizmet ömrü uzun olan yap ürünlerinden biri olmas nakar n, baz betonarme yap lar n kullan m evresi (hizmetömrü) çe itli etkenlere ba olarak erken sona ermektedir.Bu durum, yetersiz ve s rl olan do al kaynaklar ntüketiminin artmas na ve çevre kirlili ine neden olmaktad r.Bu bildiride, betonarmenin ya am döngüsü hammaddenin
kar lmas , üretim, yap m, kullan m, y m, geri dönü ümevreleri kapsam nda tan mlanmakta ve betonarme yapürünü, beton ve demir donat yap malzemelerinin “hizmetömürleri” aç ndan irdelenmektedir.
Anahtar kelimeler: Betonarme, Beton, Demir donat ,Ya am döngüsü, Hizmet ömrü
Abstract
Upsurge in population, unplanned urbanization,unplanned industrialization, and depletion of naturalsources rapidly bring environmental problems together.Construction sector head a list in the sectors thatcause environmental problems. Buildings, which havelong service lives, cause unfavorable environmentalproblems mostly in the usage phase. At the presentday, generally buildings are constructed by reinforcedconcrete framework construction technique. Althoughreinforced concrete is one of the construction productsthat has long service life, the usage phase (service life)of some reinforced concrete buildings end earlybecause of some factors. This situation brings onincreasing the depletion of natural sources that aredeficient and limited, and environmental pollution. Inthis proceeding, the life cycle of reinforced concrete isdefined in the context of extraction of raw materials,production, construction, usage, demolition, and afterdemolition stages; and reinforced concrete constructionproduct is examined according to “service life” ofconcrete and steel reinforcement.
Keywords: Construction Products, Reinforced Concrete,Concrete, Steel Reinforcement, Life Cycle, Service Life
1. Çevre ve Yap Sektörü li kisi
Dünyada çevre kirlili i artt kça çevre bilinci geli meyeba lam r. Çevre bilincine ko ut olarak tüm sektörlerintemel hedefi, insanlar n sa kl olarak ya amsürdürebilmesi ve çevre kalitesinin iyile tirilmesi olmu tur[1]. Çevre, insanlar n ve di er canl lar n ya amlar boyuncaili kilerini sürdürdükleri ve kar kl olarak etkile im içindebulunduklar fiziksel, biyolojik, sosyal, ekonomik ve kültürelortamd r [2]. Ya ayan tüm organizmalar n ya amlariçindeki ili kilerini kapsayan ortamlar canl çevre (insan,bitki, hayvan ve mikroorganizmalar), ya amlar n olu tu uortamlar ise cans z çevre olarak tan mlanabilir. Cans zçevre, do al (su, hava ve toprak) ve yapay (yap , yapürünleri vb.) çevreden olu ur [3]. Çevre kirlili ini önemliölçüde etkileyen sektörlerden biri cans z çevreyi olu turan“yap sektörü” dür [4].
Yap sektörünü olu turan yap ürünleri cans z çevrenin birbile enidir ve var oldu u süreçte çevre ile uzun sürelietkile ime girerek yerel ve küresel çevreleri olumsuz olaraketkiler [4]. Bu etkileri azaltmak için yap ürünleri (yapmalzemesi veya bile eni) hammaddelerinin
kar lmas ndan ba lay p, i lenmesi, paketlenmesi,ta nmas ; yap n in a edilmesi, kullan , gerekti izamanlarda bak m-onar ; ömrünü tamamlad ndaat lmas , geridönü türülmesi, birtak m i lemlerdengeçirilerek yeniden kullan ma haz r hale getirilmesinekadar geçen bir süreç içinde de erlendirilmelidir [1]. Bude erlendirme için Ya am Döngüsü De erlendirme-YDD(Life Cycle Assessment-LCA) yönteminden yararlan labilir.YDD yöntemine göre yap ürünlerinin ya amlar döngüselbir süreçtir. Bu süreç, hammaddenin ç kar lmas , üretim,yap m, kullan m, y m ve y m sonras evreleri kapsar [1].Yap ürünleri, ya am döngülerinin her evresinde farklçevresel etkilere sebep olabilir. [5-1] Bu etkilerinazalt lmas için yap malzemesi seçiminde malzemelerintüm ya am döngüleri baz ndaki sürdürülebilirlik ölçütleridikkate al nmal r. Sürdürülebilirlik ölçütleri ekil 1’deematik olarak ifade edilmektedir [6].
ekil 1’de ifade edildi i gibi yap ürünlerininsürdürülebilirlik ölçütlerinden biri de “dayan kl k”t r. Biryap ürününün dayan kl olmas , o yap ürününü olu turanmalzemelerin dayan kl olmas na ba r. Örne in,betonarme yap ürünün dayan kl , betonarmeyiolu turan betonun ve demir donat n dayan kl olmas naba r. Ya am Döngüsü De erlendirme (YDD)yönteminde dayan kl k ölçütü hizmet ömrü kapsam ndaele al nmaktad r.
2. Yap Ürünlerinin Dayan kl ve Hizmet Ömrü
Dayan kl k, yirminci yüzy n sonlar ndan itibaren dünyagenelini ilgilendiren önemli bir konu olmu tur [7]. Yap lar nve yap ürünlerinin i levlerini uzun y llar boyuncabozulmadan yerine getirmeleri “dayan kl k (durability)veya kal k ” olarak tan mlanabilir [8]. Dayan kl bir yap ,ilk eklini, niteliklerini ve hizmet görme yetene ini çevreninetkisinde uzun süre kaybetmeyen yap r. “Hizmet ömrü”dedi imiz bu süre sonunda, yap n kullan güvenliolmaktan ç kar. Yap , hizmet ömrü sonunda bak m, onar mgerektirebilir ya da y labilir [9]. Yap olu turan yapmalzemelerinin az dayan kl ve hizmet ömrünün kontroledilemez olmas ; bak m, onar m ve y ma, az olan do alkaynaklar n tüketilmesine neden olmaktad r [10].
Hizmet ömrü teknik, i levsel ve ekonomik hizmet ömrüolarak s fland labilir [11]. Teknik hizmet ömrü, yap dakihasar n kabul edilemez duruma gelmesine kadar hizmettegeçirdi i süredir. levsel hizmet ömrü, yap n i levselperformans n tüm ilgili taraflar veya yap sahibindengelen gereksinimlere yan t verebildi i sürece hizmettegeçirdi i süre olarak tan mlanmaktad r. Ekonomik hizmetömrü ise, yap n mevcut durumunun ba ka bir i lev içinde tirilinceye kadar hizmette geçirdi i süredir. Yap larhizmet ömrüne göre Çizelge 1’deki gibi s fland labilir.
Çizelge 1. Hizmet ömürlerine göre yap lar [12]
Yapflar
Tasarlananhizmetömrü
Örnek yap lar
Geçiciyap lar
10 y lakadar
Geçici in aat yap lar , satbürolar , antiyeler
Geçici sergi yap larOrta ömürlü
yap lar25 ile 49 y l
aras Sanayi yap lar Katl otoparklar
Uzunömürlüyap lar
50 ile 99 y laras
Konut, ticaret ve büro yap lar Sa k ve e itim yap lar Uzun ömürlü olaraktasarlanm yap lar n alt ndakikatl otoparklar
Sürekliyap lar
En az 100l
An t yap lar (müzeler, sanatgalerileri, ar ivler)
Tarihi yap lar
Uzun ömürlü yap lar için, yap ürünlerinin ya am döngüsüdaki varsay m ve tahminleri içermelidir [1]:
Hizmet ömrü Kullan m ve bak m-onar m yollar Bile enlerin onar ve yenilenmesi Yap n yeniden i levlendirilmesi ve yenileme çal malar Y m ve geridönü üm yollar
Türkiye’de en çok uygulama alan bulan karkas yap tipleriras yla betonarme, ah ap ve çelik yap lar olarak
fland labilir. Betonarme, ah ap karkas yap mtekni inden daha sonra ortaya ç km olmakla birlikte, çelikyap m tekni inden ekonomik olmas ve amaca uygunuygulama alan n daha geni olmas nedeniyle özellikleTürkiye’de ve Avrupa ülkelerinde daha yayg n uygulamaalan bulmu tur [13]. Betonarme, hizmet ömrü uzun olanyap ürünlerinden biridir. Betonarme yap lar hizmetömürleri boyunca çe itli çevresel etkenlere maruz kal rlar.Bu etkenler, betonarme yap n hizmet ömrünü etkileyenbozulmalara sebep olabilir [14]. Bu nedenle, betonarmeninya am döngüsünün tan mlanmas nda “hizmet ömrü”tahmini dikkate al nmal r.
3. Betonarmenin Ya am Döngüsü Kapsam ndaHizmet Ömrü Aç ndan rdelenmesi
Bir yap ürününün dayan kl na etki eden etkenler “içetkenler” ve “d etkenler” olarak s fland labilir. çetkenler, yap ürününü olu turan yap malzemelerininetkisidir. Betonarme, iki ana yap malzemesi (beton vedemir) ve bir yard mc malzemenin (kal p) birliktekullan lmas yla elde edilen bir yap ürünüdür. Bu durumda,malzemelerin kalitesi ve do ru uygulanmas bak ndanbetonarmenin dayan kl etkileyen üç yap malzemesivard r. Betonarmenin dayan kl olmas , betonun, demirdonat n ve kal plar n dayan kl olmas na ba r. YDDyöntemi kapsam nda dayan kl k ölçütü, “kullan m evresi”içinde yer almakta ve hizmet ömrü olarak incelenmektedir.Kontrol edilebilir hizmet ömrü, çevresel sorunlar nçözümüne yönelik al nacak önlemler için önemli birkonudur [10]. Hizmet ömrünün kontrolü için önceliklebetonarmenin ya am döngüsü evreleri tan mlanmal r.
3.1. YDD Yöntemi Kapsam nda Betonarmenin Ya amDöngüsü
Betonarmenin ya am döngüsü hammaddelerin ç kar lmas ;beton, demir donat ve kal p üretimi; betonarme yap nin as ; kullan ; y ; beton, demir ve kal plar ngeridönü türülmesi/yeniden kullan /at lmas süreçlerinikapsar. Betonarme yap n ya am döngüsü ekil 2’ deematik olarak ifade edilmektedir.
ekil 2. Betonarmenin ya am döngüsü evreleri
Hammaddelerin ç kar lmas evresi: Agrega, kalker, kil, alçta , su, katk maddelerinin ç kar ld ; orman ürünlerininkullan ld ve madencilik etkinliklerinin yap ld evredir.Betonarmeyi olu turan yap malzemelerinin üretimihammaddelerin ç kar lmas a amas ndan sonra ba lar.
Hammaddelerinkar lmas
Beton, demir donatve kal p üretimi
Betonarmeyap n in as
Betonarmeyap n kullan
Betonarmeyap n y
Beton, demir donat vekal plar n
geridönü türülmesi/yenidenkullan /at lmas
2156
Bekem, .a Gültekin, A.B.b ve Dikmen, Ç.B.c
Beton, demir donat ve kal p üretimi (Yap malzemelerininüretimi) evresi: Kalker, kil ve alç ta ile çimentonun;çimento, agrega, katk maddesi ile betonun, madenciliketkinlikleri ile demir donat n, orman ürünleri ile ah apkal plar n üretildi i evredir. Bu yap malzemelerininüretilmesi s ras nda çok fazla enerji kullan r, fabrikabacalar ndan ç kan zararl gazlar hava kirlili ine nedenolur.
Betonarme yap n yap m evresi: Yap malzemelerininantiye ortam na ta narak biraraya getirilmesiyle yap
ürününün (betonarme) meydana getirildi i evredir. Buevrede gürültü, kat at klar ve hava kirlili i meydana gelir.Kal plar geçici yap malzemesidir. Yap in a edildiktensonra kal plar ba ka uygulamalarda tekrar kullan labilir.
Betonarme yap n kullan m evresi: Yap n hizmetömrünü ifade eden evredir. Hizmet ömrü boyunca yapbak m-onar m gerektirebilir. Hizmet ömrü sonunda ise yap
r. Y m ile ortaya ç kan at klar çevre kirlili ine nedenolur.
Yap malzemelerinin geridönü türülmesi / yenidenkullan lmas / at lmas evresi: Hizmet ömrü biten yap n
ld evredir. Çevre kirlili i ve do al kaynaklar n tekrartüketilmesini önlemek amac yla agrega ve demir donatgeri dönü türülebilir. Betondan agregalar ve hurda demiray klan r.
Ya am döngüsü evreleri ekil 2’de verilen betonarmenindayan kl etkileyen iç etkenler betonarmeyi olu turanyap malzemelerinin kalitesiz olmas veya kalitesizuygulanmas r. Kalitesi yetersiz betonarmeye neden olanetkenler ekil 3’de ifade edilmektedir.
ekil 3. Kalitesiz betonarmeye neden iç etkenler [11]
Betonarme yap da hizmet ömrünün belirlenmesi, betonuolu turan malzemelerin (su, çimento, katk malzemesi veagrega), demir donat n, kal plar n (ah ap veya demir) ve
çili in özellikleri ile do rudan ili kilidir. Bu ili kibetonarmenin ya am döngüsü sürecinde, yap nkalitesini, performans ve dayan kl belirlemektedir.Betonarmenin ya am döngüsü ekil 4’te gösterilmi tir.
3.2. Betonun hizmet ömrü
Son y llarda betonarme yap lar n hizmet ömrü tahmini içingittikçe artan bir ilgi söz konusudur. Kontrol edilemeyenhizmet ömrü bak m-onar m ve y m, s rl ve yetersizolan do al kaynaklar n tüketilmesine neden olmaktad r. Bunedenle yap malzemesi olarak kullan lan beton için gereklikaynaklar n daha dikkatli kullan önemlidir [10]. Betonu
olu turan çimento, agrega ve su gibi hammaddelerindo adan elde edili leri s ras nda kullan lan yöntemlereba olarak, bitki ve hayvan ya am alanlar n yok olmas ,topografyada de iklik, erozyon, toz sal mlar , gürültü vegörüntü kirlili i olu mas , su tüketimi ve kirlili i gibiolumsuz çevresel etkiler meydana gelmektedir [15]. Yo unkullan nedeniyle betonu olu turan hammaddelerinmiktarlar gittikçe azalmaktad r. Worldwatch Enstitüsüverilerine göre, yap la ma faaliyelerinde her y l betonunüretiminde küresel olarak kullan lan ta , çak l ve kumun %40’ tüketilmektedir [15]. Do al kaynaklar n korunmas ,enerji korunumu, zararl baca gaz sal mlar n
tlanmas gibi etkenler çimento-beton üretiminde mineralve kimyasal katk lar n, endüstriyel at klar n ve alternatifyak tlar n kullan na önem verilmesini gerektirmektedir.Çimento fabrikalar nda kullan lm araç lastikleri, mineralya lar gibi birçok at k malzemenin yak t olarak kullanimdiden ba lam r. Ayr ca, betonarme yap lar n uzun
ömürlü olmas gere i çimento ve betonda “dayan kl k”kavram öne ç karmaktad r [16].
Betonarme dayan kl için ana malzeme olarak kullan lanbeton, haz rlanma ve ekil verilebilme kolayl ,mukavemet yüksekli i, yap m süresi k sal gibi özellikleresahip yapay bir malzemedir. Betonun çe itli etkenlere karyüksek dayan kl a sahip olmas (hizmet ömrünün uzunolmas ), çevresel aç dan en önemli özelli idir ve bu aç danekolojik say labilir [15]. Ancak betonun geçirimlili i buözelli i etkilemekte ve hizmet ömrünü azaltmaktad r.Betonun geçirgenli i kendisini olu turan bile enlerinözelliklerine ve beton üretim a amalar na ba r. Betondageçirgenli i etkileyen etkenler ekil 5’te ifade edilmektedir[17]. Betonun geçirimli olmas , d ortamdaki kimyasallar n,bozucu etkenlerin beton içine girerek çe itli reaksiyonlar nmeydana gelmesine sebep olacakt r. Betonun bu detkenlerden korunamamas hizmet ömrünü azalt r. Detkenlerin betona zarar vermesini engellemek için, içetkenler do ru olarak seçilmeli ve uygulanmal r. Bunlar;
ekil 5’te ifade edildi i gibi kar ma giren malzemeler,beton haz rlama yöntemleri ve betona sonradan uygulananyöntemler do ru seçilmelidir.
Kar ma giren malzemeler: Beton üretiminde kar magiren malzemeler çimento, agrega, su ve katkmaddeleridir. Bu yap malzemelerinin yanl seçimibetonda sonradan meydana gelebilecek sorunlaryaratabilir. Yap malzemelerinin standartlara uygunolmamas dayan m ve dayan kl k konusunda standartlar n
nda beton üretimine neden olacak ve betonarmeninhizmet ömrünü azaltacakt r. Çimento betonun en aktifbile enidir. Çimentolar n birim maliyetleri oldukça fazlad r.Bu nedenle, en uygun çimento türünün seçimi s ras nda,en ekonomik olan çimentoyu seçmek önemlidir. Çimentohamurunun mikroyap ise betonun dayan kl közelliklerini etkileyen en önemli parametrelerdendir [7].Çimento, birçok beton kar nda hacimce en az yerkaplayan bile endir. Ancak bir çal maya göre, betonüretimi için tüketilen enerjinin % 94’ü çimento üretimindenkaynaklanmaktad r [18].
Çimentonun aksine, agrega betonun ¾’ünü olu tururdolay yla agregan n beton dayan kl üzerinde önemlibir etkisi vard r. Ayr ca, agregalar n istenmeyen özellikleriiçermeleri halinde, betonun dayan m ve yap salperformans olumsuz yönde etkilenebilir.
KAL TES YETERS Z BETONARME
Kalitesi yetersizbeton
Kalitesi yetersizdonat
Kalitesi yetersizkal p
Yanl i çilik
Yanl malzeme seçimiYanl ekipman
2157
Bekem, .a Gültekin, A.B.b ve Dikmen, Ç.B.c
ekil 4. Betonarmenin ya am döngüsü
ekil 5. Betonun geçirgenli ini etkileyen etkenler
Agregada bulunan ve betonda dayan dü ürenistenmeyen özelliklerden biri de agregalar n çe itlimineraller içermesidir. Beton hacminin % 60-80'ini agregabile eni meydana getirdi i için agrega, gerekenmukavemete sahip olmal ve d etkenleredayanabilmelidir. Betonda agrega kullan lmas , sertle enbetonun hacim de ikli ini önlemekte veya azaltmakta,çevresel etkilere kar betonun dayan kl artt rmaktave kendi dayan m gücünün yüksekli i nedeniyle betondagerekli dayan n sa lanmas na yard mc olabilmektedir[19]. Agregan n fiziki ve mekanik özellikleri istenilen artlarkar layabilecek nitelikte olmal r. A nmaya maruzkalacak bir betonun agregas yeterli a nma mukavemetinesahip olmal r.
Don yapan iklimlerde kullan lacak betonun agregas isedayan kl k bak ndan don etkisi için belirlenenstandartlar kar lamal r [20].
Betonun dayan kl artt ran bir di er kar m malzemeside katk maddeleridir. Katk maddelerini kökenine görekimyasal ve mineral katk lar olarak ikiye ay rmakmümkündür. Örnek olarak kimyasal katk lardan havasürükleyici, beton içinde çok küçük boyutlu ve e it da lanhava kabarc klar olu turarak betonun geçirimsizli ini,dona kar direncini ve i lenebilirli ini art r [21].Günümüzde çevreyle dost olan, hammadde ve enerjikorunumu sa layan, betonda dayan kl artt ran mineralkatk maddelerinin çimento içinde kullan lmasyayg nla r [16]. Mineral katk lar tek ba na çimentogibi ba lay k özelli i ta mamaktad r ancak birliktekullan ld klar nda çimentoya benzer görev yaparak çimentoekonomisi sa lamaktad rlar [22]. Beton için gerekli olançimento, agrega ve katk maddeleri seçiminde gösterilenözen, betonun haz rlanmas ve betona sonradanuygulanan yöntemler s ras nda da devam etmelidir. Aksihalde, beton geçirimli bir yap ya sahip olup, d etkenleredayan ks z hale gelir, hizmet ömrü azal r.
Betonun haz rlanmas ve betona sonradan uygulananyöntemler: Betonun hizmet ömrüne etki eden di er içfaktörler, betonun kar lmas , ta nmas , s lmas ,yerle tirilmesi ve kürüdür. Betonun dayan kl için, bu
amalar n dikkatli bir ekilde gerçekle tirilmesi gereklidir.Betonu olu turan çimento, agrega, su ve katkmaddelerinin kar lmas s ras nda betonun yap n,
lenebilme özelli inin, dayan m ve dayan kl nolumsuz yönde etkilenece i uygulamalardankaç lmal r. Kar rma s ras nda agregan n taneda nda, su/çimento oran nda ve varsa katk maddesimiktarlar nda de me olmamal r [23]. Kar ld ktansonra, betonun dökülece i antiye alan na ta nmas
ras nda gerekli önlemler al nmazsa, meydanagelebilecek sars nt ve titre imler sonucunda betonhomojenli ini kaybedebilir. Bu durumda, beton karolu turan iri yap taneler ince tanelerin olu turdu uyap dan ayr larak farkl bir yap olu turur. Betonun buekilde geli en homojenli ini yitirmesi olay “betonda
ayr ma” olarak tan mlanmaktad r. Ayr an betonun de ikbölgelerinde, kaba agrega, ince agrega, çimento ve suyunda farkl miktar ve oranlarda olur [24].
BETON GEÇ RGENL ETK LEYENETKENLER
Kar magiren
malzemeler
Betonhaz rlamayöntemleri
Betonasonradanuygulananyöntemler
Çimento dozaj ,inceli i, bile imi
Agrega taneboyutu, nem,geometrik ekil,kirlilik, miktar
Betonun kal plara dökülmesine ve dökülen kal n eklinialabilme i leminin tamam na “yerle tirme” denir. Betonuyerle tirmede s rma ön plana ç kar. S rma, yeniyerle tirilmi betona vibratör kullanarak en küçük hacmeindirilebilme i lemidir. Yerle tirme ve s rma i lemleribirbirine ba ml olup yakla k olarak ayn zamanda yap r.Bunlar yap da sertle mi beton için gerekli olanmukavemet, geçirimsizlik ve dayan kl sa layabilmekiçin çok önemlidir [17]. Betonun s lmas ndan birsonraki a ama, bak m ve kürün uygulanmas r. Betonun,özellikle ilk günlerinde yeterince hidratasyon yapabilmesinisa layabilmek için betonun içerisinde yeterli miktardasuyun ve s cakl n bulundurulmas ve bu ortam nkorunmas i lemi, "betonun kürü" veya "betonun bak "olarak tan mlanmaktad r [25]. Kaliteli beton üretebilmekiçin, kar n yerle tirilip s lmas ndan sonra özellikleerken ya larda uygun ko ullarda bak ma tabi tutulmasgerekmektedir. Kür i lemleri, s cakl k kontrolü ve betonrutubetinin çevre ko ullar na ba olarak artmas ya daazalmas n kontrolünü içerir. Rutubet, betonun hemmukavemetini, hem de dayan kl etkilemektedir [17].
Kar ma giren malzemeler, beton haz rlanmas ve betonasonradan uygulanan yöntemler betonun hizmet ömrünüetkileyen iç etkenlerdir. Betonun dayan kl olmas önceliklekar ma giren malzemelerin do ru seçimine, betonhaz rlama yöntemlerin do ru uygulamas na ba r. Ancaksadece bu standartlar sa lamak betonun hizmet ömrü içinyeterli olmayacakt r. Beton d etkenlere karkorunmal r. D etkenler çevresel etkilerdir.
Çevresel etkiler: Hava, su ve zemin betonu bozan çevreunsurlar r. Bu çevrede beton fiziksel ve kimyasal etkileremaruz kalabilir. Çevresel etkilerin ortaya ç kmas , betonuolu turan malzemelerin yetersiz kalitesi sonucu ortaya
kan betonun geçirimli olma özelli inden meydana gelir.Çevre etkilerinin ba nda sülfat hücumu, alkali-silikareaksiyonu (ASR) ve donma ve çözünme gelir [26]. Sülfatetkisi, beton veya betonarme yap lar n bozulmas na yolaçan önemli kimyasal etkilerden biridir. Sudaki vezemindeki sülfat iyonlar beton yap larda bozulmaya yolaçabilir. Sülfat sald n zararl etkisi, sülfat iyonlar nsertle mi betondaki alüminli ve kalsiyumlu bile enlerlekimyasal reaksiyona girerek, hacmi çok artan etrenjit vealç olu turmas ndan kaynaklanmaktad r. Reaksiyonürünleri, sertle mi betonda genle me yaratarak agrega-çimento hamuru aderans n olumsuz yöndeetkilenmesine, çatlak olu umuna ve geçirimlili inartmas na yol açar. leri derecedeki etkilenmelerde isebetonun tamamen da lmas söz konusudur. Sülfatsald gibi d kaynakl iyon giri i sebebiyle olu ankimyasal reaksiyonlarda çimentonun kimyasal bile imininkontrolü kadar, betonun geçirimsizli i de önemkazanmaktad r [27]. Betonun geçirimli bir yap ya sahipolmas nedeni ile olu an di er etki ASR olu umudur. Bazçimentolar n içinde fazla miktarda bulunan sodyum oksit vepotasyum oksit gibi alkali oksitler, beton gözenek suyundaçözülerek sodyum hidroksit ve potasyum hidroksitolu turmakta ve aktif silis içeren agregalarla reaksiyonagirerek, zamanla betonu çatlatan bir jel olu umuna sebepolmaktad rlar. Bu reaksiyona ASR ad verilmektedir.Reaksiyonun neden oldu u jel genle me yaratmakta vegenle me belli bir s a nda beton için potansiyel birtehlike olu turmaktad r. ASR belirtileri; genle me, betondaçatlaklar, yüzey birikintileri, yüzey parçalanmalar -patlamalar ve renk de imleridir [28].
Betonun geçirimli olmas kimyasal reaksiyonlar n yan s rafiziksel sonuçlar da yaratmaktad r. Örne in, kuru birçevrede, uygun dayan olan beton çok uzun y llar fazlabak ma gereksinim duyulmadan hizmet verebilir. Fakatayn beton gereken önlemler al nmazsa, içerisine su veyadi er zararl s lar n girip tekrar eden donma ve çözülmeolaylar na maruz kal rsa, k sa zamanda kullan lmaz halegelir ve hizmet ömrü biter [26].
3.3. Demir donat n hizmet ömrü
Demir donat enerji yo un bir malzeme olmas nedeniyleekolojik yönden olumsuz olarak de erlendirilmektedir.Metaller yap malzemeleri aras nda, hammaddelerinin
kar , üretimi ve ta nmalar ile ilgili olarak tükettiklerienerji aç ndan en yüksek çevresel etkiye sahiptir [15].Betonarme içinde kullan lan demir donat n dayan klda betonarmenin hizmet ömrünü etkilemektedir. Demirdonat n uygun yere yerle tirilmemesi, yap ya uygunözellikleri ta mamas ve paspay n yetersiz olmasbetonarmenin dayan kl etkileyen unsurlard r. Beton,demir donat n çevresini yeterli kal nl kta sard nda demirdonat ya etki edebilecek havan n etkisini önler. Demirdonat n paslanmas önleyen beton kesiti “pas pay ”olarak tan mlanmaktad r [29]. Pas pay tabakas , donatkorozyonunu fiziksel ve kimyasal olmak üzere iki ekildeengellemektedir. Fiziksel koruma beton geçirimsizli i ileilgili olup zararl maddelerin donat çeli ine ula mas nengellenmesi ile sa lanmaktad r [30]. Paspay n azolmas , fiziksel ve kimyasal geçi leri artt r ve korozyonolu umuna sebep olmaktad r. Betonarme içinde kullan landemir donat n korozyona u ramas , betonarme yap nhizmet ömrünü etkileyen en önemli etken olmaktad r [29].Korozyon, donat larda ve betonda birbirini takip edenreaksiyonlar olarak ortaya ç kmaktad r. Betonarmededonat paslanmaya kar koruyan, betonun pH=13civar nda bulunan yüksek alkali düzeyidir. Bu yüksek alkaliseviyesi dü meye ba lad zaman beton içindeki donatkorozyona kar koruyamaz hale gelmekte ve donat larpaslanmaya ba lamaktad r. Paslanan donat n hacmigeni lemekte ve betonarmede donat lara paralel çatlaklarasebep olmaktad r. Beton bir kere çatlad ktan sonra,tamamen atmosferik etkilere maruz kalmakta ve yapeleman h zla hizmet ömrünü doldurmaktad r [30].
Betonarme yap larda klorür donat n korozyonuna nedenolmaktad r. Dolay yla betonda klorür ta çokönemlidir. Klorür konsantrasyonu belirli bir düzeyeula nda, betonun donat koruyucu ortam zarar görürve korozyon süreci ba lamaktad r. Bu nedenle betonunklorür geçirimlili i gömülü donat çubu unun korozyonundakritik rol oynamaktad r. Bu problem özellikle denizyap lar nda, buz çözücü tuzlar n s k kullan ld köprü veyollarda ve ayr ca tuzlanm yollardan ta tlarca ta nantuzlara maruz kalan otopark binalar nda göze çarpmaktad rve yap sal tahribat nedeniyle çok büyük onar mmaliyetlerine yol açmaktad r [7]. Betonarmenin donatkorozyonu nedeniyle hizmet ömrünün sona ermesi ekil6’da gösterilmektedir. Demir donat betonun geçirgenli idolay yla paslanmaya ba lar (a). Korozyona u rayandonat n hacmi artar. Artan hacim betonu içerden
rarak çatlamas na yol açar. Yeni çatlaklar nem vezararl maddelerin içeri s zmas kolayla r, korozyonuve betonun çatlamas h zland r (b). Korozyon, çekmedayan dü ük ve gevrek bir malzeme olan betonuçatlatarak parça atmas na neden olur (c).
2159
Bekem, .a Gültekin, A.B.b ve Dikmen, Ç.B.c
ekil 6. Betonda korozyon nedeniyle olu an çatlama [31]
4. Sonuç
Beton ve demir donat malzeme özelliklerinden ve kullan msürecinde d etkilere maruz kald klar ndan dolay bir süresonra i levlerini tam olarak yerine getirmemeye ba lar. Budurum betonarmenin dayan kl dolay yla hizmetömrünü k salt r. Betonarmenin ya am döngüsündeki“kullan m” evresini ifade eden hizmet ömrünün vaktindenönce tamamlanmamas için, beton ve demir donatdayan kl olmal r. Betonun istenen hizmet ömrüne sahipolmas için “uygun hammadde seçimi”, “standartlara uygunkar rma”, “standartlara uygun ta ma, döküm,yerle tirme, s rma ve kür” artlar sa lanmal r. Demirdonat n betonarmenin hizmet ömrünü k saltmamas içinise “geçirimsiz beton yap ”, “donat n yeterli ve uygunyerde kullan lmas ”, “d etkilere kar betonun korunmas ”,“uygun paspay ” artlar sa lanmal r. Betonarmeyap lar n hizmet ömrünü en fazla etkileyen yap malzemesibetondur. Beton üretimi ve dökümü standartlara uygunolarak yap rsa, donat korozyonunun meydana gelmesidü ük bir ihtimaldir. Betonun dayan kl olmas ,betonarmenin hizmet ömrünü uzat r. Böylelikle, betonarmeya am döngüsü içerisindeki kullan m evresi uzar ve do alkaynaklar n tekrar tüketilmesi ertelenmi olur.
Kaynaklar
[1] Gültekin, A.B., “Ya am döngüsü de erlendirme”kapsam nda yap ürünlerinin çevresel etkilerininde erlendirilmesine yönelik bir model önerisi, GaziÜniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Mimarl k, Doktoratezi, Ankara, 2006.
[2] T.C. Çevre ve orman bakanl resmi internet sitesi,http://www.cevreorman.gov.tr/co_00.htm, 2008.
[3] Taygün, G.T. ve Balanl , A., Ya am döngüsüsüreçlerinde yap ürünü-çevre etkile imi, YTÜMimarl k fakültesi dergisi, cilt:1, say :1, 2005.
[4] Gülltekin, A.B., Sürdürülebilir mimari tasar m ilkelerikapsam nda çözüm önerileri, 19. uluslar aras yap veya am kongresi, Bursa, 2007.
[5] Çelebi, G. ve Ayd n, A.B., Sürdürülebilir mimarl kyakla nda yap malzemelerinin irdelenmesi, IV.Ulusal ekoloji ve çevre kongresi, 457-464, Bodrum,2001.
[6] Sarja, A., Integrated life cycle design on concretestructures, Concrete tecnology for a sustainabledevelopment in the 21st century, 27-40, Norway,1998.
[7] Güneyisi, E., Ozturan, T. ve Geso lu, M., Farklçimento tipi kullan n betonun durabilite özellikleriüzerine etkileri, Türkiye in aat mühendisli i XVII.Teknik kongre ve sergisi, TMMOB in aatmühendisleri odas , stanbul, 2004.
[9] Akman, S., Beton dayan kl k özelli i ve önemi, I.Ulusal beton kongresi, stanbul,1989.
[10] Gjorv, O.E., Controlled service life of concretestructures and environmental consciousness.Concrete tecnology for a sustainable development inthe 21st century, Norway, 1998.
[11] Ta demir, M.A. ve di erleri, Betonun performansagöre tasar : performans s flar ,http://www.unlubeton.com.tr/pdf/performansa_gore_tasarim.pdf, 2008.
[13] Kumbasar, N. ve Celep, Z., Betonarme yap lar, Betabas m, stanbul, 2005.
[14] Kwon, S.J. and others, Service life prediction ofconcrete wharves with early-aged crack: Probabilisticapproach for chloride diffusion, Science direct,Structural Safety 31, 75–83, 2009.
[15] Co kun , N. ve Esin, T., Betonarme prefabrike yap myöntemlerinin çevresel aç dan analizi, 12. Betonprefabrikasyon sempozyumu “prefabrikasyondayenilikler ve e itim”, stanbul, 2007.
[16] Ye inobal , A., Çimento ve çimento esaslmalzemenin gelece i, Yap n gelece ine yön verenmalzemeler ve teknolojiler semineri, stanbul, 2005.
[17] im ek, O., Beton ve beton teknolojisi, Seçkinyay nc k, Ankara, 2004.
[18] Building green, Cement and concrete: Enviromentalconsiderations EBN, vol. 2, no:2,www.buildinggreen.com, 2008.
[19] Cilason, N., Beton, STFA yay nlar , stanbul, 1992.[20] Erdo an, M., stanbul ve dolay n yapay agrega
[23] TS 1247, Beton yap m, döküm ve bak m kurallar ,Türk standartlar enstitüsü, Ankara, 1984.
[24] Arslan, M., Beton, Atlas yay nevi, stanbul, s.8, 2001[25] ASTM C 94, Standard specification for ready-mixed
concrete, Annual book of ASTM standards, 1994;ACI Committee 304, "Guide for measuring, mixing,transporting, and placing concrete" ACI manual ofconcrete practice, part 2, 1994.
[26] Özy ld m, Ç., Hava sürükleyici katk lar n betondayan kl ndaki yeri, 2. Yap larda kimyasal katk larsempozyumu, Ankara, 2007
[27] Yaz , H., Yüksek f n curufu katk harçlar n sülfatdayan kl n incelenmesi ( nvest gat on on sulfateres stance of blast furnace slag mortars), DEÜmühendislik fakültesi fen ve mühendislik dergisi,Cilt:8, say :1, s. 51-58, 2006.
EKOLOJ K YAPI TASARIM ÖLÇÜTLER N TÜRK YE’DEK GÜNEEVLER KAPSAMINDA NCELENMES
ANALYSIS OF ECOLOGIC BUILDING DESIGN CRITERIA WITHIN THECONTEXT OF SOLAR HOUSES
Bengü Alparslana,*, Arzuhan Burcu Gültekinb ve Çi dem Belgin Dikmenc
a*Gazi Üniversitesi, Teknik E itim Fakültesi, Yap E itimi Böl., Ankara, Türkiye, E-Posta: [email protected] Üniversitesi, Teknik E itim Fakültesi, Yap E itimi Böl., Ankara, Türkiye, E-Posta: [email protected]
cBozok Üniversitesi, Mühendislik Mimarl k Fakültesi, Mimarl k Böl., Yozgat, Türkiye, E-Posta: [email protected]
Özet
Yap lar, ya am döngüleri boyunca olumsuz çevreseletkilere sebep olmaktad r. Bu etkileri azaltma çabalarsonucunda ortaya ç kan ekolojik yap tasar m ölçütleri;çevre sorunlar na duyarl , ekolojik dengeyi koruyan veinsan ya am için gerekli konfor ve sa k ko ullar yerinegetiren tasar mlar amaçlamaktad r. Ekolojik tasar mölçütleri, yap n uygulanaca bölgenin özelliklerine vefiziksel çevre ko ullar na göre farkl la abilir. Bu nedenlebölgenin de en fiziksel çevre ko ullar na uygun ölçütlerinseçilmesi ve önceliklerin belirlenmesi gerekir. Bu bildirikapsam nda küresel ölçekte kabul edilen “ekolojik yaptasar m ölçütleri” belirlenmekte, bu ölçütlerin uygulamayöntemleri aç klanmakta ve Türkiye’de uygulanm olangüne evleri incelenmektedir.
Anahtar kelimeler: Ekoloji, Yenilenebilir Enerji, EkolojikTasar m Ölçütleri, Güne Evi
Abstract
Buildings cause environmental impacts through their lifecycles. Ecological building design criteria, which appearedto increase these impacts, aim to make designs sensitiveto environmental problems, to protect the ecologicalbalance, and to fulfill the required comfort and healthconditions. These criteria may vary according to physicalproperties and environmental conditions of the region thatthe building will be constructed. Consequently, the criteriaappropriate for varying physical environmental conditionsshould be chosen and the priorities should be determined.Ecological building design criteria accepted in the globalscale were determined, application of these criteria weredescribed, and solar houses constructed in Turkey wereexamined in the context of this proceeding.
Keywords: Ecology, Renewable Energy, EcologicalDesign Criteria, Solar House
1. Giri
Nüfus art , kentle me ve geli en sanayi sonucunda do alkaynaklar tehdit eden kirlenmeler, insanl n en önemlisorunlar ndan biri olmu tur. Çevreyi koruma ve çevresorunlar giderme çal malar n hareket noktas ,sorunlar bilmek ve tan makt r [1]. Dünya genelindetüketilen enerjinin %42’si yap sektöründe veya kullan msüreçlerinde harcanmaktad r. Benzer ekilde küresel
nmaya sebep olan sera gazlar önemli oranda yapsektöründen kaynaklanmaktad r [2]. Bu nedenlegünümüzde ekolojik yap tasar önem kazanm r.
2. Ekolojik Yap Tasar
Ekoloji, canl varl klar n birbirleriyle ve bulunduklar ortamlaili kilerini inceleyen ve yan dallardan olu an bir bilimdir [3].Bu yan dallardan biri olan ve enerji korunumlu yap in aetmeyi amaçlayan “ekolojik mimarl k”, yap da tma, s caksu ve elektrik gibi alanlarda enerji korunumu potansiyeliniara rmay amaçlar. Ekolojik yap sa kl , do almalzemelerin kullan ld , az enerji tüketen, bu enerjiyido al kaynaklardan elde eden, bak kolay ve ekonomikyap olarak tan mlanabilir [4]. Yap lar ya am süreçleriboyunca yap m evresinden y m evresine kadar çevreüzerinde olumsuz etkilere neden olmaktad r [5]. Buetkilerin azalt lmas na yönelik olarak yap lar n tasar ndaekolojik yap tasar m ölçütleri benimsenmelidir.
2.1. Ekolojik Yap Tasar m Ölçütleri
Ekolojik yap tasar n hedefleri enerjinin, bak m-onar mmaliyetlerinin, yap yla ili kili hastal klar n, at k ve kirlili inazalt lmas ; yap malzemelerinin verimlili i, yapkonforunun, yap ve bile enlerinin dayan kl veesnekli inin artt lmas r [6]. Bu kapsamda tasar mc larçevreye duyarl , enerji tüketimini en aza indirgeyen, do alkaynaklar n kullan azalt p yenilenebilir ve yerelkaynaklar ile güne enerjisi, do al havaland rma ve do alayd nlatmay kullanan, fiziksel çevre ko ullar na uygun,yap kabu unda enerji korunum düzeyini artt ran, yenidenkullan labilir, geri dönü türülebilir ve s kl kla bak m-onar mgerektirmeyen yap malzemelerini içeren tasar mlaryapmay ilke edinmelidir. Ekolojik yap tasar m ölçütleri;fiziksel çevre verileri, yap formu tasar , yap kabu utasar , yüksek performansl pencere kullan , sukorunumu, malzeme korunumu, peyzaj tasar veyenilenebilir enerji kaynaklar n kullan olarak
fland labilir [12].
2.1.1. Fiziksel Çevre Verileri
Fiziksel çevre verileri yer ve yön seçimi, topo rafya,biyolojik çe itlilik (flora ve fauna), rüzgâr ve iklimdir [7].Yap da yer ve yön seçiminde ana ilke, k n güne
ndan yararlanmak, yaz n ise güne in aetkisinden korunmak olmal r [2]. Yap n güne nagöre yönlendirilmesi, yap içi sal konforu etkilemekte veistenilen s cakl klar n elde edilmesini sa lamaktad r [3, 8].Yap n yer seçiminde ve konumland lmas ndatopo rafya, biyolojik çe itlilik, hakim rüzgar yönü ve iklimverilerinin dikkate al nmas ekolojik dengenin korunmas ,insan ya am için gerekli konfor ve sa k ko ullar nyerine getirilmesi ve enerji korunumu aç ndan yararsa lamaktad r.
Alparslan, B a., Gültekin A. B, b. ve Dikmen Ç. B.c
2.1.2. Yap Formu Tasar
Yap formu; biçim, yap yüksekli i, çat türü ve e imi,cephe e imi gibi yap ya ili kin geometrik de kenlerarac yla tan mlanabilir. Bu de kenlerin biçim veorganizasyonuna ba olarak, do al tma ve so utmaarac yla yap kay plar n azalt lmas sa lanabilir.Yap formunu etkileyen yap alan büyüklü ü, kay plar yla do rudan ili kilidir [3].
Basit geometrik biçime sahip, iç mekânlar verimli kullananküçük ölçekli yap lar, çevreyle ili kilerinde daha az sorunya amaktad r. Bu yap lar, yap m evresinde daha azkaynak, kullan m evresinde daha az enerji gereksinimiduymakta ve kay plar azaltmaktad r. Bu yap larda
m evresinde de daha az at k ç kaca ndan olumsuzçevresel etkiler azalmaktad r [5].
2.1.3. Yap Kabu u Tasar
Yap larda iç ve d mekan birbirinden ay ran yapelemanlar n olu turdu u bütün, yap kabu u olaraktan mlanmaktad r [9]. Yap kabu u, enerjinin minimumdüzeyde kullan yla çevresel sorunlar önleyen ve salkonfor düzeyini artt ran önemli elemanlardan biridir [10].Ekolojik tasar mlarda yap kabu undaki bo luklar n % 40ile s rland lmas önerilmektedir. K n yap içinde nanhavan n d ar ç kmas ve yaz n d ar daki s cak havan niçeri girmesi engellenerek sal konfor sa lanabilir [10].
2.1.4. Yüksek Performansl Pencere Kullan
Gün ve görsel ileti im sa layan yap elemanlar olanpencereler, kay plar n ba ca kayna r. Is tman nönemli oldu u iklimlerde pencereler dü ük kayb veyo ma, az hava s zd rma ve s cak yüzey elde etmeözelliklerine sahip olmal r [3]. Yap içinde sal konforsa lamak amac yla, yap n yönlenmesine göre kay plar önleyecek yüksek performansl pencerekullan lmal r [5].
2.1.5. Su Korunumu
Su seviyelerinin korunmas , at k sular n de erlendirilmesi,suyun yeniden ve kirletilmeden kullan , ya mur suyununtoplan p yeniden kullan , su korunumlu peyzajdüzenlemeleri, kullan m suyunun kimyasallarlakirletilmemesi ve suyu verimli kullanan tesisat kurulumugibi yöntemlerle yap larda su korunumu sa lanabilir.Ayr ca su tüketiminin azalt lmas at k su miktar nazalmas na da katk sa lamaktad r.
2.1.6. Malzeme Korunumu
Yap da kullan lan malzemelerin hammaddesininkayna ndan ç kart lmas , i lenmesi, üretilmesi veta nmas gibi süreçler, yerel ve küresel ekolojik dengeüzerinde etkilidir [11]. Malzeme korunumu için yap i levidikkate al narak modüler sistemle tasarlanm , yeterlibüyüklükte, basit ve geometrik formda esnek çözümleriçeren, yeniden kullan ma olanak veren tasar mlaryap lmal r. Malzeme seçiminde standart, ekolojik, geridönü türülmü malzemeden elde edilmi ambalajkullanan, dayan kl , s k bak m-onar m gerektirmeyenmalzemeler ve yap elemanlar tercih edilmelidir [12].
2.1.7. Peyzaj Tasar
Yap lar n tma ve so utmas nda bitkilerden yararlanarakenerji tüketimi azalt labilir. A açlar n ve çal lar n yap lar nbat ve kuzeybat cephelerinde kullan lmas , istenmeyenak am güne inin yap içerisine girmesini engeller [5].Yap n güney cephesine yapraklar döken, kuzeycephesine ise her zaman ye il bitkiler yerle tirilmesiyle, kgüne inden yarar, so uk k rüzgârlar ndan ise korunmasa lanabilir [3]. Çat örtüsünün tasar nda toprak vebitkilerden olu an ye il çat tercih edilmelidir. Ye il çat laryerle im alanlar ndaki s cakl dü ürmekte, ya mursular tutarak, at k su sistemlerinin yükünü hafifletmekte,hava kirlili ini azaltmakta, karbonu depolamakta ve çat üstörtüsünün alt ndaki malzemeleri güne in zararletkilerinden koruyarak, bu malzemelerin daha uzun ömürlüve dayanakl olmas sa lamaktad r. Ku lar ve di ercanl lar için do al ya am alan olu turan ye il çat lar,geleneksel çat lara k yasla daha estetik bir görünümolu turmaktad r. Ye il çat tasar mlarda arazi üzerindeyap n kaplad alan tekrar kazan lmaktad r [3].
2.1.8. Yenilenebilir Enerji Kaynaklar n Kullan
Yenilenebilir enerji kaynaklar kullanarak enerjiyi yerelkaynaklardan kazanmak, çevre sorunlar n çözümüne deyard mc olmaktad r. Çevreyi kirletmeyen, kolay elde edilenve yenilenebilir enerji kaynaklar ndan biyolojik enerji, su,güne ve rüzgâr enerjisi günümüzde yap larda farklekillerde kullan lmaktad r [7].
Yenilenebilir enerji kaynaklar n kullan nda pasif veaktif olmak üzere iki sistemden yararlan lmaktad r [3]. Pasifsistemler, güne enerjisinden yararlanmaya yönelik olarakal nan tasar m önlemleridir. Bu önlemlerle tma veso utma maliyetleri önemli oranlarda azalt larak enerjikorunumu sa lanabilir. Aktif sistemler ise güne ve rüzgârgibi yenilenebilir enerji kaynaklar ndan elektrik ve enerjisi elde etmek amac yla yap ya entegre edilenmekanik donan mlarla sa lanmaktad r.
3. Ekolojik Yap Tasar nda Yenilenebilir EnerjiKaynaklar n Kullan
Nüfus art na ba olarak kaynak tüketiminin artmas vekaynaklar n s rl , enerji tüketiminde önemli bir paybulunan yap sektörünün yeni çözümler aramas na nedenolmu tur [5]. Tükenmeyen ve çevreye en az zarar veren,
veya gaz olarak kirlilik olu turmayan [13] yenilenebilirenerji kaynaklar hidrolik enerji, dalga enerjisi, rüzgârenerjisi, jeotermal enerji, biyokütle enerjisi ve güneenerjisidir. Bu kaynaklardan yap sektöründe en yayg nolarak kullan lanlar rüzgar enerjisi, güne enerjisi vejeotermal enerjidir.
3.1. Rüzgâr Enerjisi
Rüzgâr enerjisi, güne enerjisinin de ime u rameklidir. Güne nlar n denizleri, karalar ve atmosferi
homojen olarak tamamas sonucunda ortaya ç kancakl k farklar , bas nç farkl klar olu turur. Rüzgâr,
yüksek bas nç bölgesinden alçak bas nç bölgesine do ruolu an bir hava hareketidir [8]. Yap larda rüzgâr enerjisininkullan pasif ve aktif sistemlerle sa lanmaktad r.
2162
Alparslan, B a., Gültekin A. B, b. ve Dikmen Ç. B.c
Do al havaland rma yoluyla rüzgârdan pasif olarakyararlan labilir [8]. Do al havaland rma, rüzgar n iç ve dortam aras ndaki s cakl k fark na ba olarak olu ur. Bacaetkisi ve kot fark na dayal bas nç fark yla havaland rmagüçlendirilebilir [11]. Do al havaland rma ve baca etkisi
ekil 1’ de ematik olarak ifade edilmektedir.
ekil 1. Do al havaland rma ve baca etkisi [11]
Yaz n hakim rüzgâr yönünde ve alt kotlarda kuzeyyönünde aç lan aç kl klardan al nan havan n mekanlararas nda dola n sa lanmas ve üst kotlarda d ar
rak lmas do al havaland rma ile mümkündür. K n isesera etkisine dayal olarak güne bacas içinde nanhava, mekanlara do al dola m yoluyla ula lmaktad r[11]. Rüzgâr enerjisinden aktif olarak elektrik üretiminde,pompaj sistemlerinde ve l enerji elde edilmesindeyararlan lmaktad r. Bu uygulamalardan en yayg n olanrüzgar tribünleri ile elektrik üretimidir [2].
3.2. Jeotermal Enerji
Yerküre içindeki içsel enerjinin d a vurumu sonucu ortayakan jeotermal enerji, yüzeye yak n derinliklerde s cak su
ve buhar olarak yo unla makta ve eri ilebilecekderinliklerde enerji olu turmaktad r. Bu içsel enerji,kendili inden ortaya ç kt gibi sondaj çal malar yla daelde edilebilmektedir. Jeotermal enerji elektrik üretiminde,konutlar n tma ve so utmas nda, seralar n lmas nda,endüstriyel ve tar msal kurutmada ve kapl ca turizmi gibialanlarda kullan lmaktad r [2].
Jeotermal suyun uygulama yöntemlerine göre jeotermalenerji sistemleri pompalar , kuyu için e an örler ve borular olarak s ralanabilir. Mimarl kta en yayg n kullan lansistem olan pompalar nda [8], dü ük s cakl k kaynaolarak hava, toprak ve jeotermal su kullan lmaktad r.Jeotermal suyun kullan ld jeotermal pompalar s caksu aktar borularla gerçekle tirmektedir [8].
3.3 Güne Enerjisi
Güne enerjisi, yenilenebilir bir enerji olu u, çevreye zararvermemesi, yerel olarak uygulanabilmesi, karma k birteknoloji gerektirmemesi ve enerji korunumu sa lamasgibi kullan ya sundu u avantajlarla son y llarda mimarl kdisiplininde de tercih edilen bir enerji kayna olmu tur.Güne enerjisinden yararlanma, pasif (edilgen) ve aktif(etken) olmak üzere iki temel sistemle sa lanmaktad r [15].Yap n tasar m evresinde al nan planlama kararlar ve bukararlar kapsam nda seçilen yap malzemeleriyle güneenerjisini mekanlar n tmas için kullanmak pasifsistemler olarak adland rken, tasar ma eklenen her yeniteknolojik ürün aktif sistemlere do ru at lan bir ad mniteli indedir. Güne enerjisinden yararlanmak için pasifsistem kullan n yan s ra yap lara mekanikdonan mlar n entegre edilmesiyle ekolojik yap tasar
aktif sistemle de desteklenebilir [8]. ekil 2’ de pasif veaktif sistemle güne enerjisinden yararlanma prensipleriifade edilmektedir.
ekil 2. Pasif ve aktif sistemle güne enerjisindenyararlanma prensipleri [5]
Pasif sistemde güne enerjisi, yap n duvar, pencere veçat elemanlar taraf ndan topland ktan sonra iletim,dola m ve m yollar ndan bir veya birkaç kullan larakiç mekânlara aktar lmaktad r [9]. Pasif sistemlerletasarlanan yap lara veya mekanlara uygulanabilecekgüne enerjisinden yararlanma sistemlerinin güne
nlar toplama, depolama, da tma ve denetleme olmaküzere dört ana i levi söz konusudur [16]. Günümüzdegüne enerjisinden pasif olarak yararlanmada do rudan vedolayl kazanç sistemleri kullan lmaktad r. Bütün yap lardacam aç kl k kullan lmas ve maliyetinin dü ük olmasnedeniyle do rudan kazanç sistemi en çok tercih edilenpasif tma sistemidir [2].
3.3.1. Do rudan Kazanç Sistemleri
Do rudan kazanç sistemleri güne nlar n yap içineara bir sistem gerekmeksizin cam yüzeylerden veyaçat dan geçen mla al nd , iç mekândaki yüzey vegereçler taraf ndan yutulup depoland ve sera etkisiyarat larak yap bütününün bir enerji toplay olarakkullan ld sistemlerdir [9]. Bu sistemlerde ntoplanmas için kullan lan cam ve yüzeylerin özellikleriönem kazanmaktad r. Ekolojik yap tasar nda camyüzeyler, güne enerjisi girdisi yeterli, kayb iseminimum düzeyde olacak ekilde yönlendirilmeli,boyutland lmal ve depolanan enerji, do al dola myoluyla mekânlara da lmal r. Da n homojenolmas ve sal konfor ko ullar n sa lanmas içinmekân n küçük ve depolay kütle alan n büyükolmas gerekir [9]. ekil 3’ te do rudan kazanç sistemiematik olarak ifade edilmektedir.
2163
Alparslan, B a., Gültekin A. B, b. ve Dikmen Ç. B.c
ekil 3. Do rudan kazanç sistemi [9]
Ekolojik yap tasar nda en yayg n kullan lan aç kl kgüney aç kl klar r. Do rudan kazanç sistemlerinde tmaveya so utma sa layan güney aç kl klar pencereler,güne odalar (sera) ve çat aç kl klar ndan olu ur [15].
Güney aç kl klar nda pencerelerin konumu ve büyüklü üönem ta maktad r. K mevsiminde güne ten kazanc n az olmas , k rüzgârlar n genellikle kuzeydenesmesi, hava s zmalar n ve kayb n artmas gibinedenlerle so uk iklim bölgelerinde kap ve pencereaç kl klar kuzey yönüne yerle tirilmemelidir. Do u vebat ya yerle tirilen kap ve pencerelerde kayb , kuzeycephesine k yasla daha az olup bu cephelerde güneenerjisinden az da olsa yararlanmak olas r. Ancak, yazgüne inin sabah ve ö leden sonraki saatlerde yat kgelmesi nedeniyle, do u ve bat yönündeki aç kl klarda
nma sorunuyla kar la r. Güney pencerelerinde,n yat k gelen güne nlar ndan gün boyu
yararlan rken, yaz n daha dik gelen nlardan korunmakkolayla maktad r. Bu nedenle aç kl klar n güney yönündebüyük; kuzey, do u ve bat yönlerindeyse do alayd nlatma ve havaland rmay sa lamak ko uluyla,olabildi ince küçük tutulmalar önerilmektedir.
Güne odalar yap ya , taze hava ve nem sa layan, içmekânla bahçe aras nda geçi olana veren ve içindeya anabilen mekânlard r. Güne e bakan cam yüzeylerinartmas , k günlerinde kazanc artt rmakta, bunakar k güne in olmad saatlerde kayb n, yaz n daistenmeyen kazanc n artmas gibi olumsuzluklargetirmektedir. Bu nedenle seralarda k ak amlar içingece yal , yaz gündüzleri için de güne ten korunmagüney pencerelerine göre daha büyük önem ta maktad r[17]. ekil 4’ te bir güne odas uygulamas ematik olarakifade edilmektedir.
ekil 4. Güne odas (sera) uygulamas [9]
Çat aç kl klar güney pencereleri ve seralar kadar kazan sa lamamalar na kar n, güney cephesindenyararlan lamad veya güney cephesinin yetersiz kalddurumlarda tercih edilmektedir. Çat aç kl klar ndapencereler yatay veya dü ey konumda yerle tirilebilir. Çataç kl klar nan havan n hafifleyerek yükselmesi ilkesiyleiyi bir do al havaland rma kayna r. Ancak bu aç kl klar,
n kay plar na çok uygundur ve gece yal büyükönem ta r.
3.3.2. Dolayl Kazanç Sistemleri
Dolayl kazanç sistemleri, cam yüzey ve bu yüzeyinarkas na yerle tirilmi genelde siyaha boyanm beton,harman tu las , kerpiç veya ta gibi depolamaya uygun
l kütleden olu ur. Sistemde cam yüzeyden geçerekduvara gelen güne m veya dola m yoluyla içmekâna verilir. ç mekanlarda geceleri kaybengellemek için perde, yaz n ise a nmay önlemekiçin kepenk gibi elemanlar kullan lmal r [15]. Dolaylkazanç sistemi, yap m kolayl sa lamas ve yal n
nda devingen parçalar n olmamas nedeniyle tercihedilmektedir. Is l kütlede depolanan ak am saatlerindede içeriye vermeyi sürdürür. Is l kütlenin sabahlar geç
nmas ve içeriye aktar lan n denetlenememesidolayl kazanç sisteminin olumsuzluklar r [17].
Dolayl kazanç sistemlerinde kullan lan yöntemler güneduvar (trombe), su duvar , güne odas (sera), çataç kl klar (çat havuzu) ve ayr k aç kl klard r. Buyöntemler, iç mekân s cakl klar n daha kolay kontrolalt nda tutulmas sa lamaktad r [7].
Güne duvar nda l kütlenin içeriye geç iletmesorunu, cam n 10-15 cm. arkas na yerle tirilmi olan koyurenkli veya seçici yüzeye sahip duvara eklenenhavaland rma aç kl klar yla çözülmektedir. Güneduvar nda cam ile duvar aras ndaki bo lukta nan veyükselen hava, duvar yüzeyinde tavana yak n aç kl klardaniçeriye al nmakta; mekan n serin havas da, zemine yak nolan aç kl klardan duvarla cam aras na girmektedir. Buyöntemde dola m nan havan n yükselmesi ve yerineso uk havan n gelmesiyle sa lan r [17]. Yaz mevsimindemasif duvar önündeki cam yüzeyin aç lmas ylahavaland rma sa lanmaktad r [18]. ekil 5’ te bir güneduvar uygulamas ematik olarak ifade edilmektedir.
ekil 5. Güne duvar uygulamas [9]
Güne duvar na benzer bir yöntem olan su duvaryönteminde içi su dolu masif duvarlar saydam bir yüzeyarkas na yerle tirilerek güne ten enerjisi üretilir [18].Elde edilen n depolanmas için gerekli olan su dü eyborularda, kanallarda, tüplerde veya depolama ünitelerindesaklan r. ekil 6’ da bir su duvar uygulamas ematikolarak ifade edilmektedir.
ekil 6. Su duvar uygulamas [9]
Pasif tma sistemi ile tasarlanan yap larda kullan landi er bir yöntem ise güne odas (sera) yöntemidir. Bu
2164
Alparslan, B a., Gültekin A. B, b. ve Dikmen Ç. B.c
yöntem, depolay duvar sisteminde, cam yüzey ile depolay duvar aras nda yer alan bo lu un büyütülerekgüne odas veya k bahçesi olarak adland lan birmekâna dönü türülmesiyle olu turulur. Bu mekân, sadecegüne enerjisinden yararlanma i levini yerine getirebilecekboyutlarda olabilece i gibi, yap n kullan labilen birbölümü olarak daha büyük boyutlarda da olu turulabilir [9].
Güne odas yönteminde, mekan n dö eme ve duvarlar ,güne toplay eleman olarak çal r. Güneenerjisinin maksimum düzeyde toplanabilmesi için dö emeve duvarlar n gereçsel yap lar ve renkleri önemlidir.Genellikle beton, ah ap veya sulu sistem olarakolu turulan bu yap elemanlar siyah veya koyu renklereboyan r. Depolanan n dola m yoluyla, lacak olaniç mekâna h zl aktar lmas için, güne odas n derinli ininaz, tutucu duvar alan n fazla olmas gerekir. Isaktar n h zl olmas sa lamak amac yla güneodas yla iç mekân ay ran duvar üzerinde, altta ve üstteküçük delikler aç labilir. ç mekâna aktar lan ndenetlenebilmesi için güne odas yönteminin kullan ldyap lar n yal ml olmas gerekir. Güne duvar arac yladepolanan güne enerjisi, güne odas n kom u oldu umekana do al dola m yoluyla iletilir [9]. ekil 7’de güneduvar ve güne odas uygulamas i ematik olarak fadeedilmektedir.
ekil 7. Güne duvar ve güne odas uygulamas [13]
Çat aç kl klar , di er pasif tma yöntemlerinden farklolarak yatayda olu turulmaktad r. Bu yöntemde sal kütlegörevini çat da yer alan su kütlesi (çat havuzu) yerinegetirmektedir. Genellikle cam, plastik veya fiberglaskaplarda depolanan su, m ve ta m yoluyla alttakimekâna iletilerek tma sa lar [9]. Sistem k aylar nda
tma, yaz aylar nda da so utma i levini üstlenir. K n,gün boyunca güne mlar na aç k olan çat havuzlar ,geceleri yal ml levhalarla kapat larak ve depolanan nkayb engellenmektedir. ekil 8’ de bir çat aç kluygulamas ematik olarak ifade edilmektedir.
ekil 8. Çat aç kl klar (çat havuzu) uygulamas [9]
Ayr k aç kl klar yönteminde topo rafyadan yararlanarakyap dan daha dü ük kota yerle tirilen bir toplay danal nan nm hava yard ile mekân r. Cam yüzeyinarkas na yerle tirilmi siyah bir metal levhadan olu antoplay da nan hava yükselerek yap içine al r. Zeminalt na yerle tirilen kanallar yard yla içeriye al nan hava
rken, içerideki serin hava da tekrar toplay yayönlendirilir Yaz n cam yüzeyin aç lmas yla nan havayükselerek d ar ya ç kmakta, at lan havan n yerine
toplay ya giren hava mekân n pencerelerinden serin vetaze havay çekmektedir [17]. ekil 9’ da bir ayr k aç kl kuygulamas ematik olarak ifade edilmektedir.
ekil 9. Ayr k aç kl k uygulamas [9]
Güne enerjisinden yararlanmada kullan lan aktifsistemlerde, güne enerjisi mekanik donan mlararac yla mekan lmaktad r. Bu sistemlerde güneenerjisinden yararlan larak lan ve depolanan s cak suarac yla olu an enerji iç mekanlar r. Aktif sistemgüne enerjisinin yap larda genellikle düz toplay adverilen donan mlar arac yla toplanmas , toplananenerjinin yap n biti inde veya alt kotunda yer alan sudepolar ya da çak ll alanlarda depolanmas , depolananenerjinin pompa ve boru gibi gereçlerle da lmasprensibiyle gerçekle ir [16].
Aktif sistemlerde güne toplay lar ve fotovoltaik panellerarac yla güne enerjisinden yararlan lmaktad r. Günetoplay lar nda güne ndan kazan lan enerjisi,toplay larda toplanarak yap n nma ve s cak sugereksinimini kar lamaktad r. Sisteme verilen so uksuyun nmas sa layan ve güne nlar n toplanmasve yo unla lmas ilkesiyle çal an [15] günetoplay lar düzlemsel (düz yüzeyli), vakum borulu veyo unla toplay lar olmak üzere üç farkl türdedir.Fotovoltaik paneller, yar iletken güne pilleri arac ylagüne enerjisini elektrik enerjisine çevirerek yap lardakullanan sistemlerdir. Fotovoltaik hücrelere gelen güne
nlar do ru ak m olu turarak çevre üzerinde olumsuzetki olu turmamaktad r [18].
Türkiye’de 1980 y ndan günümüze kadar güneenerjisinden yararlanmak amac yla farkl kullan m alan ,kat adedi ve i leve sahip yap lar tasarlanm r. Buyap larda pasif sistemlerin yan s ra aktif sistemlerden deyararlan lm r.
4. Türkiye’de Uygulanan Güne Evi Tasar mlar
Türkiye’de uygulanan güne evi tasar mlar ODTÜ GüneEvi, Ege Üniversitesi Güne Enerjisi Enstitüsü Laboratuar ,Erciyes Üniversitesi Güne Evi, TÜB TAK UlusalGözlemevi Misafirhanesi, Hacettepe Üniversitesi GüneEvi, Enerji Verimlili i E itim Tesisi, Pamukkale ÜniversitesiTemiz Enerji Evi ve Diyarbak r Güne Evi’dir. Bu yap larda,güne enerjisinden yararlanmak amac yla farkl sistemlerkullan lm r.
1980 y nda tamamlanan ODTÜ Güne Evi [19] ODTÜretim Elemanlar Derne i taraf ndan ofis olarak
kullan lmaktad r [20]. Yap da toplam 96.6 m2 dö eme alanlmaktad r. Bu alan n 19.8 m2’ si güneyde güne odas
olarak tasarlanm r [21]. Yap çat nda bulunandüzlemsel s güne toplay lar yla yap n toplam lenerji gereksiniminin % 22.4’ü elde edilmekte [19], 10 m2
silindirik depoyla da n depolanmas sa lanmaktad r[21].
2165
Alparslan, B a., Gültekin A. B, b. ve Dikmen Ç. B.c
Ege Üniversitesi Güne Enerjisi Enstitüsü Laboratuar ,zmir’de deniz seviyesinden 25 m. yükseklikte in a
edilmi tir. 3000 m2 alana oturan [18] üç katl yap , 1986nda tamamlanm r [19]. Yap n güney cephesinde
zemin katta aras 60 cm. olan çift caml bir duvar yüzeyikullan lm r. Yap n birinci ve ikinci katlar nda 1,45 m.geni li inde ve çat aç 45° olan güne odalarbulunmaktad r. Güne odalar n önünde ise 2 m.geni li inde çat bahçeleri yer almaktad r [6].
Erciyes Üniversitesi Güne Evi, Kayseri’de aktif sistemlerkullan larak in a edilmi tir [18]. 90 m2 zemin üzerinde ikikatl ve toplam 154 m2 kullan m alan na sahip yap , 1994-1996 y llar aras nda in a edilmi tir. Yap çat nda 128 m2
cak hava toplay bulunmaktad r. Yap da elde edilenl enerjinin bir k sm suya depolanmakta ve gereksinim
duyuldu unda kullan lmaktad r [19]. Yap içerisindeki 30m2’lik bir birimde sulu güne toplay lar ndan elde edilenenerjinin kullan ld dö emeden tma uygulanm r [22].
Antalya’da deniz seviyesinden 2500 m. yükseklikte iki katlolarak in a edilen TÜB TAK Ulusal GözlemeviMisafirhanesinin toplam alan 720 m2’dir [18]. Yap 1996
nda pasif güne evi tipinde in a edilmi tir [19]. Kuzeyyönünde yal ml olarak topra a gömülen yap n güneyyönünde güne duvar bulunmaktad r. Güney duvar nönündeki pencere, zemin katta güne odas olaraktasarlanm r. Yap n ikinci kat nda, duvar daha fazla
m kazanc için siyah renge boyanm r [18].
Hacettepe Üniversitesi Güne Evi 2003'te in a edilmi tir.Toplam kullan m alan 100 m2 olan yap n elektrikgereksinimi güne pilleri ile kar lanmaktad r [19]. 1000 Wgücünde güne gözesi panelleriyle donat lan yap n tümelektrik gereksinimi, bu panellerden sa lanan elektrik, aküve çevirgeç arac yla kar lanmaktad r. E imli güneyduvar na yerle tirilmi cam yüzeyden al nan güne enerjisi
olarak çak l yatakta depolanmaktad r. Bu evin k nnmas nda kullan lacak ekilde planlanm r [20].
2006 y nda Ankara’da yenilenebilir enerji kaynaklar ndanyararlanan, enerjiyi etkin ve verimli kullanan EnerjiVerimlili i E itim Tesisi iki katl olarak in a edilmi tir.Yap da üst düzeyde yal m teknikleri, güne enerjisi,jeotermal (toprak kaynakl pompas ) enerji sistemleri,fiber optik ayd nlatma sistemi, gün kontrol sistemi,
tma/so utma amaçl kompozit duvar gibi yeniteknolojilere yer verilmi tir. Yap n güneyinde yap lan 84m2'lik güne duvar ve güne odas nda nacak olan hava,havaland rma kanallar yla cebri olarak mekânlarada lm r. Yap n s cak su gereksinimi vakum borulugüne toplay lar ile kar lanmaktad r [23].
Denizli Pamukkale Üniversitesi kampusunda toplam 160m2 kullan m alan na sahip, Pamukkale Üniversitesi TemizEnerji Evi, çok iyi bir yal m uygulamas yla dü ük enerjitüketecek biçimde 2007 y nda in a edilmi tir. Yap n
tmas , güney yönünde yerle tirilmi olan tu la güneduvar yla sa lanmaktad r [19]. Yap ya yerle tirilen 5 KWgücündeki güne pilleriyle gündüz do rudan elektrikal nmaktad r. Pillerin üzerine tak ld paneller, y l boyuncado u–bat ve kuzey–güney do rultusunda güne i takipetmektedir. Yap da güne toplay lar ndan elde edilen
cak su yal lm tanklarda depo edilmekte, tank içindeki de tirici kontrol ünitesiyle gereksinim duyulan
cakl kta su sa lanmaktad r. Ayr ca s cak su evinlmas nda yard mc sistem olarak kullan lmaktad r [20].
Diyarbak r Güne Evi 2007 y nda gösteri amaçl olarakin a edilmi [19] olup, 2008 y nda hizmete girmi tir. Pasiftipteki yap , 66 m2 kapal alana sahip zemin kat ile küçükbir ev kurgusuna sahiptir. Yap , enerji elde etme biçimlerinive ölçümlerini kendi web sitesi arac ile 24 saat tümdünya ile payla an bilimsel bir laboratuar olarakkullan lmaktad r. Yap n tma, so utma ve ayd nlatmagibi tüm enerji gereksinimi güne ten kar lamaktad r [21].Güne evinde 24 adet 162 W PV güne paneli ile 3.88 KWgüç elde edilmektedir. Yap n s cak su gereksiniminikar lamak için çat da iki adet güne toplay ve zeminkatta özel s cak su deposu bulunmaktad r [24]. Yap ngüney cephesinde güne odas ve güne duvar yeralmaktad r. Yap da do al serinlik sa lanmas amac iletoprak alt enerjisinden de yararlan lm r [25].
5. Sonuç
Günümüzde sanayile me ve nüfus art ile birlikte çevrekirlili i ve enerji kullan artarak tehlikeli boyutlaraula r. Dünyada tüketilen enerjinin büyük bir k smyap lar kullanmaktad r. Yap sektörünün çevresel etkileri veyenilenemeyen enerji kaynaklar n h zla tüketilmesiyleyerel ve küresel ölçekte çözümler aranmaya ba lanm r.Bu kapsamda dü ük enerjili yap tasar mlar esas alangüne enerjisinden yararlanmaya yönelik uygulamalarönem kazanmaktad r. Daha az enerji harcayan,yenilenebilir enerji kaynaklar kullanan, bak kolay,ekonomik, çevreye zarar vermeyen tamamen ekolojikyap lar tasarlamak zorunlu hale gelmi tir. Dünyada yap lanekolojik tasar mlardaki geli melere paralel olarakTürkiye’de de çe itli uygulamalar yap lmaya ba lanmolmakla birlikte yeterli de ildir. Özellikle üniversitelerarac yla ba lat lan bu tür uygulamalar n sayartt lmal , bu konuda bilimsel çal malar yap lmal vekamu ve özel sektör taraf ndan finansal desteksa lanmal r.
Kaynaklar
[1] T.C. Ankara Valili i l Çevre ve Orman Müdürlü ü2006 Çevre Durum Raporu.
[2] Say n, S., Yenilenebilir Enerjinin Ülkemiz YapSektöründe Kullan n Önemi ve Yap larda GüneEnerjisinden Yararlanma Olanaklar , Yüksek lisanstezi, Selçuk Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü,Konya, 2006.
[3] Çal kan, Ö., Bursa çin Öncelikli Ekolojik Yap la maKriterlerinin Ara lmas , Yüksek Lisans Tezi, GebzeYüksek Teknoloji Enstitüsü Mühendislik ve FenBilimleri Enstitüsü, Gebze, 2007.
[4] Rodrique, D. A., Ekoloji ve Mimari,http://www.bugday.org/article.php?ID=189
[5] Esin, T. ve di erleri, Marmara Bölgesi için EkolojikYap la ma Kriterlerinin Belirlenmesi ve Örnek Bir YapTasar , Gebze Yüksek Teknoloji EnstitüsüAra rma Fonu, 01-A-02-01-12,Gebze, 2002.
[6] Akdeniz, H. A., Optimum Bina Is tma SistemiSeçiminde Alternatif Kararlar n Ekonomik Analizi,Doktora Tezi, Ege Üniversitesi, Güne EnerjisiEnstitüsü, zmir, 1989.
[7] Kiraz, F., Konvansiyonel ve Ekolojik Yap Sistemlerininlk Yap m Kullan m Giderleri Aç ndan Kayseri Ba
Alparslan, B a., Gültekin A. B, b. ve Dikmen Ç. B.c
Evi Örne inde ncelenmesi, Yüksek Lisans Tezi, GaziÜniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Ankara, 2003.
[8] Bekar, D., Ekolojik Mimarl kta Aktif Enerji Sistemlerininncelenmesi, Yüksek Lisans Tezi, Y ld z Teknik
Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, stanbul, 2007.[9] Tayfun, Y., Güne Enerjisinden Edilgen Sistem
Yararlanmada Güne Odas Ekleme Yönteminin çOrtam S cakl na Etkisinin ncelenmesi stanbulÖrne i, Yüksek Lisans Tezi, Y ld z TeknikÜniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, stanbul, 2007.
[10] Turan, G. ve Gökalp, F., Ege Bölgesinin HavaKirlili inin Önlenmesinde Güne Enerjisi Bina Is tmaSistemlerinden yararlanma, Çevre Dergisi, 1993.
[11] Çelebi, G., Gültekin A. B., Bedir, M., Tereci, A.,Harputlugil, G.,"Yap -Çevre li kileri", TMMOBMimarlar Odas Ankara ubesi SMGM (SürekliMerkezi Geli im Merkezi) Koruma Program E itimi,Ankara, 2008.
[12] Gültekin, A. B. ve Dikmen, Ç. B., Mimari Tasar mSürecinde Ekolojik Tasar m Ölçütlerinin Saptanmas ,6. Ulusal Ekoloji ve Çevre Kongresi, BiyologlarDerne i, zmir, 159-167, 2006.
[13] Keçel, S., Türkiye’nin De ik Bölgelerinde EvselElektrik ihtiyac n Güne Panelleri ile Kar lanmas naYönelik Model Geli tirilmesi,Yüksek Lisans Tezi, GaziÜniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Ankara, 2007.
[14] http://proalternative.com/toprak.php[15] Özdo an, H.P., Ekolojik Binalarda Bina Kabu unda
Kullan lan Fotovoltaik Panellerin Tasar m Ba lam ndancelenmesi, Yüksek Lisans Tezi, Y ld z Teknik
Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, stanbul, 2005.[16] Zorer, G., Dersliklerde Edilgen Sistemle Is sal
Konforun Sa lanmas nda Tasar Ölçütü Olarak BirDe erlendirme Yöntemi Olu turulmas , Doktora Tezi,
ld z Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü,stanbul,1995.
[17] http://www.ekoses.com/[18] Bozdo an, B., Mimari Tasar m ve Ekoloji,Yüksek
Lisans Tezi, Y ld z Teknik Üniversitesi, Fen BilimleriEnstitüsü, stanbul, 2003.
[19] Altuntop, N., Türkiye’deki Güne Evlerinin Teknik veIs l Özelliklerinin ncelenmesi, Yeni Enerji Say -6,2008.
[21] k, A., Güne Enerjisinin Kentsel MekanYans mas ndaki Farkl Yararlanma Oranlar n IsEnerjisi Yönüyle De erlendirilmesi, Yüksek LisansTezi, Gazi Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü,Ankara, 1994.
[22] Sugözü, . ve Sars lmaz. C., Haval Güne Kolektörüile ç Ortam Is lmas n Deneysel OlarakAra lmas , F rat Üniversitesi Fen ve MühendislikBilimleri Dergisi, 2006.
SMART BUILDING TECHNOLOGIES AND ITS AUTOMATION SYSTEMSMehmet Yumurtac a* ve Ali Keçeba b
a *Afyon Kocatepe Üniversitesi, TEF, Elektrik E itimi Bölümü, Afyon, Türkiye, [email protected] Afyon Kocatepe Üniversitesi, TEF, Makine E itimi Bölümü, Afyon, Türkiye, [email protected]
Özet
Ak ll ev teknolojisi, dünyam zda insan güvenli inin önplanda tutulmas yla ortaya ç km r. Bilim ve tekni inilerlemesiyle üzerinde çal lan en önemli otomasyonkonular ndan biridir. Günümüzde ak ll ev teknolojisi ev veçevre güvenli inin sa lamakta ve ek olarak evin lmasve so utulmas , yemek pi irme, garaj ve bahçe kap notomatik kontrolü, çocuklar n oyun alanlar n veodalar n ofisinizden denetimi, ev hayvanlar n otomatikbeslenmesi gibi birçok i lem sa lanabilmektedir. Ayr caher yeni yap lan ev ve çevre bir öncekine göre üstünlü ünüsergileyerek otomasyona yeni bir bak açkazand rmaktad r. Bu çal mada; ak ll ev sistemleri,sistemlerin sa lad avantajlar ve insanlara daha iyi birya am sa lamas için neler sunulabilece i incelenmi tir.Ak ll evlerde bulunan cihazlar n teknik özellikleri vekontrolünden de bahsedilmi tir.
Anahtar kelimeler: Konut, Teknoloji, Ak ll ev,Otomasyon.
Abstract
Smart building technology has existed because peoplesecurity is the most important in our world. With developedscience and technology, it is one of the most importantsubjects that studied on them. At the present days, it hasprovided the security of the house and in addition toheating and cooling of a house, automatic control of thehouse and the garden, cooking, the control of the childrenplaying areas and the rooms from your office, andautomatic feeding of the pets. Besides every new buildingand environment to show its advantages to previous one,comes with new ideas to automation. In this study, it wasto be examined what smart building systems and theadvantages of them were, and what this concept andsystem could present in terms of providing a people abetter lifestyle. The technical features of devices and itscontrolling was also mentioned in smart buildings.
Günümüzde teknolojik alanda her geçen gün yenigeli meler olmakta ve bu geli melere paralel olarakinsanlar n ya am standartlar artarken, konfor anlay larde im göstermektedir. Teknolojinin insanlara sundu uimkanlar sayesinde daha önce elle yap lan birçok i lem,art k insan müdahalesi olmadan olu turulan otomasyonsistemleri ile otomatik olarak yap labilmektedir. Otomasyon
sistemleri ile yap lan i lemler genellikle alg lay lardanal nan veriler de erlendirilerek gerçekle tirilmektedir.
Ev teknolojileri endüstrinin birçok alan nda kullan lankontrol sistemlerinin gündelik hayata uyarlanmas , evotomasyonu da bu teknolojilerin ki iye özel ihtiyaç veisteklere uygulanmas r. Ak ev, daha az insan etkile imiile güvenlik, konfor, ileti im ve güç tasarrufu sa lamakamac yla ev, ofis ve küçük binalara uygulananteknolojilerin ve servisin bütünle mesidir [1].
Binalar için ak ll kelimesi ilk olarak Amerika Birle ikDevletlerinde 1980 y n ba lar nda kullan lm r.Türkiye’deki ilk uygulama ise 1984 y nda yap lm r. Busistem yaln zca izlemeye yönelik olarak tasarlanm r. lkuygulamalarda s radan her hangi bir fiziksel engeliolmayan insanlar n ev konforu dü ünülmü tür [2]. Dahasonra ise de ik amaçlar içinde kullan lm r.
Christos Douligeris (1993)’de, ev otomasyonu ürünlerinifland rm r. Ayr ca CEBus nokta mimarisi ve bunun
detayl aç klamas yapm r [3]. Baki Koyuncu (1995)çal mas nda telefon kablolar ve bir PC kullanarak evotomasyonu fikrini ortaya atm r. Sistem, bir PC ile birçokarac n aç p kapanmas bir kablo yoluyla gönderilenDTMF(Dual Tone Multi Frequency) sinyalleri ile yapm r.Sistemin donan m ve yaz telefon standartlar nadayan yor. Sistemin donan m k sm nda DTMF al ,on/off Hook alg lay , zil alg lay ve bir giri /ç PCara yüz kart ndan olu uyor. Çal mada bir arac n kontrolüörneklendirilmi tir. Yaz m kontrol program k sm iseTurbo Basic ile yaz lm ve ak çizelgeleri gösterilmi tir[4]. smail Co kun ve Hamid Ardam (1998)’de ofis ve eviçin bir uzaktan kontrol sistemi, telefon kullanarak dizaynedilmi ve uygulanm r. Uzaktan kontrolün fonksiyonu,uzaktaki bir yere sa lanan gücü telefon kablosuyla kontroletmektir. Sistem DTMF telefon sistemine dayalçal maktad r. Sistem telefon tu tak , veri veyorumlar n girildi i girdi aleti olarak kullanm r [5]. LiJiang, Da-You Liu, Bo Yang (2004), ak ll evin bir tanyapm lar ve daha sonra ak ll evin elementleri, ara rmaprojeleri, ak ll ev network durumu, ak ll ev uygulamalarve son olarak da do rulu u aç klanm r [6]. Dimitar H.Stefanov, Zeungnam Bien, Won-Chul Bang (2004), ak llev, ya ve engelli insanlar için iyi bir alternatif olarakdü ünmü lerdir. Bu sayede, hem hareket kolaylsa lanmakta hem de 24 saat sa k kontrolüyap labilmektedir [2].
Geçen y llar içinde teknolojinin geli mesine paralel olarakya ant n her alan nda ciddi de imler oldu.Mekatronik sistemlerdeki geli meler daha h zl , dahayüksek kapasiteli kontrol cihazlar n kullan lmas na imkanvermi tir. Bu çal mada; ak ll ev sistemlerinin ve sistemin
sa lad avantajlar n ne oldu u ve insanlara daha iyi birya am sa lamas için neler sunabilece ini incelenmi tir.Ak ll evlerde bulunan cihazlar n teknik özellikleri vekontrolünden de bahsedilecektir.
2. Ak ll Ev
Endüstride otomasyona geçilmesinin en önemli nedeniverimlili i artt rmak ve enerji tasarrufu sa lamakt r. Evotomasyonunda da bu durum ayn r. Ev teknolojileriendüstrinin birçok alan nda kullan lan kontrol sistemleriningündelik hayata uyarlanmas , ev otomasyonu da buteknolojilerin ki iye özel ihtiyaç ve isteklereuygulanmas r. Ak ll ev tan ise, bütün bu teknolojilersayesinde ev sakinlerinin ihtiyaçlar na cevap verebilen,onlar n hayatlar kolayla ran ve daha güvenli dahakonforlu ve daha tasarruflu bir ya am sunan evler içinkullan lmaktad r.
Normal bir ailenin enerji giderlerini artt ran ve gereksizenerji tüketimine neden olan en büyük etkenler, gereksizyere aç k b rak lan klar, yüksek seviyelerde çal lan
tma ve so utma sistemleri, evin kullan lmayanbölgelerinin lmas , gün ndan gerekti i kadarfaydalanamama, aç k b rak lan cihazlar ve benzeridurumlard r. Is tma sistemlerinin otomasyonla denetimi birevin enerjisi tüketimini %10, gereksiz klar nsöndürülmesi, yak lan klar n %90 parlakl kta yak lmas ,cihazlar n ucuz tarife zamanlar na göre programlanmasgibi yöntemler ise elektrik enerjisi tüketimini %30'a varanoranda azaltabilir [7].
Ak ll ev kavram birçok farkl yerde kullan lmaktad r, ancakgerçek anlamda ak ll evin ne oldu unu anlamak içinöncelikle evleri s fland rmak gerekir. Teknolojik evlergeli mi lik s ras na göre üç ana ba k alt nda toplanabilir.
2.1. Kontrol Edilebilir Evler
Kontrol edilebilir evler mevcut cihaz ve sistemlerin çe itlikumanda sistemleri ile kolayl kla kontrol edildi i evlerdir.Yani ev sadece o anda komut alarak o an istenilen durumuolu turur. Bu tip evler de kendi aralar nda; evdeki tüm
yalar n tek bir uzaktan kumanda ile kontrol edildi idurumlar, farkl aletlerin birbiriyle ba lant oldu udurumlar ve görünmez kontrol ünitesiyle yönetilen evlergibi kategorilere ayr lmaktad rlar [8].
2.2. Programlanabilir Evler
Bu evler statik programlama ile evde ya ayan insanlar ndaha önceden girdi i eylem zincirine tepki verebilenevlerdir. Bu evlerde kullan lan yaz m güvenilir olmal r.Evlerin kötü yan , de ik bir senaryo istendi inde sistemestatik olarak girilmesi gereklili idir. Bir senaryodanmemnun olunmam sa, bu senaryoyu de tirmek evdeya ayanlar taraf ndan yap lmak zorundad r. Bu s ftakievler; zamana ve sensörlere tepki veren programlanabilirevler, zamana göre programlanabilmenin, sensörlere göretepki verebilmenin yan nda ko ul ve durumlara görehareket edebilen evler olarak iki gruba ayr labilir [9].
2.3. Yapay Zekaya Sahip Evler
Programlanabilir evler ile benzerlik gösterir, fakatprogramlanabilir evlere göre daha geli mi lerdir.Programlanabilir evlerde senaryolar insan yard ilehaz rlanmakta iken bu evlerde senaryo giri i yap lmaz. Buevlerin ö renme yetene i vard r. Bu evler, kendi kendineinceleyip, buna göre kendi ayarlar ve senaryolarolu turabilen evlerdir. imdilik hayal gücünde öteyegeçememi tir, ne Türkiye’de ne de yurt d nda bukapsamda uygulanan bir ak ll ev sistemi yoktur.
2.4. Engelli nsanlar çin Ak ll Evler
Ak ll evler ya insanlar n ba ms z hayat ve fizikselengelli insanlar için çok iyi dü ünülmü bir alternatiftir. Eveyerle tirilmi birçok ak ll cihaz, ev sakininin hem hareketetmesinde yard mc olur hem de 24-saat sa k kontrolüalt nda tutabilir [2].
2.5. Vücut Hareketlerini Kullanarak Ak ll Ev Kontrolü
Ak ll evdeki kontrolün sa lanmas n di er bir yolu dainsan n vücut hareketlerini kullanmakt r. ki çe it vücuthareketi vard r: do al ve yapay hareketler. Do alhareketler, anlams z ve belirsiz hareketlerdir. Ama yapayhareketler, önceden tan mlanan i aretleri kullanarak çe itlianlamlar ifade edebilirler [9].
3. Ak ll Ev Otomasyonlar
Otomasyon; bir sistemin haz rlanan belirli bir senaryoyagöre herhangi bir operatöre gerek duymadan istenilen
lemleri gerçekle tirmesi olarak tan mlanabilir. Evteknolojileri endüstrinin birçok alan nda kullan lan kontrolsistemlerinin gündelik hayata uyarlanmas , ev otomasyonuda bu teknolojilerin ki iye özel ihtiyaç ve isteklereuygulanmas r.
3.1. Ak ll Evlerde Kullan lan Elektronik Araçlar
da ak ll evlerde kullan lan baz elektronik araçlarsaca aç klanm r.
Ak ll posta kutusu: Posta geldi ini alg lar ve ev sahibinebilgi verir.
Ak ll ön kap : Ön kap ev sakinlerinin ve yetkili ki ilerin eveanahtars z giri leri için bir radyo frekans tan mlama aygiçerir. Ev sakinleri, mikrofon, kamera, LCD ekran, otomatikkap aç ve hoparlörler vas tas yla ziyaretçilerle ileti imegeçebilir. Sistem taraf ndan kontrol edilebilen d kapkilitleri ve anahtarl kta ta nabilen ve bozuk parabüyüklü ündeki ak ll çipler ile eve kimin ne zaman girdi irahatl kla takip edilebilir.
Harekete duyarl klar: Herhangi bir odaya girildi inde,hareketi alg layan sensörler sayesinde, klarkendili inden aç r ve yine ayn ekilde oda içerisindehareket sonland ktan belirli bir süre sonunda kendili indenkapan r. Böylece, herhangi bir sebeple aç k unutulan
klar kapat larak, önemli ölçüde elektrik tasarrufusa lanm olur. Benzer ekilde, gece belirli bir saattensonra banyoya girildi inde kendili inden aç lan ak ll
klar, belirli bir oranda azalt larak yak r ve gözlerinkama mas engellenir. Tüm ayd nlatma sistemi uzaktan
2169
Yumurtac , M. ve Keçeba , A.
kumanda ile televizyondan veya cep telefonundan kontroledilebilir.
Ak ll perde: Tatildeyken bile evde biri varm izlenimiyaratmak için, hava karard nda kendili inden perdelerinkapan p klar n aç lmas ayarlanabilir. Ak am i tengelindi inde perdeler kapan p, klar aç r. Hava
ard nda ise perdeler otomatik olarak aç r. Benzerekilde panjurlar n tam kontrolü de sa lanabilir.
Ak ll yatak: Uykusuz gecelerin verilerini muhafaza eden veev sakinlerinin uyku durumlar görüntülemek için özeldonan mlara sahiptir. Tercihinize göre ses, k, koku ve
cakl k ayarlar mevcuttur.
Ak ll yast k: Ak ll yast k, yatma vaktinizde size tercihetti iniz her hangi bir kitab okuyabilir ve size uyumayaba lamadan önce favori müziklerinizi çalabilir. Derinuykuya dalmadan önce otomatik olarak uykunuzunkalitesini ve ko ullar kontrol ederek müzi in sesinidereceli olarak azaltacak ve sonunda tamamenkapatacakt r. Sabah kalkmaya haz r oldu unuz zaman,vücudunuzun temel bilgilerini (solunum, vücut s cakl )kontrol edecek ve her hangi bir acil durumda veya hastal kdurumunda derhal internet yoluyla acil yard m sisteminerapor verecektir.
Ak ll gardrop: Hava tahmin mekanizmas sayesinde, evsakinlerinin evden ayr lmadan önce d ar da giyecekleri
yalar n seçiminde yard mc olur.
Ak ll çama r makinesi: Kirlilik seviyesi, çama r türü vemiktar na göre y kama stratejisini belirlemektedir.
Ak ll ayna: Ana yatak odas aynas önemli mesajlar veyahat rlatmalar gösterir. Örne in; ilaç alma zamanhat rlatmak. Bu teknoloji di er odalara da konabilir.
Ak ll Banyo: Ana banyo bir tuvalet kâ t sensörü,temizleme detektörü, su s cakl ayarlayarak kaynamayönleyen bir du ve yeniden doldurmak gerekti inde yard mmerkezine haber veren bir sabun makinas vard r. Du auzaktan cep telefonu ile eri im söz konusudur.
Ak ll paspas: Ak ll paspas, kullan n vücut a rl veparmak izini kolayca alg layarak hangi kullan nüzerinde oldu unu tan yabilir. Kolayca evde kimin olupolmad kay t alt na alabilir. Ekran vas tas ylakullan lar n seçtikleri mesajlar gösterebilir. Paspas nanalog fonksiyonu sayesinde toz ve kokuyu otomatikolarak ç kartabilir.
Ak ll masa: Etkile imli dokunmatik panelin de dahiledilmesiyle ak ll masa parma n dokunmas yla ak
n tüm parçalar na kullan n eri imine izin verir. Bilgimesajlar için herhangi bir durumda kullan labilir ve acildurumda görevler olu turur.
Ak ll göstergeler: Evin her yerine yerle tirilmi göstergeayg tlar yla e lence araçlar ve bilgi odadan odaya evsakinlerini takip edebilir.
Ak ll mikrodalga: Mikrodalga f n, her hangi bir donmuda paketi için zaman ve güç ayarlar otomatik olarak
yapar ve kullan ya yemek pi irme için uygun olarak nas lhaz rlanaca gösterir.
Ak ll buzdolab /kiler: Gelece in buzdolab mevcut g dayve tüketimi gösterecek, son kullanma tarihi dolmu g dalartespit edecek, al veri listesi olu turacak ve buzdolab ilekilerdeki depolanan g dalara dayal olarak yemekhaz rlanmas konusunda tavsiye verecek.
Bula k makinesi: Bula klar n say ve kirin miktar nagöre y kama ve parlatma stratejilerini belirlemektedir.
Ak kanepe: Ak kanepe televizyon veya film izlerken veoyun oynarken sizin deneyimlerinizi geli tirmek için birçoközel fonksiyona sahiptir. Kullan n vücudundakisinyallerin okunmas yla, en konforlu duruma göre otomatikolarak ayarlar ve kullan ya fiziksel olarak yararl durueklini belirler.
Ak ll kameralar: Ak ll ev sistemi, sürekli olarak evin hangibölümünde hareket oldu unu takip eder. Kameralaryard yla, evin içindeki ve d ndaki tüm görüntülertelevizyon arac yla izlenebilir. Sistem, evde kimseolmad fark etti inde ise, görüntüyü televizyonayans tmak yerine, video kayd tutar, sesli ve görüntülümesaj olarak sunar. Teknolojinin en geli mi tekniklerikullan larak özel olarak i lenen gerçek zamanl görüntüler,GPRS destekli cep telefonundan da görülebilir.
Ak ll zemin: Zemindeki sensörler, sadece mutfak velence merkezli alanda u an mevcuttur, tüm ev
sakinlerinin konumunu saptar. Bir ev sakini yere dü tü üzaman tespit edecek ve acil servise bildirecek bir teknolojigeli tirilebilir.
Ak ll telefon: Bu ev için büyülü de nek tümle ik telefonfonksiyonlar ile tüm ayg tlar n ve oturma odas ndakimedya oynat lar n uzaktan kontrolü yap lmaktad r. Evsahiplerine evden uzakta olduklar zamanlarda önemlibilgileri hat rlatabilir.
Ak ll fi ler: Oturma odas , mutfak ve ana yatak odas ndaseçilmi güç ç noktas n arkas ndaki sensörlerelektrikli ayg tlar n haz r oldu unu alg lar veya lamba veba lant uzaktan izlemek ve uygulamalara müdahaleetmeyi sa lar.
Ak ll kaçak (s nt ) detektörleri: Su ta ve dumansensörleri, evde kimse yokken bile evin emniyetini sa lar.Herhangi bir acil durum kar nda istenilen ki iyeelektronik posta ya da cep telefonu ile k sa mesajgönderilir. E er istenilirse önceden belirlenmi telefonnumaras otomatik olarak aran r ve bant kayd ile durumhakk nda bilgi verilir.
Ev güvenlik monitörü: Geli me alt nda olan güvenliksistemi sürekli tüm kap lar ve pencereleri ve iste e göreherhangi birinin aç k veya kilitlenmemi olup olmad evsakinlerine bilgi verir.
Acil durumda yard m ça : Gelece in sistemi muhtemelbir acil durumda her hangi bir durumdan üphelenirse evsakinlerini sorgulayarak gerekli olmas durumunda
ar dan yard m ça r.
2170
Yumurtac , M. ve Keçeba , A.
Kavramsal (bili sel) yard mc : Geli me alt ndaki bir di ersistem ev sakinleri aras ndaki farkl görevler ve görsel ve
itsel s rayla kullan larak ilaç, randevu vb hat rlatmalarsa lar.
Ak ll tma ve so utma sistemi: Ak ll ev ile tma veso utma sisteminin tam kontrolü iste e ba olarakyap labilir. Uzaktan tma bilgilerine eri ilebilir, bellisaatlerde tmay açmak ya da kapatmak gibi programlarçok kolay bir ekilde gerçekle tirilebilir.
Ak ll televizyon: Evdeki herhangi bir televizyonkullan larak, bilgisayardaki sistemin tamamen ayntelevizyondan görülüp, tüm ev istenilen herhangi bir yerdenkontrol edilebilir. Güvenlik kamera kay tlar ile eve gelenmisafirler yay n ak içerisinde istenilen zamandagözlemlenebilir. Ayr ca ak ll ev, internette gezinmek,döküman yazmak, müzik dinlemek ve hatta oyun oynamakgibi tüm i lemlerin, televizyon ekran ndan, evdeki herhangibir odadan gerçekle tirilmesini sa lar.
Ak ll bahçe sulama sistemi: Bahçedeki topra n nemdüzeyini takip eden sensörler sayesinde, bahçe sulamasistemi, yaln zca gerekti inde devreye girer. Ya murya an bir günde, gereksiz yere sulama sistemininçal mamas , a s caklarda ise daha s k devreyegirmesi, bir telefonla sulama yap lmas gibi özellikler, ak llev sisteminde mevcuttur.
3.2 Ak ll Evlerde Kullan lan Teknolojiler
Nispi Mant k: Nispi mant (fuzzy logic) bulan k mant kdiye adland rabiliriz. Nispi mant k, insanlar n kulland klardü ünce metodunu bilgisayarlara aktarmakt r. Dijitalmant kta bir sonuç ya evet ya da hay rd r. Bunun aras birsonuç olamaz. Nispi mant k ise bu iki sonucun arasinceleyerek gerçek dünya ko ullar na daha yak n kararlarverme imkan sa lar. Madde, zaman ve enerji israfminimuma dü ürmek için bu mant ktan yararlan labilir [10].
Telemetri: Kablosuz ya da sabit bir a arac ylacihazlar n uzaktan izlenebilmesi ya da kontroledilebilmesidir. Telemetri sayesinde kablosuz a lar ya daradyo linkleri üzerinden cihazlara birtak m komutlargöndermek, cihaz n durumu hakk nda merkeze bilgiiletmek, cihazla merkez aras nda bilgi al veri indebulunmak mümkündür. GPRS, GSM tabanl sistemlerdahilinde kullan lmak üzere geli tirilmi , paketanahtarlamal bir veri ileti im servisidir. Mobil ebekeabonelerine paket tabanl veri hizmetleri sa layan GPRS,ilave paket anahtarlama dü ümleri kullanarak mevcutGSM altyap bünyesinde çal acak ekilde tasarlanm r[8].
X–10 Teknolojisi: X-10, evdeki lambalar , cihazlar ve di erekipmanlar zaten var olan 220V’luk elektrik kablolarüzerinden kumanda etmeye yarayan bir ileti im dilidir.X-10 ’un lambalar ve cihazlar kumanda edebilmesi içinverici ve al lardan olu an basit bir mant vard r.Vericiler elektrik kablolar üzerinden al lara sinyalgönderirler. Al lar bu sinyali yorumlayarak neyapacaklar na karar verirler [10]. Sistem ebekedebulunana AC gerilimin s r geçi noktas alg layarakileti im senkronizasyonunu sa lar. S r geçi noktasbekleyip yakalad ktan sonra bir milisaniye süresinceyüksek frekansl (100- 120 kHz.) kare dalgay gönderir. AC
gerilimde hat üzerindeki gerilim minimum de erini s rgeçi noktas nda al r. Al lar n bilgiyi daha verimli almasnedeniyle bu noktalar kullan lm r. Kodun gönderilmesinintemel mant s r geçi noktas nda bu yüksek frekansltitre imin varl veya yoklu u olu turur. Bir X–10 komutuiki defada gönderilir. lk önce bir evin bir bölmesindebulunan eleman için kod gönderilir (yani son bit=0)ard ndan ise ayni bölme ve bir önceki kodda gönderileneleman için fonksiyon kodu gönderilir. Gönderilen bu ikibilgi paketi aras nda yakla k 50 ms’lik bir bekleme süresigereklidir. Bu ebekeden kaynaklanan gürültülerinönlenmesi aç ndan önemlidir.
Cat 5: Alt yap olarak Cat 5 kablo kullanan sistemlerin,X10 ’dan en büyük fark elektrik sinyali yerine bilgi akolmas r. Cihazlar çal malar için gerekli enerjiyi güçhatlar ndan al p, ileti im için data kablosu kullan rlar. .Gönderilen data bilgileri hangi adrese gidilece ini, hangi
lemin gerçekle tirilece ini içerir. X10 sistemine göredaha karma k ve detayl bir alt yap ya sahip kablolu ak llev sistemleri, maliyet aç ndan bir üst seviyededirler vebunun kar olarak da daha fazla kontrol ve kumandayetene i sunmaktad rlar. Kablolu ak ll ev sistemlerinin enbüyük dezavantaj , binalarda tekrar kablolama ihtiyac r[8].
RF Sistemler: Sistemin d uyar lar ile ba lantsa layan özel bir kablosuz ileti im protokolüdür. 868 MHzfrekans nda yay n yapan Avrupa Standartlar nda sadeceev otomasyon ve güvenlik sistemlerine ayr lan özel birfrekans aral nda hizmet vermektedir. Hareket detektörü,duman detektörü, kap manyetik detektörü, cam k lmadetektörü, su bask detektörü gibi d uyar lar ilemerkezi kontrol birimini haberle tiren özel bir haberle meprotokolüdür [11].
Bluetooth Teknolojisi: Bluetooth, k sa mesafedeki ayg tlarbirbirine ba layan bir kablosuz teknolojidir. Bluetooth ‘dacep telefonlar , bilgisayarlar , PDA’leri, yaz lar kablosuzolarak bir araya getirir.
IEEE 802.11b ve Bluetooth teknolojisine birliktebak ld nda her ikisinin de veri iletimini 2.4. GHz ISMband nda ve RF yoluyla gerçekle tirdikleri, ancakBluetooth’un FHSS modülasyon tekni ini ile 1 Mbps,802.11b’nin ise DSSS modülasyon tekni ini ile 11 Mbpsveri ileti im h na ula klar görülmektedir. Her ikiteknolojinin amac da cihazlar aras nda RF yoluyla veriiletimi olmas na ra men, fonksiyonlar aç kça birbirindenfarkl r. Bu nedenle bu iki teknolojiyi rakip olarak görmekveya k yaslamak mümkün de ildir. WLAN teknolojileri ortagüç ve orta ileti im mesafeleri için uygundur. WPANteknolojisi ise dü ük güç, k sa ileti im mesafeleri içinuygundur. Bu özelli i nedeniyle Bluetooth uygunmesafedeki herhangi bir cihaz kablosuz olarak bir ba kacihaza ba layabilir. WLAN sistemleri 100 metre ileti immesafesine sahip iken Bluetooth’un mesafesi yakla k 10metredir. Ayr ca Bluetooth, kullan lara kablosuz aba lant veya internet eri imi sa lamak için detasarlanmam r. Bu s rlamalar nedeniyle WLANsistemleri ile k yasland nda Bluetooth’un ev ve
yerlerindeki kullan m imkanlar n oldukça s rlandgörülmektedir [12].
lötesi: lötesi teknolojisi elektromanyetik spektrumdagözle görülebilen n alt ndaki frekanslar (3x1014kHz /
2171
Yumurtac , M. ve Keçeba , A.
850-950 nm) veri iletiminde kullanan bir teknolojidir. Alile verici cihaz aras nda aç k görü hatt n bulundu uortamlarda ve k sa mesafeler için çok uygundur. K lötesiteknolojisini iki tür kullanmak mümkündür. Birincisi görühatt (direct beam, line of sight), ikincisi ise yans ma(diffused beam) yöntemidir. Do al olarak görü hattyöntemi di erine oranla daha fazla veri ileti imisa lamaktad r. Ancak uygulamada geni alan kaplamak yada çok kullan ya ula abilmek için yans ma yöntemi tercihedilmektedir. K lötesi teknolojisi büyük oranda uzaktankumanda cihazlar nda kullan lmaktad r.
Zigbee Teknolojisi: Zigbee organizasyonu güvenilir, dü ükmaliyetli, güç tüketimi dü ük, kablosuz bir ekilde aba lant olan ve bir monitör arac yla evdeki cihazlar nglobal standartlara uygun olarak kontrolünü öngörmektedir.
Zigbee’ nin amac s k kullan lmayan ama uzaktan kullanda gerekebilen cihazlara ya da nokta alg lay lara birkablosuz a protokolu sunmakt r. Bu konuda en tan nmrakibi asl nda Bluetooth fakat onla ayn pazara hitapetmediklerinden ancak 1/6 h nda ve 3 kat yani300m kapsama alanl r. Fark ise inan lmaz az enerjiharcamas ve büyük olas kla tekrar arj edilmeyecek pillerile kullan lacak olmas r. K saca bunlar y llarca bilgigönderebilecek ama çok yava , gecikme zamanl vegenelde uykuda olan bu cihazlar s k kullan lan cihazlarkesinlikle de illerdir.
4. Sonuç
Günümüzde konfor ve güvenlik en önemli faktörlerinba nda gelmektedir. Teknolojinin ve otomasyonun hergeçen gün geli mesi bizleri hayal gücümüzün s rlarzorlamam za sebep olmaktad r. Ev ya ant zdakullanmakta oldu umuz birçok elektrikli alet ve e yan n,farkl kontrol ve programlanabilme özellikleri sayesindeciddi anlamda parasal ve zamanla ilgili tasarruf yap lmassa lamaktad r. Dolay yla teknoloji ve otomasyonevlerimize girmektedir. Ev otomasyonu ilk bak ta komplikeve kar k gelmesine kar n bilgisayar n günümüzdehayat n bir parças olmas , ev otomasyonu ile ilgilikullan mlar n daha sadele tirilerek pratik ve kullan ileuyumlu hale gelmesine yard mc olmaktad r.
Ak ll ev, hem yabanc ülkelerde hem de ülkemizde yayg nolarak uygulanamamaktad r. Bunun sebebi ak ll evlerinkapsad ; geni letilmi multimedya sistemlerinin, konutunher bölgesinde gerekli ayarlamalar yapan güvenliksistemlerinin, tma ve so utma sisteminin, konutiçerisinde gerekli k konforunu haz rlayan ayd nlatmasisteminin, kullan lan elektrik enerjisini kontrol eden vetasarrufunu sa layan sistemin, elektronik cihazlar n veözellikle bütün sistemleri internet ile birle tiren veentegrasyonunu sa layan komünikasyon teknolojisiningünümüzde oldukça yüksek bir maliyete sahip olmas r.Bu nedenle ak ll ev sistemleri, ülkemizde sadece fazlakullan ya sahip sitelerde ve entegrasyonu sa lanmamtekil sistemler halinde uygulanabilmektedir. Ak ll konuttakullan lan sistemler farkl gelir gruplar na hitap edecekekilde çe itlendirilirse, yayg nl da art labilir.
Kaynaklar
[1] Bayram, U., Ak ll evler, Yüksek Lisans Tezi, BilgisayarAnabilim Dal , Fen Bilimleri Enstitüsü, ÇanakkaleOnsekiz Mart Üniversitesi, Çanakkale, 2006.
[2] Stefanov, D.H., Bien, Z. and Chul Bang, W., The smarthouse for older persons and persons with physicaldisabilities, IEEE Transactions on Neural Systems andRehabilitation Engineering, vol. 12(2), 228-250 (2004).
[3] Douligeris, C., Intelligent home systems, IEEECommunications Magazine, 52-61, 1993.
[4] Koyuncu, B., PC remote control of appliances by usingtelephone lines, IEEE Transactions on ConsumerElectronics, vol. 41(1), 201-209, 1995.
[5] Co kun, . and Ardam, H., A remote controller forhome and office appliances by telephone, IEEETransactions on Consumer Electronics, vol. 44(4),1291-1297, 1998.
[6] Jiang, L., Liu, D.Y. and Yang, B., Smart homeresearch, Proceedings of the Third InternationalConference on Machine Learning and Cybernetics,Shanghai, 659-663, 2004.
[7] Gökta , ., Ak ll ev teknolojisi, Yüksek Lisans Tezi,Elektrik-Elektronik Mühendisli i, Fen BilimleriEnstitüsü, Gazi Üniversitesi, Ankara, 2006.
[8] Genço lu, M.T., Ak ll evler, I. Mühendislik veTeknoloji Sempozyumu, 221-234, Ankara, 2008 )
[9] Gü ül, G.N., Ak ll ev sistemleri ev uygulamas ,Yüksek Lisans Tezi, Fen bilimleri Enstitüsü, GaziÜniversitesi, Ankara, 2008.
[10] MEGEP, Elektrik-Elektronik Teknolojisi, Elektrikli EvAletlerinin Uzaktan Kontrolü, Ankara, 2007.
[11] Y ld z, M. ve Karabo a, N, Geni letilebilir ev güvenli ive otomasyonu, Elektrik-Elektronik-BilgisayarMühendisli i 11. Ulusal Kongresi ve Fuar , stanbul,2005.
[12] Özçekiç, E., Ak ll ev sistemleri, Yüksel Lisans Tezi,Matematik Bilgisayar Anabilim Dal , Fen BilimleriEnstitüsü, Beykent Üniversitesi, stanbul, 2005.
2172
5. Uluslararas leri Teknolojiler Sempozyumu (IATS’09), 13-15 May s 2009, Karabük, Türkiye
R BETONARME SANAY YAPISININ B LG SAYAR ORTAMINDAPATLAYICILAR LE KONTROLLÜ YIKIMI
THE CONTROLLED DEMOLITION OF A INDUSTRIAL BUILDING OFREINFORCED CONCRETE ON THE COMPUTER SOFTWARE BY USING
EXPLOSIVES Fatih BAHADIRa* ve Hicran AÇIKELb
a*Selçuk Üniversitesi Ere li M.Y.O. Konya,Türkiye, E-posta: [email protected]çuk Üniversitesi Müh. Mim. Fak. . Müh. Böl. Konya, Türkiye, E-posta: [email protected]
Özet
Bu çal mada patlay lar kullan larak sanayi yap nm projesinin haz rlanmas amaçlanm r. Bunun için
sanayi yap n projesi temin edilmi tir. Projedeki verilerkullan larak yap bilgisayar ortam nda Sap 2000program yla olu turulmu tur. Y m yükü olarak yap ölüyükleri kullan lm r. Her yap eleman n plastikle memomentleri hesaplanm r. Y m yönü tespit edilerekhangi yap elemanlar n patlat laca na karar verilmi tir.Bu elemanlar n patlat lmas ndan sonra plastikle en kesitlertespit edilip yap mekanizma durumuna geçinceye kadar
lem sürdürülmü tür ve bilgisayar ortam nda yap nlmas gerçekle tirilmi tir. Ayr ca patlay zaman
aral klar ve patlay miktarlar ampirik formüller ve dahaönce yap lm çal malardan faydalan larak tespitedilmi tir.
Anahtar kelimeler: Patlay Madde, Y m Tekni i,Plastik Moment, Mekanizma, Sap2000
Abstract
In this study, it’s intended to prepare demolition of aindustrial building project using explosives. For this, weprovide the industrial construction residence buildingproject. The building is made up Sap 2000 computerprogram using data in the Project. Building death load isused as demolition load. Plastic moments are calculatedfor each structure element. It’s decided which structureelements will be exploded after direction. We determinedthe cross section which became plastic after explosion ofthese elements. This process is continued until the buildingbecomes the position of mechanism. In addition, the timeinterval and quantity of explosive and ample formulas aredetermined by profit researches that has done before.
Keywords: Explosive, Demolition, Plastic Moment,Mechanism, Sap 2000.
1. Giri
Sava lar, tabii afetler (deprem, hortum, sel vb.), arsafiyatlar n artmas , konut s nt gibi sebeplerden dolaymevcut yap larda de ik y m teknikleri uygulanarakyap lar y lmaktad r.
Türkiye jeolojik yap bak ndan bir deprem ülkesiolmas ndan dolay yap lar deprem sonras a r hasarlargörebilmektedir. A r hasarl olan yap lar n el ile veya
hidrolik k larla yap lan y mlar n maliyetinin fazlaolmas ve uzun zaman almas ndan dolay bu tür y mteknikleri günümüzde tercih edilmemektedir.
Avrupa ve Uzakdo u ülkelerinde patlay ile y m tekni i,m i lerinde çok s k uygulanmaktad r. Gerekli statik
hesaplamalar ve uzman patlay operatörlerinin titizçal malar yla güvenli ve h zl bir ekilde yap lar n yyap labilmektedir. Türkiye’de ise patlay ile y m tekni inadiren uygulanmaktad r.
Bu çal mada betonarme karkas bir sanayi yap projesitemin edilmi tir. Projedeki veriler kullan larak yap ,bilgisayar ortam nda Sap 2000 program ylaolu turulmu tur. Y m yükü olarak yap ölü yüklerikullan lm r. Her yap eleman n plastikle memomentleri hesaplanm r. Y m yönü tespit edilerekhangi yap elemanlar n patlat laca na karar verilmi tir.Bu elemanlar n patlat lmas ndan sonra plastikle en kesitlertespit edilip yap mekanizma durumuna geçinceye kadar
lem sürdürülmü tür ve bilgisayar ortam nda yap nlmas gerçekle tirilmi tir. Ayr ca patlay zaman
aral klar ve patlay miktarlar ampirik formüller ve dahaönce yap lm çal malardan faydalan larak tespitedilmi tir.
Patlay ile y m tekni i kullan larak yap larda, h zl ,güvenli ve istenilen ekilde y m i lemigerçekle tirilebilmektedir. Ayr ca bilgisayar ortam ndapatlay ile y m tekni i hakk nda daha gerçekçi sonuçelde edilebilmesi için dinamik verilerin girilebildi i birprogram n kullan lmas n daha uygun oldu u görülmü tür.
2. Yap larda Mekanizma Durumu
Yeter derecede süneklik özelli i gösteren ve ( 'pL )’nün çok
büyük olmad sistemlerde lineer olmayan ekilde tirmelerin plastik mafsal ad verilen belirli bölgelerdetopland , bunun d ndaki bölgelerde ise sistemin lineer-elastik davrand kabul edilir. Bu hipoteze “plastik mafsalhipotezi” denir. Plastik mafsal n dönmesi, dönmekapasitesi ad verilen bir s r de ere e it olunca kesit
r ve sistem göçer. Yap sisteminde M=Mp oluncameydan gelen plastikle me ekil 1’de gösterilmi tir.
ekil 2’de sistemin mekanizma durumuna gelmesi içingerekli a amalar ve buna ba mafsalla malargörülmektedir. Her plastik mafsal olu umundan sonra onoktaya adi bir mafsal koymak ve (Mp) momentini o
mafsala d moment olarak etkitilen sistem, lineer-elastikteoriye göre hesaplan r.
ekil 1. Yap eleman n da olu an plastik mafsal.
ekil 2. (P) yük parametresi ile ( ) deplasman aras ndakiili ki.
3. Patlay ile Y m Metodunun A amalar
Yap , bilgisayar ortam nda Sap2000 yard ile y lm r.Sanayi yap bilgisayarda, 157 çubuk eleman (frame)kullan larak olu turulmu tur ( ekil 3). Y m, Sap2000eksen tak na göre –Z ekseninde olacak ekildeplanlam r.Mekanizma durumunun gerçekle mesi için her yapeleman n plastikle me momentlerinin (Mp) hesaplanmasgerekmektedir.
ekil 3. Sanayi yap n Sap2000’de genel görünümü.
3.1. Kiri lerin ve Kolonlar n Plastikle meMomentlerinin Hesab
Beton ve çelik h zla yüklendiklerinde ilave dayan mgösterirler. Bu art hesaplara yakla k olarak 1,4 katolacak ekilde yans maktad r. Sanayi yap nda beton
olarak BS 20 ve BÇ III malzemeleri kullan lm r.
BS 20 için fcd = 130 kgf/cm2,BÇ III için ise fyd =3650 kgf/cm2 al nm r.
Kiri lerin plastikle me momenti hesab :Bütün gövde donat kiri lerin aç kl k plastikle memomentleri, K03 kiri inin hesab eklinde yap lm r.Örnek olarak K03 kiri i ele al nm r.
Gövde donat kiri lerin aç kl kta plastikle me momentiÇizelge 1’de gösterilmi tir.
Çizelge 1. Gövde donat kiri lerin aç kl k plastikle memomenti (Mp).
Yap Eleman Konum Aç kl k Momenti (Mp)(tm)
K01-K16-K21-K27 j 61,392K021-K022-K241-
K242 j 73,809
K03-K17-K20-K26 j 122,7846K041-K042-K231-
K232 j 147,618
K05-K18-K19-K25 j 122,7846K061-K062-K221-
K222 j 147,618
2174
Bahad r, F. ve Aç kel, H.
Gövde donat z kiri lerin aç kl k plastikle me momentleriÇizelge 2’de gösterilmi tir.
Çizelge 2. Gövde donat z kiri lerin aç kl k plastikle memomentleri (Mp).
Yap Eleman Konum Aç kl k Momenti(Mp) (tm)
K07-K08-K09-K10-K11-K12-K14-K28 j
9,841K29-K30-K31-K32-K34-K35-K36 j
K37-K38-K39-K40-K41-K42-K43 j
K13-K33 j 16,323K15 j 13,076
Kolonlar n plastikle me momenti hesab :
Kolonlarda plastikle me hesab yap lmam r. Kolonlar nkesiti kare oldu u için 2 ve 3 eksenlerindeki plastikle memomentleri ayn r. Kolonlar n uç plastikle me momentleriprojeden veri olarak al nm r. Bu verilerden baz larÇizelge 3’de verilmi tir.
Çizelge 3. Baz kolonlar n plastikle me momenti.
Yap Eleman Konum Plastikle me Momenti(tm)
S01 i 15,97S01W1 k 15,97
S02 i 112,815S02W2 k 112,815
S03 i 31,94S03W1 k 31,94S04W2 k 225,63
S05 i 31,94S05W1 k 31,94S06W2 k 225,63
S07 i 112,815S07W2 k 112,815
S08 i 15,97S08W1 k 15,97
S09 i 225,63S09W2 k 225,63
S10 i 31,94
3.2. Y m Plan
Sanayi yap Sap2000 eksen tak na göre içe do rulmas planlanm r. Y m plan , içe do ru y
sa layacak ekilde seçilen kolonlar n ve kiri lerin a amalolarak patlat lmas yla olu turulmu tur. Patlat lankolonlardan ve kiri lerden sonra her a amada olu anplastik mafsallar tan mlanm ve hesaplamalar yapmekanizma durumuna ula ncaya kadar sürdürülmü tür.Kiri ler plastikle ti i zaman d yük olarak verilen moment3 ekseninde verilmi tir.
Birinci A ama:
Birinci a amada S14 ve S15 kolonlar patlamaylald ktan sonra yap sistemi çözülmü ve yap daki
moment da mlar incelenmi tir. Yap da baz kesitlerdekimoment de erinin, o kesite ait plastikle me momentini
görülmü ve bu kesitlerin plastikle ti idü ünülmü tür. Yap eleman n plastikle en k sm n yerinitayin edebilmek için yap eleman n ba lang ç k sm na “i”,aç k k sm na “j”, son k sm na da “k” denilmi tir.
S14 ve S15 kolonlar n y lmas ile K11 k, K12 i-j, K14 k,K15 i-j-k, K17W2 i, K30 i-j-k, K31 i, K32 i-j-k, K33 i, K35 k,K36 i-j-k, K37 i-j-k ve K38 i ucunda plastikle me meydangelmi tir. Bu kiri lerin plastikle en kesitlerine mafsalkoyulmu ve plastik mafsal (Mp) de eri i aretiyle verilmi tir.
Birinci a amada yap mekanizma durumuna gelmemi tir.Fakat K12, K15, K30, K32, K36 ve K37 kiri leri k smimekanizma durumuna geçmi lerdir. Yap –Z ekseninde içedo ru anti simetrik olarak y lmaya ba lam r.
kinci A ama:
kinci a amada S06 ve S11 kolonlar patlamayla y ld ktansonra yap sistemi çözülmü ve yap daki momentda mlar incelenmi tir. Yap da baz kesitlerdeki momentde erinin, o kesite ait plastikle me momentini agörülmü ve bu kesitlerin plastikle ti i dü ünülmü tür.
kinci a amada; K03W2 k, K041W1 i, K041W2 k, K042W2i, K05W1 i, K05W2 k, K061W1 i, K061W2 k, K062W1 k,K062W2 i, K10 i-j-k, K11 i-j, K13 i-j-k, K14 i-j, K17 j,K18W1 k, K18W2 i, K19W1 i, K19W2 k, K221W1 i,K221W2 k, K222W1 k, K222W2 i, K25W1 k, K25W2 i, K28i-k, K31 k, K33 k, K34 i-j-k, K35 i-j, K38 i-k ucundaplastikle me meydana gelmi tir.
Yap ikinci a amada iki defa daha çözülmü plastikle enkesitlere mafsal ve d moment verilerek sistemmekanizma durumuna geçirecek kesitler plastikle mi tir.Bu kesitlere ait baz örnekler Çizelge 4 ’de gösterilmi tir.
Çizelge 4. Sistemi mekanizma durumuna geçiren kesitlerebaz örnekler.
Plastikle en Kesitler Konumu Momentin YönüK01 j 3 ekseninde
K01W2 k 3 eksenindeK021 j 3 eksenindeK022 k 3 ekseninde
K20W2 k 3 eksenindeK231W1 i 3 ekseninde
K40 j 3 eksenindeS01W1 k 2 ve 3 ekseninde
S03 i 2 ve 3 eksenindeS04 i 2 ve 3 eksenindeS12 i 2 ve 3 eksenindeS13 i 2 eksenindeS16 i 2 ve 3 eksenindeS17 i 2 eksenindeS18 i 2 ve 3 ekseninde
S23W2 k 3 ekseninde
2175
Bahad r, F. ve Aç kel, H.
ekil 4. kinci a amada mekanizma durumunda bulunanyap elemanlar
ekil 5. Mekanizma durumunda olmayan yapelemanlar n deformasyonu.
3.3. Patlay Miktarlar n Hesab
S06, S11, S14 ve S15 kolonlar için patlay hesaplardenklem 8’e göre yap lm r.S06, S11, S14 ve S15 kolonlar n kesitleri 60x60 cmeklindedir.
360600600 2 m,,,A (6)
Hesaplar, Japonya’da kullan lan patlay cinsinden (3KD)hesaplan p daha sonra TNT patlay miktar nadönü türülmü tür.CA: Patlay n alansal etki katsay (0,6~0,8) (kg/m2);CA=0,8 (kg/m2)
Patlay miktar n a rl WE (kg);
Dinamit)Kiri3.(No288036080 kg,,,. ACW AE (7)
TNT patlay cinsinden patlay miktar (WTNT)HE = No 3.Kiri dinamitin patlama s cakl = 4050 Co
HTNT= TNT patlay n patlama s cakl = 2950 Co
WE= No 3. Kiri dinamitin patlay miktar n a rl ,
ETNT
ETNT W
HH
W . = TNT3960288029504050 kg,,. (8)
Kolonlarda y m için kullan lacak patlay lar 4x100 grTNT olacak ekilde düzenlenmi tir.
Çizelge 5. Sanayi yap nda kullan lan patlay miktarlar .
Yap Eleman Miktar (adet x gr) Patlay cinsii kS06 4x100 4x100 TNTS11 4x100 4x100 TNTS14 4x100 4x100 TNTS15 4x100 4x100 TNT
Toplam 3200 TNT
Toplam 3200 gr TNT kullan lmas dü ünülmü tür. Toplamolarak 32 adet kapsül haz rlanmas gerekmektedir.Kapsüllerin boyutlar kolonlarda 15 mm ve yüksekli i 200mm olacak ekilde haz rlanmas dü ünülmü tür.
ekil 6. Patlat lan kolonlar n patlay geometrisi.
3.3. Patlay Patlama Zaman Aral klar
Sanayi yap n mekanizma durumuna geçerek y lmasiçin temel zaman aral 0,5 sn olarak al nm r. Patlama
ras olarak önce S14 ve S15 sonra S06 ve S11kolonlar n patlat lmas gerekmektedir.
Çizelge 6. Patlama zaman aral klar .
Patlat lan YapEleman
Zaman Aral(sn) Patlama S ras
S14 ve S15 0,5 1S06 ve S11 0,5 2
Toplam 1,0 2
ekil 6. Patlat lan kolonlar ve patlama s ralar .
2176
Bahad r, F. ve Aç kel, H.
4. Ara rma Sonuçlar n De erlendirilmesi
Bu çal mada da sanayi yap n patlay ile y statikolarak Sap2000 program nda gerçekle tirilmi ve
daki sonuçlar elde edilmi tir.
S14, S15, S06 ve S11 kolonlar n 0,5 sn zamanaral klar ile toplam 1 sn’de y lmas gerekti ihesaplanm r,
Kolonlarda 3200 gr TNT kullan lmas gerekti i vetoplam 32 adet 15 mm’lik kapsül haz rlanmas gerekti ihesaplanm r,
Hesap edilen patlay a rl ve patlay yerinegöre sanayi yap Sap 2000’de girilen eksen tak nagöre -Z ekseni yönünde antisimetrik y lacahesaplanm r.
5. Sonuç
Bu çal mada sanayi yap n, projedeki verilere görebilgisayar ortam nda patlay ile y m uygulama projesiolu turulmu tur. Çal ma yap rken binan n projeye tamuygun tatbik edildi i kabul edilmi tir. Bu türlü birçal man n Türkiye artlar nda uygulanmas çe itlisebeplerle çok zordur. Birçok bürokratik ve güvenlikproblemlerinin yan nda binalar da her zaman projesine tamuygun yap lmamaktad r. Yap olu turan betonarme yapelemanlar n teorik ve deneysel olarak yerindeincelenmesi gerekmektedir. Bu incelemeye göre y mprojesi haz rlanmal r. Ayr ca bilgisayar ortam nda dahagerçekçi sonuçlar n elde edilebilmesi için dinamik verileringirilebilece i bir program n kullan lmas daha uygunolacakt r.
Bütün bu hususlar göz önüne al narak, patlay ile y mtekni i kullan larak yap larda, h zl , güvenli ve istenilenekilde y m i lemi gerçekle tirilebilecektir.
KAYNAKLAR
[1] BAHADIR F., 2002, Betonarme Yap lar n Patlay larile Kontrollü Y , Selçuk Üniversitesi Fen BilimleriEnstitüsü, Konya.
[2] BANGASH M.Y.H., 1993, “Impact and Explosion”,Blackwell Scientific Puplacations, pp. 426-660.
[3] BESHARA F. B. A.,1994, “Modelling of Blast Loadingon Above Ground Structures-I GeneralPhenomenology and External Blast”, Computers andStructures Vol.51, No.5, pp. 585-596.
[4] BOGASIAN D. D., DUNN B. W., CHROSTOWSKI J.D., 1999, “Blast Analysis of Complex StructuresUsing Physics-Based Fast-Running Models”,Submitted of 12th ADINA Conference, June.
[5] ÇAKIRO LU A., ÖZER E., 1983, “E ik E ilme veEksenel Kuvvet Etkisindeki Dikdörtgen BetonarmeKesitlerde Ta ma Gücü Formülleri”, Yesa Yay nlar ,stanbul.
[6] ERSOY U., 1987, “Betonarme – Temel lkeler veTa ma Gücü Hesab ”, Cilt 1, stanbul.
[7] ÖZMEN G., ORAKDÖ EN E., DARILMAZ K., 2002,“Örneklerle Sap 2000”, Birsen Yay nevi, stanbul.
[8] HANSEN T.C., 1992, “Recycling of DemolishedConcrete and Masonry”, pp 259-300, Stockholm,Sweden.
2177
5. Uluslararas leri Teknolojiler Sempozyumu (IATS’09), 13-15 May s 2009, Karabük, Türkiye
YÜKSEK YAPI TASARIMININ MALZEME VE TA IYICI S STEMKAPSAMINDA NCELENMES
EXAMINATION OF HIGH-RISE BUILDING DESIGN IN THE CONTEXT OFMATERIAL AND CARRIER SYSTEM
Yasemin KOÇ a*, Arzuhan Burcu GÜLTEK N b, Gökhan DURMU c ve Çi dem Belgin D KMENd
a*Gazi Üniversitesi, Teknik E itim Fakültesi;Yap E itimi Bölümü, Ankara, Türkiye, E-Posta: [email protected] Üniversitesi, Teknik E itim Fakültesi;Yap E itimi Bölümü, Ankara, Türkiye, E-Posta: [email protected]
cGazi Üniversitesi, Teknik E itim Fakültesi;Yap E itimi Bölümü, Ankara, Türkiye, E-Posta: [email protected] Üniversitesi, Mühendislik Mimarl k Fakültesi, Mimarl k Böl., Yozgat, Türkiye, E-Posta: [email protected]
Özet
nsano lu var oldu u andan ba layarak, bar nma vekorunma gereksinimi ile yap lar olu turmu tur. Endüstridevrimine kadar az katl olarak geli en yap lar,ondokuzuncu yüzy l sonlar ndan ba layarak sosyal,kültürel, teknik ve ekonomik aç dan farkl nedenlerle dü eyolarak geli meye ba lam r. Yap malzemesindeki veyap m teknolojisindeki bilimsel ve teknik geli meler sonucuyüksek yap lar n dü ey yükselme olanaklar artm r.Yüksek yap lar n tasar nda en çok kar la lan sorunlardo al afetlerle ilintili olarak ortaya ç kan malzeme veta sistem seçimine ili kindir. Bu bildiride yüksekyap larda kullan lan malzemeler betonarme, çelik vekompozit; ta sistemler ise “çerçeve sistem”, “perdeduvarl sistem”, “çerçeve ve perde duvarl sistem”,“çekirdek sistem” ve “tübüler sistem” olarak
fland lmaktad r. Bu s fland rma kapsam ndadünyadaki yüksek yap lar malzeme ve ta sistemaç ndan incelenmektedir.
Anahtar kelimeler: Yüksek yap , ta sistem, çerçevesistem, çekirdek sistem, tübüler sistem
Abstract
Human being has created buildings with the requirement ofsheltering and protection as he was borne. The buildingsthose didn’t developed as multiple-storey until theindustrial revolution have begun to develop verticallybecause of various social, cultural, technical and economicreasons. Vertical rising possibilities of high-rise buildingshave increased after the scientific and technicaldevelopments of construction materials and constructiontechnology. The most common problems for the design ofhigh-rise buildings are related to selection of material andcarrier system. The materials used for high-rise buildingswere classified as reinforced concrete, steel andcomposite; and the carrier system were classified as“frame system”, “shear wall system”, “frame and shear wallsystem”, “cellular system” and “tubular system” in thisproceeding. In the context of this classification high-risebuildings were examined according to their material andcarrier system.
1. GiriTarihsel süreç içinde yüksek yap lar ilk olarak an tsal ve diniyap larla ba lam ve geli mi , daha sonra ça dasistemlerin geli imi ile kendine özgü yerini bulmu tur. Eneski yüksek yap M r'da 147 m yüksekli indeki KeopsPiramidi’dir. Bu yap yakla k 4500 y l boyunca dünyan nen yüksek yap olma özelli ini korumu tur. 16. yüzy lortalar nda ise ngiltere, Fransa ve Almanya'da 160 m'yevaran kuleleri olan katedraller yap lm r. Yüksek yap larAfrika, Asya ve Avrupa'da ortaya ç km olmas na ra menas l geli imleri Amerika'da olmu tur [1]. Son y llarda isedünyan n birçok yerinde yüksek yap yapma e ilimigözlenmektedir. Bu e ilimin önümüzdeki y llarda daha daartaca tahmin edilmektedir.
Yüksek yap lar, özellikle nüfusun yo un oldu u, dolay ylaküçük alanlar üzerinde mümkün oldu unca daha fazlakonut ve i yerinin konumland ld büyük yerle immerkezlerinde zorunlu çözümler olarak ortaya ç km r.Özellikle çevreye uyum sa layan ve gerekli i levlerioptimum olarak yerine getiren yüksek yap lar ça zdabirçok yönden yararl ve kaç lmaz yap lard r.
Yüksek Katl Binalar ve Kentsel Yerle im Konseyi(CTBUH) dünyan n en yüksek binalar belirlemek için
da ifade edilen 4 yükseklik s tan mlamaktad r [2]:
1. Mimari tepe noktas na kadar yükseklik (direk veyabayrak direkleri, antenler hariç sivri ucu dahil kuleler).
2. En yüksek kullan lan kat3. Çat n üst kotuna kadar yükseklik.4. Yap n saçak kotuna kadar yükseklik
Yukar da s ralanan s flardan ilki geni çevrelerce kabuledilmekte ve dünyan n en yüksek yüz bina s ralamas bu
fa göre yap lmaktad r.
2. Yüksek Yap Tasar
Yüksek yap lar n tasar nda birtak m sorunlarlakar la lmaktad r. Bu sorunlar do al afetlerle ilintili olarakortaya ç kan malzeme ve ta sistem seçimine ili kindir.Yüksek yap larda seçilen malzeme ve ta sistemin etkin birekilde kullan lmas , yap n yükselmesi için büyük önem
ta maktad r. Yap yükseldikçe betonarme karkas sistemleryeterli olmamakta, ta lar fazla zorlanmakta ve en kesitleriekonomik olmaktan ç kmaktad r [3].
Yüksek yap lar n malzeme seçiminde çevre ve antiyeko ullar , nakliye ve depolama olanaklar kapsam nda
Koç, Y., Gültekin, A. B., Durmu , G. ve Dikmen, Ç. B.
avantaj ve dezavantajlar de erlendirilerek optimum birsonuca var lmal r. Ta sistem seçiminde ise yap yaetki eden “dü ey” ve “yatay” yükler dikkate al nmal r.“Dü ey yükler”, sabit ve hareketli yükler olarak
fland labilir. Sabit yükler, yap n ömrü boyuncata sisteme etki eden yükler olup yap n a rlifade eder. Hareketli yükler, büyüklük ve konumlarzamanla de en tekil yükler olup yap n kullan mamac na göre de ir. Yüksek yap tasar nda sabit vehareketli yüklerin oran önemlidir. Bu oran, yüksek yap nbüyüklü ünde de etkilidir. “Yatay yükler” ise yüksek yaptasar nda öncelikle dikkate al nmas gereken rüzgar vedeprem yükleri olup dinamik karakterli yüklerdir [4].
Yüksek yap larda kat say artt kça rüzgâr yüklerindendo an hareketler de önem kazan r [4].Yüksek binalardarüzgâr yüküne kar dayan kl artt rmak için dikkateal nmas gereken etkenler a da s ralanmaktad r [5]:
Yüksek binalar n kuvvet ve sa laml k gereksinimleri, Ta sistemi olu turan malzemelerin ve ba lant
detaylar n, de ken ve iddetli rüzgâr yükleri sebebiyleyorulmas , A rüzgâr yükü dolay yla olu an bina sars nt ve
sal n bina içi bölmelerinin ve bina cephe kabu ununçatlamas na, mekanik sistemlerin ve kap lar n ayarlar nbozulmas na ve kal deformasyonlara sebep olmas , Sal m ve sars nt n frekans ve miktar n binadaki
kullan lar rahats z etmesi, Yüksek bina üzerindeki rüzgâr yükünün, binadan
kurtulduktan sonra yön ve h z de tirmesinin çevre binalarüzerinde olumsuz etkiler yaratmas , Rüzgar n yayalar üzerindeki etkisi, Rüzgar n rahats z edici sesi.
Yüksek yap lar n ta sistemlerinin, rüzgar yüklerininyan s ra deprem yüklerini de güvenli bir ekildekar layabilmesi beklenir [4]. Deprem üst yap yap ntemelinden sarsarak etkiler. Yap n ta sistem elemanlar buharekete kar koyacak ekilde tasarlanmal r [6]. Yüksekyap lar n deprem deneyimleri di er tip yap lara göre daha
rl say dad r. Bu durum bu tür yap lar n çok oldu ubüyük kentleri etkileyen iddetli depremlerin az say daolmas n bir sonucudur. imdiye kadar ba ka ülkelerdekiyüksek yap lar n deprem davran lar ndan sonuçlar
kar lm ve bu sonuçlar yüksek yap lar n tasar nda yönverici olmu tur [7].
2.1. Yüksek Yap larda Kullan lan Malzemeler
Yüksek yap tasar nda malzeme seçiminde önceliklemalzemenin avantaj ve dezavantajlar de erlendirilmelidir.Bu de erlendirmede özel çevre ko ullar , antiye ko ullar ,nakliye ve depolama olanaklar da dikkate al nmal r.Yüksek yap lar kullan lan malzemeler aç ndan,betonarme, çelik ve kompozit (karma) yap olarak
fland labilir.
2.1.1. Betonarme Yüksek Yap lar
Ta sistem seçiminde genel amaçlardan biri malzememiktar en aza indirgemektir. Beton, ekonomi, fonksiyon,ekil verme özellikleri ve zamanla ortaya ç kacak ar zalara
kar dirençli olmas gibi birçok yönden uygun malzemeolmas nedeniyle yayg n olarak kullan lmaktad r. Çelik
veya kompozit yüksek yap larla kar la ld nda, betonyüksek yap larda yap sistemi geli tirebilmek dahauygundur. Kayan kal plar, tünel kal plar ve t rmanankal plar gibi beton yerle tirme tekniklerindeki yenigeli meler, beton pompalar gibi daha h zl beton dökmeekipmanlar n kullan , yüksek kaliteli kal p ve betonbirle imi sonucu iç hacimlerin verimli olmas sa layanküçük boyutlu ve daha az say da kolonun kullan lmas ,süper ak kanlar n geli mesiyle betonun dayan n ve
lenebilme özelli inin artmas , d cephedeki perde, kolonve yüksek kiri lerin ek önlemler gerekmeksizin mimariamaçlara uygunluk göstermesi gibi özellikleri betonmalzemeyle uygun bir yap sistemi geli tirilmesineyard mc olur [4].
2.1.2. Çelik Yüksek Yap lar
lk defa 1889 y nda kullan lan çelik malzeme günümüzdeyüksek yap larda yayg n olarak kullan lmaktad r. Çeli inyayg n olarak kullan lmas n nedenleri yap m sürecinin
zl olu u, aç kl klar n kolay geçilebilmesi, projedeyap labilecek onar m ve düzenlemelere imkan vermesi,yap a rl n az olu u nedeniyle uygun olmayan zeminko ullar nda temelin sorunsuz in aa edilmesine olanaktan mas , olumsuz hava artlar ndan çok fazlaetkilenmedi i için, in aas s ras nda “kay p gün” sorununuaza indirgemesidir [4].
2.1.3. Kompozit (Karma) Yüksek Yap lar
Beton ve çelik malzemenin birarada kullan ld yüksekyap lar, kompozit (karma) yap lard r. Çeli in h zl yap msüreci ve mukavemeti, betonun ekonomik olu u veyang na kar direnci dolay yla kompozit yap lar son
llarda yayg n bir ekilde kullan lmaktad r.
Dünyan n en yüksek 200 yap nda kullan lanmalzemelerin oran ekil 1’de sunulmaktad r [4].
ekil 1. Yüksek yap larda kullan lan malzeme oranlar [8]
2.2. Yüksek Yap larda Kullan lan Ta Sistemler
Yüksek yap larda ta sistemler kullan lan malzeme,yap yüksekli i, kat adedi ve yap n i levine gore çe itlilikgösterir. Yüksek yap lara etki eden yatay ve dü eykuvvetlerin aktar lmas nda kullan lan ta sistem tipleriçerçeve sistem, perde duvarl sistem, çerçeve ve perdeduvarl sistem, çekirdekli sistem, tübüler sistem olarak
fland labilir.
2179
Koç, Y., Gültekin, A. B., Durmu , G. ve Dikmen, Ç. B.
2.2.1. Çerçeve Sistem
Yap larda dü ey kuvvetlerin yan nda deprem ve rüzgâr gibiyatay kuvvetlerin de ta narak temellere iletilmesi gerekir.Bu nedenle dü ey ve yatay yükleri beraber ta yan birsistemin tasarlanmal r. Bu kapsamda kolon ve kiri lerin rijitolarak birbirine ba lanmas yla olu an çerçeve sistemlerortaya ç km r [1].
Yüksek yap larda çerçeve sistemler yayg n olarak rijitba lant larla olu turulmu dü ey kolon ve yatay kiri lerdenmeydana gelir. Betonarme ve çelik malzemeninkullan labildi i bu ta sistemlerin yatay yüklere karsa laml , ba lant noktalar n rijitli ine ba r. Çerçevesistemin ba ca avantaj planlamada pencere, kap gibibo luklar n düzenlenmesinde serbestlik sa lamas r.Çerçeve sistemler, hesaplama yöntemleri aç ndandüzlemsel çerçeveler ve uzaysal çerçevelerdir. Düzlemselçerçeveler, ayn dü ey düzlem içindeki kolon ve kiri lerdenolu an ta sistemlerdir. Uzaysal çerçeveler, birbirine paralelolan ve yatay kiri lerle birle tirilen çok say daki düzlemselçerçeveden olu an ta sistemlerdir [9]. Çerçevesistemler ekil 2’de ematik olarak ifade edilmektedir.
ekil 2. Çerçeve sistem yap örnekleri [1,10]
2.2.2. Perde Duvarl Sistem
Tarihte ta duvarl sistemler, a r ve kal n kâgirduvarlar eklinde ba lam r. Yap lar n kat adetleriço ald kça duvar kal nl klar n artmas , bu sistemlerinkullan labilirli ini ortadan kald rm r. Ancak ça da yapmalzemelerinin ve yap m yöntemlerinin geli mesi, taduvarl sistemleri tekrar ön plana ç karm r [11]. Belirli biryap yüksekli inden sonra (8–10 kat), çerçeve sistemleryatay yüklerin ta nmas nda yetersiz kal r. Bu durumda,yap içinde yap lacak sabit bölmeler dü ey ve yatayyüklere kar koyacak ekilde düzenlenerek “perdeduvarlar” olu turulur. Perdeler düzlem duvar, kafes kirieklinde olu turulan duvar, asansör, merdiven ve iç
çekirdek çevre duvarlar kapsar. Genellikle yüzeyalan n bo yüzey alan na oranla k tl oldu u dü eysistemlerdir. Bu sistemlerde bo yüzey alan n tüm yüzeyalan na oran % 60' in alt nda olamaz. Bu oran n dü mesidurumunda, perde duvarl sistem çerçeve veya tübülerçerçeve sistemlere benzer davranmaya ba lar [10].
Perde duvarl sistemler, kendi a rl ve yatay kuvvetlerikar layabilen dü ey düzlem elemanlarla olu turulur vegenellikle büyük serbest mekânlar n gerekmedi i konut,yurt, otel gibi yap larda kullan r [1]. Çerçeve sistemler
ekil 3’te ematik olarak ifade edilmektedir.
ekil 3. Perde duvarl sistem yap örnekleri [9]
2.2.3. Çerçeve ve Perde Duvarl Sistem
Yaln zca çerçevelerle olu turulan çok katl yap larda yapyüksekli i artt kça özellikle alt katlarda kolon kesitleri çokbüyür. Bunun temel nedeni, çerçevelerin artan yapyükseklikleri için yatay yükleri kar lamada yetersizkalmalar r. Bu nedenle perde ve çerçeve sistemlerbirlikte kullan r. Bu ekilde perdelerin büyük rijitliklerindendo an yetersiz süneklik oranlar , binaya çerçevelerineklenmesiyle artt lm olmaktad r. Böylece yaln zçerçevelerin kullan lmas halinde yatay yüklerin do urdu uötelenmeler sisteme perdeler eklenerek bir ölçüdeönlenmektedir [1].
Rijit çerçeve sistemlerin 30 kat n üzerindeki yap larda tek ba nakullan lmas uygun olmaz ve yap içinde yatay yükleri kar layacakperde duvarlar düzenlenir. Perde duvar betonarme perde ya daçelik kafes kiri ler eklindedir. Bunlar merdiven etraf nda kapal birçekirdek, yap içerisinde paralel duvarlar ya da dü ey cephekafesleri eklinde olabilir [6].
Bu sis tem 10 kattan 50 kata kadar olan bazen de dahayüksek binalarda kullan lmaktad r. Guseli k i r i l e r i neklenmesiyle birlikte sistem 70–80 kata kadar kullan labilirhale gelmi tir. Yatay deformasyonun uygunlu u iki sistemaras ndaki kar kl etkile imi ortaya ç kar r. Yatay yükleralt nda s k aral klarla konmu kolon ve yüksek kiri lerdenolu an çerçeve, b i r perdenin e ilme etkisi alt ndakidavran na benzer b i r davran gösterir. Her perde veçerçeve, bina yüksekli i boyunca sabit r i j i t t i k özelliklerinesahip olmal r. Ancak mimari ve di er fonksiyonelsebepler perde ve çerçevenin biçimini etkiler. Modern birçok katl yap da perde ve çerçevelerin geometrisi binaboyunca de kenlik gösterebilir [11]. Perde duvarl sistemesahip yap lar tüm deprem bölgeleri için önerilir, depremtehlikesi olan bölgelerde özellikle 5 kat geçen betonarmeyap lar n perde duvarl sistemle yap lmas gerekir. Yeniyönetmelik ile getirilen baz kurallar perdelerin kullanzorunlu hale getirmi tir [13].
2180
Koç, Y., Gültekin, A. B., Durmu , G. ve Dikmen, Ç. B.
Yatay yük olarak sadece rüzgâr etkisi alt nda, 30 kat nüzerindeki yap larda rijit çerçeve sistemlerin tek ba nakullan lmas uygun olmaz. Deprem etkisi söz konusu oldu undabu kat say lar daha da azalmaktad r. Bu durumda yap içindeyatay yükleri kar layacak perde duvarlar (ta duvarlar)düzenlenir. Çerçeve ve perde duvarl sistemler genellikle 40–60kat yükseklikler için uygundur, ancak deprem etkisi alt ndakibölgelerde bu kat adetleri çok daha dü üktür. Yurdumuzda vedünyada, çok katl yüksek yap tasar nda en çok kullan lanta sistem perde ve çerçevelerden olu an sistemlerdir [9].Çerçeve sistemler ekil 4’te ematik olarak ifadeedilmektedir.
ekil 4. Çerçeve ve perde duvarl sistem yap örnekleri [10]
2.2.4. Çekirdekli Sistem
Çekirdekli sisteme sahip yüksek binalarda yüklerin tamamveya büyük k sm tek bir çekirdek veya binan n çe itlibölgelerindeki çekirdekler yard yla ta r. Bu yap lardaçekirde e yard mc olarak çerçeve, perde duvar veyakablolu asma sistemler kullan labilir. Çekirdekler yatayyüklere kar zeminden konsol olarak ç kan büyükkiri lerdir. Çekirdekteki e ilme ve kayma gerilmeleri kesitteburulma olmayaca varsay ile kutu kesitli bir kiri inkinebenzer. Bu sistem ayn zamanda dü ey yükleri deta ndan, üzerine etkiyen bas nç kuvvetleri öngermeetkisi yapar. Böylece yatay kuvvetlerle olu an e ilmeyeba çekme gerilmeleri için ayr ca bir sistemtasarlanmas na gerek kalmaz. Bu durum özellikle a rbeton çekirdekler için geçerlidir ve normal gerilmelerçekirdek malzemesinin kayma dayan artt r [1].
Tek tek düzlem elemanlardan olu an ta perde duvarsistemler, i levlerin ve kullan gereksinimlerinin belirli vekesin oldu u konut ve otel gibi binalara iyi uymaktad r.Ancak günümüzde büro ve ticari amaçl binalarda büyükalanlar ve serbest plan artlan gerekmektedir. Bu genimekânlarda esneklik geçici veya hareketli bölmeelemanlar yla sa lan r. Bu durumda bina içine gerekli perdeduvarlar yerle tirmek güçtür, ancak yükleri kar lamak içinde bunlar gereklidir. Bu nedenle özellikle büro binalar ndaperdelerin birle tirilmesiyle olu an çekirdek ya da çekirdeklerkullan r. Perde duvarlar gibi çekirdekler de bina içinde yada cephesinde düzenlenebilir [6]. Çerçeve sistemler ekil5’te ematik olarak ifade edilmektedir.
ekil 5. Çekirdek sistem yap örnekleri [1]
2.2.5. Tübüler Sistem
Ta sistem tasar nda en son geli me Fazlur Khan' n ortayakoydu u tübüler sistem kavram r. Tübüler sistemde dö emeninher m²'sinde kullan lan yap malzemesi miktar yan büyüklü ündekigeleneksel çerçeve yap larla kyaslanabilir. Tübüler tasar mda,cephe eleman n yerden konsol ç kan kapak bo bir kutu kirigibi yatay yüklere kar koydu u varsay r. D duvarlar rüzgâryükünün tümünü ya da ço unu kar lad için yap içindekidiyagonal çaprazlamalara ve kesme duvarlar na gerek kalmaz.Tüp, yap çevresinde s k aral kl kolonlarla olu turulur. Bucephe strüktürü delikli bir duvar görünümündedir. Tübün rijitli içok fazlad r ve konsol kiri e benzer bir ekilde yatay yüklerekar koyar [6].
duvarlar rüzgâr ve deprem yüklerinin tümünü veyabüyük bir k sm kar lad için yap içindeki diyagonalçaprazlamalara ve perde duvarlar na gerek kalmaz.Tübüler sistemler çerçeveli sistemlere göre strüktüreletkinli i artt rd gibi strüktür malzemesinden de % 50tasarruf sa lar. Böylece daha hafif binalar n yap labilmesineolanak verir. Strüktür tasar mc lar tübüler sistemleri yüksekbina ta sistemleri aras nda en etkin, en ekonomik veen emniyetli strüktürler olarak göstermektedir. Tübülersistemlerde yatay yüklere kar iki farkl çal ma eklimeydana gelir. Birincisi; yatay yüklere paralel iki cepheduvar , yakla k olarak çerçeve davran göstermekte, buçerçevelerin kiri ve kolonlar n e ilmesiyle yatay yükkar lanmaktad r. kincisi ise; yatay yüklere kar binan ntümüyle bir konsol tüp davran göstermesidir [1].
Tübüler sistemler betonarme, çel i k ve her ikisinin beraberkullan ndan olu an kompozit malzemeler ile in aedilebilir [11]. Tübüler ta sistemlerde, d cephe duvarlaryatay yüklerin ço unu ya da tümünü kar lad ndan, içtekirüzgâr ba lant ve perdelere gerek kalmamaktad r. Bununlabirlikte yap yüksekli i ya da yatay yükler artt nda iç tüplerdenya da çekirdekten yararlan labilir [9]. Dünyadaki en yüksekyap lar tübüler sistemle olu turulabilir. Tübüler sistemlerinetkinli i, metrekareye dü en ta sistem malzememiktar n, pek çok durumlarda geleneksel çerçeveliyap lardakinin yar na e de er olmas ylabelirginle mektedir [10].
ekil 5. Tübüler sistem yap örnekleri [10]
2181
Koç, Y., Gültekin, A. B., Durmu , G. ve Dikmen, Ç. B.
3. Yüksek Yap Tasar n Malzeme ve TaSistem Kapsam nda ncelenmesi
Yüksek yap larda ta sistemin belirlenmesindeyatay ve dü ey yüklere kar dayan kl k, kullan mamac , kullan lar n konforu, binan n narinlik oran ,zemin ko ullar , bina-zemin etkile imi, yang ngüvenli i, servis sistemleri, arsa maliyeti, kütleformu, ta sistem malzemesi, mimari tasar m,tasar n ta sistemle bütünle mesi ve gibietkenler dikkate al nmal r.
Ta sistem seçiminde ekonomi en belirleyici etkendir.Çeli in d ülkelerden ithal edildi i ve çelik konstrüksiyoniçin alt yap n bulunmad ülkelerde betonarme yap lardaha yayg n olarak kullan lmaktad r. Malzeme seçimindeise mevcut yap m teknolojileri ve mekanizasyon düzeyi,yap m endüstrisinin sahip oldu u altyap ve yap m
endüstrisinin sahip oldu u yerel altyap ve yap m sürecigibi etkenler belirleyici olmaktad r. Malzeme teknolojisi,yap m teknolojisindeki geli melere ko ut geli mektedir.Geli mekte olan ülkeler betonarme yap m tekniklerinikullanmakta ve betonarme teknolojik aç dan çeli e k yasladaha h zl bir geli me göstermektedir. Ta sistemteknolojisindeki geli meler mimari tasar da etkilemektedir.Bu geli melerle mekan aç kl klar ve esneklikartabilmektedir [15].
Yüksek yap larda ta sistemin belirlenmesinde yatayve dü ey yüklere kar dayan kl k, kullan m amac ,kullan lar n konforu, binan n narinlik oran , zeminko ullar , bina-zemin etkile imi, yang n güvenli i, servissistemleri, arsa maliyeti, kütle formu, mimari tasar m,tasar n ta sistemle bütünle mesi ve ta sistemmalzemesi gibi etkenler dikkate al nmal r.
CTBUH taraf ndan mimari tepe noktas na kadar yüksekli egöre yap lan s fland rmaya göre, malzeme ve tasistem kapsam nda incelenen yap lar Çizelge 1’desunulmaktad r.
Yüksek Yap Örnekleri Ülke (il) BitiTarihi lev Yükseklik Kat
Adedi Malzeme Ta Sistem
Taipei 101 Tayvan(Taipei) 2004 Çok amaçl
kullan m 509m 101 Betonarme ve çelik Çerçeve sistem
Shanghai WorldFinancial Center
Çin(Shanghai) 2008 Ofis 492m 101 Betonarme ve çelik Tübüler sistem
Petronas KuleleriMalezya(Kuala
Lumpur)1998 Ofis 452m 88 Kompozit Tübüler Sistem
Sears Kulesi ABD(Chicago) 1974 Ofis 527m 108 Çelik Tübüler sistem
860 Lake ShoreDrive ABD (Sikago) 1951 Konut 77m 25 Çelik Çerçeve Sistem
c Center ABD (Sikago) 1966 Adliye - 31 Çelik Çerçeveli sistem
Alcoa dare Binas ABD (SanFransisko) 1969 Büro 96m 28 Betonarme ve çelik Tübüler Sistem
Lloyd’s Of London ngiltere(Londra) 1984 Büro 79m 15 Kompozit Çerçeveli Sistem
Mavi ehir TopluKonutlar
zmir(Mavi ehir) 1997 Konut - 7-22 Betonarme Perde Duvarl Sistem
Mersin TicaretMerkezi Mersin 1992 Çok amaçl
kullan m 176m 55 Betonarme Tübüler Sistem
Seagram Building ABD(New York) 1959 Ofis 160m 38 Kompozit
Türkiyestanbul) 1988 Konut 57m 20 Betonarme Perde Duvarl Sistem
stanbul OrdueviKkültür ve
Dinlenme Tesisleri
Türkiyestanbul) 1983 Çok amaçl
kullan m 90m 28 Betonarme Perde Duvarl Sistem
Gayrettepe P.T.T.Genel Müdürlü ü stanbul 1990 Büro 64m 21 Betonarme
Çerçeve ve perdeduvarl sistem
(Çerçeve ve çekirdekSistem)
CITI Plaza Çin(Guangzhou) 1997 Ofis 391 m 80 Çelik Çekirdek sistem
John Hancock Center ABD(Chicago) 1969 Çok amaçl
kullan m 344 m 100 Çelik Tübüler sistem
Empire State BinasABD
(New YorkCity)
1931 Ofis 381 m 102 Çelik Çekirdek sistem
Çizelge 1. Yüksek yap larda malzeme ve ta sistemler [9, 10, 11, 13, 14]
2182
Koç, Y., Gültekin, A. B., Durmu , G. ve Dikmen, Ç. B.
4. Sonuç ve Öneriler
Yirminci yüzy la kadar yap malzemelerinin ak lckullan sa layan teknolojinin ve teknolojik bilginin
rl ndan dolay ta sistemler çok yavageli mi tir. Yirminci yüzy lda ise yap malzemeleri veta sistemlerde büyük ilerlemeler olmu tur. Ya anandepremler ta sistem malzemesi seçiminde yanl önyarg lara neden olmu ve bilimsel olmayan yarg veöneriler ortaya ç km r. Bu durumun a labilmesi için yeniyap lacak yap lar n hiçbir malzeme ve ta sistem
lanmadan yüksek yap n i levi ve türü ne olursa olsunön proje a amas nda söz konusu binaya ve çevreko ullar na en uygun olan ta sistem malzemesininseçilmesi gerekir. Bu seçimi etkileyen ölçütler maliyet,süre, malzeme temini ve ula m, i çilik ve yap m tekni iözellikleri, yang n güvenli i, d hava artlar nadayan kl k, depreme kar davran , tasar n esnekli i,denetlenebilirli i, uygulama alanlar , malzemenin geridönü ümü ve çevreyle ili kisi, mimari anlam r. Mimarianlamdaki etkenler ise yüksek yap lar n kat adetleri ve
levleri dikkate al narak i levsel çözüm, strüktürel etkinlik,yap m kolayl ve ekonomidir. yi bir yüksek yap tasariçin tüm yap malzemelerinin üstün ve sak ncal yönlerininnitelikli olanaklar n iyi bilinmesi gerekir. Ko ullara, yap msistemine ve mimar kurguya uygun ta sistem vemalzemesi seçilmelidir. Bir ta sistemin etkinli isistemin türüne malzemenin cinsine ve yükleme eklinegöre de ir. Bu de kenlerin dikkate al nd bir yüksekyap tasar nda dayan kl k, ekonomiklik, aç kl k-yükseklik olanaklar en yüksek düzeye ula abilir.
Kaynaklar
[1] Beyazo lu,T. L. Yüksek binalarda tübüler tasistemler ve uygulama örnekleri, Mimar SinanÜniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Mimarl k AnabilimDal , stanbul, 1997.
[2] “The Council on Tall Buildings and Urban Habitat”resmi web sayfas , http://www.ctbuh.org/
[3] Özgen, A. ve Sev, A. Çok katl yüksek yap lardata sistemler, Birsen Yay nevi, stanbul, 2000.
[4] . Müh. Ard ç, H. Betonarme yüksek yap lar nta sistemlerinin incelenmesi ve tüp tasistemli yüksek yap lar n dinamik hesab , stanbulTeknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, stanbul,1993.
[5] Aysu, O., B. Yüksek bina ta sistemleri, Y ld zTeknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Mimarl kAnabilim Dal , stanbul, 1999.
[6] Y lmaz,F. Yüksek binalarda ta sistem etkinli i,stanbul Teknik Üiversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü,stanbul, 1998 .
[7] Bal , E. Yüksek yap larda ta sistem sorunlar ,Gazi Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Mimarl kAnabilim Dal , Ankara, 1995 .
[8] . Y. Müh. Doç. Dr. Co kun, E. Yüksek binalar ngeli imi ve tasar m ilkeleri, stanbul Kültür Üniversitesi,stanbul, 2006.
[9] Karakaya, A. Çok katl yüksek yap larda tasistemler ve ta sistem bile enlerinin yap myöntemleri aç ndan de erlendirilmesi, Dokuz EylülÜniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Yap AnabilimDal , zmir, 2000.
[10] Mucur, A. stanbulda’ki yüksek yap lar n tasistem aç ndan analizi, Y ld z Teknik Üniversitesi,Fen Bilimleri Enstitüsü, Mimarl k Anabilim Dal ,stanbul, 1994 .
[11] Büyüklü ü, K. Çok katl yüksek yap larda çekirdeklisistemler ve uygulama örneklerinin incelenmesi,Mimar Sinan Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü,stanbul, 1998.
[12] Ün, H. Ta sistem tasar , PamukkaleÜniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, aatMühendisli i Anabilim Dal , Denizli, 1998.
[13] Y.Mim. Sev, A.Türkiye ve dünyadaki yüksek binalar nmimari tasar m ve ta sistem aç ndan Analizi,Mimar Sinan Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü,stanbul, 2001.
[14] http://www.skyscraperpage.com[15] Y.Mim. Sev, A.Türkiye ve Dünyadaki yüksek binalar n
mimari tasar m ve ta sistem aç ndan analizi,Mimar Sinan Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü,stanbul, 2001.
Özet Bu çalışmada, asfalt betonunun Marshall Stabilitesi farklı sıcaklık ve bekleme sürelerine maruz bırakılarak deneysel olarak belirlenmiştir. Bu amaçla D100-11 Devlet karayolu kesiminden 65 adet asfalt karot numuneleri alınmıştır. Karot numunelerin temel fiziksel özellikleri ve bitüm miktarları belirlendikten sonra 17 oC (referans sıcaklık), 30, 40 ve 50 oC sıcaklıklarda 1.5, 3, 4.5 ve 6 saat süre ile bekletilerek Marshall Stabilite deneyleri yapılmıştır. Deneysel olarak elde edilen Marshall Stabilite değerlerinin numunelerin temel fiziksel özellikleri, bitüm miktarları, sıcaklık ve bu sıcaklıklara maruz kalma sürelerine bağlı olarak tahmin edilebilmesi amacıyla uyarlamalı sinirsel bulanık mantık yaklaşımı ile tahmin modeli geliştirilmiştir. Geliştirilen tahmin modeli sonuçları ile elde edilen deneysel değerler karşılaştırılmıştır. Sonuç olarak modelin tahmin ettiği Marshall stabilite değerleri ile deneysel olarak elde edilen değerlerin arasında oldukça yüksek bir ilişki olduğu belirlenmiştir.
Anahtar kelimeler: Asfalt, Marshall Stabilitesi, Tahmin Modeli Abstract In this study, the Marshall Stability (MS) of asphalt concrete under varying temperature and exposure times was modelled by using adaptive nero fuzzy inference system (ANFIS). This is an experimental study conducted using ANFIS method. In order to investigate the Marshall Stability (MS) of asphalt concrete based on exposure time and environment temperature, exposure times of 1.5, 3, 4.5 and 6 h and temperatures of 30, 40 and 50 °C were selected. The MS of the asphalt concrete at 17 °C (in laboratory environment temperature) was used as reference. The relationships between experimental results and ANFIS results exhibited good correlation.
Keywords: Asphalt, Marshall Stability, Prediction Model. 1. Giriş Karayolunda meydana gelen hasar ve bozulmalar karayolunun temel ve alt tabakalardan ziyade daha çok binder ve aşınma tabakalarında meydana
gelmektedir. Binder ve aşınma tabakalarındaki bozulmalar; yüzey çatlakları, çökmeler, lastik izleri, çukurlar v.b. oluşmaktadır. Karayolu kaplamasında kaplama performansını asfalt betonunun stabilitesi belirlemektedir. Asfalt betonunun düşük stabilitede olması kaplamada birçok bozulmaya neden olabilir [1–2]. Asfalt beton kaplamanın stabilitesi karışımın özelliklerine, bitüm miktarına, yumuşama noktasına, bitümün viskozitesine, agrega gradasyonuna, yerinde imalat şartları ile trafik ve iklim şartları gibi özelliklere bağlıdır [3]. Karayolu kaplamasında görülen en önemli bozulmalardan bir tanesi de tekrar eden yüklerin etkisi ile oluşan yorulma çatlaklarıdır [4]. Diğer taraftan asfalt karışımlarının istenilen sıcaklıklarda olmasıda asfaltın performansını ve ekonomik ömrünü belirleyen temel faktörlerden biridir. Isacsson, U. ve Zeng, H. [5] yaptıkları çalışmada, düşük sıcaklıklardaki asfalt karışımlarında kullanılan bitümün reolojik özelliklerinin karışımın davranışı üzerindeki etkilerini incelemişlerdir. Asfalt betonunda numunelerin stabilitesi Marshall deneyi ile hasarlı ve ultrases metodu ile de hasarsız olarak belirlenebilir. Uygulamalarda, kesin sonuç vermesi nedeniyle tahribatsız yöntemler yerine maliyeti yüksek ve zaman kaybına neden olan tahribatlı metotlar kullanılmaktadır. Asfalt betonları için laboratuar şartlarında belirlenen mühendislik özellikleri, deney yapılamayan durumlarda ya da sonucu bilinmeyen ara değerler için belirlenmesi gerektiğinde tahmin modelleri oluşturarak tahmin edilmeye çalışılır. Tahmin modelleri çeşitli istatistik metotlarıyla geliştirilmiş olan doğrusal ya da doğrusal olmayan nitelikteki matematiksel modellerdir. Doğrusal modeller basit analiz teknikleri ile oluşturulabilir. Ancak doğrusal olmayan özellikteki karmaşık sistemlerin modellenmesi, kimliklendirilmesi ve kontrol edilmesinde bulanık mantık (fuzzy logic) ve yapay sinir ağları (artificial neural networks) gibi yöntemler yaygın şekilde kullanılırlar. Belirsizlik taşıyan karmaşık sistemlerin uzman deneyimine dayalı bir kural yapısı ile tanımlanmasını mümkün kılan bulanık mantık ile öğrenme, adapte olabilme ve genelleme yapabilme gibi özellikleri bulunan yapay sinir ağlarının güçlü hesaplama yeteneği bir araya getirilerek hızlı ve etkili modelleme yöntemleri geliştirilebilmektedir. Adaptif ağ yapılı bulanık sonuç çıkarım sistemi (adaptive network based fuzzy
inference system) olarak bilinen ANFIS, bu yöntemlerden biridir. [6]. Bu çalışmada Marshall Stabilite değerlerinin numunelerin temel fiziksel özellikleri, bitüm miktarları, sıcaklık ve bu sıcaklıklara maruz kalma sürelerine bağlı olarak tahmin edilebilmesi amacıyla Sugeno tip bulanık mantık yaklaşımı (ANFIS) kullanılarak bir tahmin modeli geliştirilmiştir. 2. Malzeme ve Yöntem 2.1. Malzeme Bu çalışmada toplam 37 karot numune kullanılmış ve bunlardan 5 tanesi rasgele seçilerek 17 oC’de ki laboratuar ortamında bekletilmiştir. Bu numuneler üzerinde yapılan Marshall Stabilite deney sonuçları referans olarak kullanılmış ve diğer numunelerin stabilite değerleri ile karşılaştırılmıştır Karot numuneler 10,16 cm ve 6.35 cm uzunluğunda olacak şekilde numune kesme makinesi ile kesilerek Marshall stabilite deneyine uygun hale getirilmiş ve 0,01 gr hassasiyette tartılmışlardır. Numuneler tartıldıktan sonra 16,2 oC sıcaklıktaki su içinde 24 saat bekletilerek doygun yüzey haline getirilmiştir. Asfalt karot numunelerin fiziksel özelliklerinin belirlenebilmesi amacıyla aşağıdaki denklem kullanılarak hacimleri hesaplanmıştır.
( )[ ]w
stwsta mmmmVρ
−+−=
V: Numune hacmi (cm3), ma: Numunenin havadaki ağırlığı (kg), mst:Su içindeki sepetin görünür ağırlığı (kg), mw:Su içindeki numunenin görünür ağırlığı (kg), ρw: 20 0C sıcaklıktaki suyun yoğunluğu 998 kg/m3. Numunelerin hacimleri yukarıdaki ifade ile bulunduktan sonra, boşluk hacmi, doygun yüzey birim hacim ağırlık ve hava kurusu birim hacim ağırlıkları belirlenmiştir [7]. 3. Marshall Stabilite Testi Marshall Stabilite test cihazı, BS 598-107 standardına uygun olup dijital ekranlı bir cihazdır. Ölçüleri 550x400x870 mm olup yük uygulama kapasitesi de 50,8 mm/dakikadır. Cihaz asfalt karot numunelerin stabilite değerlerini 0,1 kg hassasiyetle ölçebilmektedir. Cihazın 25 mm kapasiteli ve 0.01 mm hassasiyetinde ölçüm yapabilen komparatörü bulunmaktadır (Şekil 1).
Şekil 1. Marshall Stabilite test cihazı Farklı sıcaklık ve bekleme sürelerine maruz kalan asphalt karot numunelerinin stabilite ve akma değerlerindeki değişimleri tespit edebilmek amacıyla 37 asfalt karot numunesinin içinden beş tanesi rastgele seçilerek referans grup olarak kullanılmıştır. Numuneler yukarda gösterildiği gibi Marshall Stabilite cihazına yerleştirilmiş ve her bir numunenin stabilitesi ile akmaya karşı direnci ölçülerek kaydedilmiştir. 4. ANFIS (Adaptive neuro-fuzzy infirence system) Bulanık sistemler, genel anlamda, giriş değişkenlerinden çıkış değişkenlerine dönüşümü sağlamak amacıyla bulanık kümeleri kullanan sistemlerdir [8]. Bu sistemler, özellikle insan deneyimlerinin ve sözel verilerin modele katılmasında büyük yarar sağlamaktadırlar. Bu amaçla modelin değişkenleri bulanık alt kümeler ile ifade edilirler ve söz konusu çıkarım için klasik küme işlemlerinin genelleştirilmesiyle elde edilen bulanık küme işlemleri yapılır. Bulanık mantık, model yada verideki belirsizliklerin ele alınmasında kullanılan yöntemlerden biridir. Bulanık çıkarım sistemleri, bulanık eğer-ise kuralları adı verilen bulanık kurallara dayanan sistemlerdir. Bu nedenle bulanık çıkarım sistemleri, bulanık kural tabanlı sistemler olarak da adlandırılır. Bazı kaynaklarda bulanık çıkarım sistemleri yerine bulanık model, bulanık çağrışımlı bellek, bulanık mantık kontrolör terimleri de kullanılmaktadır [9]. Bulanık çıkarım sistemlerinin temeli olan bulanık eğer-ise kuralları, anlaşılacağı üzere öncül ve soncul kısımlardan oluşmaktadır. Öncül kısımda sonuca sebep olan giriş değişkenleri ve bunlar arasındaki mantıksal ilişkiler, soncul kısımda ise bu giriş değişkenlerine bağlı olarak ortaya çıkan sonuç değişken(ler)i yer alır. Genel olarak bir bulanık kural aşağıdaki formdadır: Kural: eğer A (“koşul”) ise B (“sonuç”) Burada A öncül kısımdaki girdi değişkenlerince tanımlanan koşulları, B ise soncul kısımdaki çıktı değişkenini temsil etmektedir. Uygulamada bulanık çıkarım sistemleri için çok sayıda ve değişik modeller önerilmektedir [9]. Bunlar
2185
Özgan, E., Kap T., Beycioğlu A., Emiroğlu M..
genel işlem sırası ve metodolojisi bakımından birbirine benzemekle birlikte soncul kısımlarındaki üyelik fonksiyonlarının yapıları itibariyle farklılıklar gösterirler. Soncul kısımlarındaki bu farklılıklar bakımından bulanık çıkarım sistemleri üç farklı gruba ayrılmaktadır. Bunlar Mamdani, Tsukamoto ve Sugeno tipi çıkarım sistemleridir. Bunlardan Sugeno tipi çıkarım sistemi, parametrelerinin optimize edilebilmesinin kolaylığı bakımından diğer sistemlerden daha avantajlıdır. Sugeno tipi BÇS’de soncul kısımdaki çıktı değişkeni, girdi değişkenlerinin lineer bir fonksiyonu ya da sabit bir fonksiyon şeklindeki üyelik fonksiyonuna sahiptir. Parametreleri optimize edilen Sugeno tipi çıkarım sistemlerine Adaptif Ağ tabanlı BÇS (ANFIS) adı verilir [9]. İki bulanık kurallı Sugeno tipi bir BÇS yapısı aşağıda gösterilmiştir (Şekil 2).
Şekil 2. Sugeno tipi BÇS örneği ANFIS parametrelerinin optimizasyonunda, geriye yayma, en küçük kareler kestirimi, Kalman filtresi ya da birden fazla matematiksel optimizasyon yönteminin birleşmesinden oluşan hybrid öğrenme algoritmaları gibi değişik yöntemler kullanılabilir [10]. Bu çalışmada “hybrid yöntem” kullanılmıştır. Sugeno tipi bulanık çıkarım sistemlerinde kurallar, Eğer xεAi ve yεBj ise zk = fk(x,y) şeklinde ifade edilmektedir. Burada A ve B sırasıyla öncül kısımdaki X ve Y değişken uzayını bulanık alt uzaylara ayıran kümelerin etiketidir. zk ise (k=ixj ile) o kurala ait çıkış değeridir ve bu, girdi değişkenlerinin bir fonksiyonudur. Herhangi bir x,y girdi çifti için sonuç çıkış değeri ise tüm kuralların çıkış değeri olan zk’ların ağırlıklı ortalamasıdır:
∑∑===
k
mm
k
mmm wZwZ
11/
5. ANFIS’ in Marshall Stabilite Deney Sonuçlarına Uygulanması Asfalt karot numunelerinin Marshall stabilite değerlerinin tahmini için oluşturulan ANFIS modelinde eğitim aşamasında kullanılmak üzere seçilen 26 farklı deney setine ait tanımlayıcı istatistikler Tablo 1’de verilmiştir.
Tablo 1. Eğitim seti olarak seçilen Marshall stabilite değerlerinin tanımlayıcı istatistikleri N Min. Maks. Ortalama Std. Sapma
BIRIM_AG 26 2,38 2,63 2,5167 0,06157 SICAKLIK 26 17 50 38,23 10,15 SÜRE 26 0 6 3,46 1,93 BITÜM_M 26 80,70 144,30 103,4462 18,3862 STABILITE 26 536 4419 1553,65 1051,69 Sugeno tipi bulanık çıkarım siteminde eğitim yapılırken her bir girdi için 5’er adet üçgen (trimf) üyelik fonksiyonu seçilmiş ve model eğitilmiştir. İterasyon sonrası ortalama karesel hata 0,00060382 olarak bulunmuştur. ANFIS modelinde girdiler ile çıktı arasındaki ilişkiyi yansıtan kural tabanında 625 adet kural oluşmuştur. Eğitim aşamasından sonra eğitim seti ile modelin tahmin ettiği eğitim değerleri arasındaki örtüşme grafiği aşağıda gösterilmiştir. (Şekil 3)
Şekil 3. Eğitim aşamasında değerler arasındaki örtüşme grafiği Model oluşturulduktan sonra test aşaması için belirlenen 11 adet deney verisi ile modelin tahmin yeteneği test edilmiştir. Test setindeki deney sonuçları ile modelin tahmin ettiği sonuçlar aşağıda verilmiştir. (Tablo 2). Tablo 2. Test setindeki deney sonuçları ile modelin tahmin ettiği sonuçlar
Ayrıca sonuçlar arasındaki ilişkiyi gösteren grafik aşağıdaki grafikte verilmiştir. (Şekil 4).
2186
Özgan, E., Kap T., Beycioğlu A., Emiroğlu M..
R2 = 0,9514
0
1000
2000
3000
4000
5000
0 1000 2000 3000 4000 5000deney sonucu
tahm
in s
onuc
u
Şekil 4. Model sonuçları ile deney sonuçları arasındaki ilişki 6. Sonuç ve Öneriler Bu çalışmada, uyarlamalı sinirsel bulanık mantık yaklaşımının asfalt numunelerinin Marshall stabilite değerlerinin tahmininde uygulanabilirliliği araştırılmıştır. Bunun için deneysel olarak elde eilen 37 farklı deney serisi kullanılmıştır. Deneysel veriler eğitim için 26 adet ve test için 11 adet olmak üzere iki gruba ayrılmıştır. Eğitim aşamasında her bir girdi için 5 adet üyelik fonksiyonu atanarak model eğitilmiştir. Eğitim sonucunda ortalama karesel hata değeri 0,00060382 olarak bulunmuş ve modelde girdiler ile çıktı arasındaki ilişki 625 adet kural oluşturularak sağlanmıştır. Test aşamasında ise modeli oluştururken kullanılmayan 11 adet numuneye ait değerler kullanılmıştır. Test aşamasındaki değerler ile modelin tahmin ettiği değerler arasında yüksek oranda bir ilişki (R2 = 0,95) olduğu görülmüştür. Sonuç olarak, uyarlamalı Sugeno tipi bulanık çıkarım sisteminin benzer çalışmalarda kullanılabileceği görülmüştür. Kaynaklar [1] Tigdemir, M., Kalyoncuoglu, S.F., and
Kalyoncuoglu, U.Y., 2004, Applications of ultrasonic method in asphalt concrete testing for fatigue life estimation. NDT&E Int., 37(8):597-602.
[2] Tigdemir, M., Karasahin, M., and Sen, Z., 2002, Investigation of fatigue behaviour of asphalt concrete pavements with fuzzy logic approach. Int J Fatigue., 24 (8):903–910.
[3] Cooper, K.E., and Pell, P.S., 1974, The effect of
mix variables on the fatigue strength of bituminous materials, TRRL Report 633.
[4] Liang, R.Y., and Zhou, J., 1997, Prediction of fatigue life of asphalt concrete beams, Int. J Fatigue, 19 (2):17 124.
[5] Isacsson, U., and Zeng, H., 1998, Cracking of asphalt at low temperature as related to bitumen rheology, J. Mater. Sci.; 33, (8): 2165-2170.
[6] Saracoglu, O.G.; Bagis, A.; Dagdelen, U. ”Determination of Eigenvalues of Optical Fibers by using Adaptive Network Based Fuzzy Inference System” Signal Processing and Communications Applications Conference, 2005.
Proceedings of the IEEE 13th Volume,Issue ,16-18 May 2005 Page(s): 593 – 596
[7] Özgan E., 2007, “Determining the stability of asphalt concrete at varying temperatures and exposure times using destructive and non-destructive method”, Journal of Applied Science, 7,(24): 3870-3879.
[8] Zadeh, L. A. “Fuzzy Sets” Information and Control, 8, 338-352, 1965.
[9] Jang, J.S.R., Sun, C.T., and Mizutani, E. 1997, “Neuro-Fuzzy and Soft Computing”, PrenticeHall, ISBN 0-13-261066-3, 607p.
[10] Akyılmaz, O., Ayan, T., Özlüdemir, M. T., 2003, “Geoid surface approximation by using
5. Uluslararası İleri Teknolojiler Sempozyumu (İATS’09), 13-15 Mayıs 2009, Karabük, Türkiye
ASFALT BETONUNDA RİJİTLİK MODÜLÜNÜN BELİRLENMESİ İÇİN BİR YAKLAŞIM
AN APPROACH for DETERMINING the STIFFNESS MODULUS on
ASPHALT CONCRETE
Ercan Özgana, * Mehmet Emiroğlua Ahmet Beycioğlua, Kürşat Yıldızb
a,Düzce Üniversitesi, Teknik Eğitim Fakültesi, Yapı Eğitimi Bölümü, Düzce, Türkiye, b, Gazi Üniversitesi, Teknik Eğitim Fakültesi, Yapı Eğitimi Bölümü, Beşevler, Ankara, Türkiye
Özet Bu çalışmada, asfalt betonunun rijitlik modülü parametreleri 37 adet karot numunesi üzerinde farklı sıcaklık ve bekleme süreleri için deneysel olarak belirlenmiş ve numunelerin rijitlikleri Nijboer Rijitlik Modülü yöntemi ile hesaplanmıştır. Rijitlik modülü parametrelerini belirlemek amacıyla karot numunelerin temel fiziksel özellikleri ve bitüm miktarları tespit edilmiş ve numuneler 1.5, 3, 4.5 ve 6 saat süre ile 17 oC (referans sıcaklık), 30, 40 ve 50 oC sıcaklıklarda bekletildikten sonra Marshall Stabilite deneyleri yapılmıştır. Deney sonuçlarından yararlanarak rijitlik modülünün hesaplanmasında kullanılan bu yönteme alternatif olarak Sugeno tipindeki modele dayalı işlem yapan adaptif ağ yapılı bir bulanık sonuç çıkarım yöntemi ile tahmin modeli geliştirilmiştir. Sonuç olarak, geliştirilen tahmin modelinin deney yapılamayan durumlar için iyi bir çıkarım metodu olarak kullanılabileceği görülmüştür. Anahtar kelimeler: Asfalt Betonu, Rijitlik Modülü, Sugeno Bulanık Çıkarım Abstract In this study, stiffness modulus parameters of asphalt concrete were determined experimentally for different temperature and exposure times. The stiffness modules were calculated according to Nijboer stiffness module. Basic physical properties and the quantity of bitumen of asphalt core samples were designated for determining the stiffness modules. The samples were exposed to 17 oC (reference temperature), 30, 40 and 50 oC temperatures for 1.5, 3, 4.5 and 6 hours and then Marhall Stability test were done for each samples. By using the test results a prediction model with Sugeno type based on the adaptive neuron-fuzzy inference system was alternatively developed to calculate the stiffness modules of asphalt core samples. As a result, it was seen that the developed prediction model could be used as a prediction model for unperformed situations which aren’t suitable for experiments. Keywords: Asphalt Concrete, Stiffness Modulus, Sugeno Fuzzy Inference 1. Giriş Ülkemizde bitümlü sıcak karışımların yaygın olarak kullanımı her geçen gün artmaktadır. Bu karışımlar orta ve ağır trafikli yollarda, trafik yüklerini taşımak ve üstyapıdaki diğer tabakaları, doğa koşullarının olumsuz etkilerinden korumak amacıyla kullanılırlar. Bitümlü sıcak karışım,
sıcak agrega karışımının ısıtılmış asfalt çimentosu ile homojen olarak karıştırılıp, kaplanması ile elde edilir [1]. Asfalt betonu, katı (agrega, filler), sıvı (asfalt) ve gaz (boşluklu) olmak üzere üç fazlı makro koloidal bir sistem olarak düşünülebilir. Katı faz sisteme elastiklik verir ve kayma gerilmelerine mukavemet sağlar. Sıvı faz sistemi visko-elastik yapan fazdır ve kohezyonu temin eder. Gaz fazı ise, sisteme dolaylı olarak tesir eder ve karışımın bazı fiziksel ve mekanik özelliklerini etkiler. Bitüm, sıcaklığa bağlı olarak gevrek, elastik, elasto plastik, viskoelastik ve viskoz olmak üzere değişik reolojik hallerde bulunur. Bitüm ısıtılınca kıvamı değişir ve bağlayıcı olarak kullanılmasını sağlayan özelliklerden biri de budur. Bitüm termo-plastik bir malzeme olduğundan dolayı yüksek sıcaklıklarda düşük mukavemet gösterir. Özellikle yaz aylarında asfalt ısıyı absorbe eder ve bu durumda deformasyon direnci büyük ölçüde azalır. Düşük sıcaklıklarda ise yüksek mukavemet gösterir ancak çok düşük sıcaklıklarda asfalttaki sertleşme aşırı artarsa trafik yükleri altında oluşan çatlaklar kaplamanın kütlesel ayrışmasına ve dolayısıyla stabilitesinin düşmesine neden olur [2]. Rijitlik, yükleme altında gerilme ve deformasyon arasındaki ilişkinin göstergesidir. Asfaltın gerilme-deformasyon ilişkisi reolojik modeller ile tam olarak ifade edilemediğinden yük altındaki visko-elastik davranışları rijitlik modülü ile tanımlanmaya çalışılmıştır [2]. Karışımların rijitlik modülleri yükleme hızı ve ısıya bağlı olarak değişir. Karışımdaki malzemeler ise rijitlik üzerinde ikinci derecede rol oynamaktadırlar [3, 4]. Rjitlik modülü, yüzey kaplamalarının en önemli performans karakteristiği ve bitümlü kaplamalarda yük dağıtma kabiliyetinin bir ölçüsüdür. Rijitlik modülü, kaplamanın altında trafik etkisiyle meydana gelen ve yorulma çatlaklarına neden olan çekme gerilmelerini ve basınç gerilmesinin neden olduğu kalıcı deformasyonları kontrol eder [2, 5]. Bu çalışmada, asfalt betonunun rijitlik modülünü belirlemek amacıyla D100-11 Devlet karayolu kesiminden alınan karot numuneler kullanılmıştır. 37 adedi karot numunesi üzerinde farklı sıcaklık ve bekleme süreleri için rijitlik modülleri Nijboer Rijitlik Modülü yöntemi ile hesaplanmıştır. Numuneler 1.5, 3, 4.5 ve 6 saat süre ile 17 oC (referans sıcaklık), 30, 40 ve 50 oC sıcaklıklarda bekletildikten sonra Marshall Stabilite deneyleri yapılarak her bir sıcaklık ve bekleme süresi için stabilite ve akma değerleri tespit edilmiştir. Rijitlik modülünün hesaplanmasında kullanılan yönteme alternatif olarak Sugeno tipindeki modele dayalı işlem yapan adaptif ağ yapılı bir bulanık sonuç çıkarım yöntemi ile tahmin modeli oluşturulmuştur.
2. Malzeme ve Yöntem 2.1. Malzeme Bu çalışmada toplam 37 adet karot numune kullanılmış ve bunlardan 5 tanesi rasgele seçilerek 17 oC’de ki laboratuar ortamında bekletilmiştir. Bu numuneler üzerinde yapılan Marshall Stabilite deney sonuçları numunelerin stabilite değerleri ile karşılaştırılmıştır Karot numuneler 10,16 cm çapında ve 6.35 cm uzunluğunda olacak şekilde numune kesme makinesi ile kesilerek Marshall Stabilite deneyine uygun hale getirilmiş ve 0,01 gr hassasiyette tartılmışlardır. Numuneler tartıldıktan sonra 16,2 oC sıcaklıktaki su içinde 24 saat bekletilerek doygun yüzey haline getirilmiştir. Asfalt karot numunelerin fiziksel özelliklerinin belirlenebilmesi amacıyla aşağıdaki denklem kullanılarak karot numunelerin hacimleri [6].
( )[ ]w
stwsta mmmmVρ
−+−=
(1) V: Numune hacmi (cm3), ma: Numunenin havadaki ağırlığı (kg), mst:Su içindeki sepetin görünür ağırlığı (kg), mw:Su içindeki numunenin görünür ağırlığı (kg), ρw: 20 0C sıcaklıktaki suyun yoğunluğu 998 kg/m3. Numunelerin boşluk hacmi, doygun yüzey birim hacim ağırlık ve hava kurusu birim hacim ağırlıkları da yukarda bulunan hacim değerine göre hesaplanmıştır. Temel fiziksel özellikleri belirlenen karot numuneler farklı sıcaklık ve bekleme süreleri sonunda Marshall Stabilite deneyine tabi tutularak stabiliteleri ve akma miktarları tespit edilmiştir. Karot numunelerin bitüm miktarlarının belirlenmesinde 3600 dev/dak. ile dönüş yapabilen ekstraksiyon deney cihazı kullanılmıştır. Bitümün agregadan ayrılmasını sağlamak amacıyla da çözücü olarak trikolor etilen kullanılmıştır. Asfalt karot numunelerin temel fiziksel özellikleri, bitüm miktarları ve akma değerleri belirlenmiş olup aşağıdaki tabloda özet olarak gösterilmiştir (Çizelge 1).
2.2. Rijitlik Modülü Numuneler hazırlandıktan sonra 17 oC (referans sıcaklık), 30, 40 ve 50 oC sıcaklıklarda bekletilmiş ve numuneler belirli bir yükleme hızında P kuvvetine maruz kalarak rijitlik modülleri aşağıdaki formüle göre hesaplanmıştır. Her bir sıcaklık için ayrı ayrı yapılan deneyde numuneler ve kullanılacak aparatlar 2 saat önceden deney sıcaklığına
getirilip deney şartları sağlandıktan sonra deney gerçekleştirilmiştir. Numunenin şekli ve rijitlik hesabında kullanılan ifade aşağıda gösterilmiştir (Şekil 1).
Şekil 1. Asfalt karot numunelerin geometrik özellikleri
FAdP
dFAP
SN ..
⇒==εσ Burada;
SN: Rijitlik Modülü ( kg/cm2) P : Marshal Stabilitesi (kırılma yükü) kg, F :Akma (kırılma anındaki düşey deformasyon) mm, A :Numunenin yüke dik kesit alanı (dxL) cm2 d : Numunenin çapı (10,16 cm) cm, (L: Numunenin uzunluğu 6,35 cm). 3. Rijitlik Modülünün Anfis İle Tahmini Asfalt numunelerinin rijitlik modülünün tahmini için Sugeno tipi bulanık çıkarım yöntemi ile bir tahmin modeli geliştirilmiştir. Modelin eğitim ve test aşamalarında deneysel olarak elde edilen 37 veri seti kullanılmıştır. Rijitlik modülüne etki eden ve modelde kullanılan deneysel parametreler asfalt numunelerin hava kuru birim hacim ağırlık, sıcaklık, süre ve bitüm miktarıdır. 37 farklı veri setinden 26 tanesi modelin eğitiminde 11 tanesi ise modelin güvenilirliğinin test edilmesinde kullanılmıştır. Modelin eğitiminde en düşük ortalama karesel hata değerini veren ve deneysel sonuçları en iyi temsil eden modelin bulunması amacıya farklı iterasyonlarda, farklı optimizasyon metotları denenmiştir [7]. Eğitim aşamasında her girdi değişkeni için 5’er adet üçgen (trimf) üyelik fonksiyonu belirlenmiştir. Üyelik fonksiyonun 5’den az olduğu durumlarda modelin verilerin değişim aralıklarını tam olarak temsil edememiştir. Belirlenen üyelik fonksiyonları ve eğitim aşamasından sonra oluşturulan modelin genel yapısı ve girdilere ait üyelik fonksiyonları Şekil 2 a-b-c-d-e’ de görülmektedir.
Çizelge 1. Asfalt karot numunelerin temel fiziksel özellikleri, bitüm miktarları ve akma değerleri
Parametreler N Aralık Min. Max. Ortalama Std. Hata Std. Sapma Varyans
a) Sugeno tipi bulanık çıkarım modelinin genel yapısı.
b) Birim hacim ağırlık c) Sıcaklık
d) Süre e) Bitüm miktarı
Şekil 2. Belirlenen üyelik fonksiyonları, modelin genel yapısı ve girdilere ait üyelik fonksiyonları. Eğitim sonrasında modelde girdilerin arasında oluşabilecek bütün kombinasyonları kapsayan ve modelin tahmin yeteneğini oluşturan 625 adet kural oluşmuştur. Kuralların oluştuğu model ekranı Şekil 2’de görülmektedir [7].
Durulaştırma ekranında modelin tahmin ettiği değerler alınarak deneysel sonuçlarıyla karşılaştırılmış ve aralarında yüksek oranda bir ilişki olduğu görülmüştür (Şekil 3).
Şekil 3. Kuralların oluştuğu model ekranı
2190
5. Uluslararası İleri Teknolojiler Sempozyumu (İATS’09), 13-15 Mayıs 2009, Karabük, Türkiye
Toplam 37 deney setinden 26 tanesi modelin eğitimi için kullanılmış olup 11 tane veri ise modelin gerçek deney sonuçlarını ne oranda yansıtabildiğini görmek amacıyla test verisi olarak kullanılmıştır. Gerçek rijitlik modülü ile tahmin modeli ile elde edilen rijitlik modülü değerleri aşağıda gösterilmiştir (Çizelge 2). Çizelge 2. Deney parametrelerine bağlı olarak hesaplanan rijitlik modülü ile tahmin modeli ile tahmin edilen rijitlik modülleri.
Çizelge 2’ de gösterilen verilerle ilgili olarak serpme grafiği çizilmiş ve korelasyon katsayısı gösterilmiştir (Şekil 3).
R2 = 0,94
0
200
400
600
800
100 200 300 400 500 600Deney sonuçları
Tahm
in s
onuç
lar
Şekil 3. Serpme grafiği ve korelasyon katsayısı. 4. Sonuç ve Öneriler Asfalt betonunun rijitlik modülünü belirlemek amacıyla 37 adet karot numunesi alınmış ve numunelerin rijitlik modüllerini belirlemek amacıyla numuneler, 1.5, 3, 4.5 ve 6 saat süre ile 17 oC (referans sıcaklık), 30, 40 ve 50 oC sıcaklıklarda bekletildikten sonra Marshal Stabilite deneyleri yapılmıştır. Deneyler sonucunda her bir numunenin stabilitesi ve akma değeri de tespit edilmiş. Deneylere maruz kalarak deforme olan numunelerin içindeki bitüm miktarları da ekstraksiyon deneyleri yapılarak tespit edilmiştir. Elde edilen sonuçlar, visko-elastik malzeme olan bitümün ortam sıcaklığına balı olarak visksitesinin azaldığı ve akışkanlık kazanma eğilimine girdiği ortam sıcaklığı arttıkça asfalt betonun rijitliğinde de azalma olduğu gözlenmiştir. Diğer taraftan ortam sıcaklığına maruz kalma süresinin de sıcaklığın etkisine benzer nitelikte rijitliği etkilediği, dolayısıyla maruz kalma süresi arttıkça asfalt betonunda rijitliğin azaldığı görülmüştür. Deneysel olarak gözlemlenen bu durumun rijitlik modülü açısından simule edilmesi ve hesap metoduna alternatif bir metot olarak Sugeno tipindeki modele dayalı işlem
yapan adaptif ağ yapılı bir bulanık sonuç çıkarım yöntemi ile tahmin modeli geliştirilmiştir. Geliştirilen modelde, asfalt betona ait birim hacim ağırlık (gr/cm³), sıcaklık (oC), sıcaklığa maruz kalma süresi (saat) ve bitüm miktarı (gr) girdi parametreleri ve rijitlik modülü (kg/cm2) ise çıktı parametresi olarak kullanılmıştır. Modelin eğitimi aşamasında girdilerin arasında oluşabilecek bütün kombinasyonları kapsayan ve modelin tahmin yeteneğini oluşturan 625 adet kural oluşmuştur. Eğitim sonucunda ortalama karesel hata değeri 0,000583481 olarak bulunmuştur. Modelin tahmin ettiği değerlerle deneysel sonuçlar arasında yüksek oranda bir ilişki (R²=0,94) bulunmuştur. Sonuç olarak, geliştirilen tahmin modelinin deney yapılamayan durumlar için iyi bir çıkarım metodu olarak kullanılabileceği görülmüştür. Kaynaklar [1] Orhan, F., “Bitümlü Karışımlar Laboratuar
Çalışmaları”, Kgm Teknik Araştırma Dairesi Başkanlığı, Ankara, 2001.
[2] Zaimoğlu, F., “Beton Asfalt Kaplamalarda Rjitlik Modülünün Shell Metodu ve İndirek Çekme Metodu ile Karşılaştırılması”, Fırat Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Yüksek Lisans Tezi, 2005.
[3] Namlı, R., Kuloğlu, N., “Farklı Tasarım Yöntemlerine Göre Hazırlanmış Asfalt Beton Numunelerinin Rijitliği”, Fırat Üniversitesi, Fen ve Mühendislik Bilimleri Dergisi, 18 (2), pp. 235-241, 2006.
[4] Kuloğlu, N., “Bitüm ve Bitümlü Sıcak Karışımların Rijitliğine Etki Eden Parametreler”, Turk J. Engin. Environ. Sci, 25, pp. 61-67, 2001.
[5] Alataş, T., Somunkıran, E., T., Ahmetzade, P., “Ereğli Demir Çelik Fabrikası Cürufunun Asfalt Betonunda Agrega Olarak Kullanılması”, Fırat Üniversitesi, Fen ve Mühendislik Bilimleri Dergisi, 18 (2), pp. 225-234, 2006.
[6] Özgan E., 2007, “Determining the stability of asphalt concrete at varying temperatures and exposure times using destructive and non-destructive method”, Journal of Applied Science, 7,(24): 3870-3879.
[7] Matlab Documentation Set, The MathWorks Inc, 2004.
ANDEZ T AGREGASININ SICAK KARI IM ASFALT KAPLAMALARINDAKULLANILAB RL N ARA TIRILMASI
INVESTIGATION THE USIBILITY OF ANDESITE AGGREGATE IN HOT MIXASPHALT PAVEMENTS
Hüseyin AKBULUT a, Sedat ÇET N b, Cahit GÜRER c
a Afyonkarahisar Kocatepe Üniversitesi TEF Yap E itimi Bölümü, Afyonkarahisar, Türkiye, [email protected],b Afyonkarahisar Kocatepe Üniversitesi TEF Yap E itimi Bölümü, Afyonkarahisar,Türkiye, [email protected]
c Afyonkarahisar Kocatepe Üniversitesi TEF Yap E itimi Bölümü, Afyonkarahisar, Türkiye, [email protected]
Özet
cak kar m asfalt kaplamal yollarda kullan lanmalzemelerin ortalama % 95’i agregalardan olu maktad r.Yol in aat nda tüketilen bu agregalar civardaki agregaocaklar ndan veya do al agrega kaynaklar ndan teminedilmektedir. Dolay ile her geçen gün yeni agregakaynaklar na olan talep giderek artmaktad r.
Bu çal ma kapsam nda alternatif bir agrega kaynaolarak andezit kayaçlar n s cak kar m asfaltkaplamalarda agrega olarak kullan labilirli i ara lm r.Bu amaçla A kodlu andezit örne i ile K kodlu kireçtakökenli agrega örne i kullan lm r. A numunesi çeneli bir
da k lmak suretiyle 16–25 mm, 6–16 mm ve 0–6 mmdane çaplar nda laboratuar ortam nda üretilmi tir. Agregaörnekleri (A,K) üzerinde Gradasyon Analizi, Özgül A rl k,Birim A rl k, Su Emme, Los Angeles A nma, DarbelenmeKayb ve MgSO4 Donma-Çözünme Dayan kl k deneyleri,
cak kar m asfalt deneyi olarak da Marshall Stabilite veAkma deneyleri gerçekle tirilmi tir. Andezit kökenli agregaörne ine ait sonuçlar kireçta kökenli agrega örne iylekar la lm ve elde edilen bulgulara göre andezitkökenli agregalar n alternatif agrega kayna olarak s cakkar m asfalt kaplamalarda kullan labilece i belirlenmi tir
Anahtar kelimeler: Agrega, Andezit Kayac , S cakKar m Asfalt
Abstract
More than 95% of asphalt pavement materials consist ofaggregates. The aggregates that were used in pavementconstruction are usually produced from neighborhoodaggregate quarries or from natural aggregate sources.Consequently, increasing demands for new aggregatequarries from day to day.
In this study, using of andesite rocks in asphalt pavementswere investigated as aggregate. For this reason, andesitesample with A code and limestone sample with K codewere used as aggregate. Andesite rock samples werecrushed with laboratory type jaw crusher and A aggregatesamples were produced as three type grades (16-25, 6-16and 0-6 mm). Gradation analysis, bulk specific gravity, unitweight, water absorption, Los Angeles Abrasion Value,aggregate impact loss value (AIV), MgSO4 Soundnessand Marshall Stability and Flow tests were performed onthe samples (A, K). A test result were correlated the K testresult and according to the test results andesite
aggregates can potentially be used in the hot mix asphaltas aggregate.Keywords: Aggregate,Andesite Rock, Hot Mix Asphalt
1. Giri
aat sektörü tüm ülkelerde ulusal ekonomi aç ndanbirincil sektördür ve bu sektörün en önemli hammaddelerinden biri de agrega’d r. Agrega kullanmadaninsan hayat kolayla ran birçok yap n in a edilmesiolanaks zd r. Tüm Dünya’da 16,5 milyar tonluk y ll k üretimiile agrega madencili i en önemli madencilik alan r[1].Agrega madencili i talep aç ndan tüm madencilik türleriaras nda ilk s radad r. ngiltere’de 2001 y nda 74,7 milyarsterlinlik in aat i inin 40 milyar sterlinini yeni yap lan i lergeri kalan 34,7 milyar sterlinlik bölümünü ise tamir vebak m i leri olu turmaktad r. ngiltere’de ayn y l kullan lantoplam agrega miktar y ll k 173 milyon tondur. Bukullan n % 39’unu beton agregas , % 27’si yol in aat vebak , % 25’i dolgu in aat i leri olu turmaktad r[2].Dünyagenelinde agrega üretimi %58’lik payla tüm maden üretimiiçinde birinci s radad r. 2006 y verilerine göre ülkemizdetoplam 290 milyon ton agrega tüketildi i bilinmektedir veartan nüfusuna paralel olarak da her geçen gün yeniagrega kaynaklar na olan gereksinim artmaya devamedecektir [3].
Agrega birçok in aat imalat nda oldu u gibi yol üstyap lar n da ba ca hammaddesidir. Ba lay z temelve alt temel tabakalar n tamam , bitümlü s cakkar mlar n a rl kça %90-95’i ve hacimce %80-85’i, betonkaplamalar n a rl kça %70-80’i ve hacimce % 60-75’iagregalardan olu ur [4-10].
Sert, dayan kl ve yo un olduklar için volkanik kayaçlarmükemmel bir agrega kayna olarak bilinmektedir.Bununla birlikte baz volkanik kayaç türleri çok gevrek,baz lar ise oldukça gözenekli bir yap ya sahiptir. Beton veasfalt kaplamalardaki bozulmalar n birincil veya ikincilnedeni uygun olmayan agrega kullan veya kullan lanagregalar n istenmeyen maddeler içermesidir. Geneldeasfalt ve beton kar mlarda kullan lacak agregalar içinartnamelerin di er uygulamalara göre çok daha kat
rlar vard r [11].
Andezit kayaçlar volkanik kayaç çe idi olup, yüzeykayaçlar s na girmektedir. Andezit and da lar nda çokbulundu u ve geni yay m gösterdi i için bu ad alm r.Çok az kuvars içerir veya hiç bulunmaz. Fazla miktarlarda
demir-magnezyumca zengin mineralleri içerir. Bundandolay kayaç riyolitten daha koyudur.
Feldspat ve koyu renkli fenokristalleri bünyesindebulunduran porfirleri çok bulunmaktad r. Minerolojik bile imbak ndan andezit,riyolit-bazalt aras nda yer al r. Kayac nrengi grinin tonlar nda, menek e, kahverengi, ye il olabilir.Minerolojik bile iminde, plajiyoklas, biyotit, hornblend,ojit(piroksen) bulunur. Kayac n hamur maddesi plajiyoklas,horblend, biyotit ve piroksenden olu maktad r. Arazide lavak nt lar eklinde görülür. Diyoritin yüzey kayac r[12].Buçal ma kapsam nda alternatif bir agrega kayna olarakandezit kayaçlar n s cak kar m asfalt kaplamalardaagrega olarak kullan labilirli i ara lm r.
2.Materyal ve Metot
2.1.Materyal
Bu çal ma kapsam nda A kodlu andezit örne i ile K kodlukireçta kökenli agrega örne i kullan lm r. A kodluandezit örnegi Afyonkarahisar li scehisar bölgesindenarazi çal malar sonucunda temin edilmi tir ve numunelerçeneli bir k da k lmak suretiyle 16–25 mm, 6–16 mmve 0–6 mm dane çaplar nda laboratuar ortam ndaüretilmi tir. K1 numunesi ise Afyonkarahisar li Çobanlar veKaracao lan bölgelerindeki ocaklardan temin edilmi tir vehalihaz rda s cak kar m asfalt kaplamalarda kullan lankireçta kökenli agregad r.
2.2.Metot
Agrega numunelerinin fiziksel özelliklerinin belirlenmesiiçin agrega örnekleri (A,K) üzerinde Gradasyon Analizi[13], Özgül A rl k[14], Birim A rl k[14], Su Emme[14], LosAngeles A nma[15], Darbelenme Kayb [16] ve MgSO4Dayan kl k [17] deneyleri, s cak kar m asfalt deneyiolarak da Marshall Stabilite ve Akma [18] deneylerigerçekle tirilmi tir. Elde edilen deney sonuçlar K.G.M.artname [19] s r de erleriyle kar la lm r.
2.2.1. Gradasyon Analizi
Çal mada iki farkl agrega numunesi kullan lm r.Belirtilen numunelerden A numunesi andezit kökenli kayactemsil etmektedir. A numunesi 16–25 mm, 6–16 mm ve 0–6 mm dane çaplar nda çeneli bir k da k lmak suretiylelaboratuar ortam nda üretilmi tir. K numunesi isehalihaz rda üretimi yap p kaplama ve beton imalat ndakullan lmakta olan kayaçt r. Çal mada kullan lan agreganumunelerine ASTM C 136’ya göre gradasyon analiziyap lm r..
2.2.2.Özgül A rl k-Birim A rl k, Su AbsorpsiyonDeneyleri
ASTM C 127 deney metodu kullan larak iri agrega suabsorpsiyonu ve özgül a rl , ASTM C 128 deneymetodu kullan larak nce agrega su absorpsiyonu ve özgül
rl , ASTM C 854 deney metodu kullan larak fillermalzemesinin zahiri özgül a rl , s k ve gev ek birimhacim a rl k de erleri de TS 707 deney yöntemine görebulunmu tur.
2.2.3.Los Angeles A nma ve Darbelenme KaybDeneyleri
Los Angeles Deneyi a nma ve darbelenme etkilerisonucunda mineral agregalar n standart gradasyonununbozulmas n ölçümü deneyidir. Bu deneyde, 14 mmdeney ele inden geçen ve 10 mm deney ele inde kalanagregalara uygulan r. Deney k sm n kütlesi (5000±5)gr’d r. Deney için 31 devir/dk ile 33 devir/dk aras ndadönme yapabilen, 11 adet çelik bilye ile a nd rmayapabilen bir tambur kullan r. Agrega Darbelenme Deneyiise agregan n ani ok ve çarpma etkilerine kardayan n belirlenmesini sa layan di er bir deneytürüdür. Bu deney 14 mm BS ele inden geçip 10 mm BSele inde kalan agregalara uygulan r. Agregalar deneydenönce kurutularak yüzey kuru hale getirilir.
2.2.4.Agrega Donma-Çözülme Deneyi
Agregalar n hava etkileriyle donarak ufalanmaya kar olandirençleri hakk nda laboratuarda k sa süre içinde kararverebilmek amac yla uygulanan h zland lm bir deneydir.Agregalar donma-çözülme etkisi alt nda hacim de ikli igöstermektedirler. Gözenekleri su ile dolan agregataneleri, suyun donmas sonucunda bir hacim genle mesimeydana gelir. Olu an bu hacim genle mesi sonucundaagrega tanelerinde çok büyük içsel gerilmeler meydanagelir fakat buzun erimesi sonucunda bu gerilmeler ortadankalkar. Donma-çözülme olaylar n çok say da olmasdurumunda agrega taneleri çatlay p ufalabilir.
2.2.5. Marshall Stabilite ve Akma Deneyi
Bu metod ile dizayn kavram , Birle ik Devletler, MississipiDevlet Otoyollar Departman nda çal an Bruce Marshalltaraf ndan geli tirilip formüle edilmi tir. Birle ik DevletlerMühendislik irketinin ileri ara rma ve korelasyonçal malar yla, Marshall Deney Yöntemi geli tirilerekbugün kullan lan son halini alm r. Daha sonra bu dizaynyöntemi, “American Society for Testing and Materials”taraf ndan standartla lm r. Bu yöntem penetrasyonveya viskozite derecesi belli asfalt çimentolar na vemaksimum boyutu 25 mm (1 inç) veya daha az olanagregalar kullanarak yaln zca s cak kar m asfaltkaplamalara uygulan r. Ülkemiz karayollar kar mdizaynlar nda da bu yöntem kullan lmaktad r.
3. Bulgular ve Tart ma
3.1.Gradasyon Analizi
Agrega numunelerine ait gradasyon e rileri ekil 1’degösterilmi tir.
A Numunesine Ait Granülometri E risi
0102030405060708090
100
0,01 0,1 1 10 100
Elek Aç kl (mm)
% G
eçen
Seri 1
Seri 2Seri 3
2193
Akbulut,H.,Çetin,S. ve Gürer,C.
K Numunesine Ait Granülometri E risi
0102030405060708090
100
0,01 0,1 1 10 100
Elek Aç kl (mm)
% G
eçen
Seri 1
Seri 2
Seri 3
ekil 1.Agrega Numunelerine Ait Gradasyon E rileri
3.2.Özgül A rl k-Birim A rl k, Su Absorpsiyon DeneySonuçlar
Agrega numunelerine (A,K) ait iri agrega, ince agrega vefiller özgül a rl k ve birim a rl k de erleri, her bir iri veince agrega numunelerine ait su absorpsiyon yüzdesiÇizelge 1’de verilmi tir.
Çizelge 1: Agregalara ait Özgül A rl k-Birim A rl k, SuAbsorpsiyon (%) De erleri
AgregaDerecesi
Özgül A rl klar(gr/cm3)
Birim Hacim A rl k(gr/cm3)
Zahiri Özgülrl k
(gr/cm3)
Hacim Özgülrl k
(gr/cm3)
k BHA(gr/cm3)
Gev ek BHA(gr/cm3)
Su Abs.%
Numune Ad
A K A K A K A K A K
riAgrega
2,62 2,70 2,56 2,67 1,45 1,49 1,29 1,40 1,84 0,60
nceAgrega
2,68 2,69 2,61 2,60 1,47 1,52 1,30 1,38 1,64 1,96
Filler 2,69 2,58 - - 1,73 1,59 1,59 1,51 - -
3.3. Los Angeles A nma ve Darbelenme Kayb DeneySonuçlar
Agrega numunelerine ait Los Angeles A nma veDarbelenme deney sonuçlar Çizelge 2’de verilmi tir. Heriki agrega örne i (A-K) artnamenin verdi i s rde erlerinin alt nda bir a nma kayb göstermi tir.
Çizelge 2: Agrega Numunelerinin Los Angeles A nma veDarbelenme Kayb Deney Sonuçlar
Deney Ad Numune rDe er
lgiliStandart
A K
LA A nmaKayb (%)
15,56 26,73 30 ASTM C131-89
DarbelenmeKayb (%)
4,71 8,87 18 BS 812
3.4.Agrega Donma-Çözülme Deney Sonuçlar
Agrega örnekleri üzerinde yap lan donma-çözülme deneysonucuna göre ortalama agrega kay plar s ras yla % 3,84,% 11,2 olarak bulunmu tur. Agrega Donma-Çözülmedeney sonuçlar Çizelge 3’de görülmektedir.
Çizelge 3: Agrega Numunelerine Ait Donma-ÇözülmeDeney Sonuçlar
Deney Ad Numune r De er lgili Standart
A K
Donma-Çözülme
Kayb (%)
3,84 11,2 12 ASSTHOT 104
3.5.Marshall Stabilite ve Akma Deney Sonuçlar
Marshall Yöntemi ile yap lan deneyler sonras nda Stabilite-Bitüm %, Pratik Özgül A rl k- Bitüm %, Asfaltla DoluBo luk %- Bitüm %, Bo luk %- Bitüm % de erlerihesaplanarak, grafikleri çizilmi tir. Bu grafiklerdenartnamenin belirtti i ekilde elde edilen bitüm oranlar n
aritmetik ortalamalar al narak optimum bitüm oranlarA ve K numuneleri için s ras yla %5.9,%5.18 olarak eldeedilmi tir. Elde edilen de erlerin ekonomik oran s rlariçerisinde oldu u belirlenmi tir. ekil 2’de A ve Knumunelerine ait Marshall stabilite ve akma deneysonuçlar görülmektedir.
2194
Akbulut,H.,Çetin,S. ve Gürer,C.
ekil 2: A ve K numunelerine ait Marshall Stabilite veAkma deney sonuçlar
4.Sonuç ve Öneriler
Agrega numuneleri üzerinde standart agrega deneyleri vebu agregalardan üretilen asfalt numuneleri üzerindeMarshall Stabilite ve akma deneyleri gerçekle tirilmi tir.A ve K agrega numunelerinin ortalama su emme oranlar
ras yla %1.74 ve %1.28 olarak elde edilmi tir. LosAngeles a nma deneyi sonuçlar na göre tüm agreganumuneleri artnamede belirtilen % 30 s r de erininalt nda bir kay p göstermi lerdir. Agrega darbelenmedeneyinde her iki agrega numunesinin a nma kayb nartnamenin belirledi i %18 s r de erinin alt nda oldu u
görülmü tür.
Marshall Stabilite deneyine göre A numunesindenhaz rlanan kar mlarda K1 numunesine göre daha yüksekstabilite de eri elde edilmi tir. Genelde yüksek stabilite
r trafik yükleri alt nda arzu edilen bir özellik olmas nara men, çok yüksek stabilite ve dü ük akma de erikar n gevrekli inin bir göstergesidir. A andezit agrega
numunesinin yüzey pürüzlülü ünün kireçta agregalaragöre daha fazla olu u, A kar n akma de eri di erkar mlara göre daha dü ük elde edilmi tir. Bununlabirlikte akma ve stabilite de eri K kar nda daartnamede belirtilen s r de eri sa lam r.
Yap lan çal malar sonucunda andezit kökenli kayaçlar nfiziksel ve mekanik özellikleri dikkate al nd nda,günümüzde gittikçe artan agrega ihtiyac kar lamakamac yla yol üst yap agregas olarakde erlendirilebilece i dü ünülmektedir.
Kaynaklar
[1] Langer, H.W., Drew, J.L. and Sachs, S.J., Aggregate isimportant construction material, American Geological Institute,AGI Environmental Awareness Series, 2004.
[2] Steadman E.J., Mitchell P., Highley D.E., Harrison D.J., LinleyK.A., Macfarlane M., McEvoy F., Strategic EnvironmentalAssessment (SEA) and future aggregate extraction: In the EastMidlands Region. Keyworth, Nottingham British GeologicalSurvey, 2004.
[3] A.G.Ü.B.,Türkiye Agrega Sektör Raporu. stanbul,2007.[4] Umar, F. ve A ar, E., Yol Üstyap . stanbul Teknik Üniversitesi
aat Fakültesi Matbaas , stanbul, 1991.[5] White, M.,Bituminous Mixes and Flexible Pavements an
Introduction. BACMI publication, England,pp.22-23, 1992.[6] Önal, A.M. ve Kahramangil, M., Bitümlü Kar mlar Laboratuar
El Kitab . KGM Teknik Ara rma Dairesi Ba kanl ,Ankara,1993.
[7] Tunç A.,Yol Malzemeleri ve Uygulamalar . stanbul, 2001.[8] Uluçayl , M., Asfalt El Kitab sfalt, stanbul, 2002.[9] Akbulut, H., ça a, Y. ve Gürer, C., At k Agregalar n Asfalt Yol
Kaplamalar nda Tekrar Kullan m mkanlar ve CENStandartlar .III. Ulusal K rmata Sempozyumu, stanbul, 3-4Aral k, 271-276, 2003.
[10]Kulo lu N.,106.E itim Semineri Asfalt Günleri.SelçukÜniversitesi, Konya, 23-25 Mart 2007
[11] www.pitandquarry.com, Eri im Tarihi 16.09.2005[12] Karaman, M.E. ve Kibici, Y., “Temel Jeoloji Prensipleri”,
Ankara 2008[13] ASTM C 136-84a., Standard Method for Sieve Analysis of Fine
and Coarse Aggregates, Annual Book of ASTM StandardsUSA, 1992.
[14] ASTM C 127-88, Test Method for Specific Gravity andAdsorption of Coarse Aggregate. American Society for Testingand Materials. Annual Book of ASTM Standards US, 1992.
[15]ASTM C 131–89, “Test Method for Resistance to Degradationof Small-Size Coarse Aggregates by Abrasion and Impact in theLos Angeles Machine.” Annual Book of ASTM Standards USA,1992.
[16] British Standard Institution, BS 812, part 114 “Method for thedetermination of polished stone value”, BSI, London, England,1989.
[17] AASHTO T104, Soundness of Aggregates by Use of SodiumSulfate or Magnesium Sulfate, AASHTO Provisional Standards,American Association of State Highway and TransportationOfficials, Washington, DC, 2002.
[18] ASTM D 1559–89, Standard Test Method for Resistance toPlastic Flow of Bituminous Mixtures Using Marshall Apparatus,Annual Book of ASTM Standards USA, 1992.
[19] Karayollar Genel Müdürlü ü, Karayollar Teknik artnemesi,Ankara, 2006.
YÜZEY KORUYUCU REÇ NEN N KUMTA LARINDA SU EMME VEDAYANIM ÜZER NE ETK LER
EFFECTS OF SURFACE PROTECTION RESIN ON WATER ABSORPTIONAND STRENGHT OF SANDSTONE
smail K ça, * ve Ali Haydar Gültekinb
a, * rklareli Üniversitesi, K rklareli, Türkiye, E-posta: [email protected] stanbul Teknik Üniversitesi, stanbul, Türkiye, E-posta: [email protected]
Özet
Tarihi eserlerde de kullan lm olan kumta lar ndabünyesel veya d etkenlere ba nedenlerle zamanlabozulmalar görülmektedir. Özellikle karbonatlkumta lar nda bozulma sorunlar daha fazla olmaktad r.Suyun ta n bünyesine girmesi bozulmay tetikleyen enönemli etkenlerden bir tanesidir. Restorasyon aç ndanesas olan tarihi eserdeki özgün malzemenin korunmas r.Bu nedenle, su ve suyun olumsuz etkilerinden kumtakoruyabilmek amac yla yüzey koruyucu reçineuygulanmas amaçlanm r. Deneysel çal malarda, tarihieserdeki özgün malzeme kullan lamayaca ndan dolay ,benzer özelliklere sahip kumta formasyonundan(Ke anFormasyonu) örnekler al nm r. Bu örnekler, deneylerdekullanmak amac yla kesilerek küp numuneler halinegetirilmi tir. Küp numunelerin bir k sm üzerinde yüzeykoruyucu reçine uygulanm ve di er k sm do al halde
rak lm r. Su emme ve yüzey sertlik dayan na tabitutulan numunelerden elde edilen veriler sonucunda, yüzeykoruyucu reçinenin kumta lar üzerindeki etkileribelirlenmeye çal lm r.
Anahtar kelimeler: Reçine, Kumta , Tarihi Eser, SuEmme, Dayan m
Abstract
Some breakups are seen on the sandstones, which areused in historical artifacts as well, in consequence ofconstitutional or external factors. Breakup problems aremostly observed in carbonated sandstones. Entering ofwater into the body of the stone is one of the mostimportant factors those trigger the breakups. Reserving theintrinsic material in the historical artifact is the base ofrestoration. So, it is aimed to use surface protection resinfor the purpose of reserving the sandstone from water andits negative effects. In experimental studies, samples fromsandstone formation(Ke an Formation) having similarcharacteristics have been taken, because intrinsic materialin the historical artifact cannot be used. These sampleshave been made into cube samples being cut with the aimof using in the experiments. Surface protection resin hasbeen applied on some of the cube samples and the restones have been left in their natural state. Effects of thesurface protection resin on sandstones have been tried tobe determined as a result of data obtained from samplesthose have been subjected to water absorption andsurface hardness strength.
Restorasyon, bugünkü kavramsal içeri i ile basit bir tamiretkinli i de il, çe itli uzmanl k alanlar ndan yararlananbilimsel bir disiplindir. Bunun gere i olarak, korunacak bireserin durumunun incelenmesi, bozulma nedenlerininara lmas , tespit edilmesi ve buna göre müdahaleyöntemlerinin geli tirilmesi gerekmektedir. Evrensel birkonu olan kültür varl klar n korunmas için kültürel miraskorumaya yönelik yakla mlar geli tirmek, uygulamayadönük ölçüt ve teknikler olu turmak ve bunlara ili kinbilgileri toplay p yayg nla rmak üzere ülkemizin de üyesioldu u (ICCROM, ICOMOS gibi) uluslararas korumaörgütleri olu turulmu tur. Geli mi ülkelerde ba ar ileuygulanan koruma etkinliklerinin temeli uluslararas bilgi vedeneyimlere dayanmaktad r. Ülkemizde ise ne yaz k ki bubilgi ve deneyim yeterince olu mam r. Bu durum ço uzaman restorasyonlar n tehlikeli müdahaleleredönü mesine, özellikle de yap malzemelerinin büyükölçüde tahrip edilmesine neden olmaktad r[1]
Malzeme, bir yap da biçim ve üslubu ta yan önemli birunsurdur. Yap n biçim ve üslubunda yani fizikselbütünlü ünde meydana gelen bozulma, malzemeninbozulmas yla do rudan ilgilidir. Dolay yla restorasyonunpratikte temel konusu do rudan malzemeye yap lanmüdahaledir. Hiçbir müdahale özgün malzemeyesayg zl k etme hakk na sahip de ildir. K smen eskimimalzemeyi yenisiyle de tirme kolayc n günümüzkoruma anlay nda yeri yoktur. Fiziksel gücü zay flammalzemenin güçlendirilerek ömrünün uzat lmasrestorasyon eti inin bir gere idir. Ancak, i levsel ve fizikselbütünlü ünü yitirmi durumda olan malzemelerinde tirilerek yenilenmesi i lemi de restorasyon için gereklibir müdahale yöntemidir. Bu a amada de ecekmalzemenin niteliklerinin bilimsel yöntemlerle ara pbelirlenmesi, yenisinin özgün malzemeyle uyumlu olmasönem ta maktad r[1].
2. Materyal ve Metod
2.1. Kumta
Ta lar, mineral topluluklar r. Mineral topluluklar nata denildi ine göre, ta lar belirli bir kimyasal bile imeve kristal özelli e sahiptirler[2]. Tortul kayaçlargrubundan olan kumta lar tane çaplar 1/16-2 mmaras nda de en silisli, kalkerli ve demirli k nt lar nçimentolanmas ile olu an sedimanter kökenlikayaçlard r[3]. Kumta lar na tortul dizilerde çok s krastlan r, az çok düzenli banklar yada mercekler biçimindebulunurlar. Rengi genellikle aç k, griye çalan sar ms
beyazd r ancak çimentosu, içerdi i demir oksitlerin sar ,rm yada ye il rengini alm olabilirler. Çimentola ma
dereceleri de kendir ve kullan ld klar alanlar da budereceler belirlemektedir[4].
Kumta lar u ölçütlere göre s flanmaktad r;
1. Tane boyu (kal n, orta, ince, çok ince kumta lar )2. Çimentonun türü (kireçli çimento, demirli çimento, silisliçimento)3. Özel ö elerin varl ; fosiller yada fosil kal nt lar (fosillerçok ve yönlüyse, kabuklu kumta ), mikalar (mikalar yatakhalindeyse, mikal kumta yada psamit), feldispat(feldispatl yada arkozlu kumta , feldispat % 25'ten çoksaarkoz), kayaç art klar (litik kumta yada draje kumta ),glokonit (glokonitli kumta , ye il renkli)[4].
Do al ta lar yap da konstrüksiyon (temel ve duvarörgülerinde), kaplama (duvar, dö eme, çat , yol), dolgu-izolasyon ( , yang n) ve agrega malzemesi olarakkullan lmaktad r[5]. Kumta , Türkiye’de ve Avrupa’daoldukça yo un kullan lm bir yap malzemesidir. Y mayap larda özellikle yüzey kaplamas olarak ve kesme tabiçiminde kullan lm olan kumta , içinde bulundurdu ugranüllerin ve ba lay lar n kompozisyonuna ba olarakçok farkl yap sal özelliklere sahip olabilmektedir[6].
2.2. Ke an Formasyonu
Birim, kumta ve kilta ardalanmas ile bunlar aras nda,mercek eklindeki çak lta ve volkanik gereçlerdenolu maktad r. Formasyonu olu turan kumta lar aç k gri,kirli ye il, sert, çok kal n ve orta-kal n katmanl r. Denizaltyelpaze ortam özellikleri gösteren Ke an Formasyonu1500 m kal nl a sahip ve Üst Eosen (33.7-55 milyon y l)ya tad r[7].
2.3. Kumta lar nda Görülen Bozulma Nedenleri
Kötü atmosfer artlarda bile uzun süre dayan klmuhafaza edebilen ta lar, belli bir dönem sonrabozulmakta, bazen bozulman n h z kazanmas yla yap nyok olmas na kadar varan tehlikeli sonuçlar do urmaktad r.Ta lar n bozulma nedenlerinin ba nda jeolojik olu umaba olarak geli en yap sal sorunlar gelmektedir.Kullan lacak yere ve amaca uygun doku ve özelliklerdeta lar n seçilmemi olmas yada ayn ta oca ndaolmas na ra men farkl ve kötü özellikler gösterenkatmanlardan ta seçilmesi ileride kar la lacak pek çokbozulmaya neden olu turabilmektedir[8].
Atmosfer hareketleri ve nem korumada olumsuzfaktörlerdir. Rüzgar ta partiküllerle, yumu ak ta larda
nma ile büyük tahribatlar yaratmakta, farl klar vedon, nemli ortamlarda dahili gerilmeler yaratarak ta lardaparçalanma ve kopmalara yol açmaktad r. Kirli atmosferise, su ve organizmalar n etkisiyle ta larda kimyasal erimeeklinde bozulmalara neden olmaktad r[8].
Kumta lar üzerinde yap lan petrografik çal malarsonucunda genellikle karbonat ve feldispat erimeleri ilebas nç çözünmeleri sonucu gözenek alanlar n geli ti igörülmektedir[9]. Ta bünyesinde olu an bu gözeneklereatmosferik etkilere ba olarak zamanla su girmektedir. Isfarkl klar sonucunda ta n bünyesindeki su donmakta veçözülmektedir. Tekrarlayan donma-çözülme gerilmeleri
sonucunda ta n bünyesinde ufalanma, parçalanma vekopmalar meydana gelmektedir.
2.4. Yüzey Koruma Reçinesi
ç ve d mekanlarda, zemin ve duvar yüzeylerdeuygulanabilen, tek birle enli, hava kurumal , yüzeyde mikroçatlak, tebe irlenme, hava ko ullar nedeni iledeformasyon olu mas engelleyici, metilmetakrilat esasl ,emprenye etkili yüzey koruma reçinesi[10].
3. Deneysel Çal malar
Deneysel çal malarda Ke an Formasyonu’ndan al nankumta örnekleri kullan lm r. Ke an Formasyonu’ndanal nan blok halindeki kumta lar 4x4x4 cm boyutlar ndakesilerek deneysel çal malar için haz rlanm r. Yüzeykoruyucu reçine küp numunelerin üzerine f rça ile tek defasürülmek üzere uygulanm r. Normal haldeki kumtanumuneleri K, üzerine koruyucu reçine sürülecek olankumta numuneleri ise KR harfleriyle simgelenmi lerdir
ekil 1). Birim hacim a rl k, özgül a rl k, porozite,kompasite ve su emme deneyleri TS 699’a [11] göreyap lm r.
Ke an Formasyonu’na ait kumta örnekleri üzerindeyap lan deneyler sonucunda, birim hacim kütle 2,56gr/cm3, özgül kütle 2,64 gr/cm3, kompasite(doluluk oran )%96,9 ve porozite(gözeneklilik oran ) %3,1 olarak tespitedilmi tir.
Su emme deneyi için 10 adet 4cm’lik küp kumtanumuneleri kullan lm r. Öncelikle küp numuneler etüviçerisinde 105°C de de mez a rl a gelinceye kadarkurutulmu tur. Etüvde kurutulan numuneler desikatöriçerisinde so utulduktan sonra 5 adedine f rça ile yüzeykoruyucu reçine sürülmü (KR), di er 5 adedi ise normalhalde(K) b rak lm r. Numuneler, yüzeye sürülen reçinesertle inceye kadar bekletilmi tir. Daha sonra numunelerüzerinde TS 699’a uygun bir ekilde su emme deneyigerçekle tirilmi tir. Yap lan deney sonucunda, kumtanumunelerine ait su emme de erleri a da Çizelge 1’deverilmi tir. Elde edilen verilerden, yüzey koruyucureçinenin kumta lar nda kütlece su emme oran %64,7azaltt tespit edilmi tir.
2197
ç, . ve Gültekin, A.,H.
Çizelge 1. K ve KR türü kumta numunelerine ait suemme de erleri.
Günümüzde en çok kullan lan sertlik deneyi ve aleti;Schmidt çekici ve deneyidir. önceleri betonun sertli ini,dolay yla da mukavemetini ölçmede kullan lan Schmidtçekici daha sonralar de ik tipleri geli tirilerek kayaçlardauygulanmaya ba lanm r. Geri tepme say s fland rmaparametresi kabul edilerek Beer (1967) taraf ndan sertlik
flamas yap lm r[12].Beer (1967) taraf ndan yap lansertlik s flamas a da Çizelge 2’de görülmektedir.
Çizelge 2. Schmidt çekici geri tepme say na görekayaçlar n s fland lmas (De Beer)[12].
Kaya S Schmidt ÇekiciGeri Tepme Say
Çok a sert kayaÇok sert kayaSert kayaYumu ak kayaÇok yumu ak kayaÇok sert (kat ) toprak
>6060-4545-3030-2424-2020-16
Yüzey sertlik dayan n ölçülmesinde Schmidt çekicikullan lm r. Bu deney için 10 adet 4cm’lik küp kumtanumunelerinden yararlan lm r. Bu numunelerin 5adedine yüzey koruyucu reçine sürülmü (KR), di er 5adedi ise normal halde(K) b rak lm r( ekil 2).
ekil 2. Yüzey sertlik dayan m ölçümü için kullan lan K veKR türü kumta numuneleri
Kulland z normal kumta n(K), Schmidt çekici ileyap lan deney sonucunda geri tepme say 35 olarak
belirlenmi ve Çizelge 2’ye göre sert kaya s nda oldu utespit edilmi tir. Yüzey koruyucu reçine sürülenkumta nda(KR) ise geri tepme say 40 olarak belirlenmive reçinenin kumta nda yüzey sertlik dayan %14,3artt rd saptanm r. lgili kumta numuneleri üzerindeSchmidt çekici ile yap lan yüzey sertlik dayan ölçümde erleri a da Çizelge 3’de verilmi tir.
Çizelge 3. Yüzey sertlik dayan ölçüm de erleri
ÖrnekTürü
GeriTepmeSay
Ort.Geri Tepme
SayK1 34
35K2 36K3 37K4 33K5 37
KR1 38
40KR2 41KR3 38KR4 42KR5 40
4. Sonuç
Deneysel çal malar sonucunda yüzey koruyucu reçinenin,Ke an Formasyonu’na ait kumta nda su emme oran%64,7 azaltt , yüzey sertlik dayan %14,3 artt rdtespit edilmi tir. Kumta ndan üretilebilecek yeni ürünlerdesu emme oran azaltmak ve yüzey sertlik dayanartt rmak amac yla kullan labilir ancak uzun vadede etkileribilinmemektedir.
Reçine sürülen kumta numuneleri, görsel olarakincelendi inde, normal kumta numunelerinin su ileslanm haldeki görüntüsünü kazanm ve daha koyu bir
renk alm r. Bunun yan nda, kumta numunelerininyüzeyinde daha parlak görünmesini sa layan ince birtabaka olu turmu tur.
Yüzey koruyucu reçinenin kumta na daha koyu bir renkkazand rd ve yüzeyde ince bir tabaka olu turdu u içintarihi eserlerde kullan lmas durumunda, malzemeninözgün görüntüsüne zarar verme ihtimali bulunmaktad r.Bunun yan nda uzun vadede ne gibi etkiler ve daha sonraüzerine yap labilecek farkl uygulamalara kar ne gibitepkiler gösterece inin bilinmemesini, olumsuz yönleriolarak görmek mümkündür. Bu nedenlerden dolay tarihieserlerde kullan labilmesi için uzun süreçli ve daha genikapsaml ara rmalar n yap lmas gerekmektedir.
Kaynaklar
[1] Eskici, B., “Mimari Onar mlarda Malzeme Kullan veYöntem Sorunlar ”, Tarihi Eserlerin Güçlendirilmesi veGelece e Güvenle Devredilmesi Sempozyumu-I,TMMOB MO Ankara ubesi, Sayfa:256-268,Ankara, 27-29 Eylül 2007.
[2] Pakdemir, E., “Ta lar ve nsan”, Yurt Madencili iGeli tirme Vakf Yay nlar , stanbul, 2002.
[3] Onargan, T., Köse, H., Deliormanl , H., “Mermer”,TMMOB Maden Mühendisleri Odas Yay nlar ,Ankara, 2006.
[5] Eriç, M., Yap Fizi i ve Malzemesi, Literatür Yay nlar ,stanbul, 1994.
[6] Tümer, E.U., “Morphology and Deterioration ofSandstone”, Journal of Istanbul Kultur University,pp. 71-82, Istanbul, 2003.
[7] entürk, K., Sümengen, M., Terlemez, ., Karaköse, C.,“1/100 000 Ölçekli Türkiye Jeoloji Haritalar ,Çanakkale-D3 Paftas ”, MTA Genel Müdürlü üYay nlar , Ankara, 1998.
[8] Küçükkaya, A.G., “Ta lar n Bozulma Nedenleri KorumaYöntemleri”, Birsen Yay nevi, stanbul, 2004.
[9] Sonel N., Büyükutku A., “Trakya Havzas Kuzeyi OrtaEosen Ya Kumta lar n Hazne Kaya Özellikleri”MTA Dergisi, Say : 120, Sayfa:259-268, Ankara, 1998.
[10] http://www.boytorun.com/[11] TS 699, “Do al Yap Ta lar n Muayene ve Deney
Metodlar ”, Türk Standartlar Enstitüsü, Ankara, 1978.[12] ekercio lu, E., “Yap lar n Projelendirilmesinde
Mühendislik Jeolojisi”, TMMOB Jeoloji MühendisleriOdas Yay nlar , Sayfa 18-21, Ankara, 2002.
SAKARYA BÖLGES NDE ÜRET LEN KIRMATA AGREGALARIN ALKALAGREGA REAKS YONUNUN NCELENMES
DETERMINING THE ALKALI – AGGREGATE REACTIVITIY OF THEBROKEN STONE AGGREGATES AT SAKARYA REGION
Metin PEK a, * Kemalettin YILMAZ b ve Gökçe SERT b
a, * Sakarya Üniversitesi, Teknik E itim Fakültesi, Yap E itimi Bölümü, Sakarya, Türkiye, E-posta: [email protected] Sakarya Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, aat Müh. Bölümü Sakarya, Türkiye, E-posta: [email protected]
Özet
Bu ara rman n amac Sakarya bölgesindeki baz agregata ocaklar ndan al nan k rmata ve k rma kum agregaörneklerinin alkali silika reaktivitesine ili kin özelliklerinibelirlemektir. Bu ocaklardan al nan agrega numuneleriüzerinde ASTM C289 kimyasal metot, ASTM C1260
zland lm yöntem, ASTM C227 uzun süreli yöntem,ASTM C1293 beton prizma, deneyleri gerçekle tirilmi tir.Bu deney sonuçlar na göre; Kimyasal analiz, h zland lmharç çubuklar metodu, uzun süreli harç çubuk metodudeney sonuçlar na göre Sakarya ilinde beton yap ndaagrega temin edilen, Pamukova, Geyve, Akp nar ta ocaGeyve, Ferizli, Ta agrega ocaklar n alkali silikareaktivitesi aç ndan sak ncal olmad söylenebilir. Bubölgelerde üretilen agregalarda sert alkali ortamlarda bilekayda de er bir genle me göstermemi tir. Beton prizmadeneyi sonucunda; kizce Genç Osmanl , Geyve,Pamukova, Özta Pamukova, Akp nar Ta oca Geyve,Ta agrega ocaklar na ait örneklerde alkali silikareaktivitesinden kaynaklanan genle me, %0,04’lükgenle me s n alt nda kald için agregalar n alkaliagrega reaktivitesi aç ndan zarars z oldu u görülmü tür.
This study aims to determine the alkali silica reactivity ofsome aggregates in from of broken stone and sand whichis collected from the quarries located in Sakarya ASTMC289 Chemical Merhod, ASTM C1260 AcceleratedMethod, ASTM C227 Longterm Method, ASTM C1293Concerate prizm, mortar bar experiments were done to theaggregate samples that were taken from the quarries.According to test results; It can be said that in Sakaryaregion Pamukova, Geyve, Akp nar quarry in Geyve, Ferizli,Ta quarries are not problematic from alkaliaggregate reaction side according to the chemicalanalysis,fastened concerate blocks method and extendedtime concerate block method results. The producedaggregate from these quarries are not expanded in highalkali areas. After the Concrete block testing it is clear thatkizce Genç Osmanl , Geyve, Pamukove, Özta
Pamukova, Akp nar quarriy in Geyve, Ta quarrysamples are expanded less than % 0.04 so that it isharmless from alkali aggregate reaction point.
Keywords: Alkali aggregate reaction, concrete
1. Giri
Betonarme veya beton yap elemanlar n zamanlabozulup i levlerini beklenen servis ömürlerine ula amadanyitirmelerine birçok faktör sebep olabilir. Yap eleman ndayan kl belirleyen etkenler aras nda beton bile iminiolu turan malzemelerin fiziksel ve kimyasal yap ndankaynaklanan iç etkiler ve çevreden kaynaklanan d etkilersay labilir. Baz durumlarda, beton bile imini olu turanmalzemelerin kendi aralar nda veya çevreden gelen zararlmaddelerle kimyasal reaksiyonlara girebildi i, böylecebeton hacim sabitli inin bozulmas nedeniyle yapeleman n zarar gördü ü bilinmektedir. Betonda meydanagelen önemli bir kimyasal reaksiyonda alkali silikareaksiyonudur. Bu reaksiyon ilk olarak 1920’li ve 1930’lu
llarda ABD’de, Kaliforniya’daki beton yap larda nedenibelirsiz çatlak olu umlar na ba y mlar n rapor edilmesiile ortaya ç km r. Bu raporda beton malzemelerinstandartlara uygun olmas na ra men, yap m y takibenbirkaç y l içinde çatlaklar oldu u aç klanm r. Ayr ca,genellikle harita çatla eklinde görülen çatlaklardan jel
, betonda patlamalar gibi belirtiler de i aret edilmi tir.Stanton, 1940 y nda bu tür çatlaklar n (daha sonra Alkali-Silika Reaksiyonu olarak adland lan) kimyasal birreaksiyonun sonucu oldu unu aç klam r [1].
lerleyen y llarda bu konu üzerine birçok ara rmayap larak bu reaksiyonun baz çimentolar n içinde fazlamiktarda bulunan sodyum oksit (Na2O) ve potasyum oksit(K2O) gibi alkali oksitlerin beton gözenek suyundaçözülerek sodyum hidroksit (NaOH) ve potasyum hidroksit(KOH) olu turmas ve aktif silis içeren agregalarlareaksiyona girmesi eklinde tan mlanm r. Bu reaksiyonjel eklinde ürünler üretmektedir [2]. ASR’nin olu turdu ureaksiyon ürünleri a derecede su emme özelli i olan jelürünlerdir. Su emme özelli i olan bu jeller, suyu emdikçe
ip betonda içsel çekme gerilmeleri olu turarak betonungenle mesine ve agrega ile onu çevreleyen çimentopastas n çatlamas na neden olur. Reaksiyonun buözelli i nedeniyle en jelin beton bünyesinde 0,1–11MPa’a varan çekme gerilmeleri yaratt ileri sürülmektedir.Reaksiyonun neden oldu u genle me belli bir s
nda beton için potansiyel bir tehlike olu turur. Bunedenle rutubetli veya sulu ortamlar reaksiyonun ilerlemesiiçin son derece uygun ortamlard r [3].Beton ve betonarmeyap larda ASR varl n en tipik göstergesi harita çatlatüründe bir çatlak desenidir. ASR çatlaklar ileri ya lardaveya ileri safhalarda, pullanm beton yüzeyler, kapakatma veya yap eleman n farkl k mlar n birbirlerinegöre konumlar nda kayma eklinde kendini gösterir. Buçatlaklar n olu um evreleri ekil 1’de gösterilmi tir.
ekil 1. ASR’den dolay olu an çatlak olu um evreleri.
ekil 1’de görüldü ü gibi reaksiyondan dolay olu an jelgenle erek d ar ç kmak için ilk olarak küçük bir bo lukbulur daha sonraki evrelerde jel genle erek bo lu un
etraf nda çatlaklar olu mas na sebep olur. Bu reaksiyonunolu turdu u harita çatlaklar n gerçekte olu biçimi ekil2’de görülmektedir.
ekil 2. Beton yüzeyinde olu mu harita çatlaklar
ASR’nin olu abilmesi için agregada reaktif silika formlar ,yeterli miktarda alkali ve ortamda nem bulunmal r. Buko ullardan herhangi biri olmazsa ASR nedeniyle birgenle me de olmayacakt r. ASR basitçe iki a amadagörülebilir;
1. Alkali + Reaktif silika Alkali-silika jel ürünleri2. Alkali-silika jeli + Nem Genle me [4].
Reaksiyonun olu abilmesi için çimento alkali içeri inin“e de er Na2O” de eri olarak %0,6 de erini a masgerekir. Bu de er, %Na2O = Na2O + 0,658 (K2O) ba ntile hesaplanmaktad r ve çimentonun toplam alkali içeri isodyum oksit e de eri olarak bu de er kullan lmaktad r [5].
Konu ile ilgili ayr nt ara rmalara göre; reaksiyonolu umunda etkili olan mineraller; opal (Stanton, 1941),kalsedon ve volkan cam (Stanton, 1941; Rhoades, 1942),kripto kristalin kuvars (Stantonvd. 1942), tridimit(Hornibrook vd. 1943), kristobalit (Landgren ve Sweet,1952; Mielenz, 1954) ile bas nç etkisinde kalm kuvarst r(Gogte, 1973). Marfil ve Maiza (2001), bazaltlarda aktif silisve volkan cam içeri inin fazla olmas nedeniyle tehlikelireaksiyonlar n geli ti ini belirtmi lerdir [6].
Reaktif agregan n tane büyüklü ü de ASR sebebiyleolu abilecek zararlar üzerinde etkilidir. Reaktif agregan nboyutunun etkisi, reaktif agregan n fiziksel ve mineralojikkarakterine ba r. Reaktif agregan n gözeneklili i deASR bak ndan önemlidir, gözeneklili i fazla olanagregan n içine bo luk çözeltisinin giri i daha kolayolmakta ve reaksiyon alan artmaktad r. Agrega boyutuartt kça maksimum genle meyi veren çimento/agregaoran azalmaktad r. Agrega boyutu büyüdü ündegenle meler yava ilerledi inden tek boyutlu agregagradasyonunun kullan n ASR genle melerini azaltmakaç ndan daha avantajl oldu u söylenebilir [7].
Agregalar üretildi i bölgelere göre birçok ara rmactaraf ndan ASR yönünden incelenmi tir. Buara rmalardan bir tanesi de Ankara bölgesinde üretilenagregalar için yap lm r. Ara rmada, Ankara yöresindebaz agrega ocaklar n alkali silika reaktivitesibelirlenmi tir. Agrega örnekleri üzerinde, kimyasal analiz,
zland lm harç çubu u ve uzun süreli harç çubu udeneyleri yap lm r. Sonuç olarak, Ankara il s rlariçerisinde bulunan K br s köyü ve Hasano lan ocaklar naait agrega örneklerinde ASR’den kaynaklanan birgenle me belirlerken, Kazan, Çeltikçi, K rmak veYenikent ocaklar na ait agrega örneklerinde genle melerbelirlenmi tir [8].
2. Ara rman n Amaç ve Kapsam
Gerek ülkemizde gerekse di er ülkelerde birçokbetonarme yap da hasarlar meydana getiren alkali silikareaksiyonu, oldukça kompleks kimyasal bir reaksiyondur.Böyle önemli bir konunun bölgemizde bu güne kadarara lmam olmas bir eksiklik olarak görülmü tür. Bunedenle Adapazar ’nda üretilen ve betonun ana bile eniniolu turan agregalar n beton içerisinde bulunan çimento ilezararl kimyasal reaksiyon olu turacak nitelikte olupolmad n ara lmas amaçlanm r.
Bölgemizde bulunan agrega ocaklar ndan, çe itli agregaformasyonlar temsil eden agrega numuneleri al narak bunumunelere, TSE ve ASTM standard nda bulunan deneymetotlar kullan larak teste tabi tutulmu tur. Bu testsonuçlar ndan elde edilen veriler de erlendirilerekagregalar n beton yap için uygunlu u ortaya konmu tur.
2201
pek ,M., Y lmaz, K. ve Sert G.
3. Malzeme ve Metot
3.1. Malzeme
Bu ara rmada, farkl formasyona sahip ocaklardan al nanrmata agregas , çimento, kar m suyu ve NaOH
çözeltisi kullan lm r.
3.1.1. Agrega
Agrega olarak, Sakarya ilinin farkl agrega formasyonlartemsil eden bölgelerinden dere agregas örneklerikullan lm r (Tablo 1). Agrega granülometrisi her deneyinstandard na uygun olarak haz rlanm ve deneylerinyap n anlat ld bölümde tablo ve grafikler halindeverilmi tir. Deney örneklerinin al nd ocaklar n bulundu ubölgeler; Sakarya Adliye Mevkii, Mollaköy Mevkii, Hendek,Ferizli, Akçay ve Adliye Kalealt r. Agrega örnekleri,agrega y temsil edecek ekilde “TS 707’de belirtilenesaslara uygun olarak al nm r [9].
Tablo 1 Agregalar n bölge isimleri ve numune kodlar
A5 Ferizli KIRMA KUMA6 Ta KIRMA KUMB1 kizce Genç Osmanl KIRMATAB2 Geyve KIRMATAB3 Pamukova KIRMATAB4 Özta Pamukova KIRMATAB5 Akp nar Ta oca Geyve Örencik KIRMATAB6 Dünyalar Ta Oca Ta KIRMATA
3.1.2. Çimento
Deneyde CEM I 42.5 R tipi çimento kullan lm r.Kullan lan çimentonun kimyasal özellikleri Tablo 2’deverilmi tir.
Tablo 2 Çimentonun kimyasal özellikleri
Kimyasal Özellikleri Sonuç Limit (TS 197-1)Kalsiyum oksit (CaO) 63,58 -Silisyum oksit (SiO2) 17,76 -Alüminyum oksit (Al2O3) 5,63 -Demir oksit (Fe2O3) 3,06 -SO3 % 2,37 Max. % 4,5MgO % 1,45 -
zl harç çubuk deneyi ve beton prizma deneyinde NaOHçözeltisi kullan lm r. Bu çözelti, 900 mlt. saf suya 40 grsodyum hidroksit kat larak haz rlanm r.
3.2. Metot
Alkali agrega reaksiyonunun belirlenmesi için farkl deneymetotlar mevcuttur. Bu deney metotlar ASR’nin genle meözelli inden yararlan larak yap lan deneyler ile kimyasalyolla yap lan deneyler olarak ikiye ayr labilir. Alkali–agregareaksiyonunun belirlenmesi için tek bir metodunkullan lmas farkl agrega tipleri için çok sa kl sonuçlarvermeyebilir. Bu nedenle alkali agrega yönünden teste tabitutulacak agregalar birkaç metot kullan larak test edilmelive testlerin sonuçlar na göre de erlendirme yap lmal r.Bu nedenle literatürde en çok kullan lan, uzun süreli harççubuk yöntemi (ASTM C227), h zl harç çubuk yöntemi(ASTM C 1260), beton prizma yöntemi (ASTM C 1293) vekimyasal yöntem (ASTM C289, TS 2517) bu çal ma içinseçilmi tir [10-14].
3.2.1. Uzun süreli harç çubuk deneyi (ASTM C 227)
Bu metot, belirli artlarda küre tabi tutulan harççubuklar n belirli süre sonucundaki boy de imlerininölçülerek çimento-agrega bile imlerinin alkali kaynaklgenle melere aç k olup olmad belirlemek amac ylayap r. Standarda uygun olarak harç çubu u Tablo 3’deverilen malzeme kar m miktarlar na göre haz rlan r.
Tablo 3 Harç çubuklar için malzeme kar m miktarlar
MalzemeElek Serisi
s/ç Su Çim.(gr)8 16 30 50 100
%10 %25 %25 %25 %15
rmata 100gr
250gr
250gr
250gr
150gr 0,45 200 444
Harç çubuklar n üretiminde kullan lan çimentonun alkaliiçeri i en az %0,6 Na2O e de eri olmal r. Harççubuklar n üretiminde, 25x25x285 mm boyutlar nda,kal plar kullan lmaktad r. Harç çubuklar n boylarölçülerek, alt bölgesinde su haznesi bulunan ve bu haznesiyar ya kadar su doldurulan bir kap içerisine konur ( ekil 3).Bu kap içerisindeki su, örnekler ile temas etmeyecekekilde yüksek ba l nemi (%100) sa lamal r. Bu ekilde
tasarlanm kap içerisine konulan numuneler37,8 1,7 C’de sabit daki etüve konur.
Harç çubuklar üzerindeki ölçümler ilk olarak 14. gün,sonra 1, 2, 3, 4, 6, 9, 12. aylar ve daha sonra gerekirse her6 ayda bir uzunluk de imi ölçülerek birim boy de imyüzdeleri belirlenir. ASTM C 227’ye göre boy de imindekiverilerin 12. ay sonunda %0,1 genle me s a masdurumunda agrega, alkali silika reaktivitesi aç ndan“zararl r” s fland rmas yap lmaktad r.
2202
pek ,M., Y lmaz, K. ve Sert G.
ekil 3. Dijital komparatör ile örneklerin boy ölçümü ve kür kab
3.2.2. H zl harç çubuk deneyi (ASTM C 1260)
Alkali reaktivitesi belirlenecek agregalar ile üretilen harççubuklar n alkalinitesi yüksek çözelti içerisinde, yüksek
cakl kta saklanmas ve uzunluk de imlerinin ölçülmesiile gerçekle tirilmektedir.
Deneyin için haz rlanan harç çubuklar , ASTM C 227yöntemi ile ayn r. Haz rlanan harç çubuklar , 800C’desabit s cakl ktaki NaOH çözeltisi içerisine konmaktad r
ekil 4).
ekil 4. Sodyum hidroksit çözeltili termostatl kür tank
Çözelti içerisindeki harç çubuklar n, 3, 7, 14. günlerdeboy ölçümleri al narak birim boy de imhesaplanmaktad r. ASTM C 1260’a göre boy de imindekiverilerin de erlendirilmesi a daki gibi yap lmaktad r;
14 gün sonra ölçülen boy de imi %0,1’den küçük ise“Agrega zarars z”,
14 gün sonra ölçülen boy de imi %0,1 - %0,2aras nda ise “Deney süresi uzat larak örneklerin 28günlük boy de imleri ölçülür”,
14 gün sonra ölçülen boy de imi %0,2’den büyük ise“Agrega potansiyel olarak zararl r”, bu ekilde heragregadaki boy de imlerine göre bir sonucavar lmaktad r.
3.2.3. Beton prizma deneyi (ASTM C 1293)
Beton prizma testi, 75x75x285 mm boyutlar nda haz rlananharç çubuklar n zamana ba olarak genle memiktar n ölçülmesi ile çimento-agrega bile imlerinin alkalikaynakl genle melere aç k olup olmad belirlenir. Budeney metodunu uzun süreli harç çubu u metodundanay ran en önemli özellik, harç çubuk boyutlar ve harççubuklar n haz rlanmas s ras nda kar m suyuna NaOH
çözeltisi eklenerek kar n alkali miktar nartt lmas r.
Deney için haz rlanan betondaki toplam alkali miktarçimento miktar n %1,25 kadar olmal r. Çimentodabulunan toplam alkali içeri i dikkate al narak kar msuyuna NaOH çözeltisi kat r ve böylece alkali içeri i%1,25 Na2O de erine yükseltilmi olur.
Betonda kullan lan agregan n elek analizi Tablo 4’teverilmektedir.
Tablo 4 Beton prizma testi için agrega kar m oranlar
Kar mda kullan lan çimento miktar 420 kg/m3’tür vesu/çimento oran 0,42 ile 0,45 aras nda olmal r.Haz rlanan kar m 75x75x285 mm ölçülerindehaz rlanarak uzun süreli harç çubuk yöntemindeki kür
lemi uygulan r.
Harç çubuklar üzerindeki ölçümler ilk olarak 7. 28. 56.günlerde ve 3, 6, 9, 12 aylarda yap r ve daha sonragerekirse her 6 ayda bir uzunluk de imi ölçülmektedir.Harç çubuklar ndaki genle me bir y l sonra % 0,04 veyadaha fazla ise agrega potansiyel olarak zararl rsonucuna var r.
3.2.4. Kimyasal yöntem (ASTM C 289, TS 2517)
Bu deney metodu h zl harç çubuk metodu ile benzerlikgösterir. Deney için haz rlanan alkali ortam her ikisinde deayn r. Fark kimyasal yöntemde, agregan n reaktivitesiniölçmek için harç çubu u yap lmaz ve direk olarak agrega,alkali ortama maruz b rak r.
Kimyasal analiz yöntemi için reaktivitesi belirlenecekagregalardan 0,250 mm (No:50) ve 0,125 mm’lik (No:100)elekler aras nda kalan malzemeden kuru olarak 25 g.’l k 3adet örnek al narak reaksiyon kab içerisine konur. Bukaplar n her birine 25 ml. NaOH çözeltisi ilave edilir. Birkaba sadece 25 ml. NaOH çözeltisi konur bu kap referanskab olarak kullan r. Alkali azalmas (Rc) ve çözünmüsilis (Sc) de erleri kullan larak grafik yard ile söz konusu
2203
pek ,M., Y lmaz, K. ve Sert G.
agregan n yeri belirlenir ve agregalar n zararl veyazarars z oldu u hakk nda yorum yap r.
4. Ara rma Sonuçlar ve Tart ma
Numunelerden elde edilen de erler deneyin i lem s ras nagöre verilmi tir. Tablo 4’de Harç çubuk deneyi içinkullan lan malzemeler ve ait olduklar bölgeler verilmi tir.Sakarya ilinde beton üretimi için agrega temin edilenGeyve, Pamukova, Akp nar Ferizli, Ta , kizceagrega örnekleri üzerinde gerçekle tirilen kimyasal analiz,harç çubu u ve h zland lm harç çubu u, beton prizmaalkali silika reaksiyonu deneylerinden elde edilen verilerüzerinde gerçekle tirilen de erlendirmelere göre a dakisonuçlar elde dilmi tir.
4.1. Kimyasal Analize Göre Sonuçlar
ASTM C-289 “Test Method for Potential Reactivity ofAggregates (Chemical Method) deneyi sonucunda; A1Pamukova, A2 Geyve, A4 Akp nar ta oca Geyve, A5Ferizli, A6 Ta agrega ocaklar na ait örneklerintamam alkali agrega reaktivitesi bak ndan standartlardabelirtilen “Zarars z agregalar”’ n tan mland I. Bölgeiçerisinde yer ald , A3 kodlu numunenin ise ASTM C-289“Test Method for Potential Reactivity of Aggregates(Chemical Method) standard na göre alkali agregareaksiyonu bak ndan “zararl olmas muhtemel” s ndaoldu u, görülmü tür. Agrega örneklerinin ait sonuçlar ekil5’te verilmi tir. Kimyasal metoda göre zararl olmasmuhtemel” sonucu elde edilen, h zland lm ve k sa sürelimetotlara göre zarars z ç kan A3 Özta Pamukova agregaoca ndan al nan agregalar yo un alkali içeren ortamlardakullan lmadan önce, ortam n alkalitesine göre test edilmelive zarars z oldu u görüldü ü takdirde kullan lmal r.
4.2. Uzun Süreli Harç Çubu u Metoduna GöreSonuçlar
A1 Pamukova, A2 Geyve, A3 Özta Pamukova, A4Akp nar ta oca Geyve, A5 Ferizli, A6 Ta agregaocaklar na ait örneklerde alkali agrega reaktivitesindenkaynaklanan genle me, %0,1’lik genle me s n alt ndakald için agregalar n alkali silika reaktivitesi aç ndanzarars z oldu u görülmü tür.
4.3. H zland lm Harç Çubu u Metoduna GöreSonuçlar
zland lm harç çubu u metodunda ortalama boyde imlerinde A1 Pamukova %0,015, A2 Geyve %0,049,A3 Özta %0,033, A4 Akp nar ta oca Geyve %0,028,A5 Ferizli %0,045, A6 Ta %0,036 de erleri elde
edilmi tir. zland lm harç çubu u deneyi sonucunda;A1 Pamukova A2 Geyve, A3 Özta , A4 Akp nar ta ocaGeyve, A5 Ferizli, A6 Ta agrega ocaklar na aitörneklerde alkali agrega reaktivitesinden kaynaklanangenle me, %0,1’lik genle me s n alt nda kald içinagregalar n alkali silika reaktivitesi aç ndan zarars zoldu u görülmü tür.
ekil 5. Kimyasal analiz sonuçlar
4.4. Beton Prizma Metoduna Göre Sonuçlar
Beton prizma metodunda; B1 kizce Genç Osmanl%0,024, B2 Geyve %0,030, B3 Pamukova %0,032, B4Özta Pamukova %0,036, B5 Akp nar ta oca Geyve%0,035, B6 Ta %0,032 de erleri elde edilmi tir. B1kizce Genç Osmanl B2 Geyve, Pamukova, B4 Özta
Pamukova, B5 Akp nar ta oca Geyve, B6 Taagrega ocaklar na ait örneklerde alkali agregareaktivitesinden kaynaklanan genle me, %0,04’lükgenle me s n alt nda kald için agregalar n alkalisilika reaktivitesi aç ndan zarars z oldu u görülmü tür.Tüm deney sonuçlar toplu olarak Tablo 5’de verilmi tir.
2204
pek ,M., Y lmaz, K. ve Sert G.
Tablo 5 Deney metotlar na göre toplu sonuçlar
NUMUNENO MYASAL METOT HIZLANDIRILMI
METOTUZUN SÜREL
METOTBETON PR ZMA
METOTDUA1 Zarars z 0,015<0,1 zarars z 0,058<0,1 zarars z -A2 Zarars z 0,049<0,1 zarars z 0,036<0,1 zarars z -A3 Zararl olmas muhtemel
muhtemel0,033<0,1 zarars z 0,058<0,1 zarars z -
A4 Zarars z 0,028<0,1 zarars z 0,030<0,1 zarars z -A5 Zarars z 0,045<0,1 zarars z 0,036<0,1 zarars z -A6 Zarars z 0,036<0,1 zarars z 0,047<0,1 zarars z -B1 - - - 0,024<0,04 zarars zB2 - - - 0,030<0,04 zarars zB3 - - - 0,032<0,04 zarars zB4 - - - 0,036<0,04 zarars zB5 - - - 0,035<0,04 zarars zB6 - - - 0,032<0,04 zarars z
5. Sonuçlar ve Öneriler
Sakarya ilinde, beton yap nda kullan lan agregalar nüretildikleri ocaklardan al nan numuneler ile yap landeneyler ve de erlendirmeler sonucu alkali agregareaktivitesi aç ndan sak ncal olmad görülmü tür.
Kimyasal metoda göre “zararl olmas muhtemel” sonucuelde edilen, h zland lm ve k sa süreli metotlara görezarars z ç kan 3 no’lu Özta Pamukova agrega oca ndanal nan agregalar yo un alkali içeren ortamlardakullan lmadan önce, ortam n alkalitesine göre test edilmelive zarars z oldu u görüldü ü takdirde kullan lmal r.
[1] Stanton, T., E., Expansion of Concrete ThroughReaction Between Cement and Aggregate,Proceedings, American Society of Civil Engineers, Vol.66, pp. 1781-1811, 1940.
[2] Neville, A. M., Properties of Concrete, LongmanScientific Technical, England, 155-166, 1981.
[3] Struble, L.J., Diamond S., Swelling Properties ofSynthetic Alkali-Silica Gel, Journal of the AmericanCeramic Society, Vol. 64(11), 611-55, 1981.
[4] Hobbs, D. W., Alkali-Silica Reaction in Concrete,Thomas Telford Ltd., 1988.
[5] Binal, A., Beton Agregalar nda, Alkali SilikaReaksiyonu Etkisinin Belirlenmesi çin Harç PrizmasDeneyi Tasar ve Uygulamas , Doktora Tezi, H. Ü.Jeoloji Mühendisli i, Ankara, 1-216, 2002.
[7] Andiç, Ö., Alkali Silika Reaksiyonun Mineral veKimyasal Katk lar Kullan larak Kontrol Alt na Al nmas ,Yüksek Lisans Tezi, EÜ Fen Bilimleri Enstitüsü, 2002.
[8] Çullu, M., Ankara Yöresindeki Baz AgregaOcaklar n Alkali Silika Reaktivitesi Aç ndanncelenmesi, Yüksek Lisans Tezi, Gazi Üniv. Fen
Bilimleri Enstitüs, 2004.[9] TS 707, Beton Agregalar ndan Numune Alma ve
Deney Numunesi Haz rlama Yöntemi, TürkStandartlar Enstitüsü, Ankara, 1-9, 1980.
[10] ASTM C-227-97, Standard Test Method for PotentialAlkali Reactivity of Cement-Aggregate Combinations(Mortar-Bar Method), Concrete and MineralAggregates, American Society for Testing andMaterials, USA, 4(2), 126-130, 1994.
[11] ASTM C-1260-94, Standard Test Method for PotentialAlkali Reactivity of Aggregates (Mortar-Bar Method),Concrete and Mineral Aggregates, American Societyfor Testing and Materials, USA, 4(2), 650-653, 1994.
[12] ASTM C-1293-1, Standard Test Method forDetermination of Length Change of Concrete Due toAlkali-Silica Reaction, Concrete and MineralAggregates, American Society for Testing andMaterials, USA, 4(2), 1-6, 2001.
[13] ASTM C-289-94 Standard Test Method for PotentialReactivity of Aggregates (Chemical Method), Concreteand Mineral Aggregates, American Society for Testingand Materials, USA, 4(2), 157-163, 1994.
[14] TS 2517, Alkali Agrega Reaktivitesinin Kimyasal YollaTayini, Türk Standartlar Enstitüsü, Ankara, 1-6, 1977.
2205
5. Uluslararas leri Teknolojiler Sempozyumu (IATS’09), 13-15 May s 2009, Karabük, Türkiye
Günümüzde çevresel sorunlar n ortaya ç ndayap la man n da önemli bir rolü oldu u bilinen bir gerçektir.Yap lar, yap malzeme hammaddesinin kayna ndan eldeedili inden ba lay p yap ömrünün sona ermesine kadargeçen ya am döngüsü boyunca, çevresel sorunlar nolu umuna katk da bulunurlar. Bunun ba ca nedeni,bütün bu süreç boyunca do al kaynak ve enerjininkullan lmas sonucu, zararl emisyonlar n ve di er at klar nüretilmesi ve çevreye b rak lmas r. Ancak bu çevreseletki seviyesi yap lar n çe itli özelliklerine görede mektedir. Ekolojik özelikler artt kça çevresel etki deazalmakta ve yap lar çevreye daha az zarar vermeyeba lamaktad r. Çevre dostu olarak an lan bu yap lar içintasar m a amas s ras nda baz çevresel kararlar nal nmas gerekmektedir. Bu kararlar, birçok çevresel veekonomik yararlar da beraberinde getirir. Ekolojik, cevredostu, ye il ve sürdürülebilir yap la ma kriterleri olarakadland lan yöntemler, s rl do al kaynak kullan nazalt lmas , yenilenebilir ya da s rs z kaynaklar nmümkün oldu u kadar çok kullan lmas , enerjinin dü ükfakat verimli ekilde kullan lmas , emisyon ve di erkirleticilerin üretimlerinin azalt lmas , ayn zamanda içortamda insan sa n korunmas gibi konularkapsamaktad r. Bu çal man n amac , yap lar n çevresorunlar na neden olan olumsuz etkilerini azaltmayayönelik, tasar mc lara katk da bulunacak bilgi birikimi vebilinç olu turmakt r.
Anahtar kelimeler: Ekolojik yap lar, çevre
AbstractToday it is a known fact that building also has an importantrole in the emergence of environmental problems.Buildings contribute to the forming of environmentalproblems with activities at all stages of the life cyclestarting from obtaining the raw building material out of itsresource and continuing until it becomes a waste aftercompleting its building life. This effect is created due to theproduction of harmful emissions and other wastes left tothe environment as a result of the usage of naturalresources and energy all along the process. However, thisenvironmental effect level changes according to somebuilding properties. Ecological facilities increasedenvironmental impact of the decay and the environmentstructures are less to undermine begun. Environmentfriendly of the century these structures for designing duringthe phase of environmental decisions are needed to betaken. This decisions bring many environmental andeconomical advantages. The solutions named asecological, environmental-friendly, green and sustainablestructuring criteria include methods reducing usage of
depletable natural resources, using renewable orinexhaustible resources as much as possible, using energyat low levels but in an efficient manner, decreasing theproduction of emissions and other polluters and at thesame time maintaining the formation of conditionsappropriate for the human health in internal environments. Aim of in this study, environmental problems in the causenegative to reduce the impact of the buildings, designerswill contribute to knowledge of raising and rigorous.
Keywords: Ecological buildings, environment
1. Giri
Günümüzde çevresel sorunlar n ortaya ç ndayap la man n da önemli bir rolü oldu u bilinen bir gerçektir.Yap lar, yap malzeme hammaddesinin kayna ndan eldeedili inden ba lay p yap ömrünün sona ermesine kadargeçen ya am döngüsü boyunca, çevresel sorunlar nolu umuna katk da bulunurlar. Bunun ba ca nedeni,bütün bu süreç boyunca do al kaynak ve enerjininkullan lmas sonucu, zararl emisyonlar n ve di er at klar nüretilmesi ve çevreye b rak lmas r.Worldwatch Enstitüsü'nün 1995'te yay nlam oldu urapora göre[1], yap la ma faaliyetleri her y l küresel olarakkullan lan ta , çak l ve kumun % 40’ , do al ah ab n %25’ini, suyun % 16’s ve enerjinin % 40’ tüketmektedir.Bunlar n sonucunda da hava ve su kirlili i, peyzaj nbozulmas , ormanlar n yok edilmesi, biyolojik çe itlili inazalmas küresel nma gibi sorunlar ortaya ç kmaktad r.ç ortamda olu an ko ullar uygun olmad zamanlar da,
kullan lar n sa bozulmakta ve çal ma verimidü ebilmektedir.Yap lar n çevresel etki seviyesi sahip olduklar çe itliözelliklerine göre de mektedir. Ekolojik özelikler artt kçaçevresel etki de azalmakta ve yap lar çevreye daha azzarar vermeye ba lamaktad r. Yap lar n, daha az çevreseletkiye sahip olmalar sa layan çözüm aray lar , mimaritasar ekolojik yakla mlara do ru yöneltmektedir. Buamaçla, mimari tasar m a amas boyunca al nan çevreselkararlar, birçok çevresel ve ekonomik yararlar daberaberinde getirir. Ekolojik, cevre dostu, ye il vesürdürülebilir yap la ma kriterleri olarak adland lan buyöntemler, s rl do al kaynak kullan n azalt lmas ,yenilenebilir ya da s rs z kaynaklar n mümkün oldu ukadar çok kullan lmas , enerjinin az fakat verimli ekildekullan lmas , emisyon ve di er kirleticilerin üretimlerininazalt lmas , ayn zamanda iç ortamda insan sa nkorunmas gibi konular kapsamaktad r,Bu çal man n amac , yap lar n çevre sorunlar na nedenolan olumsuz etkilerini azaltmaya yönelik, tasar mc larakatk da bulunacak bilgi birikimi ve bilinç olu turmakt r.Bunun için çal mada, yap lar çevre dostu yapan veonunla daha uyumlu hale getiren ekolojik tasar m
yöntemleri ve bunlardan baz lar n uyguland ekolojik ikiyap örne i tan lmaktad r.
2. Çevre dostu ekolojik yap lar için tasar mkriterleri
Ya am döngüsü boyunca çevresel etkileri az olan yap lara“çevre dostu, ekolojik, ye il ve sürdürülebilir gibi “ adlarverilmektedir. Yap lar n bu özelliklere sahip olmas için,daha tasar n ba nda ve süresince baz kararlar nal nmas ve daha sonra da bunlar n uygulanmasgerekmektedir. A daki bölümlerde yap lara çevre dostuve ekolojik özellik kazand ran yöntemleri kapsayan ekolojikkriterler aç klanmaktad r.
2.1. Yap lar n basit plan tipli, küçük ölçekli, kompaktbiçimde tasarlanmalar
Yap lar enerji korunumu aç ndan s cak günlerde en az kazanc , so uk günlerde ise en fazla kazancsa layacak ekilde biçimlendirilmelidir. Kare, dikdörtgengibi plan tipleri yap d kabu unun yüzeyinin azalmassa lamakta, bu da d kabuk yoluyla kay p vekazançlar en az seviyeye indirmektedir.Kaynak korunumu için, iç mekânlar verimli kullan larakmümkün oldu u kadar küçük, ancak kullan ihtiyaçlarkar layabilecek büyüklükte tasarlanmal , yap lar n dahaküçük ölçülerde kalmas sa lanmal r. Bu da yap mdadaha az malzeme kullan lmas yoluyla kaynak korunumusa lad gibi, kullan m a amas nda da gerekli konforko ullar n daha küçük hacimlerde, daha az enerjiyle,daha kolay elde edilmesini sa lamaktad r.
2.2. Uygun hacim organizasyonu
Tasar mlarda hacim organizasyonlar n do ru ekildeyap lmas o yap ya önemli ekolojik özellikler katmaktad r.Alman Ara rma ve Teknoloji Bakanl taraf ndan yap lanbir ara rmada, mekânlar n plan organizasyonundakiyerinin enerji tüketimi aç ndan yönlendirilmesinden dahaetkili oldu u aç klanmaktad r [2]. Bu amaçla, enerjikay plar en aza indirecek hacim organizasyonlaryap labilir. Örne in; bina tasar nda, nma gereksinimiçok olan alanlarla d ortam aras na nma gereksinimi azolan tampon olabilecek mekânlar (depolar, slak hacimlervb.) getirilerek kay plar azalt labilir. Farkl l de erleresahip mekânlar l konfor ve enerji korunumu içingrupland labilir. Is tma ihtiyac n fazla oldu u mekânlar,binan n güney, güneydo u ve güneybat yönlere, banyo,wc, kiler, hol gibi hacimler ise, l tampon bölgelerolu turacak ekilde kuzeyli yönlere yerle tirilmesi,mekânlar n etkili bir do al havaland rma için kar kl yeralmalar gibi çözümler yap lar n tma, so utma /havaland rma enerji yüklerini azaltarak enerji etkinli i gibiönemli bir özellik sa lamaktad r.
2.3. Is sal performans yüksek yap kabu u tasar
Duvar, dö eme, pencere, kap gibi elemanlardan olu anyap kabu u, binay d ortamdan ay ran ve enerjisiningeçi ine izin veren bile enlerdir. Bu nedenle yapkabu unun sal özellikleri ba ta olmak üzere di er bazözellikleri enerji tüketimini önemli ölçüde etkilemektedir.Yap lan bir çal maya göre, yap kabu unun toplam in aatmaliyetine katk % 15–40 kadar olurken yap ya amdönemi maliyetlerine katk % 60 oran nda olmaktad r [3].
Yap kabu unun sal performans özellikleri buradakullan lan yap malzemelerinin özelliklerine ba olarakolu maktad r. Bu nedenle binan n yer alaca iklim bölgesive bölgede bulunan yerel malzeme göz önünebulundurularak en uygun malzeme seçilmelidir. Is salperformans yüksek yap kabu una sahip yap lar, enerjiyibüyük oranda koruyan ve bu nedenle de enerji etkinsay lan yap lard r.
2.4. Yap n en uygun ekilde yönlendirilmesi
Yap lar en uygun ekilde yönlendirilerek güne ten tma,hâkim rüzgârdan da so utma ve havaland rma amaçlyararlanmak mümkündür. Bu ekilde konfor ko ullarbüyük oranda do al yollarla sa lanm ve ek enerjikullan azalt lm olacakt r. Yönlendirmede temel ilke,güne kazanc n k n en yüksek, yaz n ise en dü ükdüzeyde olmas sa lamakt r. Türkiye’nin bulundu u iklimku nda do u-bat ekseninde yerle im ile bu ko ulsa lanmaktad r. K aylar nda bir günde gelen güneenerjisinin yakla k % 90’ 09.00–15.00 saatleri aras ndageldi inden, bu zaman aral nda güne n birengel ile kar la madan binaya ula mas sa lanmal r [4].Bina yönlendirilmesinde, hâkim rüzgâr etkisi dikkateal narak da k n so uk rüzgâr n neden olacakay plar önlenebilir, yaz n da yap so utmas ve do alhavaland rmas sa lanabilir.
2.5. Uygun arazi parças e imi ve yönünün seçilmesi
Yap n bulundu u yer; güne , hava s cakl , havahareketi ve nem gibi iklim elemanlar n özelliklerini vebuna ba olarak olu an yap içi mikro-klima ko ullar nda belirleyicisidir [5]. Bu nedenle yap içi konforko ullar n mümkün oldu u kadar do al yöntemlerlekar lanarak, enerji tüketiminin azalt lmas için iklimku na uygun bir yer seçimi yap lmal r.Eski yerle im alanlar inceledi inde, bugünkü düz alanlar naksine, genellikle yamaçlar n seçildi i görülmektedir.Çünkü k aylar nda so uk hava kütlesi, yaz aylar nda da
cak hava kütlesi çukur ve düz alanlarda toplanmaktad r.Oysa yamaçlar yerle meler için daha uygun ko ullarasahip olmakta, buradaki rüzgârlar nedeniyle ya amalanlar nda sürekli bir hava ak sa lanabilmektedir. Buise yap içi so utma ve havaland rma için enerji yükünüazaltan ekolojik bir yakla m olmaktad r [6].Güne de erleri de arazi yönüne ve e imine görede ir. Yerle mek için seçilen arazi e imliyse yaz nkazan lan güne enerjisi azal r ve k n kazan lacakgüne enerjisi ço al r. Arazinin e imi, gelen güne
miktar ve arazinin enlemi bu konuda önemlietkendir [7]. Bunlara göre yap lacak uygun bir tasar mlayap n güne m kazanc artt larak enerji korunumusa lamak mümkün olmaktad r.
2.6. Enerji etkin arazi kullan
Yap n in a edilece i arazide bulunan do al malzemelerinve önceden var olan yap lar n kullan lmas kaynak veenerji korunumu bak ndan büyük yararlar sa lamaktad r.Arazi üzerinde toplu ta mac destekleyen yayakoridorlar ile bisiklet yollar kapsayan tasar mlar,kullan lar n i yeri veya al veri yerlerine yürüyerekgidebilece i ortak kullan ma izin veren tasar mlar, ortakkullan m alanlar art rmak için site yap la mas ve onlar nçevresinde yaya yollar tasar , i yeriyle ba lant ev-ofis
2207
Esin, T. ve Yüksek, .
tasar mlar yap lmas ula m için harcanan enerji miktarazaltaca için ekolojik çözümler olmaktad r.
2.7. Enerji etkin peyzaj tasar
Do ru ve bilinçli bir peyzaj tasar ile yaz ve kmevsimleri süresince tma ve so utma enerji yükünü %30 oran nda azaltmak mümkün olmaktad r. Bunun içinözellikle a açlar n do ru kullan ile önemli katk larsa lanabilmektedir. A açlar bir tente gibi gölge sa layarakso utma maliyetini azalt p konforu art rabilirler[8]. Yap lar n do u ve bat yönlerinde yer alan geniyaprakl a açlar, k n yapraklar döktüklerinde güne
nlar yap ya ula rken yaz n da yapraklar yla gölgesa layabilirler. Kuzey ve güney taraftaki her zaman ye il
açlar ise yaz güne i ve k rüzgâr na kar iyi birkoruyucu olabilirler. Do ru bir peyzaj tasar ile rüzgâr
azaltarak yap ya s zan hava ak mlar yava latmakmümkündür. Yap n bat ve kuzeybat cephelerindedüzenlenen s k a açlar ve çal lar da istenmeyen ak amgüne inin yap içerisine girmesini engellemektedir.
ortam n yer kaplamas ve çimler de buhar ta yoluile so utma etkisine sahiptir. Asfalt gibi bünyesindedepolayan malzemeler, güne etkisini yitirdikten sonra da
cakl k yaymaya devam ederek gece nmalarartt rmaktad rlar. Yap lar n so utma enerji yükleriniazaltmak için yap n yak n çevresine depolayanmalzemelerin az kullan lmas veya bu tür malzemelerindo rudan gelen güne nlar na kar gölgelendirmeyap larak a nmalar engellemek gerekmektedir [9].
2.8. Enerji etkin malzeme seçilmesi
Yap larda dayan kl k ve di er performanslar ndan ödünvermemek ko ulu ile dü ük enerjili malzemelerin tercihedilmesi çevresel bir yakla m olmaktad r. Yapmalzemesinin enerji etkin olabilmesi için kendi ya amdöngüsünü olu turan her a amada enerjiyi az ve verimlikullanmas gerekmektedir. Hammaddesinin do adan eldeedili inden ba lay p, üretilmesi, ta nmas , kullan veyok edildikleri a amaya kadar süren bütün a amalarda,enerjiyi etkin kullanan yap malzemelerinin tercih edilmesi,yap lara enerji etkinli i sa lamaktad r [10].
2.9. Yerel malzeme kullan lmas
Hammaddenin üretim yerine, malzemelerin de yapalan na ta nmas s ras nda ortaya ç kan çevresorunlar n önlenmesi, ta ma enerjisinin azalt lmas ,ürünün kay p vermeden ta nmas , kirletici at klar nolu umunun engellenmesi için yerel ürünlerin kullanta ma mesafesinin k saltt için çevresel bir davranolmaktad r [11].
2.10.Yenilenebilir enerji kaynaklar n kullan lmas
Yenilenebilir enerji kaynaklar dünya üzerindeki bütüncanl larca kullan labilen ve sürekli yenilenmesi sayesindetükenmedi i kabul edilen enerji kaynaklar r. Bu türenerjilerin kullan lmas , di er enerji türlerine göre çevreyiçok daha az kirletmekte ve s rl kaynaklara olangereksinimi azaltmaktad r. Yap larda yenilenebilir enerjikullan , pasif ve aktif yöntemlerle güne ve rüzgârenerjisi kullan , toprak ve s cak su kaynakl jeotermalenerji kullan , hidrojen ve biokütle enerjisi kullaneklinde olmaktad r.
2.11.H zla yenilenebilir kaynaklardan elde edilenmalzemelerin kullan lmas
Do al ve yenilenebilir kaynaklardan elde edilmi olanmalzemeler, üretim sürecinde yapay malzemelere k yaslaçok daha az i lem gerektirdiklerinden enerji etkinli isa lamaktad rlar. Yap larda kullan lan ah ap, bambu, saz,saman, çavdar sap , ayçiçe i sap , mantar gibi bitkiselkaynakl malzemeler h zla yenilenebilir kaynaklardan eldeedilen do al malzemelerdir. Bu malzemeler hem daha azenerji ve i çilikle i lenebilirler hem de yerel olarak teminedilme olanaklar fazlad r. Yenilenebilir kaynak kullan ,
rl do al kaynak kullan azaltt için kaynakkorunumu gibi önemli bir ekolojik bir uygulamasay lmaktad r.
2.12.Geri kazan labilir malzemelerin kullan lmas
Kullan m ömürleri sonunda geri dönü türülebilen veyayeniden kullan labilen malzemelerin yap larda kullan lmasile yeni malzeme üretimi için gerekli hammaddedentasarruf sa lanmaktad r. Yap da kullan lan malzeme veelemanlar n çe itli nedenlerle kullan mlar sona erdiktensonra, geri dönü türülebilmeleri için sökülme, toplama,gruplama ve yeni bir ürün elde edilmesi gibi yeni i lemlergerekse de, bunlar n tekrar kullan lmas çok fazla çevreselyarar sa layacakt r [12]. Çünkü bir yap n gerikazan labilir malzemelerden olu mas ona, kaynaketkinli i, enerji etkinli i, kirlilikleri azaltmas gibi çok önemliçevresel özellikler katmaktad r.
2.13. Dayan kl yap ürünlerinin ve malzemelerininkullan lmas
Dayan kl ve uzun ömürlü yap lar n toplam çevresel etkilerigeni zaman dilimine yay laca için di er yap lar nçevresel etkilerine göre daha azd r. Yap larda dayan klmalzemelerin kullan lmas , onu çe itli etkenlere kar dahadirençli ve uzun ömürlü hale getirmektedir. Bu ise,bozulma ve eskimeden dolay malzeme yenilemegereksinimini geciktirece i veya ortadan kald raca için oyap ya kaynak etkinli i sa lamaktad r. Uzun sürekullan laca ve at k haline geli i uzun bir zaman alacaiçin kirlilikleri de azaltmaktad r. Dayan kl bir yap aynzamanda kullan m süresince daha az bak m onar mgerektirmekte, bu ekilde malzeme ve i çilikten tasarrufedilmektedir [10].
2.14. Geri kazan lm yap malzemelerinin vebile enlerinin yeniden kullan lmas
Yap n ömrünü tamamlamas veya i lev de tirmesiras nda kullan m ömrünü tamamlam yap malzemeleri
ve elemanlar n fazla zarar vermeden kullan ld klaryerden sökülüp çok az bir i lem uygulayarak tekrar ba kabir yap da kullan lmas yla do al kaynaklar korunmu vearazi doldurma üzerindeki bask lar azalt lm olur. Buamaçla yap larda kolayl kla sökülebilen ve yenidenkullan labilen malzemelerin seçilmesi o yap ya ekolojik birözellik kazand rmaktad r.
2.15. Su etkin tasar m
da verilen yöntemlerin uygulanmas yla, özellikle bazbölgelerde öncelikli sorunlardan olan su tüketimi azalmaktave yap daha ekolojik hale gelmektedir.
2208
Esin, T. ve Yüksek, .
-Yap içinde dü ük tüketimli tesisat ve araçlar n kullan :Suyu az kullanan musluk ve du ba klar veya susuztuvalet gibi araçlarla ve iyi tasarlanm tesisatla sutüketimini % 30 kadar azaltmak mümkün olmaktad r. Bu türuygulamalar, at k su üretimini de azaltarak alt yap yükünü,boru ve pompa maliyetini de dü ürmektedir 13 .—Ya mur sular n toplanarak kullan lmas : Ya mur suyutoplama sisteminin kurulmas yla, ek bir su kayna eldeedilmi olmaktad r. Bu ekilde toplanan sular içme suyu,sulama veya çe itli amaçlar için kullanma suyu olarakde erlendirilebilir. Bu yöntemin çevresel ve ekonomikyararlar d nda, yerle me bölgelerinde yo un yaoldu unda, sel ta nlar n ve alt yap yüklerininazalmas na da katk lar olmaktad r.—At k sular n dönü türülerek yeniden kullan lmas : Gri vesiyah su diye adland lan kullan m sonras at k sular ntoplanarak dönü türülmesi, iyile tirilmesi ve çe itliamaçlarla yeniden kullan da hem su tüketimini, hem dealt yap yükünü azaltan bir yöntem olmaktad r 14 .—Su etkin peyzaj tasar : Suyu verimli kullanan bir çevredüzeni yap n su etkinli ini önemli ekilde etkilemektedir.Çünkü baz konut alanlar ndaki bitkilerin bak içinkullan lan su miktar , yap da kullan lan toplam suyunyakla k % 50’ni kapsamaktad r 15 . Az su ve bak misteyen bitkilerle düzenlenen bir çevre tasar ve verimlibir sulama sistemiyle su tüketimi etkili bir ekildeazalt labilmektedir. Çevre düzeninde kullan lacak kaplamamalzemelerinin, ya mur sular n yer alt suyuna akengellemeyecek ekilde geçirimli malzemelerdenseçilmesi, suyun do al dola engellemeyerek suseviyelerinin korunmas na katk da bulunmaktad r.
2.16. Do al konturlar n korunmas
Baz yap malzemelerinin hammaddesinin do adan eldeedili i ve yap n araziye yerle tirilmesi s ras nda do alkonturlar bozulmakta ve ya am alanlar yok olmaktad r. Bunedenle hammaddenin çevresel de erlere zarar vermeyenyöntemlerle elde edilmesi önemli olmaktad r. Binatasarlan rken de arsan n yüzey ekli dikkate al narak, farkltopo rafik özellikteki arsalar için farkl mekânorganizasyonlar düzenlenmesi, yap arazi ko ullar nauyumlu biçimde zemine yerle tirilmesi, yap m a amas ndaen az düzeyde kaz yap lmas , do al konturlar nkorunmas sa lamaktad r.Tar ma elveri li olan verimli topraklarda ve biyolojikçe itlili in oldu u yerler ile ormanl k bölgelerde konutyerle iminden kaç lmas , yap n in a edilece i alan nazalt lmas , otomobillerin ve park alanlar n azalt lmas ,topra a verilen zarar n en az seviyede tutulmas , yürümeyolunda sürekli bir yol yerine sadece bas lacak yerlerinyap lmas arazinin korunmas için uygun yöntemlerolmaktad r 16 .
2.17. Flora ve faunan n korunmasYap çevresinde yer alan do al peyzaj, o alan n sahipoldu u e ime, yöne, hâkim rüzgâra ve bölgenin iklimineba olarak olu mu tur. Bunlara müdahale edildi indedo al denge bozulma sürecine girer. Bu durum zamanlatoprak kayb na, iklimsel bozulmalara ve bitki ve hayvantürlerinin kayb na neden olabilir. Bu sebeple tasar mbölgesindeki mevcut bitki örtüsünü mümkün oldu uncakorumak ve bunlardan yap içi iklimlendirmedeyararlanmak çevresel bir uygulama olmaktad r. Küme veyabiti ik nizam eklinde tasarlanan yap lar tek yap lara göreaç k alanlar ve yaban hayat daha fazla korumaktad r.
Çünkü bu tür tasar mlarla yollar ve servis alanlarsalmakta ve yap daha az alana oturmaktad r. Özellikle
sulak alanlar gibi hassas bölgelerde bu tür tasar mlar tercihedilmelidir 17 .
2.17. Yap içi konfor ko ullar n sa lanmas
Kullan lar n fiziksel-zihinsel sa klar n veperformanslar n istenilen düzeyde olabilmesi için,ya amlar n büyük bölümünü geçirdikleri yap larda yeterlikonfor ko ullar n sa lanmas gerekir. Uygun konforko ullar n sa lanmad durumlarda yap kullan lar ndaçe itli sa k sorunlar ortaya ç kmaktad r. Ekolojik yap larda yap içinde insan sa için uygun ortama ve konforko ullar na sahip yap lard r. Yap içinde gerçekle mesigereken konfor ko ullar sal, görsel ve i itsel konforko ullar ile iç hava kalitesidir.
3. Ekolojik Yap Örnekleri
Yukar daki bölümlerde özetlenen ekolojik yap la makriterleri çok fazlad r ve bunlar n hepsinin / ço unun birliktebir yap da uygulanmas mümkün de ildir. Bu nedenleyap n gerçekle ece i bölgeyle ilgili öncelikler belirlenerekuygun ekolojik tasar m kararlar al nmal r. Bu bölümdeülkemizde bulunan ekolojik özelliklere sahip iki yap örne isunulmaktad r.
3.1. Meydan Al veri Merkezi
15 A ustos 2007 tarihinde stanbul’un Anadolu yakas nda,Ümraniye’de hizmete aç lan ve baz ekolojik özellikleresahip “Meydan Al veri Merkezi”’nin mimari tasarmerkezi Londra’da bulunan Foreign Office Architects’(FOA) taraf ndan, in aas ise merkezi Almanya’da bulunan“Metro Group Asset Management” taraf ndan yap lm r.Bu yap , içerisinde al veri ve e lencenin birlikteyap labilece i bir merkez niteli ine olup, sinema salonlar ,ye il alanlar ve sosyal aktivitelere uygun hacimleribulunmaktad r ( ekil 1) 18 .
ekil 1. Meydan al veri merkezinin genel görünümü 19 .
Al veri merkezi, çevresindeki yo un yap la ma aras ndaye il bir alan görünümü veren bir çat ya sahiptir. Bu çatüzerinde yer alan rampa ve merdivenlerden olu an yayayollar ile de belli yerlerde meydana ak bir geçisa lanmaktad r ( ekil 2).
2209
Esin, T. ve Yüksek, .
ekil 2. Çat ile ba lant sa layan yaya yollar 20 .
Yap n sahip oldu u ekolojik özellikler unlard r;Enerji Korunumu: Meydan Al veri Merkezi’nin enönemli ekolojik özelli i, jeotermal enerjiyi yani fosilkaynaklar yerine yenilenebilir bir enerji kayna kullananbir tma/so utma sistemine sahip olmas r. Bu ekildetükenebilir enerji kaynaklar na olan gereksinimiazalmaktad r. Jeotermal sistemler nma veya elektrikelde etmek için yeryüzünün s cakl kullan r. Yerin
n yüzeye ula mas için, toprak zeminde 228 adet yersondaj yap lm r. 70 metreden 150 metreye kadarderinlikteki sondajlarda de tirici görevi gören Uborular kullan lm r. Toplam 19 kilometre uzunlu undakibu borular, iletimi için kullan lm r. Böyle bir tma-so utma sistemi kullan lmakla ayn zamanda enerjiverimlili i, maliyet ekonomisi, ba ms z tma-so utmaimkân ve konfor aç ndan da yararlar sa lanmaktad r.Burada uygulanan ye il çat uygulamas , ayn zamandaüzerine dü en güne n tmas önleyerek yap nso utma enerji yükünü azaltmaktad r.Meydan Al veri Merkezinde, gereksinim duyulanenerjinin üçte ikisi bedel ödenerek, üçte biri ise bedelsizolarak termal enerji verimli ekilde de erlendirilerekkar lanmaktad r. Sistem klasik tma-so utma sistemleriile aras ndaki ilk yat m maliyet fark , verimli çal massayesinde, 3 - 6 y l içinde amorti edebilmektedir.Ayd nlatmada, mekânlar n ortadaki meydana bakmasnedeniyle gün ndan yararlan lmakta ve yapayayd nlatmaya olan gereksinim azalmaktad r. Bu durum iseenerji etkinli sa layan önemli bir özelliktir.At klar azaltmas : Yap da kullan lan jeotermal sistemi,
lda 1,3 milyon kilowatt saat primer enerji tasarruf etmekteve bu yolla y lda yakla k 350 tonluk karbondioksitindo aya verilmesini önlenmektedir 18, 19 . MeydanAl veri Merkezinin bir di er önemli ekolojik özelli i,burada olu an at klar n geri dönü türmeleridir (recycling).Bu ekilde do aya b rak lan kat ve gaz at klar azald içinyap ekolojik özellik kazanmaktad r.
3.2. RMI-Türkiye (Dr. Robert Murjahn EnstitüsüBilimsel Ara rma Merkezi)
RMI-Türkiye binas 23 Kas m 2007 tarihinde GebzeOrganize Sanayi Bölgesinde, Türkiye kaplama- yal msistemlerinin performans ve dayan kl yla ilgili ara rma,geli tirme ve test faaliyetlerinin yürütülece i bir merkezolarak aç lm r. Proje tasar ve yönetimi “Efekta
Mimarl k” taraf ndan yap lan bina, Avrupa Komisyonu,Ortak Ara rma Merkezi (JRC), Yenilenebilir EnerjiBölümü taraf ndan Türkiye’de Ye il Bina statüsü verilen ilkbinad r 21, 22 .
ekil 3. RMI Türkiye binas 23 .
Bu yap n en önemli ekolojik özelli i enerji korunumusa lamas r. Bu ekilde ayn zamanda enerji kullannedeniyle atmosfere b rak lan kirleticiler de önlenmektedir.Bu yap ya enerji korunumu sa layan yöntemler unlard r21, 22 ;
Is yal yap lmas : Yap n tma ve so utma enerjigereksinimini azaltmak amac yla, d duvarlarda kay plar önlemek için etkili bir yal (8 cmkal nl nda karbon takviyeli yal m levhalar ile)uygulanm rYenilenebilir enerji kayna kullan : Yap yayerle tirilen toprak kaynakl pompas , yap n tma veso utma enerji ihtiyac kar lamak için kullan lm r. Sözkonusu dikey kapal sistem, toprakta aç lm her biri 100metre derine inen 22 adet dar sondaj kuyusundanolu makta ve aç lan bu kuyular içerisinden toplam 15 kmuzunlu unda yüksek yo unluklu polietilen boru geçirilerek
iletim devreleri olu turulmaktad r. Bu devreleriçerisinden geçirilen su, binan n içersine yerle tirilmibulunan 27 adet toprak kaynakl pompas nagönderilirken, pompalar vas tas ile istenilen tma veso utma i lemi gerçekle tirilmektedir. Bu sistem ile RMI –Türkiye binas y lda yakla k 40 ton CO2 ‘in atmosfereverilmesini önlemektedir.Do al ayd nlatmadan faydalan lmas : 190 m2 alanasahip, yani yap n taban alan n dörtte biri büyüklükte biralandan aç lan 2 adet çat penceresi (skylight) sayesinde,2 holün ayd nlatma enerjisinin ço unlu u kar lanmaktad r
ekil 4). Bu aç kl klarda özel olarak geli tirilmi hücreli tippolikarbonat malzemeler kullan larak, güne in k lötesiradyasyonundan kaynaklanan tma etkisi en altseviyelere dü ürülmektedir.Gün ayd nlatmas : Yap , içerisinde do al gün
n zay f oldu u mekânlarda (ofis ve merdivenbo lu u) gün ndan daha fazla faydalan labilmesiamac na yönelik olarak özel bir sistem uygulamas nagidilmi ve do al gün yap n teras ndan özel birreflektör vas tas ile toplanarak yans ve ta bir tüpeverilerek, bu tüp vas tas ile gün istenilen noktayailetilmi tir. letim noktalar nda tüp a na tak lan özel birdifüzör vas tas ile gün n mekâna yay lmassa lanmaktad r. Böylelikle gün alamayan mekânlar n
2210
Esin, T. ve Yüksek, .
hem do al enerji kayna kullan larak ayd nlat lmassa lanm , hem de enerji tasarrufunda bulunulmu tur.
ekil 4. Çat penceresinin içten görünümü [24]
Do al Havaland rma: Yap n do al hava giri i, havadan-havaya de imi (air-to-air) sayesindegerçekle mektedir. Bu ünite, yap dan ç kan kirli hava ileyap ya giri i sa lanan taze hava aras nda enerji transferisa layarak, tma ve so utma enerji giderleriniazaltmaktad r.
7. Sonuç
Çevre sorunlar n olumsuz sonuçlar günümüzde gittikçedaha fazla hissedilmekte, yap lar da çe itli a amalarda buduruma katk da bulunmaktad r. Bu sorunu azaltacakyakla mlar, mimari tasar mlar sürdürülebilir, çevre dostuekolojik yap lara do ru yönlendirmektedir. Bu nedenleçevre bilinci geli mi ülkelerde çevresel etkisi az olan yaptasar mlar na öncelik verilmektedir. Ekolojik tasar myöntemlerinin uyguland çevre dostu tasar mlar ilkuygulama a amas nda az veya hiç ek maliyetgetirmemektedir. Buna kar k daha sonraki ya amdöngüsü boyunca birçok çevresel ve ekonomik kazançlarsa lanmaktad r. Günümüzde böyle bir konutun yapmaliyeti, geleneksel binan n en fazla % 10’u oran nda dahafazlad r. Bu konuda yeterli geli melerin olmas içintasar mc lardan kullan lara kadar yap sal faaliyetlerle ilgiliher kesimin bilinçlenmesi, ayn zamanda çe itli te viklerinve düzenlemelerin olmas gerekmektedir. Konuya sadecefayda/maliyet aç ndan de il, çevre merkezli bir bakaç yla da bakmak gerekir. Sürdürülebilir bir ya am içindevlet politikalar geli tirilmeli, bilinçlenme için çevre dostuyakla mlar ilkö retimden itibaren e itim sürecinegirmelidir. Ekolojik yap la ma çe itli kolayl klar sa lanarak(Yenilenebilir enerji kaynaklar n üretilmesinde kullan lanekipmanlar n vergilerinin indirilmesi, ekolojik özellikleresahip yap lardan daha dü ük ruhsat, emlak ve çöp vergisial nmas , ekolojik yap malzemesi üreticilerine te viklersa lanmas gibi) desteklenmelidir. Bu do rultuda ekolojikyap la ma konusunda belli seviyeye gelmi ülkelerdekistandart, yasa, yönetmelik uygulamalar incelenmelidir.
Kaynaklar
[1] Roodman, D. M. and Lenssen N., Building Revolution:How Ecology and Health Concerns Are TransformingConstruction, Worldwatch Enstitüsü, WorldwatchPaper 124 A,1995.
[2] Nikolic V., Bau und energie, Bauliche Maßnahmen zurverstärkten Sonnenenergienutzung im Wohnungsbau,Herausgeber: Der Bundesminister für Forschung undTechnologie, Verlag TÜV. Rheinland, Köln,Deutschland, 1983.
[3] Lechner, N., Heating, Cooling, Lighting DesignMethods for Architects, John Wiley & Sons, Canada,1991.
[4] Göksal, T., ve Özbalta, N., Enerji Korunumunda Dü ükEnerjili Bina Tasar mlar , Mühendis ve Makina Dergisi,Say : 506, Ankara, 2002.
[5] Y lmaz, Z., Ak ll Binalar ve Yenilenebilir Enerji,Tasar m Dergisi, 157. Say , Sayfa: 100-104, stanbul,2005.
[6] Ye ilkaya, C., Do al Klimal Evler, Bilim TeknikDergisi, Temmuz 2005 Say , Sayfa: 74, Ankara,2005.
[7] Olgyay, V. Design with Climate Princeton universitypress, Princeton, new jersey, 1969.
[8] Esin, T., Yap larda Etkin Enerji Kullan –Sürdürülebilir Yap la ma çin Öneriler, TeknolojilerSempozyumu, Bildiri Kitab , Sayfa: 393-404, 2001.
[9] SBS, Landscaping For Energy Saving, SustainableBuilding Sourcebook Web Version, available at 2008.
[10] Esin, T., Sürdürülebilir Yap la ma çin Uygun MalzemeSeçimi, Yap Dergisi, Say : 291, Sayfa: 83 – 86,stanbul, 2006.
[11] Yalç nkaya, A., Yap Malzemesi ve Çevre Etkile imi,TÜ, FBE, YL Tezi, Dan man: Doç. Dr. Mustafa
Karagüler, stanbul, 1995.[12] Gao, W., Ariyama, T., Ojiyama, T., Meier, A., Energy
Impacts of Recycling Disassembly Material inResidential Building, Energy and Building,33, pp. 553-562, 2001.
[13] Scott D. J., The economic case for High performancebuildings, Corparate Environmental Strategy 7, 350-361, 2000.
[14] Sustainable Building Sourcebook Graywater.www.greenbuilder.com/sourcebook/Greywater.html
[15] http://sustainable.state.fl.us/fdi/edesign/news/9607[16] Karaosman, S. K., Geleneksel Yerle melere Yönelik
Bir Ekolojik De erlendirme Model Önerisi znik GölüÇevresi Köy Evleri, M.S.G.S.Ü. F.B.E. Mimarl kAnabilim Dal , Doktora Tezi, Dan man: Prof. Dr.Fehmi K l, stanbul, 2004.
BARAJ VE H DROELEKTR K SANTRALLER N (HES) ÇEVRESELETK LER N ANAL : ILISU BARAJI ÖRNE
THE ANALYSIS OF ENVIRONMENTAL IMPACTS OF DAMS ANDHYDROELECTRIC POWER PLANTS (HEPP): SAMPLE OF ILISU DAM
ur AKKAYAa, *, Arzuhan Burcu GÜLTEK N b , Çi dem Belgin D KMENc, Gökhan DURMU d
a*Gazi Üniversitesi, Teknik E itim Fakültesi, Yap E itimi Böl., Ankara, Türkiye, E-Posta: [email protected] Üniversitesi, Teknik E itim Fakültesi, Yap E itimi Böl., Ankara, Türkiye, E-Posta: [email protected]
cBozok Üniversitesi, Mühendislik Mimarl k Fakültesi, Mimarl k Böl., Yozgat, Türkiye, E-Posta: [email protected]*Gazi Üniversitesi, Teknik E itim Fakültesi, Yap E itimi Böl., Ankara, Türkiye, E-Posta: [email protected]
Özet
Barajlar, insanl k tarihi kadar eskidir. nsano lu içme suyuve sulama gereksinimlerini diledi i zaman ve yerdekar layabilmek amac yla barajlar in a etmi tir.Günümüzde Türkiye’de içme suyu ve sulama gereksinimi
nda enerji üretimi için de barajlar in a edilmektedir.Barajlar, bölgesel ve küresel ölçekte olumsuz çevreseletkilere sebep olmaktad r. Barajlar n sebep oldu uçevresel etkiler türlerin ve do al ya am ortamlar n yokolmas , deltalar n erimesi, yeralt sular n azalmas , do algöllerin kurumas , fiziksel ve biyolojik çevrenin etkilenmesi,ekonomik verimsizlik, sosyo-ekonomik bozulma gibisonuçlar do urur. Bu bildiride baraj ve hidroelektriksantrallerin (HES) bölgesel ölçekte sebep olduklarçevresel etkiler, Il su Baraj örne inde analiz edilmektedir.
Anahtar kelimeler: Barajlar, hidroelektrik santraller(HES), çevresel etki de erlendirmesi (ÇED), Il su baraj
Abstract
Dams are as old as history of civilization. Human beinghad constructed dams in order to answer the necessity ofsupplying drinking water and irrigation whenever andwherever he wants. Nowadays, in Turkey dams are beingconstructed not only to supply drinking water and irrigationbut also for energy production.Dams cause environmentalimpacts in regional and global scale. The impacts thatdams cause lead to some results such as disappearinghabitat and species, melting deltas, decreasing groundwater, drying natural lakes, influencing physical andbiological environment, economical unproductiveness,socio-economic degeneracy. In this proceeding,environmental impacts of dams and hydroelectric powerplants (HEPP) in regional scale are analysed in theexample of Il su Dam.
Keywords: Dams, hydroelectrik power plants (HEPP),environmental impact assessment (EIA), Il su Dam
1. Giri
“Baraj” suyu toplama, sulama ve elektrik üretme amac ylaakarsular üzerine yap lan bent olarak tan mlanmaktad r [1].Barajlar su gereksinimini kar lamak amac ylakullan lmakta, selleri azaltarak veya önleyerek mevsimleregöre düzensiz da lan su kaynaklar n verimlikullan lmas sa lar.
Su kaynaklar n korunumu projeleri kapsam nda barajlarsu temini, sulama, ta n kontrolü, hidroelektrik enerjiüretimi, ula m, e lence, kirlilik azal , endüstrigereksinimi, bal kç k, faunan n korunumu, tuzlulukkontrolü ve yeralt sular n beslenmesi gibi amaçlarayönelik olarak in a edilir [2]. Bu amaçlara ula mak için suak n düzenli ve kontrollü olmas gere i, baraj göllerininve baraj yap lar n yarat lmas n en önemli sebebidir.Mevsimlere ve y llara göre de en ya miktarlar veenerji üretimimin önemi dikkate al nd nda, Türkiye’ninakarsular üzerinde kullan m suyu ve enerji temini içinkaplam olduklar geni tar msal ve ormanl k alanlarara men baraj ve hidroelektrik santrallerin (HES) in askaç lmaz görünmektedir.
Baraj yap lar n in a edilmesinin sebeplerinden biri deenerji üretimidir. Dünya elektri inin be te biri barajlardansa lanmaktad r [3]. Dünya üzerindeki barajlar n ço uhidroelektrik enerji üretimi için kullan lmaktad r. Barajlar nhidroelektrik enerji üretimi amac yla kullan 1890’larakadar uzanmaktad r. 1900’lü y llarda ise dünya üzerindeyüzlerce baraj mevcuttur. Günümüzde 150 ülkedekullan lan hidroelektrik santraller, dünya toplam enerjigereksiniminin % 19’unu kar lamaktad r [4]. Dünyahidroelektrik enerji üretiminin % 50’si ABD, Brezilya, Çin,Kanada ve Rusya taraf ndan üretilmektedir. Dünya elektrikenerjisinin be te biri ve dünya ülkelerinin üçte birininelektrik gereksinimi % 50 HES yap lar ndankar lanmaktad r. Dünyada 24 ülkede toplam ulusalelektri in % 90’ n ve 63 ülkede % 50’sinin hidroelektriksantrallerden elde ediliyor olmas bu yap lar n enerjisa lamada önemini göstermektedir [2].
Günümüzde dünya nüfusundaki art , tükenebilir birkaynak olarak suyun korunumu ve her geçen gün artanenerji gereksinimi mevcut baraj ve HES’lerin yan s ra yenibaraj ve HES’lerin yap da gündeme getirmektedir.Ucuz ve yenilenebilir enerji sa lamalar nedeniyleülkemizde de baraj ve HES’ler kullan lmakta ve buyap lar n say her geçen gün artmaktad r. Ülkemizdebaraj ve hidroelektrik santrallerin planlanmas ve in asDevlet Su leri (DS ), Elektrik leri Etüt daresi (E )denetiminde ve özel sektör taraf ndan yürütülmektedir.Türkiye’de HES’lerin durumu, bu yap lardan elde edilecekelektrik üretimi ekil 1’ de ve bu potansiyelin projeseviyelerine göre da ise ekil 2’ de ifade edilmektedir[6].
Akkaya, U a., Gültekin A. B, b. Dikmen Ç. B.c ve Durmu G.d
AHAL NDE
14351 GWh (% 11)
YILLIK ORTALAMA ENERJ ÜRET : 129 454 GWh
PROJESEV YES NDE
69173 GWh(% 53)
LETMEDE45930 GWh
(% 36)
ekil 1. Hidroelektrik enerji potansiyelinin geli me durumu- ubat 2007 [6]
TÜRK YE H DROELEKTR K ENERJ POTANS YEL NPROJE SEV YELER NE GÖRE DA ILIMI ( UBAT-2007 )
TOPLAM ÜRET M 129 454 GWh
45930 GWh (%36) LETMEDE
14351 GWh (%11) A HAL NDE 6919 GWh (%5)
KES N PROJESHAZIR
18280 GWh (%14)MASTER PLANI HAZIR
26415 GWh (%20) PLANLAMASI
(F TES ) HAZIR
17559 GWh (%14)LK ETÜDÜ HAZIR
ekil 2.Türkiye hidroelektrik enerji potansiyelinin projeseviyelerine göre da - ubat 2007 [6]
Baraj ve HES projelerinin say sal çoklu una kar n ilkyat m maliyeti yüksek olan bu yap lara d kredi teminetmekte güçlükler ya anmaktad r. Özellikle HES’ler büyüksermaye ve teknik alt yap gerektirmektedir. Bu nedenleHES’lerin büyük bölümü gerçekle tirilememektedir. DS ve
gibi kurumlar baraj ve HES’lerin çevresel, toplumsalve ekonomik aç dan uygulanabilir olmas sa lamakzorundad r [7]. “Yenilenebilir Enerji Kanunu” [8]kapsam nda kalan HES’lere ili kin projelerin önündeki enbüyük engel, HES’lerin gerçek maliyetlerininbilinememesidir. Ayr ca baraj ve HES’ler kapsam ndayürütülen çevre politikalar n uygulamas nda belirsizliklerbulunmaktad r. “Çevresel Etki De erlendirmesi”’nin (ÇED)uygulanmaya ba lad tarihten önce projelendirilen bazbaraj ve HES’ler ÇED uygulamas ndan muaf tutulmaktad r.Olumsuz çevresel etkilere neden olan baraj ve HES’lerinÇED’den muaf tutulmas tart malara neden olmaktad r.
2. Baraj ve HES’ler için Çevre Politikalar
Baraj ve HES’ler su ve enerji gereksinimini kar lamaklabirlikte yap ld klar alanda olumsuz çevresel etkilere desebep olmaktad r. Bu nedenle, son y llarda tart lantoplumsal ve çevresel konular aras nda, baraj ve HES’lerönemli bir yer tutmaktad r. 1972 y nda Stockholm’deyap lan Birle mi Milletler nsan Çevresi Konferans ’ndansonra baraj güvenli ini dikkate alan ilk baraj projesi, 1977
nda Dünya Bankas taraf ndan kabul edilmi tir [31].1980’li y llarda Dünya Bankas , barajlar n ve sukaynaklar n toplumsal ve çevresel boyutlar ele alanpolitikas ve ana hatlar geli tirmi tir. Buna ba olarakÇED, toplumsal ve çevresel etkilerin i aret edilmesinde
kullan lan ba ca ölçü olmu ve geli mekte olan pek çokülkede 1980 ve 1990’l y llarda onaylanm r [31]. 1992
nda Brezilya’n n Rio de Janerio ehrindegerçekle tirilen Dünya Zirvesi bütün ülkeler için sa kl birçevre ile ekonomik geli im aras ndaki ba n kurulmassa lam r. Bu zirve sonucunda 177 ülke BiyolojikÇe itlilik Anla mas ’n onaylayarak kabul etmi tir [5]. Buçerçevede insano lunun ve di er canl lar n ya amlarnitelikli bir ekilde sürdürebilmesi için akarsu havzalar ndaekosistemin korunmas ve bu bölgelerin restorasyonugerekli görülmektedir.
ÇED i leminin amac bilgiye dayal kararlar n üretilmesidir.ÇED, baraj ve HES’lerin olumsuz çevresel etkilerini yokederek, azaltarak veya kabul edilebilir s rlaraindirgeyerek projeleri çevre aç ndan slah edebilir. ÇED,tasar mc lara çevre sorunlar zaman nda ve etkili birekilde gösterir. Çevresel etkilerin azalt lmas veya bu
etkilerden kaç nman n yollar proje kapsam ndade erlendirilebilece i gibi, önerilecek alternatif projelerlede desteklenebilir. Çevre konular n planlama
amas nda tan mlanmas ve çözülmesi proje maliyetinidaha sonra ç kabilecek çevresel sorunlar önleme yoluylaazaltmaktad r [9].
Baraj ve HES’lerin ÇED raporlar , bu yap lar n akarsulardasebep olaca olumsuz çevresel etkilerden kaç nmaya veakarsu entegrasyonuna öncelik vermelidir. ÇED, projeninplanlama evresinde çevre konusunda uzman bir ekiptaraf ndan yap lmal r. Planlama ekibi, ekonomik vemühendislik ölçütlerin yan s ra, ekosistem ve toplumsalsa k gibi çevresel etkileri de dü ünmeli, karar vericiler bukapsamda hareket etmelidir. Baraj ve HES’lerin yap içinen uygun alan belirlemek ve projelendirmek baraj veHES’lerin olumsuz etkilerinden kaç nmak öncelikli amaçt r.Akarsu a (mansap) ekosistemleri ve topluluklar içingereksinilen su ak lmak suretiyle baraj n yap lacaakarsu a korunabilir [31].
3. Baraj ve HES’lerin Çevresel Etkilerinin Analizi
Baraj ve HES’lerin in as , su ve elektrik gereksinimininkar lanmas için etkili bir yol olarak görülmekle birlikte, buyap lar toplumsal, çevresel ve ekonomik anlamdabedellerin ödenmesine de yol açmaktad r. Barajlar üzerineyap lan görü meler, sivil toplumun sürdürülebilir geli mekonusunda isteklerini, barajlar n çevresel etkilerini vefinansal kaynaklar n bulunabilirli ini içermektedir. Küreselve bölgesel ara rmalar baraj ve HES’ler ile ilgili sorunlarvurgulamaktad r. Ülkemizde yer alan barajlar n veHES’lerin yerel ve bölgesel ölçekte sebep oldu u olumsuzçevresel etkiler öyle s ralanabilir:
3.1. Türlerin ve Do al Ya am Ortamlar n Yok olmas
Barajlar, konum ve boyutlar na göre akarsular n do al akve yap de tirir. Bu durum su kalitesinin bozulmas ,canl lar n ya am alanlar n tehlike alt na girmesi ve pekçok canl türünün yok olmas gibi ciddi sorunlar gündemegetirmektedir [10]. Do a Derne i ve Atlas dergileri,Türkiye’deki az bulunan ve tehlike alt ndaki canl türlerininya ad 266 önemli do a alan belirlemi tir [11, 12].Planlanan bütün baraj ve HES’lerin uygulanmas halinde,bu alanlarda ya ayan nadir canl lar n önemli bir k sm nnesli geri dönü ü olmayacak biçimde tükenecektir.
2213
Akkaya, U a., Gültekin A. B, b. Dikmen Ç. B.c ve Durmu G.d
3.2. Deltalar n Erimesi
Baraj yap nda temel hedef, akarsular gibi do an n endinamik ve üretken sistemlerinden yararlanarak onlardansulama, içme suyu ve enerji üretimi gibi gerekçelerle enyüksek yarar elde etmektir. Barajlar n in as ile akarsular
lardaki deltalar na tortu ta yamamakta ve deltalar nlar zamanla denizlere teslim olmaktad r. Tortulara
ba olarak ta nan besin maddeleri de barajlardatutuldu undan, deltalardaki ve denizlerdeki canl laraula amamaktad r. Barajlar, suyun a nd etkisiyle tar mfaaliyetleri ba ta olmak üzere deltadaki tüm geçimkaynaklar tehdit etmektedir [13].
3.3. Yeralt Sular n Azalmas ve Do al GöllerinKurumas
Sulak alanlar yeryüzünün en zengin ve üretkenekosistemleridir. Yeryüzünde ba ka hiçbir ekosistemlekar la lamayacak ölçüde bulunduklar yere ve buradaya ayan insan topluluklar na hizmet veren bu alanlar,tropik ormanlardan sonra biyolojik çe itlili in en yüksekoldu u ekosistemlerdir [14]. Su kaynaklar k tl olankapal havzalardaki akarsularda in a edilen barajlar, suyuhavzan n irtifas yüksek noktalar nda tutarak, havzan n
kesimlerine olan su ak azaltmaktad r. Budurumda, havzan n orta kesimindeki yeralt sular aderecede azalmakta ve baz durumlarda havzalardakigöller tümüyle kurumaktad r. Ülkemizde son 40 y liçerisinde yakla k 1,3 milyon hektar sulak alan ekolojik veekonomik özelli ini yitirmi tir. Türkiye’deki toplam sulakalanlar n 2,5 milyon hektar oldu u dü ünüldü ünde son 40
lda sulak alanlar n yar kaybetti imizi söylememizyanl olmayacakt r [15].
3.4. Ekonomik Verimsizlik
Baraj projeleri ço u zaman hesaplanan n üzerinde birmaliyetle tamamlan r. Buna ek olarak hidroelektriksantrallerden elde edilen ekonomik gelirin de ço u zamantahmin edilenin alt nda oldu u bilinmektedir [5]. Barajsahas alt nda kalan alandan elde edilen ekonomik gelir,proje a amalar nda ço u zaman göz ard edilmektedir.
aat n tamamlanmas yla birlikte su toplama alan nda yeralan birinci s f tar m arazileri ve ta n ovalar geridönü ü olmayacak biçimde kaybedilmektedir. Benzeriekonomik kay plar sadece baraj sahas üzerinde de il,baraj n alt nda kalan akarsu boyunca da ya anmaktad r.Özellikle yeralt sular ndaki azalma, barajlar n akesimindeki tar m alanlar nda verim kayb na nedenolmaktad r. Baz alanlarda ise saz kesimi, bal kç k gibifaaliyetler tümüyle ortadan kalkmaktad r. Birle miMilletlere ait 2003 tarihli “Dünya Su Geli im Raporu”nagöre dünyan n en büyük 227 nehrinin yüzde 60' ndabarajlar ve türevleri dolay yla do al bütünlük bozulmu ,bu durum tatl su kaynaklar n ar ve korunmas ndahayati öneme sahip olan ekosistemlere zarar vermi tir [4].
3.5. Sosyo-Ekonomik Bozulma
Baraj sahas nda ya ayan insanlar, in aat n ba lamas ylabirlikte ba ka alanlara göç etmekte ve bu bölgeler önemlisosyo-ekonomik sorunlar n parças olmaktad r. Gelenekselya am biçiminin ortadan kalkmas yla, barajdan etkilenentopluluklar ço unlukla kentsel alanlara ta nmakta veta nd klar bölgedeki [5] ya am ko ullar na uyum
sa lamakta zorluk çekmektedir. Ayr ca, ta lan bölgeninta ma kapasitesi ve altyap n yetersiz oldu udurumlarda, bölgenin yerli halk yla barajdan etkilenenleraras nda sosyal çat malar olu maktad r. Barajlarnedeniyle yer de tiren topluluklar n kar kar ya oldu usorunlardan biri de k rsal ya ama dair geleneksel bilgininkayb r. Dünya akarsular n % 60’ üstüne yap lanbarajlar ve regülâtörler nedeniyle 40 - 80 milyon nüfusunya am alan istimlâk edilmekte ve bu ya am alanlar ndakinüfus göç etmektedir [2]. Göçe mecbur kalan nüfusaödenmesi gereken kamula rma bedeli ise ço u zamanödenmemekte veya yeterli olmamaktad r. Barajlar büyükta nlar önlemekte yetersiz kalmakta, ancak ola an y ll kta nlar durdurabilmektedir [4]. Barajlar n ta nlardurdurabilece ine inanan insanlar sel yataklar ndayerle im birimleri kurmaktad r. Beklenmeyen bir ta ngeldi inde u ran lan zarar, ço u zaman baraj yap lmadanmeydana gelebilecek bir ta n verece i zarardan fazlaolmakta ve burada ya ayan nüfus olumsuzetkilenmektedir. Baraj yap bu etkilerden ba ka, masrafldrenaj sistemleri gerektirmektedir [5].
3.6. Fiziksel Çevrenin Etkilenmesi
Haznelerin su geli tirme projeleri ço u ekosistemdede ikli e yol açmaktad r. Bu kapsamda ba cade iklikler akarsu ak düzeninin de mesi, barajhaznelerinin büyük alanlar su alt nda b rakmas , yeraltseviyesinin yükselmesi, topra n tuzlanmas ve haznedetutulan milin etkisiyle barajdan b rak lan temiz suyunakarsu yatak ve k lar nda a erozyona neden olmasgibi sak ncalard r [5]. Baraj haznelerinin kaplad alanlartarihi yap lar n, tar m arazilerinin ve fiziki güzelliklerin geridönü ü olmayacak ekilde yok olmas na nedenolmaktad r.
3.7. Biyolojik Çevrenin Etkilenmesi
Sulama amac da içeren geli tirme projelerinin en önemlisonucu, su kaynakl hastal klar n yayg nla mas r.Sulama sistemleri parazit ve humma, ci er trematodu,
tma gibi hastal klar yapan canl lar için uygun bir ortamolu turmakta ve bu ortam milyonlarca insan ve hayvanetkilemektedir. Günümüzdeki modern sulama sistemlerigeli tirilmeden önce mevsimsel ya lara ba tar myap ld ndan, sümüklüböcek-sistosom paraziti ve insanaras nda belirli bir denge vard r ve hastal a yakalanmaoran dü üktür. Sümüklüböcekler ya mur mevsimindeartarak insan ve parazitler aras ndaki temas sa lamakta,kuru süreçte enfeksiyon görülmemektedir. Oysa sulamaprojelerinin gerçekle mesinden sonra sümüklüböcek içinya am ortam uygun hale gelmi ve sümüklüböcekpopülâsyonunda art olmu tur. Günümüzde su geli tirmeve sistosomiya aras ndaki ili ki, dünyada birçok ülkedeyap lan ara rmalarla gözlenmektedir. Baz durumlardasulama amac yla uygulanan su geli tirme projeleri, toplambesin maddesi üretimini azaltacak sorunlar ortaya
karmaktad r. Bu sorunlar tuzluluk ve alkalinler yüzündentoprak veriminin azalmas na ve verimli tar m arazilerininkaybedilmesine sebep olmaktad r [5].
4. Il su Baraj ve HES’nin Çevresel EtkilerininAnalizi
Güneydo u Anadolu Projesi (GAP) kapsam nda Diclenehri üzerinde in a edilecek Il su baraj ve HES’nin Atatürk
2214
Akkaya, U a., Gültekin A. B, b. Dikmen Ç. B.c ve Durmu G.d
Baraj ’ndan sonra Türkiye’nin gövde büyüklü ü yönündenikinci ve üretece i enerji aç ndan dördüncü büyük barajolmas öngörülmektedir. Temelden 135 m. yüksekli e ve43.79 milyon m3 dolgu hacmine sahip proje kapsam ndabaraj gölüne 11 milyar m3 su depolanacakt r. Baraj ntamamlanmas ile y lda ortalama 3 833 GWh elektriküretilmesi hedeflenmektedir. Elektrik üretiminin yan s raIl su baraj nda regüle edilen ve daha sonra in a edilecekCizre Baraj ’na b rak lacak sularla yakla k 121 hektar alanmodern sulama teknikleriyle sulanabilecektir [16].
Il su baraj n tasarlanmas na 1954 y nda DS taraf ndanba lanm r. 1971 y nda bölgede yap lan ara rmalar ntamamlanmas takiben, 1982 y nda baraj tasar nayönelik projeler haz rlanm ve proje 1988 y nda yat mprogram na al nm r. Ayn y l Eski Eserler ve MüzelerGenel Müdürlü ü, baraj n 1. derece arkeolojik sit alan olanbölgeye geri dönü ü olmayacak biçimde zarar verece igerekçesiyle DS ’yi uyarm ve projenin yeniden gözdengeçirilmesini istemi tir. 1989 y nda ODTÜ, Türk veyabanc arkeologlar n kat yla baraj sahas nda yap lanara rmalar ve kaz çal malar bölgede ba ta Hasankeyfolmak üzere yakla k 40 höyü ün etkilenece ini ortayakoymu tur [17].
1997 y nda projeyi gerçekle tirmek amac yla Türkiye ilesviçre, Avusturya, ngiltere, talya ve sveç mühendislikirketleri ve bankalar aras nda bir konsorsiyum
kurulmu tur. 2000 y nda sveç, 2001 y nda ngiltere vetalya ile sviçre’den kredi sa layacak banka, projenin
neden olaca sosyal ve ekolojik sonuçlara ili kinbelirsizlikler oldu u ve baraj n bölgede geri dönü üolanaks z çevresel etkilere neden olaca gerekçesiyleortakl ktan çekildiklerini beyan etmi lerdir [18]. Il suBaraj ’n n yap için kararl k, 2005 y nda Türk irketlerve Almanya, sveç ve Avusturya aras nda olu turulan yenibir konsorsiyumla sürdürülmü tür.
Il su baraj ve HES’inin projelerinin haz rland 1980’lillarda yürürlükte olan mevzuat, HES projeleri için ÇED
raporu gerektirmedi i için projenin neden olabilece içevresel etkiler de erlendirilememi tir. 1993 tarihindeyürürlü e giren ÇED Yönetmeli i, 1997 ve 2003tarihlerinde de tirilerek güncellenmi tir. Ancak ilkyönetmelikte ve 1997 ve 2003 revizyonlar nda, 1993tarihinden önce yat m program na al nan HES’lere ÇEDYönetmeli i hükümlerinin uygulanamayaca n belirtilmiolmas nedeniyle Il su baraj da ÇED raporundan muaftutulmu tur. Ancak Il su HES’i gibi projelerin ÇED raporuolmaks n yap lamayaca gerçe inin anla lmas veprojeye d kaynak sa layacak konsorsiyum üyelerininbask yla ancak 2005 y nda Il su Çevre Grubu taraf ndanÇED raporu [19] ve Yeniden Yerle im Eylem Plan (YYEP)haz rlanm r [20].
Il su baraj için henüz d kredi deste i sa lanmamas nakar n 2006 y nda temel at lm r. Bu süreçte sivil toplumörgütlerinin Il su baraj ve HES’inin sebep olaca çevreseletkilerinin aç k bir biçimde ortaya koyulmamas na tepkileritart malar yaratm ve bir bask ortam olu turmu tur. Il subaraj n yap finanse edecek sviçre, Almanya veAvusturya proje kapsam nda belirli ko ullar n yerinegetirilmedi i, arkeolojik bölgelerin korunmas , yöre halk nba ka yerlere yerle tirilmesi ve çevre konular ndabelirsizlikler oldu u gerekçesiyle ortakl ktan çekildiklerinibelirtmi lerdir. Konsorsiyum bölge ile ilgili yeniden yerle im
[21], çevre [22] ve kültürel miras konular içeren raporu[23] ile d kredi deste i sa layamayaca belirtmi tir.
Türkiye’de yürürlükte olan 4628 say Elektrik PiyasasKanunu [24] kapsam nda baraj ve HES’lerin in as ndafiziksel ve biyolojik çevrenin, su kaynaklar n, biyolojikçe itlili in, toprak yap n, do al, tarihi ve kültürel miras nkorunumu ve su alt nda kalacak yerle imlerde nüfushareketleri, arazi ve kamula rma ve sosyo-ekonomik yapile ilgili önlemlerin al nmas öngörülmektedir. HES’lerindo al, tarihi ve kültürel varl klar ve sosyo-ekonomik çevreüzerinde boyutlar uygulanacak projeye göre farkl kgöstermektedir. Barajl HES projelerinde etki ço unlukla sualt nda kalan ta nmazlar ve yöre halk n yeniden iskan ,orman varl n ta nmas , nadir ve nesli tehlikedeki bitkive hayvan türleri konular nda ortaya ç kmaktad r. HES’lerinyer seçiminde titiz davran lmamas çevresel aç dan hassasbölgelerde birçok projenin iptalini gündemegetirebilmektedir. Ayr ca kar la lan en büyük sorunlardanbiride uzun tünel alternatifleri ve baraj yap ndan HES’ekadar olan nehir kesitine yeterli miktarda su
rak lmamas r [25]. Il su baraj ve HES’inin yap lacaalan n genel görünümü ekil 3’te ifade edilmektedir.
ekil 3. Il su baraj -HES alan genel görünüm
4.1. Türlerin ve Do al Ya am Ortamlar n Yok olmas
Il su Baraj alan , Dicle vadisinin biyolojik çe itlilik veendemik türler aç ndan Türkiye’nin en verimli do aalanlar ndan biridir. Il su baraj n yap lmas durumundabölgede ya ayan nadir türler ve 400 km.lik Dicle
ndaki do al ya am ortam geri dönü ü olmayacakbiçimde etkilenecektir. Baraj n yok olma tehdidi ile karkar ya b rakt canl türlerinin ba nda yumu ak kabuklu
rat kaplumba as (Rafetus euphraticus) gelmektedir.Sadece Türkiye, ran, Irak ve Suriye’de ya ayabilen veülkemizde F rat ve Dicle nehirlerinde ya am ortam bulanbu türün ya am fonksiyonlar n su ndaki azalmadanetkilenece i ve neslini sürdüremeyece i san lmaktad r.Il su baraj n in as tav anc l, k l akbaba, küçük akbaba,kerkenez, batakl k k rlang , büyük k zku u, alacayal çapk , gökkuzgun, küçük sa an, kocagöz, çöl varan ,çizgili s rtlan, va ak, karakulak ve su samuru gibi pek çoknadir türün ve ya am alanlar n yok olmasbeklenmektedir [16].
4.2. Deltalar n Erimesi
Dicle nehri üzerinde yap lacak 138 m. yüksekli indeki Il suBaraj tamamland nda yakla k 30 bin hektarl k alan sualt nda kalacakt r. Dicle nehri DS , Dicle nehrinin supotansiyelini en iyi de erlendirebilecek ve alternatifiolmayan tek baraj olarak tan mlad Il su baraj için 325 y lömür biçmektedir. Ancak bölgede erozyonu engelleyecek
açland rma çal malar n yap lmamas nedeniylebaraj n projede öngörülen tahmin edilen ömrünün 65 -70uzun olmayaca san lmaktad r [20]. Baraj n havzas n
2215
Akkaya, U a., Gültekin A. B, b. Dikmen Ç. B.c ve Durmu G.d
bulundu u alanlardan gelecek kil, silt gibi malzemelerin ölühacim olarak adland lan baraj alt kotunu doldurmassonucunda baraj ömrü tükenmekte ve at l durumagelmektedir [26].
4.3. Yeralt Sular n Azalmas ve Do al GöllerinKurumas
Il su baraj gölünün sular alt nda kalan arazinin yakla k 11bin hektar verimli tar m arazisidir. Tar m arazileriaç ndan önemli bir kayba sebep olan bu alan, barajgölünün sular alt nda b rakt arazilerin % 30’una kar kgelmektedir. Il su baraj ve HES’inin Baraj gölü alt ndakalan di er alanlar ise ormanl k veya mera niteli indedir.Il su HES’in sulama amaçl olmamas na kar n, barajgölünün GAP kapsam d nda yap lacak halk sulamalarnedeniyle hem göl hem de yeralt suyunun kirlenmesi,yeralt su seviyesinin yükselmesi, buharla ma ve nemoran n artmas gibi sonuçlar do uracakt r. Baraj gölününsu seviyesinin yükselmesi de çevredeki termal sukaynaklar olumsuz etkileyecektir. Benzer ekilde yüzeyeyak n yeralt su kaynaklar n yön de tirmesi vekalitesinin dü mesi tehlikesi de bulunmaktad r [25].
4.4. Ekonomik Verimsizlik
Türkiye HES potansiyeli incelendi inde in as süren,projesi haz r olan ve ön incelemesi yap lm toplam 673baraj n toplam üretim kapasitesi y lda 127 345 GWh d r.Bu veriye göre Türkiye HES kapasitesinin ancak % 35’inikulland göstermektedir. De erlendirilebilecek % 65potansiyele yönelik giri im bulunmamaktad r [20]. Il subaraj , sebep olabilece i çevresel etkilerle öngörüldü ügibi uzun y llar kullan labilecek görünmemektedir. Ayr cabaraj ve HES yap ile kirlenecek çevre su kaynaklarbaraj suyunun sulama amaçl kullan lmas daengelleyecektir. Bu da bölgede sulama amaçl farklçözümleri gerektirmektedir.
4.5. Sosyo-Ekonomik Bozulma
Il su baraj ve HES projesi için uluslararas mühendislikfirmalar n uygulama projeleri baraj yap ile ilgilibelirsizlik nedeniyle henüz teslim edilmemi , kredisa lanamam ve baraj derivasyon tünellerinin in as naba lanamam r [27]. Baraj yap ile bölgede 1 ilçe, 30köy ve 49 mezrada (toplam 187 yerle im) ya ayanyakla k 20 bin nüfus göç etmek zorunda kalacakt r [28].Kesinle mi d kredi olmamas na kar n, projekapsam nda belirlenen güzergahta yer alangayrimenkullerin DS taraf ndan kamula lmas na ili kinBakanlar Kurulu karar yay mlanm r [18]. Bu belirsizlikortam nda kamula rman n yap lmas n mantgörülmemektir.
4.6. Fiziksel Çevrenin Etkilenmesi
Il su baraj n yap lmas halinde Dicle nehri üzerinde yeralan ve 1. derece arkeolojik sit alan olan Hasankeyfyerle imi sular alt nda kalacakt r. Hasankeyf’te ilk yerle imizleri M.Ö. 4. yüzy la tarihlenmektedir. Asur, Roma, Bizans,Artuk, Eyyubi ve Osmanl uygarl klar n arkeolojik vekültürel izlerini ta yan Hasankeyf yerle imi [29] kültürmiras n sürdürülebilirli inin sa lanmas aç ndan özelbir önem ta maktad r. Il su baraj bölgedeki do al, tarihi,kültürel yap n geri dönü türülemeyecek biçimde yok
edecektir. Bu nedenle baraj alan nda yer alan kültürmiras n ta nmas fikri gündeme gelmi tir. Ancak HES ilesadece Hasankeyf ilçesi de il baraj gölü alt nda kalacak300 kadar höyük de tehdit alt ndad r. Hasankeyfyerle iminde topo rafik yap , mimari yap ve barajyap bölgedeki tarihi eserlerin ta nmasgüçle tirmektedir. ekil 5’te Il su Baraj ve HES alanverilmektedir.
ekil 5. Il su baraj ve HES alan
Çevre konusunda duyarl sivil toplum örgütlerinin veakademisyenlerin baraj projesinin uygulanamamasgerekti i yönünde uyar lar na kar n baraj yap için sraredilmektedir. Kültürel miras n sürdürülebilirli ini sa lamakamac yla Il su baraj n Hasankeyf yerle imini kurtaracaknitelikte gözden geçirilmesi fikrine ise DS kar ç km r[16]. Önerilen çözüm baraj sahas nda bulunan eserlerin“Arkeolojik Park ve Aç k Hava Müzesi” olarakdüzenlenmesidir. Bu düzenlemeyle Hasankeyf yeni kültürelpark alan n Türkiye ve dünya ülkeleri için kültür ve turizmcazibe merkezi olaca dü ünülmektedir. Hasankeyfmevcut hukuki yap çerçevesinde birinci derece arkeolojiksit alan r. Baraj ile alt kotlarda kalan yerle imlerin tümüsular alt nda kalacakt r. Sosyal ve ekolojik sonuçlar nakar n baraj ve HES’i uygulamakta kararl olanlar n sualt nda kalan eserlerin baraj alan nda düzenlenecek sualtgezileri ve tüple dalma turlar [28] ile sergilenmesi fikri isegerçekçilikten ve duyarl ktan uzak bir fantezidir.
Baraj sahas nda kalan eserlerin tümüyle ta nmasolanaks zd r. Ayr ca baraj alan ndan kurtar lan az say daeserin bir bütün halinde ta nmamalar korunmalargüçle tirmektedir. Kültür varl klar n do al ortamlaryans tmayacak ve bütünlü ünü bozacak biçimdesergilenmeleri ise as llar n birer kopyas ndan öteyegitmeyen yeni yap mlar olmas na neden olacakt r [16].
Türkiye’nin do al ve tarihi miras na sahip ç kmak, kültür vedo a turizmini geli tirecek ad mlar atmak, bölge halk nve Türkiye’nin refah na katk sa lamak isteniyorsa Il subaraj alan n uygulanabilirli i tart lmal ve proje yenidengözden geçirilmelidir. Ayr ca Hasankeyf ve Dicle Vadisi’ninUNESCO Kültürel ve Do al Miras Listesi’ne al nmas içingiri imde bulunulmal r.
4.7. Biyolojik Çevrenin Etkilenmesi
Il su baraj gölünün depolama kapasitesi ve ak mevcutbaraj gölü dikkate al nd nda Dicle nehri ve kollar nta sediment (çökelti) yükünün dü ük olmas projeninekonomik ömrünün uzun oldu unu göstermektedir. Ancakbaraj gölünde y ll k seviye de iminin 8-10 m. aras ndaolmas mevsimsel hastal k, salg n hastal k ve görüntükirlili ine neden olacakt r [25]. Ayr ca Dicle nehri ve bunehre akan kollar üzerinde kilometrelerce alanda salmasulama tar m yap lmaktad r. Bu alanlarda kullan lan gübre
2216
Akkaya, U a., Gültekin A. B, b. Dikmen Ç. B.c ve Durmu G.d
ve kimyasallar Il su baraj göletinde birikecektir. Bundanba ka yerle imlerin ve bölgede faaliyet gösterenfabrikalar n at klar hala Dicle nehrine akmaktad r. Bu ikiolumsuz etki sonucunda gölette birikecek olan 11 milyarm3 su rezervi k sa sürede kendi çevresindeki yeralt içmesu kaynaklar ciddi oranda kirletece inden gelecekteinsan sa olumsuz etkileyece i kaç lmazd r [25].Il su Baraj ve HES Projesi Kültürel Miras Eylem Plançerçevesinde önerilen koruma projesi ekil 6’da ifadeedilmektedir.
ekil 6. Hasankeyf Yeni Kültürel Park Alan
5. Sonuç
Geli mekte olan ülkeler h zla artan nüfuslar ndan dolay sukaynaklar geli tirmek zorundad r. Tüm olumsuzluklar nara men barajlar n ve HES’lerin yap kaç lmazd r. Barajve HES yap lar için yer seçiminin alana ait analiz, gözlemve ara rmalarla desteklenerek, uygulanabilirliklerinin etütedilmesi, ÇED ile desteklenmesi ve baraj n uygulanmasdurumunda olu abilecek olumsuz çevresel etkilerinde erlendirilmesi gerekir. Yer seçim ölçütlerinde ülkekaynaklar n korunumu ve sosyo-ekonomik yap netkile imi konular na özen gösterilmelidir. Dünyada varolan su kaynaklar n 2050 y nda üç milyar daha artacaknüfusunun gereksinimlerine kar k veremeyece i aç kt r.çme suyu ve sulama gereksinimi için geçmi te oldu u gibi
gelecekte de barajlara ihtiyaç duyulacakt r. Ancak artançevresel bilinçle su kaynaklar n daha rasyonel ve verimlikullan için çal malar devam edecektir. Yap lan tümele tirilere ve çevresel etkilerine ra men halen HES’lerdendaha temiz ve verimli enerji kaynaklar bulunamam r.
HES’ler çevreye termik ve nükleer santrallere k yasla dahaaz zarar vermeleri ve dü ük maliyet ile elektrik üretmeleriaç ndan tercih edilmektedir. Ancak Il su baraj ile yokolacak kültürel miras ve biyolojik çe itlilik dikkateal nd nda projenin sa lad yarar ve sebep olaca
çevresel etkiler k yaslanabilir görünmemektedir Il su barajve HES’inin yap lmas durumunda nehir yataklar nde tirilmesine, su kaynaklar n azalmas ve göllerinkurumas na, kültürel miras n ve biyolojik çe itlili in, fizikselve biyolojik çevrenin etkilenmesi kaç lmazd r. 2008 yyat m program nda yer alan Il su baraj ve HES projesiiçin de en konsorsiyumlara ve henüz bulunmam dkredilere kar n, projenin uygulanmas na yönelik srarltutum sürmektedir. Il su Baraj ’n n in a edilmesi halindesadece baraj alan de il geni kapsaml bir ekilde bölgeolumsuz çevresel etkilerle yüz yüze kalacakt r.
Kaynaklar
[1]. Türk Dil Kurumu resmi web sayfas ,http://tdkterim.gov.tr/bts/?kategori=veritbn&kelimesec=344
[2]. “Dams and Development”, World Commission onDams, Report, November 2000.
[3]. “Hydropower and Energy-Related Projects,”International Agency Monthly Report, March 1999.
[4]. Corso, R. and Mead &Hunt. Inc. , United StatesCommittee on Large Dams, International Newsletter,July 1997.
[10]. www.aked.org.tr/basin/doga1.html -[11]. www.dogadernegi.org.tr[12]. yesilatlas.kesfetmekicinbak.com[13]. Özyurt, G., Ergin, A. ve Uras, A., Göksu Deltas n
Deniz Seviyesi Yükselmesine Olan K rg nl , 6.Ulusal K Mühendisli i Sempozyumu, Ekim, 2007,zmir
Akkaya, U a., Gültekin A. B, b. Dikmen Ç. B.c ve Durmu G.d
[25]. Gümü , B., Dalk ç, N. ve Toprak, F., Il su Baraj veHES’in Çok Yönlü Olarak De erlendirilmesi, DicleÜniversitesi Mühendislik Mimarl k Fakültesi, Il subaraj ve HES Ara rma Komisyonu Raporu,Diyarbak r, 2006.
[26]. TMMOB Batman Temsilciliklerinin Il su BarajYap na Kar Ortak Bas n Bildirgesi,http://www.emo.org.tr/genel/bizden_detay.php?kod=46895 &tipi=3&sube=4
5. Uluslar arası İleri Teknolojiler Sempozyumu (İATS’09), 13-15 Mayıs 2009, Karabük, Türkiye
VİBRASYONUN BETONUN FİZİKSEL VE MEKANİK ÖZELLİKLERİNE ETKİSİNİN BULANIK MANTIK SİSTEMİNE DAYALI UYARLANABİLİR AĞ
MODELLERİ İLE TAHMİNİ, SAHA BETONU UYGULAMASI
PREDICTION OF THE EFFECT OF THE VIBRATION ON THE PHYSICAL AND MECHANICAL PROPERTIES OF CONCRETE BASED ON ADAPTIVE
NEURE-FUZZY INFERENCES SYSTEM, A REGION CONCRETE APPLICATION
Ercan Özgana, * Metin M. Uzunoğlub veTuncay Kapc
a,Düzce Üniversitesi, Teknik Eğitim Fakültesi, Yapı Eğitimi Bölümü, Düzce, Türkiye, [email protected] b,Düzce Üniversitesi, Teknik Eğitim Fakültesi, Yapı Eğitimi Bölümü, Düzce, Türkiye, [email protected]
c,Düzce Üniversitesi, Teknik Eğitim Fakültesi, Yapı Eğitimi Bölümü, Düzce, Türkiye, [email protected]
Özet Bu çalışmada, Uyarlamalı Sinirsel Bulanık Mantık (Adaptive Nero Fuzzy Inference System “ANFIS”) yaklaşımı ile vibrasyonsuz, az vibrasyonlu ve aşırı vibrasyon yapılan betonlarda basınç mukavemetinin betonun fiziksel özellikleri, su emme oranı ve boşluk oranına bağlı olarak tahmin edilmesi amaçlanmıştır. Bu amaçla, 20 cm yüksekliğinde ve 165X120 cm kenar uzunluklarına sahip 3 adet kalıp hazırlanmış ve kalıplara C20 sınıfı hazır beton dökülmüştür. Beton dökümü esnasında 150x150x150 mm’ ebatlarında dört adet referans küp numune alınmıştır. Betonlar 28 gün boyunca günde üç kez sulanarak yerinde kür edilmiştir. Kür işleminden sonra vibrasyonsuz, az vibrasyonlu ve aşırı vibrasyonlu betondan 10 cm çapında ve 10-20 cm yüksekliğinde 20’şer adet olmak üzere toplam 60 adet karot numune alınmıştır. Numunelerin temel fiziksel özellikleri, su emme oranları, boşluk oranları ve basınç mukavemetleri belirlenmiştir. Deneyler sonucunda, referans numuneye göre vibrasyonsuz betonun ortalama basınç dayanımının %17.64, az vibrasyonlu betonun %24.20 ve aşırı vibrasyonlu betonun da %20.16 oranında daha az olduğu tespit edilmiştir. Ayrıca, deney sonuçları kullanılarak beton basınç mukavemetinin tahmin edilebilmesi amacıyla temel fiziksel özellikler ile su emme oranı ve boşluk oranın girdi olarak kullanıldığı bulanık mantık sistemine dayalı uyarlanabilir ağ modelleri oluşturulmuş ve oluşturulan ağ modellerinin vibrasyon durumuna göre betonun basınç dayanının tahmini için kullanılabileceği görülmüştür.
Anahtar kelimeler: Beton, Saha Betonu, Vibrasyon, Basınç Mukavemeti, ANFIS. Abstract In this study, to prediction of the compressive strength of the concrete used in the area and prepared with no vibration, little vibration and much vibration the Adaptive Neure Fuzzy Inferences Sysytem (ANFIS) was used. The prediction model was formed based on the physical properties of the concrete, the ratio of the water absorption and volume of voids. In the study, three
formworks were prepared with 20 cm high and 165x120 cm length and then C20 class ready mixed concrete was poured into each formwork. At hat time, for using as references four cube samples with 15x15x15 cm were taken from the fresh concrete. The fresh concrete was cured for 28 days by watering three times in each day. After the curing process, totally 60 core samples with 10 cm diameter and 10, 20 cm highs were taken from concrete prepared with no vibration (20 samples), less vibration (20 samples) and much vibration (20 samples). Basic physical properties, ratio of water absorption, volume of voids and compressive strength of the core samples were determined. The results of the test were showed that the compressive strength of the concrete prepared with no vibration, less vibration and much vibration decreased. The ratios of the decrease respectively are 17.64%, 24.20% and 20.16% for no vibration, less vibration and much vibration. Also, to prediction of the concrete used in area compressive strength based on the basic physical properties of the concrete, ratio of the water absorption and volume of voids an adaptive neural fuzzy inferences model was developed. It was seen that the developed model could be used for prediction of the concrete compressive strength for different vibration conditions. Key words: Concrete, Area concrete, Vibration, Compressive strength, ANFIS. 1. Giriş Önemli bir deprem kuşağı üzerinde yer alan ülkemizde, meydana gelen depremlerde büyük can ve mal kaybı olmaktadır. Depremlerde yıkılan ya da hasar gören yapıların büyük bir kısmında projelendirme hataları, uygulama hatalarının yanında yapıda kullanılan malzemelerinde standartlara uygun nitelikte olmadığı görülmüştür [1]. Özellikle betonarme yapılarda kullanılan betonların kalitesinde ki problemler dikkat çekmektedir. Betonun kalitesini; tasarım, üretim, taşıma, yerleştirme-sıkıştırma ve bakım(kür) aşamaları belirlemektedir [2]. Bu aşamaların her birinde yeterli özen gösterildiğinde beklenen sonuç alınabilir. Aksi durumda, beton kalitesi istenen düzeyin çok altında kalabilmektedir [3].
Beton, basınç mukavemetlerini karşılayan bir malzeme olduğu için betondan beklenilen en önemli özellik basınç mukavemetinin yüksek olmasıdır. Yüksek mukavemetli betonun genel olarak boşluk oranı azdır, su geçirimliliği düşüktür, aşınmaya karşı dirençlidir ve dış etkilere dayanıklıdır [4-5]. Yapılarda, düşük dayanımlı beton kullanımı, yapının güvenliğini azaltarak can ve mal kayıplarına neden olabilir [1]. Beton basınç dayanımının belirlenmesinde farklı yöntemler kullanılmaktadır. Beton kalitesini belirlemeye yönelik yapılacak testler için betonun yerine dökümü esnasında standart küp veya silindir deney numuneleri alınmaktadır. Bu numunelerin mukavemet değerleri 28 günlük basınç dayanımlarına göre belirlenmektedir [6]. Ancak taze betondan alınacak numunelerin alınma işlemi, bakımı ve yapılacak deneyler standartların tarif ettiği şekilde olmalıdır. Bu kapsamda, yeterli sayıda numune alınmalı, yeterli sıkıştırma yapılmalı ve uygun şartlarda kür işlemlerine tabi tutulmalıdır. Bu numuneler zaman zaman şantiyede ait oldukları yapı veya yapı elemanı ile birlikte aynı koşullara maruz bırakılarak yerindeki basınç dayanımın belirlenmesi amacıyla da kullanılabilirler. Bu çalışmada, vibrasyon süresinin betonun fiziksel özellikleri ve basınç dayanımına etkisi deneysel olarak incelenmiş ve sonuçlar referans numunelerin sonuçları ile karşılaştırılmıştır. Deney sonuçlarından elde edilen veriler kullanılarak beton basınç mukavemetinin tahmin edilebilmesi amacıyla temel fiziksel özelliklerin girdi olarak kullanıldığı bulanık mantık sistemine dayalı uyarlanabilir ağ modelleri oluşturulmuş ve oluşturulan ağ modelleri ile vibrasyon durumuna göre betonun basınç dayanımı tahmin edilmiştir. 2. Malzeme ve Yöntem 2.1. Malzeme Bu çalışmada, C20 sınıfı hazır beton kullanılmıştır. 5,00 x 1,65 x 0,25 m ebatlarında hazırlanan kalıp 1,65x1,20 m boyutlarında 3 eşit parçaya bölünmüş ve birinci bölüme dökülen betona vibrasyon uygulanmamıştır. İkinci bölüme dökülen betona 12 noktadan 5’er saniyelik üçüncü bölüme dökülen betona ise 30 noktadan 10’er saniyelik vibrasyon uygulanmıştır. Beton, hazırlanan kalıba transmikser ile doğrudan dökülmüş ve beton dökümü esnasında 4 adet 150 mm’lik küp kalıp ile şahit numune alınmıştır. Dökülen beton yüzeyinin düzgün olması amacıyla mastar yapılmıştır. Betonlar Düzce’nin doğal hava şartlarında günde üç kez olmak üzere 28 gün boyunca sulanarak kür yapılmıştır (Şekil 1). Şahit numuneler ise dökümden 24 saat sonra kalıbından çıkartılarak kür havuzuna yerleştirilmiştir.
Şekil 1. Kalıbı alınmış üç grup saha betonu 2.2. Yöntem 28 günlük kür işleminden sonra betonun her bir bölümünden karot alma makinesiyle 100 mm’lik karot numuneler alınmıştır. Karot numunelerin baş kısımları taş kesme makinesi ile kesilerek düzeltilmiştir. Buna göre birinci bölümden 20 adet, ikinci bölümden 20 adet ve üçüncü bölümden de 20 adet olmak üzere toplam 60 numune alınmıştır (Şekil 2). Elde edilen karot numunelerin boyu 25 cm olduğundan dolayı çalışma esnasında karotların h/d oranları 1 ve 2 olacak şekilde boyutlandırılmıştır. Karot numuneler 0,01 gr hassasiyetli terazide tartılarak kür havuzuna yerleştirilmiş ve sabit ağırlığa gelinceye kadar kür havuzunda bekletilmiştir. Suya doygun hale gelen numunelerin suya doygun ağırlıkları ve su içindeki ağırlıkları tartılmıştır. Ayrıca, numuneler etüve yerleştirilerek sabit ağırlığa gelinceye kadar bekletilmiş ve etüv kurusu ağırlıkları da tartılmıştır. Elde edilen karot numunelere TS EN 12390–3 Sertleşmiş Betonun Basınç Dayanımı standardına göre kükürt grafit karışımından oluşan başlıklar yapılmış ve numuneler TS EN 12390–3 standardına göre basınç deneyine tabi tutulmuştur.
Şekil 2. Saha betonundan karot alınması
2220
Özgan, E., Uzunoğlu M., Kap T..
3. Basınç deneyi sonuçları Beton karot numuneler TS EN 12390–3 Sertleşmiş Betonun Basınç Dayanımı standardına göre 0,2 MPa/sn lik bir hız ile basınç deneyine tabi tutulmuştur. Karot numunelere ait deney sonuçlarının tanımlayıcı istatistik değerleri vibrasyon süresine göre aşağıda gösterilmiştir (Çizelge 1,2 ve 3).
Çizelge 1 Vibrasyon yapılmayan saha betonunun basınç dayanımı ve fiziksel özelliklerinin tanımlayıcı istatistikleri
N Aralık Min. Max. Ortalama Std.Hata Std.Sapma VaryansBoy cm (h) 20 10,45 9,55 20,00 14,53 1,075 4,808 23,117 Çap mm (d) 20 ,15 9,30 9,45 9,37 ,008 ,0375 ,001 Hacim (cm³) 20 714,87 652,13 1367,0 1004,10 74,406 332,754 110700 Doğal birim hacim ağırlık (gr/cm³) 20 ,07 2,27 2,33 2,31 ,003 ,016 ,000
Kuru birim hacim ağırlık (gr/cm³) 20 ,13 2,13 2,26 2,22 ,007 ,033 ,001
4. ANFIS (Adaptive neuro-fuzzy infirence system) Beton basınç dayanımının beton numunelerinin temel fiziksel özelliklerine bağlı olarak modelinde “Newton-Raphson” yöntemi, kimliklendirmede kullanılan adaptif ağ (ANFIS) yapısının eğitilmesinde ise eğim düşümü (gradient descent) ve en küçük kareler tahmini (LSE) yöntemlerinin kombinasyonundan oluşan “hibrit öğrenme algoritması” kullanılmıştır. Gerçekleştirilen benzetim çalışmasında, MATLAB paket programına ilişkin bulanık mantık araç kutusundaki araçlardan faydalanılmıştır [7]. 4.1. ANFIS Mimarisi ANFIS yapısı, Sugeno tipi bulanık sistemlerin, sinirsel öğrenme kabiliyetine sahip bir ağ yapısından oluşmaktadır. Bu ağ, her biri belli bir fonksiyonu gerçekleştirmek üzere, katmanlar halinde yerleştirilmiş
düğümlerin birleşiminden oluşmuştur [8]. Basit olması açısından, bulanık çıkarım sistemini, x ve y gibi iki girişi ve z gibi bir çıkışı olduğunu farz ederek ele alalım. İki tane bulanık Eğer- O halde kuralı bulunan, birinci dereceden Sugeno bulanık modeli için tipik kural kümesi; Kural-1: Eğer “x” A1 ve “y” B1 ise O halde f1 = p1 x + q1y + r1 Kural-2: Eğer “x” A2 ve “y” B2 ise O halde f2 = p2 x + q2y + r2 şeklinde ifade edilir. Sugeno bulanık modeli için eşdeğer ANFIS mimarisi Şekil 1’ de gösterildiği gibidir. Söz konusu bu ANFIS mimarisi için aynı katmanda bulunan düğümler aynı düğüm fonksiyonlarına sahiptirler [9].
Şekil 1. Birinci dereceden iki girişli ve iki kurallı “Sugeno Bulanık Modeli” ağ yapısı. Katman–1: Bu katmanda yer alan her bir “i” düğümü, çıkışı aşağıdaki gibi tanımlanan adaptif bir düğümdür.
Ol,i = μ A i (x) , i=1,2, yada Ol,i = μ B i-2 (x) , i=3,4, için
2222
Özgan, E., Uzunoğlu M., Kap T..
Burada “x” ya da “y” düğümün girişini, Ai ya da Bi ise söz konusu düğüme ait bulanık kümeyi ifade etmektedir. Bu katmanın çıkışları, kuralların şart ya da öncül kısımlarına ait üyelik değerlerini oluştururlar. Burada “Ai” ve “Bi” için söz konusu üyelik fonksiyonları, uygun bir biçimde parametrelendirilmiş herhangi bir üyelik fonksiyonu olabilir. Katman–2: Bu katmandaki her bir düğüm, kendisine gelen sinyallerin çarpımını çıkış olarak üreten, Π ile etiketlenmiş sabit bir düğümdür. Örneğin ; O2,i = wi = μAi (x) × μBi (y), i = 1,2. Her bir düğümün çıkışı, her bir kural için gerçekleme derecesini oluşturur. Yukarda ki bağıntıda çarpma işlemi yerine bulanık işlemini yapan başka T-norm işlemleri de düğüm fonksiyonu gibi kullanılabilirler. Katman–3: Üçüncü katmanda yer alan her bir düğüm, N ile etiketlenmiş, sabit bir düğümdür. Katmandaki i. düğüm, i. kuralın gerçekleme derecesinin, bütün kuralların gerçekleme dereceleri toplamına oranını hesaplar.
.2,1,21
,3 =+
== iww
wwO iii
Bu katmanda yer alan düğümlerin çıkışları, hesaplanışlarına uygun olarak, normalize edilmiş gerçekleme dereceleri olarak ifade edilirler. Katman–4: Bu katmana ait her i düğümü, düğüm fonksiyonu aşağıdaki gibi olan, adaptif bir düğümdür.
)(,4 iiiiiii ryqxpwfwO ++==
Burada iw , üçüncü katmanın çıkışıdır, {pi, qi, ri} ise bu katmanda bulunan düğümlerin parametrelerinden oluşan parametre kümesidir. Bu katmanın parametreleri sonuç ya da çıkış parametreleri olarak ifade edilmektedir. Katman-5: Bu katmanda Σ ile etiketlenmiş olan ve toplam çıkışı hesaplamak üzere, kendisine gelen sinyallerin tümünü toplayan ve sabit olan tek bir düğüm mevcuttur.
=1,5O toplam çıkış = ∑∑=∑
i i
ii ii
ii w
fwfw
Böylece, Sugeno bulanık modelinin işleyişine sahip, adaptif bir ağ yapısı oluşturulur [10]. 5. ANFIS ağının Probleme uygulanması Bu çalışmada, adaptif ağ yapısına dayalı bir sinirsel-bulanık çıkarım modeli oluşturularak saha betonunda vibrasyon uygulamasının betonun fiziksel özellikleri ve
basınç dayanımına etkisi sugeno tipi bulanık modelle tahmin edilmeye çalışılmıştır. Bu amaçla, C20 sınıfı betondan üretilen saha betonundan h/d’ si 1 ve 2 olan karot numuneler elde edilerek bunların vibrasyon süresi, doğal birim hacim ağırlık, su emme oranı ile boşluk oranları modelin girdisi, basınç dayanımı da modelin çıktısı olarak kullanılmıştır. Modelin eğitim için 42 ve modelin denenmesi için ise 18 veriden oluşan veri seti kullanılmıştır. Modelin eğitiminde melez öğrenme algoritması kullanılmış ve eğitim için epok sayısı 100 olarak seçilmiştir. Üyelik fonksiyon sayısı her bir giriş değişkeni için 5 olup kural sayısı ise 625 (5x5x5x5)’dir. Modelde nod sayısı 1297, lineer parametre sayısı 3125, non-lineer parametre sayısı 60, toplam parametre sayısı 3185 olarak gerçekleştirilmiştir. Üyelik fonksiyonları trimf, çıktı üyelik fonksiyonu lineer özellikte olarak, girdi üyelik fonksiyonu sayısı da 5 olarak seçilmiştir. 42 adet eğitim verisi hybrid metodu ile eğitilmiştir. 6. Sonuç ve Öneriler Yapılan çalışmada, 20 cm yüksekliğinde ve 165X120 cm ebatlarındaki saha betonunun dökümünde vibrasyon kullanılmadığı zaman beton basınç dayanımının min.19 Mpa, max.38 Mpa ve ortalama basınç dayanımının ise 31,4 Mpa olduğu belirlenmiştir. Saha betonunda 12 noktaya 5’er saniye süre ile vibrasyon yapıldığında ise basınç dayanımının min.21 Mpa, max.34 Mpa ve ortalama basınç dayanımının ise 29,4 Mpa olduğu görülmüştür. Diğer taraftan saha betonunun 30 noktasında her noktaya 10’ ar saniye ile vibrasyon yapıldığında ise beton basınç dayanımının min.17 Mpa, max.35 Mpa ve ortalama basınç dayanımının ise 30,25 Mpa olduğu görülmüştür. Toplam 60 karot numune üzerinde yapılan basınç testleri sonucunda deney sonuçlarının bulanık mantık sistemine dayalı uyarlamalı ağ metodu ile tahmin edilebilmesi amacıyla saha betonunun vibrasyon süresi (sn), numunelerin doğal birim hacim ağırlıkları, su emme oranları ve boşluk oranları girdi olarak kullanılmış ve oluşturulan ağ modeli ile bu verilere bağlı olarak saha betonunun basınç dayanımı 18 adet test numunesi kullanılarak sonuçlar karşılaştırılmıştır. 18 adet test numunesinin deney sonuçları ile tahmin sonuçları aşağıdaki tabloda gösterilmiştir (Tablo 4).
2223
Özgan, E., Uzunoğlu M., Kap T..
Çizelge 4 Girdiler, deney sonucu ve tahmin sonuçları
Tablodaki deney sonuçları ile tahmin edilen basınç mukavemetleri arasındaki ilişki aşağıda gösterilmiştir (Şekil 2).
R2 = 0,95
28
29
30
31
32
33
34
35
15 20 25 30 35 40Deney sonuçları (Mpa)
Tahm
in d
eğer
leri
(Mpa
)
Şekil 2. Deney sonuçları ve tahmin değerleri arasındaki ilişki. Sekil 1’ den görüldüğü gibi deney sonuçları ile tahmin edilen değerler arasındaki korelasyon kat sayısı oldukça yüksektir. Sonuç olarak, saha betonunda; beton basınç mukavemetinin bulanık mantık sistemine dayalı uyarlamalı ağ metodu ile tahmin edilebileceği görülmüştür.
Kaynaklar [1] Uzunoğlu M., 1999 Düzce Depreminde Yıkılan
Bazı Binaların Betonlarının Fiziksel Ve Mekanik Özelliklerinin İncelenmesi, Yüksek lisans Tezi, Sakarya Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Sakarya, 2005.
[2] Erdoğan, Y. Turhan. Beton. O.D.T. Üniversitesi İnşaat Mühendisliği Böl. Metu Pres Publishing Company, Ankara, 2003.
[3] Şimşek O., Sancak E., Yaprak H., Beton Yollarda Alternatif Bir Malzeme Vakumlu Beton http://www.teknolojikarastirmalar.com/e-index/makaleDetay.asp?ID=2787
[4] Baradan B., Yazıcı H., Ün H., Betonarme
Yapılarda Durabilite, 9 Eylül Üniversitesi yayınları, İzmir, 2002.
[5] Şimşek O., Bektaş S., Erdal M., Vibrasyon Süresinin Beton Basınç Dayanımına ve Birim Ağırlığına Etkisi. Politeknik Dergisi Cilt: 5 Sayı: 2, 2002
[6] TS EN 206-1 Beton, TSE yayınları, Ankara, 2002. [7] Jang, J., S., R., Gulley, N., “Fuzzy Logic Toolbox
for Use with, MATLAB”, The Math Works, Inc.,Natick, MA. 1995.
[8] Tsoukalas, L. H. , Uhrıg, R.E., “Fuzzy And Neural
Approaches in Engineering”, Jhon Wiley & Sons , Inc, New York, 1996.
[9] Özçalık, R., H., Uygur, F., A., “Dinamik Sistemlerin
Uyumlu Sinirsel-Bulanık Ağ Yapısına Dayalı Etkin Modellenmesi”, KSÜ Fen ve Mühendislik Dergisi” 6(1), 2003.
[10] Fırat M., Yurdusev M.A., Mermer M., “ Uyarlamalı
Sinirsel Bulanık Mantık Yaklaşımı İle Aylık Su Tüketiminin Tahmini” Gazi Üniv.Müh.Mim.Fak.Der. Cilt:23, No:2, 449-457, 2008.
5. Uluslar arası İleri Teknolojiler Sempozyumu (İATS’09), 13-15 Mayıs 2009, Karabük, Türkiye
NAPO3 MİKTARININ ZEMİN TANELERİNE ETKİSİ ve TANE BÜYÜKLÜKLERİNİN ANFIS YÖNTEMİYLE TAHMİNİ
EFFECT OF THE QUANTITY OF NAPO3 TO SOIL PARTICLES and
PREDICTION OF THE PARTICLE SIZES BY USING ANFIS METHOD
Ercan Özgana,*
a,*Düzce Üniversitesi, Teknik Eğitim Fakültesi, Yapı Eğitimi Bölümü, Düzce, Türkiye. E-posta: [email protected]
Özet Bu çalışmada, hidrometre deneyleri için 0, 10, 20, 30, 40, 50 ve 60 gr sodyum hegzametafosfat (NaPO3) kullanılarak süspansiyonlar hazırlanmıştır. Deneyler sonucunda her bir hidrometre okuma zamanı için (0, 1, 2, 5, 10, 15, 30, 60, 120 ve 260 dk.) zeminin tane çapları hesaplanarak belirlenmiştir. Zemin tane çaplarının tahmin edilebilmesi amacıyla da deneyde kullanılan NaPO3 miktarı ile hidrometre okuma sürelerinin girdi olarak kullanıldığı ANFIS (adaptive neuro-fuzzy infirence system) yöntemiyle bir model geliştirilmiştir. Deney sonuçları ile model sonuçları karşılaştırılmış ve geliştirilen modelin deney sonuçları ile uyum içerisinde olduğu görülmüştür.
Anahtar kelimeler: Zemin Mekaniği, Tane Büyüklüğü, Hidrometre, ANFIS. Abstract In the presented study, by using 0, 10, 20, 30, 40, 50 and 60 gr sodium hexametaphospathe (NaPO3) suspensions were prepared for hydrometer tests. At the end of the tests, particle diameter of the soil were calculated for each hydrometer reading time (0, 1, 2, 5, 10, 15, 30, 60, 120 and 260 min.). By using ANFIS (Adaptive Neuro-Fuzzy Infirence System) a model was developed to predict of the particle diameter of soil. In the model, the quantity of the NaPO3 and the hydrometer reading times were used as inputs. Test results and prediction results were compared with together and it was seen that the prediction results and test results have a good correlation. Keywords: Soil mechanics, particle diameter, hydrometer, ANFIS. 1. Giriş Zemin mekaniğinde, çapı 0.075 mm.den küçük olan zemin tanelerinin büyüklüklerinin belirlenmesi özellikle granülometri eğrilerinin doğru olarak çizilebilmesi zeminlerin sınıflandırılması açısından oldukça önemlidir. Çapı 0.075 mm.den küçük zemin tanelerinin belirlenmesinde en çok kullanılan yöntemler hidrometre deneyi ve pipet yöntemleridir [1]. Hidrometre deneylerinde ASTM E 100 2001 [2]’de tanımlanmış olan 151 H ve 152 H tipi hidrometreler kullanılmaktadır. Bu metotlarda zemin tane çapları Stoke yasasına göre hesaplanmaktadır. Hidrometre deneyinde süspansiyon içinde bulunan zemin tanelerinin birbirlerine yapışarak (floklaşma) tek bir tane gibi davranmalarını önlemek için en çok kullanılan madde sodyum hegzametafosfat (NaPO3) ’tır. Hidrometre deneyi,
hazırlanan tek bir süspansiyonda farklı zaman aralıkları için ölçüm yapılabilmesine olanak sağlamaktadır [3, 4]. Kura ve Ohashi [5] NaPO3 anyonları ile kalsiyumun güçlü bir ilişki içinde olduğunu tespit etmişlerdir. Smith v.d. [6] NaPO3 anyonlarının alüminyum atomları ile etkileşim halinde olduğunu belirlemişlerdir. Bazı araştırmacılar su içindeki NaPO3’ın davranışını incelemişlerdir [7, 8]. Manfredini v.d. [9] kil endüstrisinde floklaşmayı engelleyen madde olarak NaPO3’ın kullanımının oldukça yaygın olduğunu belirtmişlerdir. Brandenburg ve Lagaly [10], Keren [11] ile Cushman ve Low [12] NaPO3’ ın killerde negatif yükü arttırarak floklaşmayı engellediğini tespit etmişlerdir. Lagalay [13] yaptığı çalışmada, soda ilavesinin bentonitlerin reolojik özelliklerine etkisini araştırmıştır. Volzone ve Garrido [14] bazı Arjantin bentonitlerine Na2CO3’ ün etkisini araştırmışlardır. Bunchan v.d. [15] sıvı içinde dağılmış haldeki tanelerin büyüklüğünün belirlenmesi için elek analizi ve çöktürme metotlarını kullanarak detaylı çalışmalar yapmışlardır. Huertas v.d. [16] farklı pH’a sahip solüsyonlarda kaolinin çözülme olayı ile ilgili araştırmalar yapmışlardır Yıldız v.d. [17] sodyum klorür, NaPO3 ve pH’ değerinin Kütahya bentonitlerinin reolojik özelliklerine etkisini araştırmışlardır. Hwang v.d. [18] deneysel veriler için zeminin tane dağılımının tahmin edilebilmesi amacıyla bazı modeller geliştirmişlerdir. Filgueira v.d. [19] süre, zemin süspansiyonun özgül ağırlığı ve tane dağılımları arasındaki ilişkileri tespit etmişlerdir. Andreola v.d. [20] standart kaolin süspansiyonlarına NaPO3 ilavesinin etkisini araştırmışlar ve diğer kaolinlerle elde edilen sonuçları birbirleriyle karşılaştırmışlardır. Bu çalışmada, NaPO3 miktarının hidrometre deney sonuçlarına etkisi deneysel olarak incelenmiş ve zemin tane çaplarının tahmin edilebilmesi amacıyla da deneyde kullanılan NaPO3 miktarı ile hidrometre okuma sürelerinin girdi olarak kullanıldığı ANFIS (adaptive neuro-fuzzy infirence system) yöntemiyle bir model geliştirilmiştir. 2. Malzeme ve Yöntem 2.1. Malzeme Bu çalışmada kullanılan zemin numunesi Düzce’de tuğla üretimi yapan bir fabrikanın stoklarından alınmıştır. Zemin numunesinin 0.075 mm’ den küçük olan tane çaplarının belirlenebilmesi için hidrometre deneyleri yapılmıştır. Deneylerde ayrıştırıcı madde olarak NaPO3 kullanılmış ve ölçümler 151 H tipi hidrometre ile yapılmıştır. Deneylerde, hazırlanan süspansiyonların pH ve iletkenlik değerleri de ölçülmüştür. Zemin numunesinin mikro yapısının görülebilmesi amacıyla Olympos BX51 model mikroskop kullanılmıştır. Mikroskopla numunenin incelenebilmesi için numune üzerine entellin damlatılarak cam üzerine yayılmış
ve lamel ile kapatılmıştır. Mikroskopla elde edilen görüntü 100 kat büyüklük sağlamış olup Şekil 1’ de gösterilmiştir.
Şekil 1. Numunenin mikroskopla 100 kat büyütülmüş görüntüleri.
Mikroskobik yapıyla birlikte zemin numunesinin kimyasal yapısının belirlenebilmesi amacıyla kimyasal analiz yapılmış olup analiz sonuçları Çizelge 1’ de gösterilmiştir
Çizelge 1. Zemin numunenin kimyasal yapısı
Al2O3 SiO2 Na2O K2O CaO 20.73 51.82 0.74 3.71 3.74
Fe2O3 MgO SO3 L.O.I Toplam 6.50 1.74 1.19 9.4 99.57
2.2. Yöntem Tane dağılımlarının belirlenmesinde kullanılan hidrometre deneyi Stoke yasasına göre yapılmaktadır. Zeminin tane çaplarının hesaplanmasında; geçen süre, hidrometre okumasının yapıldığı derinlik, menüsküs düzeltmesi, ayrıştırıcı madde düzeltmesi ve “K” katsayısı (süspansiyonun ölçüm yapıldığı andaki sıcaklığı ve numunenin özgül ağırlığına bağlı bir katsayı) değerleri kullanılmıştır. Hidrometre deneylerinde zemin tanelerinin özgül ağırlıklarının aynı olduğu kabul edilmekte ve yer çekiminden dolayı süspansiyon içindeki büyük tanecikler küçük olan taneciklere göre daha hızlı çökmektedirler.
Çöken tanelerin çapları aşağıda ifade edilen Stoke yasası ile hesaplanabilmektedir.
TLK=D (1)
D: Zemin taneciklerinin çapı (mm), K: Süspansiyon sıcaklığı ve zeminin özgül ağırlığına bağlı bir katsayı. L: Hidrometre okumasının yapıldığı andaki efektif derinlik (cm), T: Deneyin başlangıcından itibaren hidrometre okumasının yapıldığı ana kadar geçen süre (dakika). Hidrometre deneyleri için tuğla fabrikasından alınan numune 4800 gr olup oldukça ince tanelidir. Alınan numune etüvde kurutulmuş ancak lastik tokmakla ezme işlemine gerek duyulmadığı için bu işlem yapılmamıştır. Numuneler yarılama metoduyla gruplara ayrılmışlardır. Numune 200 numaralı elekten elendikten sonra her deney serisi için elek altında kalan kısımdan yine yarılama metoduyla 30’ar gr alınarak hidrometre deneyleri yapılmıştır. 0, 10, 20, 30, 40, 50 ve 60 gr NaPO3 kullanılarak her bir NaPO3 miktarı için ayrı ayrı olmak üzere 1 lt’ lik çözeltiler hazırlanmış ve hidrometre deneyleri TS 1900–1–2 standardına uygun olarak yapılmıştır [21]. Hidrometre deney sonuçlarından elde edilen veriler kullanılarak zemin örneğinin tane çapları hesaplanmıştır. Zemin tane çaplarının tahmin edilebilmesi amacıyla da deney parametrelerinin girdi olarak kullanıldığı ANFIS (Adaptive Neuro-Fuzzy Infirence System) yöntemi kullanılmıştır. 3. Hidrometre deney sonuçları Hidrometre deney sonuçları, NaPO3 miktarı ve geçen süreye bağlı olarak gruplandırılmış ve tablo halinde gösterilmiştir. Deneylerde 50 gr NaPO3 kullanıldığında sadece 260’ncı dakikada okuma yapılabilmiş, 60 gr kullanıldığında ise hidrometre okuması yapılamamıştır. Bu nedenle, deneylerde geçen süre ve NaPO3 miktarına bağlı olarak hesaplanan tane çapları Çizelge 2’ de gösterilmiştir.
Çizelge 2. Geçen süre ve NaPO3 miktarına göre tane çapları
NaPO3
Miktarı (gr) Geçen süre
(Dakika) 1 2 5 10 15 30 60 120 260
0 Tane çapıa 47.66 34.74 22.39 16.56 13.75 9.80 6.98 4.97 3.25 10 Tane çapıa 42.37 30.39 19.46 13.90 11.40 8.10 5.81 4.14 2.99 20 Tane çapıa 37.23 26.80 17.19 12.35 10.17 7.41 5.25 3.81 2.60 30 Tane çapıa 0 23.09 14.62 11.10 9.14 6.47 4.88 3.44 2.38 40 Tane çapıa 0 0 0 10.38 8.54 6.29 4.53 3.32 2.38 a. Tane çapının birimi (x10-3) mm olarak alınmıştır.
4. ANFIS (Adaptive neuro-fuzzy infirence system) Bulanık çıkarım sistemi, temel olarak üç kavramsal bileşenden oluşmaktadır. Bunlar; bulanık kurallarının toplamından oluşan kural tabanı, üyelik derecelerin tanımlanmasında kullanılan veri tabanı, sistem giriş ve çıkışlarından kuralların toplanması ve uygun sonuçların üretilmesi işlevini gören çıkarım mekanizmasıdır [22, 23].
BM ile modellemede işleyiş, giriş değişkenlerinin üyelik derecelerinin belirlenmesi, kuralların oluşturulması, bu kurallardan çıkış karakteristiklerinin belirlenmesi, çıkış üyelik fonksiyonlarına geçiş ve en son adım olarak bu sistem çıkışının elde edilmesi şeklindedir. BM ile modellemede en önemli adım giriş/çıkış değişkenlerinin üyelik derecelerinin belirlenmesidir. Son yıllarda, YSA ve BM yöntemlerinin birlikte kullanılmasından oluşan USBM
2226
Özgan, E.
yöntemi kullanılmaktadır. USBM, YSA’ın öğrenme yeteneğini kullanarak giriş ve çıkış değişkenlerini ilişkilendirmekte ve bulanık kurallar oluşturulmaktadır. Bu çalışmada, model parametrelerinin belirlenmesinde “eğim düşümü” yöntemi ve “en küçük kareler” yöntemlerinin birleşiminden oluşan “hybrid” öğrenme algoritması kullanılmıştır. Eğim düşümü yöntemi, lineer olmayan giriş parametrelerinin düzenlenmesinde, en küçük kareler yöntemi ise lineer çıkış parametrelerinin düzenlenmesinde kullanılmaktadır [Nayak ve diğ., 2004b [24]; Firat ve Güngör, 2007 [25]. Eğim düşümü yöntemi, modellemede ağ hatasını en küçük yapacak şekilde ağırlık katsayılarının değiştirilmesi ve güncelleştirilmesi için kullanılmaktadır. Hybrid öğrenme algoritması yardımıyla, giriş üyelik fonksiyonu parametrelerinin ve çıkış üyelik fonksiyon parametreleri güncellenmekte ve en uygun değerler elde edilmektedir. Literatürde en çok kullanılan bulanık mantık çıkarım sistemi, Mamdani çıkarım sistemi ve Sugeno bulanık çıkarım sistemidir. İki sistemi birbirinden ayıran en önemli özellik çıkış değişkenlerinin tanımlanmasıdır. Bu çalışmada, “Sugeno” bulanık mantık çıkarım yöntemi kullanılmıştır. Bulanık çıkarım sisteminin genel yapısı Şekil 1’deki gibi verilmektedir. Bulanık çıkarım sisteminde çıkış değişkeni iki şekilde tanımlanır. Bunlar, “sabit bir katsayı- 0. dereceden Sugeno model” ya da giriş değişkenlerine bağlı “bir fonksiyon 1. dereceden Sugeno model” dir.
Şekil 1. Bulanık çıkarım sisteminin genel yapısı. 4.1. ANFIS Mimarisi ANFIS yapısı, Sugeno tipi bulanık sistemlerin, sinirsel öğrenme kabiliyetine sahip bir ağ yapısından oluşmaktadır. Bu ağ, her biri belli bir fonksiyonu gerçekleştirmek üzere, katmanlar halinde yerleştirilmiş düğümlerin birleşiminden oluşmuştur [26–27]. Aşağıdaki şekilde iki giriş ve 1 çıkış değişkenine sahip uyarlanabilir sinirsel bulanık mantık (USBM) sisteminin yapısı gösterilmektedir (Şekil 2). İki girişli bir yapı için 1. dereceden USBM sisteminin kuralları aşağıdaki gibi yazılabilir. Kural 1: Eğer x is A1 ve y is B1 ise f1 = p1 * x + q1 * y + r1 Kural 2: Eğer x is A2 ve y is B2 ise f2 = p2 * x + q2 * y + r2 Burada, x ve y; bulanık olmayan giriş değerleri, p1, q1,r1, p2, q2 ve r2 ise çıkarım sisteminin çıkış fonksiyonunun parametreleridir. USBM’ nin genel mimarisi Şekil 2’ de gösterilmiştir.
Şekil 2. USBM sisteminin yapısı. Giriş düğümü (Tabaka 1): Bu tabakadaki her bir düğüm, giriş değişkenlerinin üyelik fonksiyonlarını göstermekte ve her bir düğüm çıkışı O1
i aşağıdaki şekilde hesaplanır; O1
i=μA(x) i=1, 2 O1i=μBi-2 (y) i=3,4 (2)
Burada, μAi ve μBi ; Ai ve B
Kural düğümü (Tabaka 2): Bu tabakadaki her bir düğüm AND/OR operatörleri kullanılarak Π ile gösterilen giriş sinyalleri çarpılır ve ateşleme kuvveti O2
i elde edilir. Oi
2 = wi = μAi (x) μBi ( y), i = 1,2 (3) Bi bulanık setlerinin üyelik
fonksiyonları göstermektedir. Bu çalışmada, “trimf” tipi üyelik fonksiyonu kullanılmıştır.
2227
Özgan, E.
Ortalama düğüm (Tabaka 3): Bu tabakada her bir düğümden elde ateşleme kuvvetleri toplanır ve aşağıdaki denklem yardımıyla normalize edilir.
Tabaka 4: Bu tabakada, her bir düğümün model çıktısına katkısı hesaplanır.
(5) Çıkış düğümü (Tabaka 5): Bu tabakada, sistemin genel çıkışı hesaplanır ve durulaştırma işlemi ile bulanık değerden kesin değere dönüştürülür (28).
5. ANFIS ağının Probleme uygulanması Bu çalışmada, adaptif ağ yapısına dayalı bir sinirsel-bulanık çıkarım modeli oluşturularak 75 mikrondan daha küçük zemin tane çaplarının tahmin edilebilmesi amaçlanmıştır. Bu amaçla hidrometre deneylerinde okuma süreleri (dakika) ve sodyum hegzametafosfat (NaPO3)
miktarının girdi ve tane çapının da çıktı olarak kullanıldığı bir model oluşturulmuştur. Modelin eğitim için 40 ve modelin denenmesi için ise 10 veriden oluşan veri seti kullanılmıştır. Modelin eğitiminde hybrit (melez) öğrenme algoritması kullanılmış ve eğitim için epok sayısı 100 olarak seçilmiştir. Üyelik fonksiyon sayısı her bir giriş değişkeni için 5 olup kural sayısı ise 25 (5x5)’dir. Modelde node (düğüm) sayısı 75, lineer parametre sayısı 75, non-lineer parametre sayısı 30, toplam parametre sayısı 105 olarak gerçekleştirilmiştir. Modelin hata değeri 3.537 olarak gerçekleşmiştir. Üyelik fonksiyonları “trimf”, çıktı üyelik fonksiyonu lineer özellikte olarak, girdi üyelik fonksiyonu sayısı da 5 olarak seçilmiştir. 7. Sonuç ve öneriler Hidrometre deney sonuçlarından, zemin tane çaplarının deneyde kullanılan sodyum hegzametafosfat miktarı ile geçen zamana bağlı olarak çok farklı değerler aldığı görülmüştür. Standartta belirtilen referans değerle (40 gr NaPO3) karşılaştırıldığında; NaPO3 hiç kullanılmadığı zaman hesaplanan tane çapının referans değerden yaklaşık 4,5 kat daha büyük, 10 gr
kullanıldığında 3,9 kat daha büyük, 20 gr kullanıldığında 3,4 kat daha büyük ve 30 gr kullanıldığında ise 2,1 kat aha büyük olduğu görülmüştür.
rına göre tahmin ettiği tane büyüklükleri rilmiştir.
Çizelge 3. Model için deney ve tahmin sonuçları.
Geçen
(dakika)M ı
(gr) (x10-3 mm)
tahm ilen
(x1 )
d Toplam 40 adet deney verisiyle; “NaPO3 miktarı” ve “hidrometre okuma süreleri”nin girdi, “zemin tane çapı”nın ise çıktı olarak kullanıldığı ANFIS metoduyla tahmin modeli oluşturulmuştur. Bu modelin eğitiminde 30 veri kullanılmış geri kalan 10 veri ise oluşturulan tahmin modelinin deney sonuçlarını hangi hassasiyetle tahmin edebildiğini görmek amacıyla (modelin test edilmesi amacıyla) kullanılmıştır. Oluşturulan modele sadece 30 tane verinin girdileri ve çıktıları öğretilmiş olup geri kalan 10 verinin girdileri ve çıktıları ise modele öğretilmemiştir. Modelin test edilmesi amacıyla kullanılan 10 veriye ait girdiler (geçen süre ve NaPO3 miktarı) ve çıktı (zeminin tane çapı) Çizelge 3’ de ilk üç sütunda gösterilmiştir. Çizelge 3’ün son sütununda ise ANFIS ile oluşturulan tahmin modelinin her bir geçen süre ve NaPO3 mikta
60 40 4,53 3,93 Laboratuarda yapılan deneyler sonucunda elde edilen zemin tane büyüklükleri ile ANFIS metoduyla oluşturulan model kullanılarak tahmin edilen zemin tane büyüklükleri arasında istatistiksel olarak anlamlı bir ilişki olup olmadığını görmek amacıyla korelasyon analizi yapılmıştır. Korelasyon analizde, Çizelge 3’ün üçüncü sütununda gösterilen tane büyüklükleri ile dördüncü sütununda bulunan tahmin değerleri kullanılmıştır. Korelasyon analizinde elde edilen R2 değeri iki veri arasındaki ilişkinin gücünü ifade etmektedir ve bu değer -1 ile +1 arasında değişmektedir. Değerin pozitif olması pozitif ilişkiyi, negatif lması ise negatif ilişkiyi göstermektedir.
5 ile +1” arasında ise iki veri arasında çok iyi bir
ile +0,85 arasında ise iki veri arasında iyi bir
işki var, 2= “0 ile +0,5” arasında ise zayıf bir ilişki var,
denilmektedir.
o R2= “+1” ise iki veri arasında mükemmel bir ilişki var, R2= “+0,8ilişki var, R2= +0,70ilişki var, R2= +0,5 ile +0,7 arasında ise orta düzeyde bir ilR
2228
Özgan, E.
Çizelge 3’deki veriler kullanılarak çizilen Şekil3’ deki grafiğin “x” ekseninde deney sonucu bulunan ve yukarda ki çizelgede gösterilen zemin tane büyüklükleri yer alırken “y” ekseninde ise ANFIS metoduyla tahmin edilen tane büyüklükleri yer almıştır.
y = 1,04x - 0,05R2 = 0,91
0
5
10
1520
25
30
35
0 5 10 15 20 25 30 35Deney sonuçları (x)
Tahm
in s
onuç
ları
(y)
Şekil 3. Deney ve tahmin sonuçları arasındaki ilişki Şekil 3’den görüleceği gibi laboratuarda elde edilen zemin tane büyüklükleri ile ANFIS metoduyla tahmin edilen zemin tane büyüklükleri arasındaki korelasyon katsayısı R2=0.91’ dir. Buradan oluşturulan modelinin tahmin ettiği zemin tane büyüklükleri ile deneyler sonucunda bulunan tane büyüklükleri arasında çok iyi bir ilişki olduğu anlaşılmaktadır. Diğer taraftan deney sonuçlarının (x) bilindiği bir durumda oluşturulan modelin yapacağı tahmininin (y) hesaplanabilmesi amacıyla regresyon analizi yapılmış ve deney sonuçlarının bağımsız değişken, tahmin sonuçlarının ise bağımlı değişken olarak kullanıldığı birinci dereceden bir denklem elde edilmiştir. Bu denklemle deneyle belirlenen zemin tane büyüklüğüne bağlı olarak modelin tahmin edeceği tane büyüklüğü hesaplanabilecektir. Sonuç olarak, uyarlamalı ağ yapısına dayalı bir sinirsel-bulanık çıkarım modeli oluşturularak 75 mikrondan daha küçük zemin tane çaplarının geçen süre ve sodyum hegzametafosfat (NaPO3) miktarının girdi, tane çapının da çıktı olarak kullanıldığı bir model oluşturulmuş ve oluşturulan modelin bu girdilerle zemin tane büyüklüklerini tahmin etmek amacıyla kullanılabileceği gösterilmiştir. Kaynaklar [1] Gee, G.W., and Bauder, J.W.,. “Particle-size analysis”.
In: A. Klute et al., Editors, Methods of Soil Analysis Part 1, Physical and Mineralogical Methods (second ed.), ASA, Inc., Madison, WI:383–411. 1986.
[2] ASTM E100-95 Standard Specification for ASTM Hydrometers, 2001.
[3] Day, P.R., “Particle fractionation and particle-size analysis”. In: C.A. Black et al., Editors, Methods of Soil Analysis, Part 1:545–567. 1965.
[4] ASTM, American Society for Testing and Materials, Standard Test Method for Particle-Size Analysis of Soils. D422-63 (1972). 1985 Annual Book of ASTM Standards 04.08:117–127, 1985.
[5] Kura, G., ve Ohashi, S., “Complex formation of cyclic phosphate anions with bivalent cations”, J. Inorg. Nucl. Chem, Cilt 36, 1605–1609, 1974.
[6] Martel, A.E., and Smith, R. M., “In Critical Stability Constants: Inorganic Complexes” Plenum Press, New York, USA, Cilt 4, 70, 1976.
[7] Corbridge, D. E.C., “Condensed phosphates. In Studies in Inorganic Chemistry 2”, Phosphorus, Elsevier:134–135, 1980.
[8] Thilo, E., “The structural chemistry of condensed inorganic phosphate”, Angew. Chem. Int. Ed, Cilt 4, No 12, 1061–1071, 1965.
[9] Manfredini, T., Pellacani, G.C., Pozzi, P., ve Corradi, A.B., “Monomeric and oligomeric phosphates as deflocculants of concentrated aqueous clay suspensions”, Appl. Clay Sci., Cilt 5, 193–201, 1990.
[11] Keren, R., “Effect of clay charge density and adsorbed ions on the rheology of montmorillonite suspensions”, Soil Sci. Am. J., Cilt 53, 25–29, 1989.
[13] Lagalay, G., “Principles of flow of kaolin and bentonite dispersions”, Appl. Clay Sci., Cilt 4, 105–123, 1989.
[14] Volzone, C., Garrido, L.B., “The effect of some physico-chemical and mineralogical properties on the Na2CO3 activation of Argentine bentonites”, Appl. Clay Sci., Cilt 6, 143–154, 1991.
[15] Buchan, G.D., Grewal, K.S., Robson, A.B., “Improved models of particle size distribution: an illustration of model comparison techniques”, Soil Sci. Soc. Am. J., Cilt 57, 901–908, 1993.
16] Huertas, F.J., Chou, L., Wollast, R., “Mechanism of kaolinite dissolution at room temperature and pressure”, Part II: kinetic study, Geochim. Cosmochim. Acta Cilt63, No 19-20, 3261–3275, 1999.
[17] Yıldız, N., Sarıkaya, Y., ve Çalımlı, A., “The effect of the electrolyte concentration and pH on the rheological properties of the original and the Na2CO3-activated Kütahya bentonite”, Applied Clay Science, Cilt 14, No 5-6, 319-327, 1999.
[18] Hwang, I.S., Kwang P.L., Dong S.L., ve Susan E. Powers., “Models for estimating soil particle-size distributions”, Soil Sci. Soc. Am. J., Cilt 66, 1143–1150, 2002.
[19] Filgueira et al., “Time–mass scaling in soil texture analysis”, Soil Sci. Soc. Am. J., Cilt 67, 1703–1706, 2003.
[20] Andreola, F., Castellını E., Manfredını T., ve Romagnolı M., “The role of sodium hexametaphosphate in the dissolution process of kaolinite and kaolin”, Journal of the European Ceramic Society, Vol.24, No 7, 2113-2124, 2004.
[21] TS 1900-1-2, İnşaat mühendisliğinde zemin laboratuar deneyleri - Bölüm 1: Fiziksel özelliklerin tayini, Bölüm 2: Mekanik özelliklerin tayini, 2006.
[22] Chang F.J. Chang Y.T. 2006. Adaptive neurofuzzy inference system for prediction of water level in reservoir. Advances in Water Resources. 29: 1-10
[23] Şen, Z. Mühendislikte Bulanık (Fuzzy) Mantık ile Modelleme Prensipleri, ISBN:9756455101, 193 p, Su Vakfı Yayınları, 2004.
[24] Nayak, P.C., Sudheer, K.P., Rangan, D.M., ve Ramasastri, K.S. “A Neuro Fuzzy computing technique for modeling hydrological time series”, Journal of Hydr., 29, 52–66, 2004b.
[25] Firat M, ve Güngör M. “River Flow Estimation using Adaptive Neuro-Fuzzy inference System”, Mathematics and Computers in Simulation, 75(3-4), 87-96, 2007.
[26] Tsoukalas, L. H. , Uhrıg, R.E., “Fuzzy And Neural Approaches in Engineering”, Jhon Wiley & Sons , Inc, New York, 1996.
[27] Özçalık, R., H., Uygur, F., A., “Dinamik Sistemlerin Uyumlu Sinirsel-Bulanık Ağ Yapısına Dayalı Etkin Modellenmesi”, KSÜ Fen ve Mühendislik Dergisi” 6(1), 2003. [28] Fırat M., Yurdusev M.A., Mermer M., “ Uyarlamalı
Sinirsel Bulanık Mantık Yaklaşımı İle Aylık Su Tüketiminin Tahmini” Gazi Üniv.Müh.Mim.Fak.Der. Cilt:23, No:2, 449-457, 2008.
2230
5. Uluslararas leri Teknolojiler Sempozyumu (IATS’09), 13-15 May s 2009, Karabük, Türkiye
NERAL KATKI ÇEREN BETONLARIN SERTLE ME SÜRELER NBEL RLENMES NDE BULANIK MANTIK YAKLA IMI
FUZZY LOGIC APPROACH AT DETERMINING THE SETTING TIMEOF THE CONCRETE INCLUDING MINERAL ADMIXTURE
Serkan SUBA I a, Ahmet BEYC LU b ve Mehmet Emiro lu c
a Düzce Üniversitesi, Teknik E itim Fakültesi, Yap E itimi Bölümü, Düzce, Türkiye, [email protected] Düzce Üniversitesi, Teknik E itim Fakültesi, Yap E itimi Bölümü, Düzce, Türkiye, [email protected]
c Düzce Üniversitesi, Teknik E itim Fakültesi, Yap E itimi Bölümü, Düzce, Türkiye, [email protected]
Özet
Betonlarda sertle me süreleri beton bile imindekullan lan ba lay lar ve ba lay k özelli i gösterenmalzemeler ile orant r. Bilindi i gibi uçucu küllerba lay k özelli i kazanabilen mineral katk lard r vebeton teknolojisinde çimento ikame veya ilavemalzemesi olarak yo un olarak kullan lmaktad r.
Bu çal mada, içerisinde %5, %10, %20 ve %30oranlar nda uçucu kül ikamesi yap lan betonkar mlar n priz alma esnas nda belirli dayan mlaraula süreler belirlenmi ve bu süreler kullan larakbulan k mant k yöntemiyle sertle me süresi tahminmodeli geli tirilmi tir. Geli tirilen modelin güvenilirli inibelirlemek amac yla model sonuçlar deneysel olarakelde edilen veriler ile kar la lm r.
Sonuç olarak modelden elde edilen bulgular deneysonuçlar ile kar la ld nda model ve deneysonuçlar aras nda yüksek oranda bir ili ki oldu ugörülmü tür.
Anahtar kelimeler: Uçucu Kül, sertle me süresi,penetrasyon dayan , bulan k mant k..Abstract
Setting time of the concrete was proportional with thebindings used in the mix design of the concrete andmaterials which reflected the binding properties. Asknown, fly ashes were mineral admixtures indicatedbinder properties and used commonly as additivematerial or cement substitution in cement technology.
In this study, setting time of the concrete mixtureshaving 5%, 10%, 15%, 20% and 30% amount of the flyash substitution, were determined and setting timeestimation model were developed using fuzzy logicmodel. For determining the reliability of the developedmodel, the model results and the experimental resultswere compared.
As a result, when investigating the relationshipbetween the experimental and the model results it isseen that there was a highly relationship between theexperimental and the model results.
Keywords: Fly ash, setting time, penetrationresistance, fuzzy logic
1. Giri
Uçucu küller silisli ve alüminli amorf yap ya sahipolduklar ve çok ince taneli olarak elde edildikleri için,aynen ince taneli do al puzolanlar gibi, puzolaniközellik göstermekte ve kalsiyum hidroksitle suluortamlarda birle tiklerinde, hidrolik ba lay a sahipolmaktad rlar. Bu nedenle, hem kompoze çimentoüretiminde, hem de beton katk maddesi olarakdo rudan kullan lmaktad rlar [1-3]. Uçucu külün betonkar nda kullan taze ve sertle mi betonunözellikleri üzerinde belirgin etkiler olu turur [2]. Tazebetonun su ihtiyac , i lenebilirli i, priz zaman ,bitirilebilme özelli i, hidratasyon gibi özellikleriuçucu külün kullan sonucu etkilenirler [4].Sertle mi betonun dayan m ve dayan kl k özellikleride uçucu külün beton kar nda kullan lmas ylaetkilenen önemli beton özellikleridir [5].
Di er taraftan beton kar haz rland ktan sonratl bir süre içerisinde dökümü gerçekle tirilmek
zorundad r [1]. Puzolan katk lar n betonlar n prizsürelerini artt rd bilinmektedir [4,6]. Ayn ekildepuzolan katk betonlar n di er katk z betonlara göredayan m kazanma sürelerinin artt birçok ara rmactaraf ndan tespit edilmi tir[2,6]. Özellikle a s cak veso uk havalarda betonun dökümü gerçekle tirildiktensonraki dayan m kazanma h n bilinmesi önem arzetmektedir. aat yap m sürecinin sorunsuz ve h zlbir ekilde devam edebilmesi için beton kal p almasürelerinin do ru belirlenmesi ve beton yeterlidayan ma ula ktan sonra kal p sökümününgerçekle tirilmesi gerekmektedir [7,8].
Taze betonun priz süresinin belirlenmesine dairönerilen çok say da deney yöntemi bulunmaktad r.Bunlar, betonun k vam ndaki de ikli i, betonagönderilen titre imin dalga h , terlemeyi,hidratasyon de ikli ini, hacim de ikli ini vepenetrasyona kar betonun direncini ölçmeyi esasalan de ik deney yöntemleridir [1].
Çal mada penetrasyon yöntemi ile taze betonsertle me sürelerinin uçucu kül ikame miktar na baolarak bulan k mant k yöntemiyle belirlenebilirli iara lm r. Bu amaçla içerisinde farkl oranlar ndauçucu kül ikamesi yap lan beton kar mlar nsertle me süreleri belirlenmi ve elde edilen deneyselbulgular kullan larak bulan k mant k yöntemiyle birtahmin modeli geli tirilmeye çal lm r.
Bulan k mant k, 'kesin do ru' ve 'kesin yanl 'kavramlar aras ndaki 'k smen do ru' kavramkullanmas nedeniyle ikili mant n genelle tirilmihalidir. Bulan k mant k kavram n temelini olu turanbulan k küme, üyelik derecelerinin [0,1] aral ndaolmas yla klasik kümeden ayr lmaktad r [9].
Bulan k sistemdeki giri ve ç bulan k kümeleri, tümçal may etkilemektedir. Uygun sonuçlar verebileceksistem için öncelikli ad m, üyelik derecelerinin do rubelirlenmesidir. Bulan k küme olu turulurken çe itliyöntemlerden yararlan lmaktad r. Bunlar, sezgiye baolabilmekte veya çe itli algoritmalar içermektedir.Sezgiye ba olan yöntemde; uzman ki i, bilgisindenyararlanarak bulan k kümeyi olu turmaktad r. Di eryöntemler; sonuç ç karma, s ralama, aç sal bulan kkümeler, yapay sinir a lar , genetik algoritmalar,tümevar m, bulan k istatistik vb. olarak s ralanmaktad r[10,11]. Bu çal mada sezgiye dayal bulan kkümelerin olu turulma yöntemi kullan lm r.
3. Malzeme ve yöntem
3.1.Malzemeler
Ara rmada; Düzce ili Melen Deresi’nden temin edilenrmata agrega kullan lm r. Agrega kar m oranlar
TS 706 ‘da verilen s r de erler aras nda kalacakekilde %20 do al kum, %30 0–5 mm k rma ta , %25
5–15 mm k rma ta ve %25 15–25 mm k rma taolarak düzenlenmi tir [12].
Ba lay olarak CEM I 42,5 N tipi çimentokullan lm r. Deneylerde kullan lan uçucu külOrhaneli Termik Santralinden temin edilmi ve uçucukülün kimyasal bile imi Çizelge 1’ de verilmi tir.
Çizelge 1. Orhaneli uçucu külü kimyasal bile imi vestandartlara uygunluk de erleri
Bu çal mada C 20 s betonlar n üretilmesihedeflenmi tir. Su/Ba lay (S/B) oran üretilecekbetonlar n 28 günlük bas nç dayan göz önüneal narak seçilmi tir. Ön deneyler sonucunda S/Boran n 0,60 olmas na karar verilmi tir. TS 802 ’ de[14] belirtilen kar m suyu ve hava miktarlar al narak,kar m oranlar belirlenmi tir ve deneylerde kullan lan
betonlardaki beton bile enlerinin miktarlar Çizelge 2’de verilmi tir.
Çizelge 2. 1 m3 betondaki malzeme miktarlar
Kar mTürü
Çimento(Kg)
Su(lt)
U.Kül(kg)
Agrega (Kg)rma ta
0-5 5-15 15-25Katk zKar m 350 210 - 1043 426 426
%5Uçucu
Kül332,5 210 17,5 1043 426 426
%10Uçucu
Kül315 210 35 1043 426 426
% 20Uçucu
Kül280 210 70 1043 426 426
%30Uçucu
Kül245 210 105 1043 426 426
3.2. Yöntem
3.2.1. Beton sertle me sürelerinin belirlenmesi
Haz rlanan beton numuneleri üzerinde çökme ve Ve-be deneyleri yap ld ktan sonra taze beton numuneleri15x15x15 cm boyutlar ndaki kal plara 4 mm gözaç kl kl elekten elenerek, penetrasyon dayan mlar nbelirlenmesi amac yla her seri betondan 3 adet olacakekilde dökülmü tür. Beton sertle me sürelerinin tayin
edilmesi amac yla, uygulamada kullan lan farkl deneyyöntemleri aras nda en çok kabul gören yöntemlerdenbiri olan taze betonun penetrasyona kar direncininölçülmesi yöntemi kullan lm r. Beton kar npenetrasyona kar direncinin ölçülmesi yoluyla prizsüresinin tayini TS 2987 (ASTM C 403)’e göreyap lm r [15,16]. Haz rlanan taze beton harcüzerinde 1/4 inç2 161,29 mm2 alana sahip sondauçlu penetrasyon aleti yard yla 0,5 MPa, 1 MPa ve 3MPa dayan ma ula ncaya kadar geçen süreler içinölçümler al nm r. ekil 1’de penetrasyon aleti veuygulama prensibi ematik olarak gösterilmi tir.
ekil 1. Penetrasyon aleti ve uygulama prensibi
2232
Suba , S., Beycio lu A., ve Emiro lu, M.
3.2.2. Bulan k mant k model yap
Penetrasyon aleti ile beton numunelerin 0,5MPa,1MPa ve 3 MPa’l k dayan ma ula sürelerbelirlendikten sonra elde edilen deneysel sonuçlarkullan larak bulan k mant k yöntemiyle bir tahminmodeli geli tirilmi tir.
Geli tirilen modelde uçucu kül ikame miktar için5,sertle me sürelerinin belirlenmesi için tayin edilenpenetrasyon dayan için ise 4 adet üyelik fonksiyonuseçilmi tir. Ayr ca ç kt parametresi olan sertle mesüresi için ise 12 adet üyelik fonksiyonu belirlenmi tir.
Çal mada olu turulan 2 girdili ve 1 ç kt bulan kmant k modelinin genel yap ekil 2’degörülmektedir. Ayr ca modelde girdiler ve ç kt içinolu turulan üyelik fonksiyonlar n tan mlar Çizelge3’te verilmi tir.
ekil 2. Geli tirilen bulan k mant k modelinin genelyap
Çizelge 3. Olu turulan modelde girdiler ve ç kt nüyelik fonksiyonlar n tan
Her bir seriden 3 farkl numune üzerinde yap lanpenetrasyon yöntemi ile priz süresi tayini deneyisonucu elde edilen ortalama de erler Çizelge 4’ deverilmi tir.
Çizelge 4. Sertle me sürelerine ait aç klayistatistikler
Elde edilen deney verileri üzerinde gerçekle tirilenvaryans analizleri sonucunda her bir penetrasyondayan nda uçucu kül ikame miktarlar aras ndasertle me süreleri bak ndan istatistiksel anlamdaönemli fark oldu u görülmü tür. Uçucu kül ikamemiktar artt kça beton sertle me sürelerinde önemli birart n oldu u, uçucu külün beton sertle mesinigeciktirdi i görülmektedir. Sertle me süresi, uçucu külikame miktar ve penetrasyon dayan aras ndakiili ki grafi i ekil 3’te verilmi tir.
ekil 3. Sertle me süresi, uçucu kül ikame miktar vepenetrasyon dayan aras ndaki ili ki grafi i
4.2. Bulan k Mant k Bulgular
Geli tirilen bulan k mant k modelinde girdiler ile ç ktaras ndaki etkile imi yans tacak olan kurallar, kuraltaban nda olu turulmu tur. rl k merkezidurula rma yöntemi ile model sonuçlar al nm r.
2233
Suba , S., Beycio lu A., ve Emiro lu, M.
Deneysel olarak bulunan penetrasyon verileri vebulan k modelin tahmin etti i veriler aras ndaki
le me ekil 4’ de görülmektedir.
15131197531
Numune No
400
375
350
325
300
275
250
225
200
175
Sert
lem
e Sü
resi
(dak
.)
deneybulan k
ekil 4. Model sonuçlar ile deney sonuçlar aras ndakile me grafi i
Her bir uçucu kül ikame miktar nda ve her birpenetrasyon dayan nda model ve deney sonuçlararas nda regresyon analizleri gerçekle tirilmi tir. Bütünuçucu kül ikame miktarlar için deney-bulan k modelverileri aras ndaki ili ki grafikleri ekil 5-6-7-8-9’dagörülmektedir.
0
50
100
150
200
250
300
350
0,5 1 3
Penetrasyon dayan (MPa)
Ser
tlem
e sü
resi
(dk)
bulan k mant k deneysel
ekil 5. Uçucu kül kullan lmayan seride ula lanpenetrasyon dayan ve geçen süre ili kisi (r2=0,98)
0
50
100
150
200
250
300
350
0,5 1 3Penetrasyon dayan (MPa)
Sertl
em
e sü
resi
(dk)
bulan k mant k deneysel
ekil 6. Uçucu kül % 5 olan seride ula lanpenetrasyon dayan ve geçen süre ili kisi (r2=0,99)
0
50
100
150
200
250
300
350
400
0,5 1 3Penetrasyon dayan (MPa)
Sertl
em
e sü
resi
(dk)
bulan k mant k deneysel
ekil 7. Uçucu kül % 10 olan seride ula lanpenetrasyon dayan ve geçen süre ili kisi (r2=0,97)
0
50
100
150
200
250
300
350
400
0,5 1 3Penetrasyon dayan (MPa)
Sertl
em
e sü
resi
(dk)
bulan k mant k deneysel
ekil 8. Uçucu kül % 20 olan seride ula lanpenetrasyon dayan ve geçen süre ili kisi (r2=0,97)
2234
Suba , S., Beycio lu A., ve Emiro lu, M.
0
50
100
150
200
250
300
350
400
0,5 1 3Penetrasyon dayan (MPa)
Sertl
em
e sü
resi
(dk)
bulan k mant k deneysel
ekil 9. Uçucu kül % 30 olan seride ula lanpenetrasyon dayan ve geçen süre ili kisi (r2= 0,97)
Çal mada geli tirilen bulan k mant k modeli ile deneysonuçlar aras ndaki çoklu belirleyicilik katsay larincelendi inde; bütün beton serilerinde deney vemodel sonuçlar aras nda 0,97 ile 0,99 aras ndade en çoklu belirleyicilik katsay lar n ortaya ç ktgörülmektedir. Sonuçlar, bütün uçucu kül ikamemiktarlar nda olu turulan bulan k mant k modelinindeneysel olarak elde edilen sertle me sürelerine çokyak n de erler verdi ini göstermektedir.
5. Sonuçlar
Çal mada mineral katk içeren betonlar n sertle mesürelerinin belirlemek amac yla içerisinde %5, %10,%20 ve %30 oranlar nda uçucu kül ikamesi yap lanbeton kar mlar haz rlanm r. Haz rlanan numunelerüzerinde priz alma esnas nda belirli dayan mlaraula süreler belirlenmi ve bu süreler kullan larakbulan k mant k yöntemiyle sertle me süresi tahminmodeli geli tirilmi tir. Geli tirilen modelin güvenilirli inibelirlemek amac yla model sonuçlar deneysel olarakelde edilen veriler ile kar la lm r.
Sonuç olarak bütün beton serilerinde bulan k mant kmodeli deney sonuçlar yüksek oranda ba ar iletahmin etmi tir. Sertle me sürelerinin belirlenmesindebeton sertle me sürelerine etki eden bütünparametrelerin göz önünde bulunduruldu u dahakapsaml bulan k modeller ile beton priz ba lang ç vebiti sürelerinin belirlenebilece i görülmü tür.
Kaynaklar
[1]. Turhan, Y.E., “Beton”, ODTÜ Geli tirme VakfYay nc k ve leti im A. ., Ankara, 2003.
[3]. Baradan, B., Yaz , H, Ün, H., “BetonarmeYap larda Kal k (Durabilite)”, DEÜ. Müh. Fak.Yay n No: 298, DEÜ., 282 sayfa., zmir, 2002.
[4]. Neville, A. M., “Properties of Concrete”, 4. Bask ,Longman Group Ltd., 303-306, 391-394, 504-505, 581-585, 605-609, 610-624, 2002.
[5]. Karahan, O., Liflerle Güçlendirilmi Uçucu KüllüBetonlar n Özellikleri, Çukurova Üniversitesi FenBilimleri Enstitüsü Doktora Tezi, Adana, 2006.
[6]. Yaz , H., Yüksek Hacimde C S Uçucu Külçeren Betonlar n Mekanik Özellikleri ve Sülfürik
Asit Dayan kl , Pamukkale ÜniversitesiMühendislik Bilimleri Dergisi, Cilt: 11, Say : 3,Sayfa: 443-448, Denizli, 2005.
[7]. .B. Topçu, Maturity in fresh concrete anddetermination of stripping time for differentcement mortars, 17th International Congress ofthe Precast Concrete Industry (BIBM), TurkishPrecast Concrete Association, Istanbul, Turkey,2002.
[8]. .B. Topçu, A. Akman, Kal p Sökme SürelerininOlgunlukla Belirlenmesi, Kocaeli DepremSempozyumu, Özler Kitab , s.159, 23-25, 2005.
[9]. Toydemir, P., Sezgin, H., enyer, N., “Bulan kKüme Üyelik Derecelerinin Yapay Sinir A lar nali kin Hatan n Geri Yay Yöntemi Kullan larak
[10]. Suba S., Beycio lu A., Emiro lu, M., 2008."Hafif Betonlarda Donat Aderans Dayan nBulan k Mant k Yöntemiyle Modellenmesi" Ak llSistemlerde Yenilikler ve UygulamalarSempozyumu, Süleyman Demirel Üniversitesi,Isparta, 2008.
[11]. Suba S., Beycio lu A., Emiro lu, M., “Genle tirilmi Kil Agregal Hafif BetonlardaBulan k Mant k Yöntemiyle Yarmada ÇekmeDayan Tahmin Modeli Geli tirilmesi”, BilimdeModern Yöntemler Sempozyumu- BMYS'2008,15 - 17 Ekim 2008, Eski ehir OsmangaziÜniversitesi, 265-273, Eski ehir, 2008.
[12]. TS 706 EN 12620 “Beton Agregalar ”, TürkStandartlar Enstitüsü, Ankara, 2003.
[13]. TS EN 197-1, Genel çimentolar- Birle imözellikleri ve uygunluk kriterleri, 2002.
[14]. TS 802. 1985. Beton Kar HesapEsaslar . Türk Standartlar Enstitüsü, Ankara.
[16]. ASTM C 403, “Standard test method for timeof setting of concrete mixtures by penetrationresistance”, American Society for Testing andMaterials, Pennsylvania, 1999.
2235
5. Uluslararas leri Teknolojiler Sempozyumu (IATS’09), 13-15 May s 2009, Karabük, Türkiye
LL ZEM NLER N SIKI MA ND N STAT KSEL YÖNTEMLERLE VEYAPAY S R A LARIYLA TAHM N ED LMES
DETERMINATION OF COMPRESSION INDEX OF CLAY BEARING SOILSUSING STATISTICAL AND NEURAL NETWORK METHODS
Mehmet ORHANa, Nihat S. I IKb, Mustafa ÖZERc, ve Baran TOPRAKd
a G.Ü.T.E.F Yap E itimi Bölümü, Ankara, Türkiye, E-posta: [email protected].Ü.T.E.F Yap E itimi Bölümü, Ankara, Türkiye, E-posta: [email protected]
cG.Ü.T.E.F Yap E itimi Bölümü, Ankara, Türkiye, E-posta: [email protected].Ü.T.E.F Yap E itimi Bölümü, Ankara, Türkiye, E-posta: [email protected]
Özet
ma indisi (Cc), konsolidasyon deneyinden elde edilenbo luk oran – logaritmik efektif gerilme e risinin e imiolup, killi zeminlerde meydana gelebilecek konsolidasyonoturmas n tahmin edilmesinde kullan lmaktad r. Zeminmekani i literatüründe, ön tasar mda kullanmak amac ylatemel sisteminin ve boyutlar n yakla k olarak h zl birekilde belirlenebilmesi için, indeks özellikleriyle s ma
indisi aras nda geli tirilmi birçok görgül (ampirik) ili kibulunmaktad r. Zeminin likit limit, do al su muhtevas vearazi bo luk oran gibi indeks özellikleriyle s ma indisiniili kilendiren bu e itliklerin baz lar tek de kenli baz larise çok de kenli olup ço unlukla do rusal formdageli tirilmi e itliklerdir. Bu çal mada, taraf zdanyap lm 78 adet deney sonuçlar ndan olu an veri setikullan larak yapay sinir a lar yöntemiyle s ma indisitahmin edilmeye çal lm r. Bu amaçla, likit limit, plastiklimit, do al su muhtevas , kuru birim hacim a rl k, 200 ve4 No.lu eleklerden geçen yüzdeler ve arazi bo luk orangibi 7 farkl indeks özelli inin girdi parametresi olarakkullan ld bir yapay sinir a olu turulmu tur. Bir gizlitabaka ve be gizli tabaka noktas ndan olu an a n e itimiiçin geri besleme algoritmas kullan lm olup, verilerinyakla k % 80’i a e itmek, % 20’si ise do rulamakamac yla kullan lm r. Sonuç olarak, kontrol verilerininRMSE’si 0.03061 olarak hesaplanm olup, yapay sinir
lar yönteminin literatürdeki mevcut e itliklere k yasladaha iyi performans sergiledi i ve s ma indisinin tahminedilmesinde oldukça ba ar sonuçlar verdi i görülmü tür.
Anahtar kelimeler: S ma indisi, killi zeminler,regresyon analizi, yapay sinir a lar
Abstract
The compression index (Cc) which is the slope of the voidratio versus the logarithm of the effective stress curvedetermined from consolidation test, is used to estimate theconsolidation settlement of clayey soils. In thegeotechnical engineering literature, there is large numberof empirical equations related between soil indexproperties and compression index of clayey soils for thepreliminary design purposes. Some of these equationswhich relate to liquid limit, natural water content and initialvoid ratio of the soil with compression index are onevariable, and others multi-variable, and majority of theseequation are linear in form. In this study, it was tried toestimate the compression index using artificial neural
networks with the data set consisting of 78 test data whichwas conducted by us. For this purpose, an artificial neuralnetwork was constructed involving seven index propertiesas input parameters which are liquid limit, plastic limit,natural water content, dry unit weight, weight of soilpassing from No.200 and No.4 sieve, and initial void ratio.This network consists of one hidden layer and five hiddenlayer nodes. Back propagation algorithm was used to trainthe network and approximately 80 % of the data were usedfor training and 20 % were used for validation. As a resultRMSE of the validation data was calculated as 0.03061.Therefore it can be concluded that the artificial neuralnetwork’s prediction performance is superior with respectto empirical equations.
ma indisi (Cc), bo luk oran –logaritmik efektif gerilme(e – log ) e risinin e imi olup, killi zeminlerde meydanagelebilecek konsolidasyon oturmas n tahmin edilmesindekullan lan bir parametredir. Bu nedenle, yap yüklerinita yacak olan temel sistemini ve ölçülerini dolay yla dayap maliyetini do rudan etkilemektedir.
ma indisi, ASTM D2435 (1996) [1], BS 1377-Bölüm 5(1990) [2] veya TS 1900-2 (2006) [3]’ye göre laboratuvardayap lan konsolidasyon deneyiyle belirlenmektedir.Konsolidasyon deneyi, sondaj yoluyla örselenmemi örnekal nmas gerektirdi inden maliyeti yüksek bir deneydir.Bununla birlikte indeks deneylerine göre çok daha uzun (4ile 8 gün) sürmektedir. Bu faktörler, temel tasar hempahal hem de uzun zaman alan bir i lem halinegetirmektedir. Temel sisteminin ve boyutlar n daha h zlbir ekilde yakla k olarak belirlenmesi gerekendurumlarda, örne in ön tasar m a amas nda, s maindisinin kabul edilebilir bir do rulukla tahmin edilmesinisa layan görgül e itliklere gereksinim duyulmaktad r. Buamaçla, birçok ara rmac taraf ndan konsolidasyondeneyine göre daha k sa sürede tamamlanan ve dahaucuz olan indeks deneylerinden elde edilen parametrelerle
ma indisinin tahmin edilmesini sa layan bir çok görgülitlik geli tirilmi tir.
Killi zeminlerde meydana gelen konsolidasyon oturmas , kiltanelerinin su tutma kapasitesine, zeminin maruz kaldgerilme düzeyine, ön konsolidasyon bas nc na, zeminin
geçirimlili ine ve bir miktar da zemin tanelerininabilirli ine ba oldu undan, bu artlar belirleyen
zemin parametreleriyle s ma indisinin do rudan veyadolayl olarak ili kili olmas do ald r. Örne in, likit limitde eri kil tanelerinin su tutma kapasitesinin bir ölçüsüoldu undan, likit limit de eri ve s ma indisi aras nda birili ki olmas beklenmelidir [4]. Bununla birlikte, Atterberglimitleri zeminin kil içeri ini ve mineralojisini, ilksel (arazi)bo luk oran (e0) mevcut gerilme durumunu ve önkonsolidasyon bas nc , do al su içeri i (wn) kil taneleritaraf ndan tutulan suyu ve bo luklarda bulunan serbestsuyu yans tan parametreler oldu undan, bu parametrelerle
ma indisi aras nda belli bir ölçüde ili ki olmasbeklenmelidir. Bunlara ek olarak, doygunluk yüzdesi (Sr),özgül a rl k (Gs) ve do al birim hacim a rl k ( n) gibi di erparametreler de zeminin kuru birim hacim a rl ( d),do al su içeri i (wn) ve bo luk oran yla (e) fiziksel olarakili kilidir.
Zemin mekani i literatüründe yukar da ad geçenparametrelerden likit limit, ilksel bo luk oran , do al suiçeri i, özgül a rl k ve kuru birim hacim a rl kla s maindisini ili kilendiren tek veya çok de kenli bir çok görgül
itlik bulunmaktad r. Tek de kenli e itlikler çokde kenli e itlikler kadar ba ar de ildir. Yayg n olarakkullan lan çok de kenli e itlikler ise Çizelge 1’desunulmu tur.
Çizelge 1. Yayg n olarak kullan lan baz çok de kenliitlikler.
Kaynak itlikAzzouz vd. (1) [5] Cc = 0.37 (e0 + 0.003 LL – 0.34)Azzouz vd. (2) [5] Cc = 0.009 wn + 0.002 LL – 0.10Herrero [6] Cc = -0.156+0.411e0+0.00058LLHerrero (1) [7] Cc = 0.141 Gs ( w/ d)12/5
Herrero (2) [7] Cc = 0.141 Gs1.2 ((1+e0)/Gs) 2.38
Nagaraj ve Murty [8] Cc = 0.2343 (LL/100) Gs
Bu çal man n amac , yayg n olarak kullan lan çokde kenli e itliklerin s ma indisini tahmin etmeperformanslar s namak, klasik istatistik yöntemlerle tekve çok de kenli yeni e itlikler geli tirmek ve yapay sinir
lar (YSA) yöntemiyle s ma indisini tahmin etmeyeçal makt r.
Konsolidasyon deneyleri numune örselenmesine çokduyarl oldu undan yüksek kaliteli örselenmeminumuneler üzerinde yap lmal r [9]. Ancak örnek almatekniklerinden kaynaklanan bir miktar örselenmekaç lmazd r. Bu örselenme, laboratuvar deneyiyle eldeedilen konsolidasyon e risinin, zeminin arazideki gerçekdavran ndan bir miktar sapma göstermesine nedenolmaktad r. Ancak, yap da meydana gelebilecekkonsolidasyon oturmas n do ru tahmin edilebilmesi için,laboratuvarda elde edilen konsolidasyon e risinin, temelyüklerinin etkisiyle arazide olu acak konsolidasyon
risine mümkün oldu unca yak n olmas gerekir. Bununiçin Schmertmann [10], laboratuvarda elde edilenkonsolidasyon e risinden zeminin arazideki konsolidasyon
risini elde etmek için grafiksel bir yöntem önermi tir. Buçal ma kapsam nda kullan lan s ma indisleriSchmertmann [10]’n n yöntemiyle belirlenmi olup, arazi
ma indisini temsil etmektedir.
2. Malzeme ve Yöntem
2.1 Malzeme
Bu çal mada, çe itli projeler kapsam nda Türkiye’ninde ik bölgelerinden sondaj yoluyla al nm toplam 78adet örselenmemi örnek kullan lm olup, bu örneklerüzerinde yap lan deneylerler sonucunda, s ma indisi(Cc), do al su içeri i (wn), do al birim hacim a rl k ( n),kuru birim hacim a rl k ( d), 200 No.lu elekten geçenyüzde (No. 200 p), 4 No.lu elekten geçen yüzde (No. 4 p),likit limit (LL), plastik limit (PL), plastisite indisi (PI), ilkselbo luk oran (e0), özgül a rl k (Gs) ve doygunluk yüzdesi(Sr) gibi parametreler belirlenmi tir.
Mevcut bir e itli in performans n s nanmas ve bütün killizeminler için geçerli olacak yeni bir e itli ingeli tirilebilmesi için, veri taban nda kullan lan örneklerinzemin özellikleri aç ndan geni bir da m göstermesi vezeminlerin genelini yeterli ölçüde temsil etmesigerekmektedir. Örneklerin bu aç dan yeterlili inide erlendirmek için belirli istatistik analizleri uygulanm veher bir parametrenin frekans da ç kart lm r. Çizelge2’de her bir de kene uygulanan belirli istatistik sonuçlargörülmektedir.
Çizelge 2. Veri taban nda kullan lan de kenlerin belirliistatistik sonuçlar .
De ken En az En çok Ort. St. Sap.wn (%) 12.9 62.0 27.4 10.0
Çizelge 2’ye göre veri taban nda bulunan parametreleringeni bir da m gösterdi i ve dolay yla literatürdebulunan mevcut e itliklerin performanslar n
nanmas nda ve yeni e itlikler geli tirilmesinde rahatl klakullan labilece i dü ünülmektedir.
2.2 Yöntem
Konsolidasyon deneyleri ASTM D2435 (1996) [1]’e, di erdeneyler ise ilgili ASTM standartlar na uygun olarakyap lm r. S ma indisleri Schmertmann [10]’n nyöntemiyle belirlenmi tir.
3. Mevcut E itliklerin Performanslar nKar la lmas
Parametre tahmin eden e itliklerin performanslar nnanmas için yayg n olarak “hata kareleri karekökünün
ortalamas ” (root mean square error – RMSE) (E itlik-1)kullan lmaktad r [11].
2237
Orhan, M., I k, N.S., Özer, M., ve Toprak, B.
nCcCc
RMSE2
lab.tahmin (1)
itlik 1’de; Cctahmin görgül e itliklerle tahmin edilen s maindisini, Cclab konsolidasyon deneyiyle belirlenen gerçek
ma indisini, n numune say (78 adet), RMSE isehata kareleri karekökünün ortalamas göstermektedir.RMSE de eri, ele al nan bir e itli in s ma indisini nekadarl k bir hatayla tahmin etti ini yans tmaktad r. Bunedenle, RMSE de eri küçük olan bir e itli in s maindisini tahmin etme performans n yüksek, büyük olan bir
itlin ise daha dü ük oldu unu söylemek mümkündür.
Bu çal ma kapsam nda yap lan deney verileri kullan larak,Çizelge 1’de verilen görgül e itliklerle s ma indislerihesaplanm ve laboratuarda deneysel olarak belirlenengerçek s ma indisleriyle kar la p, E itlik-1 ile RMSEde erleri hesaplanm r. Çok de kenli e itliklerin E itlik-1 ile hesaplanm RMSE de erleri Çizelge 3’de, bu
itliklerin s ma indisini tahmin etme performanslar isegrafiksel olarak ekil 1’de verilmi tir.
Çizelge 3. Çok de kenli e itliklerin RMSE de erleri
Kaynak itlik RMSEHerrero (2) [7] Cc = 0.141 Gs
1.2 ((1+e0)/Gs) 2.38 0.0683Azzouz vd. (2) [5] Cc = 0.009 wn + 0.002 LL – 0.10 0.0748Azzouz vd. (1) [5] Cc = 0.37 (e0 + 0.003 LL – 0.34) 0.0765Herrero [6] Cc = -0.156+0.411e0 +0.00058LL 0.0851Herrero (1) [7] Cc = 0.141 Gs ( w/ d)12/5 0.1006Nagaraj ve Murty[8] Cc = 0.2343 (LL/100) Gs 0.1213
ekil 1. Çok de kenli e itliklerinin performanslar nkar la lmas .
Nagaraj ve Murty [8] e itli inin s ma indisini önemliölçüde yüksek, Herrero (1) [7] e itli inin ise dü ük tahminetti i Çizelge 3 ve ekil 1’den görülmektedir. Herrero (2)[7] e itli inin ise 0.0683 RMSE de eriyle s ma indisinien iyi tahmin eden e itlik oldu u görülmektedir (Çizelge 3ve ekil 1).
4. Yeni E itlikler Geli tirilmesi
Yeni e itliklerin geli tirilmesinde 78 adet örselenmemiörnek üzerinde yap lan deneylerden elde edilenparametreler kullan lm r. Öncelikle bu parametrelerin
birbirleriyle ili kisini belirlemek için korelasyon matrisiolu turulmu tur. Korelasyon matrisine göre s maindisiyle (Cc) do al su içeri i (wn), 200 No.lu elekten geçenyüzde, likit limit (LL) ve ilksel bo luk oran (e0) aras ndagüçlü bir pozitif ili ki oldu u, s ma indisiyle (Cc) do albirim hacim a rl k ( n) ve kuru birim hacim a rl k ( d)aras nda ise güçlü bir negatif ili ki oldu u saptanm r. Buparametreler aras ndaki en iyi ili kiyi belirlemek içindo rusal ve do rusal olmayan regresyon analizleriyap lm ve elde edilen regresyon katsay lar Çizelge 4’deverilmi tir.
Çizelge 4. S ma indisiyle wn , No. 200 p, LL, e0, n ved, aras nda elde edilmi do rusal ve do rusal olmayan
regresyon katsay lar .Parametreler Regresyon katsay lar
Çizelge 4’e göre seçilen parametreler aras nda do rusalve do rusal olmayan güçlü ili kiler bulunmaktad r. Buili kileri de erlendirerek, hem do rusal hem de do rusalolamayan çok parametreli e itlikler geli tirmek için çe itlikombinasyonlar denendikten sonra en büyük regresyonkatsay ve en dü ük RMSE de eri veren e itliklerseçilmi ve Çizelge 5’de listelenmi tir. Çizelge 5’de verilen
itlikler RMSE de erleri küçükten büyü e do ruralanm olup, regresyon katsay lar da bu s ralamayla
uyum içerisinde bulunmaktad r.Yeni geli tirilen e itliklerin RMSE de erlerinin Çizelge 3’desunulan mevcut e itliklerin RMSE de erlerinden dahadü ük oldu u ve bu nedenle s ma indisini daha iyitahmin edebildi i söylenebilir. ekil 2’de yeni geli tirilen
itliklerin s ma indisini tahmin etme performanslargrafiksel olarak sunulmu tur.
ekil 2’den, birkaç veri noktas d nda di er noktalar nhemen hemen 1:1 do rusu etraf nda toplandgörülmektedir. ekil 2’den görülen bu sonuç Çizelge 5’desunulan RMSE de erleriyle uyumludur.
2238
Orhan, M., I k, N.S., Özer, M., ve Toprak, B.
ekil 2. Yeni geli tirilmi baz e itliklerin s ma indisinitahmin etme performanslar .
Çizelge 5. S ma indisini tahmin etmek için geli tirilen yeni e itlikler.
2) + (0.002.wn) + 0.1346 0.351 0.05293 Cc = 0.08357 + (0.003177.wn) – (0.000306.LL) + (0.09697.e0) 0.363 0.05314 Cc = 8.796E-2 + 5.292E-3.wn 0.345 0.05335 Cc = 0.000515.(Gs
6.863).((1+e0)/Gs)1.8249 0.361 0.0568
5. S ma ndisinin Yapay Sinir A lar ylaBelirlenmesi
YSA’lar n temel avantaj çok esnek olmalar ve girdi ilekt lar aras ndaki karma k ili kilerin model yap ve
ba lant a rl klar n de tirilmesiyle belirlenebilmesidir.Buna ilaveten bir di er avantaj da önceden e itilmi bir
n yeni veriler elde edildikçe geli tirilebilmesidir. Buavantajlar na ra men YSA’lar n en önemli dezavantajmatematiksel bir denklem kadar aç k olmamalar r.
YSA’da model geli tirme süreci alt temel a amadanolu maktad r. Bunlar girdi ve ç kt de kenlerininbelirlenmesi, veritaban n e itim ve kontrol verileri olarakgurupland lmas , a yap n belirlenmesi, ba lant
rl klar n optimizasyonu, durma kriterinin belirlenmesive a n do rulanmas olarak s fland labilir.
Bir YSA’dan iyi bir tahmin performans elde edebilmek içingeni bir da m gösteren büyük bir veritabangerekmektedir. YSA’lar e itim verilerinin aral d ndatahmin yapamamaktad r. kinci bölümde de belirtildi i gibibu çal mada kullan lan veri taban geni bir da mgöstermekte ve yeterli say da veri içermektedir. Girdide kenleri olarak wn, d, No 200 p, No 4 p, LL, PL ve e0kullan lm r. Masters [12] taraf ndan önerildi i gibi tümde kenler 1 ve 0 aras nda ölçeklendirilmi tir.
YSA’y olu turmak üzere veritaban e itim seti ve kontrolseti olmak üzere ikiye ay rmak pratikte uygulanan biryöntemdir [13]. Bu çal mada, verilerin yakla k % 80’i
itim, % 20’si ise kontrol amaçl kullan lm r. Hem e itim
hem de kontrol veri seti geni bir s ma indisi aralkapsayacak ekilde seçilmi tir.
yap n belirlenmesi, gizli tabaka ba lant noktalar nbelirlenmesi anlam na gelmektedir. Hornik ve di . [14] tekgizli tabakaya sahip bir a n uygun ba lant a rl klarkullan ld nda herhangi bir sürekli fonksiyonu yeterli biryakla kl kla tahmin edebilece ini göstermi tir. Bu nedenlebu çal mada tek gizli tabakaya sahip bir a yapkullan lm ve gizli tabaka noktalar iyi bir model eldeedilinceye kadar art lm r.
itim a amas s ras nda yani ba lant a rl klar noptimizayonu s ras nda amaç do rusal olmayanoptimizasyon problemine global bir çözüm bulmakt r [15].Geri dönü lü algoritmal , ileri beslemeli YSA’lar en yayg nmetodlard r [16]. Bu nedenle bu çal mada geri dönü ümlüileri beslemeli YSA 0.6 momentum ve 0.8 ö renme h ilekullan r.
Durma kriteri ise e itim sürecinin sonland lma zamanbelirlemek amac yla kullan r. Bu çal mada ortalama hata0.05’in alt na dü tü ünde e itim süreci durdurulmu tur.
ekil 3’de çal mada kullan lan YSA ve ba lant a rl klargösterilmektedir. Çizelge 6 her bir girdi parametresininGarson’un [17] yöntemine göre belirlenen ç kt üzerindekiba l a rl göstermektedir. ekil 4 ise e itim verileriiçin laboratuvarda belirlenen s ma indisi de erlerinekar YSA’n n tahmin etti i de erleri göstermektedir.Kontrol verilerinin RMSE’si 0.03061 olarak hesaplanmolup, bu de er en iyi görgül e itli in (Çizelge 5, E .1)RMSE’sinden daha dü üktür. Bu nedenle YSA’n n tahminperformans n görgül e itliklerden daha iyi oldu usonucuna var lm r.
2239
YazarSoyad 1, YazarBa harfi1. ve YazarSoyad 2, YazarBa harfi2.
Çizelge 6. Her bir girdi parametresinin ç kt üzerindekiba l a rl .
Girdi de kenleri Ba l a rl klarwn 73.61
d 58.92LL 58.46
No. 200 p 56.78e0 50.08PL 44.94
No. 4 p 42.35
ekil 3. YSA’n n mimarisi ve ba lant a rl klar .
ekil 4. E itim verileri için laboratuvarda belirlenen s maindisi de erlerine kar YSA’n n tahmin etti i de erler.
6. Özet ve Sonuçlar
Bu çal mada s ma indisinin tahmininde yayg n olarakkullan lan çok de kenli görgül denklemlerin performansgeni bir da m gösteren 78 adet deney verisi kullan larakde erlendirilmi tir. Elde edilen sonuçlar, zemin tanelerininözgül a rl ve bo luk oran tahmin de keni olarakkullanan Herrero (2) [7] modelinin 0.0683 RMSE ile, çokde kenli modeller içerisinde en iyi performans verdi inigöstermi tir.
Veri taban üzerinde yap lan istatistiksel analizler wn, No200 p, LL, e0, ile s ma indisi aras nda güçlü bir pozitifili ki oldu unu, n, d ve s ma indisi aras nda ise güçlübir negatif ili ki oldu unu göstermi tir. Tek de kenligörgül bir model olu turabilmek için s ma indisi ile enyüksek korelasyon katsay na sahip olan do al sumuhtevas eçilmi tir. S ma indisi ile do al sumuhtevas aras nda ikinci dereceden polinom formunda birili ki ortaya konulmu tur. S ma indisinin tahmin etmekiçin çok de kenli yeni görgül e itlikler de önerilmi tir.
ma indisini tahmin etmek için YSA yöntemi deuygulanm r. Bu amaçla, wn, d, No 200 p, No 4 p, LL, PLve e0 de kenlerinin girdi parametresi olarak kullan ldbir yapay sinir a geli tirilmi tir. Bu a bir gizli tabaka vebe gizli tabaka noktas ndan meydana gelmektedir. A n
itimi için geri besleme algoritmas kullan lm r. Verilerinyakla k % 80’i a e itmek, % 20’si ise do rulamakamac yla kullan lm r. Do rulama verilerinin RMSE’si0.03061 olarak hesaplanm olup, bu de er RMSE’si0.0527 olan en iyi görgül e itlikten daha dü üktür. Bunedenle YSA’n n tahmin performans n görgül
itliklerden daha iyi oldu u sonucuna var lm r.
Kaynaklar
[1] ASTM D 2435. Standard test method for one –dimensional consolidation properties of soils,American Society for Testing and Materials, 1996.
[2] BS 1377, Part 5. Compressibility, permeability anddurability tests. British Standard Institution.
[3] TS 1900-2.[4] Al-Khafaji, A. W. N., and Andersland, O. B. Equations
for compression index approximation, Journal ofGeotechnical Engineering, ASCE, 118(1): 148-153,1992.
[5] Azzouz, A. S., Krizek, R. J., and Corotis, R. B.Regression analysis of soil compressibility. Soils andFoundations, Japanese Society of Soil Mechanics andFoundations Engineering, 16(2): 19 – 29, 1976.
[6] Herrero, O. R. Universal compression index equation;Closure. Journal of Geotechnical Engineering, ASCE,109(5): 755-761, 1983.
[7] Herrero, O. R. Universal compression index equation;Discussion. Journal of Geotechnical Engineering,ASCE, 109(10): 1349, 1983.
[8] Nagaraj, T., and Murty, B.R.S., Prediction of thepreconsolidation pressure and recompression index ofsoils. Geotechnical Testing Journal, Vol.8, No.4, 199– 202, 1985.
2240
YazarSoyad 1, YazarBa harfi1. ve YazarSoyad 2, YazarBa harfi2.
[9] Coduto, D.P, Çeviren: Mollamahmuto lu, M.,Kayabal , K., Geoteknik Mühendisli i, Gazi Kitabevi,Ankara, s. 378 ve 383, 2006.
[10] Schmertmann, J. H., Undisturbed consolidationbehavior of clay, Transactions of the ASCE, Vol. 120,1201-1233, 1953.
[11] Gokceoglu C., A fuzzy triangular chart to predict theuniaxial compressive strength of Ankara agglomeratesfrom their petrographic composition. EngineeringGeologist 66: 39–51, 2002.
[12] Masters, T. Practical Neural Network Recipes in C++.Academic Press, San Diego, p. 493, 1993.
[13] Twomey, J. M., and Smith, A. E. Validation andverification. In: Kartam, N., Flood, I., and Garrett, J. H.(Eds.), Artifical Neural Networks for Civil Engineers:Fundamentals and Applications. ASCE, New York, p.44 – 64, 1997.
[14] Hornik, K., Stinchcombe, M., and White, H. Multilayerfeedforward networks are universal approximators.Neural Networks, 2, p. 359 – 366, 1989.
[15] Shahin, M. A., Maier, H. R. and Jaksa, M. B.,Predicting settlement of shallow foundations usingneural networks. Journal of Geotechnical andGeoenvironmental Engineering, 128(9): 785 – 793,2002.
[16] Rumelhart, D. E., Hinton, G. E., and Williams, R. J.Learning internal representation by error propagation.In: Rumelhart, D. E., and McClelland, J. L. (Eds.),Parallel Distributed Processing. Vol. 1. Chap. 8, MITPress, Cambridge, p. 1208, 1986.
[17] Garson, G. D. Interpreting neural-network connectionweights. AI Expert, 6(7): 47 – 51, 1991.
2241
5. Uluslararas leri Teknolojiler Sempozyumu (IATS’09), 13-15 May s 2009, Karabük, Türkiye
YÜKSEK SICAKLIK ETK NDEK POL PROP LEN L FL BETONLARINBASINÇ DAYANIMLARININ YAPAY S R A LARI LE TAHM
ARTIFICIAL NEURAL NETWORK TO PREDICT THE COMPRESSIVESTRENGHT OF POLYPROPYLENE FIBER-ADDED CONCRETE UNDER
HIGH TEMPERATURESHasbi YAPRAKa,* ve Abdulkadir KARACIb
a, * Kastamonu Üniversitesi, Kastamonu, Türkiye, E-posta: [email protected] Kastamonu Üniversitesi, Kastamonu, Türkiye, E-posta: [email protected]
Özet
Beton yüksek s cakl k etkisinde kald nda önemli ölçüdehasara u rar. Polipropilen liflerin ilavesi bu hasar nazalt lmas nda kullan lan yöntemlerden biridir. Buçal mada lif katk z ve üç farkl oranda polipropilen lifkatk beton numuneler üretilmi , numuneler laboratuarortam nda olgunla lm , 28. günün sonunda tümnumuneler 400, 600 ve 800 ºC s cakl k etkisinde
rak lm r. Yüksek s cakl k etkisinde kalan numunelerinbas nç dayan mlar test edilmi tir. Deneysel olarakbulunan test sonuçlar n yapay sinir a lar (YSA)kullan larak bulunmas amaçlanm r. YSA yakla iledeneysel olarak elde edilmi veriler kar la ld ndade erlerin birbirine çok yak n oldu u görülmü tür.
Anahtar Kelimeler: Yüksek S cakl k, Polipropilen Lif,Bas nç Dayan , Yapay Sinir A lar
Abstract
Concrete, when under the impact of high temperatures, isconsiderably damaged. One of the ways to reduce thisdamage is to incorporate polypropylene fibers. In thisstudy, first, concrete samples- both without fibers, and withpolypropylene fibers in three different ratios, wereproduced, and then, these samples were matured inlaboratory conditions, and all samples were exposed tohigh temperatures of 400, 600, and 800 ºC respectively atthe end of the 28th day. The compressive strenghts of thesamples exposed to higher temperatures were tested. Itwas aimed to obtain the same laboratory test results byusing Neural Network. When the data from the laboratorytesting and from the Neural Network applications werecompared, it was found that the values were very identical.
Key Words: High Temperature, Polypropylene Fiber,Compressive Strenght, Artificial Neural Network
1. Giri
Yapay Sinir A lar (YSA), insan beyninden esinlenerekgeli tirilmi , a rl kl ba lant lar arac yla birbirineba lanan ve her biri kendi belle ine sahip i lemelemanlar ndan olu an paralel ve da lm bilgi i lemeyap lar r. YSA’lar , biyolojik sinir a lar taklit edenbilgisayar programlar r [1].
Yapay zekan n alt dal olan YSA’lar teknolojisi son y llardain aat mühendisli i uygulamalar ndaki problemlerin genikapsaml çözümü için kullan lmaktad r. YSA’lar n in aatmühendisli i uygulamalar ndaki en önemli özelli i direktolarak örneklerden ö renebilme yetene inin olmas r.YSA’lar n bir di er önemli özelli i tamamlanmamgörevleri do ru veya do ruya yak nl kta yan tlamas , eksikverilerden do ru bilgiyi ç karmas , yeni durumlardangenelle tirilmi sonuçlar üretmesidir [2].
YSA’lar spesifik bir e itli e ihtiyaç duymaz. Bunun yerineyeterli miktarda giri -ç verisine ihtiyaç duyar. Ayr ca,yeni veriye uygun olmas için sürekli olarak yeni veri
itebilir. Eksik veya kesin olmayan bilgi içerenproblemlerin çözümü amac yla YSA’lar ara lmaktad r[3].
Genel olarak YSA’lar , model seçimi ve s fland lmas ,lev tahmini, en uygun de eri bulma ve veri
fland lmas gibi i lerde ba ar r [1]. Bu çal madaYSA’n n i lev tahmin özelli i kullan lm r.
YSA’n n en belirgin özelli i ö renme yeteneklerininolmas r. YSA’lar çevresel de imlere adapte olabilir.Mühendislik aç ndan bak ld nda a n optimumdurumunun kararl sürdürülürken adaptasyon süreci içingereksinim duyulan zaman n azaltmas istenir [4].
Malzeme davran ile ilgili sinir a tabanl bir modelgeli tirmek için temel strateji, bu malzemenin kullan ldbir dizi deney sonuçlar üzerinden sinir a e itmektir.
er deneysel sonuçlar malzeme davran hakk ndaanlaml bilgi içeriyorsa, o zaman e itilmi yapay a birmalzeme modeli olarak nitelendirilen malzemenindavran hakk nda yeterli bilgi içerecektir. Böyle e itilmiyapay a yaln zca deneysel sonuçlar yeniden üretmeklekalmayacak, di er deneysel sonuçlar da ayn zamandagenelle tirme yetene i yoluyla yakla k olarakbelirleyebilecektir [5].
Bu çal man n amac YSA kullanarak 3 farkl orandapolipropilen lif kat lm ve 4 farkl s cakl a maruz
rak lm betonun bas nç dayan belirlemektir. Buamaçla MATLAB program n “NFTTool” arac vas tas ylabir bilgisayar program geli tirilmi tir. Ayr ca elde edilendeneysel verilerle YSA’dan al nan ç kt lar kar la lm r.
Bu çal mada polipropilen lif oran na ve s cakl a baolarak betonun bas nç dayan de imini verecekekilde; 2 giri li, 1 ç , 10 nörona sahip 1 gizli katmanl
bir YSA olu turulmu tur. Daha önceki deneyselsonuçlardan elde edilen verilerin bir k sm a a e itim setiolarak verilerek, a e itilmi tir. A n e itimitamamland ktan sonra e itim s ras nda a a hiç verilmeyendeneysel veriler a a girdi olarak verilmi tir. A ç kt iledeneysel veriler kar la ld nda a ç kt n istenendüzeyde do ru sonuç verdi i görülmü tür.
3. ANN Model
Biyolojik sinir sistemleri nöronlar aras ndaki sinaptikba lant lar tek tek ayarlayarak ö renme yetene inesahiptir. YSA biyolojik sinir sistemine benzer ekildemodellenmi tir. Bu model, ç kt bilinen bir dizi giri verisiseti ile a n e itilmesine izin vermektedir.
YSA ba lant lar n a rl klar , son olarak i lenmi ç kt lar ndüzeltilmesi ve bilinen de erlerle e le tirilmesi çabas ylasürekli olarak ayarlanmaktad r. Bir sinir a yeterli düzeyde
itildi inde, ö renme süreci yoluyla kazan lan bilgiba lant a rl klar nda depolan r ve bu i lem e itilmi bir
n daha önceden üzerinde e itim ald görevlere benzeryeni problemlerle kar la nda, bunlar n çözülebilmesineolanak sa lar [6].
YSA genellikle dü üm ya da i lem eleman da denilennöronlardan olu an bir giri katman , bir veya daha fazlagizli katman ve ç kt katmanlar ndan olu ur. Kom ukatmanlar a rl kl ba lant larla tamamen birbirine ba r.Giri katman nöronlar d ortamdan bilgileri al r vehesaplama i lemi yapmaks n gizli katman nöronlar nailetir. Daha sonra, gizli katman nöronlar bu bilgileri i ler vefaydal özellikleri girdi uzay ndan ç kt uzay naharitaland rma yapabilmek amac yla al r. Son olarak ç ktkatman nöronlar , a tahminlerini d dünyaya verir [7].
3.1. YSA Modelinin Yap ve Parametreleri
Bu çal mada yüksek s cakl k etkisindeki polipropilen lifkatk betonlar n bas nç dayan mlar n belirlenmesiamac yla ö renme algoritmas olarak geri yay malgoritmas kullanan 2 giri li 1 ç ve bir gizli katmanasahip olan bir ileri beslemeli (Feed Forward) YSAolu turulmu tur. Gizli katmandaki nöron say 10 olarakseçilmi tir. Geriye yay lma (Back Propagation) algoritmas ,günümüzde pek çok disiplinde, özellikle mühendislikte ençok kullan lan ö renme algoritmas r. Bunun en büyük
nedeni ö renme kapasitesinin yüksek ve algoritmas nbasit olmas r [1].
Bu algoritma, hatalar geriye do ru ç tan giri eazaltmaya çal mas ndan dolay geri yay m ad alm r.Geri yay lmal ö renme kural a ç ndaki mevcut hatadüzeyine göre her bir katmandaki a rl klar yenidenhesaplamaktad r. Bir geri yay ml a modelinde giri , gizlive ç olmak üzere 3 katman bulunmakla birlikte,problemin özelliklerine göre gizli katman sayart rabilmek mümkündür [8].
Geri yay lmal ö renme (Back Propagation) dan manlrenmedir (Supervised Learning). Dan manl ö renme
modelleri, e itim verileri, veri özellikleri ve gözlemlenebilirsonuçlar hakk nda tam bilgi içerir. Girdiler ve ç kt lararas ndaki ili kiyi ö renen modeller geli tirilebilir [9].
Bu çal mada kullan lan YSA yap ve parametreleri ekil1’ de gösterilmektedir.
3.1.1. Giri katman (Input layer)
Giri katman 2 nörondan olu maktad r. Bu nöronlaraÇizelge 1’deki bilgiler giri olarak aktar lmaktad r.
Polipropilen Lif Miktar (kg/m3)cakl k De imleri (ºC)
3.1.2. Gizli katman (Hidden layer)
Olu turulan YSA 1 gizli katmana sahiptir. Gizli katmandakinöron say ö renme performans etkileyen birparametredir. E er gizli katmandaki nöronlar n say çokazsa, a n ö renme i lemi optimum de ere yakla maz vehata fonksiyonun dalgal bir davran ortaya ç kar. Bundandolay girdi-ç kt tasar mlar aras ndaki ili kiyi ö renemez.
er nöronlar n say çoksa, a sadece girdi-ç kt listesinidepolayacak ve zay f bir genelleme performanssergileyecektir. Bu durum, optimal YSA boyutunun veriyap na uygun olmas ve problemle tam anlam ylaba lant bir model in a etmesi gerekti i anlam nagelmektedir [10].
Yap lan denemeler sonucunda gizli katmandaki nöronsay 10 olarak belirlenmi tir. Çünkü en iyi sonuç gizlikatmandaki nöron say 10 oldu unda elde edilmi tir.
3.1.3. Ç katman (Output layer)
Çal maya ve deneysel verilere uygun olarak a teknöronlu ç tan olu maktad r ve ç olarak betonunbas nç dayan vermektedir.
2243
Yaprak, H. ve Karac , A.
ekil 1. Çal mada kullan lan YSA’n n Yap
3.2. Yapay Sinir A n E itilmesi
Bu çal mada YSA’n olu turmak ve e itiminigerçekle tirmek için MATLAB program kullan lm r. A a32 adet deneysel veri yüklenmi tir. Ancak e itim için 20veri kullan lm r. Geriye kalan 12 veri test ve do rulamaiçin kullan lm r. Bu veriler MATLAB program taraf ndanrastgele olarak belirlenmi tir. E itim için kullan landeneysel veriler Çizelge 1’de verilmektedir. Test vedo rulama için kullan lan ve a n e itim s ras ndakullanmad deneysel veriler ise Çizelge 2’deverilmektedir.
Çizelge 2. Test ve do rulama için kullan lan deneyselveriler
YSA bu deneysel verilerle birçok kez e itilerek en iyisonuca ula lmaya çal lm r. E itim i leminin sonucu,
ekil 2’deki gibi bir bilgi penceresindeki Mean SquaredError (MSE) ve Regression Value (R) katsay lar nabak larak de erlendirilmi tir. MSE katsay s ra yak nsa,
n ç kt yla, istenen ç kt aras ndaki fark az demektir.
2244
Yaprak, H. ve Karac , A.
MSE’nin s r olmas , a n ç yla istenen ç kt aras ndafark olmad yani hatas z oldu u anlam na gelir. R ise
n ç kt yla istenen ç kt aras ndaki ili kinin düzeyinibelirler. R’nin 1’e yak n de erler almas a n ç kt ylaistenen ç kt aras ndaki ili kinin do rulu unu gösterir.
ekil 2. YSA E itim Sonucu Bilgi Penceresi
4. Sonuçlar
YSA’n n e itim i lemi tamamland ktan sonra bütündeneysel veriler a a verilmi ve Çizelge 3’deki sonuçlarelde edilmi tir. Çizelgede koyu ve italik olarak i aretlenmiveriler a n e itim s ras nda kullanmad verilerdir.
Daha önceden yap lan deneysel sonuçlar ile e itilenYSA’lar klasik hesap yöntemlerinden daha iyi sonuçvermektedir. Yap lan bu çal mada çok uzun süredeçözülebilecek problemlerin küçük bir yaz m ile çok k sa birsürede sonuca ula maktad r. YSA’dan al nan sonuçlarincelendi inde en büyük hatan n “1,05”, en küçük hatan nise “0” oldu u görülmektedir. Deneysel veriler ile YSA ç ktde erleri kar la rmal olarak ekil 3’de grafiksel olaraktan mlanm r.
[2] Sar demir M, Prediction of compressive strength ofconcretes containing metakaolin and silica fume byartificial neural networks. Advances in EngineeringSoftware, 2008.
[3] Lee S.C, Prediction of concrete strength using artificialneural networks. Engineering Structures 25 849–857,2003.
[4] Hertz J, Krogh A, and Palmer R, Introduction to theTheory of Neural Networks, Addison-Wesley,Redwood City, CA., 1991.
[5] Özta A, Predicting the compressive strength andslump of high strength concrete using neural network,Construction and Building Materials 20 769–775,2006.
[6] Begg, Rezaul (Editor). Computational Intelligence forMovement Sciences : Neural Networks and OtherEmerging Techniques. Hershey, PA, USA: Idea GroupPublishing, p 220., 2006.
[7] Demir F, Prediction of elastic modulus of normal andhigh strength concrete by artificial neural Networks,Construction and Building Materials 22 1428–1435,2008.
[8] Kele lu Ö, Silis Duman Katk Betonlar n ÇarpmaDayan n Yapay Sinir A le Belirlenmesi, e-Journal of New World Sciences Academy, Volume: 3,Number: 1, 2008.
[9] Smith, Kate(Editor). Neural Networks in Business:Techniques and Applications. Hershey, PA, USA: IdeaGroup Publishing, p 2., 2002.
[10] Tortum A, Yayla N, Çelik C, Gökda M, Theinvestigation of model selection criteria in artificialneural networks by the Taguchi method, Physica A386 446–468, 2007.
2246
5. Uluslararas leri Teknolojiler Sempozyumu (IATS’09), 13-15 May s 2009, Karabük, Türkiye
LAZER KIRINIM VE H DROMETRE YÖNTEMLER YLE BEL RLENEN K LYÜZDELER N STAT ST KSEL YÖNTEMLERLE KAR ILA TIRILMASI
COMPARISON OF CLAY CONTENT DETERMINED BY LASERDIFFRACTION AND HYDROMETER METHOD USING STATISTICAL
METHODSMustafa ÖZER a*, Nihat S. I IK b ve Mehmet ORHAN c
a* Gazi Üniversitesi, Teknik E itim Fakültesi, Yap E itimi Bölümü, Ankara, Türkiye, E-posta: [email protected] Gazi Üniversitesi, Teknik E itim Fakültesi, Yap E itimi Bölümü, Ankara, Türkiye, E-posta: [email protected] Gazi Üniversitesi, Teknik E itim Fakültesi, Yap E itimi Bölümü, Ankara, Türkiye, E-posta: [email protected].
Özet
Seramik, kum, kil, çimento, a nd rma, toz metalürjisi, g da,farmakoloji, kozmetik, boya, sedimantoloji ve zeminmekani i gibi tane büyüklü ünün önemli oldu u birçokmühendislik ve endüstri alan nda yayg n olarak kullan lanlazer k m yöntemi son y llarda hidrometre/pipetyöntemine alternatif olarak zemin mekani i alan nda dakullan lmaktad r. Bu çal mada, Türkiye’nin de ikbölgelerinden al nm 72 adet do al zemin numunesiüzerinde lazer k m ve hidrometre yöntemleriylebelirlenmi kil yüzdeleri kar la lm r. Bu amaçla basitregresyon analizi, çoklu regresyon analizleri ve yapay sinir
lar uygulanm r. Yapay sinir a lar nda girdiparametresi olarak likit limit, plastik limit, plastisite indisi,aktivite, 200 ve 40 No.lu eleklerden geçen yüzdeler, siltyüzdesi ve hidrometre kil yüzdesi kullan lm r. Bir gizlitabaka ve alt gizli tabaka noktas ndan olu an a n
itilmesi için geri besleme algoritmas kullan lm olup,verilerin yakla k %80’i a n e itilmesi, kalan %20’si isedo rulanmas amac yla kullan lm r. Sonuç olarak lazer
m kil yüzdesinin kabul edilebilir bir do rulukla tahminedilebilece i belirlenmi tir. Bununla birlikte, yapay sinir
lar yönteminin klasik istatistik yöntemlerinden dahagüçlü bir tahmin arac oldu u da görülmü tür.
Anahtar kelimeler: Hidrometre, kil yüzdesi, lazer k myöntemi, yapay sinir a lar
Abstract
Laser diffraction method commonly used in manyengineering and industrial fields such as ceramic, sand,clay, cement, abrasion, powder metallurgy, food,pharmacology, cosmetics, paint, and sedimentology hasbeen used in geotechnical engineering field in recent yearsas an alternative of the hydrometer/pipette method. In thisstudy, clay content of 72 natural soil samples taken fromvarious locations of Turkey determined by both laserdiffraction and hydrometer method were compared. Forthis purpose, simple regression analysis, multipleregression analyses and artificial neural network (ANN)were applied. In ANN, liquid limit, plastic limit, plasticityindex, activity, passing from No.200 and No.4 sieve, siltcontent and hydrometer clay content were used as inputparameters. This network consists of one hidden layer andsix hidden layer nodes. Back propagation algorithm wasused to train the network and approximately 80 % of thedata were used for training and 20 % were used forvalidation. As a result, it has been determined that the clay
content determined from laser diffraction method can beestimated in reasonable accuracy. Besides, it has beenshowed that the ANN is more powerful estimation tool thanthe classical statistical methods.
Tane büyüklü ü ölçümü, seramik, kum, kil, çimento,nd rma, toz metalürjisi, g da, farmakoloji, kozmetik,
boya, sedimantoloji ve zemin mekani i gibi bir çokmühendislik ve endüstri alan nda s kl kla gerek duyulanölçümlerden birisidir. Tane büyüklü ü ölçümündehidrometre ve pipet gibi klasik sedimantasyonyöntemlerinin yan s ra foto-sedimantasyon, santrifüjlüsedimantasyon, X-Ray sedimantasyon, elektrodirenç bölgeyöntemi (Coulter Counter) ve fotometrik teknikler(Hydrophotometer) gibi bir çok yöntem de uygulanmaktad r[1–4]. Ancak bu yöntemlerin baz s rlamalar ndan dolayyeni yöntem aray lar geçmi ten günümüze de insürmektedir. Son y llarda geli tirilen tane büyüklü ü ölçümyöntemlerinin içerisinden en popüler olan ve yayg nl kkazanan lazer k m yöntemidir [5].
lk kez 1970’li y llar n sonlar na do ru [6], ngiltere’deMalvern, Fransa’da Cilas, ve Amerika’da Microtrac gibifirmalar taraf ndan üretilen lazer k m cihazlar [7], içindebulundu umuz 2000’li y llarda özellikle bilgisayar veyaz m teknolojilerindeki geli melere paralel olarak çokdaha iler düzeylere ula olup, günümüzde Coulter,Fritsch, Horiba, Sympatec, Shimadzu ve Seishin gibifirmalar taraf ndan da üretilmektedir [6].
Lazer k m cihazlar n klasik çöktürme yöntemlerinegöre, ölçüm süresinin çok k sa olmas (3 – 5 dk), çok az birnumune gerektirmesi (1 – 5 g), tekrarlanabilirli inin yüksekolmas , hacim esas na dayand ndan tanelerin özgül
rl na gerek duyulmamas , numune haz rlamaleminin çok kolay olmas , deney sonuçlar n deney
yapan ki inin el becerisinden ve tecrübesindenetkilenmemesi, tane büyüklü ü da m e risinin ister
ml ister histogram eklinde an ndagörüntülenebilmesi ve sonuçlar n bilgisayar ortam ndadepolanabilmesi gibi bir çok üstünlü ü bulunmaktad r. Buüstünlüklerinin yan s ra en önemli kusuru ise, cihaz nfiyat n çok yüksek olmas r.Bir lazer k m cihaz en temelde, bir lazer üreteci(genellikle k rm renkli He-Ne lazeri), analiz edilecek
YazarSoyad 1, YazarBa harfi1. ve YazarSoyad 2, YazarBa harfi2.
numunenin lazer nlar n önünden geçmesini sa layanbir ölçüm hücresi, k lan nlar n dedektöre iletilmesinisa layan bir ölçüm merce i ve bir dedektörden meydanagelir. Bunlar n yan s ra dedektöre ula an nlar nyo unlu unu ve k lma aç lar say salla racak olan biranalog-dijital dönü türücü ve bu say sal verileri i leyip tanebüyüklü ü ve da hesaplayacak olan bir yaz m vegeli mi bir bilgisayar da bulunmal r. Bir lazer k mcihaz meydana getiren temel bile enler ve ölçüm ilkesi
ekil 1’de ematik olarak verilmi tir
ekil 1. Lazer k m cihaz n genel kurulumu (1. Lazerkayna , 2. I n geni letici, 3. Ölçüm hücresi, 4. Fouriermerce i, 5. Hiçbir taneye çarpmayan n demeti, 6. Aynbüyüklükteki tanelere çarparak k lan nlar, 7. Merce inodak uzakl , 8. Çok elemanl dedektör, 9. Merkezidedektör, 10. Süspansiyonun ak yönü, 11. Örnekhaz rlama ünitesi 12. Bilgisayar) [8].
Lazer k m yönteminde, tanelerin üzerine lazer nlargönderilmekte ve tanelere çarparak k lan ve ileri yöndeyans yan nlar bir mercekten geçtikten sonra dedektörünüzerine dü mektedir ( ekil 1). Dedektörün üzerine dü en
nlar bir dönü türücü vas tas yla say salla larakbilgisayar arac yla tane büyüklü ü ve yüzdesihesaplanmaktad r.
Lazer k m yönteminin temeli, tanelerin büyüklü ü ilenlar n k lma aç aras ndaki ters orant ili kisine
dayanmaktad r [9]. Büyük taneler lazer nlar küçükaç yla, küçük taneler ise nispeten daha büyük bir aç yla
rmaktad r [10]. Elektromanyetik kurama göre hangibüyüklükteki tanenin lazer nlar hangi aç yla k racabellidir. Tanelere çarparak k lan nlar, k lma aç lar nagöre dedektörün üzerindeki belirli bölgelere dü erler.Dedektörün üzerinde bulunan bölgelere ise ancak belirliaç larla k larak yans yan nlar dü ebildi inden,dedektörün üzerinde dü en nlar n k lma aç lar ndantane büyüklü ü, bu nlar n yo unlu undan ise taneyüzdeleri hesaplanmaktad r [2]. Tüm bu i lemler geli mibir bilgisayar ve bir yaz m vas tas yla kullan nmüdahalesine gerek kalmadan otomatik olarakyap lmaktad r.
Lazer k m yöntemiyle ilgili 1990 senesinde ISO 13320[11] numaras yla iki bölümden olu an bir standartyürürlü e girmi olup, bu standard n birinci bölümündetane büyüklü ü ölçümüyle ilgili genel ilke ve kurallara,ikinci bölümünde ise elektromanyetizmayla ilgili kuramsalformüllere ve matematiksel dönü ümlere yer verilmi tir.Lazer k m yönteminin çok geni bir kullan m sahasbulundu undan ve her mühendislik ve endüstri alan na aitmalzemelerin ölçüm ilkeleri birbirinden farkl oldu undan,ISO 13320-1 [11]’de özel bir mühendislik veya endüstri
alan na ait malzemelerin tane büyüklü ü ölçümüne ili kinuygulamaya yönelik detayl bilgiler bulunmamaktad r. Budurumda her mühendislik ve endüstri alan na aitmalzemelerin ölçüm ilkelerinin ayr ca belirlenmesigerekmektedir. Lazer k m yönteminin gittikçeyayg nla an bir kullan m sahas durumuna gelensedimantoloji ve zemin mekani i alan nda da 1980’li
llardan buyana ölçüm ilkelerinin belirlenmesi vehidrometre ve pipet gibi klasik yöntemlerle kar la lmasamac yla çe itli bilimsel çal malar ve ara rmalaryap lmaktad r. Bu çal malar n ba calar kronolojik
Zemin mekani i alan nda 0.075 mm’ye kadar olanzeminlerin tane büyüklü ü da elek analiziyle, 0.075mm’den küçük olan zeminlerin ise Stokes yasas nadayanan hidrometre veya pipet gibi çöktürme analizleriylebelirlenmektedir. Stokes yasas ndan kaynaklanan bazkuramsal sorunlar nedeniyle lazer k m yöntemihidrometre ve pipet yöntemlerine alternatif olarak ortaya
kmaktad r.
Bu çal mada, lazer k m ve hidrometre yöntemleriylebelirlenmi kil yüzdeleri kar la lm olup, her ikiyöntemle elde edilen kil yüzdeleri aras ndaki ili kibelirlenmeye çal lm r. Bu amaçla 72 adet do al zeminörne i analiz edilmi olup elde edilen kil yüzdeleri, basitregresyon analizi, do rusal çoklu regresyon analizi,do rusal olmayan çoklu regresyon analizi ve yapay sinir
lar gibi istatistiksel yöntemlerle de erlendirilmi vearalar ndaki ili ki belirlenmeye çal lm r.
2. Malzeme ve Yöntem
Çal mada kullan lan malzemeler, aletler, cihazlar vedeney yöntemleri a da verilmi tir.
2.1. Malzemeler ve cihazlar
Çal mada kullan lan lazer k m cihaz , Malvern marka,Master SizerX (long bed) model bir cihazd r. ekil 2’defoto raf görülen bu cihaz, = 0.633 m dalga boyunda
rm renkli He-Ne lazer nlar üretmekte olup 4 farklmercekle 0.1 – 2000 m aral ndaki taneleriölçebilmektedir [9]. Bu çal mada odak uzakl 45 mmolan ters Fourier merce i kullan lm olup, bu merce inölçüm s rlar 0.1 – 80 m’dir. Çal mada kullan lanhidrometre ASTM E 100 [25]’e uygun olarak üretilmi 151H tipi hidrometredir. Hidrometre deneylerinin yap ldçöktürme silindiri ASTM D 422 [26]’ye uygun olup, iç çap63 mm, 1000 ml çizgisinin içeriden yüksekli i ise 35 cm’dir.Zemin tanelerinin ayr lmas için ASTM D 422 [26]’yeuygun olarak haz rlanm sodyum hegzametafosfat(NaPO3) çözeltisi (ticari ad yla Kalgon), bu çözeltinin pHde erini 8 – 9 aras na yükseltmek için ise sodyumkarbonat (Na2CO3) kullan lm r.
2248
YazarSoyad 1, YazarBa harfi1. ve YazarSoyad 2, YazarBa harfi2.
ekil 2. Çal mada kullan lan lazer k m cihaz (MalvernMaster SizerX-Long Bed).
Deneylerde kullan lan zemin örnekleri Düzce, Elaz , zmir,Kaman, Salihli, Sinop ve Yozgat gibi Türkiye’nin farkl il veilçelerinden ve Ankara’n n Balgat, Be evler, Beytepe,Bilkent, Çukurambar, E mir, Etimesgut, Güvercinlik,Kazan, Mamak, Ostim, Solfasol ve Temelli gibi de ik ilçeve semtlerinden al nm r. Bu zemin örneklerinin USCS’yegöre belirlenmi zemin s flar CL – CH – ML – MH – SM– SC, likit limitleri % 21.6 – 114.2, plastik limitleri %15 –43.9, plastisite indisleri ise % 4.1 – 77.7 aras ndade mektedir. Bunlar n yan s ra dört adet de plastikolmayan (NP) zemin yer almaktad r
2.2. Yöntem
Araziden getirilen zemin örnekleri bir tepsi içerisinekonulup 110 ± 5 0C etüvde kurutulduktan sonra münferitzemin tanelerinin k lmamas na dikkat edilerek lastiktokmakla nazikçe ezilip ufalanm r. Daha sonra elektrikliörnek bölme cihaz kullan larak e it bölümlere ayr lm r.Bölünen örneklerin bir k sm likit limit ve plastik limitdeneyleri, bir k sm ise tane büyüklü ü da m analizleriiçin kullan lm r. Tane büyüklü ü da m analizi içinayr lan örnekler 200 No.lu (0.075 mm) elekten kuru olarakelenmek suretiyle iki k sma ayr lm olup, ele in üzerindekalan malzemelere elek analizi, ele in alt na geçenmalzemelere ise lazer k m analizi ve hidrometredeneyleri uygulanm r.
Elek analizi yap lacak numunelerin üzerine ASTM D 422[26]’ye göre haz rlanm Kalgon çözeltisinden bir miktardökülüp kar ld ktan sonra bir gece boyu bekletilmi tir.Ertesi gün bir müddet daha kar ld ktan sonra 200 No.luele in üzerine bo alt lm ve su ile y kanarak elenmi tir.Ele in üzerinde kalan malzemeler 110 ± 5 0C etüvdekurutulduktan sonra s ras yla 19.0, 9.5, 4.75 (No.4), 2.0(No.10), 0.600 (No.30), 0.425 (No.40), 0.300 (No.50),0.150 (No.100) ve 0.075 mm (No.200)’lik elekler üst üstekonulup bu eleklerden elenerek elek analizi yap lm r.
Lazer k m ve hidrometre deneyleri için ayr lan yakla k30 – 35 g aras ndaki malzemeye, önce lazer k manalizi, daha sonra ise geriye kalan malzemenin tamam nahidrometre deneyi yap lm r. Lazer k m analizi vehidrometre deneylerinin her ikisinin de ayn malzemeüzerinde yap lmas yla deney sonuçlar aras ndakiörnekleme etkisinin ortadan kald lm oldu udü ünülmektedir. Hidrometre deneyleri ASTM D 422[26]’ye, lazer k m analizleri ise ISO 13320-1 [11]’debelirtilen temel kurallara ba kalmak ko uluyla Özer [24]ve Özer ve Orhan [8]’da önerilen yönteme göre yap lm r.Bu yönteme göre, öncelikle lazer k m cihaz aç p,sistemin dura an hale gelmesi için yakla k yar m saat
beklendikten sonra ölçüm için gerekli optik ayarlamalaryap lm r. Ard ndan, örnek haznesi su ile doldurulup,içerisine 100 ml Kalgon çözeltisi ilave edilmi tir. Dahasonra, mekanik kar , pompa ve ultrasonik enerjiçal larak geri plan ölçümü al nm r. Geri planölçümünün ard ndan silindirik bir kab n içerisinde kuruhalde bulunan numuneden bir spatula yard yla küçük birmiktar al p n azalma oran %15 – 30 aras na gelinceyede in azar azar haznenin içerisine bo alt lm r. Dahasonra, ultrasonik enerji ve mekanik kar n etkisiylezemin tanelerinin birbirinden ayr lmas için yakla k 5 – 10dakika kadar beklendikten sonra ölçüm gerçekle tirilmi tir.
3. Deneysel Bulgular
72 adet do al zemin örne i üzerinde yap lan deneylerinsonucunda hidrometre yönteminin lazer k m yönteminegöre kil yüzdesini %0.3 - % 28.9 aras nda de enmiktarda daha yüksek belirledi i ortaya konulmu tur.Bunun nedenin Stokes yasas na dayanan hidrometreyönteminin taneleri oldu undan daha büyük ölçmesiyleilgili oldu u dü ünülmektedir. Elde edilen sonuçlar,McCave vd. [12], Loizeau vd. [13], Konert vd. [14],Buurman vd. [16], Muggler vd. [17], Beuselinck vd. [1],Eshel vd. [21], Sperazza vd. [22], Arriaga vd. [23] gibi di erara rmac lar n bulgular yla uyum içerisindedir. Lazer
m ve hidrometre yöntemleriyle belirlenenkilyüzdelerinin kar la lmas küçükten büyü e do ru
ralanm olarak ekil 3’de verilmi tir. Hidrometreyönteminin lazer k m yöntemine göre kil yüzdesinidaima daha yüksek belirledi i ekil 3’den aç kçagörülmektedir
ekil 3. Lazer k m ve hidrometre yöntemleriylebelirlenmi kil yüzdelerinin kar la lmas .
Bir çok ara rmac n da vurgulad gibi hidrometreyönteminin Stokes yasas ndan kaynaklanan bazkusurlar ndan dolay tane büyüklü ünü yeterli do ruluktaölçemedi i bilinmektedir. Stokes yasas nda tanelerin küreeklinde oldu u kabul edilmekte ve bir s içerisinde
taneyle ayn h zda çöken e de er kürenin çap ölçülentanenin çap olarak verilmektedir. Tanelerin bir siçerisindeki çökme h zlar tane ekline büyük ölçüde baoldu undan, tane ekli küreden ne kadar uzakla rsa eldeedilen ölçüm sonuçlar da do ruluktan o kadaruzakla maktad r. Tanelerin bir s içerisindeki çökme
zlar n tane eklinden ne kadar etkilendi ini kestirmekve düzensiz ekle sahip tanelerin s içerisindeki çökme
zlar hesaplamak mümkün olmad ndan, Stokesyasas yla hesaplanan tane çaplar ndaki hatan n da nekadar oldu unu hesaplamak mümkün olmamaktad r.Stokes yasas nda bulunan bu kusurlar lazer k m
2249
YazarSoyad 1, YazarBa harfi1. ve YazarSoyad 2, YazarBa harfi2.
yönteminde bulunmad için lazer k m yöntemiyle eldeedilen sonuçlar n daha güvenilir oldu u öne sürülebilir.Ancak lazer k m cihazlar çok pahal oldu u için bir çoközel veya kurum laboratuvarlar nda bu cihazbulunmamaktad r. Bu durumda, hidrometre yöntemiylebelirlenmi kil yüzdesini lazer k m yöntemiylebelirlenmi kil yüzdesine dönü türecek istatiksel ili kilerinönemi ortaya ç kmaktad r.
4. statiksel Bulgular
Lazer k m ve hidrometre yöntemleriyle belirlenmi kilyüzdeleri aras nda en iyi ili kiyi belirlemek için s ras ylabasit regresyon, çoklu do rusal regresyon, çoklu do rusalolmayan regresyon analizi ve yapay sinir a lar gibiyöntemler uygulanm r. Çoklu regresyon analizlerinde veyapay sinir a lar nda girdi parametresi olarak zeminörneklerinin likit limiti, plastik limiti, plastisite indisi,aktivitesi, 40 ve 200 No.lu eleklerden geçen yüzdeleri, siltyüzdesi ve kil yüzdesi gibi sekiz farkl parametresikullan lm r. Bu parametrelerin tan mlay istatistiksonuçlar Çizelge 1’de sunulmu tur
Çizelge 1. Zemin örneklerinin tan mlay istatistiksonuçlar .
Çal mada kullan lan zemin örneklerinin hemen hemen herparametresinin geni bir da m gösterdi i Çizelge 1’desunulan tan mlay istatistik sonuçlar ndan görülmektedir.Tan mlay istatistik sonuçlar na göre çal mada kullan lanzemin örneklerinin do al zeminlerin genelini yeterli ölçüdetemsil etti i dü ünülmektedir.
4.1. Basit regresyon analizleri
Hidrometre kil yüzdesinden lazer k m kil yüzdesinintahmin edilmesi için basit regresyon analiziyle geli tirilenba nt E itlik 1’de verilmi tir.
CL = 0.6481 CH – 0.3474 (1)
itlik 1’de, CL lazer k m yöntemiyle belirlenmi kilyüzdesini, CH ise hidrometre yöntemiyle belirlenmi kilyüzdesini ifade etmektedir. Bu ili kinin belirleme katsayR2 = 0.87 olarak hesaplanm r.
Basit regresyon analiziyle lazer k m ve hidrometreyöntemleriyle belirlenmi kil yüzdeleri aras nda belirlemekatsay R2 = 0.87 ile güçlü bir ili ki oldu u ortayakonulmu tur. Regresyon e itli ine di er zeminparametreleri de dahil edilerek daha güçlü bir ili ki otayakonulup konulamayaca belirlemek amac yla çokluregresyon analizleri yap lm r.
Çizelge 2 incelendi inde lazer kil yüzdesiyle likit limit,plastik limit, plastisite indisi, 200 No.lu elekten geçenyüzde ve hidrometre kil yüzdesi aras nda güçlü bir ili kioldu u, 40 No.lu elekten geçen yüzdeyle ise orta düzeydebir ili ki oldu u görülmektedir. Geriye kalan aktivite ve siltyüzdesi gibi parametrelerinin ise lazer kil yüzdesiyle sonderece zay f bir ili ki içerisinde oldu u Çizelge 2’dengörülmektedir. Korelasyon matrisiyle elde edilen busonuçlara göre, çoklu regresyon analizlerinde lazer kilyüzdesiyle güçlü bir ili ki içerisinde olan likit limit, plastiklimit, plastisite indisi, 200 No.lu elekten geçen yüzde vehidrometre kil yüzdesinden yararlan lacakt r.
Çizelge 2. Çal mada kullan lan parametrelerin korelasyonmatrisi.
Not: Koyu de erler önemli korelasyonlar göstermektedir.Aç klamalar: WL: Likit limit, WP: Plastik limit, IP: Plastisiteindisi, A: Aktivite, #40: Malzemenin 40 No.lu elekten geçenyüzdesi, #200: Malzemenin 200 No.lu elekten geçenyüzdesi, M: Silt yüzdesi, CH: Hidrometre yöntemiylebelirlenmi kil yüzdesi, CL: Lazer k m yöntemiylebelirlenmi kil yüzdesi.
Korelasyon matrisiyle belirlenen bu parametrelerin çe itlikombinasyonlar yla çoklu do rusal regresyon analizleriyap lm ve geli tirilen çok say da e itli in içerisindenstandart hatas en dü ük olup, belirleme katsay R2 =0.89 ile en iyi sonucu veren e itlik (E itlik 2) a dasunulmu tur.
CL= 0.649 CH + 0.224 WL – 0.309 IP – 3.65 (2)
Ayn parametrelerin çe itli kombinasyonlar yla do rusalolmayan regresyon analizleri de yap lm olup, elde edilen
itliklerin içerisinden standart hatas en dü ük olup,
2250
YazarSoyad 1, YazarBa harfi1. ve YazarSoyad 2, YazarBa harfi2.
belirleme katsay R2 = 0.87 ile en iyi sonucu veren e itlik(E itlik 3) a da verilmi tir.
CL= (CH0.9087) + (WL
0.5739) – (3.6394IP0.3744) (3)Do rusal olmayan regresyon analizleriyle geli tirilen en iyi
itli in (E . 3) do rusal regresyon analiziyle geli tirilen. 2’den daha iyi olmad görülmektedir.
4.2. Yapay sinir a lar modeli
Parametre tahmin etme çal malar nda yapay sinirlar n kullan son y llarda gittikçe yayg nla maktad r.
Yapay sinir a lar n geoteknik mühendisli i alanlar nda dabirçok ba ar uygulamas na rastlamak mümkündür(Örne in, Meulenkamp ve Grima [27], Shahin vd. [28],Ye ilnacar ve Topal [29], Chang ve Chao [30], Özer vd.[31]). Bu çal mada da lazer k m yöntemiyle belirlenmikil yüzdesinin tahmin edilmesi için yapay sinir a laryöntemi uygulanm r. Bu amaçla, Çizelge 1’detan mlay istatistik sonuçlar , verilen likit limit, plastik limit,plastisite indisi, aktivite 40 ve 200 No.lu eleklerden geçenyüzdeler, silt yüzdesi ve hidrometre kil yüzdesinden olu antoplam 8 adet parametre yapay sinir a lar nda girdiparametresi olarak kullan lm r.
Bir yapay sinir a n olu turulmas nda gizli tabaka ve gizlitabaka noktalar n say , momentum katsay , ö renmeoran ve durdurma kriteri gibi a meydana getiren vealgoritmay olu turan seçeneklere karar verilmesigerekmektedir. Hornik vd. [32] bir çok mühendislikçal mas nda yeterli gizli tabaka noktas olu turulmasko uluyla bir gizli tabakan n genellikle yeterli oldu unu,ancak elde edilen sonuçlardan tatmin olunmad taktirdeönce gizli tabaka noktalar n daha sonra da gizli tabakasay n artt labilece ini belirtmi tir. Bu çal mada birgizli tabaka ve 6 gizli tabaka noktas ndan olu an bir ameydana getirilmi tir. Yapay sinir a lar nda en yayg nolarak kullan lan algoritma, ileri beslemeli, geri yay lmalalgoritmad r [33]. Bu çal mada da geri yay lmal algoritmakullan lm ve momentum katsay 0.6, ö renme oran ise0.8 olarak seçilmi tir. Tasarlanan a n e itim sürecinintamamland n bildirilmesi için bir durdurma kriterininbelirlenmesi gerekmektedir. Bu çal mada ortalamahatan n 0.01’in alt na dü mesi durdurma kriteri olarakbelirlenmi tir. Yapay sinir a lar yla ba ar bir tahminmodeli geli tirilebilmesi için veri setinin çok say da veridenmeydana gelmesi gerekmektedir. Bu çal mada toplam 72adet veriden yararlan lm olup, bu verilerin 57 adedi(yakla k %80) e itim verisi, 15 adedi ise (yakla k % 20)ise do rulama verisi olarak kullan lm r. Do rulamaverileri, tüm verileri kapsayacak geni likte seçilmi tir.Bahsedilen bu kriterlere göre olu turulan yapay sinir
lar n mimarisi ekil 4’de görülmektedir.
ekil 4. Çal mada kullan lan yapay sinir a lar n mimarisive ba lant a rl klar .
n e itilmesi tamamland ktan sonra, e itim verilerinin vedo rulama verilerinin ölçülen ve tahmin edilen de erleriaras daki ili ki ekil 5’de sunulmu tur. ekil 5’de görülenveriler bilgisayar program taraf ndan, rakamlar nküçültülmesi ve çözüm süresinin k salt lmas amac yla 0 ile1 aras nda olacak ekilde ölçeklenmi tir.
ekil 5. Ölçülen de erlerle YSA taraf ndan tahmin edilende erlerin kar la lmas .
2251
YazarSoyad 1, YazarBa harfi1. ve YazarSoyad 2, YazarBa harfi2.
ekil 5’den, hem e itim verilerinin hem de do rulamaverilerinin 1:1 do rusunun etraf nda toplandgörülmektedir. Buna göre a n e itiminin ba ar oldu uöne sürülebilir.
Yapay sinir a lar güçlü ve esnek bir tahmin aracolmas na kar n en büyük kusuru kapal formda olmas veklasik istatistik yöntemlerinde oldu u gibi aç k bir e itlikvermemesidir. Bu sebeple yapay sinir a lar yla tahminedilen de erleri klasik istatistikle elde edilen de erlerlekar la rmak için E . 4’de verilen RMSE (root meansquare error) terimi kullan lm r. Kar la lan tahminmodelleri içerisinde RMSE terimi en dü ük olan model eniyi tahmin modeli demektir.
nCC
n 1
2gerLtahL )(1RMSE
(4)
itlik 4’de; n veri say , CLtah tahmin edilen lazer kilyüzdesini, CLger laboratuvarda ölçülen gerçek lazer kilyüzdesini göstermektedir.Yapay sinir a lar yla tahmin edilen verilerin RMSE teriminihesaplayabilmek için 72 adet verinin tamam sorgulamaverisi olarak e itilen a a girilmi ve a taraf ndan tahminedilen veriler kullan larak E .4’den RMSE terimihesaplanm r. Bu ekilde hesaplanan RMSE terimleri,regresyon e itliklerinin RMSE terimleriyle birlikte Çizelge3’de sunulmu tur.
Aç klamalar: WL: Likit limit, WP: Plastik limit, IP: Plastisiteindisi, CH: Hidrometre yöntemiyle belirlenmi kil yüzdesi,CL: Lazer k m yöntemiyle belirlenmi kil yüzdesi.
Çizelge 3 incelendi inde, en dü ük RMSE de erinin yapaysinir a lar yla elde edildi i görülmektedir. Buna göre yapaysinir a lar n regresyon analizlerine göre çok daha güçlübir tahmin arac oldu u ortaya konulmu tur. Regresyonanalizleri içerisinde en iyi sonucu ise en dü ük RMSE veen yüksek belirleme katsay yla çoklu do rusal regresyonanaliziyle geli tirilmi olan 2 No.lu e itlik vermi tir.
5. Sonuçlar
Bu çal mada, toplam 72 adet veriden ve 8 ayr zeminparametresinden olu an bir veri seti kullan larak lazer
m yöntemiyle belirlenmi kil yüzdesi tahmin edilmeyeçal lm r. Tahmin modeli olarak basit regresyon analizi,çoklu do rusal regresyon analizi, çoklu do rusal olmayanregresyon analizi ve yapay sinir a lar kullan lm r. Sonuçolarak lazer k m kil yüzdesinin di er zemin
parametrelerinden yararlan larak ba ar yla tahminedilebilece i ortaya konulmu tur. Kullan lan tahminmodelleri içerisinde en iyi tahmin arac n yapay sinir
lar oldu u belirlenmi tir. Ancak yapay sinir a lar nkapal formda olmas , yani aç k bir e itlik vermemesi gibiönemli bir kusuru bulundu undan regresyon analizleriylegeli tirilen e itliklerin kullan vazgeçilmezdir. Buçal mada uygulanan regresyon analizleri içersinde en iyisonuç çoklu do rusal regresyon analizleriyle eldeedilmi tir.
Kaynaklar
[1] Beuselinck, L., Govers, G., Poesen, J., Degraer, G.,Froyen, L., Grain-size analysis by laserdiffractometry: comparison with the sieve-pipettemethod, Catena, vol. 32, 193–208, 1998.
[5] Wen, B., Ayd n, A., Ayd n-Duzgoren, N.S., Acomparative study of particle size analysis by sieve-hydrometer and laser diffraction methods,Geotechnical Testing Journal, vol. 25(4): 434–442,2002.
[6] Ma, Z., Merkus, H. G., de Smet, J.G.A.E., Heffels C.,Scarlett, B., New developments in particlecharacterization by laser diffraction: size and shape,Powder Technology, vol. 111, 66–78, 2000.
[7] Barth, H. G., in: Modern Methods of Particle SizeAnalysis, Wiley, New York, 1984.
[8] Özer, M. ve Orhan, M., Lazer k m yöntemiylezeminlerin tane büyüklü ü da n belirlenmesi:Genel ilkeler ve örnek haz rlama yöntemi, Gazi Ünv.Müh. Mim. Fakültesi Dergisi, cilt 25(2): 217–226,2007.
[9] Malvern, Diffraction Reference, MAN 0073 andInstrument Manuel, MAN 0054, Malvern InstrumentsLtd, Spring Lane South, Worcs, WR14 1AT, U.K.1993.
[10] Hesseman, R., Particle size analysis in ceramicsmanufacture, International Ceramics, vol. 1, 31–34,2002.
[11] ISO 13320 – 1, Particle size analysis – laserdiffraction methods, Part 1: general principles, AnnexA; Theoritical background of laser diffraction,Geneve, Switzerland, 1999.
[12] McCave, I.N., Bryant, R.J., Cook, H.F. &Coughanowr, C.A., Evaluation of laser diffraction sizeanalyser for use with natural sediments, Journal ofSedimentary Petrology, vol. 56, 561–564, 1986.
[13] Loizeau, J.L., Arbouille, D., Santiago, S. and Vernet,J.P., Evaluation of a wide range laser diffraction grainsize analyser for use with sediments, Sedimentology,vol. 41, 353–361, 1994.
[14] Konert, M. and Vandenberghe, J., Comparison oflaser grain size analysis with pipette and sieve
2252
YazarSoyad 1, YazarBa harfi1. ve YazarSoyad 2, YazarBa harfi2.
analysis: a solution for the underestimation of theclay fraction, Sedimentology, 44: 523–535, 1997.
2253
5. Uluslararas leri Teknolojiler Sempozyumu (IATS’09), 13-15 May s 2009, Karabük, Türkiye
FARKLI HAMMADDELER N TU LA ÜRET NDEKULLANILAB RL N ARA TIRILMASI
AN INVESTIGATION INTO THE USABILITY OF DIFFERENT RAWMATERIALS IN BRICK PRODUCTIONAlper B DEC a,*, Özlem SALLI B DEC a, Ünal SEVERa
a* rklareli Üniversitesi Teknik E itim Fakültesi, K rklareli, Türkiye, E-posta: alper.bideci@k rklareli.edu.trrklareli Üniversitesi Teknik E itim Fakültesi, K rklareli, Türkiye, E-posta: [email protected] Üniversitesi Teknik E itim Fakültesi, K rklareli, Türkiye, E-posta: [email protected]
Özet
Bu çal mada, farkl hammaddelerin tu la üretiminde,kullan labilirli i ara lm r. Bunun için Ankara mrahorBölgesindeki tu la fabrikalar ndan al nan tu la kili, Ankara
eker Fabrikas diatomit tesislerinden al nan diatomithammaddesi ve zmir Cumaovas ’nda bulunan Eti HoldingA. . Perlit letmesi Müdürlü ü’nden al nan genle tirilmiperlit kullan lm r. TSE 705 (TS EN 771–1) standard ndaverilen dolu tu la s , (1.8/100) tu lan n mekaniközellikleri göz önüne al narak, diatomit ve perlithammaddelerinden ayr ayr %0, %10, %20 ve %30oranlar nda kar m hamurlar elde edilmi tir. Elde edilendeney numuneleri, 800°C, 900°C ve 1000°C 'de pi irme
cakl klar nda pi irilmi tir. Uygun tu la üretimi için, pi irilendeney numuneleri üzerinde su emme, dona dayan kl k vebas nç dayan testleri uygulanm r. Deneysel çal malarsonucunda %20 diatomit katk ürünlerin 900°C'depi irilmesi ile gerekli mekanik özellikleri sa layan ürün eldeedilebilece i görülmü tür.
Anahtar kelimeler: Kil, Tu la, Diatomit, Perlit
Abstract
The present study investigates the usability ofdifferent raw materials in brick production. To thisend, brick clay obtained from the brick factories in theImrahor region in Ankara, diatomite raw material from thediatomite plants of Ankara Sugar Factory, and expandedperlite from Eti Holding Inc. Perlite Enterprise inCumaovas , Izmir were used. Taking into consideration themechanic characteristics of the solid brick type (1.8/100) inaccordance with the standard TSE 705 (TS EN 771–1),mixture pastes were obtained from diatomite and perliteraw materials separately with rates of 0%, 10%, 20% and30%. The obtained experiment samples were baked attemperatures of 800°C, 900°C and 1000°C. For properbrick production, the baked samples were subjected towater absorption, frost resistance, and compressivestrength tests. Experimental studies revealed that a productwith required mechanical characteristics could be obtainedby baking 20% diatomite-added products at 900°C.
Keywords: Clay, Brick, Diatomite, Perlite
1. Giri
Pi mi toprak ürünlerinin sundu u avantajlar n birço unuüzerinde toplayan tu lan n, geleneksel yap m
sistemlerinde, oldukça önemli bir yeri vard r. Busistemlerde tu la, yap n gerek yap fizi i aç ndan,gerekse ta k aç ndan, birçok gereksiniminikar layabilecek niteliktedir.
Pi mi toprak malzemenin, di er kâgir malzemeden üstünoldu unu gösteren en büyük avantaj ise dayan kl r.10000 y ll k geçmi iyle en eski teknolojilerden biri olançömlekçili in uzun y llar ayakta kalmas bunun bir kan r[1].
Kolay ve ekonomik üretimiyle yap sektöründe gözde olantu la elemanlar n üretimi gün geçtikçe artmaktad r.Dolay yla tar m içinde önemli olan kil yataklar n hergeçen gün azald bilinmektedir. Bu amaçla birçokara rmac ana bile enlerinin miktar azaltmak vetu lan n özelliklerinde iyile tirmeler yapmak için de ikkatk malzemelerini kullanarak çal malar yapmaktad r. Buçal mada da diatomit ve perlit katk tu la üretilmesiara lmas hedeflenmi tir [2].
Bu çal ma için, Ankara mrahor bölgesinde bulunan tu lafabrikas ndan al nan tu la kili, Türkiye eker Fabrikas ’naba bulunan Ankara Kizelgur (Diatomit) Fabrikas ndanal nan diatomit ve zmir Cumaovas ’nda bulunan EtiHolding A. . Perlit letmesi Müdürlü ün’ den al nangenle mi perlit hammaddesi kullan larak yap tu lasüretilmesi amaçlanm r.
Hammadde haz rlanmas , ekillendirme, kuruma, pi meras ndaki davran lar belirlemek için bu iki ayr
hammaddeden belli oranlarda kar m yap larak ayr ayrörnek numuneler üretilmi tir. Üretilen bu numunelere öndeneyler uygulanarak uygun kar m oranlar belirlenmi tir.
Diatomit ve perlit kar m oranlar ayr ayr %10, %20 ve%30 ve pi irme s cakl klar 800°C, 900°C ve 1000°Colarak tespit edilerek haz rlanan numunelere, su emme,dona dayan kl k ve bas nç dayan testleri uygulanarak,diatomit ve perlit hammaddelerinin tu la üretimindekullan labilirli i ara lm r.
Bu konuya yönelik yap lan baz ara rmalar unlard r:
Aktif diatomit üretiminde kullan lan hammadde Almanca"Kieselgur" veya ngilizce "Diatomite" olarak adland lanendüstriyel bir mineraldir. Diatomit, algler s ndan sucanl lar olan diatomelerin silisli kabuklar n birikimiyleolu mu fosil karakterli sedimanter kayad r. Diatomeler
2254
Bideci A., Sall Bideci Ö. ve Sever Ü .
bugün de denizlerde ve göllerde ya amlarsürdürmektedirler [3].
Perlit, %70–75 oran nda SiO2 ihtiva eden bir silikat türüdür.Bünyesinde %12–16 oran nda alümina bulunur. Di erbile enleri; Na, K, Fe, Mn, TiO2 ve sülfürdür [4].
çinde kil minerali ihtiva eden, belli ölçülerde su ilekar ld nda plastik hamur halinde ekillenme özelli inesahip ve 900 º C ile 1000 º C ‘de pi irildi inde çatlamadansertle ebilen bütün topraklar, tu la–kiremit imaline elveri lihammaddelerdir [5].
Eski ehir K rka yöresi, boraks art k killerinden iki farklyerden getirilerek, tu la topra ile kar larak bas nçdayan m testlerine göre en iyi sonucu veren numunegrubuna, bütün tu la deneylerini uygulam r. Sonuçolarak art k killerin bölgedeki tu la hammaddeleri ile uygunoranlarda kar larak kullan labilece i ortaya konmu tur[6].
Afyon bölgesi tüflerinin tu la üretilmesi konusunda yap lançal mada % 10, % 20 ve % 30 oran nda kat lmas ve tu laiçin ekonomik pi irme s cakl artarak kabul edilen900ºC’de pi irilmesi ile elde edilen deney numunelerinin,800ºC ve 1000 ºC’de pi irilen deney numunelerine göredaha iyi sonuçlar verdi ini gözlemi tir. 800ºC ‘de pi irilennumunelerde standart mekanik özelliklerinsa lanamad ve 1000ºC ’de ise mekanik özelliklerinönemli ölçüde artmad belirtmi tir [7].
Pirinç kabu u külü ile k rm killi toprak kar ndanolu mu tu lalar üzerine yap lan deneysel çal mada,pirinç kabu u külünün etkisi incelenmi tir. Kül katk nart ile rötre de eri lineer olarak azal rken, su içeri ilineer olarak artm r. Su emme de eri % 17,1 olarakbulunmu tur. 1000 ºC‘de 4 saat süre ile pi irilen tu lalardaen yüksek bas nç dayan de eri elde edilmi tir. %20 külkatk nda bas nç dayan 24,9N/mm2 olarakbulunmu tur [8].
Afyon Çobanlar mevkii killerinin tu la yap nauygunlu unun ara lmas üzerine yap lan çal mada,bölgeden al nan toprak numunelerinden, katk z vede ik oranlarda kum katk olmak üzere üç ayr seridedeney numunesi üretilmi ve bu numunelere bir dizi testuygulanarak hammaddenin davran lar gözlenmi tir.Böylece en uygun üretimin hangi ko ullardayap labilece ini ortaya koyulmu tur [9].
Bas nç dayan n tu lan n en önemli özelli i oldu unu,bunun pek çok faktöre ba oldu unu ve bu faktörlerin,tu lan n porozitesi, pi irilme , üretim biçimi, yüklemeyönü, delikli tu la ise deliklerin miktar , yeri, kenarlar nbiçimi vb. oldu unu belirtmi tir [10].
Ni de yöresi hafif yap malzemelerinden perlit ve diatomitinminerolojik ve petrografik incelenmesi konuluara rmas nda; bu yöredeki perlitlerin, hafif yal m betonagregas , filtre yard mc maddesi, sanayi yal olarakkullan labilece ini tespit etmi tir [11].
2. MATERYAL VE METOD
Bu çal mada; Ankara ili mrahor Bölgesinde bulunan tu lakili, Türkiye eker Fabrikas ’na ba bulunan Ankara
Kizelgur (Diatomit) Fabrikas ’ndan al nan diatomithammaddesi ve zmir Cumaovas ’nda bulunan Eti HoldingA. . Perlit letmesi Müdürlü ü’nden al nan perlithammaddesi kullan lm r. Tu la killeri do al havaartlar nda kurutularak, No:10 elekten elenerek
haz rlanm r.
Deney örneklerinin pi irilmesinde “SFL” marka, 1500 ºCcakl k ve otomatik termostatl , ± 5 ºC hassasiyetli, dijital
göstergeli f n kullan lm r.
TS 705 (TS EN 771–1) [12] Standard nda verilen dolutu la s (1,8/100) özelliklerindeki tu lan n mekaniközellikleri göz önüne al nm r. Deney numuneleri kil+diatomit ve kil+perlit eklinde olup, serbest hacim esas nagöre belirlenmi tir. Diatomit ve perlit hammaddesindenhacimsel olarak %10, %20, %30 oranlar nda katk vekatk z deney örne i, 800°C, 900°C ve 1000°C pi irme
cakl klar nda de erlendirilmek üzere, her bir s ftan 45adet olacak ekilde toplam 360 adet üretilmi tir.
Deney numunelerinin ekillendirilmesinde TS 4790’da [13]belirtilen ekillendirme ve kal plama esaslar na uygunolarak, pnömatik sistemli, manometre kontrollü deneydüzene i kullan lm ve (25×50)mm boyutlar nda silindiriknumuneler elde edilmi tir.
2.1. Çamur Haz rlama
Bütün malzemeler önce etüv kurusu haline getirilmi tir.Daha sonra terazide tart larak, belirlenen oranlarda al nmve sert plastik k vama gelinceye kadar su ilave edilerekelle yo rulmu tur. Yo rulan çamur, rutubetinikaybetmeyecek biçimde 24 saat bekletildikten sonraplastik ekillendirmeye haz r hale getirilmi tir.
2.2. ekillendirme
Haz rlanan çamur, pnömatik sistemle çal an s rmaaletinde 1kg/cm2 bas nç uygulanarak s lm r.Numuneler 25mm çap, 50mm yükseklikteekillendirilmi tir. Bu i lemde tel kesme aparat
kullan larak, numune boylar n 50mm olmassa lanm r. Her bir deney serisi için 45’er adet numuneüretilmi tir. ekillendirilen numunelerin plastik uzunluklarkumpas ile i aretlenmi ve ya a rl klar hassas terazidetart lm r.
2.3. Kurutma
Üretilen numuneler 24 saat normal oda s cakl ndabekletildikten sonra, kuruma s ras nda çarp lman nengellenmesi için, döndürme i lemi yap larak di eryüzeylerinin de kurumalar sa lanm r. Daha sonranumuneler s cakl 55°C’ye ayarlanm etüve konularak 4saat bekletilmi , de mez kütleye gelinceye kadar 110 °C’de etüvde kurutulmu tur. Numuneler kurutma sonundaortam artlar ndan etkilenmeden oda s cakl nagetirilmi tir. Kurutulan numunelerin a rl klar hassasterazide ve uzunluklar kumpas ile ölçülerek kaydedilmi tir.
2.4. Pi irme
ekillendirme ve kurutma i lemi tamamlanm numunelerleilgili gerekli veriler (hassas tart m ve boyut ölçümleri)
2255
Bideci A., Sall Bideci Ö. ve Sever Ü .
saptand ktan sonra 800°C, 900°C ve 1000°C s cakl klarda,dijital göstergeli kül f nda, normal atmosfer ko ullar ndave 150°C/saat pi irme h ile pi irme i lemi yap lm r.Cihaz her s cakl k düzeyinde 1 saat sabit tutulmu tur.Pi irme s cakl klar na (800°C, 900°C ve 1000°C)gelindi inde, f n en son s cakl kta 2 saat sabittutulmu tur. Daha sonra f n so umaya b rak larak 200°C’ye dü tü ünde numuneler ç kar larak desikatöre al p,oda s cakl na kadar so utulmu tur. Pi irme sonundanumuneler yeterli s cakl a kadar so uduktan sonrahassas tart m ve i lemleri yap larak kaydedilmi tir.
3. Bulgular ve De erlendirme
4.1. Bas nç Mukavemeti De erleri
Deney serilerinden elde edilen bas nç dayan m de erleriÇizelge 1’de verilmi tir. Farkl kar m numune serilerineve pi irilme s cakl klar na göre bas nç mukavemeti deneyisonuçlar de erlendirildi inde, kar m serilerine vepi irilme s cakl klar na göre farkl klar gözlenmi tir. Enuygun bas nç dayan 900°C’de pi irilen numuneserisinden elde edilmi tir. Diatomit katk bak ndan da%20 ve %30 diatomit katk deney numune serilerininbas nç dayan mlar n iyi sonuçlar verdi i belirlenmi tir.
Çizelge 1. Bas nç dayan deney de erleri (N/mm2)
cakl k% 100
Kil
Diatomit Katk Perlit Katk
% 10 % 20 % 30 % 10 % 20 % 30
800 °C 11.22 10.44 11.17 12.65 2.29 1.09 1.08
900 °C 16.69 8.76 13.32 13.68 2.41 1.11 1.14
1000 °C 13.79 6.18 8.95 10.81 3.37 1.77 1.35
TS 705’e göre
(TS EN 771–1)
Aritmetik Ortalama: 10 N/ mm2
En Küçük De er: 8 N/mm2
4.2. Su Emme De erleri
Su emme deneyi sonuçlar n verildi i Çizelge 2’ye göre;su emme oranlar diatomit katk numuneler için standartde erler içerisinde kalmaktad r. Diatomit katk oran nartmas , su emme oranlar nda da art a yol açmaktad r. Budurumda diatomit katk su emme oranlar olumsuzyönde etkilemektedir. Buna ek olarak pi irme s caklart su emme oranlar azaltmaktad r. Bununla birlikteperlit katk oran n artmas ile birlikte su emme oran nda artt gözlenmi tir. Perlit katk su emme oranolumsuz yönde etkilemektedir.
Çizelge 2. Su emme deneyi sonuçlar (%)
cakl k% 100
Kil
Diatomit Katk Perlit Katk
% 10 % 20 % 30 % 10 % 20 % 30
800 °C 11.22 8.29 11.83 17.35 31.77 50.30 57.63
900 °C 16.69 7.53 9.93 16.40 29.65 49.97 55.88
1000 °C 13.79 5.42 9.15 15.73 28.26 41.25 47.39
TS 704’e göre [14]—Her birinin a rl kça su emme oran %20’den büyükolmamal r.—Her birinin aritmetik ortalamas %18’ den fazlaolmamal r.
Su emme deneyi uyguland nda, kullanma s ras ndazararl olabilecek çatlak, kopma, pullanma ve da lma gibihasarlar görülmemi tir. Ancak bu hasarlar ngörülmemesine ra men deney sonuçlar ndan üpheedilmesinden dolay , deneyden ç kan numuneler üzerindebas nç dayan m testi uygulanm r. Bunlar n aritmetikortalamalar Çizelge 3’te verilmi tir.
Çizelge 3. Su emme deneyi uygulanan numunelerin bas nçdayan m de erleri (N/mm2)
% 100
Kil
Diatomit Katk Perlit Katk
% 10 % 20 % 30 % 10 % 20 % 30
800 °C 9.43 8.40 8.12 5.83 2.11 0.93 0.87
900 °C 14.07 8.39 11.68 7.61 2.28 1.09 1.04
1000 °C 12.23 6.12 7.80 10.04 2.22 1.35 1.11
TS 705’e göre
(TS EN 771–1)
Aritmetik Ortalama: 10 N/ mm2
En Küçük De er: 8 N/mm2
4.3. Dona Dayan kl k De erleri
Numunelere dona dayan kl k deneyi uyguland nda,zararl olabilecek çatlama, kopma, pullanma, da lma vb.hasarlar görülmemi tir. Ancak numunelere dona dayan mdeneyinden sonra, üphe edilenlere bas nç mukavemetitesti uygulanm ve sonuçlar Çizelge 4’te verilmi tir.Uygulanan bas nç dayan m testinde 900°C pi irilen %20diatomit katk numune serisinin di er numune serilerineoranla daha iyi sonuçlar verdi i görülmektedir.
Çizelge 4. Dona dayan m deneyi uygulanan numunelerinbas nç dayan m de erleri (N/mm2)
% 100
Kil
Diatomit Katk Perlit Katk
% 10 % 20 % 30 % 10 % 20 % 30
800 °C 10.89 10.06 8.32 5.58 1.69 0.98 0.62
900 °C 12.49 7.71 11.67 7.79 2.07 0.89 0.80
1000 °C 10.62 5.21 8.10 8.43 3.07 1.65 0.80
TS 705’e göre
(TS EN 771–1)
Aritmetik Ortalama: 10 N/ mm2
En Küçük De er: 8 N/mm2
5. Sonuç Ve Öneriler
Farkl hammaddelerin tu la üretiminde, kullan labilirli iara lmas na ili kin yap lan deneysel ara rmasonucunda a daki sonuçlar elde edilmi tir;
Bas nç dayan de erlerine göre; diatomit katknumunelerde 800°C, 900°C ve 1000°C ’de pi irilennumune serilerinde en uygun bas nç dayan n 900°C’de pi irilen numune serisinden elde edildi i görülmü tür.Diatomit katk bak ndan da % 20 ve % 30 diatomitkatk deney numune serilerinin bas nç dayan mlar nolumlu sonuçlar verdi i belirlenmi tir. Perlit katk
2256
Bideci A., Sall Bideci Ö. ve Sever Ü .
numunelerde ise; bas nç mukavemeti de erleri, %10, %20ve %30 perlit katk , 800°C, 900°C ve 1000°C’de pi irilennumune serilerinde uygun bas nç dayan eldeedilememi tir. Perlit katk bak ndan katk oran n%10’un alt nda aranmas gereklili ine var lm r.
Farkl kar m numune serilerine ve pi irilme s cakl klar nagöre su emme deneyi sonuçlar de erlendirildi inde,diatomit katk numunelerin su emme oranlar n standartde erler aras nda kald belirlenmi tir. Diatomit katkoran n artmas ile su emme oran n da arttgözlenmi tir. Diatomit katk su emme oran olumsuzyönde etkilemektedir. Su emme deneyi uygulanannumunelere bas nç dayan testi yap ld nda, 900°C’depi irilen, %20 diatomit katk numune serisinin bas nçdayan mlar n olumlu sonuçlar verdi i belirlenmi tir. Perlitkatk numunelerde ise su emme oranlar n standartde erler içerisinde kalmad ve perlit katk oran nartmas ile birlikte su emme oran n da arttgözlenmi tir.
Su emme deneyi uygulanm numune serilerine uygulananbas nç dayan m de erlerinde, 800°C’de %20 ve 800°C’de%30 diatomit katk numunelerin bas nç dayan mlar naritmetik ortalaman n üzerinde oldu u ve di ernumunelerin dü ük oldu u bulunmu tur.
Dona dayan m testi sonucunda, kullanma s ras nda zararlolabilecek çatlak, kopma, pullanma ve da lma gibihasarlar görülmemi tir. Ancak deney sonuçlar ndan üpheedilmesinden dolay , deneyden ç kan numuneler üzerindebas nç dayan testi uygulanm , diatomit katk oran nartmas yla dona dayan m bas nç de erlerinde azalmaoldu u ve 900°C’de pi irilen %20 katk numunelerinuygun oldu u belirlenmi tir.
Yukar da belirlenen tüm bulgular göz önüne al nd nda%20 diatomit katk ürünlerin 900°C’de pi irilmesi ilegerekli mekanik özellikleri yerine getirebilen ürün eldeedilebilece i görülmü tür.
Bu çal mada, diatomit katk ve perlit ile üretilen tu laörneklerinin geçirgenlik de erleri tespit edilememi tir.Bundan sonra yap lacak çal malarda, konunun buyönünün de ara lmas önerilir.
Kaynaklar
[1] Budworth, D.W., An Introduct on to Ceramic Science,Pergamon Press, Oxford (1970).
[2] Bideci A., Diatomit hammaddesinin tu la üretimindekullan labilirli inin ara lmas , Yüksek Lisans Tezi,Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Ankara,2003.
[4] Yalg n, S., aat sektöründe genle mi perlitkullan , Etibank Matbaas , Ankara,1983.
[5] Köktürk, U., “Endüstriyel hammaddeler”, Dokuz EylülÜniversitesi Yay , 250-266, zmir, 1993.
[6] Sönmez, E. ve Yorulmaz, S., K rka-Boraks i letmesiat k killerinin tu la yap nda kullan labilirli ininara lmas ”, 1. Endüstriyel HammaddelerSempozyumu, 163-165, zmir, 1995.
[7] Demir, ., Afyon bölgesi tüflerinin tu la üretiminde
kullan lmas , Doktora Tezi, Gazi Üniversitesi FenBilimleri Enstitüsü, Ankara, 2001.
[8] Rahman, M.A., Effect of rice husk ash on theproperties of bricks made from fired lateritic, Soil-CIay Mix. Materials and Structures, 21, (123): 222-227, 1988.
[9] Demir, ., Afyon Çobanlar Mevkii killerinin tu layap na uygunlu unun ara lmas , Yüksek LisansTezi, Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü,Ankara, 1996.
[10] Orhan M., Demir ., Tu la killerinde rötrede erlerinin azalt lmas üzerine bir ara rma, GaziÜniversitesi Fen Bilimleri Dergisi, (2): 11, 383-390,Ankara (1998).
[11] Ta nar, B., Ay, N., Use of perlite in wall tileproduction, The American Ceramic Society Bulletin,86-87, U.S.A.,1999.
[12] TS EN 771–1, Kagir Birimler-Özellikler- Bölüm 1: KilKagir Birimler (Tu lalar), Türk Standartlar Enstitüsü,Ankara, 2005.
[13] TS 4790 “Tu la ve Kiremit Topraklar n DeneyMetodu”, Türk Standartlar Enstitüsü, Ankara, 1986.
[14] TS 705 ”Fabrika Tu lalar -Duvarlar çin Dolu veDü ey Delikli”, Türk Standartlar Enstitüsü, Ankara,1986.
YÜKSEK KALS YUMLU UÇUCU KÜLLER N Ç MENTO NUMUNELER NDEMEYDANA GET RD GENLE ME M KTARLARININ TAHM N
ED LMES NE YÖNEL K ALTERNAT F YAKLA IMLAR
ALTERNATIVE APPROACHES FOR ESTIMATING OF THE EXPANSIONQUANTITY ORIGINATED FROM HIGH CALCIUM INCLUDED FLY ASHES
ON THE CEMENT SPECIMENSSerkan SUBA Ia, Ahmet BEYC LUb ve Mustafa ÇULLUc
a Düzce Üniversitesi, Teknik E itim Fakültesi, Yap E itimi Bölümü, Düzce, Türkiye, [email protected] Düzce Üniversitesi, Teknik E itim Fakültesi, Yap E itimi Bölümü, Düzce, Türkiye, [email protected]
c Hacettepe Üniversitesi, Polatl Teknik Bilimler MYO, Ankara, Türkiye, [email protected]
Özet
Bu çal man n amac Yata an ve Soma termiksantrallerinden elde edilen yüksek kalsiyum içerikli uçucuküllerin çimento numunelerinde kullan ile ortaya ç kangenle me miktarlar n tahmin edilmesine yönelik alternatifmodeller olu turmakt r.
Bu amaçla, kar m içerisinde çimento ile %0, %10, %20,%30 ve %40 oranlar nda Yata an ve Soma Termiksantrallerinin uçucu külleri ikame edilerek, her bir kar miçin 6 adet 25x25x285 mm boyutlar nda genle meörnekleri haz rlanm r. Her bir grup için kar mdakullan lacak su miktar ASTM C230, C109 ve C1437standartlar nda belirtilen akma çap na göre Akma tablasdeneyi gerçekle tirilerek belirlenmi tir. Çimento harççubuklar nda genle me deneyi ASTM C 151 standard ndabelirtilen esaslara uygun olarak otoklav metodu ilegerçekle tirilmi tir. Ayr ca uçucu küller üzerinde kimyasalanaliz gerçekle tirilerek kullan lan UK’lerde genle meyeneden olan MgO miktarlar ölçülmü tür. Çal mada uçucukül ikame oranlar ve MgO miktarlar na ba olarakçimento genle me miktar tahmin eden çoklu lineerregresyon ve bulan k mant k modelleri olu turulmu tur.Tahmin modellerinden elde edilen veriler gerçek genle memiktarlar ile kar la rmal olarak de erlendirilmi tir.
Sonuç olarak, her iki yöntem ile çimento genle memiktarlar n tahmin edilmesinin mümkün oldu u, ancakbulan k mant k yönteminin genle me miktarlar çoklulineer regresyona göre daha yüksek oranda ba ar iletahmin etti i görülmü tür.
The aim of this study is to constitute the alternative modelsfor estimating the expansion quantities originated fromusing the high calcium included fly ashes on cementspecimens and use of the high calcium included fly ashesobtained from the Yatagan and Soma Thermic Centrals.
For this purpose, 6 numbers of 25x25x285 mm dimensionsexpansion specimens were prepared for each concrete
mix design which produced by substitution 0%, 10%, 20%,30% ve 40% amount of the fly ashes obtained from
Yatagan and Soma Thermic Centrals with cement. Watercontent for each mixture was determined performing theflow table test and using flow factor obtained from ASTMC230, C109 and C1437 Standards. Expansion test on thecement mortar bar was performed with autoclave methodin accordance with the ASTM C 151 Standard. Besides,MgO content caused the expansion in the cement mortarwas determined with chemical analysis. Multi linearregression and fuzzy logic models estimated theexpansion quantity of cement depended on the fly ashsubstitution quantity and MgO content were established.The values obtained from the estimation model wereevaluated comparatively with the experimental values.
As a result, it is seen that estimation of the cementexpansion quantity for both methods is possible; howeverthe fuzzy logic method was estimated the expansionquantity of the cement excellently than the multiple linearregression method.
Çimento içinde bulunabilen CaO ve MgO’un gecikmihidratasyonlar da betonda genle melere ve çatlamalarayol açabilmektedir. Döner f nda yüksek s cakl klardapi erek kristal yap ya sahip olan bu bile enler di erçimento bile enlerinden daha geç reaksiyon gösterirler. Bunedenle çimento içindeki miktar n s rl olmas istenir[1,2]. Bu oksitlerin hidratasyonu sonunda sertle miçimento hamurunda genle me olu tu undan, betonyap larda iç gerilmeler ve çatlamalar meydanagelebilmektedir [3,4].
Çimentolarda istenmeyen bir bile ik olan kristal yap dakimagnezyum göz önünde bulundurulmal r. Çünkü, normal
cakl kta çok yava hidrate olur ve bundan dolay ilerikizamanlarda genle meye neden olur. Bu gecikmigenle me betonun yap na, çimentonun kat la masevresinde serbest kirecin hidratasyonundan dolay olanerken genle meden daha çok zarar verir. ASTM C151 gibiotoklav genle me testi MgO, CaO veya her ikisini içeren
çimentolar n dayan kl tan mlamak için dizaynedilmi tir [5]. Betonun otoklav genle mesi, MgO ve uçucukül eklenmesine ayr ca otoklav ve zaman na ba r,ama genle me miktar MgO miktar n yükselmesiyle h zlayükselir [4,5]. Bu durum çimentonun mekanikdayan kl n kayb na ve daha yüksek genle mede erine sebep olur. Literatür incelendi indeara rmac lar n özellikle MgO’dan kaynakl genle melerüzerinde çal ma yapt klar görülmektedir [6,7].
MgO’in suyla reaksiyonundan %118 hacim genle mesineneden olan Mg(OH)2 olu ur. MgO suyla çok yavareaksiyona girer, bunun sonucu olarak çimentosertle tikten sonra genle meye neden olmaktad r [7].Standartlarda normal portland çimentosunun MgO içeri i%5 den az olmas gerekti i ifade edilmektedir [8].
Ülkemizde aç a ç kan uçucu küllerin büyük bölümüyüksek kireç içeriklidir ve uçucu kül özellikleri santraldensantrale, hatta ayn santralde zamana ba olarak büyükde iklikler gösterebilmektedir [1]. Genellikle F suçucu kül küresel yap nedeniyle betonun i lenebilmeözelli ini iyile tirmekte, taze betonda su kusmay (terleme)azaltmakta, betonun hidratasyon azaltarak s cakhavalarda kütle betonu dökümüne imkân tan makta,puzolanik reaksiyon sayesinde betonun uzun dönemlimukavemetine katk da bulunmakta, betonun geçirimlili iniazaltmakta ve betonun iç ve d kaynakl y prat etkileredayan kl artt rmaktad r. Bu yararl özellikleri uçucukülün beton üretiminde yayg n olarak kullan na veara rmalar n bu konu üzerinde yo unla mas na yolaçm r [2]. Buna kar k, uçucu kül betonun erkendayan dü ürebilmekte ve özellikle yüksek kireç içerikli(C s ) uçucu külün betonda yüksek oranda kullan isebetonun hacim sabitli inin bozulmas na yol açabilmektedir[9].
Ara rmac lar taraf ndan beton içerinde %40, %50, %60,%70 gibi yüksek oranda C s uçucu kül kullan nçimento harç çubuklar üzerinde genle me oranlar tayinedilmi ve uçucu kül oran n artmas ile harç çubuklar ngenle me miktar n da artt görülmü tür. Çimento veyauçucu külde bulunan serbest kireç yüksek s cakl k etkisinemaruz kald için beton içinde çok yava ve uzun süredehidrate olabildi i belirtilmektedir [10]. Mehta ve Pritz(1981), yüksek MgO’li çimento ile büzülme çatlaklartelafi etmeye çal lard r. [11].
Bu ara rmada, uçucu kül ikame edilen çimentonumunelerinde kar m içerisinde artan MgO miktar naba olarak meydana gelebilecek genle me miktarbelirleyebilecek tahmin modelleri olu turulmayaçal lm r.
2. Çoklu Lineer Regresyon
Çoklu lineer regresyon analizi birden fazla de kenaras ndaki ili kilerin bir matematiksel e itlik ile aç klanmassüreci olarak tan mlanmaktad r.
Gerçek hayatta birçok modelin aç klamas için iki veyadaha fazla aç klay de kene gerek duyulmaktad r.Birden çok aç klay de kenli modeller çoklu regresyonmodeli olarak adland lmaktad r [12]. Çoklu do rusalregresyon denkleminin formülize edili biçimi Denklem 1’de verilmi tir.
y= bo+b1X1+……………+ bnXn (1)
Model denklemlerde,Y= Ba ml de keniXi=Ba ms z de kenleribi= Hesaplanan katsay parametreleri = Hata terimini ifade etmektedir.
3. Bulan k Mant k
Bulan k ilkeler hakk nda ilk bilgiler, Zadeh (1965)taraf ndan literatüre mal edilmi tir. Önceleribulan kla rman n kesin olan bilimsel ilkelere uymad vehatta bilime kar geldi i ileri sürülmesine ra men, 1975
nda Mamdani ve Assilian (1975) taraf ndan yap lan birkontrol uygulamas , bulan k kavram ve sistemlerin dikkatkazanmas na neden olmu tur [13,14]. Bulan k modelleme,bulan k modelin yap yla ilgilenen sistem tan mlamas nyeni bir koludur ve örnek bir veri seti ile tan mlanan,bilinmeyen bir sistemin davran tahmin eder ve aç klar.Klasik matemati e dayanan sistem modellemesi, eksiktan mlanm ve belirsiz sistemler için pek uygun de ildir.Bunun aksine, bulan k mant k sistemi, hassas nicelanalizler kullanmadan insan bilgisinin ve yakla msüreçlerinin nitel taraflar modelleyebilir. Son y llarda yenikonular aras nda ilk s ray tutan bulan k küme, mant k vesistemler hemen her mühendislik dal nda uygulan r halegelmi tir. Bulan k mant n en geçerli oldu u iki durumdanilki, incelenen olay n karma k olmas ve bununla ilgiliyeterli bilginin bulunmamas durumunda ki ilerin görü veyarg lar na yer vermesi, ikincisi ise insan muhakemesine,kavray lar na ve karar vermesine gereksinim gösterenhallerdir.
Genellikle bilinen matematik, stokastik veya kavramsalsistemlerin hemen hepsi ekil 1’de görülen üç ayrbirimden ibarettir. Bunlar giri , bu giri i ç a dönü türenve sistem davran olarak isimlendirilen bir kutu veburadan ç k mlar r. Bu birimlerin hepsinde say salveri ç veya i lemler yap lmaktad r [15].
ekil 1. Klasik sistem
Bulan k sistemlerin bu klasik tasar mdan fark sistemdavran k sm n dörde ayr larak ekil 2’de gösterildi igibi kendi aralar nda ba lant dört birimin olmas r.
ekil 2. Bulan k mant k
Kurallar Ç kar m
Bulan kla DurulaGiri
2259
Suba , S., Beycio lu, A. ve Çullu, M.
Giri de erleri ço unlukla kesin de erlerdir.Bulan kla n görevi, bulan k kümeler (burada girdilerbulan k üyelik fonksiyonlar taraf ndan tan mlanan bulan kde kenlerdir) içine kesin say lar haritalamakt r. Kurallar“E er- se” kurallar n olu turdu u bulan k mant esasal r. Durula rma birimi ise kurallardan al nan sözelifadelerin say sal de ere dönü türüldü ü birimdir. Modelsonuçlar n say sal olarak al nd durula rma birimindefarkl yöntemler kullan lmaktad r. Bu yöntemlerden enyayg n olarak kullan lan ise A rl k merkezi (centroid)yöntemidir [16]. Bu yöntemin çal ma prensibi ekil 3’degörülmektedir.
ekil 3. Centroid yöntemi durula rmas
4. Materyal ve Metod
4.1. Materyal
Ara rmada CEM I 42,5 R portland çimentosukullan lm r. Ara rmada kullan lan çimentoya aitkimyasal analiz sonuçlar Çizelge 1’de verilmi tir.
Deney numunelerinin haz rlanmas nda Yata an ve SomaTermik santralinden elde edilen uçucu küller kullan lm r.Kullan lan uçucu küllere ait kimyasal analiz sonuçlarÇizelge 2’de verilmi tir.
4.2. Metod
4.2.1. Deney örneklerinin haz rlanmas
Deney örneklerinin haz rlanmas nda TS EN 196-1standard nda belirtilen CEN referans kumu kullan lm r.Her bir grup için kar mda kullan lacak su miktar ASTMC230, C109 ve C1437 standartlar nda belirtilen akmaçap na göre Akma tablas deneyi gerçekle tirilerekbelirlenmi tir [17-20]. Örneklerin haz rlanmas ndakullan lan malzemelere ait kar m oranlar Çizelge 3’teverilmi tir.
Ara rmada kullan lan uçucu kül kar m içerisine %0,%10, %20, %30 ve %40’lik oranlarda çimento ile yerde tirilerek (ikame edilerek) konulmu tur.
Çizelge 1. Çimento Fiziksel ve Kimyasal Özellikleri
Kimyasalkompozisyon Fiziksel özelliklerSiO2 (%) 20,32 Priz ba lang (sa/dk) 01:58
4.2.2. Otoklav metodu ile çimento hacim genle metayini
Deney her bir kar m grubu için 6 adet 25x25x285 mmboyutlar nda haz rlanan çimento harç çubuklar üzerindegerçekle tirilmi tir. Örnekler 2MPa bas nçl buhar kazan nayerle tirilerek 3 saat boyunca buhar kürüne tabitutulmu tur. Deney örneklerinin boylar deney öncesindeve deney sonras nda 0,001 mm hassasiyetle ölçülerekörneklerdeki boy de imleri % olarak hesaplanm r.Deney ASTM C 151 ve TS 11052 standard nda belirtilenkurallara uygun olarak gerçekle tirilmi tir [5,21]. Deneydekullan lan otoklav ekil 4’de görülmektedir.
1.0ü(z)
z*
z
2260
Suba , S., Beycio lu, A. ve Çullu, M.
ekil 4. Deneyde kullan lan yüksek bas nçl buhar kürükazan (otoklav)
4.2.3. Olu turulan bulan k mant k modeli
Bulan k model olu turulurken, MATLAB-Bulan k Mant kToolbox kullan lm r. ekil 5’ de geli tirilen modelin genelgörünümü verilmi tir. Ayr ca geli tirilen modelde girdiler ve
kt için çal ma konusuyla ilgili kazan lm deneyimlerkullan larak belirlenen üyelik fonksiyonlar n görünümü
ekil 6, ekil 7 ve ekil 8’ de verilmi tir.
ekil 5. Modelin genel görünümü
ekil 6. MgO için üyelik fonksiyonlar
ekil 7. Uçucu Kül için üyelik fonksiyonlar
ekil 8. Bas nç dayan için üyelik fonksiyonlar
Üyelik fonksiyonlar n belirlenmesinden sonraki a amada,bulan k kural taban olu turulmu tur. Bulan k kural taban ,
ER yani öncül k mda girdi parametreleri; SE yanikar m k sm nda ise ç kt de eri elde edilecek ekilde
sözel bilgilerden olu maktad r. Bulan k modelde kurallar nbirbiri ile harmanlanmas nda VE operatörü kullan lm r.ki girdili bir sistemde VE ba lac , En Büyük-En Küçük (EB-
EK) kural gere ince her iki girdinin üyelik derecelerindenküçük olan n üyelik derecesini ç kt n üyelik derecesiolarak almaktad r ( ekil 9). Ayr ca çal mada durula rmayöntemi olarak ise a rl k merkezi (centroid) yöntemikullan lm r.
ekil 9. Ve operatörü çal ma prensibi
5. Bulgular ve Tart ma
5.1. Deneysel Bulgular
Haz rlanan çimento harç çubuklar üzerinde otoklavmetodu ile genle me miktarlar ölçülmü tür. Deneysonucunda elde edilen verilere ait aç klay istatistiklerÇizelge 4’te verilmi tir.
Çizelge 4. Çimento hacim genle me miktar na aitaç klay istatistikler
Her iki UK türü için deney sonucunda elde edilen standarthata de erlerinin birbirine yak n oldu u, %40 oran nda UKikame edilen numunelerde standart hata de erlerinin di ergruplara göre daha yüksek oldu u görülmü tür. Uçucu külikame miktar na ba olarak çimento hacim genle memiktarlar gösteren grafik ekil 10’da görülmektedir.
403020100
Uçucu Kül kame Miktar (%)
0,018
0,015
0,012
0,010
0,008
0,005
Orta
lam
a Ge
nle
me
Mik
tar
(%)
SomaYata an
U.Kül.TürüASTM C 151 S
ekil 10. Çimento hacim genle me miktarlar na ait grafik
Soma Termik santralinden temin edilen uçucu külünYata an termik santralinden elde edilene göre daha fazlagenle me göstermektedir ve her iki uçucu kül türünde de%30 ikameden sonra ASTM C 151 “Standart test methodfor autoclave expansion of portland cement” standart ndaçimento genle mesi için belirtilen maksimum limit olan%0,01’lik genle me miktar a maktad r [5].
5.2. Çoklu Lineer Regresyon Bulgular
Deneysel çal ma sonucunda elde edilen veriler üzerindeçoklu lineer regresyon uygulanm r. Uçucu kül ikamemiktar ve MgO miktar na ba olarak genle mede erlerinin tahmini için çoklu lineer regresyon analizigerçekle tirilmi tir. Regresyon analizi sonucundagenle me miktar tahmin eden Y=a+bX1+cX2 modeldenklemi olu turulmu tur. Olu turulan modelde;
Y= Genle me Miktar (%)X1= Uçucu kül ikame miktar (%)X2= Uçucu küldeki MgO miktar (%)a, b, c= regresyon katsay lar ifade etmektedir.
Çoklu lineer regresyon analizi sonucunda r2=0,63determinasyon katsay na sahip olanY=0,0043+0,00027X1-0,00021X2 model denklemi eldeedilmi tir. Elde edilen regresyon model denkleminin tahminetti i genle me de erleri ile deney sonuçlar nkar la lmas na ait grafik ekil 11’de görülmektedir.
49454137332925211713951
Numune No
0,021
0,018
0,015
0,012
0,009
0,006
0,003
Gen
lem
e M
ikta
r (%
)
DeneyselGenle me
RT Tahmin
ekil 11. Deneysel genle me ve RT’nin tahmin etti igenle me de erleri
5.3. Bulan k Mant k Modeli Bulgular
Bulan k mant k modelinde tan mlanan kurallara göregirdiler ile ç kt aras nda olu an ilgile imi gösteren grafik
ekil 12’de görülmektedir.
ekil 12. Olu turulan kurallara göre girdiler ile ç ktaras ndaki ili ki
ekil 12’ de görüldü ü gibi UK ve MgO miktar n artmasçimento hacim genle mesini artt rmaktad r. Geli tirilenmodelde kurallara göre ortaya ç kan bu ili ki literatürdebilinen ili ki ile benzerlik göstermektedir. Bulan k mant kmodelinde kurallar olu turulduktan sonra modelin tahminetti i sonuçlar belirlemek için ekil 13’te görülendurula rma ekran kullan lm r. Durula rma ekran ndaen sonda bulunan sütun modelin say sal olarak tahminetti i (durula lm ) de eri göstermektedir.
2262
Suba , S., Beycio lu, A. ve Çullu, M.
ekil 13. Bulan k mant k modeline ait durula rma ekran
Durula rma i leminden sonra modelden elde edilensonuçlar ve deney sonuçlar girdilere ba olarak Çizelge5’te verilmi tir. Ayr ca aralar ndaki ili ki grafi i de ekil14’te gösterilmi tir.
Çizelge 5. Modelden elde edilen sonuçlar ve deneysonuçlar
ekil 14. Bulan k model ve deney sonuçlar aras ndakiili ki
Modelden elde edilen veriler ile deney sonuçlar aras ndaserpme grafi i incelendi inde olu turulan bulan k mant kmodelinin genle me de erlerini %3 gibi dü ük bir orandahata ile tahmin etti i görülmektedir.
6. Sonuçlar
Çal mada Yata an ve Soma termik santrallerinden eldeedilen yüksek kalsiyum içerikli uçucu küllerin çimentonumunelerinde kullan ile ortaya ç kan genle memiktarlar n tahmin edilmesi amac yla, kar m içerisindeçimento ile %0, %10, %20, %30 ve %40 oranlar ndaYata an ve Soma Termik santrallerinin uçucu külleri ikameedilerek, genle me örnekleri haz rlanm r. Haz rlanannumuneler üzerinde otoklav metoduyla genle me deneyleriyap lm r. Uçucu kül ikame oranlar ve MgO miktarlar naba olarak çimento genle me miktar tahmin eden çoklulineer regresyon ve bulan k mant k modelleriolu turulmu tur. Olu turulan modeller kar la rmal olarakincelenmi tir.
Soma Termik santralinden temin edilen uçucu külünYata an termik santralinden elde edilene göre daha fazlagenle me gösterdi i, her iki uçucu kül türününde %30ikamesinden sonra çimento numunelerinin ASTM C 151standart nda belirtilen maksimum limit olan %0,01’likgenle me miktar a tespit edilmi tir.
Yap lan de erlendirmeler sonucunda çoklu lineerregresyon yöntemiyle olu turulan modelin genle memiktarlar % 37 oran nda hata ile, geli tirilen bulan kmant k modelinin ise % 3 oran nda hata ile tahmin etti ibelirlenmi tir. Olu turulan bulan k modelinin genle memiktarlar regresyon yöntemine göre %34 oran nda dahado ru tahmin etti i görülmektedir. Sonuç olarak bulan kmant k modelinin deney sonuçlar tahmin etmede güçlübir yöntem oldu u görülmü tür.
Kaynaklar
[1]. Baradan, B., Yaz , H., Ün, H., “BetonarmeYap larda Kal k (Durabilite)”, DEÜ. Müh. Fak.Yay n No: 298, DEÜ., 282 sayfa., zmir, 2002.
[2]. Turhan, Y.E., “Beton”, ODTÜ Geli tirme VakfYay nc k ve leti im A. ., Ankara, s:42, 2003.
[4]. Liu, Z., Tang, M., Cui, X., “Expansion of CementContaining Crystalline Magnesia With and WithoutFly Ash and Slag”, Cement, Concrete & Aggregates,Vol 20, Issue 1, 6 page, June, 1998.
[5]. ASTM C 151, Standart test method for autoclaveexpansion of portland cement, American Society ForTesting And Materials , 2001.
[6]. Pei-wei, G, Sheng-xing, W, Xiao-lin, L, Min, D, Ping-hua, L., “Soundness evaluation of concrete withMgO”, Construction and Building Materials, Volume21, Issue 1, Pages 132-138, January 2007.
[7]. Ali, M.M., Mullick, A.K., “Volume Stabilisation of HighMgO Cement: Effect of Curing Conditions and FlyAsh Addition”, Cement and Concrete Research, Vol.28, No. 11, pp. 1585–1594, 1998.
2263
Suba , S., Beycio lu, A. ve Çullu, M.
[8]. TS EN 197-1, Genel çimentolar- Birle im özelliklerive uygunluk kriterleri, 2002.
[9]. Liu, Z., Tang, M., Cui, X., “Expansion of CementContaining Crystalline Magnesia With and WithoutFly Ash and Slag”, Cement, Concrete & Aggregates,Vol 20, Issue 1, 6 page, June, 1998.
[10]. Yaz , H., “Yüksek Hacimde C S Uçucu Külçeren Betonlar n Mekanik Özellikleri ve Sülfürik Asit
Dayan kl ”, Pamukkale Üniversitesi MühendislikBilimleri Dergisi, Cilt: 11, Say : 3, Sayfa: 443-448,Denizli, 2005.
[11]. P.K. Metha, D. Pritz, Magnesium Oxide additive forproducing selfstress in mass-concrete, Proceeding ofthe 7th International Congress on the Chemistry ofCement, Paris, France, vol III, 180, pp. v6–v9, 1981.
[12]. en, Z., Bulan k Mant k ve Modelleme lkeleri, ISBN:9758509233, Bilge Kültür Sanat Yay nevi, stanbul,2001.
[13]. Zadeh, L. A., Fuzzy Sets. Information and Control, 8,3, 38-53, 1965.
[14]. Mamdani, ve Assilian, An Experiment n LinguisticSynthesis With A Fuzzy Logic Controller.International Journal of Man-Machine Studies, 7, 1,1-3, 1975.
[15]. Ki i, Ö., Karahan, M. E., en, Z., Nehirlerdeki AskMaddesi Miktar n Bulan k Mant k le Modellenmesi.itüdergisi/d Mühendislik Cilt:2, Say :3, 43-54, 2003.
[16]. Beycio lu, A., Endüstriyel At klar n Hafif BetonÖzelliklerine Etkilerinin Bulan k Mant k YöntemiyleModellenmesi, Süleyman Demirel Üniversitesi FenBilimleri Enstitüsü, Yüksek Lisans Tezi, 2008.
[17]. TS EN 196-1 Çimento Deney Metotlar - Bölüm 1:Dayan m, 2002.
[18]. ASTM C230/C230M-98e2 Standard Specification forFlow Table for Use in Tests of Hydraulic Cement
[19]. ASTM C109/C109M-99 Standard Test Method forCompressive Strength of Hydraulic Cement Mortars(Using 2-in. or [50-mm] Cube Specimens)
[20]. ASTM C1437-99 Standard Test Method for Flow ofHydraulic Cement Mortar
5. Uluslararas leri Teknolojiler Sempozyumu (IATS’09), 13-15 May s 2009, Karabük, Türkiye
EPS ISI YALITIM LEVHALARININ ISIL LETKENL K ÖZEL ÜZER NE ÜRET MPARAMETRELER N ETK
THE EFFECT OF PRODUCTION PARAMETERS OF EPS INSULATION BOARDSON THERMAL CONDUCTIVITY PROPERTYEsma M hlayanlara , ükran Dilmaçb ve Abdurrahman Güner c
a* Trakya Üniversitesi, Mühendislik Mimarl k Fak. Mimarl k Bölümü, Edirne, Türkiye, E-posta: [email protected] Emekli Ö retim Üyesi, E-posta: [email protected]
c Nam k Kemal Üniversitesi, Çorlu Mühendislik Fak., . Müh. Bölümü, Tekirda , Türkiye, E-posta: [email protected]
Özet
Piyasalarda Genle tirilmi Polistiren Köpük (EPS) yal m levhalar yo unluklar yla an lmalar na ra menstandardlarda yo unluktan ba ms z
fland lmaktad r. Ürün özelikleri üzerine yo unlukve üretim parametrelerinin etki derecesi tart lan birkonu olmakla beraber özellikle Türkiye’deki yay nlardabu konu ile ilgili deneysel çal maya rastlanmamaktad r.Bu çal mada EPS yal m levhalar n üretimparametrelerinin l iletkenlik üzerindeki etkisi deneyselolarak ara ld . Öncelikle genle tirilmi polistirenköpü ün üretim sürecindeki üretim parametreleri tespitedildi. Bu amaçla, önce üretim a amalar nda meydanagelen fiziksel olaylar tan mland ve ilgili özeli ietkileyecek içyap fiziksel özelikleri belirlendi. Dahasonra, bu içyap fiziksel özeliklerini etkileyebileceküretim sürecindeki fiziksel olaylar ve etki dereceleriyorumland . Bu yorumlar çerçevesinde üretimparametrelerinin önem s ras belirlendi ve hangibüyüklüklerin öncelikle incelenmesi gerekece i vede erlerinin hangi aral kta de tirilmesinin uygunolaca irdelendi.
Daha sonra üretim parametrelerinin etkisini belirleyecekekilde deney plan yap ld ve numune boyutlar
belirlendi. Numuneler üretici birli i PÜD (PolistirenÜreticileri Derne i) taraf ndan deneyler için özel olaraküretildi.
Yap lan deneyler ve istatistiksel de erlendirmelerGenle tirilmi Polistiren Köpük yal m levhalar ndayo unlu un l iletkenlik üzerinde yakla k olarak %90oran nda etkili oldu unu, üretim parametrelerininetkisinin ise %10 mertebesinde kaldgöstermektedir. Ayr ca üretim parametrelerininde erlerinin yo unluklara ba olarak de tirilmesigerekti i görüldü ünden üretim parametrelerininde mesi için s r yo unluklar önerilmektedir.
Anahtar kelimeler: Genle tirilmi polistiren köpük(EPS), EPS yal m levhalar , Is l iletkenlik, EPS'inüretim parametreleri
Abstract
Although Expanded Polystrene Foam (EPS) thermalinsulation boards are known with their density in themarkets, they are classified as being independent ofdensity in standards. The effect of its density andproduction parameters on product properties is the core
of discussion; however no experimental work has beenfound among the studies carried out in Turkey. In thisstudy, therefore, the effect of production parameters ofEPS thermal insulation boards on thermal conductivitywas examined experimentally. As the initial phase, theproduction parameters of expanded polystyrene foam inits production process were defined. For this purpose,the physical events which occur during productionprocesses are initially defined, and then the physicalcharacteristics of the internal structure which affect therelevant characteristic are determined. After that, thephysical events and the levels of their effects, whichmight affect the physical characteristics of the internalstructure, were described. Based on these comments,the production parameters were listed regarding theirimportance and size, which need to be investigatedprimarily. In addition, the modification ranges of thevalues were determined.
After all, the experiment plan was designed todetermine the level of effects of production parameters.The sizes of the samples were determined. Thesamples were produced by Polystyrene ManufacturersUnion PUD (Turkish Polystrene ManufacturersAssociation)
The experiments and statistical evaluations reveal thatthe density of Expanded Polystrene foam (EPS) thermalinsulation boards on the thermal conductivityapproximately is about 90%; however, the effects ofproduction process parameters are found out to beabout 10%. Depending on the research findings, it canbe suggested that the values of production parametersneed to be modified regarding different densities. Inaddition, limit densities are proposed for the productionparameters
EPS (Genle tirilmi Polistiren Köpük) yal mlevhalar , hem ucuz olmas hem de özelliklerinin genibir aral kta istenilen düzeyde ayarlanabilmesi sebebiylebinalarda geni kullan m alan na sahiptir.EPS yal m levhalar bloktan kesilerek veya tek teklevhalar kal p içinde ekillendirilerek üretilebilenmalzemelerdir. Ancak günümüzde yal m levhalarüretimi esas olarak bloktan kesilerek elde edilmektedir.
Bloktan kesilerek üretim; ön irme, olgunla ma vekal plamadan olu an üç temel a amadagerçekle mektedir [1].
EPS ürün standard olarak 17 Nisan 2002 tarihli TSETeknik kurulunda EN 13163’ün tercümesi olan “TS EN13163 - Is Yal m Mamulleri-Binalar çin-FabrikasyonOlarak mal Edilen -Genle tirilmi Polistiren Köpük -Özellikler” kabul edilmi tir [2]. Fabrika kalite kontrolmekanizmas gerektiren ve ürünün beyan de erlerineuygunlu unun sorumlulu unu üreticiye b rakan bustandarda uygunluk için, üreticilerin üretimteknolojilerini, ara rma sonuçlar ndan ve güncelbilgilerden faydalanarak kontrol etmeleri gerekmektedir.
Ayn zamanda, ürününü mümkün olan en dü ükmaliyetle ve en yüksek nitelik ile üretebilmek her zamanönemlidir. Bunun sa lanabilmesi için, ürün özeliklerinietkileyen mekanizmalar n kapsaml bir ekildetan mlanm olmas gerekir.
Yak n zamana kadar EPS yal m levhalar n ürünözelikleri üzerinde yo unlu un etkisinin bask n oldu ubilinmekte idi. Günümüzde ise, yo unlu un etkisinin
nda, üretim parametreleri üzerinde de iklikleryaparak EPS yal m levhalar n ürün özeliklerininde tirilebilece i belirtilmektedir.
Bu çal mada yo unlu un ve üretim parametrelerininetki derecelerinin mertebeleri de erlendirildi. Ayr cadeney sonuçlar etkileyebilmesi aç ndan numuneboyutlar n ve deney artlar n etkisini de görebilmekamac yla, farkl kal nl k ve alana sahip numunelerüzerinde de deneyler yap ld . Bu amaçla ilgili derne eba vuruldu ve Tablo 1’de verilen de erlerle buara rma için özel ürünler haz rlamalar talep edildi. Butalep kabul edildi ve bu numuneler üzerinde deneyselçal malar yap ld [3]. Farkl seriler harflerlekodland ld (Tablo 1).
Tablo 1 Farkl üretim artlar olu turmak amac yla, üretim parametrelerinde yap lan de iklikler
Parametreler A Serisi B Serisi C Serisi
Ön irme a amas ndaBuhar s cakl Giri s cakl Ç s cakl
125 C80 C
100 C100 C
180 C160 C
Ön irme a amas nda buhar bas nc 0.2 –0.5 bar 0.3 bar 2 – 2.5 bar
Ön irme a amas nda hammaddenin tank içindekalma süresi 3 dakika 5 dakika 1 dakikaÖn irme tank ndan ç kan taneciklerinin kurutulmasiçin üflenen hava s cakl 20 C 40 C 60 C
2. Deneysel Çal ma
2.1. Is l iletkenlik
Bu çal mada l iletkenlik ile ilgili deneyler EN 13163ve ISO 8301’de belirlenen artlara uygun olarak ölçümyapan NETZSCH Marka HFM 436/3/1 model “heat flowmeter ( ak ölçer)” ile gerçekle tirildi [2, 4]. Is liletkenlik deneyinde kullan lan numunelerin özelikleriTablo 2’de verilmektedir.
Köpük malzemelerde yakla k 40 kg/m3 yo unlu akadar, yo unluk ile l iletkenlik aras nda ters orantvard r. Yo unluk artt kça l iletkenlik azalmaktad r. Buyo unluklardaki köpük malzemelerin yap lar gere i
hâkim iletim mekanizmas radyasyonla iletimioldu u için, bu sonuç beklenen bir durumdur [5].Tüm seriler için anma yo unluklar ve TS EN 13163’egöre kal nl k düzeltmesi yap lm beyan iletkenlikde erleri toplu olarak ekil 1’de gösterilmektedir. ekil1’de kal nl k düzeltmesi yap lm beyan liletkenliklerinin yo unlukla do rusal olmayan bir azalmagösterdi i görülmektedir.
Standard’da “Beyan edilen l iletkenlik 0.038W/(mK)’ne e it veya daha az olan 50 mm veya dahaince levhalar için kal nl k etkisi ihmal edilir” denilmekleberaber bu çal mada tüm numuneler için kal nl kdüzeltmesi uyguland [3].
2266
hlayanlar, E. Dilmaç, . Güner, A.
Tablo 2 Is l iletkenlik deneyinde kullan lan numune özelikleri
Üretimkodu
Yo unluk Alan Kal nl k Say Üretimkodu
Yo unluk Alan Kal nl k Saykg/m3 mm2 mm adet kg/m3 mm2 mm adet
A
15
300·
300
100 3
B
22
300·
300
50 370 3 30 350 3
26
100 330 3 80 3
20
100 3 70 370 3 50 350 3 30 330 3
30
100 3
25
100 3 80 370 3 70 350 3 50 330 3 30 3
30
100 3
C 30
300·
300 100 3
70 3 70 350 3 50 330 3 30 3
38
100 3
D
16
300·
300
100 370 3 70 350 3 50 330 3 30 3
B
16
300·
300
100 3
20
100 380 3 70 370 3 50 350 3 30 330 3
26
100 3
20
100 3 70 380 3 50 370 3 30 350 3
30
100 330 3 70 3
22
300·
300 100 3 50 3
80 330 3
70 3
Tüm serilere ait l iletkenliklerin kar la labilmesiiçin ölçüm sonuçlar na göre belirlenen beyan de erleriile kal nl k düzeltmesi yap ld ktan sonra belirlenenbeyan de erlerinin en küçük, en büyük, ortalamade erleri ile standard sapmalar Tablo 3’degörülmektedir. D serisi, piyasadan al nmnumunelerdir.
Çal mada ürün özeliklerinin üzerinde yo unlu un veüretim parametrelerinin etkilerinin say sal bir
de erlendirilmesinin yap lmas amac yla; tüm verilerkullan larak yo unlukla iletkenli inin de imi için enküçük kareler yöntemi ile do rular geçirildi [3]. Budo rular n denklemlerinden faydalanarak belirliyo unluklar için incelenen özelik de erleri tüm serileriçin ve her seri için ayr ayr hesapland ktan sonra; herseri için hesaplanan de erin tüm seri için hesaplanande erden sapma miktarlar belirlendi (Tablo 4) [3].
Tablo 4 Kal nl k düzeltilmesi yap lm beyan l iletkenlik sonuçlar nda yo unluk ve üretim parametrelerinin etkilerininde erlendirilmesi (300·300 mm alanl numunelerde) [3]
Anmayo unlu u
Denklemlere göre hesaplanan iletkenli i de erleri (W/(mK)) ve farkl serilerin sonuçlar n tüm serisonuçlar ndan sapmas (W/(mK), %)
30 0.035 - - 0.033 -0.002 6.0 0.037 0.002 5.4 0.037 0.002 5.415 ve 30 kg/m3 yo unluklarda hesaplanan iletkenli i farklar (W/(mK)) ve her seriye ait farklar n
tüm seri sonuçlar için hesaplanan farktan sapmas (%)Fark -0.005 -0.006 -0.005 -0.002Sapma - 20 0.0 -60
Ortalama ve Standard sapma de erleri (W/(m·K)) ve her seriye ait de erlerin tüm seri sonuçlar içinhesaplanan de erden sapmas (%)
Kal nl k düzeltilmesi yap lm iletkenli i sonuçlar ndaserilerin tüm verilere ait de erlerden sapmalar %0.0 ile%11.0 aras nda de mektedir. A ve D serisindesapma 15 kg/m3’de s rlan rken 25 ve 30 kg/m3
yo unluklarda en yüksek de erine eri mektedir. Bserisinde ise sapmalar tüm yo unluklarda yüksektir ve25 kg/m3 yo unlukta %11 ile en yüksek de erineula maktad r. Ortalama de erlerdeki sapmalarküçüktür. A serisinde s rlan rken en büyük de er %5.4ile D serisinde görülmektedir.
Buna kar k standard sapma de erlerinde ve 15 ile 40kg/m3 yo unluklar aras ndaki farklarda görülensapmalar oldukça büyük olabilmektedir.
Is l iletkenlik aç ndan hangi serinin üretimparametrelerinin daha uygun sonuçlar verdi i Tablo5’de görülmektedir. Kal nl k düzeltmesi yap lm liletkenlik beyan de erleri aç ndan A serisinde 20, 25,30 kg/m3 yo unluklarda, B serisinde 15, 16, 17,26 kg/m3 yo unluklarda ve D serisinde 26 kg/m3
yo unlukta iyile tirilmesi gereken de erlergörülmektedir.
Tablo 5 Kal nl k düzeltmesi yap lm l iletkenlik de erlerine anma yo unlu unun ve üretim parametrelerin etkilerininde erlendirilmesi [3].
Numune Alan300·300 mm2
SER LER
Yo unlukkg/m3
A B C D15 20 25 30 38 15 16 17 20 22 26 30 30 16 20 26 30
Kaln
lk d
üz. Y
ap.
l iletke
nlik
En b
üyük
- - - - - - - -
Orta
lama
- - -
En kü
çük
-
2269
hlayanlar, E. Dilmaç, . Güner, A.
Tablo 6 Farkl serilerdeki standard sapmalar n yo unlukla de imi.
ÜrünÖzeli i
Alan (en·boy),mm2
SER LER
A B C D
KALI
NLI
K D
ÜZ.
YAP.
BEY
AN IS
ILE
TKEN
LK
300·
300
25 yo unluk 16 yo unluk 26 yo unluk38 26 1620 15 2030 20 3015 17
2230
* Standard sapmalar n en büyük oldu u yo unluktan en küçük oldu u yo unlu a s ralanm r.
Is l iletkenlik standard sapmalar n de erlendirmeleriniyapabilmek için Tablo 6 haz rland . Bu tabloda standardsapmalar büyükten küçü e ve standard sapmalardakien yüksek en dü ük de erler aras ndaki farklara göre
raland .
Ürün özeliklerine göre iletkenli inde en yüksekstandard sapmalar A serisinde 25 kg/m3 yo unluk, Bserisinde 16 kg/m3 yo unluk, D serisinde 26 kg/m3
yo unluk de erlerinde görülmektedir.
3. Sonuçlar
Genle tirilmi polistiren köpük (EPS) yal mlevhalar n ürün özeli i üzerinde hâkim olan de kenyo unluktur. Ancak bu çal ma kapsam nda incelenenüretim parametrelerinin de incelenen l iletkenliközelli i üzerinde %10’u a mamakla birlikte etkisi sözkonusudur. Genle tirilmi Polistiren Köpük (EPS) yal m levhalar n kal nl k düzeltmesi yap lm liletkenli i üzerinde üretim parametrelerinin etkisinin%10 mertebesinde oldu u söylenebilir. Bu çal man nsonuçlar ndan, üretim parametrelerinin de tirilmesi ileçok s ra d de erler elde edilmesi mümküngörülmemektedir. Bununla birlikte, ürün özeliklerindekida n azalt lmas ve küçük oranlarda da olsa, üretimparametrelerinin de tirilerek daha iyi sonuçlar eldeedilmesi, hem üreticinin ve hem de tüketicininyarar nad r ve üzerinde çal lmaya de erdir.
Di er yandan, üretim parametrelerinin de erleriyo unluklarla de melidir. Her yo unlukta aynparametrelerle üretim do ru de ildir. 20-30 kg/m3
yo unluklar üretim parametrelerinin de mesi için e ikyo unluklar olu turmaktad r. Numune boyutlar n ürünözelikleri üzerinde anlaml (sistematik) etkisi yoktur.Ama deney sonuçlar aç ndan önemlidir.
Te ekkür
Çal man n deneysel a amalar nda numunelerinhaz rlanmas ve deneylerin gerçekle tirilmesikonular nda Polistiren Üreticileri Derne i’ne (PÜD) velaboratuar çal anlar na yapm olduklar yard mlardandolay te ekkür ederiz.
Kaynaklar
[1] Dilmaç, ., Genle tirilmi Polistiren El Kitab ,Polistiren Üreticileri Derne i, stanbul, 1999.
[2] TS EN 13163, Is Yal m Mamulleri - Binalar çin - Fabrikasyon Olarak mal Edilen - Genle tirilmiPolistiren Köpük - Özellikler, Türk StandardlarEnstitüsü, Ankara, 2002.
[3] M hlayanlar, E., Genle tirilmi Polistiren Köpük(EPS) Yal m levhalar n Ürün ÖzellikleriniEtkileyen Üretim Parametrelerinin rdelenmesi,Trakya Üniversitesi Fen bilimleri Enstitüsü DoktoraTezi, Edirne, 2005.
[4] ISO 8301, Thermal insulation - determination ofsteady state thermal resistance and relatedproperties - heat flow meter apparatus, ISO-International Organization of Standization, Geneva,2001.
[5] Skochdopole, R.E., Thermal conductivity of foamedplastics, Foamed Organics,1961.
2270
5. Uluslararas leri Teknolojiler Sempozyumu (IATS’09), 13-15 May s 2009, Karabük, Türkiye
AH AP B RLE M BÖLGELER N CAM ELYAF TAKV YELPLAST KLERLE GÜÇLEND LMES
REINFORCMENT OF TIMBER CONNECTION AREAS WITHGLASS FIBER REINFORCED PLASTIC
T. Akgüla*, A. Apayb, M. Sar kb
a, * Sakarya Üniversitesi, Teknik E itim Fakültesi, Sakarya, Türkiye, [email protected], Sakarya Üniversitesi, Teknik E itim Fakültesi, Sakarya, Türkiye, [email protected]
b, Sakarya Üniversitesi, Teknik E itim Fakültesi, Sakarya, Türkiye, [email protected]
Özet
Gerek mevcut tarihi dokunun korunmas gerekse yeni in aedilecek ah ap yap larda durabilite sa lanmas amac ylaah ab n zay f olan birle im bölgelerinin güçlendirilmesigerekebilir. Birle tirme bölgelerinin güçlendirilme ihtiyac ,birle tirme bölgelerinde olu an stres yo unlu unugidermek, lif süreksizlili ini ve birle tirme yüzeylerindeolu acak kayma yüzeylerini ortadan kald rmak olarak
Takviyeli Plastik (CTP) kullan yla yüksek dayan masahip, korozyona u ramayan, hafif, uygulanmas kolay,ah ap görünümünü koruyabilen bir güçlendirme yap lmasmümkündür.Bu çal mada; ah ap yap sisteminde, çekmeye çal anyap elemanlar n birle tirme bölgelerinde lif süreklili ininsa lanmas için CTP kullan hedeflenmektedir. Buamaçla, fiberlerle güçlendirilmi kavelal ve kavelas zkertmeli boy birle tirme, birle im bölgelerinin mekanikperformanslar incelenmi tir. Deney numuneleri do adabol miktarda bulunan ve ah ap yap uygulamalar ndayayg n olarak kullan lan karaçamdan haz rlanm r.Yap lan deney numunelerinin performansde erlendirilmelerinin yap labilmesi için ahit numunelerlebirlikte, yap rmal birle tirme, tek CTP çubuklubirle tirme, çift CTP çubuklu birle tirme eklinde, 4 farkltipte deney numuneleri haz rlanm ve çekme deneyinetabi tutularak, elde edilen sonuçlar kar la lm r.Çal man n sonucunda çekme mukavemeti, kertmeli boybirle tirmede CTP çubuklarla güçlendirilmi numunelerle,yap lm birle tirme numunelerinden yakla k olarak% 200 daha yüksek çekme dayan na ula lm r.
Anahtar kelimeler: Ah ap yap , çekme mukavemeti,kertmeli boy birle tirme, Cam elyaf takviyeli plastik
Abstract
In order to obtain both durability and originality of thetimber structures it is necessary to strengthen themespecially in the connecting places. The main purposes ofstrengthen in the connecting places are to decrease thetensile stress, to eliminate fiber transistorizes and toremove shear surfaces. In recently, it has been increasedstrengthen for timber buildings like reinforced concretebuildings by using Glass Fiber Reinforced Plastic (GRP).Because GRP has high strength, light weight, corrosionresistance and is also very easy to apply to the structures.
In this study it has been aimed to gain the fiber continuityof timber constrictions systems using pultruted GRP bar. Inthis reason, mechanical performances of the connectingplaces with wooden nail, GRP bar and adhesive bondedconnection have been investigated. Experiments havebeen done in the laboratory to investigate the mechanicalperformance of the connecting places. The specimen usedfor experiments have been chosen from black pine timber,which is very abundant in the building sector. In order toinvestigate performances of the specimen used in theexperiments, 4 different types have been prepared andtested subjected to tensile strength. The outcomesdemonstrate that the tensile strength of the specimen,which was connected with wooden nail and connectionpoints with fiber reinforced plastic bar, has higher thanadhesively bonded connection specimen and this ratio isabout 200 %.
Son y llarda mühendis ve teknik elemanlar; beton, çelik,ah ap, ta , plastik, cam gibi malzemelerin çe itli ekil veoranlarda bir araya getirilmesi ile daha çok kullanmalzemeler elde etmek konusunda yo un bir çabagöstermektedirler. Bunun yan nda, yüksek mukavemetlicam, karbon, bor, aramit elyaf gibi yeni malzemelergeli tirilmektedir. Geli tirilen bu malzemeler ilk olarak riskseviyesi yüksek uygulamalarda kullan lmakla beraber dahasonralar yap sal uygulamalarda kullan lmaya ba lanm r.
Günümüzde ah ap yap tasar nda, masif a açmalzemenin büyük boyutlu elemanlarda tek parça olarakkullan lmas , gerek ekonomik ve gerekse teknik aç danelveri li de ildir. Ayr ca ta elemanlar n üretiminde, tekparça masif a aç malzeme kullan lmas imkânlar s rl r.Çünkü a aç malzemede bulunan budak, çatlak, spiral liflilikvb. kusurlar n tamamen giderilmesi mümküngörülmemektedir. Bu durum ah ap yap n güvenli inioldukça etkilemektedir. Öte yandan ta elemanlar nüretiminde masif a aç malzemenin tek parça olarakkullan lmas fire oran art rd ndan ekonomikte de ildir.Bu nedenle ah ap yap tasar nda, istenen ebatlardayap eleman elde etmek ancak ah ap birle tirmeyapmakla mümkündür. Ancak yap lan ah apbirle tirmelerde de lif süreksizli i olu tu undan yap n yükalt ndaki performans olumsuz yönde etkilenmektedir.
Bu olumsuz etkiyi ortadan kald rmak amac yla birle imbölgelerinde güçlendirme ile ilgili çal malar yap lm r [1].
Son y llarda çelik ve betonarme binalar ngüçlendirmesinde oldu u gibi ah ap yap larda da fibertakviyeli plastiklerle (FRP) uygulamalar n say noldukça fazla oldu u görülmektedir. Ah ap yaptasar nda eleman büyülü ü uygun birle tirmedetaylar na ba r. Yap lan çal malarda, tasarlananah ap yap lar n birle tirme bölgelerinin yüksek performanssergilemesi, çekme yüklerine kar dayan artt rmakbunun ise bu bölgelerin elyaf takviyeli plastikler kullan larakgüçlendirilmesiyle mümkün oldu unu tespit edilmi tir [1].
Öte yandan ah ap yap lar n güçlendirilmesindeki ba casebepler aras nda zamanla d etkenler ve depremlersonucu olu an hasarlar giderilmek, restorasyon yoluylayap elemanlar n yük ta ma kapasitesini artt rmak,yetersiz detayland rmaya ba ortaya ç kan erken yorulmave k lmalar önlemek, ya lanmayla olu an bozulmalaraba yük ta ma kapasitesinde meydana gelen kay plarbertaraf etmek gibi etkenler say labilir.
Ülkemizin farkl bölgelerinde uzun y llar önce yap lmah ap yap lar n tarihsel süreç içerisinde do al etkenlerdenkaynaklanan y pranmalar kaç lmazd r. Gerek mevcuttarihi dokunun korunmas gerekse yeni in a edilecekah ap yap larda durabilite sa lanmas amac yla ah ab nzay f bölgelerinde özellikle birle im bölgelerindegüçlendirmeye ihtiyaç duyulmaktad r. Çünkü uzun y llarboyunca yük alt nda bulunan ah ap ta elemanlar nbirle im bölgeleri zamanla çürümekte ve yük ta makapasitesini kaybetmektedir [2].
Deneysel çal malarla geli tirilecek olan uygun birgüçlendirme modeli ile yap lacak restorasyonlarda ( ekil 1)ülke ekonomisinin, muhtemel kay plar n önlenmesi, varolan tarihi de erlerimizin ve Osmanl mimari dokusununkorunmas olacakt r.
ekil 1. FRP’lerle Güçlendirilmi Ah ap Yap Örne i [3]
Yap lan restorasyon ve güçlendirme çal malar nda,zamanla ah ap ta sistemlerin baz bölgelerindeolu an kurtlanma, mantarlanma, çürüme vb. sebeplerdendolay de mesi gereken yap eleman n tamam nsistemden ayr lmas tarihi dokunun bozulmas n yan s ragerek maliyet ve i çilik gerekse yap sa aç ndansak ncal r. Bu durumda yap eleman n tamam
de tirmek yerine mümkünse elemanlarda lokalde ikli e gidilmesi daha uygun görülmektedir [4]. Ancakyap lacak bu lokal de iklik ile de olu acak yeni birle imbölgelerinin statik aç dan istenen sonucu vermesi istenir.
Ah ap yap larda birle tirme yerlerinin büyük kuvvetleremaruz kalmalar halinde, geleneksel güçlendirmetekniklerinde, metal kullan lmas genellikle tavsiye edilenve uygulanan bir çözümdür. Metal levhalarla yap langüçlendirmelerde zamanla bak ma ihtiyaç duyulmas ,güçlendirilen bölgelerde görüntü kirlili i olu turmas veyap ya ekstra yük getirmesi kaç lmazd r.
Ah ap bir yap olu turan iskelet sistemde taelemanlar genellikle bas nç, çekme ve e ilmeye maruzkalmaktad r. Bu çal mada ah ap ta sistemlerinçekme gerilmesine maruz kalan elemanlar n Cam TakviyeliPlastik (CTP) çubuklarla güçlendirilmesi ön görülmü tür.
CTP’nin metallere göre üstün yönleri dikkate al nd nda,CTP eritlerinin çelik plakalara göre en önemli avantajlar ;hafiflik, korozyona u ramama ve esneklik olarak
ralanabilir. Ayr ca güçlendirmede kullan lacak fibertakviyeli plastiklerden ham maddesi piyasada bol miktardabulunan, üretimi kolay, maliyeti dü ük, istenen dayan masahip bir malzemedir [5].
Çekme çubuklar n güçlendirilmesindeki amaç; ülkemizdeyap lan binalar n çat sistemlerinde ah ap çat lar nkullan lmas ve çat elemanlar n genellikle çekmeyeçal mas n yan s ra ah ap konstrüksiyonlu yap lardakiri alt bölgelerinin çekme gerilmesine maruz kalmas vebu iki hususunda yap lar n güvenli i aç ndan oldukçaönemli olmas r. Çat larda ve kiri lerde kullan lacakah ab n istenen uzunlukta bulunamamas ndan dolay boybirle tirmelerinin yap lmas kaç lmazd r. Yap lacak buboy birle tirmelerinin de uygulama sahas nda, hem yapkolay hem de çap de ikli i olu turmadan istenendayan sa layabilecek bir birle tirme çe idi olmasistenmektedir. Bu nedenle uygulama alanlar na s kçakullan lan en uygun boy birle tirmenin kertmeli boybirle tirmeleri oldu u dü ünülmü ve çal malar bu boybirle tirme çe idi üzerinde yap lm r.
2. Materyal ve Yöntem
2.1. Ah ap
Deney örneklerinin haz rlanmas nda kullan lan karaçam,Sakarya bölgesindeki kereste i letmelerinden rastgeleseçim yöntemi ile temin edilmi tir. Deneysel çal malardakullan lacak ah ap malzeme seçiminde, 1. s f kerestenin,normal büyüme göstermi , kurutulmu , kusursuz, lifleridüzgün, budaks z, ardaks z, mantar ve böcek zararlar na
ramam olmas na özen gösterilmi tir [6]. Kullan lanah ap f nda kurutulmu , nem oran %10-12 aral ndaolup yo unlu u 0,55 g/cm3 dir. Numuneler lif yönlerineparalel olacak ekilde kesilerek haz rlanm r.
2.2. Epoksi
Gerek ah ap yüzeylerin birle tirilmesinde gerekse CTPçubuklar n ah ap yüzeylere yap lmas nda nceuygulamalar için özel olarak geli tirilmi , çift bile enli
2272
Akgül,T., Apay,A. ve Sar k, M.
yap rma ve montaj epoksisi olarak üretilen Teknobond200 tipi epoksi kullan lm r.
Teknobon 200 epoksisi; ince tip uygulamalarda, katmalzemelerin parlak yüzeylere yap lmas ndakullan lan, kimyasallara kar dayan kl , betona, ah aba,çeli e ve plastik malzemelere mükemmel yap masa layan, istenen mekanik mukavemete çok h zl ula anbir epoksidir. Çift bile enli olarak üretilen Teknobond 200epoksisi uygulan rken, orant olarak haz rlanm A ve Bbile eni, yava devirli kar yla birbirine kar r.Kar rmaya homojen gri bir renk alana kadar devamedilir. Kullanabilecek kadar malzeme uygulama ömrü gözönünde bulundurarak ve oranlar na göre haz rlan r.Haz rlanan kar m spatula ile yap lacak yüzeye çokince ekilde sürülür. Yüzey uygulamalar nda malzemeninbir müddet kendini çekmesi beklendikten sonra havabo lu u kalmayacak ekilde ve mümkünse preslenerekyap r [7].
2.3. Cam Elyaf Takviyeli Plastik (CTP)
CTP malzemeler çe itli üretim metotlar kullan laraküretilebilmektedir. Profil Çekme metodu, CTPkal plamas nda, özellikle in aat sektöründe hem anamalzeme hem de tamamlay malzeme olarak kullan lanprofil türündeki ürünlerin yap nda kullan lmaktad r. Profilçekme metodu ile üretilen kutu, boru, ‘I’, ‘T’, ‘L’, ve ‘U’profillerinin yan s ra sabit ekle sahip olmayan profillerinde üretimi yap labilmektedir ( ekil 2). CTP malzemeninüstün mekanik dayan n yan ra, hafifli i, korozyondayan , dü ük yo unluk ve dayan m/yo unluk oran nyüksekli i, dü ük iletkenli ine sahip olmas , uzun y llarbak m ve boya gibi ek bir hizmete ihtiyaç duymamas ,üretimin dü ük i gücü ile yap labilir olmas , kolaykesilebilir ve i lenebilir olmas , karma k geometriye sahipekillerin kolayl kla üretilebilir olmas , farkl mekanik
özellikler elde etmek için, farkl elyaf katmanlar vekombinasyonlar ile üretilebilir olmas gibi özelliklerindendolay CTP profilleri in aat sektöründe birçok malzemeninalternatifi olma yönünde h zla ilerlemektedir [8].
Piyasada farkl ekil ve ebatlarda üretilen CTP profilleriçerisinden yap lacak güçlendirme çal mas na uygun ebatve form ara lm sonuç olarak 0,45 cm çap nda dairekesitli CTP numuneleri, ülkemizde kompozit malzemeüretimi yapan Esa Kimya Metal Sanayi ve Ticaret Ltd. ti.firmas ndan temin edilmi tir.
2.4. Deney numunelerinin haz rlanmas
Ah ap birle tirme bölgelerinin güçlendirilmesindekullan lan CTP çubuklar 30 cm uzunlu unda kesilmi tir.CTP parçalar n boylar n e it olmas na ve malzemelerinkesimi esnas nda zarar görmemesine dikkat edilmi tir.
Ah ap deney numuneleri; 30x40 mm boyutlar nda ve 500mm uzunlu unda 1. S f kurutulmu , çatlaks z vebudaks z karaçamdan lif yönlerine paralel olacak ekildehaz rlanm r. Haz rlanan numuneler ile, birle tirmeyap lm numunelerin çekme dayan k yaslamalaryapmak üzere ahit numuneyi olu turacak masif ah apdeneyi yap lm r. Bu deney numuneleri tek parçadanolu an ve herhangi bir birle tirme söz konusu olmayannumunelerdir.
kinci a amada masif ah apla ayn boyutlarda, ancakortadan kertmeli boy birle tirme yöntemi ile birle tirilmi ikiparça ah aptan olu an numuneler haz rlanm r ( ekil 3).
ekil 3. Kertmeli boy birle tirmeli ah ap numune
Haz rlanan numunelerin birle tirme yüzeyleri çift birle imliTeknobont 200 epoksisiyle birle tirilerek 72 saat so ukpres alt nda tutulmu tur. Daha sonra bu numunelertemizlenerek çekme testine tabi tutulmu tur.
Üçüncü a amada epoksiyle, kertmeli boy birle tirmeyap lm numuneler üzerine kavelal ve CTP çubuklu 4farkl deney numune tipinden 5’er adet numunehaz rlanarak deneye tabi tutulmu tur.
Haz rlanan tüm numuneler ilgili Türk standartlar ndaverilen talimatlara uygun olmas na özen gösterilmi tir[9,10,11].
Haz rlanan numune tipleri;
1. Tek kavelal birle tirme2. Çift kavelal birle tirme3. Tek CTP çubuklu birle tirme4. Çift CTP çubuklu birle tirme olarak belirlenmi tir.
2.5. Deney Metotlar
Deneylerde, numunelere lif do rultusunda çekme gerilmesiuygulanarak yüke kar k gelen uzama de erleri bilgisayarortam nda kaydedilmi tir [12]. Formül 1 kullan larak Çekmegerilmeleri, formül 2 kullan larak birim deformasyonuhesaplanm ve gerilme-deformasyon grafikleri çizilmi tir.
AP
(1)
= Gerilme (kg/cm2), P = Yük (kg), A = Kesit Alan (cm2)
2273
Akgül,T., Apay,A. ve Sar k, M.
ll
(2)
= Birim Deformasyon (%), l = Boy De imi (cm),l = lk Boy (cm)
3. Bulgular
Yap lan çal mada ilk olarak masif ah ap numunede erleri tespit edilmi tir. Yap lan farkl deney tipisonuçlar masif ah ap numunelerle k yaslanm ve hernumune çe idi için ortalama gerime de erleri tespitedilmi tir. Uç uca yap lan kertmeli boy birle tirmesindeolu an lif süreksizli i ortadan kald larak masif ah ap içinelde edilen çekme gerilmesi dayan ma ula lmahedeflenmi tir.
Ah ap birle tirmelerin güçlendirilmesinde kullan lacak CTPçubuk numuneler ekil 4’te görüldü ü gibi çekmedeneyine tabi tutulmu tur. Yap lan deneyler sonucu 5 adetCTP numunenin çekme gerilmesi ortalama de eri 5056kg/cm2 olarak tespit edilmi tir.
ekil 4. Çekme deneyine tabi tutulmu CTP çekme numuneleri [1]
Gerek CTP numunelerinin, gerekse yap lan di erbirle tirilmi numune deneylerindeki ah ap numunelerinçekme gerilmelerini k yaslamak amac yla, ( ahit numune)birle tirme yap lmam masif ah ap üzerinde yap lançekme deneylerinde ortalama çekme gerilmesi 339 kg/cm2
olarak tespit edilmi tir.
Masif ah ap ile CTP malzemenin çekme gerilmelerikar la ld nda CTP’nin çekme gerilmesi, masifah ab n çekme gerilmesinden 15 kat daha yüksek oldu utespit edilmi tir.
Güçlendirme yap lmaks n yap larak birle tirilminumunelere uygulanan çekme testi sonucunda elde edilengerilme de eri, masif ah ap gerilmesi ile k yasland nda4,5 kat daha küçük olan 75 kg/cm2 elde edilmi tir ( ekil 5).ster yap da kullan lacak yeni ah ap elemanlar n boyut
yetersizli i ister restorasyon çal malar nda yap lacakparça de iminde boy birle tirmelerin yap lmaskaç lmazd r ve söz konusu olan boy birle tirmebölgelerin güçlendirilmesi gerekmektedir.
Masif Ah ap
Birl. Ah ap
0
50
100
150
200
250
300
350
Ger
ilme
(kg/
cm2)
Masif Ah ap Birl. Ah ap
ekil 5. Masif ah ap numuneleri ile yap larak birle tirilmiah ap numunelerin kar la lmas
Ah ap yap elemanlar n birle tirilmesinde s kl klakullan lan ve geleneksel yöntemlerinden biri olan kavelaylabirle tirilmi ah aplar n dayan n ara lmasamac yla tek ve çift kavelal kertmeli boy birle tirmeliah ap numuneler haz rlanm ve çekme deneyine tabitutulmu tur. Tek kavelal numunelerin çekme gerilmesi 81kg/cm2, çift kavelal numunelerin çekme gerilmesi 99kg/cm2 olarak tespit edilmi tir. Yap larak birle tirilminumunelere göre kayma direnci dayan nartt lmas ndan dolay kavelas z birle tirilmi numuneleregöre s ras yla % 18 ve % 25 lik bir çekme gerilmesi artelde edilmi tir ( ekil 6).
Masif Ah ap
Birl. Ah ap Tek KavelaÇift Kavela
0
50
100
150
200
250
300
350
Ger
ilme
(kg/
cm2)
Masif Ah ap Birl. Ah ap Tek Kavela Çift Kavela
ekil 6. Masif ah ap gerilme de erinin kavelal ve kavelas znumunelerle kar la lmas
Çift kavela kullan larak elde edilen güçlendirilmi kertmeliboy birle tirmede, ekil 7’de görüldü ü gibi 9 mm lik 2adet kavela yuvas aç lm ve bu durum yeni bir lifsüreksizli ine sebep olmu tur. Bu nedenle çekmegerilmesindeki art s rl kalm r.
2274
Akgül,T., Apay,A. ve Sar k, M.
ekil 7. Çekme deneyine tabi tutulmu Çift kavelal ah apnumune [1]
Geleneksel ah ap yap tasar nda, ah ap yapelemanlar n görünümünü bozmadan, kavela kullan ylaelde edilen iyile tirme yeterli görülüp hemen hemen tümah ap yap elemanlar n güçlendirilme uygulamalar ndakullan lm r. Ancak çal mam zda kavela kullan yerineyine ah ap yap elemanlar n görünümünü bozmadan dahauygun bir iyile tirme aray ile ah ap birle im yerlerindekavela yerine CTP kullan larak güçlendirme yap lmasöngörülmü tür. CTP kullan larak elde edilen yeni numuneler
ekil 8) çekme deneyine tabi tutulmu tur.
ekil 8. CTP çubukla güçlendirilmi deney numunesi
Yap lan tek CTP çubuklu birle tirme numunelerinin ortalamaçekme gerilmesi 176 kg/cm2, çift CTP çubuklu birle tirmenumunelerinin ortalama çekme gerilmesi ise 216 kg/cm2
olarak tespit edilmi tir. CTP çubuklar ile yap langüçlendirmelerle s ras yla % 135 ve % 185 çekme gerilmesiart elde edilmi tir ( ekil 9). Elde edilen bu dayan mbirle im bölgelerinde CTP’lerle güçlendirme yap lmas nkavela kullan yerine çok daha olumlu oldu unu ortayakoymaktad r.
Masif Ah ap
Birl. Ah ap
Tek Çubuk
Çift Çubuk
0
50
100
150
200
250
300
350
Ger
ilme
(kg/
cm2)
Masif Ah ap Birl. Ah ap Tek Çubuk Çift Çubuk
ekil 9. Masif ah ap gerilme de erinin kavelas z ve CTP Çubuklunumunelerle kar la lmas
4. Sonuçlar
Ah ap birle im bölgelerinin güçlendirilmesi amac ylayap lan bu çal mada; Ah ap elemanlar n birle imdetaylar n CTP ile güçlendirilmesi üzerinde çal lm r.
Birinci a amada ahit numunelerin (CTP ve ah ap) çekmedayan mlar elde edilmi . kinci a amada gelenekselgüçlendirme yöntemlerinden biri olan kavela kullan ilegüçlendirme yap lm , üçüncü a amada da kavela yerineCTP kullan larak güçlendirme yap lm r.
Yap lan her gurup için, numunelerin ortalama çekmegerilmesi de erleri al narak tüm numunelerin birbiriylekar la labilmesi amac yla ortak bir çekme gerilmegrafi i olu turulmu tur ( ekil 10). Ayr ca tüm numunelereait ortalama gerilme de erleri çizelge 1’de verilmi tir.
Çizelge 1. Deneye tabi tutulan tüm numunelerin ortalama çekmegerilmesi de erleri (kg/cm2)
Masif Ah ap Birl. Ah ap Tek Kavelal Çift Kavelal Tek Çubuk Çift Çubuk
ekil 10. Deneye tabi tutulan tüm ah ap numunelerininkar la lmas
Bu sonuçlara göre;
1. Haz rlanan farkl deney numunelerinde masif ah apnumunelere göre çekme gerilmesi bak ndan endü ük olan hiç güçlendirme yap lmam yap larakbirle tirilmi numunelerdir. Güçlendirme yap lmam ,epoksi ile birle tirilmi numuneler ile masif ah ab nçekme gerilmesinin ancak %22’sine ula labilmi tir.
2. Geleneksel güçlendirmelerden bir olarak kabul edilenkavelal birle tirmelerde Güçlendirilme yap lmamyap rmal birle tirmelere göre ancak, tek kavelada% 18, çift kavelada % 25 oran nda iyile tirmesa lanabilmi tir.
2275
Akgül,T., Apay,A. ve Sar k, M.
3. Masif ah ap dayan göz önüne al nd nda çift CTPçubuklu numunelerle % 70 oran nda iyile tirmesa lanm r. Di er bir ifadeyle % 70 oran nda lifsüreklili i sa lanm r.
4. Güçlendirilme yap lmam yap rmal birle tirmeleregöre % 185 lik çekme gerilmesi art elde edilmi tir.
CTP ile yap lan güçlendirmelerle;
Daha küçük malzeme kesitleriyle istenen dayan melde edilebilir.
Birle im bölgelerinde olu an lif süreksizli ini ortadankald rarak daha büyük aç kl klar geçilebilir.
Onar m ve restorasyon çal malar nda tarihi dokuyuve ah ap görünümü koruyarak bölgeselgüçlendirmelere olanak sa lanabilir.
Karma k birle im detaylar yerine basit ve dahasa lam birle im detaylar uygulanabilir.
Birle tirme bölgelerinde olu an gerilme yo unlu unuazaltarak bu bölgelerde zamanla d etkenlerin sebepoldu u gev eme ve da lmalar engellemeninmümkün oldu u tespit edilmi tir.
Kaynaklar
[1] Akgül T., Ah aplar n ve birle im noktalar n fibertakviyeli polimerlerle güçlendirilmesi, SAÜ. FenBilimleri Enstitüsü, Yap E itimi Anabilim Dal , 2007.
[2] Günay R., Geleneksel Ah ap Yap lar/Sorunlar VeÇözüm Yollar , Birsen Yay nevi, 2007.
[3] Steiger R., Fiber Reinforced Plastics (Frp) n TimberStructures, Empa, Dübendorf, Switzerland, 2003.
[4] Chen C.J., Mechanical Behavior Of FiberglassReinforced Timber Joints, Louisiana, Usa.
[5] Sar k M., Hafif Yap Tasar nda PultruzyonMetodu ile Üretilen Cam Elyaf Takviyeli PlastiklerinKullan lmas , Gazi Üniversitesi Mühendislik-Mimarl kFakültesi Dergisi, Cilt 22, No 1, 199-205, 2007.
[6] Örs Y., Keskin H., A aç Malzeme Bilgisi, AtlasYay nlar , stanbul Temmuz, 2001.
[7] nternet sitesi, www.teknoyapi.com.tr.[8] nternet sitesi, www.strongwell.com.[9] TS 647, Ah ap Yap lar n Hesap Ve Yap m Kurallar ,
Türk Standartlar Enstitüsü, Ankara, 1979.[10] TS 4499, Ah ap Birle tirmeler- Terimler Tan mlar,
Türk Standartlar Enstitüsü, Ankara, 1985.[11] TS 4539, Ah ap Birle tirmeler. Kavelal Birle tirme
Kurallar , Türk Standartlar Enstitüsü, Ankara, 1985.[12] TS 2475, Odunda Liflere Paralel Do rultuda Çekme
AH AP SKELET S STEMLER N DENEYSEL VE NÜMER K OLARAKNCELENMES
THE INVESTOGATION OF WOODEN SKELETON SYSTEMSEXPERIMENTALLY AND NUMERICALLY
Metin M. UZUNO LUa, *, Mehmet EM RO LUb, Tuncay KAPc
a*Düzce Üniversitesi Teknik E itim Fakültesi Yap E itimi Bölümü, Düzce, Türkiye, [email protected]üzce Üniversitesi Teknik E itim Fakültesi Yap E itimi Bölümü, Düzce, Türkiye, [email protected]
cDüzce Üniversitesi Teknik E itim Fakültesi Yap E itimi Bölümü, Düzce, Türkiye, [email protected]
Özet
Ah ap kolay i lenmesi, do al görünümü, hafifli i, tutuculu u gibi birçok özelli i ile geçmi ten günümüzeinsanlar n yap sektöründe yayg n olarak kulland bir yapmalzemesidir. Do al ve organik bir yap malzemesi olanah ap, in aat sektöründe geçit ve köprüler, iskeleler,temeller, bina ta sistem kurgular , çat lar ve duvarlargibi yap elemanlar n üretiminde kullan lmaktad r. Buçal mada, 14 x 14 mm kesit alan na sahip sar çammalzemeden imal edilmi 1/10 ölçekli ah ap çerçevesistem haz rlanm r. Haz rlanan ah ap çerçeve sistem 50kN yük kapasiteli yükleme cihaz nda bas nç yüklemesinemaruz b rak lm r. Ayr ca haz rlanan ah ap çerçevesistemin gerçek boyutlar nda haz rlanm bir modeli SAP2000 program ile analiz edilmi ve deneysel veriler ileanaliz sonuçlar kar la lm r. SAP 2000 modeli vedeneysel sonuçlar kar la ld nda, yükleme alt ndaah ap çerçeve sistemdeki gerilme yo unla malar n kapve pencere bo luklar n yanlar ndaki dikmelerdegerçekle ti i ve SAP 2000 modelinin deneysel verilerleuyum sa lad gözlenmi tir.
Anahtar Kelimeler: Yap Malzemesi, Ah ap, NümerikAnaliz, SAP 2000.
Abstract
Wood which is the most versatile used structural materialbecause of its many properties like as easy processing,natural viewing, lightness and heat insulation. Wood whicha is natural and organic structural material, used asproduction of the structural elements like as gates andbridges, scaffoldings, foundations, construction carrierfitting, roofs and walls. In this study, wooden skeletonsystem having 14 x 14 cm dimensions, manufactured byusing pinus sylvestris and having 1/10 scale have beenproduced. Produced wooden skeleton system wasexposed to compression loads on the 50 kN capacitiesloading machine. Besides, a finite element model preparedusing real cross section of the skeleton system wasanalyzed using SAP 2000. Then the experimental resultsand the analysis results were compared. When comparedthe results of the experimental and the Sap 200 model,under the loading strain concentrations were formed on thecolumns which are near the door-window spaces. And theSap 2000 model results were attuned to the experimentalresults.
Ah ap ve ta her zaman birlikte kullan lan do almalzemeler olmu lard r. Ah ap-ta ya da ah ap-kerpiçberaberli i baz yörelerde kendine özgü mimarl k ortam ndo mas na sebep olmu tur. Ayr ca yörelere göre de ikboyut, kesit ve teknikte bolca kullan lan ah ap, özellikle 1.derecede deprem ku olarak belirlenen kuzeyAnadolu'da en kullan malzeme olarak tercih edilmi tir[1]. Önceleri, deneyime dayal olan uygulama, mühendislikbilimlerindeki ilerlemelere paralel olarak geli en yaptekni iyle bilimsel olarak yap lmaya ba lanm r. Dahasonra, ah ap yap da kullan lan birle im araçlar n da, aynekilde, modern teknolojiye göre ara p yönetmeliklerin
olu turulmas ile ah ap yap n yayg nla mas na yard metmi tir [2].
Ah ap dekoratif özelli inin yan s ra, i lenme kolayl ,yüzey i lemlerine uygunlu u, tutuculuk gibi teknikniteliklerinin de üstünlü ü nedeniyle yüz y llardan berivazgeçilemeyen yap eleman olarak günümüzde halain aat sektöründeki önemini korumaktad r [3]. Ah ap, evyap nda as rlarca yer alm , kendi bünyesindebulundurdu u hafifli ine kar n mukavemetinin yüksekolu u, yaz n serin k n s cak tutu u, kolay sökülüp monteedilebilmesi gibi üstün fiziksel ve mekanik özelliklerisayesinde günümüzün vazgeçilmez bir yap malzemesiolma özelli ini sürdürmektedir [4].
skelet sistemler, yap daki yüklerin ah ap dikmeler veklarla bir konstrüksiyon olu turularak temel duvarlar na
aktar lmas olarak aç klanabilir. Basit ah ap iskeletsistemler ve geli mi ah ap iskelet sistemler olmak üzereiki gruba ayr rlar. Bir de y ma ve iskelet sistemlerinkarma olarak uyguland yap lar mevcuttur. Basit ah apiskelet sistemlerde ana kural, tüm yap yükünün temelduvarlar na ileten elemanlar olarak ah ap y masistemlerin tersine dü eyde ah ap dikmelerin, yatayda iseah ap kiri lerin kullan lmas r. Yatay ve dü eyta lar n birlikteli i ah ap iskelet sistemin olu umunugöstermektedir. Ah ap sistemin kurulu yöntemi ve yapelemanlar önceden belirlenerek elemanlar yerli yerineoturmas için haz rlan r. Böylece yap m s ras ndakiherhangi bir aksaman n önüne geçilmi olur. Aynzamanda i çilik ve zamandan da tasarruf edilir. Dolgumalzemeleri olarak kullan lan ta , ah ap kerpiç, tu lasisteme yard mc olmas içindir. skelet sistemlerinözellikleri, ta sistemin kesitlerinin küçültülmesi, mimariçözümün y maya göre daha esnek olmas ve di er yapmalzemelerinin karma olarak kullan na olanakvermesidir. Bunlar sisteme bir ayr cal k sa lar Bunlar n
nda yap n hafifli i ve kat say n art lmas naolanak vermesi de bir ba ka avantaj r [5, 6].
Bu çal mada, 14 x 14 cm kesite sahip sar çamdan imaledilmi bir yap iskeleti 1/10 ölçekli olarak haz rlanm r.Haz rlanan ah ap iskelet sistem 50 kN yük kapasiteliyükleme cihaz nda bas nç yüklemesine maruz
rak lm r. Ayr ca haz rlanan ah ap iskelet sisteminsonlu elaman modeli SAP 2000 program ile çözümlenmive SAP 2000 program nda haz rlanm olan ah ap iskeletsistemin yük alt ndaki davran ile gerçek kesitin yükalt ndaki davran birbiriyle kar la lm r.
2. Materyal ve Metot
Bu çal mada ah ap türü olarak I. s f sar çamkullan lm r. Kullan lacak ah ap bir hafta oda s cakl ndabekletildikten sonra 14x14 mm’lik tam boy parçalar halinegetirilmi tir. Haz rlanan parçalar ile ekil 1’deki geçmeliah ap iskelet sistem olarak haz rlanm r. Olu turulanpanel 50 KN yük kapasiteli tek eksenli yükleme cihaz ndabas nç deneyine tabi tutulmu tur ( ekil 1).
ekil 1. Haz rlanan ah ap iskelet sistem.
Tam boy olarak haz rlanan 14x14 mm’lik parçalardanöncelikle alt ve üst ba klar, daha sonra ise 7 adet dikmehaz rlanm r. Alt ve üst kiri üzerinde geçme yap lacakbirle me noktalar belirlenerek bu k mlarda geçmeyap lm r. Bütün geçmeler haz rland ktan sonraelemanlar birle tirilerek panel olu turulmu tur. Bu
lemlerin tamam el aletleri ile ve 0,1 mm hassasiyetlehaz rlanm r. Haz rlanan panelin çok parçal olmas vekesitinin küçük olmas nedeni ile bas nç deneyine tabitutulurken homojen bir yüklemeye maruz kalabilmesi içintek eksenli yükleme cihaz nda ah ab k rmaya uygun birba k tasarland . Bu ba k tasarlan rken, paneleyüklemenin homojen da lmas ve yap lan ba nflambaj boyunu k saltmamas dikkate al nm r.
Ta sistem elemanlar , rijit cisim olarak kabuledildiklerinden dolay , statik olarak belirsiz problemleri debu metotlarla analiz etmek imkâns zd r. Sonlu elemanlarmetodu, bize rijit cisim s rlamas ortadan kald rmay vebu tür problemleri çözmeyi mümkün k lar. Sonlu elemanlarmetodun geli imine paralel olarak, SAP 2000, ANSYS veABAQUS gibi genel ticari amaçl sonlu eleman paketprogramlar n kullan da giderek artmaktad r [7-9].
Bu çal mada, tasarlanan ah ap iskelet sisteminmodellemesi SAP 2000 program nda yap lm r. Bu i lem
ras nda liflere dik do rultuda yüklemeye maruz kalanelemanlar için elastisite modülü 3000 kg/cm2, liflere paraleldo rultuda yüklemeye maruz kalan elemanlar için iseelastisite modülü 100 000 kg/cm2 olarak seçilmi tir.
Modellemede önce panel çizimi, malzeme özelliklerinintan lmas , kesitlerin tan lmas , son olarak ise mesnetlertan larak yüklemenin yap lmas yolu izlenmi tir ( ekil 2).
ekil 2. Yüklerin ve s r artlar n belirlenmesi.
Modellemede malzeme I. s f sar çam, kesitler 14x14 cm,mesnetler ankastre olarak girilmi ve ard ndan analizyap larak sonuçlar kaydedilmi tir.
3. Ah ap Panelin Bas nç Dayan DeneyiSonuçlar
Deney ba lang ndan, ilk k lma hasar an na kadaryakla k 30 dakikal k bir süreci içermi tir. Bu süreiçerisinde ah ab n elastikli inin yüksek olmas nedeni ileah ap panelde çe itli yönlerde ekil de imleri vegeçmelerinde de farkl mesafelerde aç lmalar gözlenmi tir
ekil 3).
ekil 3. Deney sonras ah ap iskeletin görünümü.
Ah ab n ilk k lma eklindeki hasar an nda yükleme de eri4500 kg, flambaj miktar ise 2 mm olarak okunmu tur.Ah ab n ilk k lma an ndan sonrada yük ta maya devametti i gözlenmi tir. K lma kap , pencere bo luklar na ait
2278
UZUNO LU, M., M., EM RO LU, M. ve KAP, T.
dikme ve ba klarda ba lam r. En büyük k lmalar dabu bölgelerde gözlemlenmi tir.
ekil 4. Deney sonucu ah ap iskeletin deforme olmu hali
4. Sonlu Elemanlar Analizi ve Bulgular
Sonlu eleman modelinde modele girilen s r artlar veyükleme durumlar na göre analiz yap lm r. Analizde
zorlanmalar n en çok kap -pencere bölümlerinde belirginhale geldi i ve hasar n da bu bölgelerde ba ladbelirlenmi tir. Kap -pencere bölümlerinde olu an bu hasarkolon etkili boyunun k salmas ile büyüyen kesme kuvvetisonucu olu an k sa kolon etkisinden kaynaklanm r.
ekil 5. Analiz sonucu elde edilen deformasyon olu umu.
sa kolonda olu an kesme kuvveti, k sa kolonun alt ve üstsm nda meydana gelen momentlerin toplam n k sa
kolon yüksekli ine oran ile ifade edilmektedir. Bilindi iüzere k sa kolonda olu an kesme kuvveti k sa kolonunyüksekli i ile ters orant r. Dolay yla, kolon uzunlu une kadar k sa ise olu acak kesme kuvveti de o kadar fazlaolacakt r.
Sap 2000 program nda elde edilen sisteme ait momentdiyagram incelendi inde de en büyük moment de erlerineyine bu kap -pencere bo luklar nda rastlanm r. Analizsonucu elde edilen gerçek kesitin yükleme alt ndakidavran lar (moment diyagram ) a daki grafiklerdeverilmi tir ( ekil 6).
.
ekil 6. Sap 2000 model verilerine ait moment diyagram .
2279
5. Uluslararas leri Teknolojiler Sempozyumu (IATS’09), 13-15 May s 2009, Karabük, Türkiye
Bu çal mada, günümüzde ah ab n bolca bulundu ubölgelerde hala yayg n olarak kullan lan ah ap iskeletsistemin yük alt ndaki davran deneysel ve nümerikolarak incelenmi tir. Yürütülen çal ma neticesinde
daki yarg lara var lm r.
Ah ap iskelet sistemin yükleme s ras nda k lmaan ndan sonra yük ta maya devam etti i gözlenmi tir.Yüklemeye devam edilmesine ra men bir müddet çökmeolay gerçekle memi tir. Buna ba olarak depremesnas nda yap lar n hemen çökmesinin engellenerek canve mal kay plar n minimuma indirilebilece idü ünülmektedir.
Modellemeye ait davran grafikleri incelendi inde,ah ap iskelet sisteme ait en zay f noktalar n kap , pencerebo luklar n yanlar na ait dikmelerin üst k mlar oldu ugörülmektedir. Tek eksenli bas nç deneyi sonucunda daah ap iskelet sistem üzerindeki k lmalar n bu bölgelerdeba lad gözlemlenmi tir.
Sonuç olarak, ah ap iskelet sistemlerde küçültülmükesitler ile gerçek kesitler aras nda paralellik oldu u vegerçek kesit bas nç dayan hakk nda bilgilereküçültülmü kesitlerde deneyler yap larak ula labilece i,ayr ca gerçek kesitlerin yük alt ndaki davran nkurulacak bir sonlu eleman modeli ile önceden tahminedilebilece i sonucuna var lm r.
5. Referanslar
[1] Çak r, S., Geleneksel karadeniz ah ap konut yap myönteminin ça da teknoloji aç ndande erlendirilmesi, Mimar Sinan Üniversitesi, FenBilimleri Enstitüsü, Doktora Tezi, s. 230, 2000.
[2] Odabas ,Y., Ahsap ve çelik yap elemanlar , 2. Bask ,Beta Yay nevi, s. 479, 1997.
[3] Say l, B., Ah ap do rama kö e birle imlerinin rijitli iniartt rma yollar üzerine bir ara rma, TÜ fen BilimleriEnstitüsü, Doktora Tezi, s. 88,1996.
[4] Karabulut, C., Ah ap birle im detaylar , , TÜ fenBilimleri Enstitüsü, Yüksek Lisans Tezi, s. 96, 2000.
[5] Çak r S., Geleneksel Karadeniz ah ap konut yap myönteminin ça da teknoloji aç ndande erlendirilmesi, Mimar Sinan Üniversitesi, FenBilimleri Enstitüsü, Doktora Tezi, s. 230, 2000.
[6] Avlar, E., Limoncu, S., Yap Malzemesi Olarak Ah apve Ah ap Yap Sistemleri, Yap 241, 2007/12, s.87-90,2001.
[7] Moaveni, S., Finite element analysis theory andapplication with ANSYS., Prentice Hall, New Jersey,1999.
[8] Solmaz, M. Y., ve Turgut, A., Uzay Çat SistemlerininANSYS Paket Program Kullan larak Statik Analizi,
rat Üniversitesi Fen ve Mühendislik Bilimleri Dergisi,18 (1), 105-112, 2006.
[9] Güntekin, E., Kavelal mobilya kö e birle tirmelerininsonlu elemanlar analizi, Süleyman DemirelÜniversitesi Orman Fakültesi Dergisi, A (1), 159-169,2004.
2280
5. Uluslar arası İleri Teknolojiler Sempozyumu (İATS’09), 13-15 Mayıs 2009, Karabük, Türkiye
DESIGN AND CONSTRUCTION OF IN-WATER CONDITION BAND
Hasan Basri ULAŞ a, * ve Ali SAYGIN b , * Makina Eğitimi, Teknik Eğitim Fakültesi, Gazi Üniversitesi, Ankara, [email protected]
b Elektrik Eğitimi, Teknik Eğitim Fakültesi, Gazi Üniversitesi, Ankara, [email protected]
Özet Bu çalışmada, suyun kaldırma kuvveti ve tedavi edici yönü düşünülerek; bel ve altı eklem noktalarından ameliyat olmuş hastaların, spastik özürlü bireylerin, felç geçirmiş hastaların ve kondisyon kazanmak isteyen sporcuların kas gelişimini sağlayan, su içi koşu bandı tasarlanmıştır. Bu amaçla yürüme alanı istenilen sıcaklıkta ve seviyede su ile doldurulmakta, kullanıcı ileri veya geri değişik hızlarda su içerisindeki koşu bandında yürüme yaparak eksersiz çalışmaları gerçekleştirmektedir. Ayrıca kas gelişimini artırmak amacıyla karşı direnç oluşturması için su jetleri yerleştirilmiştir. Su içerisindeki koşu alanında hasta veya sporcunun kayıp suya düşmesi ve buna bağlı olarak boğulma tehlikesine geçirmesini önlemek için sensörler yerleştirilmiştir. Sensörler çalışma süresince koşu alanı üzerindeki kişiyi takip etmektedir. Tehlike durumunda anında koşu alanındaki suyu depoya almaktadır. Koşu bandının hızının kontrolü, su seviyesi ve sıcaklığının kontrolü, sensör bilgilerinin okunması ve zamana göre çalışan programların sağlanması için programlanabilir lojik kontrolör (PLC) cihazı kullanılmıştır. PLC cihazı hasta ve sporcular için farklı çalışma programları sağlamaktadır. Anahtar kelimeler: Su, Koşu bandı, PLC Abstract In this study, an in-water condition band was designed and constructed for treatment of various patients in water and for sportsmen who want to win condition. For this purpose, the walking area of the condition band was filled with water at the required temperature and level. Users of this band perform exercise at various speeds at forward and back directions in the water. In addition, water jets were mounted to the system in order to generate counter resistance for increasing muscle development. Sensors were also mounted to the system in order to prevent the risk of drowning of the users in the walking area under water. The sensors watch the user on the walking area during exercise. The water in the walking area is transferred to the tank in case of emergency. A programmable logic controller (PLC) was used for speed control of the condition band, water level and temperature control and acquisition of the sensor data. The PLC provides different exercise programs for the patient and sportsmen. Keywords: Water, Condition band, PLC 1. Giriş Hastaların ve sporcuların kaslarının güçlendirilmesi için tıpta değişik egzersiz çalışmaları ve hareketler
bulunmaktadır. Bu amaçla değişik yürümeyi kolaylaştıracak cihaz ve destek araçları üretilmektedir. Aynı şekilde sporcular içinde gerçekleştirilmiş, değişik ağırlık ve sportif hareketlerle ayak kaslarının güçlendirilmesi için koşu bandı gibi destek üniteleri üretilmektedir. Düzenli yapılan aerobik egzersizler ile fonksiyonel kapasitede artış ve parasempatik uyarıda artma sonucu kardiyovasküler otonom kontrolde bir düzelme olmaktadır[1].
Su içerisinde koşu bandlarının çalıştırılması genellikle büyük havuzlarda yapılmaktadır. Birden fazla koşu bandı havuz içerisine konularak, sporcuların su içerisinde koşu bandı üzerinde yürüme ve koşmaları sağlanmaktadır. Bu uygulama hastalar için henüz yaygın değildir. Havuza erişim, suyun temizlenmesi, hastaların havuz içerisindeki koşu bandına indirilmesi, su içerisinde hasta ile birlikte refakatçi birinin bulundurulması gibi zorluklar bu uygulamayı zorlaştırmaktadır. Yüzme havuzlarında kullanılan en etkin kimyasal olan klor gibi çevresel gazlara kullanıcıların maruz kalması, hava yolu irritasyonu ve astım benzeri semptomları ortaya çıkarmaktadır [2].
Bu çalışmada, bireysel kullanım sağlaması amacıyla bir kişinin rahatlıkla kullanabileceği, su içerisinde çalışabilecek koşu bandı tasarlanmıştır. Tasarımda amaç hem hastaların hemde sporcuların kullanmasıdır. Özellikle çok yer kaplamaması ve modüler olması amaçlanmıştır. Koşu alanı ve depo olarak iki kısma ayrılması, nakliye ve montaj aşamasında cihazın evde, hastanede, fizik tedavi merkezlerinde ve spor merkezlerinde kurulumunu ve kullanılmasını kolaylaştıracaktır. Su içi koşu bandının çalışması PLC (Programlanabilir Lojik Kontrolör) cihazı ile gerçekleştirilecektir. 2. Mekanik Sistem Mekanik sistem, koşu alanı ve depo alanından oluşmaktadır. Koşu alanında koşu bandı, su seviye sensörü, karşı dirençler, ekran ve koruma korkuluklarından oluşmaktadır. Koşu alanındaki hastanın veya sporcunun takibi için dış yüzeyler camdan yapılmıştır. Sensörler koşu alanının üst kısmına yerleştirilmiştir. Depo alanı ise koşu alanında kullanılacak suyun saklandığı yerdir. Depo alanında suyun istenilen sıcaklık değerinde tutulması için ısıtıcılar yerleştirilmiştir. Ayrıca depo alanında suyun bakteriyel kirliliğini önlemek için filtre ve ilaçlama düzeneği de yerleştirilmiştir.
Koşu alanında yürüme bandı 15 km/saat hızına kadar çıkabilmektedir. Hız ileri veya geri yönlü ayarlanabilmektedir. Kullanıcı panelinden hız artışı 0.1 km/saat tuşlarla sağlanmakta olup ekrandan rasgele girilen herhangi bir hız değerinde de çalışabilmektedir. Yazılımda
2281
Ulaş, H.B, ve Saygın, A.
koşu bandının üst hızı 15 km/saat, alt hızı ise 0.005 km/saat olarak sınırlandırılmıştır. Koşu bandının devir yönü ekrandan değiştirilebilmekte, hazır yüklenen menülerde ise PLC’nin kendisi değiştirmektedir. Koşu alanında su yüksekliği 1.1m ye kadar ayarlanabilmektedir. Su yüksekliği su seviye sensörü ile algılanmakta ve okunan değer PLC’ye aktarılmaktadır. Su seviye sensörü 0-2 m su yüksekliği değerini 4-20 mA dönüştürmektedir. Kullanılan su seviye sensörü, su dalgalanmalarından etkilenmediği için hassas bir seviye kontrolü gerçekleştirilmektedir. Koşu bandı üzerinde çalışan kullanıcının ayak, kalça ve bel kaslarını kuvvetlendirmek için su jetleri uygun durumlarda çalıştırılmaktadır. Karşı direnç olarak ta adlandırılan su jetleri kullanımında, kullanıcının bedensel olarak sağlam olması, bir gözetmen kontrolünde çalışması ve yeteri kadar koşu alanında su olması gerekmektedir. Su jetinin de çarpma hızı ayarlanabilmektedir. Koşu alanı üzerinde bulunan kişiye karşıdan çarpan su, band üzerinde yürümeyi ve koşmayı zorlaştıracaktır. Tedavi veya sportif eksersiz yapılırken kullanıcının destek alması ve tutunabilmesi için koşu alanının yan taraflarında koruma korkulukları sabitlenmiştir.
Depo alanında bulunan ısıtıcılar, her biri 2000 w olmak üzere 3 adet yerleştirilmiştir Şebekeye uygun olarak bir fazlı ısıtıcılar seçilmiştir. Isıtıcılar ileride değiştirme ve servis bakımı için depo alanının altında bulunan boşluklardan yerlerine sabitlenmiştir. Şekil 1’ de ısıtıcıların yerleşimi verilmiştir. Kullanım amacına uygun olarak bu sayı artırılabilmektedir. Depo alanında bulunan su sıcaklığı, 25 – 40 oC arasında sabit tutulabilmektedir. Su sıcaklığını ölçmek için PT100 kullanılmıştır. Okunan sıcaklık değeri 4-20 mA değerine dönüştürülmekte [3] ve bu değer PLC’ ye aktarılmaktadır. Depo içerisine alınan şebeke suyunun depoda taşmaması için sıvı seviye rölesi kullanılmıştır. Sıvı seviye rölesi ile depo alanındaki suyun seviye kontrolü yapılmaktadır. Su seviyesi azalırsa şebekeden depoya su alınarak koşu alanı için gerekli maksimum su miktarı hazır bulundurulmaktadır. Depo içerisinde bekleyen suyun bakteriyel kirlilik oluşturmaması için ilaçlama ünitesi yerleştirilmiştir. Depo alanının temizlenmesi için üst tarafa kapak yerleştirilmiştir. Şekil 1 de depo alanına ait yerleşim şeması verilmiştir.
Şekil 1. Depo alanı yerleşim planı
Koşu alanı ve depo arasında su akışı valfler ile kontrol edilmektedir. Sistemde bir adet pompa bulunmaktadır. Sistemde 6 adet selenoid vana bulunmaktadır. Vanaların çalışma sıralamasına göre su sirkülasyonun yönü değişmektedir. Yapılan uygulamanın şeması Şekil 2’de verilmiştir.
Şekil 2. Su sirkülasyon şeması 3. PLC Analog ve dijital bilgi girişi ve yeterli sayıda dijital çıkış adresi olduğu için Siemens S7-200 model CPU224XP[4] Programlanabilir Lojik Kontrollör (PLC) seçilmiştir. PLC’ nin çalışma gerilimi AC/DC/Röle olup; dijital girişler 24 V DC, dijital çıkışlar ise röledir. PLC üzerinde 14 tane dijital giriş, 10 tane dijital çıkış adresi bulunmaktadır. Dijital giriş-çıkış adresleri yetmediği için harici dijital genişleme modülü kullanılmıştır. Ekonomik olması ve kullanım kolaylığı sebebiyle 8*DI 24 V DC ve 8*DQ Röle ek modulü[5] tercih edilmiştir. PLC üzerinde 2 adet analog giriş bir adet analog çıkış adresi bulunmaktadır. PLC üzerinde bulunan analog giriş ve çıkış sayısı uygulamada yetmediği için harici analog modül kullanılmıştır. Harici analog modül; 4 analog giriş ve 1 analog çıkış adresine sahiptir. Su altı koşu bandında 5 analog giriş ve 2 analog çıkış adresine ihtiyaç duyulmuştur. PLC nin programlanması için STEP 7 Micro/Win 32 programı kullanılmaktadır. Programlama dili olarak Komut Satır Sıralaması (Statement List Editor - STL), Merdiven Diyagram ( Ladder – LAD ) veya Fonksiyon Blok Diyagramı (Function Blok Diagram - FBD) kullanılmaktadır[6]. PLC dijital çıkışları röleli olduğu için bazı çıkış adreslerinin çalıştırılması için 220 V AC gerilim röle kontaklarında geçirilmiştir. Selenoid valflerin çalıştırılması için 24 V AC gerilim aynı şekilde röle kontaklarından geçirilmiştir. Bazı çevre birimlerinde ki devre elemanlarının çalıştırılması için PLC çıkışlarında röle kontaklarından 24 V DC gerilim geçirilmiştir. Bu yüzden PLC çıkışlarında üç farklı çalışma gerilimi kullanılmıştır. PLC dijital girişleri ise 24 V DC olduğu için tüm devre elemanları bu çalışma gerilimine uygun olarak seçilmiştir. PLC’ nin tüm devre elemanlarını içeren devre bağlantısı Şekil 3’te gösterilmiştir.
2282
5. Uluslar arası İleri Teknolojiler Sempozyumu (İATS’09), 13-15 Mayıs 2009, Karabük, Türkiye
4. Programlama Programlama Merdiven (Ladder) diyagramında yapılmış ve her birim test edildikten sonra PLC yüklenmiştir. İlk olarak, koşu bandının hızı frekans konverter kullanılarak kontrol edilmiştir. Daha sonra PLC’ nin frekans konverter ile haberleşmesi sağlanmış ve hız kontrolü analog olarak denetlenmiştir. İkinci aşamada koşu alanının su seviyesi kontrol edilmiştir. Analog olarak okunan su seviyesine göre pompa ve selenoid valfler çalıştırılmıştır. Üçüncü aşamada su jetlerinin çalıştırılması sağlanmıştır. Depo alanındaki su sıcaklığı ısıtıcılar çalıştırılarak kontrol edilmiştir. Belirtilen çalışmaları yapan ve PLC’ye yüklenen programın akış diyagramı Şekil 4’ te verilmiştir. 5. Uygulama Uygulama aşamasında prototipi hazırlanan su içi koşu bandı cihazında önce koşu bandı düşük devirde ileri ve geri çalıştırılmıştır. Daha sonra kademeli olarak hız artımı yapılarak koşu bandının da 15 km/saat hızına kadar çıkılmıştır. Tekrar hız yavaşlatılarak koşu alanına su alınmıştır. Su miktarı her artırıldığında koşu bandının çalışması kontrol edilmiştir. Frekans konverterden gerçek hız geri beslemesi alınarak hızda değişim olup olmadığı gözlemlenmiştir. Üçüncü aşamada su jetleri çalıştırılmıştır. Kademeli olarak su akışı artırılarak koşu alanı üzerinde bulunan deneğin zorlanması gözlemlenmiştir. Su jeti ile birlikte hızda artma ve azaltmalar ile su seviyesinde artma ve azaltmalar eş zamanlı yapılmıştır. Tüm çalışmalar PLC tarafından düzgünce gerçekleştirilmiştir. Şekil 5’te PLC devre bağlantı şeması verilmiştir. 6. Sonuçlar • Yapılan bu uygulama ile su içi koşu bandı tasarımı ve
uygulaması yapılmıştır. • Tıbbi ve sportif uygulamalara uygun olarak tasarlanan
cihaz ile özellikle diz ve eklem ameliyatı geçiren hastaların kaslarının güçlendirilmesi,
• Felçli hastaların yürüme becerilerinin kazanılması, spastik özürlü bireylerin yürüme ve koşma becerilerinin kazanılması ile sportif amaçlı olarak sporcuların ayak kaslarını güçlendirmesi işlemini gerçekleştireceği, yapılan deneylerle tespit edilmiştir.
• Fizik tedavi uzmanları ve tıp doktorları ile birlikte testler ve denemeler devam etmekte olup, hasta ve
sporcu profiline uygun standart menü çalışmaları aktif olarak devam etmektedir.
Şekil 5. PLC devre bağlantı şeması Teşekkür Bu çalışmada, tüm donanımların ve çalışma ortamının sağlanması ve yardımlarından dolayı Senron Spor-Medikal Ürünler üretim ve Pazarlama Ltd. Şti.’ye teşekkür ederiz. Kaynaklar [1] Sekir U., Akova B., Saltan Y., “Miyokard İnfarktüsü
Sonrası Aerobik Egzersizin Rolü – Derleme” Anadolu Kardiyoloji Dergisi, Haziran 2004, 4: 153-60, 2004
[2] Mavi H. ve Bereket S. “Egzersiz ve Alerjik Tepkiler” Sağlıkta Birikim Cilt:1 Sayı:1, p:122-136
[3] Lanfag P., Wanliang W. and Qidi W., “Application of Adaptive Fuzzy Logic System to Model for Greenhouse Climate”, Intelligent Control and Automation Congress, Proceeding of the 2000, China Page(s): 1687-1691, 2000
Al 2024-T4 ALÜMİNYUMUN ELMAS BENZERİ KARBON (DLC) KAPLANMIŞ MATKAPLARLA DELİNMESİNDE KESME
PARAMETRELERİNİN DENEYSEL İNCELENMESİ VE TAGUCHİ OPTİMİZASYONU
EXPERIMENTAL INVESTIGATION AND TAGUCHI OPTIMIZATION FOR THE EFFECT OF CUTTING PARAMETERS ON THE DRILLING OF Al
2024-T4 ALLOY WITH DIAMOND LIKE CARBON (DLC) COATED DRILLS
Mustafa Kurt a* Yusuf Kaynak a Barkın Bakır a Uğur Köklü a Gürcan Atakök a Levent Kutlu a a Marmara University Technical Education Faculty, Mechanical Education Department, Istanbul, Turkey
Özet Alüminyum değişik ürünlerin yapımı için birçok endüstride kullanılmakta ve dünya ekonomisi için önem arz etmektedir. Alüminyum ve alüminyum alaşımlarından yapılan yapısal bileşenler uzay endüstrisi için hayati öneme sahiptir. Ayrıca uzun ömür, sağlamlık ve hafifliğin istendiği diğer taşıma ve inşaat alanlarında da büyük önem taşımaktadır. Delme, havacılık, uzay ve otomotiv endüstrilerinde oldukça yaygın kullanım alanı olan bir imalat işlemidir. Ultrasonik imalat, elektrolitik imalat, aşındırıcı jet ile işleme ve lazer kesme gibi modern imalat yöntemleri üretim endüstrisinde geniş uygulama sahasına sahip olmasına rağmen, matkap ile delik delme ekonomikliği ve basitliğinden dolayı hala en yaygın imalat yöntemlerinden biridir. Bu çalışmada, Al 2024 alaşımın DLC kaplanmış matkaplarla delinmesi esnasında, kesme parametrelerinin ve matkap çapındaki değişimin delme sıcaklığı, kesme kuvveti ve yüzey pürüzlülüğüne etkisi araştırılmıştır. Kesme sıcaklığını ölçmek için termokupllar ve kesme kuvvetlerini ölçmek için Kistler dinamometre ve Pürüzlülüğü ölçmek için ise MARH-Perthometer kullanılmıştır. Taguchi optimizasyon tekniği kullanılarak delme prosesi optimize edilmiştir. Anahtar kelimeler: Delik delme, DLC kaplama, alüminyum alaşımlar, Taguchi Optimizasyon Abstract Aluminum is used in many industries to make different products and is significant to the world economy. Structural components made from aluminum and aluminum alloys are vital to the aerospace industry and very important in other areas of transportation and building in which durability, strength and light weight are desired. Drilling process is widely used in aerospace, aircraft and automotive industries. Although modern metal cutting methods improved in manufacturing industry, including drilling, ultrasonic machining, electrolytic machining, abrasive jet machining and laser cutting conventional drilling still remain to be the most common machining processes because of economical reasons and simplicity. In this study, the effect of cutting parameters and changes in the diameter of the drill on drilling temperature, cutting forces and surface roughness in dry drilling of Al 2024 alloy using diamond like carbon coated drills are investigated. The cutting temperature was measured by using a thermocouple. Kistler dynamometer was used for the measurements of the cutting forces during drilling
process. The surface roughness of drilled hole surface was determined by using MARH-Perthometer. Finally, the Taguchi technique was employed for the optimization of drilling process. Keywords: Drilling, DLC coating, aluminum alloys, Taguchi Optimization 1. Giriş Günümüz imalat sektöründe kesici takımın daha uzun ömürlü olabilmesi ve iş parçasının ise istenilen kalitede üretilerek hammadde israfını önlemek için, kesme performansı ve şartlarını optimize etme gerekliliği ortaya çıkmıştır. Bunu gerçekleştirebilmek için, kesici takımların ömrüne tesir eden etkenler ile iş parçasının kalitesinin belirlenmesinde etkili olan etkenler bilim adamları tarafından araştırılmaktadır. Bağcı ve Özçelik [1] delik derinliği, spindle devri ve ilerlemenin matkap ucundaki sıcaklığa tesirini incelemişlerdir. AISI 1040 ve Al 7075-T651 iş parçası delinerek yapılan araştırmada, sıcaklık ölçüm yöntemi olarak ise spiral matkapta termokupl yöntemini kullanmışlardır. Ayrıca kademeli ve sürekli delme yaparak bunun matkap uç sıcaklığına etkisini araştırmışlardır. Bu çalışmalarda matkap sabitlenerek iş parçası döndürülmüştür. Kurt ve arkadaşları [2] Al 2024 alaşım malzemesinin matkap ile delinmesinde delik kalitesini incelemişlerdir. Grzesik [3] kesme bölgesindeki sıcaklık dağılımını belirlemek için termal analitik ve simülasyon modelini kaplamalı ve kaplamasız karbür uçlarda kullanmıştır. Nouari [4] çalışmasında, değişik işleme parametrelerinin ve kaplamaların kuru delmede aşınmaya ve sıcaklığa tesirlerini incelemiştir. Nouari, çalışmalarında alüminyum iş parçalarını tercih etmiştir. Çalışmalarında özellikle matkap aşınmasını inceleyen araştırmacı buna ilaveten delik formları ve sıcaklığı da incelemiştir. Nouari [5] alüminyum alaşımı kuru delmede kesici takım aşınmasının deneysel olarak analizini ve optimizasyonunu yapmıştır. Kesme parametrelerinin delik kalitesine tesirini inceleyerek, alüminyum malzeme için optimal kesme hızının V= 65 m/min olduğu sonucuna ulaşmıştır. Ayrıca deliğin ortalama yüzey pürüzlülüğünü, çapak boyunu ve sapmalarını da kesme parametrelerine bağlı olarak
2285
Kurt M., Kaynak Y., Bakır B, Köklü U., Atakök G., Kutlu L..
incelemiştir. Ayrıca değişik kaplama türlerinin delik kalitesine tesirini de inceleyen Nouari, kaplamaların işleme kalitesini ciddi mahiyette etkilemediğini ortaya koymuştur. Hanyu [6] çalışmasında alüminyum alaşımı(Al 7075), kuru ve yarı kuru delmede kristalleştirilmiş elmas kaplı takımların etkisini incelemiştir. Bu kaplama türünü de kendi çalışma grupları geliştirmiş olup, geleneksel elmas kaplama ile kristalleştirilmiş elmas kaplama arasındaki farkı görmek için alüminyum malzemeyi her iki kaplama ile de kaplanmış matkaplar ile delme yapmışlardır. Kuru delmede yüzey pürüzlülüğü açısından, kendi geliştirdikleri kristalleştirilmiş elmas kaplamanın normal elmas kaplamaya göre dört kat daha iyi sonuç verdiğini deneysel olarak kanıtlamışlardır. Deneyde, kullanılan matkap 6 mm çapında olup, kesme hızı 85 m/dak ve ilerlemeyi 0.12 mm/dev seçmişlerdir. Delik derinliğini ise matkabın çapının 3 katı olan 18 mm seçmişlerdir. Daha önce yapılan çalışmalar göstermektedir ki; delik delmede matkap ömrünü ve iş parçası kalitesini etkileyen birçok parametre ve durum vardır. Kesici takım ömrü ve üretilen ürünün kalitesini etkileyen faktörler, kesici takımın geometrik özellikleri, kesici takım uç açısı, ilerleme oranı, kesme hızı, talaş derinliği, kaplamalar, soğutma sıvısı, talaş kırıcı formu, iş parçası ve kesici takımdaki rijitlik oranı vs. gibi parametreler hem kesici takım ömrünü hem de üretilen ürünün kalitesini etkileyen parametrelerdir.. Çeliklerin işlenmesinde kuru işlemle veya kuruya yakın işlemlerle imalat gerçekleştirilebiliyor olmasına rağmen, aynı işlemleri alüminyum ve alaşımlarının işlenmesine tam olarak gerçekleştirildiği söylenemez. Bunun temel sebebi ise alüminyum malzemelerin çok yapışkan olmasıdır. Elmas malzemeler, içyapı özelliklerinden dolayı anti yapışma özelliği çok yüksek olan malzemelerdir. Bu sebepten dolayı, DLC kaplamalar alüminyum ve alaşımlarının işlenmesinde tercih edilirler. Elmas malzemeler, içyapı özelliklerinden dolayı anti yapışma özelliği çok yüksek olan malzemelerdir. Bu sebepten dolayı, DLC kaplamalar alüminyum ve alaşımlarının işlenmesinde tercih edilirler. Yüksek sertlik ve düşük sürtünme oranından dolayı elmas benzeri karbon (DLC) kaplamalar, kuru işleme işlemleri için yüksek potansiyele sahiptirler. Bu çalışmada DLC kaplamalı matkapların performansı değerlendirilmiştir.
2. Materyal Ve Metot 2.1. Materyal Bu çalışmada iki farklı yöntem uygulanmıştır. İlk kısımda deneysel çalışma yapılmıştır ve deney şartları belirlenirken Taguchi deney tasarımı yöntemi kullanılmıştır. İkinci kısımda ise, deneysel çalışmada elde edilen verileri değerlendirmek ve optimizasyonu için Taguci optimizasyon yöntemi kullanılmıştır. Deneysel çalışmada, sıcaklık ölçümünü gerçekleştirmek için literatürde kullanılmakta olan ve Şekil 2. ‘de gösterilen , Termokupl (Isıl çift) yöntemi kullanılmıştır. Kesme kuvveti ölçümü için, yine literatürde kullanımı yaygın olan Dinamometre ile ölçüm yöntemi tercih edilmiştir. Hazırlanan iş parçası dinamometre üzerine sabitlenerek delme esnasında oluşan kuvvet dataları bilgisayara x, y ve z eksenlerinde grafiksel olarak aktarılmıştır. Deneyde kullanılan numuneler dikdörtgen şeklinde olup, 220 mm uzunluğu, 70 mm genişliği ve 50 mm derinliğindedir. Tablo 1.’de Al 2024’e ait kimyasal
kompozisyonlar ve Tablo 2.’de ise mekanik özellikleri sunulmuştur.
Tablo 1. Al 2024-T4’ün Kimyasal Kompozisyonları
Al Cu Mg Mn Fe Si Ti Zn Cr Temel 3.8-
4.9 1.2-1.8
0.3-0.9 0.5 0.5 Max 0.15
Max 0.25
Max 0.1
Tablo 2. Al 2024-T4’ün Mekanik Özellikleri
UTS(Mpa) YS(Mpa) Uzama(%) Sertlik(Bhn)
440 303 17 120
Şekil 1. Deney Düzeneği [8].
Şekil 2. Termokuplun Yerleştirilme Düzeneği [7].
2.2. Deney Tasarımı Alüminyum malzemesinin işlenmesinde kullanılabilecek parametrelerden; ilerleme oranı, talaş derinliği,iş parçası boyu ve çapı gibi özellikler dikkate alınmıştır. En uygun faktörlerin seçilerek, optimal kesme kuvvetleri, yüzey pürüzlülüğü, minimal titreşim ve iş parçasında optimal boyutsal doğruluğun elde edilmesi amaçlanmıştır. Belirlenen faktörler ve bunların seviyeleri Tablo 3.’ de sunulmuştur.
Kurt M., Kaynak Y., Bakır B, Köklü U., Atakök G., Kutlu L..
Tablo 3’deki faktörler göz önünde bulundurularak, deneysel çalışma için en uygun tasarım olarak 9 deneyli Taguchi L9 ortogonal dizin seçilmiştir. Tablo 4 ’de Minitab 15 istatistik yazılımı yardımı ile belirlenen L9 lik deney tasarımı görülmektedir.
Tablo 4. Taguchi L9 Deney Tasarımı
Deney (A) (B) (C)
No. Kesme hızı İlerleme oranı
Matkap çapı
Değişkenler
(m/dak) (mm/dev) (mm)
1 A1B1C1 1 1 1
2 A1B2C2 1 2 2
3 A1B3C3 1 3 3
4 A2B1C2 2 1 2
5 A2B2C3 2 2 3
6 A2B3C1 2 3 1
7 A3B1C3 3 1 3
8 A3B2C1 3 2 1
9 A3B3C2 3 3 2
2.3. Deney Sonuçları Yapılan ölçümler sonucu elde edilen delme sıcaklığı, itme kuvvetleri ve ortalama yüzey pürüzlülüğü değerleri Tablo 5’de sunulmuştur
Tablo 5. Deneylerden elde edilen sonuçlar
Deney No. Değişkenler DT
(°C) F
(N) Ra
(µm)
1 A1B1C1 48 249 1,47
2 A1B2C2 34 320 1,32
3 A1B3C3 59 395 1,05 4 A2B1C2 51 345 0,98
5 A2B2C3 49 387 0,86
6 A2B3C1 63 410 1,26
7 A3B1C3 54 392 1,19
8 A3B2C1 49 376 1,56
9 A3B3C2 60 384 1,98 Taguchi optimizasyonu için her bir deney için elde edilen S/N oranları Tablo 6’ da verilmiştir
Tablo 6. Taguchi L9 Deney Tasarımı
Deney DT S/N F S/N Ra S/N No. (°C) (dB) (N) (dB) (µm) (dB)
1 48 -33,6248 249 -47,924 1,47 -3,34635
2 34 -30,6296 320 -50,103 1,32 -2,41148
3 59 -35,417 395 -51,932 1,05 -0,42379
4 51 -34,1514 345 -50,756 0,98 0,17548
5 49 -33,8039 387 -51,754 0,86 1,31003
6 63 -35,9868 410 -52,256 1,26 -2,00741
7 54 -34,6479 392 -51,866 1,19 -1,51094
8 49 -33,8039 376 -51,504 1,56 -3,86249
9 60 -35,563 384 -51,687 1,98 -5,9333
3. Deney Sonuçlarının Analizi ve Optimizasyonu 3.1 Delme Sıcaklığının Sonuçları ve Optimizasyon Bu çalışmada, amaçlanan kesme parametreleri ve matkap çapı kontrol faktörlerinin alüminyum 2024 alaşım malzemesi için optimal seviyelerini belirleyerek, delme esnasında matkaba kaldırılan talaşın yapışma oranını azaltarak; delme performansının düşmesini önlemek, diğer taraftan ise; malzemenin işlenen yüzeyinde ısıdan dolayı oluşabilecek şekil değişimi, genleşme ve deformasyonu önlemektir. Kesme parametreleri olarak; kesme hızı ve ilerleme oranı dikkate alınmıştır. Delme prosesinde delik yüksekliği 30 mm olarak sabit tutulmuştur. Delme prosesinde, herhangi bir soğutucu kullanılmayarak kuru delme işlemi uygulanmıştır. Şekil 3’ de kesme parametrelerinin delme sıcaklığının oluşumuna etkisi görülmektedir. Şekilden görüldüğü gibi, kesme hızındaki değişimin delme sıcaklığındaki değişime etkisi çok az iken, ilerleme oranının etkisi hayli fazla olmuştur. 0.25 mm/dev de en düşük delme derinliği elde edilmiştir.
Şekil 3. Kesme parametrelerinin delme sıcaklığına etkisi
Şekil 4’de kesme hızı ve DLC kaplamalı matkabın çapındaki değişimin, delme sıcaklığına etkisi görülmektedir. Şekil 4’de görüldüğü gibi, matkap çapındaki değişim delme sıcaklığını hayli fazla etkilemektedir. Delme sıcaklığının en az olduğu matkap çapı 8 mm’lik matkaptır.
2287
Kurt M., Kaynak Y., Bakır B, Köklü U., Atakök G., Kutlu L..
Şekil 4. Presin deney esnasındaki resmi.
Şekil 5’de kontrol faktörlerinin sinyal gürültü oranları görülmektedir. En küçük en iyidir yaklaşımı ile yapılan optimizasyona göre minimal delme sıcaklığının oluştuğu seviyeler, kesme hızında 40 m/dak, ilerleme oranında 0.25 mm/dev olurken matkap çapında ise 8 mm olmuştur.
Şekil 5. Delme sıcaklığı için kontrol faktörlerinin S/N
oranları 3.2. İtme Kuvveti (F) Sonuçları ve Optimizasyonu İtme kuvveti veya diğer bir ifade ile thrust force olarak tanımlanan ve matkap ilerleme yönüne zıt yönde oluşan ve matkap uç bölgesinde aşınmalara neden olabilen bu kuvvetin, delme prosesinde irdelenmesi bilimsel tamamlayıcılığı açısından önemlidir.Yapılan deneysel çalışmada, ilerleme oranı, kesme hızı ve matkap çapındaki değişimin itme kuvvetindeki değişime etkisi şekil III.13 ve Şekil 6’da görülmektedir.
Şekil 6. Kesme parametrelerinin itme kuvvetine etkisi
Şekil 6’da görüldüğü gibi, itme kuvvetinin oluşumunda en önemli faktör ilerleme oranıdır. İlerleme oranındaki artış ile itme kuvveti artmaktadır. Kesme hızındaki değişimin itme kuvveti üzerindeki etkisi göz ardı edilebilecek seviyede olmuştur. Diğer taraftan kesici takımın çapındaki değişim ile oluşan itme kuvveti doğrudan ilişkilidir. Çapın artışı ile itme kuvvetinin de arttığı Şekil 7’de görülmektedir.
Şekil 7. İlerleme oranı ve matkap çapının değişiminin itme kuvvetine etkisi Şekil 8’de kontrol faktörlerinin S/N oranları görülmektedir. En küçük en iyidir yaklaşımıyla yapılan optimizasyona göre, maksimum itme kuvvetinin en küçük olduğu seviyeler, kesme hızında 40 m/dak, ilerleme oranında 0.20 mm/dev olurken matkap çapında ise 6 mm olmuştur.
Şekil 8. Maksimum itme kuvveti için Kontrol faktörlerinin S/N oranları
3.3. Ortalama Yüzey Pürüzlülüğü (Ra) Sonuçları ve
Optimizasyonu Yüzey pürüzlülüğünün oluşumunda etkili olan faktörlerden en önemlileri kesme parametreleridir. Şekil 9’da ilerleme oranı ve kesme hızının ortalama yüzey pürüzlülüğü oluşumuna etkisi görülmektedir. Yapılan deneysel çalışma neticesinde elde edilen sonuçların görüldüğü Şekil 9’a göre; ilerleme oranındaki artış ile delik yüzeyindeki ortalama pürüzlülük değeri artma eğilimi göstermiştir.
2288
Kurt M., Kaynak Y., Bakır B, Köklü U., Atakök G., Kutlu L..
Şekil 9. Kesme hızı ve ilerleme oranının ortalama yüzey
pürüzlülüğüne etkisi
Şekil 10’da ise, yüzey pürüzlülüğünün oluşumunda matkap çapının etkisi görülmektedir. Genel olarak, düşük ilerleme oranı değerlerinde matkap çapındaki değişimin pürüzlülüğe etkisi daha az olurken, yüksek ilerleme oranlarında matkap çapındaki değişimin, ortalama yüzey pürüzlülüğüne etkisi artmıştır.
Şekil 10. Matkap çapının ve ilerleme oranının ortalama
yüzey pürüzlülüğüne etkisi Şekil 11’de ortalama yüzey pürüzlülüğü için kontrol faktörlerinin S/N oranları görülmektedir. En küçük en iyidir yaklaşımıyla yapılan optimizasyona göre minimal ortalama yüzey pürüzlülüğünün oluştuğu seviyeler, kesme hızında 50 m/dak, ilerleme oranında 0.20 mm/dev olurken matkap çapında ise 10 mm olmuştur.
Şekil 11. Ortalama yüzey pürüzlülüğü için kontrol faktörlerinin S/N oranları
3.4. Optimal seviyelerin tahmini Yapılan deneysel çalışmadan elde edilen dataların kullanımı ile oluşturulan S/N oranlarına göre, minimal delme sıcaklığı, minimal itme kuvveti ve minimal ortalama yüzey pürüzlülüğü değerleri için Minitab yazılımı kullanılarak tahmini kesme parametreleri ve matkap çapları belirlenmiştir. Minitab yazılımı minimal delme sıcaklığı için A1,B2 ve C2 şeklinde tahminde bulunmuştur. Taguchi optimizasyon metoduna göre yukarıda verilen kontrol faktörlerinin seviyesi ile yapılan delme prosesinde ulaşılması gereken minimal delme sıcaklığı 35,5 °C ve S/N oranı ise -31,0558 dB dir. İtme kuvveti için minimal değerlere ulaşılacak seviyeler ise; A1,B1ve C1 şeklinde tahmin edilmiştir. Bu seviyelere göre elde edilebilecek minimal itme kuvveti 278 N olurken, bu değerin Sinyal gürültü oranı ise -49,7817 dB dir. Son olarak yapılan tahminlerde, ortalama yüzey pürüzlülüğünün minimal değerleri için tahmin edilen kontrol faktörleri seviyeleri; A2, B1 ve C3 şeklinde olmuştur. Taguchi optimizasyon yöntemine göre, bu seviyelere göre elde edilebilecek minimal ortalama yüzey pürüzlülük değeri (Ra) 0,68 µm ve S/N oranı ise 2,05948 dB olarak tahmin edilmiştir. 3.5. Doğrulama Deneyleri Taguchi metoduna göre, optimal sonuçları verecek parametrelerin tahmininden sonra, optimizasyonda son aşama olarak doğrulama deneyleri yapılmakta ve yapılan optimizasyonun doğruluğu test edilmektedir. Ancak, tahmin edilen seviyeler; optimizasyon öncesi yapılan deneysel çalışmaların arasından biri olduğu taktirde doğrulama deneylerine gereksinim olmaksızın, optimizasyonun performansı test edilebilmektedir. Bu çalışmada, delme sıcaklığı ve itme kuvveti için tahmin edilen optimal seviyeler, yapılan dokuz deney içerisinde mevcuttur. Sonuçların kıyaslaması Tablo 7’de sunulmuştur.
Tablo 7. Delme sıcaklığı (DT) için optimal seviyeler
Tahmin Edilen Doğrulama Deneyi Seviye A1 B2 C2 A1 B2 C2
Delme Sıcaklığı (°C) 34 35,5
Tablo 8. İtme kuvveti (F) için optimal seviyeler
Tahmin Edilen Doğrulama Deneyi
Seviye A1 B1 C1 A1 B1 C1 İtme Kuvveti (N) 249 278
Deneysel çalışmalardan elde edilen delme sıcaklığı sonuçları ile tahmin edilen delme sıcaklığı arasındaki fark göz ardı edilebilecek seviyededir. Bu durumda, Taguchi optimizasyonun delme sıcaklığının tahmininde başarı ile uygulanabildiğini göstermektedir. Taguchi optimizasyon ile delme sıcaklığının ciddi anlamda azaltılabildiği yapılan çalışma ile ispatlanmıştır. Diğer taraftan, itme kuvvetinin tahmini için yapılan tahmin sonuçları ile doğrulama
2289
Kurt M., Kaynak Y., Bakır B, Köklü U., Atakök G., Kutlu L..
deneyleri sonuçları arasındaki farkın da genel sonuçlar dikkate alındığında ciddi başarı sayılabilir. Her iki sonuçta, mevcut deneyler haricinde herhangi bir deneye gerek olmaksızın Taguchi optimizasyonun başarı ile uygulanabildiği görülmüştür.
Tablo 9. Ortalama yüzey pürüzlülüğü (Ra) için optimal seviyeler
Tahmin Edilen Doğrulama Deneyi Seviye A2 B1 C3 A2 B1 C3 Ortalama yüzey pürüzlülüğü (µm) 0,68 0,73
Tablo 9’da Taguchi optimizasyon metodu ile yapılan tahminde ortalama yüzey pürüzlülüğü 0,68 µm olarak tahmin edilmiştir. Doğrulama amaçlı yapılan ilave deneysel çalışmada elde edilen sonuç ise 0,73 µm dur. Delme sıcaklığı ve itme kuvveti sonuçlarında olduğu gibi, Taguchi metodu ile optimizasyonun ortalama yüzey pürüzlülüğünün optimizasyonunda da başarılı bir şekilde uygulanabildiği ve delme prosesinin performansını ve işlenen iş parçasının kalitesini ciddi anlamda iyileştirdiği görülmektedir. 4. Sonuçlar Ve Değerlendirme
Deneysel çalışma için kesme parametrelerinin tayininde literatür ve imalatçıların uygulamalarından istifade edilmiştir. Dikkatli ön çalışma ve Taguchi metodu ile deney tasarımının yapılması sonucunda, delme sıcaklığı ve itme kuvveti için optimal şartlar yapılan dokuz deney içerisinde olmuştur. herhangi bir ön çalışma ve deney tasarımı yöntemi kullanmaksızın yapılacak onlarca deney ile bu sonuça ulaşmak mümkün olabilecekken, yapılan dokuz deney ile de aynı sonuca ulaşılabilmiştir. Zaman ve maliyet açısından değerlendirildiğinde, uygun kontrol faktörlerinin tespitinin ve Taguchi deney tasarımının etkisi görülmektedir. Bu çalışmadan elde edilen sonuçlar aşağıda sunulmuştur. Al 2024 alaşım malzemesinin DLC kaplamalı matkaplarla, yüksek performansta kuru delinmesi mümkündür. DLC kaplamadan dolayı işleme prosesinde kaldırılan talaş kesici takım üzerine yapışmayarak performansı olumsuz etkilememektedir. Delme sıcaklığının oluşumunda en etkili faktörün, yapılan deneysel çalışma neticesinde ilerleme oranı olduğu görülmüştür. Diğer taraftan matkap çapındaki değişimin de delme sıcaklığını etkilediği görülmüştür. Kesme hızındaki değişimin delme sıcaklığının değişimine etkisi göz ardı edilebilecek seviyede olmuştur. Delik delmede önemli bir araştırma konusu olan, itme kuvvetinin oluşumunda da dominant etkiye sahip faktörler matkap çapı ve ilerleme oranı olmuştur. Matkap çapının ve ilerleme oranının artması ile itme kuvvetinin arttığı yapılan çalışmadan elde edilen diğer önemli bir sonuçtur. Deliğin yüzey pürüzlülüğünün seviyesinde etkili olan faktörler ise, ilerleme oranı ve matkap çapı etkili faktörler olmuştur. Özellikle, yüksek kesme hızlarında ilerleme oranındaki değişim ortalama yüzey pürüzlülüğündeki değişimi hayli etkilemiştir. İlaveten, yüksek ilerleme oranlarında da matkap çapındaki değişim ortalama yüzey pürüzlülüğünü ciddi anlamda etkilemiştir. Yüzey pürüzlülüğü için optimal şartlar Taguchi ile belirlenmiştir.
Deneysel çalışmalarda, deney sayısının azaltılarak başarılı sonuçlara ulaşılması için uygulanan deney tasarımı ve optimizasyonun yapılabildiği Taguchi metodu delik delme prosesi içinde başarılı bir şekilde uygulanabilmiştir. Rastgele yapılan bir deneyden elde edilen sonuçlara nazaran iki kat daha iyi sonuçlar Taguchi metodu ile elde edilebilmiştir. Geleneksel kesici takımları kullanarak soğutucu sıvı kullanmak yerine, DLC kaplamalı matkapları kullanmak birçok yönden daha avantajı olabilmektedir. Kaynaklar [1] Bağcı,E.;Özçelik,B.:”Investigation of the effect of
drilling conditions on the twist drill temperature during step-by-step and continuous dry drilling”Materials and Design 27 (2006) 446-454
[2] Kurt, M.; Kaynak, Y.; Bagci, E.: “Evaluation of drilled hole quality in Al 2024 alloy” Internation journal of Advance Manufacturing Technology 37-11 (2008) 1051-1060
[3] Paul,A.;Kapoor,S.G.;DeVor,R.E.:” Chisel edge and cutting lip shape optimization for improved twist drill point design” İnternational Journal of machine Tools&manufacture 45 (2005) 421-431
[4] Nouari,M.;List,G.; Girot,F.; Gehin,D.:”Effect of machining parameters and coating on wear mechanisms in dry drilling of aluminium alloys” International Journal of Machine Tools&Manufacture 45(2005) 1436-1442
[5] Nouari,M.;List,G.; Girot,F.; Coupard,D.:”Experimental analysis and optimisation of tool wear in dry machining of aluminium alloys” Wear 255(2003) 1359-1368
[6] Hanyu,H.; Kamiya,S.; Murakami,Y.; Saka,M.:”Dry and semi-dry machining using finely crystallized coating cutting tools” Surface and Coatings Technology 173-174 (2003) 992-995
[7] Kaynak, Y. “ Matkap ile delik delme esnasında kesme parametrelerinin kesme kuvveti ve sıcaklığın değişimine etkisinin deneysel olarak incelenmesi” Marmara Uni. Fen Bilimleri Enst., İstanbul (2006)
[8] Kutlu, L. “ Al 2024-T4 Alüminyumun Elmas Benzeri Kabon (DLC) Kaplanmış Matkaplarla Delinmesinde Kesme Parametrelerinin Deneysel İncelenmesi ve Taguchi Yöntemiyle Optimizasyonu” Marmara Uni. Fen Bilimleri Enst., İstanbul (2009)
[9] Kurt, M.; Bagci,E.; Kaynak, Y.: “Application of Taguchi metods in the optimization of cutting parameters for surface finish and hole diameter accuracy in dry drilling processes.” Int J Adv Manuf Technol , in press (2007)
