Betonda Kırılma Mekaniği

Betonda Kırılma Mekaniği

1. GİRİŞ

 Betonun kırılma mekaniği depreme dayanıklı binalar, savunma amaçlı yapılar, reaktörler, iklim ve çevre koşullarının etkisinde yıpranmaya maruz binalar gibi ekonomik açıdan maliyeti yüksek yapılar için oldukça büyük bir öneme sahiptir. Bu tür yapılarda göçmenin nasıl, nereden ve hangi koşullarda oluşacağı, varolan bir çatlağın hangi şartlar altında kararlı veya kararsız bir şekilde ilerleyeceği kırılma mekaniği bilim dalının konularıdır. Bu amaçla Lineer Elastik Kırılma Mekaniğinin (LEKM) betona ilk uygulaması 1960’lı yıllarda yapılmasına rağmen betonun yarı gevrek ve heterojen bir malzeme olması nedeniyle betonun kırılma parametrelerinin LEKM ile elde edilemeyeceği görülmüştür. Bu nedenle, daha sonraki yıllarda LEKM modifiye edilerek Nonlineer Kırılma Mekaniği modelleri oluşturulmuştur. Betonun kırılma parametrelerinin ve kırılma mekanizmasının daha iyi anlaşılması için öncelikle betonun nasıl bir malzeme olduğunu anlamak gerekmektedir. Bu çalışmada önce betonun malzeme davranışı, iç yapısı ve mekanik davranışı arasındaki ilişki incelenecek, daha sonra kırılma parametreleri tanıtılacaktır. Betonun kırılma süreci bölgesi ve şekil değiştirme kapasitesi değerlendirilecek ve betonda enerjinin nasıl yutulduğu toklaşma mekanizmaları ile beraber incelenecektir.

2. BETONDA KIRILMA SÜRECİ

Beton, yük altında olmasa bile içinde boşluklar ve mikroçatlaklar bulunan heterojen ve yarı gevrek bir malzemedir ve düşük yükler altında lineer elastik bir davranış gösterir. Bu bölgede gerilmeler ve şekil değiştirmeler orantılı olarak artar ve yük kalktığında şekil değiştirmeler de kalkar. Yük arttırıldığında, elastik sınır geçilir, betonun içindeki mikroçatlaklar ve boşluklar aktif hale gelir ve yük- sehim eğrisi lineerliğini kaybeder. Özellikle agrega-çimento hamuru arayüzeyindeki boşluk ve mikroçatlaklar büyür ve betonda kalıcı şekil değiştirmeler meydana gelir. Oluşan bu çatlaklar enerji harcadığı için yük – sehim eğrisi nonlineer bir şekilde artış gösterir. Bu bölgede mevcut çatlakların büyümesinin yanı sıra yeni çatlaklar da oluşmaya başlar. Meydana gelen şekil değiştirmeler, tepe yükü civarında kırılmanın gerçekleşeceği düzlemde birikmeye başlar (şekil değiştirme yerelleşmesi). Çatlaklar ilerlemeye devam ettikçe şekil değiştirmeler artar ve yük taşıma kapasitesi azalır. Böylece çatlaklar adım adım ilerleyerek betonun yük taşıma kapasitesinin aniden sıfıra düşmesini engeller, ve tepe yükü sonrasında betona tokluk kazandırır. B-C noktaları arasında kalan bu bölgede şekil değiştirme yumuşaması görülür. Bu nedenle beton, yarı gevrek bir malzeme kabul edilir.

3. KIRILMA MEKANİĞİ VE BETON

 Kırılma mekaniği kısaca, bir çatlağın çevresindeki gerilmeleri ve şekil değiştirilmeleri inceleyen bir bilim dalıdır. Betonun malzeme özellikleri (agrega hacmi, agrega boyut dağılımı, su/ çimento oranı gibi), çatlak oluşması ve yayılması üzerinde önemli etkilere sahiptir ve beton mekanik davranışı kırılma mekaniği ile incelenebilir. Örneğin, yüksek mukavemetli beton daha kırılgan ve gevrek bir malzemedir. Lif katkılı betonlarda çatlak oluştuktan sonra lifsiz betonlara kıyasla toklukta artış gözlenmektedir. Laboratuar numunesi boyutlarına sahip bir betonun kırılması ile gerçek boyutlarda bir beton elemanın kırılması da birbirinden farklıdır. Bu nedenlerle, farklı malzeme özeliklerine ve boyutlara sahip betonların kırılması, kırılma mekaniği parametreleri ile incelenerek modelleme yapılabilir. Yük altında bulunan ve içinde boşluk içeren bir malzemede, süreksizlik nedeniyle boşluk ucunda gerilme yığılması meydana gelir. Yükleme nedeniyle meydana gelen gerilme akımı çatlağın etrafını dolanmak zorunda kaldığından çatlağın ucunda gerilme yığılmasının artmasına, çatlağın alt ve üst yüzlerinde ise gerilme gevşemesine (taranmış alan) neden olmaktadır. LEKM’ne göre, çatlak ucunda meydana gelen bu gerilme yığılması çatlak keskinleştikçe sonsuza gitmektedir.

Gevrek malzemelerde çatlağın ilerlemesini ve kırılmayı tanımlamak için sadece bir malzeme parametresi, kırılma tokluğu (KIC) yeterlidir. Malzemenin kırılma tokluğu önceden çatlak içeren farklı geometrilere sahip numunelerle deneysel olarak hesaplanabilmektedir. Örneğin, çentikli kiriş numuneler üzerinde uygulanan üç noktalı eğilme deneyinde çatlak yayılmaya başlayıncaya kadar kiriş numuneye yük uygulanmakta ve maksimum yük elde edildikten sonra kullanılan numunenin boyularına ve yükleme durumuna bağlı olarak KIC hesaplanmaktadır (Karihaloo, 1995). LEKM, sertleşmiş çimento hamuru gibi gevrek malzemelere uygulanabilmektedir. Metalik bir malzemede ise kırılma öncesinde akma oluşacağı için

çatlak ucunda meydana gelen gerilme artışı sonsuza gitmez ve akmanın görüldüğü plastik bir bölge oluşur (Şekil 3a). Beton gibi yarı gevrek bir malzemede de çatlak ucunda önemli oranda kalıcı şekil değiştirmeler meydana gelir. Oluşan gerilmelerin ve şekil değiştirmelerin orantılı olmadığı bu bölgeye Kırılma Süreci Bölgesi (KSB) adı verilir. Meydana gelen şekil değiştirmeler ve mikroçatlaklar enerji yutar ve çatlak ucunda meydana gelen gerilme azalarak sonsuza gitmesi engellenir (Şekil 3b).

Betonda meydana gelen kırılma süreci bölgesinin büyülüğünden dolayı LEKM’in uygulanamayacağı bir çok araştırmacı tarafından ortaya konulmuştur (Shah ve Ouyang, 1992). Böyle bir bölgenin varlığı betonda meydana gelen toklaşma mekanizmalarına bağlıdır. Agrega, boşluk ve mikroçatlaklar içeren bir malzeme olan betonda, çatlak ilerleyişi bir takım mekanizmalar tarafından engellenir ve betonda tokluk artışına neden olur (Şekil 4). Çatlak ucundaki agregaların çatlak ilerlemesini engelleyerek çatlak kalkanı görevini yapması, çatlağın agregalara rasgelerek yön değiştirmesi, agregaların birbirlerine sürtünerek çatlağın ilerlemesini engellemesi, agregaların çatlağın bir tarafından diğer tarafına yük aktarımında bulunması, çatlak ucuna rasgelen boşlukların çatlak ucu keskinliğini azaltması veya çatlağın dallanmasına neden olması gibi mekanizmalar betonda tokluk artışına neden olur. Birçok araştırmacı betonda çatlak ucunda meydana gelen ve enerji harcanmasına neden olan bu bölge ile ilgili incelemelerde bulunmuşlardır. Bu bölgenin boyutları betonun türüne ve beton yapının boyutlarına bağlıdır. Bu bölgenin uzunluğu çimento hamurunda 5-15 mm, harçta 100-200 mm, yüksek dayanımlı betonda 150-300 mm, normal dayanımlı betonda 200-500 mm ve baraj betonu gibi bir kütle betonunda 700 mm civarındadır (Karihaloo, 1995). Bu tür mekanizmalar nedeniyle betonun kırılmasının tek bir parametre ile belirlenemez. Dolayısıyla LEKM’in bir çatlağın ilerlemesi için ortaya koyduğu çatlak ucundaki gerilme yığılmalarını ifade eden kırılma tokluğu (gerilme şiddet çarpanının kritik değeri) parametresi, betonda bir çatlağın hangi şartlar altında ilerleyeceğinin tahmini konusunda yetersiz kalmaktadır.

Bir cevap yazın

KAPAT
×