Mühendislik, İnşaat, Yapı, Teknolojiler Hakkında Her Şey > Nasıl yapılır ?

Yapı Çeliklerinde Çekme Deneyi

(1/1)

aozbek:
X.Mühendislik Sempozyumu İnşaat Mühendisliği ’99
2-3 Haziran 1999, Süleyman Demirel Üniversitesi, ISPARTA





YAPI ÇELİKLERİNDE ÇEKME DENEYİ


İlker Bekir TOPÇU,  Mehmet CANBAZ
Osmangazi Üniversitesi, 26480 Eskişehir, TURKEY



ÖZET

Betonarmede kullanılan yapı çeliklerinin mekanik özelikleri belirlemek için yapılan deneylerden biride çekme deneyidir. Çekme deneyi genellikle dairesel veya dikdörtgen kesitli çubuklar üzerinde Üniversal deney makinasında yapılır. Çelik numunelerinin akma, çekme ve kopma dayanımları ile şekil değiştirmeleri bu deneyle bulunur. Daha sonra gerilme-şekil değiştirme ilişkileri incelenerek numunelerin mekanik davranışları hakkında bilgi elde edilir. Yapılan çekme deneyinde Karabük Demir Çelik Fabrikasında üretilen, Eskişehir Bölgesinde kullanılan, farklı zamanlarda alınan 20 adet 7 farklı çaptaki standartlara göre alınarak hazırlanan beton çeliği numuneleri kullanılmıştır. Çelik çubuk numuneleri üzerindeki nervürlerin etkisi dikkate alınmamıştır. Çekme deneyi sonucunda elde edilen değerlerle üst ve alt akma, çekme dayanımları ile toplam kopma uzamaları hesap edilmiştir. Sonuçlar standartlarda verilen değerlerle karşılaştırılmış ve irdelenmiştir.


1.   GİRİŞ

Endüstride, yapılarda ve makine üretiminde kullanılan çeliklerin türleri 2000’in üstündedir. Bunlar türlerine, bileşimlerine, dayanımlarına, sertliklerine ve kullanma amaçlarına göre sınıflara ayrılmıştır. Her sınıf standarde edilmiş, ayrıntılı bilgiler verilmiş ve bunlar birer numara ile belirtilmiştir. Türk Standartlarında betonarme çelikleri BÇ I,  BÇ II, BÇ III, BÇ IV olarak dört ana sınıfa ayrılır. Betonarmede kullanılan daire kesitli çubuklar genellikle sıcak haddelenmiş ve soğuk işlem görmüş çelik olarak iki çeşittir. Türk Standartları TS 2162 genel yapı çeliklerinin, TS 708 beton çeliklerinin özeliklerini belirtir.

Betonarme çelikleri düşük karbonlu (% 0.1-0.2) yumuşak çeliklerdir. Bazı elemanlarda daha sert ve karbon oranı % 0.35’e varan çeliklerde kullanılabilir. Çelik ve beton arasındaki aderansı arttırmak için bazı çelikler üzerinde nervürlü olarak yapılırlar. Nervürlü çelikler anma (nominal) çaplarına göre tanımlanırlar. Çeliklerdeki sınıflama,      % 0.2 kalıcı şekil değiştirmede elde edilen akma sınırlarına göre tanımlanır.





2.   YAPI ÇELİKLERİ

Genel yapı çeliği, çekme dayanımı ve akma sınırı ile açıklanan, sıcak biçimlendirme suretiyle yapılan ve normalleştirme tavı uygulanmış veya uygulanmamış durumdaki alaşımsız çeliklerdir. Yapılarda elde edilişi bakımından “Thomas çeliği” denilen, haddeden geçmiş, genel olarak yuvarlak çubuk halindeki yumuşak çelik kullanılır. En çok kullanılan yapı çelikleri Fe37, Fe42, Fe52’dir. Bu çeliklerin mekanik özellikleri standartlarda; Akma sınırı için Fe37’de  24, Fe42’de 26,  Fe52’de 36 MPa, çekme dayanımları için Fe37’de   37-42, Fe42’de 42-50,  Fe52’de 52-62 MPa, elastisite modülü 210000 MPa, kayma modülü 81000 MPa olarak verilmiştir (Yapı Malzemeleri El Kitabı, 1997).

Beton çelik çubuğu; betonarme yapılarda beton teçhizatı olarak kullanılan, dairesel kesitli, düz yüzeyli veya yüzeyi nervürlü veya  profilli olan çelik çubuklardır. Beton çeliği gevrek bir malzeme olan betonun sünekliğini arttırmak amacı ile kullanılır ve yapılarda beton ile birlikte çalışarak kompozit bir malzeme olan betonarmeyi oluştururlar. Beton çelik çubuklar: Yüzey özelliklerine göre, düz yüzeyli (D), nervürlü (N), yüzeyi profilli (P); en küçük akma gerilmelerine göre, 220 MPa (I), 420 MPa (III), 500 MPa (IV); sıcak haddeleme veya haddeleme sırasında ısıl işlem uygulanması ile oluşan doğal sertlikte (a), soğukta işlem görerek sertleştirilmiş (b) olarak sınıflara ayrılmıştır. Bu çelik çubukların mekanik özelikleri; en küçük akma sınırları  D I a 220, N III a 420, N III b 420, N IVbs a 500, P IVbk b 500 (MPa), en büyük akma sınırları  D I a 320, N III a 570 (MPa), en küçük çekme dayanımları  D I a 340, N III a 500, N III b 500, N IVbs a 550, P IVbk b 550 (MPa), en küçük kopma uzaması (%) D I a 18, N III a 12, N III b 10, N IVbs a 8,   P IVbk b 5 değerlerinde olmalıdır. Akma sınırı çeliğin bileşiminin fonksiyonu olarak yüksekse “a” çelikleri elde edilir. Akma sınırı normal az karbonlu çeliğe soğukta burma uygulayarak sağlanmışsa “b” çelikleri elde edilir. “a” sınıfı çelikler daha kalitelidirler: yangına dayanıklıdırlar, toplam kopma uzama oranları % 16’ nın altına düşmez, süneklikleri daha yüksektir. Beton çeliği I sınıfı dışındaki çelikler nervürlüdür. “b” sınıfı çeliklerde, boyuna nervür bir helis çizer. IV sınıfı çelikler küçük çaplı hasır donatılarda kullanılmaktadır (Akman, S., 1992).

Alman DIN şartnamesine göre beton çeliği çubuk şeklinde ve beton hasır çelikleri olarak iki gruba ayrılmıştır. Bu gruplardan deneyimizde de kullandığımız çubuk şeklindeki beton çeliği düz veya nervürlü olarak imal edilirler. Sonradan işlenmemiş düz beton çelik çubuğunun bazı mekanik özelikleri verilecek olursa anma çapları 5-28mm arasında olmalı, akma sınırları en az 220 MPa, çekme mukavemeti 340 MPa olmalıdır. DIN şartnamesine göre nervürlü çelikler enine ve eğik nervürlü çelikler olmak üzere ikiye ayrılmıştır. Enine nervürlü çelik çubuklar sonradan işlem görmemiş ve anma çapları ise 6-40mm arasındadır. Bazı mekanik özelikleri akma sınırı 220 MPa, çekme dayanımı 340 MPa’dan küçük olamamalıdır. Eğik nervürlü çubuklar ise anma çapları 6-28 mm arasında ve sonradan işlem görmüş ve soğukta şekil verilmiş olabilir. Eğik nervürlü çelik çubukların akma sınırları en az 420 MPa, çekme dayanımları 500 MPa olmalıdır. DIN şartnamesine göre beton çeliğinin dayanım özelliklerinin belirlenmesi amacıyla yapılan çekme deneyi sonuçları akma sınırı veya 0.2 sınırı, çekme dayanımı ve kopma uzama olarak kontrol edilmelidir. Eğer beton çeliği soğukta şekil verilmiş ise deneyden önce yarım saat 250o de tutulmalı ve oda sıcaklığında soğutulmalıdır (Yaman, M., 1979) (Çetmeli, E., 1981).              






3. DENEYSEL ÇALIŞMA

Deneylerin amacı Karabük Demir Çelik Fabrikasında üretilen Eskişehir’ de çeşitli şantiyelerden farklı zamanlarda alınan beton çelik çubuğu numunelerinin  karakteristik özeliklerini belirlemek ve çelik numunelerin mekanik etkilere karşı davranışlarını incelemektir. Malzemenin nerede ve nasıl kullanılacağı konusunda bize fikir vermesi açısından bu deney oldukça önemlidir.

3.1.   Deney Numuneleri

Deneyde Karabük Demir-Çelik fabrikasında üretilmiş ve fazla zorlanmayan makine parçaları, piston pimleri, dişliler, dingil kasnakları, mil ve göbeklerde kullanılmak amacıyla üretilmiş St 42 (1020) mil transmisyon çeliği kullanılmıştır. Bu çeliklerin içerdiği bazı kimyasal maddeler  C  0.20, Si  0.20, Mn  0.45, P  0.04, S  0.05 olarak verilmiştir.                 
Deneyde kullanılan çelik çubuk numuneleri nervürlü olup deneyde numunenin kavrama çenelerinin tuttuğu bölgede gerilme yığılmalarının oluşmaması için eksenel olarak işlenerek gövde çapı numunenin uçlarında sabit ortasında küçültülerek TS138’e göre numuneler hazırlanmıştır. Bu deneyde toplam 20 adet tornada hazırlanmış çelik çubuk kullanıldı. Bunlar sırası ile 30, 24, 22, 20, 18, 15 mm çaplı çelik çubuklardan üç ve 12 mm çaplı çelik çubuktan iki adet numune alınmıştır. Numuneler nervürlü olmasına rağmen nervürlerinin etkileri olmaksızın incelenmiştir (Kocataşkın, F., 1968).

3.2.  Yapılan Deneyler

Deneyde bir hidrolik piston ve silindirden oluşan Üniversal Test Makinesi kullanılır. Fotoğraf 1’ de görülen çekme deneyi aleti hidrostatik basınç prensibine göre çalışmaktadır. Bir pompadan gelen basınçlı yağ S silindiri içine yollanırsa bu silindirin içine sıkı sıkıya geçen  pistonu yukarıya doğru kaldırıp 1 ve 2 çeneleri yardımı ile numuneye çekme kuvveti uygular. 3 nolu skala bize numuneye uygulanan çekme kuvvetini gösterir. Arkadaki sarkaç kolunun ucuna asılı olan ağırlığı değiştirerek presin ölçü kapasitesi değiştirilebilir. Fotoğrafta sağ tarafta deney makinesi, sol tarafta ise sarkaçlı manometre görülmektedir. Manometre üzerindeki vanalar presin yüklemesi ve boşaltmasını sağlar. Çekme deneylerinde deney parçası çubuk veya levha şeklindedir. Numune aletin alt ve üst çenelerine sıkıştırıldıktan sonra deneye başlanır. Deney sırasında parçanın kayıp kurtulmasını önlemek için çeneler yüzleri dişli sert çelikten yapılmıştır. Ayrıca kavrama çeneleri alete uygun bir şekilde bağlanmalı ve deney parçasına yükün eşit olarak uygulanması sağlanmalıdır. İlk ölçü uzunluğu içinde çekme gerilmesi oluşturabilmek için deney parçası ekseninin deney aygıtı kafalarından geçen merkez ekseni ile çakışması gereklidir (TS 138). Silindire basınçlı yağ sevketmek ile aletin konik çeneleri arasına yerleştirdiğimiz çeşitli çaptaki dairesel kesitli çubuklara çekme kuvveti uygulanır (Kocataşkın, F., 1975).

Deney başlatıldığında makinenin numuneye etkiyen yük 3 kg/cm2-sn sabit hızıyla arttırılır. Deney esnasında numuneye etkiyen yükü gösteren ibrenin salınması anı akma sınırına ulaşıldığını gösterir. Bu salınmanın başladığı en küçük kuvvetle en küçük akma sınırı, ulaştığı maksimum kuvvetle de maksimum akma sınırı bulunur. Daha sonra yükün en büyük değerine ulaşır. Numunede büzülme gözlenmeye başlanır. Numunenin akmaya başladığı kuvvete kadar oluşan uzamalar üniformdur, silindir biçimindeki parça boyca artıp çapça daraldığı halde silindir biçiminde kalır. Büzülme başladıktan sonra yalnız bu bölgede


                                    Fotoğraf 1. Üniversal test aleti

ek uzamalar oluşur, kesit gittikçe daralır, diğer bölgelerde ise uzama olmaz. Büzülen bölgedeki uzamaları oluşturmak için daha az kuvvet gerektiğinden ibre düşmeye başlar ve parça koparak ikiye bölünür. Uygulanan yükün değeri kesit alanına bölünerek gerilme, boy değişiminin değeri de ilk boya bölünerek şekil değiştirme oranı hesaplanır ve gerilme-şekil değiştirme diyagramı çizilir. Yapılan deneyde elde edilen sonuçlar Tablo 2’de görülmektedir (Onaran, K., 1958). Bu tablodan faydalanılarak deneyde kullanılan çeliğin mekanik özeliklerini yani akma, çekme ve kopma dayanımlarını, elastisite modülünü, toplam şekil değiştirmesi bulunabilir. Bulunan bu değerler TS 138’le karşılaştırılır ve çeliğin standartlara uygun olup olmadığı anlaşılır.

Şekil 1’de yapılan çekme deneyinde ilk numuneden elde edilen verilerle gerilme-şekil değiştirme diyagramı çizilmiştir. Şekilde görüldüğü gibi düşük gerilme altında orantılılık sınırına kadar eğri doğru şeklindedir. Buradaki davranış lineer ve elastiktir. Ayrıca Hooke yasasınada uyar. Eğim elastisite modülü verir. kma sınırında ise şekil değiştirmeler artık geri dönmez. Plastik şekil değiştirme başlamıştır. Kuvvet en yüksek noktaya kadar numune boyutları sabittir. En büyük noktadan sonra büzülme başlar ve daralan kesitten numune kopar. Eğrinin altındaki alan tokluğu verir (Onaran, K., 1995).



3.    DENEY SONUÇLARININ DEĞERLENDİRİLMESİ

Deney sonucunda numunelerin akma sınırları beton çeliği standardına göre verilen en büyük akma sınırı için 570, en küçük akma sınırı için 420 MPa değerinden çok daha küçüktür. Yapı çeliği standardında verilen  255 MPa değerini 16 mm ve daha küçük çaplı numuneler aşmışken daha büyük çaplı numuneler bu değerden küçüktür. Şekil 2’ dede görüldüğü gibi akma sınırları çap küçüldükçe artmakta, yani daha zor akmaktadır. Küçük çaplı numuneler birim alanda büyük çaplı numunelere göre daha büyük kuvvetlerde elastik


                Şekil 2. Numune çapı-dayanım grafiği

davranış göstermektedir. Çekme dayanımları farklı çaplarda küçük sapmalarla aynı değerler elde edilmiş ve standartlarda verilen 500 MPa değerinden daha yüksek değerler elde edilmiştir.

Kopma birim şekil değiştirmeleri ise standartlarda verilen % 12 değerinden daha büyük kopma uzama değerleri elde edilmiştir(Şekil 3).          



               Şekil 3. Numune çapı-toplam şekil değiştirme grafiği

5.     SONUÇ

St42 (1020) standartlarında olan çelik çubuklar standart sınırları ile karşılaştırılmıştır. Standartlara göre en az 420 MPa  çekme gerilmesine sahip  olması gerekmektedir. Elde ettiğimiz sonuçlarda bu sınırın altına düşen numune olmadığı görülmüştür. Bazı numunelerin ise çok yüksek dayanımlara sahip olduklarını görmekteyiz. Bu numunelerin sünekliklerininde düşük oldukları göze çarpmaktadır. Bu değerler bize malzemelerin homojen bir dayanıma sahip olmadıklarını, bir kısmına daha önceden veya üretim sırasında dayanım arttırıcı işlemler uygulanmış olabileceğini göstermektedir. Genel olarak malzemelerin dayanımlarının kabul edilen sınırların üzerinde olduğu, yüksek dayanımlarına karşılık olarak da  bir kısmının gevrekliğinin yüksek olduğu belirlenmiştir.



KAYNAKLAR

       AKMAN, S., (1992), Deniz Yapılarında Beton Teknolojisi, İTÜ Gemi İnşaatı ve Deniz  Bilimleri Fakültesi Ofset Atölyesi, İstanbul.

   ÇETMELİ., E., (1981), Alman Betonarme Şartnamesi, Matbaa Teknisyenleri Basımevi, İstanbul, ss. 45-65.

       ONARAN, K., (1995),  Malzeme Bilimi, Bilim Teknik Yayınevi,  İstanbul.

ONARAN, K., (1958), Testing of the Mechanical Properties of Construction Steel, Bulletin of the Technical University of  İstanbul, Vol. 11, No.1, ss. 29-44.

       KOCATAŞKIN, F., (1995), Yapı Malzemesi Bilimi, Özelikler ve Deneyler, Arpaz Matbaacılık, İstanbul.

KOCATAŞKIN, F., (1968), Yapı Malzemesi Bilimi,  Deney  Metodları,  Arı Kitabevi Matbaası, İstanbul.

TS 138/Mart 1978, Çekme Deneyleri (Metalik Malzeme İçin), Türk Standartları Enstitüsü, Ankara.

TS 708/Ekim 1985, Beton Çelik Çubukları, Türk Standartları Enstitüsü, Ankara.

TS 2162/Şubat 1977, Genel Yapı Çelikleri, Türk Standartları Enstitüsü, Ankara.

YAMAN, M., (1979), DIN Normuna Göre Demir ve Çelik Tanıtma İşaretleri Özellikleri ve Sınıflandırılmaları, Eskişehir Devlet Mühendislik ve Mimarlık Akademisi, Sayı 3, ss. 145-155.

Yapı Malzemeleri El Kitabı , (1997), İnşaat Müh. Odası Ankara Şubesi, Arman Matbaacılık, Ankara.




10th Engineering Symposium
Civil Engineering ’99
2-3 June 1999, Süleyman Demirel Üniversiy, ISPARTA

TENSILE TEST OF STRUCTURAL STEELS

ABSTRACT

An investigation has been carried out at the Materials Laboratory of the Osmangazi University in order to determine the mechanical properties of steel products manufactured by Karabük Demir Çelik Factory. Mechanical properties of structural steel, used in reinforced concrete will be determined by tensile test. Tensile test usually used for circular or rectangular cross-sectional bars at Universal Test Machine. Steel specimens yield and tensile strengths were found with this test. Then knowledge has obtained about specimens mechanic behavior of structural bars from strength-strain relations examine. 20 unit 7 different diameter concrete steels which is prepared just as standard presents, produced at Karabük Demir Çelik Factory, used at Eskişehir region, taken different times are used in this test. Nervure on steel bar specimens effect care out. Maximum and minimum yield strength, tensile strength and maximum elongation calculated which are results of tensile test. Result compare with standard and discussions.  

Navigasyon

[0] Mesajlar

Tam sürüme git