1. Bölüm Malzemelerin Genel Özellikleri YAPI MALZEMELERĐ Yrd.Doç.Dr. Orhan ARKOÇ _________________________________________________________________________________________________ 2 Bölüm 1 MALZEMELERĐN GENEL ÖZELLĐKLERĐ 1.1 Giriş Kendi başına kullanılabilen, insanların oturma çalışma, dinlenme, ulaşım ve ibadet etmelerine yarayan, hayvanların ve eşyaların korunmasını sağlayan, karada ve suda daimi ve geçici, yeraltı ve yerüstü inşaatı ile bunların tamirlerini içine alan tesislere yapı denir. Yapıların inşasında kullanılan malzemelere de Yapı Malzemeleri denir. Teknik elamanlar kullandıkları malzemeleri seçerken, belirli standartlara uymak zorundadırlar. Günümüzde malzemelerin bütün özelliklerinin bilinmesi, yapılan işe uygun malzeme seçimi ve kullanımı yapı maliyetlerini azaltmakta, yapı ömrünü arttırarak uzun zaman kullanabilme imkânı sağlamaktadır. Malzeme seçiminde ise Emniyet, Ekonomi ve Estetik gibi unsura dikkat edilmelidir. Bu malzemeler ile inşa edilen yapılar fonksiyonel olmalıdır. 1.2. Yapı Malzemelerinde Kullanılan Ulusal ve Uluslararası bazı Standartların Kısaltmalar ve Anlamları TS : Türk Standartları DIN : Alman Standartları (Deutsche Ing. Norm.) BS : Đngiliz standartları (British Standarts) ISO : Uluslararası Standardizasyon Organizasyonu (International Standarts Organization) ASTM : Amerika Deney ve Malzeme Kurumu (American Society for testing and materials) AASHTO : Amerikan Devlet Karayolları Şartnameleri (American Association of state highway and traffic wardens assoc.) ÖNORM : Avusturya Standartları RĐLEM : Malzemeler ve Yapılar için Deney ve Araştırma Laboratuarları Uluslararası Birliği. 2 YAPI MALZEMELERĐ 3 Yrd.Doç.Dr. Orhan ARKOÇ _________________________________________________________________________________________________ 1.3. Yapı Biliminde Malzemenin Önemi Teknik elemanların amacı, yaptıkları işe en uygun malzemeyi seçmek, seçtikleri malzemeyi standartlara uygun olarak kullanmak, böylece inşa edilen yapılardan faydalanacak olanlara ideal bir ortam hazırlamaktır. Malzeme özellikleri bilinmeden değişik malzemelerin özellikleri karşılaştırılmadan amaca uygun malzemenin seçimi elbette zor olacaktır. Bir yapının maliyeti sadece ilk yapım maliyeti olarak düşünülmemelidir. Çünkü yapı ömrü süresince uygun malzeme kullanılmadığı için yapılan masraflar yapı maliyetine eklenerek maliyeti arttıracaktır. Yapılarda kaliteli malzeme kullanımı yanında kaliteli işçilikte çok önemlidir! Malzemelerin aşağıdaki özelliklerinin bilinmesinde yarar vardır. Teknolojik Özellikler Aşınma Şekil Değiştirme ve Kırılma Çarpma Dayanımı Sertlik Yorulma Sünme Fiziksel Özellikler Birim Ağırlık Özgül Ağırlık Porozite (Boşlık oranı) Kompasite (Doluluk) Su Emme Doyma Derecesi Geçirimlilik Rötre ve Şişme Kapilarite (kılcal Su Emme) Kimyasal Özellikler Kimyasal Bileşimi Çözülme kabiliyeti Paslanmaya Dayanıklılık 3 YAPI MALZEMELERĐ Yrd.Doç.Dr. Orhan ARKOÇ _________________________________________________________________________________________________ 4 Mekanik Özellikler Basınç Dayanımı Çekme Dayanımı Kesme Dayanımı Geometrik Özellikler Tanelerin Biçimi Yüzey durumu (pürüzlülük) Özgül alan Granulometrik bileşim Termik Özellikler (Isıl Özellikler) Akustik Özellikler (Ses absorbsiyonu) Elektriksel Özellikler (Đletkenlik, yalıtkanlık v.b.) 1.4. Yapıda Malzeme Seçimi Kullanım Ömrü ve sağlayacağı konfor düşünülerek, kalitesi aynı olanlardan UCUZ olan tercih edilmelidir. Malzemenin YAKINDAN temin edilmesi, nakliye masraflarını etkileyecek, dolayısı ile toplam maliyeti azaltacaktır. Malzemede aranan özellikler bulunmalı ayrıca, boyut vb. özellikleri STANDARTLARA uygun olmalıdır. Kullanım şekline göre işlenmesi kolay ve ÖZELLĐKLERĐ değiştirilebilir olmalıdır. ĐHTĐYAÇTAN fazla alınan malzeme maliyeti arttırır, az alınan ise işçilik kaybına sebep olur. 1.5. Yapı Malzemelerinin Gruplandırılması Ahşap yapı malzemesi : kereste, kontrplak, sunta Kagir yapı malzemesi : Beton, tuğla, taş, agrega, seramik, kiremit vb. Bağlayıcı-birleştirici yapı mlz.: Alçı, kireç, çimento, tutkal, çivi, kaynak, bulon Metal Yapı mlz. :Çelik, Alüminyum ve alaşımları, bakır, çinko vb. Camlar : Renkli, saydam, yarı saydam camlar. Çeşitli sanayi ve suni mlz. : Plastikler, seramik malzemeler 4 YAPI MALZEMELERĐ 5 Yrd.Doç.Dr. Orhan ARKOÇ _________________________________________________________________________________________________ Bitümlü malzemeler : Asfalt vb. Yalıtkan malz. : Katran, asfalt, keten vb. Boyalar : Yağlı ve plastik boyalar. 1.6. Malzemelerin Fiziksel Özellikleri Birim Ağırlık : Malzemenin boşlukları dahil olmak üzere birim hacim ağırlığıdır. Özgül ağırlık : Malzemenin boşlukları çıkarıldıktan sonra ki birim hacmidir. Porozite : Malzemedeki boşluk oranıdır. Kompasite : Malzemedeki doluluk oranıdır. Su Emme : Malzemenin birim ağırlık veya hacminin emmiş olduğu su yüzdesidir. Doyma Derecesi: Malzemenin boşluklarının hangi oranda su ile dolu olduğunu gösteren değerdir. Geçirimlilik : Basınç altında akışkanların boşluklu malzemelerin içinden geçmesi olağandır.Ayrıca basınç olmaksızın doğal koşullarda kılcal etki ile boşluklu malzemelerde su geçirimliliği oluşabilir.Uygulamada rastlanılan gaz halindeki akışkan su buharı, sıvı haldeki akışkan da su dur. Kapilarite(Kılcal su emme): Çok küçük çaplı boşluklarda suyun yukarı yükselmesine verilen isimdir. 1.7. Akustik Özellikler Ses emilmesi: Đnsanların yaşadıkları yapılarda akustik yönden konfor sağlamak için malzeme ve yapı düzeni ile ilgili iki önemli etken vardır. Bunlardan biri; Sesin yansıması (Yankı) diğeri; Ses Đletimi veya yalıtımıdır. Ses enerjisi çok küçüktür. Desibel (dB) adı verilen birimle ölçülür. Ses dalgası havada ilerlerken bir cisme çarptığında bir kısmı cisim tarafından yansıtılır, bir kısmı ise emilir. Açık havada yansıma yoktur, ses zor duyulur. Kapalı yerlerde ise yansıma fazla olur. Sesler karışarak anlaşılmaz hale gelebilir. Bir kaynaktan çıkan ses duvarlara çarpıp tekrar tekrar yansırsa sesin sönmesi gecikir. Buna yankılanma (reverberasyon) denir. Sesin ilk şiddetinin milyonda birine düşmesi için geçen süreye de reverberasyon süresi denir. Odadaki yüzeylerin emme yeteneği çok yüksek ise bu süre kısa olur, ses çabuk kaybolur ve 5 YAPI MALZEMELERĐ Yrd.Doç.Dr. Orhan ARKOÇ _________________________________________________________________________________________________ 6 duyulması güçleşir. Bu süre yüksek ise sönme gecikir. Yansıyarak uğultu oluşturur, işitme bozulur. Oda duvarlarına ve döşenecek yüzeylere uygun emme sayısına sahip malzemeler kullanılarak bu süre 1-2 sn gibi uygun sınırlara getirilir. Ses Yalıtımı: Ses dalgalarının yansıdıktan sonra geri kalan kısmı malzeme içinden geçerken yutulur ve öbür tarafa zayıf olarak çıkar. Normal konuşma sesi 40 dB olduğuna göre bir duvarın ses yalıtım veya söndürme sayısı en az 40 dB in üzerinde olursa ses arka bölmede duyulmaz. Beton duvarlarda bu 15 cm, dolu tuğlalarda ise en az 20 cm kalınlığa karşılık gelir. Anlatılan sesin yalıtılması ve emilmesi özellikleri havada iletilen ses dalgaları ile ilgilidir. Ayrıca yapıdaki malzemelerde ayak sesi, çarpma ve vurma ile ses oluşursa çok daha hızlı ve etkili yayılır. Bunu önlemek için halı, PVC gibi yumuşak döşeme malzemesi kullanılır. 1.8. Termik Özellikler Cisimler sıcaklık değişimlerinde hacimlerinde değişim olur. Bir cismin sıcaklığının 1 ºC artması ile birim boyunda meydana gelen artmaya genleşme denir özellikle demiryolları raylarında, beton yol ve pistlerde meydana gelir. Bir malzemenin iki tarafında farklı bir sıcaklık varsa sıcaklığın yüksek olduğu taraftan az olan tarafa doğru bir sıcaklık akımı (difüzyon) meydana gelir. Buna ısı iletimi denir. Birim zamanda geçen ısı miktarı ısıl iletkenlik katsayısı ile orantılıdır. 6 YAPI MALZEMELERĐ 7 Yrd.Doç.Dr. Orhan ARKOÇ _________________________________________________________________________________________________ 1.9. Malzemelerin Fiziksel, Mekanik ve Kimyasal Özelliklerinin Belirlenmesi Malzemelerin fiziksel özelliklerinin tespiti için Düzgün şekilli ve düz şekilli olmayan numuneler üzerinde; • birim ağırlık, • su emme, • özgül ağırlık, • ve kılcallık deneyleri yapılır. Ayrıca elde edilen sonuçlara göre porozite, kompozite, ve doyma dereceleri de hesaplanır. Mekanik özelliklerinin tespiti için; • Sertlik Ölçme Malzemeler üzerinde yapılan en genel deney, sertliğinin ölçülmesidir. Bunun başlıca sebebi, deneyin basit oluşu ve diğerlerine oranla numuneyi daha az tahrip etmesidir. Diğer avantajı ise, bir malzemenin sertliği ile diğer mekanik özellikleri arasında paralel bir ilişkinin bulunmasıdır. Örneğin çeliklerde, çekme mukavemeti sertlik ile doğru orantılıdır; dolayısıyla, yapılan basit sertlik ölçmesi neticesinde malzemenin mukavemeti hakkında bir fikir edinmek mümkündür. • Çekme Çekme deneyi malzemelerin mukavemeti hakkında esas dizayn bil¬gilerini saptamak ve malzemelerin özelliklere göre sınıflandırılmasını sağlamak amacı ile geniş çapta kullanılır. Çekme deneyi standartlara gö¬re hazırlanmış deney numunesinin tek eksende, belirli bir hızla ve sabit sıcaklıkta koparılıncaya kadar çekilmesidir. Deney sırasında, standart numuneye devamlı olarak artan bir çekme kuvveti uygulandığında, aynı esnada da numunenin uzaması kaydedilir. • Basma Basma deneyi işlem itibarı ile çekme deneyinin tamamen tersidir. Basma deneyi de çekme deneyi makinelerinde yapılır. Basma kuvvetlerinin uygulandığı malzemeler genellikle basma deneyi ile muayene edilir. Tatbikatta basma kuvvetlerinin uygulandığı yerlerde kullanılan malzemeler genellikle gevrek malzemelerdir. Gri dökme demir, yatak alaşımları gibi metalik ve tuğla, beton gibi metal dışı malzemelerin basma mukavemetleri, çekme mukavemetlerinden çok daha yüksek olduğundan, bu gibi malzemeler basma kuvvetlerinin uygulandığı yerlerde kullanılırlar ve basma deneyi ile muayene edilirler. Basma deneyi ile de malzemelerin mekanik özellikleri tespit edilebilir. Basma deneyi sırasında numunenin kesiti devamlı olarak arttığından, çekme deneyinde görülen «Boyun» teşekkülü problemi yoktur. Basma deneyi bilhassa gevrek ve yarı gevrek malzemelerin sünekliğini ölçmede çok faydalıdır, zira bu malzemelerin sünekliği çekme deneyi ile hassas olarak ölçülemez. Bu malzemelerin çekmede % uzama ve % kesit daralması değerleri hemen hemen sıfırdır. 7 YAPI MALZEMELERĐ Yrd.Doç.Dr. Orhan ARKOÇ _________________________________________________________________________________________________ 8 • Kırılma Tokluğu Malzemelerin gerilme altında iki veya daha fazla parçaya ayrılmasına KIRILMA denir. Kırılmanın karakteri malzemeden malzemeye değişir ve genellikle tatbik edilen gerilmeye, sıcaklığa ve deformasyon hızına bağlıdır. Kırılma başlıca iki safhadan oluşur. Birinci safha «çatlak teşekkülü», ikinci safha ise «çatlağın ilerlemesi»dir. Yani kırılma, karakteri ne olursa olsun çatlak teşekkülü + çatlağın ilerlemesi ile oluşur. Malzemelerin kırılması, çeşitli şekillerde sınıflandırılabilir. Malzemelerin kırılma öncesi durumuna ve kırılmaya sebep olan yükleme şartlarına bağlı olarak kırılma aşağıdaki şekilde sınıflandırılabilir. 1. GEVREK KIRILMA Çok az veya hiçbir plastik deformasyon bırakmadan malzemenin kırılmasına gevrek kırılma denir. Genellikle camlar, seramikler ve bazı metaller gevrek olarak kırılırlar. Birçok hallerde gevrek olarak kırılan malzemelerde, yalnız kırık yüzeyi civarında az miktarda plastik deformasyon meydana gelir. 2. SÜNEK KIRILMA Kırılma öncesi malzemede plastik deformasyon meydana gelirse bu tip karılmaya sünek kırılma denir. Sünek kırılmanın meydana gelebilmesi için cisimde belirli bir miktarda plastik deformasyonunda meydana gelmesi gerekir, çünkü sünek kırılmayı oluşturmak için plastik deformasyon gereklidir. Bu sebeple de sünek kırılmayı meydana getirmek için uygulanan gerilmenin, malzemede plastik deformasyonu sağlayacak seviyede olması gerekir. 3. SÜRÜNME KIRILMASI Yüksek sıcaklıklarda, sabit gerilme veya sabit yük altında malzemelerin sürünme deformasyonu sonucunda kırılmasına, sürünme kırılması denir. Makroskopik açıdan bakıldığında, sürünme kırılması "malzemede plastik deformasyon sonucunda oluşur, bu sebeple sünek kırılmaya benzer. Mikroskopik açıdan ise, sürünme kırılması, düşük sıcaklıklarda meydana gelen sünek kırılmadan farklıdır. 4. YORULMA KIRILMASI Malzemelerin elastik limit veya çekme dayanımı altındaki alternatif yükler altında kaldıklarında zamanla kırılma gösterirler, bu olaya yorulma kırılması adı verilir. Yorulma kırılmaları genel olarak plastik deformasyon meydana gelmeden de olabilir. Bazen yorulma kırılmaları sünek kırılmalara benzerse de yorulma kırılmasında çatlak ilerlemesi sünek kırılmadan farklı olup, çatlak her bir yükleme periyodunda ancak belirli bir miktar ilerler. Kimyasal özelliklerin tespiti için her malzemeye ait onlarca deney vardır. Ders konuları içinde değinilecektir 8