Tekne konstrüksiyonunda kullanılabilecek ferrosement yapının mekanik davranışı ve en uygun malzeme bileşenlerinin belirlenmesi

Abstract

ÖZET Ferrosement, son yıllarda tüm Dünya'da gittikçe yay gınlaşan; sertleşmiş beton ile onu takviye eden çelik tel ve çubukların oluşturduğu bir yapı malzemesidir. Konstrüksiyon kolaylığı ve maliyetinin düşük olması; özellikle küçük tekne lerin yapımı için malzemeyi çekici hale getirmektedir. Bu çalışmada; altıgen tel ağ ile pekiştirilmiş ferro- Sementin geometrik ve mekanik özellikleri kuramsal ve deney sel olarak incelenmiş ve gemi yapımında nasıl daha efektif olarak kullanılabileceği araştırılmıştır. Çalışma beş bölümden oluşmaktadır. Birinci bölümde, ferrosement genel olarak tanıtılmakta ve gemi inşaatına uygun olan ve olmayan özellikleri belirtil mektedir. Daha sonra malzemenin mekanik özellikleri üzerinde bugüne kadar yapılan çalışmalar özetlenerek eksik yönleri tar tışılmaktadır. Harç bileşiminin etkisini de göz önüne alarak deniz koşullarına ve tekne, yapımına uygun bir malzeme oluş turmaya yönelik çalışmalar ıu^gok az ve yetersiz olduğu sapta narak, araştırmanın bu yönde geliştirilmesi amaçlanmıştır. İkinci bölümde, ferrosement tekne yapımında kullanılan, çelik boru, çubuk ve tel ağların geometrisi incelenmiştir. Boru ve çubuklar tekneye gerekli form ve rijidliği vermek amacıyla kullanılmaktadır. Bunun dışında mukavemete katkıları çok azdır. Dolayısıyla kompoziti temsil eden birim hücre sa dece sertleşmiş beton ve altıgen tel ağ göze alınarak oluştu rulmuştur. Bezukladov 14 ve Shahl'm tel ağların pekiştir me özellikleri için verdiği tanımlar altıgen tel ağ ile pe kiştirilmiş ferrosemet kompozitine uygulanmış ye birim hücre için özgül yüzey 2. 3 ; pekiştirme oranı 2.12 ve çelik içeriği 2.17 nolu denklemler ile verilmiştir. Daha sonra çelik çubuk ve boruların' etkisini de görebilmek amacıyla en genel ferro sement yapı tipi olan D-tipi yapı için bu tanımlar genelleş tirilmiştir. Özgül yüzey için 2.21, pekiştirme oranı için 2.26 ve çelik içeriği için 2.29 denklemleri elde edilmiştir. Ayrıca teller arasındaki ortalama mesafe ve ortalama» tel sa yısı için 2.32 ve 2.23 ifadeleri geliştirilmiştir. Üçüncü bölümde, kompoziti oluşturan çelik teller vebeton matris için ger ilme-bir im uzama denklemleri 3.3 ve 3.4 denklemleri ile verilmiştir. Sertleşmiş beton ve onu pekiştiren tek bir çelik teli ayrı ayrı homojen, izotrop ve lineer elastik kabul ederek or- totropik malzemenin Ex, E`, Vxy, VyX ve Gxv elastik sabitleri karışım kuralları ile yazılmıştır. Kuvvet etkime yönü ile lif doğrultuları farklı olduğundan kuvvet etkime doğrultusundaki malzeme sabitleri tansörel dönüşümle bulunmuştur. Neticede bi rim hücrenin iki bileşeni seçilen yükleme durumu için seri bağ lı kabul edilerek altıgen kümes teli ile pekiştirilmiş ferro- sementin sabitleri hesaplanmıştır. Çalışmanın dördüncü bölümü, deneysel araştırmaya ay rılmıştır. Ferrosement tekne kaplaması için en kritik geril melerin çekme gerilmeleri olduğu düşünülerek, kesiti (7 cm x 2 cm) olan özel numuneler üzerinde uniform çekme deneyleri yapılmıştır. Deneylerde kullanılan çimento, agrega, tel ağ gibi malzeme bileşenlerinin hangi kriterlere göre seçildiği açık lanmış, fiziksel, kimyasal ve mekanik özellikleri diagram ve tablolarla verilmiştir. Beton karışımı hesabının nasıl yapıldığı bölüm 4.3'de açıklandıktan sonra hazırlanan çekme numunesi kalıplarını kullanarak ön deneyler yapılmış ve ferrosement harçları için (w/c) su-çimento oranına ve (c) çimento dozajına bağlı olarak hava boşluğu oranları verilmiştir. Deneyler için agrega granülometr isi sabit kalmak üzere su/çimento oranları 0,35-0,40-0,45; çimento dozajları 450 kg/m3-600 kg/m3-750 kg/m3 ve tel ağ katları 0-4-8-12-16 de ğerlerini alan 45 tip numune hazırlanmıştır. Deney sonuçla rında olası sapmaları düşünerek her tipten 5'er adet olmak üzere toplam 225 numune üretilmiştir. Üretim için tasarımı yazar tarafından yapılan özel kalıplar kullanılmıştır. Numu neler 1 gün kalıp içinde, 6 gün su içinde bırakılmış, döküm den 28 gün sonra çekme deneyine tabi tutulmuşlardır. Çekme deneyleri 20 tonluk universal çekme makinesinde yapılmıştır. Boy yönündeki uzamalar, özel olarak tasarlanan bir boyuna deformasyon çerçevesi, en yönündeki kısalmalar ise bir enine deformasyon çerçevesi kullanarak endüktif transdu- cerler yardımı ile elektronik olarak ölçülmüştür. Neticede herbir numune için ger ilme-boyuna şekil değiştirme diagramla- rı çizilmiş, ilk çatlama ve göçme gerilimleri saptanmıştır. Ferrosement kompozitinin sürekli fazını oluşturan sert leşmiş betonun mekanik özelliklerini saptamak amacıyla ayrıca 010x20 cm'lik silindirler üretilmiş ve standart basınç ve si lindir yarma deneyleri yapılmıştır.Beşinci bölüm elde edilen sonuçların değerlendirilme-^ sine ayrılmıştır. Ferrosement harçlarının klasik beton harç larından farklı olması nedeniyle yoğurma suyu miktarının çök- me ve VeBe değerlerine etkisi, koaıpozit birim ağırlığı, hava boşluk oranının tel miktarı ile değişimi, su emme, basınç mu kavemetinin çimento dozajı ye w/c oranı ile değişimi gibi normal betonlarda çok incelenmiş konular yeniden değerlendi rilmiştir. Aynı şekilde ferrosement harçları için basınç mukave meti ile silindir yarma deneyinden bulunan çekme mukavemeti arasındaki ilişki, yoğurma suyu miktarının basınç elastiklik modülüne etkisi, basınç mukavemeti ile elastiklik modülü ara sındaki ilişkiler araştırılarak diagramlarla ve analitik ifa delerle verilmiştir. - Bölüm 3* de ferrosement kompozitinin elastik sabitleri nin hesabı için verilen yöntem; deneysel sonuçlarla karşılaş- tırılmıştır. Kompozitin boyuna ve enine elastiklik modülleri pekiştirme oranı ile lineer olarak artmaktadır. Ancak tel yüz desi çok küçük değerlerde kaldığından bu artış önemli boyutla ra ulaşamamaktadır. Benzer ilişki Poisson oranları ve kayma modülünde de gözlenmektedir. Geliştirilen teorinin deneysel sonuçlar ile yeterli uyum içinde olduğu gözlenmiştir. İlk çatlama gerilmesi de pekiştirme oranı ile doğrusal olarak artmaktadır. Ayrıca beton fazının etkisi ile ilk çat lama gerilimi su/çimento oranı ve çimento dozajı ile de ilgi lidir. Maksimum ilk çatlama gerilmesine ulaşmak için pekiş tirme oranını yükseltirken çimento dozajını bir ölçüde düşür mek gerektiği bulunmuştur. Ayrıca pekiştirme oranı arttıkça ilk çatlama anındaki boyuna uzama ve enine kısalmaların da doğrusal olarak arttığı görülmüştür. İlk çatlağın oluşmasından sonra çatlak gelişme bölge sine girilmektedir. Bu bölgede de; çatlamalar sırasında olu şan çok küçük gerilme düşüşleri dışında gerilme ve birim uza maların orantılı olarak arttığı gözlenmiştir. Dolayısı ile literatüre uygun olarak 27 çatlaklı bölge için de deformas- yon modülü, Poisson oranı ve kayma modülü ölçülmüştür. Bu de ğerlerin pekiştirme oranı arttıkça azaldıkları görülmüştür. Gerilmenin belli bir maksimum değerinden itibaren çat lak oluşumu durmakta, uzamalar büyük değerlere çıkmakta, di ğer bir deyişle inelastik akma bölgesine girilmektedir. Bu bölgede ancak maksimum gerilme (ömax) ve kopma anındaki (ölçü b&lgesinde kalmıyorsa) maksimum boyuna uzamalar (eı max) ve maksimum enine kısalmalar (£2 max) ölçülebilmektedir. CJmax £./ ^y ve £2 max değerlerinin pekiştirme oranına bağlı olarak arttı ğı, ayrıca aie/amax, ei/ei max. £2/^2 max oranlarının in celenmesi ile pekiştirme oranı arttıkça nihai değerler ile ilkçatlama arasındaki farkın büyüdüğü saptanmıştır. Elde edilen sonuçlara göre ilk çatlama gerilimi en yüksek ancak hafiflik, ekonomiklik ve işleme kolaylığı bakı mından en uygun ferrocement yapı bileşenleri; tel ağ sayısı : n = 16 pekiştirme oranı : Vç = 0.035 çimento dozajı : c = 570 kg/m^ - 600 kg/m^ su/çimento oranı : u/c = 0.45 olarak belirlenmiştir. Son olarak tüm çalışmanın önemli sonuçları tekrar özet lenmiş ve bunlarla ilgili olarak yazarın Ferrosement tekne ya pımı ile ilgili önerileri sunulmuştur.

DIE BESTIMMUNG DER DPTIMALEN MATERI ALZUSAMMENSETZUNG UI/ID DAS MECHAIMISCHE VERHALTEN DES FUR DEN BQDTSBAU GEEIGNETEN FERROCEMENTS Ferrocement ist ein neuer Verbundwerks tof f aus Zement- mörtel als Matrix und einer Bewehrung aus Maschendraht und Stabstâhlen. In den letzten Jahren wurde er als Boot smater ial in der ganzen Welt verbreitet, weil er fiir die einfache und billige Konstruktion von Jachten, Fischereif ahrzeugen und Motorboote geeignet ist. In der vorliegenden Arbeit wurde die Geometrie und die mechanischen Eigenschaf ten des mit sechseckiggewobenem Maschen draht bewehrten Ferrocement s auf Theorie und Ver suchsbasis untersucht. Es wurde das Ziel eingesetzt, die Zusammensetzung und die Struktur des Werkstoffs so zu entwerfen, dass.es bes- sere Eigenschaf ten im Hinblick auf die Boot skons truktion ge- winnt. Die Thesis besteht auf fiinf Kapiteln. Im ersten Kapitel wurde Ferrocement allgemein inter- prâtiert und seine Vor-und Nachteile im Bootsbau diskutiert. Nachher wurde eine Literaturunter suchung über die mechanischen Eigenschaf ten des Materials durchgenommen, wodurch es sich nötig erwiess,eine fiir die dynamischen Seeverhâl tnisse geeig- nete Zusammensetzung und Struktur des Materials neu aufzubauen. Im zweiten Kapitel wurde die Geometrie der Anordnung def Bewehrungsmater ialien, untersucht. Da die Stahlröhre und die Stabstâhle ausser Formgebung keinen wichtigen Beitrag auf die Festigkeit des Verbundwerkstof f s haben, wurden sie in der Beschreibung der Einheit szel le nicht beriicksicht igt. Durch eine theoretische Untersuchung wurden fiir die Einheit szelle die Formeln `der spezifischen Oberflache` GI.2.3 `des Beweh- rungsgrades GI.2.12` und `der Stahlinhalt` GI.2.17, hergeleitet Dann wurden diese Beziehungen fiir die allgemeinste `Typ D` Struktur des Ferrocements ver algemeiner t, wodurch auch die Stahlröhre und Stabstöhle beriicksicht igt wurden. Ausserdem wurde `der mittlere Abstand der Drahte` mit GI.-2.23 und `die mittlere Anzahl der Drahte` mit GI;2£.-33 definiert uad formül iert.im dritten Kapitel wurde das Zugspannungs-Verlângerungs Verhalten der StahldrMhte und des Betonmatrix angegeben (GI. 3.3 und GI.3.4). Nachher wurde ein mit einein geraden Draht bewehrter Betonmatrix als ein Modeli für den Verbundwerkstoff vorgenom- meo. Die beiden Komponente wurden homogen isotropisch und linear elastisch angenommen. So wurden die elastischen Konstanten des orthotropischen Materials (Ex, Ey, Vxy, vyx und Gxy) mit Hilfe der Mischungsgesetze (`rules of mixtures`) bestimmt. Da die Spannungs-und die Bewehrungsrichtungen unterschiedlich sind, wurden die in der Spannungsrichtung gültigen Konstanten durch eine geeignete Drehung berechnet. Naehdem für jedes der zwei Teile der Einheit szelle, die Konstanten in Spannungsrichtung bestimmt wurden, wurden diese in Serienschaltung miteinander vereinigt. Im vierten Kapitel wurde das Versuchssystem und seine Durchf ührung beschrieben. Da für ein ferrocement Boat die Zugspannungen kritisch sind, wurden Probestücke mit rechtecki- gen Querschnitt (7 cm x 2 cm) hergestellt und diese mit homo- genem Zugspannungsf eld belastet. Die Kriterien für die Wahl der Ver suchsmaterialien wie Zement, Sand und Maschendraht wurden erlâutert und ihre pyhsikalischen, chemischen und mechanischen Eigenschaf ten in Tabellen angegeben. Im Kapitel 4.3 wurde die Rechnung für die Betonzusam- mensetzung erklârt. Nach dieser Zusammensetzung wurden Probe- körper gegossen und die Vorversuche für die Bestimmung der Luftinhalte durchgef ührt. Bei der Herstellung der Probekörper wurden für Wasser/ Zement. Verhâltnisse die Werte 0.35-0.40 und 0.45 für Zement- inhalte 450 kg/m^-600 kg/m^ und 750 kg/m^ und für die Anzahl der Maschendrahtlagen die Werte 0-4-8-12 und 16 genommen. So wurden 45 Probekörper mit verschiedener Zusammensetzung aber mit Rİeicher kornver teilung produziert. Gegen die mögliche Streung den Messwerte wurden von j eder Zusammensetzung 5 gleiche Stücke hergestellt. In der Produktion wurden vom Author entworfene Formen verwendet. Die Propekörper wurden ein Tag in den Formen, sechs Tage im Wasser a-uf b'ewahr-t''Ao-nd nach 28 Tagen mit der 20 Tonnen Zugmaschine gezogen. Die VerlMngerungen in der Langs- richtung und die Verkürzungen in der Querrichtung wurden mit den original entworf enen AluH^e-tormat ionsrahmen mittels induktiver Transducer elektronisch gemessen. Für jedes Probestück wurden die Spannung-Verlangerung Diagramme auf- gezeichnet; die Spannungen` f-uF'den ` e3r`sten Riss und der Bruch- last bestimmt.Um die me eh an i s eh en Eigenschaf ten des FerrocementmSr tels zu hestimmen, wurden ausserdem Betonzylinder mit den Massen 010 cm x 20 cm produz'iert und Druck und Zersplitterungs- versuche nach T. S. E. (İnstitut für Türkische Normen) dureh- gef ührt. im fünften Kapitel wurden die Versuchsergebnisge disku- tiert. Da die Zusammensetzung des FerrocementmSrtels unter- schiedlich ist, als die des klassischen Betons, wurden gewohn- liche Themen, wie die Zusammensetzung des MSrtels und ihr Einfluss auf die physikalischen und mechanischen Eigenschaf ten des Ferrocements, nochmals untersucht. Ausserdem wurden die Zusammenhânge zwischen den verschiedenen Materialeigenschaf ten und dem Bewehrungsgrad diskutiert. Wenn es möglich war, wurden theoretische Ergebnisse mit den Versuchsergebnissen verglichen. In den meisten Fallen wurde eine hinreichende Darstellung der Messwerte durch die Theorie beobachtet. Die wichtigsten Folgerungen sind am folgenden angege- ben. 1- Der wichtigste Faktör in der Flanung eines Ferro- cement Bootes, urn die nStige Festigkeit zu erreichen, ist der Bewehrungsgrad und die Anordnung des Bewehrungsmaterials. In dieser Hihsicht wurde die Geometrie des mit sechseckigem Maschendraht gewobenen Ferrocements untersucht und die Formeln für die spezifische Oberflâche, den Bewehrungsgrad, den Stahlinhalt im Text angegeben. 2- Die Dichte des FerrocementmSrtels ist ungefâhr 2.2 kg/dm^ und wird von der Zusammentzung des Möttels fast nicht beeinflusst. Aber für die mit Maschendraht bewehrten Probe- korper steigt die Dichte mit dem Bewehrungsgrad linear an. 3- Das Volumen der Hohlraume im Ferrocement nimmt mit dem Bewehrungsgrad zu. 4- Die Wasserauf nahme der Frobekörper ist so klein, dass man sie vernachlassen kann. 5- In der Thesis wurde Ferrocement als ein, mit sechseckig gewobenem Maschendraht bewehrter Verbundwerkstof f angenommen. Die elastischen Konstanten der Einheitszelle wurden mit Hilfe der Mischungsgesetze ausgedriickt, Sie zeigen eine geniigende Annâherung zu den Messwerten. Der Elastizitâtsmodul, die Poisson'sche Konstante und der Gleitmodul wachsen mit dem Bewehrungsgrad linear an. Da die elastischen Konstanten in den orthogonalen Hauptrichtungen fast gleich sind, kann man Ferro cement in praktischen Rechnungen als homogen. isotropisch annehmen. c `.- vııı - 6- Die Zugspannung für den ersten Rİ8S (üj.ç) *-st eine lineare Funktion des Bewehrungsgrades. Sie ist auch abhSngig von, der Matrixf estigkeit, also steigt an mit Zunahme der Zementmenge. Im untersuchten Bereich hat das u/c Verhâltniss keinen wichtigen Einfluss auf a.. 6 iç 7- Die Verlângerungen in der Zugrichtung und Verkür- zungen in der Querrichtung bei dem ersten Riss nehmen mit dem Bewehrungsgrad zu. 8- Der Bereich zwischen dem ersten Riss und dem Fliessen des Materials wird als Rissentwicklungsbereich definiert. Auch für diesen Bereich kann man Materialkonstanten angeben, die diesmal mit dem Bewehrungsgrad abnehmen. 9- Die maximal.e Zugspannung ist auch eine lineare Funktion des Bewehrungsgrades. 10- WShrend die unbewehrten Probekorper keine benennwerte Ver lângerungen zeigen, beobachtet man bei hochbewehrten Probe- körpern ziemlich groSe Verlângerungen. 11- Die Verkiirzungen in der Querrichtung wachsen geradlinig mit dem Bewehrungsgrad. 12- Mit Zunahme des Bewehrungsgrades verkleinert sich das Verhâltnis Oie/amax. Mit anderen Worten; je h5her das Bewehrungsgrad, desto gröSer ist der Unterschied zwischen der maximalen Zugspannung und der Spannung für den ersten Riss. Das Material für den Ferrocementbootsbau soil einen möglichst grogen Wert für die Zugspannung bei dem ersten Riss aufweisen. Ausserdem soil es leicht, ekonomisch und leicht zu verarbeiten sein. Mit diesen Überlegungen wurden die optimalen Parameter der Materialzusammensetzung wie folgt bestimmt. Macschendracht (I<2=3/4` d=0.63 mm): n=16 Lagen Bewehrungsgrad : Vf = 0.035 Zementinhalt : c = 570 kg/m3-600 kg/m3 Was ser/Zement Verhâltnis : w/c=0,45 Als Schlusswort wurden die wichtigsten Erkenntnisse der ganjen Untersuchung zusammengef asst und die Hinweise des Authors für die Zielbewusste Konstruktion eines Ferrocement- bootes angegeben.