Sekil 6

Share This:

Yatay Taşıyıcı Ahşap Elemanların Çelik Bazlı Çubuklarla Eğilme Momentine Karşı Performansının Arttırılması

Yrd. Doç. Dr. Fatih ALEMDAR, falemdar@yildiz.edu.tr
Özgün Furkan SARAL ozgunfsaral@gmail.com

Özet

Bin-yıllardır yapı inşasında ana taşıyıcı olarak kullanılmış olan ahşap malzemesinin karakteristik özellikleri, bölgeden bölgeye ve zamandan zamana, hem inşaa sistemi hem de işleniş yöntemi doğrultularında farklılık göstermiştir. Günümüzde kullanılan inşaa sistemleri genel itibarı ile yığma ahşap yapılar, panel (konvansiyonel) ahşap yapılar ve masif ahşap yapılardır. Bu çalışma doğrultusunda taşıyıcı sistem farkı gözetilmemektedir çünkü çalışma kapsamında ahşap yapıların döşemelerinin yardımcı taşıyıcı elemanları olan tali kirişler benzeri elemanların (taşıyıcı sistemi panel olan ahşap yapıların yatay taşıyıcıları vb.) çelik bazlı farklı malzemeler ile basit eğilme etkisi aştında performansının artırılması 4 nokalı eğilme deneyi altında irdelenecek ve 3boyutlu analitik sonlu elemanlar yöntemi ile modellemesi de yapılıp sonuçlar ayrıca karşılaştırılacaktır.

Anahtar kelimeler: Eğilme momenti, performans, ahşap-arme, donatılı ahşap.

Horizontal Carrier Wooden Elements Steel Based Bars Against Bending Comment Increasing Performance

Abstract

Timber has been used as a main structural material since for ages. Characteristic properties and specifications of timber material depends on; time period, climate and region which grew in; how it is used and also differences in processing methods. In the last century, building systems which made of timber material, generally have three types, which are; log, panel (conventional) and massive timber constructions. In this study, type of construction has not been taken into consideration, because the aim of this research is improving the performance of secondary beams in timber slabs(also horizontal support beams of panel timber constructions). The scope of this study’s examination is about the performance increment of timber test specimens which reinforced by bonded-in steel based diverse bar shaped elements. The study proceeds by comparing 4 point loading test results with the results obtained via 3D analytical models.

Key words: Bending moment, Performance, Reinforced- timber, bonded-in rebar timber.

1. Giriş

Tutkallı ahşap malzeme Otto – Hetzer metoduyla 1900 – 1904 seneleri arasında Almanya’da ilk olarak üretilmiş ve buradan dünyanın dört bir yanına dağılmıştır. Doç. Y. Müh. Niyazi (1964) kitabında bu dönemden “ahşap mühendisliğinin başladığı dönem” olarak söz edilmektedir. Dönemin bu yeni metoduyla ahşap sarfiyatı azalmaktadır. Bu da küçük parçalı ağaçların birleştirilerek çok büyük yekpare bir ahşap elemana dönüşmesiyle gerçekleşmiştir. Bu yeni metot doğrultusunda hem büyük açıklıklar geçilebilmekte, hem de taşıma kapasitesi artırılabilmektedir. Bu yöntem yaygınlaştıkça laminasyon işlemi adını almıştır.

Üretilen bu ahşap taşıyıcıların, kullanılan yapıştırıcılar ile ve birbirleriyle etkileşiminin artırılması için çeşitli yöntemler denenmiştir. Günümüzde en çok kullanılan yöntem ise parmak birleşim yöntemidir. Bu yöntem lifleri birbirlerine paralel doğrultuda iki ahşabın uç uca eklenebilmesi için geliştirilmiştir. Yapıştırıcıların priz süresi bu işlem esnasında çok önemlidir. Eğer laminasyon işlemi fabrikasyon üretim ile tamamlanıyorsa hızlı pr iz alan yapıştırıcıların tercih edilmesi önemlidir fakat el ile laminasyon yapılıyorsa pota süresi uzun yapıştırıcılar bu üretim yöntemi için daha elverişlidir.

Bu çalışma kapsamında Avrupa Standartları (EN 14080 – 2005) kapsamında Gl24h tipi büyük (240 – 120 mm) lamine ahşaplar tedarik edilmiş ve lif yönleri göz önünde bulundurularak dört eşit parçaya bölünmüştür. Bölünen ahşaplar ise farklı deney numuneleri üretmek üzere farklı yüksekliklerden lif yönlerine paralel olarak, ahşap numunenin uzun doğrultusunda kesilip, iki parçaya da aralarına donatının geçirilebileceği birer yarım silindir kanal açılıp, Sikadur 330 laminasyon tutkalı uygulanarak, farklı yüksekliklerden kesilip aralarına donatı yerleştirilen ahşaplar tekrar lamine edilmiştir.

2. Numuneler

2.1. Ahşap

Deneylerde kullanılacak ahşap, karakteristik özelliklerinin deney için yeterli gelebiliyor olması ve erişilebilirliği sebebiyle Gl24h sınıfı lamine ahşap olarak tercih edilmiştir. Deneylerde sertifikalı lamine bir ahşabın kullanılmasının sebebi hem daha kontrollü bir numune geliştirebilmek hem de ahşap içindeki nem oranlarının farklı olmamasını sağlamaktır. Çünkü yapılan çalışmalar sonucunda, numuneler içerisindeki nem oranlarının hem tutkal performansında hem de ahşap performansında önemli bir rol oynadığı görülmüştür. Broughton, J. Vd (2000) çalışmasında, sert ahşapların nem oranı farkları altındaki davranışları incelenmiştir. Aşağıdaki şema bu çalışmaya aittir. Bu çalışma neticesinde koparma deneyi yapılırken uygulanan kuvvetin, nem oranının artmasıyla beraber düştüğü gözlemlenmektedir.

Malzemede yoğunluk artıkça eğilme dayanımı artar. Eğilme dayanımı % 3-5 nem derecelerinde en yüksektir. Bundan sonra lif doygunluğu, nem derecesine kadar su miktarının artması ile azalmaktadır. Avlar, E(2004).

2.2. Güçlendirme Malzemeleri

2.2.1. Donatı

Geleneksel betonarme inşaatlarda kullanılan, nervürlü inşaat demiri seçimi yapılmıştır. Ahşap yapıları, ahşap-arme bir yaklaşımla irdeleyen bu çalışma içerisinde hem erişilebilirliği hem de kolay işlenebilir olması sebebiyle bu malzeme tercih edilmiştir. Bu çalışma sonrasında yapılacak ahşap-arme çalışmalarında, bu çalışmanın donatı ile yapılan numunelerinin sonuçları baz olarak alınacaktır. Donatı için de çap 8 mm olarak alınmıştır.

Bahsi geçen inşaat çeliğinin çelik çekme deneyi sonuçları aşağıda verilmiştir.

Tablo 1

Tablo 1. Donatı Çekme Deney Grafiği

2.2.2. Tij

Tij (tie rod), çoğunlukla farklı türdeki yapıları birbirlerine ankre adilmesi amacıyla kullanılan yüksek mukavemetli çelik çubuklardır. Bu malzemenin seçilmesinin temel sebeplerinden biri sahip olduğu dişli yapısı sebebiyle tutkalla aderansının nervürlü inşaat çeliğine nazaran daha yüksek olacağı öngörüsüdür.

Numunelerin üretildiği Gl24 h dayanım sınıflı ahşabın kesme mukavemeti ve eğilme dayanımı için yapılan hesaplar(yapılan hesaplarda tarafsız eksenin tam olarak ortadan geçtiği kabul edilmiştir.) sonrasında kullanılacak tij çapı 8 mm olarak belirlenmiştir. Bahsi geçen malzemenin kodu M8’dir. Çelik çekme deneylerinde saptadığımız değerler aşağıdaki grafikte gösterilmektedir.

Tablo 2

Tablo 2. Tij Çekme Deneyi Grafiği

2.3. Sikadur 330

Bu malzeme hem daha önce benzeri çalışmalarda kullanılması hasebiyle hem de laminasyon için üretilmesi sebebiyle çalışmalarımızda önemli bir yere sahiptir.

Tutkal seçimi yapılırken, üretilen düğüm noktalarına, tutkal ve yapıştırılacak malzeme özelliklerine, üretim tekniğine, delik çapına varana kadar irdelenmelidir. Tluschowicz,G. (2011).

Sikadur -330 iki bileşenli, solventsiz, tiksotropik özellikli epoksi esaslı doyurma reçinesi ve yapıştırıcıdır. (Sikadur 330 Product Data Sheet)  İki bileşenli olması ve uygulamasının kolay oluşu da bu malzemeyi bu çalışma için uygun kılmaktadır. Ürün kataloğundan elde edilen malzeme bilgileri aşağıdaki gibidir.

Tablo 3

Tablo 3. Sikadur 330 Malzeme Özellikleri

3. Numune Üretimi ve Deney Düzeneği

Numune üretimi öncesinde numunelerin boyutlarının ve kullanılacak malzeme miktarının belirlenebilmesi için, yapıştırıcı ile lamine edilmiş ahşapların deney yöntemleri üzerine yazılmış olan Avrupa standardı ve çeşitli makaleler incelenmiştir. Yapılan araştırmalar doğrultusunda “ISO 8375-2009 Edition 2” de numune boyu, yapılacak olan deneyin çeşidi de göz önünde bulundurularak belirlenmiştir. Aşağıda numune boyunun belirlenmesine ilişkin şema görülmektedir.

Sekil 1

Şekil 1. Ahşap Numunesi Boy Tayin Şeması

Tutkal kalınlığına karar verilmesi hususunda ise Steiger vd (2015) ‘de yayınladığı kümülatif makalesinden destek alınmıştır. Makale kapsamında yapılan araştırmalar ve elde edilen veriler neticesinde aşağıdaki tutkal kalınlığı ve koparma deneyinde uygulanan kuvvetlerin, tutkal kalınlığıyla oranını gösteren bir tablo oluşturulmuştur.

Bu tablonun ışığında tutkal kalınlığının artmasının koparma (pull-out) deneyleri neticesinde sağladığı katkının artışının, parabolik olarak azaldığı görülmektedir. Dolayısıyla, ahşap dayanımı, donatı kalitesi-çapı göz önünde bulundurularak; tutkal kalınlığının 1,2 mm olmasında karar kılınmıştır.

Ahşap numunelerin en kesit boyutlarına karar verilirken, zayıf bir tali kirişin basit eğilme etkisi altında mukavemetinin artırılması üzerine çalışıldığı da göz önüne alınmıştır. Numune boyutları 240*120 mm boyutundaki yekpare numunenin – numune kesitinde donatının akabilmesi için azami boyutlardan faydalanmak üzere – 4 eşit parçaya bölünmesi ile 118,5 x 58,5 mm olarak belirlenmiştir.

Numunelerin hangi lif doğrultusunda güçlendirileceği, Ünal, Ö. (2000). yayını baz alınarak belirlenmiştir. Bahsi geçen yayında, bu kararın verilmesine sebep olan ibare “Ahşabın liflere paralel yönündeki özellikleri ile farklı etkilere karşı dayanımları, liflere dik yöndeki dayanımlarından daha yüksektir”dir.

Numune uzunluğu 2m olarak belirlenmiştir. Kirişin eğilme etkisi altındaki davranışı 4 noktalı eğilme deneyi ile belirlenecektir. Numunelerin üretim şekli ise boyutlarından ötürü çeşitli yüksekliklerden en kesite dik olarak bölünüp, kanal açılıp, bu kanala çeşitli malzemeler yerleştirilerek performans artışı sağlanmaya çalışılacaktır. Bu yöntem haricinde, benzeri sonuçlar alınabilecek başka yöntemler de bulunmaktadır. Örneğin kesitler delerek açılıp tutkal homojen biçimde bu deliğe doldurulup, güçlendirici kesit bu deliklere yerleştirilir ve tutkal taşırılarak içeride boşluk kalmaması sağlanabilir.

Deney düzeneği; iki basit mesnet ve iki yükleme noktasından oluşmaktadır. Belirlenmiş en kesitin yüksekliği doğrultusunda mesnet açıklığı 180 cm olarak belirlenmiş, yükleme aralığı ise 60 cm olarak belirlenip kenarlara eşit uzaklıkta yerleştirilmişlerdir.
Sekil 2

Şekil 2. Deney Düzeneği (Fikstür ve Makinesi) ve Numune (Çaprazdan)

Sekil 3

Şekil 3. Deney Düzeneği (Fikstür ve Makinesi) ve Numune (Yandan)

Numuneler 3 temel sınıfa ayrılmıştır. Donatılmamış numuneler, nervürlü çelik ile donatılmış numuneler ve çelik tij ile donatılmış numuneler. Donatılmamış numunelerin her birinden ikişer adet üretilmiştir. Performansının artırılmamış numuneler de kendi aralarında üç gruba ayrılmaktadır,

Bunlar:

İşlemsiz Numuneler (REF)

Ortadan Kesilip Tekrar Lamine Edilmiş Numuneler (REF MID)

Alt Çeyrekten Kesilip Tekrar Lamine Edilmiş Numuneler (REF LOW)

Nervürlü çelik ile donatılmış numunelerin her birinden dörder adet üretilmiştir. Nervürlü çelik ile donatılmış numuneler de kendi aralarında üç gruba ayrılmaktadır,

Bunlar:

Ortadan Kesilip Kanal Açılarak Nervürlü Çelik ile Donatılmış Numuneler (MID ∅8 R)

Alt Çeyrekten Kesilip Kanal Açılarak Nervürlü Çelik ile Donatılmış Numuneler (LOW ∅8 R) Alt Yüzeye Kanal Açılarak Nervürlü Çelik ile Donatılmış Numuneler (BOT ∅8 R)

Çelik tij ile donatılmış numunelerin her birinden dörder adet üretilmiştir. Çelik tij ile donatılmış numuneler de kendi aralarında üç gruba ayrılmaktadır,

Bunlar:

Ortadan Kesilip Kanal Açılarak Çelik Tij ile Donatılmış Numuneler (MID ∅8T)

Alt Çeyrekten Kesilip Kanal Açılarak Çelik Tij ile Donatılmış Numuneler (LOW  ∅8 T) Alt Yüzeye Kanal Açılarak Çelik Tij ile Donatılmış Numuneler (BOT ∅8 T)

Tablo 4

Tablo 4. Numune Sınıfları ve Şekilleri

Hazırlanacak olan numune yukarıdaki sınıflar ve gruplar doğrultusunda işleme alınmadan önce kesildi. Bir kesim işlemi esnasında her bir numune en kesit yüksekliğinden 3 mm daha kaybetmektedir. İlgili numune kesildiğinde, tekrar lamine edilecekleri yüzeylerde -iki parçada da- tek tarafı sabitlenmiş bir freze ile yarım silindir formunda bir kanal açıldı. Aralarına 1,2 mm kalınlığında ince kıyım ahşap parçaları ahşabın alt parçasının üstte kalan yüzeyine, 30’ar cm arayla, ortadaki kanalın iki tarafına yerleştirildi.

Tutkal karışımının el ile laminasyonu işleminin, tutkalın pota süresi içerisinde yapılabilmesi için malzeme ve eleman sıcaklığının ürün özelliklerinde verilen değere yakın olması gerekmektedir. Bunu sağlamak amacıyla da tutkal karışımının hazırlanması için bir soğuk oda imal edilmiştir. Soğuk odada karıştırılan tutkal, yukarıda anlatılan lamine edilecek kirişlerin, lamine edilecek yüzlerine sürüldü ve sonrasında donatı yerleştirilerek elemanların tutkallı yüzleri birleştirildi. Hazırlanan kesitler pres altında, priz süresi boyunca bekletildi. Preslenme işlemi yapıldıktan sonra artan tutkal soğuk odaya geri alındı ve laminasyon işlemine diğer numunelerle devam edildi.

Sekil 4

Şekil 4. Soğuk Oda

Numuneler tamamlandıktan sonra deneye geçilebilmesi için tutkal dayanımının azami değerine ulaşması gereken süre öngörüsüne dayanarak numuneler kuru ve serin ortamda bekletildi.
Sekil 5

Şekil 5. Numuneler

Deneylerin Instron markasının, 8803 modelinde yapılabilmesi için, deney düzeneğini, deney makinesine adapte edecek fikstürler üretildi. Üst çene için üretilen fikstürde 60 cm’lik açıklık ile yükü aktarabileceği bir düzenek hazırlanırken, alt çene için üretilen fikstürün mesnet açıklığı 180 cm olacak şekilde hazırlandı. ABAQUS genel amaçlı, doğrusal olmayan element analizi (FEA) programıdır. Stres, ısı transferi ve yapısal, inşaat, biyomedikal, mekanik ve ilgili mühendislik uygulamalarında analiz için kullanılmaktadır. Program kapsamında parametrik modelleme yapılabilir ve model üzerinde doğrudan ve doğrudan olmayan yöntemlerle okuma ve sadeleştirme yapılabilir. Tüm analizlerin aynı yazılım, grafik ve model üzerinde yapılabilmesi, ileri malzeme modelleri ve değişken temas çözümleme yeteneği çalışmada bu programın kullanılması için öncelikli sebepler olmuştur.

Programda modellenen ve birleştirilen elemanların numuneleri nasıl oluşturulduğu yukarıda yer alan tabloda gözlemlenebilmektedir. Ayrıca fikstür için ise eşlenik bir sistem modellenmiş olup detaylı görüntüler de tablonun altında yer alan figürlerde gözlemlenebilir.

Sekil 6

Şekil 6. Abaqus Modeli

Abaqus CAE programında öncelikle numune kesitleri çizildi ve et kalınlıkları verildi, ayrıca fikstürler de eşlenik olabilecek bir sistem ile aynı şekilde üretildi ve rijit olarak tanımlandı. Fikstürler üzerine sınır koşulları ve mesnetlenmeleri girildi. Yük deplasman olarak verildi. Malzemelerin birbirleriyle etkileşimi ise tie constraint olarak tanımlandı.

Deneyler henüz tamamlanmadığı için malzeme değerleri kesin olarak girilemedi. Fakat malzeme verileri programa işlenirken izlenecek yol aşağıdaki gibidir:

Malzeme tanımlaması, ahşap her ne kadar ortotropik bir malzeme olsa da lineer elastik homojen olarak yapılmıştır, bunun sebebi mevzu bahis malzemenin sadece eğilme etkisi altındaki davranışının gözlemlenmeye çalışılmasıdır. Ayrıca ahşap numune üzerindeki kusurlar (reçine akışı, fissür, budaklar, vb.) modele dahil edilmemiş olup, ağaç bazında spesifikasyondan uzak bir modelleme yapılmıştır. Bunun sebebi ise her bir ahşap numunenin kendine has kusurlarının veya artılarının modellenmesinin mühendislik hesapları yapıldığı esnada mümkün olmayışıdır çünkü inşaa işlemi başlamadan her bir elemanın kendisi ve işlevinin belirli olması olanaksızdır.

3. Sonuçlar

Şimdiye kadar tamamlanan deneyler nervürlü inşaat çeliği ve çelik tijlerin çekme deneyleri ve performansı artırılmış ve artırılmamış ahşap numunelerin 4 noktalı eğilme deneyleridir. Çalışma kapsamında ileriki zamanlarda tutkalın sıyrılma ve ahşaptan kopma davranışlarını (pull-out deneyleri ile) inceleyecek ve ayrıca çekme deneyi ahşap ve tutkal numuneleri için de tekrarlanacaktır.

Malzemelerin yapılan deneyler sonucunda elde edilen verileri ile tümden gelim mantığı üzerinden Abaqus programında modellenmiş kısım üzerine eklenecek ve deneylerin Abaqus ortamında tekrar yapılması sonucunda veriler karşılaştırılacaktır, numunelerdeki kapasite artışı üzerinde tutarlı bir bağıntı kurulacak ve bu doğrultuda ahşap malzemenin çelik ile performansının artırılması kontrollü bir ortamda gözlemlenecektir.

Teşekkür: Bu deneylerin yapılabilmesini, TR10/15/YNK/0034 kodlu proje kapsamında, Yıldız Teknik Üniversitesi'ne bu deney makinelerini tedarik eden İstanbul Kalkınma Ajansı'na teşekkürü bir borç bilirim.

5846 sayılı yasa gereği lütfen gerektiği gibi kaynak göstermeden alıntı yapmayınız.!

Bu yayın Uluslararası katılımlı “Ahşabın Tasarım Serüveni”   Sempozyumunda Sn. Faruk Saral tarafından bildiri olarak sunulmuştur. 2016
Kaynaklar Alfabetik
[3] Avlar, E., (2004) Ahşap Malzeme Notları,Yıldız Teknik Üniversites

[2]Broughton, J.G., Hutchinson, A.R.,(2001), Effect of Timber Moisture Content on Bonded- in Rods, Construction And   Building Material 15/ 17-2

[1]Duman,N., (1964),Tutkallı Ahşap Yapılar- Yenilik Basımevi

[6]ISO 8375:2009 Edition-2, Timber structures – Glued laminated timber -Test methods for determination of physical and mechanical properties, ISO 200

[5]Sikadur  330 Product Data Sheet, Edition 23/08/2006,Identifican No: 01 04 01 04 001 0

000004, http://tur.sika.com/dms/getdocument.get/07abc4e7-1f75-30c9-9d03- ce50aa044a81/dur_330_TR_23082006.pd

[7]Steiger, R., Serrano, ,E., Stepinac, M., Rajcic, V., O’Neill,C., McPolin, D., Widmann,R.,(2015) – Strengthening of Timber Structures with Glued-in Rods – Constructon And Building Materials(article in press)

[4]Tluschowicz,G., Serrano,E., Steiger,R. ,(2011) State of the Art Review on Timber

Connections with Glued-in Rods, Materials and Structure 44:998-1020 [8] Ünal, Ö., (2000),Yapı Malzemesi Ders Notları,Kocatepe Üniversitesi.

Kronolojik
[1]Duman,N., (1964),Tutkallı Ahşap Yapılar- Yenilik Basımevi

[8] Ünal, Ö., (2000),Yapı Malzemesi Ders Notları,Kocatepe Üniversitesi

[2]Broughton, J.G., Hutchinson, A.R.,(2001), Effect of Timber Moisture Content on Bonded- in Rods, Construction And   Building Material15: 17-2

[3] Avlar, E., (2004) Ahşap Malzeme Notları,Yıldız Teknik Üniversitesi

[5]Sikadur  330 Product Data Sheet, Edition 23/08/2006,Identifican No: 01 04 01 04 001 0

000004, http://tur.sika.com/dms/getdocument.get/07abc4e7-1f75-30c9-9d03- ce50aa044a81/dur_330_TR_23082006.pdf

[6]ISO 8375:2009 Edition-2, Timber structures – Glued laminated timber -Test methods for determination of physical and mechanical properties, ISO 2000

[4]Tluschowicz,G., Serrano,E., Steiger,R. ,(2011) State of the Art Review on Timber

Connections with Glued-in Rods, Materials and Structure 44:998-1020

[7]Steiger, R., Serrano, ,E., Stepinac, M., Rajcic, V., O’Neill,C., McPolin, D., Widmann,R.,(2015) – Strengthening of Timber Structures with Glued-in Rods – Constructon And Building Materials (Article in Press)

Bir Cevap Yazın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir