Investigation of fracture toughness on flattened brazilian disc type molded shotcrete specimens
Kalıplı düzleştı̇rı̇lmı̇ş brazı̇lyan dı̇sk tı̇pı̇ püskürtme beton numunelerı̇nde kırılma tokluğunun ı̇ncelenmesı̇
- Tez No: 595968
- Danışmanlar: PROF. DR. LEVEND TUTLUOĞLU
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Maden Mühendisliği ve Madencilik, Mining Engineering and Mining
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2019
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Orta Doğu Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Maden Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 195
Özet
Püskürtme beton ve/veya betonlarda çeşitli nedenlerden kaynaklanan çatlakların incelenmesi çeşitli endüstrilerdeki yapıların kararlılığı için çok önemlidir. Çatlak başlangıcı ve ilerlemesi konularının derinlemesine incelenmesi gerekliliğine rağmen, püskürtme beton konusundaki kırılma mekaniği ile ilgili çalışmalar şu ana kadar sınırlı kalmıştır. Bu duruma rağmen beton numuneleri üzerinde yapılmış olan çatlak mekaniği araştırmaları bugüne kadar sınırlı kalmış olup bu konu, tüneller gibi yapısal uygulamalarda hak ettiği ilgiyi çekmemiştir. Yapı sütunların, kirişlerin ve tünel kaplamalarının genel olarak eğilme yükü altında olmaları nedeniyle, kiriş tipi numune geometrisi, püskürtme beton ve/veya beton numunelerinde yapılan çatlak mekaniği testlerinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Bununla birlikte, yapılardaki basınç yükleri indirek olarak yarmada çekme bölünmesine neden olabilmekte, bu nedenle, Brazilyan tipi yarma testleri sütunların, kirişlerin ve kaplamaların yapısal durumunu kontrol etme konusunda daha yaygındır. Farklı bir geometri olan Düzleştirilmiş Brazilyan Disk (FBD) geometrisi kırılma mekaniği testlerinde ilk kez bu çalışmada kullanılmıştır. Hedeflenen en büyük FBD geometrisine sahip numune çapı 200 mm'dir. Numunelerin hazırlanması sırasında oluşan sıkıntılar nedeniyle karot alma ve düzeltme işlemleri numunelerin hazırlanması için uygun olmamıştır. Farklı boyutlarda FBD numuneleri hazırlamak için yenilikçi teknolojiler kullanılmış, 3B yazıcı teknolojisi ile numune kalıpları hazırlanmıştır. 3B yazıcıdan elde edilen kalıplar sayesinde numune hazırlama süreci iyileştirilmiştir. Düzleştirilmiş kenarın boyutunu kontrol eden çap ve yükleme açısı her boyut grubu için kalıplar sayesinde ideal şekilde ayarlanmıştır. Kalıplara dökülen püskürtme beton karışımı, numune boyutu arttıkça granül ve bağlayıcı karakteristiğini korumak için dikkatlice hazırlanmıştır. Bu nedelen karışımdaki agrega boyutları yaklaşık olarak 0-5 mm, su/çimento oranı ise 0,40 olarak seçilmiştir. Çapları 75 mm ile 200 mm arasında değişen numuneleri elde etmek için toplamda 16 kalıp kullanılmıştır. Kalıpların yükleme açıları 20-30 derece arasında değişmekte olup, düzleştirilmiş kenarların boyutları ise 2L = 15.6-43.5 mm arasında değişmektedir. Toplamda 80 geçerli mod I kırılma testi gerçekleştirilmiştir. Net bir yük düşüşü veya teorik olarak istenilen şekilde numunenin tam merkezinden ikiye bölünmesinin gözlenmediği durumlardaki test sonuçları çıkartılmıştır. Her bir çap grubu ve her bir yükleme açısı grubu için beş geçerli test yapılmasına önem verilmiştir. Daha önceden yapılmış olan sayısal modelleme çalışmasında önerilen denklemler yardımıyla, stabil kırılma anındaki başlangıç çatlak uzunluğu (acn) hesaplanmıştır. Bu değer, FBD örneklerinin yavaş hızda deneye tabii tutulması esnasında deneysel olarak gözlemlenen ace ile karşılaştırılmıştır. Önceki çalışmalarda sadece teorik olarak bulunan formüllerin geçerliliği deneyler yardımıyla kanıtlanarak, bu formüllerin FBD geometrisine sahip püskürtme beton numuneleri için uygulanabilir olduğu kanıtlanmıştır. Mod I kırılma tokluğunun (KIc) artan numune çapı ile arttığı bulunmuştur. Mod I kırılma tokluğu değeri 30° yükleme açısına sahip 75 mm'lik en düşük çaplı grup için 0.96 MPa√m, 20°'lik yükleme açısına sahip 200 mm'lik en büyük çap grubu için 1.50 MPa√m bulunmuştur. Genel olarak, KIc değerinin artan yükleme açısı ile azaldığı tespit edilmiştir. Düzleştirilmiş kenar uzunluğu L, numune boyutuna kıyasla arttığından, bu durum sınır etkisi sorunu yaratmaktadır. Yüke maruz kalan bu kenarlar ve etrafındaki gerilmesiz sınır, saf mod I yükleme durumunda olduğu varsayılan çatlak üzerine çok yaklaşır. Bu durumda oluşan yüksek gerilmeler karmaşık bir yükleme durumuna neden olur. KIc değerinin boyut ve azalan yükleme açısı ile artması, saf mod I kırılma tokluğu testi uygulanan FBD geometrisine sahip püskürtme beton için ikinci derece polinom trendi göstermiştir. Burada sunulan FBD test çalışmaları önemli sonuçlar vermiş olup, FBD geometrisinin püskürtme beton ve/veya beton numunelerinin saf mod I kırılma tokluğunu ölçmek için ideal bir test geometrisi olabileceğini kanıtlamıştır.
Özet (Çeviri)
Monitoring behavior of cracks generated by various reasons in shotcrete/concrete is of crucial importance for the stability of structures in various industries. Despite the need of understanding the crack initiation and propagation mechanisms profoundly, fracture mechanics related studies for shotcrete are limited so far. This topic has not attracted the attention it deserves in structural applications such as tunneling. Beam type specimen geometries are commonly used in fracture mechanics testing of shotcrete/concrete mixtures, since building columns, beams, and tunnel linings are under bending loads in general. However, compressive loads in structures can indirectly induce tensile splitting, that's why, Brazilian type splitting tests are common in checking the structural state of columns, beams, and the linings. A different geometry, Flattened Brazilian Disc geometry (FBD), is used here for the first time for fracture testing of the shotcrete samples. Targeted FBD sample diameters were up to 200 mm. Preparing samples with regular coring and grinding process were not practical due to irregularities formed during machining of samples. Innovative technologies were used to prepare FBD samples with different dimensions 3D printer technology was used to shape the sample molds to the desired geometries. As the molds were printed with a 3D printer, the sample preparation process was improved. The diameter and the loading angle controlling the length of the flattened end was accurately adjusted for each size group. Shotcrete mixture poured to the molds was prepared carefully to maintain the granular and binding characteristic as the sample size increased. Aggregate size was around 0- 5 mm in the mixture. Water/cement ratio was selected as 0.40. A total of 16 molds were used to obtain the samples with diameters range from 75 mm to 200 mm. Loading angles varied between 20-30 degrees, corresponding to flattened end lengths of 2L= 15.6-43.5 mm. A total of 80 valid mode I fracture tests were conducted. Some test results were discarded, since a clear load drop or a theoretically desired central splitting of samples were not observed. It was assured that there were five valid tests for each diameter group and each loading angle group regarding a specific diameter. With the help of a proposed equation from a previous numerical modeling work, the initial crack length (acn) at the onset of stable fracturing was calculated. This was compared to the experimentally observed ace during the slow pace loading of FBD specimens. The previous theoretical formula was validated and proved to be applicable for the shotcrete FBD testing. It was found that mode I fracture toughness, KIc, increased with increasing specimen diameter. It was found 0.96 MPa√m for the lowest diameter group of 75 mm with 30° loading angle, and it was 1.50 MPa√m for the largest diameter group of 200 mm with a loading angle of 20°. In general, KIc is found to decrease with increasing loading angle. This situation is attributed to the boundary influence issue, since the flattened end length L increases compared to the specimen size. Compressively loaded ends and adjacent stress free boundary get too close to the crack front, which is supposed to be under pure mode I loading state. High stress gradients cause a complex loading state instead. Increase of KIc with size and decreasing loading angle showed clues of a second degree polynomial tendency to a size- and geometry-independent ideal specimen for pure mode I fracture toughness testing of shotcrete with FBD geometry. FBD testing work here provided important results and proved its high potential to develop an ideal testing geometry to measure pure mode I fracture toughness of shotcrete/concrete materials.
Benzer Tezler
- Mode I fracture toughness and tensile strength investigation on molded shotcrete brazilian specimen
Brazilyan dökülmüş püskürtme beton numunelerinde mod I kırılma tokluğunun ve çekme dayanımının incelenmesi
TUĞÇE TAYFUNER
Yüksek Lisans
İngilizce
2019
Maden Mühendisliği ve MadencilikOrta Doğu Teknik ÜniversitesiMaden Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. LEVEND TUTLUOĞLU
- Pure tensile fracture modelling and toughness measurements on brazilian discs of andesite and marble
Andezit ve mermer brazilyan disklerinde saf çekme kırılma modellemesi ve tokluk ölçümü
CANSIN ÖZDOĞAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2017
Maden Mühendisliği ve MadencilikOrta Doğu Teknik ÜniversitesiMaden Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. LEVEND TUTLUOĞLU
- Investigation of geometrical factors for determining fracture toughness with the modified ring test
Çatlak tokluğu tayini için geliştirilmiş uyarlanmış halka testine geometrik faktörlerin etkisinin araştırılması
CEYDA ALPAY
Yüksek Lisans
İngilizce
2008
Maden Mühendisliği ve MadencilikOrta Doğu Teknik ÜniversitesiMaden Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. LEVENT TUTLUOĞLU
- Effects of geometrical factors on fracture toughness using semi-circular bending type specimens
Yarım dairesel eğilme numunelerini kullanarak geometrik faktörlerin çatlak tokluğu üzerindeki etkilerinin incelenmesi
KIVANÇ HET
Yüksek Lisans
İngilizce
2008
Maden Mühendisliği ve MadencilikOrta Doğu Teknik ÜniversitesiMaden Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. LEVENT TUTLUOĞLU
- Investigation of key-hole weldability of line pipe steel grade X70M in terms of fracture toughness
X70M sınıfı boru hattı çeliklerinin anahtar deliği metodu ile kaynaklanabilirliğinin kırılma tokluğu yönünden incelenmesi
MEHMET ÇAĞIRICI
Yüksek Lisans
İngilizce
2017
Metalurji MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. CEMİL HAKAN GÜR
DR. KORAY YURTIŞIK