Geri Dön

A preliminary investigation for potential use of 3D printed concrete in earthquake resistant construction

3D baskılı betonun depreme dayanıklı yapı inşaatında potansiyel kullanımı için ön bir araştırma

PDF İndir

  1. Tez No: 840869
  2. Yazar: REZA PARTOVI MERAN
  3. Danışmanlar: DOÇ. DR. MEDİNE İSPİR ARSLAN
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: İnşaat Mühendisliği, Civil Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2023
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Deprem Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Deprem Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 87

Özet

Gelişiminin ilk aşamalarındaki 3D beton yazıcı teknolojisi üzerine araştırmalar farklı başlıklarla devam etmektedir. Bu teknoloji, inşaat sektöründe nispeten yeni olmasına rağmen, bazı ülkeler bunu çeşitli inşaat projelerinde başarıyla uygulamışlardır. 3D baskı teknolojisi, özellikle deprem gibi doğal afetlerden sonra barınma ihtiyacını gidermek ve farklı amaçlı fiziksel mekân üretmek için iyi bir yöntem olabilir. Bu teknolojinin pozitif yönleri, yerel malzeme kullanarak hızlı ve ekonomik konut üretebilme imkânı getirmesidir. Ancak, bu potansiyelin ortaya çıkarılması ve değerlendirilmesi için 3D yazıcıyla üretilen elemanların; kalite kontrol, yapısal tasarım, malzeme geliştirme ve yapısal güvenilirliğini sağlamak için farklı etkiler altındaki davranışının deneysel, sayısal ve analitik çalışmalarla araştırılması gerekmektedir. Bu tür araştırmalar, yenilikçi inşaat yönteminin ilerlemesini ve daha geniş çapta benimsenmesini kolaylaştıracaktır. Bu çalışmanın amacı, 3D yazıcı ile yazdırılan kısa beton kolonların basınç davranışı üzerine deneysel bir çalışma yapmaktır. Bu nedenle, robotik kollu bir yazıcı kullanılarak onsekiz adet kısa kare kolon numunesi üretilmiştir. Üretilen numunelerin bir kısmı hazır beton ile doldurulmuş ve bir kısmı boş bırakılmıştır. Numunelerin kesit boyutları 300 x 300 mm ve yüksekliği 500 mm olarak tasarlanmıştır. Tüm numunelerde tabaka genişliğinin, tabaka kalınlığa oranı, üç olarak sabit tutulmuştur. Dokuz adet birbiriyle aynı numune, 20 mm kalınlığında ve 60 mm genişliğinde katmanlara sahip olacak şekilde üretilmiştir (Grup A). A grubu numunelerden üçü boş bırakılmış, üçü (Ⅰ) betonu ile (ortalama nominal basınç dayanımı 28. günde 25 MPa) ve kalan üçü de (Ⅱ) betonu ile (ortalama nominal basınç dayanımı 28. günde 50 MPa) doldurulmuştur. Grup B'deki diğer dokuz numune ise 10 mm kalınlığında ve 30 mm genişliğinde tabakalara sahip olacak şekilde üretilmiştir. Bu grubundaki üç numune boş bırakılmış, üç numune (Ⅰ) betonu ile ve kalan üç numune (Ⅱ) betonu ile doldurulmuştur. Ayrıca, malzeme özelliklerini tespit etmek amacıyla, 200 mm yüksekliğinde ve 100 mm çapında karot numuneler 3D yazıcıyla yazılan kare prizmadan alınmıştır. Bunlara ek olarak, numunelerin doldurulmasında kullanılan hazır betonun dayanımını bulmak için her beton sınıfı için 300 mm yüksekliğinde ve 150 mm çapında üç adet silindir numune dökülmüştür. Baskı yönüne dik olarak alınan karot numunelerin ortalama basınç ve yarmada çekme dayanımları 28. günde sırasıyla 32 MPa ve 3.2 MPa olarak belirlenmiştir. Görüldüğü gibi yarılmada çekme dayanımı, basınç dayanımının %10'u olarak bulunmuştur. (I) ve (II) betonlarına ait standart silindir numunelerin 28 günlük ortalama basınç dayanımları sırasıyla 22.8 MPa ve 48.8 MPa olarak belirlenmiştir. (I) ve (II) betonlarına ait ortalama yarmada çekme dayanımları sırasıyla 2.2 MPa ve 4.2 MPa olarak hesaplanmıştır. Görüldüğü gibi yarmada çekme dayanımları basınç dayanımlarının %10'u civarında olmuştur. 5000 kN kapasiteli Instron test cihazında kısa kolonların testleri yapılarak basınç yükleri altındaki davranışları tespit edilmiştir. Betonun zamanla dayanım kazanması nedeniyle oluşabilecek olası farklılıkları ortadan kaldırmak amacıyla deneyler kare numunelerin üretiminden en az 120 gün sonra gerçekleştirilmiştir. Deney sonuçlarına göre, her numune için eksenel gerilme-eksenel şekildeğiştirme eğrileri, eksenel yük-eksenel şekildeğiştirme eğrileri, elastisite modülü, basınç dayanımı ve karşı gelen şekildeğiştirme değerleri ve göçme mekanizmaları belirlenmiştir. Karot numunelerin ve hazır beton ile üretilen silindir numunelerinin orta bölgesindeki düşey ve yanal şekil değiştirmeleri ölçmek için tüm numunelerin orta kısmına şekildeğiştirme ölçerler yapıştırılmıştır. Ayrıca, kare ve hazır beton ile üretilen silindir numunelerinin hem orta yüksekliğinde hem de tam yüksekliğinde oluşan şekildeğiştirmeleri hesaplamak için düşey doğrultuda yerdeğiştirmeölçerler (LVDT50, LVDT25) numune üzerine yerleştirilmiştir. Grup A ve B'deki boş numunelerin ortalama basınç dayanımları sırasıyla 22 ve 18 MPa olarak tespit edilmiştir. Grup A ve B'deki (I) beton ile doldurulan numunelerin taşıyabildikleri en büyük basınç yükleri, sırasıyla, 1593 ve 1795 kN olarak hesaplanmıştır. Grup A ve B'deki (II) ile doldurulan numunelerin taşıyabildikleri en büyük basınç yükleri, sırasıyla, 2526 ve 2380 kN olarak bulunmuştur. Basınç yükü altında test edilen kısa kolon numuneler, köşelerde yoğunlaşan düşeye yakın çatlakların ilerlemesi ile göçmeye ulaşmıştır. Kare numunelerin testlerine başlamadan önce karot numuneleri ve hazır beton (I ve II) numuneleri basınç yükü altında test edilmiştir. Karotların ortalama basınç dayanımları, karotun alınma doğrultusuna bağlı olarak 35 MPa, 36 MPa ve 39 MPa bulunmuştur. Bu sonuçlar, doğrultunun ortalama basınç dayanımı üzerindeki etkisinin çok yüksek olmadığını göstermektedir. Standart silindir numunelerin ortalama basınç dayanımları ise (I) ve (II) için sırasıyla 29 ve 55 MPa olarak bulunmuştur. Bu çalışmanın sonuçlarına göre, 3D baskı teknolojisi ile üretilen kısa kolonlar, basınç yüklemeleri altında gevrek bir davranış göstermiştir. Bu teknoloji ile deprem riski yüksek bölgelerde yapısal eleman üretimi yapmak için gevrek davranışı önlemeye yönelik tedbirlerin alınması ve ayrıca, farklı yüklemeler altında deneysel ve nümerik çalışmalar yapılması gerekmektedir.

Özet (Çeviri)

Research on 3D concrete printing technology, which is still in its early stages of development, is ongoing with diverse topics. Although this technology is relatively new in the construction industry, some countries have successfully implemented the technology in various construction projects. Especially 3D printing technology has the ability to produce fast and economical housing after natural disasters such as earthquakes. It is imperative to verify that this approach demonstrates seismic structural safety and reliability before proceeding with construction and use. Therefore, the behavior of 3D printed concrete elements needs to be investigated through experimental, analytical and numerical studies. The first step of these studies aiming to reveal seismic performance should be the characterization of 3D printed concrete materials and elements under compressive loading. Therefore, the aim of this study is to experimentally investigate the compressive behavior of 3D printed concrete and make prediction about the potential of 3D concrete in terms of seismic performance. To achieve this objective, eighteen short square column specimens were produced using a robotic arm printer. Some of the specimens kept unfilled and some of them filled with two different ready-mixed concrete (type I and type II). The cross-sectional dimensions of each square specimen were 300 x 300 mm, and the height of the specimens was 500 mm. The ratio of layer width to layer thickness was maintained at a constant value of three for all specimens. The nine identical specimens had layers with a thickness of 20 mm and a width of 60 mm (Group A). Three specimens of Group A were left unfilled, three were filled with type (Ⅰ) concrete (the target average compressive strength of 25 MPa at 28 days), and the remaining three were filled with type (Ⅱ) concrete (the target average compressive strength of 50 MPa at 28 days). The other nine specimens (Group B) had layers with a thickness of 10 mm and a width of 30 mm. Three specimens in Group B were left unfilled, three were filled with type (Ⅰ) concrete, and the remaining three were filled with type (ⅠI) concrete. Additionally, for material characterization purposes, the same concrete was printed in the form of prism to obtain drilling cores with dimensions of 200 mm in height and 100 mm in diameter. Furthermore, to evaluate the material properties of the ready-mixed concrete used to fill the printed specimens, three cylindrical samples with dimensions of 300 mm in height and 150 mm in diameter were casted for each concrete type. The average compressive and splitting tensile strengths of the printed concrete, were determined as 32 MPa and 3.2 MPa, respectively, at 28 days for the specimens taken perpendicular to the printing direction. As can be seen, the splitting tensile strength was found to be 10% of the compressive strength. The average compressive strengths of the standard cylindrical specimens of type (I) concrete and type (II) concrete were determined as 22.8 MPa and 48.8 MPa, respectively, at 28 days. The average splitting tensile strengths of type (I) concrete and type (II) concrete were calculated 2.2 MPa and 4.2 MPa, respectively. As can be seen, the splitting tensile strengths were around 10% of the compressive strength. The square short columns were subjected to compressive loads using an Instron universal testing machine, which has a capacity of 5000 kilonewtons (kN). The tests were carried out at least 120 days after the production of square specimens to eliminate possible differences that may occur due to concrete gaining strength over time. Axial load-axial strain curves, axial stress-axial strain curves, modulus of elasticity, compressive strength and corresponding strain value, and failure mechanism for each specimen were determined based on the test results. The average compressive strengths of the 3D printed specimens (unfilled specimens) in Group A and Group B were calculated as 22 and 18 MPa, respectively. Average maximum compressive load values for specimens in Group A and Group B which filled with the type (I) concrete were calculated as 1593 and 1795 kN, respectively. Finaly, average maximum compressive load values for specimens in Group A and Group B which filled with type (II) ready-mixed concrete were calculated as 2526 and 2380 kN, respectively. The specimens exhibited collapse with the propagation of nearly vertical cracks originating from the edges. The specimens of the printed concrete and ready-mixed concrete (type I and type II) were tested under compression load before starting the tests of the square specimens. The average compressive strengths of the drilling cores were found to be 35 MPa for the specimens taken as perpendicular to the printing direction and 36 and 39 MPa for the other directions perpendicular to the printing direction. These results show that the directional effect on the average compressive strength is not high. The average compressive strengths of the standard cylindrical specimens for (I) and (II) of ready-mixed concrete were found to be 29 and 55 MPa, respectively.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    840461

    Development of 3D food printer and use of mushrooms in 3D food printer within the scope of new plant-based food production

    3D gıda yazıcısı geliştirme ve mantarların bitkisel bazlı yeni ürün geliştirme çalışmaları kapsamında 3D yazıcıda kullanımı

    EVREN DEMİRCAN

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2023

    Gıda Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Gıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. BERAAT ÖZÇELİK

  2. Tez No

    899792

    Fotostimülasyonun 2 ve 3 boyutlu in vitro hiperglisemik modellerde insan dermal fibroblast, keratinosit ve endotel hücreleri üzerindeki etkinliğinin incelenmesi

    Investigation of the efficacy of photostimulation on human dermal fibroblasts keratinocyte and endothelial cells in 2d and 3d in vitro hyperglycemic models

    SİMGE ÇITAK

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    BiyomühendislikHacettepe Üniversitesi

    Biyomühendislik Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. ÖZER AYLİN GÜRPINAR

  3. Tez No

    456221

    Avangart tasarım süreci için kent morfolojisi kısıtlayıcıları ile bir simülasyon modeli

    A simulation model with urban morphology constraints for avant-garde design process

    ASLI AĞIRBAŞ

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2016

    MimarlıkMimar Sinan Güzel Sanatlar Üniversitesi

    Mimarlık Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. FETHİYE EMEL ARDAMAN

  4. Tez No

    865214

    Elazığ - Sivrice ve Gezin civarının yeraltı yapısının gravite verileri kullanılarak modellenmesi

    Modelling of the subsurface structures of Elazığ - Sivrice and Gezin region by using gravity data

    NEDİM GÖKHAN AYDIN

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    Jeofizik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Jeofizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. TURGAY İŞSEVEN

  5. Tez No

    389440

    Düzce depreminde yıkılmış 6 katlı betonarme binanın farklı yöntemlerle değerlendirilmesi

    Seismic assessment of six storey reinforced concrete building that collapsed after Düzce earthquake

    MERVE ÖZKARATAY

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2014

    Deprem Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. FATMA GÜLTEN GÜLAY

Geri Dön