Kayaç ve betonlarda çatlak ilerlemesi ve tokluk ilişkisi
Correlation between crack propagation and toughness in rocks and concretes
Yazar: MEHMET UZBAŞ
Danışman: PROF. DR. MEHMET KEMAL GÖKAY
Konya Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Maden Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Maden İşletme Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Maden Mühendisliği ve Madencilik = Mining Engineering and Mining

Özet:
Bu tez çalışmasında kayaçlarda tokluk ve çatlak ilerleme ilişkisini incelemek amacıyla temel olarak masif yapıya sahip Meram Andeziti, Ankara Andeziti, Afyon Gri mermeri, Evliyatekke Tüfü, Sille Andeziti, Karaman Traverteni ve alçı tozu karışımından elde edilen laboratuvar ölçekli numuneler kullanılmıştır. Laboratuvar deneyleriyle çentikli standart yarım disk şeklindeki Mod-1 kırılma tokluğu deney numuneleri (SCB) ve bina kolon benzeri (kare-prizma), numuneler üzerinde, düşey yükleme şartları altında çatlak oluşum ve yayılımı izlenmiştir. Deneyler sırasında çatlak oluşumunun ve ilerlemesinin analizi için, dijital görüntü korelasyonu (DIC) ve gri seviye eş oluşum matrisi (GLCM) görüntü işleme sistemine uygun deney görüntü verileri oluşturularak deney sonrasında görüntülerin sunduğu çatlak oluşum anı ve ilerleme yönleri değerlendirilmeye alınmıştır.
Numuneler üzerinde standart kaya mekaniği deneyleri olan tek eksenli basınç dayanımı, endirekt çekme dayanımı, su içeriği, yoğunluk, gözeneklilik belirleme, schmidt sertlik belirleme ve nokta yükleme dayanımı deneyleri gerçekleştirilmiştir. Ayrıca numunelerin kırılganlıklarını belirlemek amacıyla kırılganlık deneyleri yapılmıştır. Yarım disk çentikli numuneler kullanılarak Mod-1 kırılma tokluğu değerleri belirlenmiştir. Tokluk ve çatlak ilerleme özelliklerini incelemek amacıyla alçı tozu karışımından elde edilen, kare kesitli prizmatik numuneler hazırlanmış, bu numunelerin masif ve üzerinde sonradan açılan dairesel deliklerle birlikte düşey yükleme şartlarında verdikleri deformasyonlar izlemeye alınmış, bunlar üzerinde çatlak oluşum ve ilerleme davranışları gözlemlenmiştir. İnşaat mühendisliği alanında, yapıların dayanıklılığı düşüncesi kapsamında betonarme bina kolonları için benzer yük taşıma deneyleri laboratuvar ölçeğinde araştırılmıştır. Bu deneyimlerle, bu çalışmada yapılan tokluk deney sonuçlarının karşılaştırmalı değerlendirmesi yapılmıştır. Çatlak ilerlemesini gözlemlemek amacıyla plaka şeklinde, çentikli ve çentiksiz numuneler düşey yükleme şartları altında çatlak ilerleme davranışları açısından incelenmiştir. Görüntü işleme yöntemleriyle numuneler üzerinde oluşan deplasmanlar çatlak ilerleme davranışlarını analiz etmek amacıyla yüksek hızlı ve çoklu fotoğraf çeken ekipmanlarla kaydedilmiştir. Bu kayıtların dijital görüntü korelasyonu (DIC) ve gri seviye eş oluşum matrisi (GLCM) yöntemleri kullanılarak incelenmesi çatlak tokluğu ve çatlakların ilerleme davranışları konusunda bilgi vermiştir. Kolon benzeri numuneler, masif olarak ve orta noktalarında açılan yatay karot benzeri silindirik deliklerle birlikte dayanım testine tabi tutulmuş, ilgili numunelerin tokluk değerleriyle bu numuneler üzerinde oluşan çatlaklar ve bunların mikro seviyedeki ilerlemeleri DIC ve GLCM yöntemleriyle değerlendirilmiştir.

Abstract:
In this study, laboratory scale samples obtained from massive rock samples (Meram Andesite, Ankara Andesite, Afyon Grey Marble, Evliyatekke Tuff, Sille Andesite, Karaman Travertine), and massive artificial rock samples (moulded from gypsum powder mixtures) were used to examine relations between their toughness and crack propagation issues. Through laboratory tests, crack formation and propagation were observed in notched standard semi-circular bend (SCB) toughness test specimens and square-prismatic specimens resembling building columns, under vertical loading conditions. During the experiments, data suitable for digital image correlation (DIC) and gray level co-occurrence matrix (GLCM) image processing systems were generated, and the moments of crack initiation and propagation directions were analyzed post-experiment based on the experimental images. 
Standard rock mechanics tests, including uniaxial compressive strength, indirect tensile strength, water content, density, porosity, Schmidt hardness, and point load strength tests, were performed on the specimens. Furthermore, brittleness tests were conducted to determine the brittleness of the samples. Mode-I fracture toughness values were determined using notched semi-circular bend (SCB) specimens. To investigate toughness and crack propagation characteristics, prismatic specimens with square cross-sections made from a mixture of gypsum powder were prepared, and the deformation behavior of both solid specimens and those with circular perforations was monitored under vertical loading conditions. Crack formation and propagation behavior were observed in these specimens. In the field of civil engineering, similar load bearing tests for reinforced concrete building columns have been investigated at laboratory scale within the scope of the durability of structures. A comparative evaluation of these experiences with the results of the toughness tests performed in this study was made. 
To observe crack propagation, both notched and intact plate specimens were subjected to vertical loading and examined for their crack propagation behavior. Displacements on the specimens were recorded using high-speed, multi-shot equipment to analyze crack propagation behaviors through image processing techniques. The data from these recordings were analyzed using DIC and GLCM methods, providing insights into fracture toughness and crack propagation behavior. Column-like specimens, both solid and those with horizontally cored cylindrical holes at their centers, were subjected to strength tests. The toughness values of these specimens, along with the micro-level progression of cracks, were evaluated using DIC and GLCM methods.