Sac yüzlü köpük çekirdekli sandviç kirişlerin kayma parametrelerinin belirlenmesi
Determination of shear parameters of sandwich beams with metal face sheets and foam core
Yazar: MELİS TAŞKIN
Danışman: PROF. DR. SERDAL TERZİ ; DOÇ. DR. İZZET UFUK ÇAĞDAŞ
Süleyman Demirel Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2018
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering

Özet:
Sandviç yapı elemanları gelişen malzeme ve üretim teknolojilerinin de etkisiyle son yıllarda birçok mühendislik uygulamasında kullanılan yük taşıyıcı elemanlar haline gelmiştir. Sandviç yapı elemanları temel ilke olarak, nispeten ince ancak yüksek dayanıma sahip yüz levhaları arasına yerleştirilen, da, yüzlerin normali doğrultusunda yeterli rijitliğe sahip, kalın ve hafif çekirdek malzemeden oluşmaktadır.

Bu tez çalışmasında, üst ve alt yüzeylerinden iki ince metal levhaya yapıştırılmış, bir doğrultuda kabaran polistren köpük (XPS) malzemeden oluşan sandviç kirişler incelenmiştir. Çekirdek malzemenin kesme kuvveti etkisindeki temel mekanik özelliklerinin belirlenmesi amacıyla, literatürde bulunan çalışmalar ve mevcut yönetmelikler incelenmiş; bu tip malzemelerin kayma parametrelerinin belirlenmesinde en sık kullanılan iki yöntemin üç nokta eğilme ve üç ray kayma testleri olduğu sonucuna varılmıştır. Bu tez kapsamında araştırılan köpük malzemenin kayma parametreleri her iki test yöntemi kullanılarak belirlenmiş; elde edilen sonuçlar sonlu elemanlar yöntemi kullanılarak yapılan sayısal analiz sonuçlarıyla karşılaştırılmıştır.   

Tezin ilk aşamasında, kayma parametrelerinin üç nokta eğilme testinden elde edildiği durumlarda, tekil yükün uygulandığı bölgede sıkça karşılaşılan batma probleminin çözümü için çalışmalar yapılmıştır. Bu çalışmalarda tekil yükün uygulandığı gerçek temas alanının, batma yüküne etkileri araştırılmış ve bu amaçla batma deneyleri yapılmıştır. Batma yükü için deneysel sonuçlar literatürde tanımlanan analitik ifadelerle ve test edilen batma numunelerinin sayısal modellerinin doğrusal analizlerinden elde edilen sonuçlarla karşılaştırılmıştır.  

Tezin ikinci aşamasında köpük çekirdeğin kayma modülünün bulunması amacıyla üç nokta eğilme testleri gerçekleştirilmiştir. Üç nokta eğilme testleri, köpük çekirdeğin hem kabarma doğrultusunda hem de kabarma doğrultusuna dik doğrultuda yüklendiği sandviç kirişlere uygulanmıştır. Üç nokta eğilme testlerinden elde edilen yük-yer değiştirme eğrileri kullanılarak köpük çekirdeğin kayma modülünün belirlenmesi için basit bir analitik ifade geliştirilmiştir. Bu ifade kullanılarak, test edilen köpük çekirdeğin kayma modülleri hesaplanmıştır. Hesaplanan değerler kullanılarak üç nokta eğilme testi deney numunelerinin sayısal modelleri yapılmış ve doğrusal analiz sonuçları deney sonuçlarıyla karşılaştırılmıştır. 

Tezin üçüncü ve son aşamasında, köpük çekirdeğin kayma parametreleri üç ray kayma testiyle belirlenmiştir. Üç ray kayma testi için, EN 12090 standardındaki deney düzeneği esas alınmıştır. Üç ray kayma testinin önceki uygulamaları incelendiğinde çekirdek numunelerin serbest uçlarına yakın bölgelerde oluşan gerilme yığılmaları nedeniyle numunenin kayma dayanımlarına ulaşamadan göçtüğü bilgisi edinilmiştir. Tezde bu durum dikkate alınarak üç ray kayma testi numuneleri alt ve üst yüzlerine rijit plakalar yapıştırılarak güçlendirilmiştir. Güçlendirilmiş numunelerin deney sonuçları kullanılarak köpük çekirdeğin kayma parametreleri hesaplanmış ve bu değerler deney numunelerinin sayısal modellerinin doğrusal analizinde kullanılmıştır. Bu değerler kullanılarak yapılan sayısal analizlerde elde edilen sonuçlar deney sonuçları ile karşılaştırılmıştır.

Yapılan deneyler sonucu, üç nokta eğilme deneyinden elde edilen kayma modülü değerlerinin, üç ray kayma testinden elde edilen değerlerden daha büyük olduğu görülmüştür. Farklı boyutlara sahip deney numunelerinin test edildiği iki deney yönteminden elde edilen sonuçlardaki farklılığın, köpük çekirdeğin hücresel yapıya sahip olması, buna bağlı olarak mekanik özelliklerinin numune boyutlarına göre değişmesinden kaynaklandığı düşünülmektedir.

Abstract:
In recent years, thanks to the improved materials and production technologies sandwich members have become one of the favorable load carrying elements used in many engineering applications. As a basic principle, sandwich members are composed of thick and light core material with sufficient rigidity placed between the faces of relatively thin but highly resistant face sheets. 

In this thesis, the sandwich beams composed of polystyrene foam extruded in one direction (XPS) bonded to two thin metal face sheets were examined. In order to determine basic mechanical properties of foam core material under shear force, the studies in the literature and current standards were examined and it was concluded that the two most commonly used test methods while determining shear parameters of such foam materials were three point bending and three rail shear tests. In this dissertation, the shear parameters of the foam material examined in this study were determined using both test methods and the experimental results were compared with the results obtained from numerical analyses conducted using finite element method. 

In the first stage of the dissertation, studies were conducted to solve the indentation problem frequently observed when shear parameters are determined using three point bending tests. In this stage, the effects of the contact area of the point load on indentation load were examined. Test results were compared with the predictions of analytical expressions defined in literature for indentation load as well as with the results of the linear analysis of numerical models of the tested indentation specimens.   

Three point loading tests conducted in the second stage of the dissertation were carried out in the direction of both parallel and perpendicular to the extrusion direction of the foam core. A simple analytical expression was also developed for the determination of the shear modulus from load-displacement curves obtained from three point loading tests and shear moduli of the tested foam core were calculated using this expression. Numerical models of the three point bending test specimens were made by using calculated values and linear analysis results were compared with the experimental results. 

In the third and the last stage of the dissertation, the shear parameters of the foam core were determined using three rail shear tests. The three rail shear tests were performed based on the EN 12090 standard. When the previous applications of three rail shear test were examined, it was recognized that core specimens fail without reaching their ultimate shear strength due to occurrence of the stress concentrations near the free ends of the specimens. Taking this into consideration, the three rail shear test specimens were strengthened by bonding rigid plate to their top and bottom faces. The shear parameters of the foam core were also determined from three rail shear test results and this values were used linear analysis of the numerical models of test specimens. This numerical model results, which were made using experimental shear parameters values, were compared with the experimental results.

As a result of the experiments, the shear modulus values obtained from the three-point bending test were found to be greater than the values obtained from the three-rail shear test. It is thought that the difference in the results obtained from the two test methods in which the test specimens of different sizes are tested is due to the cellular structure of the foam core and the mechanical properties vary according to the sample dimensions.