Lifli kompozitlerin deformasyon ve çoklu çatlak analizinde görüntü korelasyon parametrelerinin optimizasyonu
Optimization of image correlation parameters in deformation and multiple crack analysis of fiber reinforced composites
Yazar: EREN GÖDEK
Danışman: PROF. DR. KAMİLE TOSUN FELEKOĞLU
Dokuz Eylül Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Yapı Malzemeleri Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering
Dizin: Lifli kompozitler = Fiber composites ; Çimento esaslı kompozit = Cementitious composite

Özet:
Tez kapsamında, yüksek çekme dayanımlı polipropilen lif kullanılarak üretilmiş mühendislik özellikleri geliştirilmiş çimentolu kompozitlerin (ECC) mekanik özelliklerinin ve yüzeysel deformasyonlarının (çatlak oluşumu ve takibi) yükleme ile eş zamanlı olarak belirlenmesinde dijital görüntü korelasyonu (DIC) yönteminin kullanılabilirliği araştırılmıştır. Bu kapsamda, DIC yöntemine etki eden parametreler (dört farklı desenlendirme, üç farklı kamera çözünürlüğü, üç farklı aydınlatma koşulu, üç farklı alt küme boyutu ve üç farklı analiz adım aralığı) farklı kombinasyonlarda bir araya getirilerek çekme deneyleri gerçekleştirilmiştir. Çekme deneylerinde, DIC ile elde edilen şekil değiştirme ve çatlak özellikleri geleneksel yöntemlerle belirlenen verilerle kıyaslanarak en yakın sonuçları veren DIC parametreleri belirlenmiştir. Belirlenen parametrelerin kullanılabilirliğini incelemek üzere numunelerin çekme ve basınç yüklemesi altındaki mekanik parametreleri ve çatlak karakterizasyonları detaylı bir şekilde araştırılmıştır.
Çekme testlerinde geleneksel yöntemlere en yakın sonuçlar, numunelerin desen yoğunluğu %60-90 olacak şekilde sprey boya ile hazırlanması, deney sırasında orta düzeyde aydınlatma kullanılması, yüksek çözünürlüklü kamera ile görüntü alınması (24,2 megapiksel), DIC analizlerinde sürekliliğin sağlandığı en düşük alt küme (31x31 piksel.piksel) ve adım aralığının (6 piksel) seçilmesi ile elde edilmiştir. Bu parametreler ile geleneksel yöntemler ve dijital görüntü korelasyonu ile belirlenen çekme deneyi parametreleri sırasıyla; çekme dayanımı için 2,629±0,337 MPa ve 2,628±0,337 MPa; birim şekil değiştirme kapasitesi için %2,690±1,161 ve %2,718±1,18; düktilite için 9,247±3,353 J/m3 ve 9,327±3,175 J/m3; çatlak sayısı için 16,33±3,798 ve 17,42±5,125; çatlak genişliği için 153,924±49,05 µm ve 208,510±82,96 µm olarak hesaplanmıştır. Çatlak gelişiminin detaylı incelemesi seri içerisinden seçilen bir numune için tez kapsamında hazırlanan, dijital görüntü korelasyon analizlerinden elde edilen verilerden çatlak karakterizasyonu gerçekleştiren, bir Matlab algoritmasıyla incelenmiştir. Yapılan incelemelerde, mevcut literatüre ilave olarak, dijital görüntü korelasyonu aracılığıyla çatlak gelişim aşamasında açılan çok sayıda çatlağın oluşma anındaki yük, şekil değiştirme, kesit ve genişlik bilgilerinin açılan her bir çatlak için başarıyla belirlenmiş ve literatürden modifiye edilen bir yöntem kullanılarak doğrulanmıştır. Son olarak basınç deneyleri sırasında alınan görüntüler belirlenen parametreler ile analiz edilerek kompozitlerin basınç dayanımı, elastisite modülü ve Poisson oranı sırasıyla 43,46±2,42 MPa, 21,3±5,5 GPa ve 0,17±0,04 olarak hesaplanmıştır. Elastisite modülü değerinin, ultrases deneyi ile tespit edilen sonuç ile göreceli olarak uyumlu olduğu (16,4±1,5 GPa) ve üç parametrenin de literatürde sunulan mekanik parametreler ile benzer olduğu görülmüştür.

Abstract:
Within the scope of the thesis, the usability of digital image correlation (DIC) method in determining the mechanical properties and surface deformations (crack formation and tracking) of Engineered Cementitious Composites (ECC) produced using high tensile strength polypropylene fiber simultaneously with loading was investigated. In this context, tensile tests were carried out by combining the parameters affecting the DIC method (four different patterning, three different camera resolutions, three different lighting conditions, three different subset sizes and three different step sizes) in different combinations. In the tensile tests, the strain and crack properties obtained by DIC were compared with the data determined by traditional methods, and the DIC parameters that gave the closest results were determined. In order to examine the usability of the determined parameters, the mechanical parameters and crack characterizations of the specimens under tensile and compressive loading were investigated in detail.
The closest results to conventional methods in tensile tests were obtained by preparing the samples with spray paint with a pattern density of 60-90%, using medium lighting during the experiment, taking images with a high resolution camera (24.2 megapixels), choosing the lowest subset size (31x31 pixel.pixel) and step size (6 pixels) that ensures continuity in DIC analyzes. With these parameters, the tensile test parameters determined using conventional methods and digital image correlation were calculated respectively, as follows: 1.804±0.452 MPa and 1.780±0.456 MPa for first crack strength; 2.629±0.337 MPa and 2.628±0.337 MPa for tensile strength; 2.690±1.161% and 2.718±1.18% for unit strain capacity; 9,247±3,353 J/m3 and 9,327±3,175 J/m3 for ductility; 16.33±3.798 and 17.42±5.125 for crack number; 153,924±49.05 µm and 208.510±82.96 µm for crack width. The detailed analysis of crack development was examined with a Matlab algorithm that performs crack characterization from the data obtained from digital image correlation analyzes prepared within the scope of the thesis for a sample selected from the series. In addition to the existing literature, the load, strain, cross-section and width information at the time of formation of many cracks opened during the crack development stage were successfully determined for each crack and verified using a method modified from the literature. Finally, by analyzing the images taken during the compression tests with parameters determined, the compressive strength, modulus of elasticity, and Poisson's ratio of composites were calculated as 43.46 ± 2.42 MPa, 21.3±5.5 GPa and 0.17±0.04, respectively. It was observed that the modulus of elasticity value was relatively compatible with the result determined by the ultrasound test (16.4±1.5 GPa) and all three parameters were similar to the mechanical parameters presented in the literature.