Farklı statik yükleme hızlarının doğaltaşların mekanik özelliklerine etkisinin incelenmesi
Investigation of the effect of different static loading speeds on the mechanical properties of natural stones
Yazar: MERTCAN ÖZ
Danışman: DOÇ. DR. ÖMÜR ACAROĞLU ERGÜN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Maden Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Maden Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2020
Konu: Maden Mühendisliği ve Madencilik = Mining Engineering and Mining

Özet:
Bu çalışmada yapı ve inşaat sektörlerinin vazgeçilmez bir tercihi olan ve dünyanın en büyük rezervlerine sahip ülkelerden biri olduğumuz doğaltaşlar ele alınmıştır. Yaşadığımız çevrede estetiklik ve modernlik sağlayan doğaltaşlara gösterilen ilgi ve talep doğrultusunda doğaltaş üretimi bir hayli artmıştır. Bununla beraberde doğaltaşlar üzerinde yapılan çalışmalara verilen önemde artmıştır. 
Ülkemizde doğaltaş sekötrünün üstün yönü ithalata bağımlılığın düşük olmasından dolayı ulusal ekonomiye katkısı çok büyüktür. Doğaltaşların ocaktan çıkarılmasından mamül ürün hale gelmesine kadar geçen sürede ihtal ara ürün kullanımı çok azdır. Doğaltaş ihracatımızın neredeyse yarısı işlenmiş ürünler olduğu düşünüldüğünde bu doğaltaşlara verilen önemin anlaşılması daha net olacaktır.
Doğaltaşlar yerkabuğunun derinliklerinde bulunan ve yüksek sıcaklıkta erimiş silikat bilişiklerinden oluşur. Bu doğaltaşlarin farklı derinliklerde olmasıdan veya yeryüzünde farklı şekilde gözlendiklerinden farklı özellikler sergilerler.En geniş kullanım alanı inşaat sektörü olan doğaltaşlar güzel sanatlar alanı ve dekorasyon amaçlı olarakda kullanılmaktadır. 
Doğaltaşlar değişik mekanik ve fiziksel özelliklere sahip olduğundan hangi doğaltaşın hangi amaçla kullanılacağı konusu büyük önem taşımaktadır. Mekanik ve fiziksel özelliklerine göre uygun mekanlarda usulüne göre kullanılması her türlü işlevselliği arttıracaktır. Bu özellikler inşaat ve maden mühendisliğindeki kaya ve zemin kazı yönteminin doğru seçilmesinde de önemli rol oynamaktadır. Doğaltaşların mekanik özellikleri çeşitli deneylerin sonucunda belirlenebilmekte olup belirlenen özellikler doğaltaşları değerlendirirken dikkate alınmaktadır. 
Bu çalışmanın amacı bazı doğaltaşlara uygulanan farklı statik yükleme hızlarındaki değişimleri mekanik özelliklerine etkilerini ortaya koymaktır. Çalışma sırasında yapılan deneyler ve analizler sonucunda bu doğal taşlara ait fiziksel ve mekanik özelliklerinin değişimi sayısallaştırılmış birbirleri arasındaki ilişkileri araştırılmıştır. Daha sonra araştırma sonucu ortaya çıkan sonuçlar paylaşılmıştır.
Çalışma kapsamında çeşitli bölgelere ait 7 farklı doğaltaş türü kullanılmıştır. Kullanılan doğaltaşlar Bilecik ilinden Silkar firmasından gelen aksaray yaylak graniti, ankara füme graniti, Marmara adasıdan Etimer firmasından gelen ekvator mermeri, snow wihte mermeri ve yine Silkar firmasının farklı ocaklarından gelen myra beige'i, prince beige'i ve dark olive kireçtaşlarıdır. Toplamda çalışmada kullanılan taşların ikisi granit, ikisi mermer, üçü kireçtaşıdır. 
Numune olarak kullanılan doğaltaşların fiziksel ve mekanik özellikleri belirlenirken İstanbul Teknik Üniversitesi Maden Fakültesi Kaya Mekaniği ve Doğal Taşlar Yapı Taşları Labrotuvarında yer alan cihazlar kullanılmıştır. Bu çalışmada kayaçların fiziksel özelliklerinin belirlenmesinde fiziksel deney olarak tanımlanan su emme, sonik hız, yoğunluk hesabı deneyleri yapılmıştır. Doğaltaşların mekanik özelliklerinin belirlenmesinde ise mekanik deneyler olarak tanımlanan dolaylı çekme dayanımı, tek eksenli deformabilite deneyi, nokta yükü dayanım indeksi, tek eksenli basma dayanımı, shore sertliği ve schmidt çekici deneyleri uluslararası standartlara ve literatüre uygun olarak yapılmış ve analiz edilmiştir.
Sonik hız deneyinde her numuneden 5 farklı örnek üzerinde deney gerçekleştirilerek Vp, Vs, dinamik elastisite modülü ve poisson oranları ile makaslama modülü hesaplanıp elde edilen ortalama sonuçlar çalışmada paylaşılmıştır.
Fiziksel deneylerden olan su emme deneyi ve yoğunluk deneyi için  her doğaltaştan 3'er farklı numune üzerinde deney yapılarak her 3 örneğin sonuçları ayrı ayrı paylaşılıp kuru ağırlıkları, suya doygun ağırlıkları, suyun içindeki ağırlıkları ve su emme yüzdeleri belirlenip yoğunluk değerleri hesaplanarak ortalama değerleri sonuçlar kısmına yazılmıştır.
İnşaat sektöründe kullanımı kolay olmasından dolayı çok sık kullanılan ve doğaltaşların mekanik özelliklerini belirlemede yardımcı olan schmidt çekici deneyi için standartlara uygun olarak 3 farklı prosedürde karot alınmadan her doğaltaş için yapılmış ve ortalama değerleri paylaşılmıştır. 
Nokta yük dayanımı deneyinde ise her farklı doğaltaştan 10' ar örnek üzerinde işlem yapılmış, kırılma yükleri ve düzeltme faktörü ile elde edilen Is(50) değeri sonuçları hesaplanarak tablolar halinde deney sonuçları altında paylaşılmıştır.
Bu çalışmada doğaltaşlar için yapılan tek eksenli basınç dayanımı deneyi ve dolaylı çekme dayanımı deneyinde uygulanan farklı yükleme hızlarının kayaçların yapısı kaynaklı oluşan çatlaklara, düzensizliklere ve tabakalara bağlı olarak aynı kayaçta mekanik özellik değerlerinin farklı çıkmasına neden olmuştur. Tutarlılığı arttırmak ve destekleyici sonuçlar ortaya koymak amacı ile elde edilen sonuçların sayısıllaştırılması ve birbirleri arasındaki ilişkileri araştırılırken &63.2 olasıklı yenilme olasılığının hesaplanmasında iki parametreli Weibull dağılımı kullanılmıştır.
Çalışmada büyük bir titizlikle yapılan tek eksenli basınç dayanımı deneyinde (UCS) her bir doğaltaş için ortalama 54 mm çapında ortalama 120 mm boyunda 20' şer tane örnek alınarak 0.055, 0.011, 0.0055 ve 0.0011 (mm/s) yükleme hızlarında deney gerçekleştirilmiştir. Her doğaltaş için farklı hızlardaki basma dayanım sonuçları ve elastisite modülü değerlerinin karşılaştırılması grafik olarak verilmiştir. Bunun yanında yine her doğaltaş için ayrı ayrı Weibull grafiği ve Weibull dağılım parametreleri paylaşılarak sonuçların birbiri arasındaki ilişkisi değerlendirilmiş ve yorumlanmıştır.
Doğaltaşların mekanik özelliklerinin belirlenmesinde büyük öneme sahip olan dolaylı çekme dayanımı deneyinde (BTS) ise herbir doğaltaş için ortalama 54 mm çapında, ortalama 30 mm boyunda 40'ar tane örnek alınarak 0.011, 0.0055, 0.00275, 0.0011 (mm/s) yükleme hızlarında deney gerçekleştirilmiştir. Deney sonucunda elde edilen veriler olarak her doğaltaş çeşiti için farklı hızdaki çekme dayanımın değerleri, Weibull dağılımı değerleri ve Weibull parametreleri çizelge ve grafik şeklinde paylaşılmıştır. Elde edilen bu veriler değerlendirilerek sonuçlar kısmında paylaşılmıştır.
Bu deneyler sonucunda elde edilen veriler sayesinde, kayaçlara uygulanan deformasyon hızlarındaki farklılıkların kayaçların dayanımlarına ve elastisite modüllerine etki ettiği gözlemlenmiştir. Yükleme hızı arttıkça taşların dayanımı ve elastisite modülü artmaktadır. Buradan çıkarım yapılacak olursa yükleme hızı ile dayanım ve elastisite modülü arasında doğru orantılı bir ilişki vardır. Elde edilen bu veriler değerlendirilerek sonuçlar kısmında paylaşılmıştır.
Doğal taşlara uygulanan yükleme hızının düşük olduğu durumlarda yükleme esnasında kayaç üzerindeki mikro çatlaklar kayaç içinde yayılarak kayaç dayanımını azaltmaktadır. Öte yandan kayaç üzerinde bulunan çatlakların yüksek hızlı yüklemelerde yayılmak için zaman bulamaması sayesinde kayacın dayanımı artarak lineer bir şekilde yük alması mümkün olmaktadır.
Doğaltaşların mekanik ve fiziksel özelliklerinin daha net anlaşılabilmesi için çeşitli doğaltaşlar üzerinde daha sık aralıklı farklı hızlarda deneylerin yapılaması önerilmektedir.

Abstract:
In this study, natural stones which are an indispensable choice of construction and construction sectors and which we are one of the countries with the largest reserves in the world, are discussed. Natural stone production has increased considerably in line with the interest and demand for natural stones that provide aesthetics and modernity in our environment. However, the importance given to the studies on natural stones has increased.
The superior aspect of the natural stone sector in our country is its contribution to the national economy due to the low dependence on imports. From the quarrying of natural stones to the finished product, the use of imported intermediates is very small. Considering that almost half of our natural stone exports are processed products, it will be clear to understand the importance given to these natural stones.
Natural stones are composed of silicate cognates which are found in the depths of the earth's crust and melted at high temperatures. The natural stones, which are the most widely used in the construction sector, are used for fine arts and decoration purposes.
Since natural stones have different mechanical and physical properties, it is of great importance to decide which natural stone will be used for what purpose. Proper use in suitable spaces according to mechanical and physical properties will increase all kinds of functionality. These features also play an important role in the correct selection of rock and soil excavation methods in civil and mining engineering. The mechanical properties of natural stones can be determined as a result of various experiments and these properties are taken into consideration when evaluating natural stones.
The aim of this study is to determine the effects of changes in different static loading rates on the mechanical properties of some natural stones. As a result of the experiments and analyzes carried out during the study, the changes of physical and mechanical properties of these natural stones have been digitized and the relationships among each other have been investigated. Then the results of the research were shared.
Seven different types of natural stone were used in the study. The natural stones used are Aksaray plateau granite from Silkar company in Bilecik, smoked granite from Ankara, equator marble from Etimer company from Marmara island, snow wihte marble and myra beige'i, prince beige'i and dark olive limestones from different quarries of Silkar company. In total, two stones used in the study are granite, two are marble and three are limestone.
The physical and mechanical properties of the natural stones used as samples were determined by the devices in the Rock Mechanics and Natural Stones Building Blocks Laboratory of Istanbul Technical University Faculty of Mines. In this study, water absorption, sonic velocity and density calculation experiments, which are defined as physical experiments, have been performed in determination of physical properties of rocks. In the determination of mechanical properties of natural stones, indirect tensile strength, uniaxial deformability test, point load strength index, uniaxial compressive strength, shore hardness and schmidt hammer tests, which are defined as mechanical tests, were performed and analyzed in accordance with international standards and literature.
In the sonic velocity test, Vp, Vs, dynamic modulus of elasticity, shear modulus and shear modulus were calculated and the average results were shared in the study.
For the water absorption test and density test, which are physical tests, the results of each 3 samples were shared separately and the dry weight, water saturated weight, weight in water and water absorption percentages were determined and density values were calculated and the mean values were written into the results part. .
Since it is easy to use in the construction sector, it is widely used and it helps to determine the mechanical properties of natural stones. For schmidt hammer test, 3 different procedures were made for each natural stone without coring and average values were shared.
In the point load strength test, 10 samples from each different natural nature were processed and the Is (50) value obtained by the fracture loads and correction factor were calculated and shared under the test results in tables.
In this study, uniaxial compressive strength test and indirect tensile strength test performed for natural stones caused different loading rates due to cracks, irregularities and layers caused by the structure of the rocks. Two-parameter Weibull distribution was used to quantify the results obtained in order to increase consistency and supportive results and to calculate the probable probability of defeat % 63.2.
In the study, uniaxial compressive strength test (UCS) was carried out with great care and 20 'pieces with average diameter of 120 mm and 54 mm diameter were taken for each natural stone and the loading rates were 0.055, 0.011, 0.0055 and 0.0011 (mm / s). Comparison of compressive strength results and elasticity modulus values at different speeds for each natural stone is given graphically. In addition, Weibull graph and Weibull distribution parameters were shared separately for each natural stone and the relationship between the results was evaluated and interpreted.
In the indirect tensile strength test (BTS), which is of great importance in the determination of the mechanical properties of natural stones, 40 specimens with average diameter of 54 mm, average length of 30 mm were taken for each natural stone and 0.011, 0.0055, 0.00275, 0.0011 (mm / s) loading rates were performed. . As a result of the experiment, tensile strength values, Weibull distribution values and Weibull parameters for different natural stone types were shared as tables and graphs. These data were evaluated and shared in the results section.
As a result of the data obtained from these experiments, it was observed that the differences in the deformation rates applied to the rocks affect the strength and elasticity modules of the rocks. As the loading speed increases, the strength and elasticity modulus of the stones increase. There is a direct correlation between the loading speed and the modulus of strength and elasticity. These data were evaluated and shared in the results section.
In cases where the loading speed applied to natural stones is low, micro cracks on the rock are spread in the rock during loading and this reduces the strength of the rock. On the other hand, due to the fact that the cracks on the rock do not have time to spread in high speed loads, it is possible to increase the strength of the rock and take the load in a linear way.
In order to understand the mechanical and physical properties of natural stones, it is recommended to conduct experiments on various natural stones at more frequent intervals at different speeds.