Bazı ağaç türlerinin kesme modüllerinin ultrasonik ve statik yöntemlerle belirlenmesi
Determination of shear modulus of some wood species using ultrasonic and static test methods
Yazar: MURAT AYDIN
Danışman: YRD. DOÇ. DR. HASAN HÜSEYİN CİRİTCİOĞLU
Düzce Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kompozit Malzeme Teknolojileri Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2018
Konu: Ağaç İşleri = Wood Products ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences
Dizin: Kesme modülü = Shear modulus

Özet:
Bu çalışmada, ibreli ağaç türlerinden olan kızılçam, karaçam ve sarıçam odunlarında elastik özelliklerinden biri olan kesme modülü, statik ve dinamik yöntemler ile belirlenmiştir. Çalışmada kullanılan ağaçlar, Türkiye'de yetişen asli ağaç türlerinin alansal dağılımı bakımından ilk üç sırada yer aldığı ve ağaç işleri endüstrisinde sıkça kullanıldığı için tercih edilmiştir. Kızılçam ve karaçam tomruklar Isparta'dan, sarıçam tomruklar ise Bolu'dan temin edilmiştir.
Tomruklar Isparta'da biçtirilmiş ve denge rutubetine kadar kurutulmuştur. Kurumuş kerestelerden, tahribatlı ve tahribatsız test örnekleri hazırlanmıştır. Rutubetin kesme modülüne etkisini belirlemek için test örnekleri, 20±1°C sıcaklık ve %45, 65, 75 ve 85 bağıl nem koşullarında dört farklı grup oluşturacak şekilde iklimlendirilmiştir. İklimlendirme sonrası örnek yoğunlukları TS2472'ye göre belirlenmiştir. Sonrasında 1MHz frekanslı yayılım yapan kesme dalgası transdüser ve Olympus EPOCH 650 ultrasonik hata detektörü ile tahribatsız ölçümler gerçekleştirilmiş ve ilgili eşitlikler yardımı ile dinamik kesme modülleri belirlenmiştir. Tahribatsız testlerde 26 yüzeyli polihedral geometriye sahip örnekler kullanılmıştır. Bu örnekler ile elastikiyet matrisinin tüm terimleri, tek bir örnek üzerinden belirlenebilmektedir ve bu çalışmada da matrisin diyagonal terimleri olan kesme modülleri elde edilmiştir. Tahribatlı testlerde ise 45° eksen dışı basma testi uygulanmıştır. Basma testi, 5 tonluk yük hücreli universal test makinası ile gerçekleştirilmiştir. Basma esnasında meydana gelen gerilme-şekil değiştirme verileri Epsilon bi-aksiyal ekstensometre ile elde edilmiştir. Bu veriler, ilgili eşitlikler aracılığı ile statik kesme modülü belirlenmesinde kullanılmıştır. Dinamik ve statik kesme modüllerinin belirlenmesinde elde edilen veriler MS Office ve IBM SPSS v20 yazılımları ile istatistiksel olarak değerlendirilmiş ve grafik ve tablo olarak verilmiştir.  
Çalışma sonucunda dinamik kesme modülü değerleri ile statik kesme modülü değerleri en fazla %15,18 fark ile belirlenmiştir. En yüksek fark sarıçam odununun %85RH'deki LT düzleminde belirlenmiştir. Literatürde dinamik yöntemle belirlenen elastik özelliklerin statik yöntemle belirlenenden fazla olduğu ve genellikle bu farkın %20'ye kadar olduğu belirtilse de bazı çalışmalarda bu fark %40'lar civarında da olabilmektedir. 
Elde edilen bu değeler neticesinde kızılçam, karaçam ve sarıçam'ın literatürde eksik olan rutubete bağlı kesme modülü değerleri belirlenmiştir. Ayrıca, ultrasonik yöntemin bu değerleri tahmin etmede gerçeğe yakın değerler verdiği de istatistiksel olarak ortaya konulmuştur. Dolayısı ile ultrasonik ölçümlerin yapısal tasarımlarda kesme davranışının ultrasonik yöntem ile malzemeye zarar vermeden yerinde yapılabilmesi mevcut yapıların sağlamlığı ve sağlıklı olup olmadığını belirlemek adına fayda sağlayabilecektir.
Bunun yanında statik yöntemle belirlenen kızılçam, karaçam ve sarıçam kesme modülleri ve yoğunluk değerleri kullanılarak eksen dışı basma örneklerinin SEA yapılmış ve modellerin gerilme-şekil değiştirme davranışı ortaya konulmuştur. SEA için gerekli olan diğer elastik sabitler (Young's modülleri ve Poisson oranarı) litertürden elde edilmiştir. Statik testlerden elde edilen yük deformasyon eğrileri, gerilme-şekil değiştirme eğrilerine dönüştürülmüş ve SEA ile elde edilen gerilme-şekil değiştirme doğruları ile karşılaştırılmıştır. SEA sonuçlarının statik test sonuçları ile uyumluluk gösterdiği belirlenmiştir.

Abstract:
In this study, shear modulus of Calabria pine, Black pine and Scots pine wood, one of the elastic constants of wood material, were determined using static and dynamic test methods. Tress species are native to Turkey and in the top tree according to area coverage. Also they are commonly used in woodworking industry. Because of these reasons these species were chosen. Calabria pine and Black pine logs were obtained from Isparta while Scots pine logs were obtained from Bolu. 
All logs were sawn into timber in Isparta and dried till the EMC. Destructive and non-destructive test samples were prepared using dried timber. All the samples were acclimatized at constant temperature at 20±1°C and 45%, 65%, 75% and 85% relative humidity (RH) conditions in a climate chamber to determine the effect of moisture content (MC) on shear modulus. Densities of the samples were determined according to TS2472 standard. Non-destructive measurements performed using Olympus EPOCH 650 ultrasonic flaw detector and shear transducer that propagates 1MHz frequency. Dynamic shear moduli were calculated by related formulas using obtained time of flight values. 26 surface polyhedral samples used to perform non-destructive tests. All terms of elasticity matrix can be obtained on only one sample which has this type of geometry and shear moduli which are the diagonal terms of this matrix obtained in this study. Destructive test were conducted by off-axis compression test. Universal test machine with 5 tons load cell was used to perform compression test. Stress-strain values were obtained using bi-axial extensometer while performing compression test. Static shear moduli were calculated using these stess-strian values using related formulas. Obtained values that used to predict and calculate the dynamic and static shear moduli were statistically analyzed using IBM SPPP v20 and MS Office software used to create tables and graps that present the results.     
Maximum 15.18% difference between static and dynamic shear values obtained at the end of study. Maximum difference was calculated for LT plane shear modulus of Scots pine wood which acclimatized at 85% RH. According to the literature, dynamic shear modulus values are generally higher than static ones and difference between dynamic and static shear modulus is generally about 20% but this difference can reach up to 40% in some cases.
According to results, moisture dependent shear moduli of Calabria pine, Black pine and Scots pine wood, which were not in the literature, determined and it is proved that ultrasonic measurement is applicable to predict these values by reasonable differences. Consequently, it can be said that, ultrasonic measurements provide some contributions to predict shear behaviour of structures or structural designs without any destruction to ensure whether they are safe of not.
Furthermore, FEA of off-axis compression samples performed using density and shear moduli values of Black pine, Calabria pine and Scots pine that determined by static method. And then load-deformation behavior of models proved. Other elastic constants, Young's moduli and Poisson ratios, required for FEA were obtained from the literature. Load-deformation curves that obtained by static tests transformed into stress-strain curves and they compared with the stress-strain lines that obtained by FEA. And, it's determined that FEA results fairly agreed with the static test results.