PREFABRİK KOLONLARIN GÜÇLENDİRİLMESİNDE CFRP VE İNCE MANTONUN BİRLİKTE KULLANIMI

Transkript

1 Altıncı Ulusal Deprem Mühendisliği Konferansı, 16-2 Ekim 27, İstanbul Sixth National Conference on Earthquake Engineering, 16-2 October 27, Istanbul, Turkey PREFABRİK KOLONLARIN GÜÇLENDİRİLMESİNDE CFRP VE İNCE MANTONUN BİRLİKTE KULLANIMI USAGE OF CFRP AND THIN JACKETING FOR RETROFITTING OF PRECAST COLUMNS Kıvanç TAŞKIN 1, Ercan YÜKSEL 2, Serkan Ziya YÜCE 3 ve H.Faruk KARADOĞAN 4 ÖZET Betonarme manto ve karbon lifli polimer (CFRP) uygulaması betonarme elemanların güçlendirilmesinde yaygın olarak kullanılan yöntemlerdir. Bu çalışmada, hasar verilmiş prefabrik kolonların (HPK) güçlendirilmesi amacı ile her iki yöntem birlikte kullanılmıştır. İlk olarak, 2 adet 1/1 ölçekli prefabrik kolon ileri hasar düzeyi gerçekleşene kadar test edilmiştir. İkinci aşamada, iki adet HPK da önce kolon boyuna doğrultusunda CFRP uygulanması yapılmış sonra da etrafında ince betonarme manto oluşturulmuştur. CFRP ve manto uygulamasında iki farklı yükseklik denenmiştir. Güçlendirilen numuneler deprem yüklerine benzeyen yükler etkisinde denenmiştir. Deneysel olarak elde edilen sonuçlar, uygulanan yöntemin etkinliğini göstermiştir. HPK ın yatay yük taşıma kapasitesi ve enerji tüketme özellikleri bu yöntemle arttırılabilir. Anahtar Kelimeler: Güçlendirme, Prefabrik Yapılar, İnce betonarme manto,karbon Lifli Polimer ABSTRACT Reinforced concrete (RC) jacketing and carbon fiber reinforced polymers (CFRP) are used for retrofitting of reinforced concrete elements. This experimental study focuses on a new retrofitting technique that incorporates both of these methods together to retrofit pre-damaged precast concrete columns (PPCC). First, two full scale precast concrete columns were tested until a damage level having crushes of concrete and buckling of longitudinal reinforcement at the base of the columns. Second, they were retrofitted by CFRP sheets which were applied in longitudinal direction and local thin RC jacketing. Two different heights for layout of CFRP and thin RC jacketing were examined in the research. The specimens were tested using a constant axial load and reversing cyclic lateral loads predefined for different displacement levels. The experimentally obtained results were compared with each other to show the effectiveness of this new technique. It is observed that lateral load carrying capacity and energy dissipation capacity of pre-damaged precast columns can be increased using this technique. Keywords: Retrofitting, Prefabricated Structures, Thin RC jacketing, Lateral stiffness GİRİŞ Prefabrik inşaat ülkemizde daha çok sanayi yapılarında karşımıza çıkmaktadır. Tek katlı, büyük açıklıklı ve genelde konsol kolonlar üzerine oturan kirişler ile oluşturulan yapılar en çok 1 Araş.Gör., İTÜ, İSTANBUL, taskinkiv@itu.edu.tr 2 Yard.Doç.Dr., İTÜ, İSTANBUL, eyuksel@ins.itu.edu.tr 3 Araş.Gör., İTÜ, İSTANBUL, syuce@ins.itu.edu.tr 4 Prof.Dr., İTÜ, İSTANBUL, ozelkalem@itu.edu.tr 639

2 6 Prefabrik Kolonların İnce Mantoile Güçlendirilmesi karşılaşılan tiptir. Bu tip yapılarda, yatay rijitlik ve yatay yük taşıma kapasitesini doğrudan konsol kolonlar belirlemektedir İzmit ve Düzce depremlerinde prefabrik yapılarda önemli yapısal hasarlar gözlenmiştir. Tek katlı prafabrik yapılarda gözlenen en önemli hasar biçimlerinden birisi kolon-temel birleşim bölgesinde plastik mafsal oluşumudur, (Posada and Wood, 2). Yapı elemanlarının betonarme manto, çelik plakalar veya karbon lifli polimerler ile güçlendirilmesi konularında çok sayıda araştırma mevcuttur. Bingöl (24), ağır hasar görmüş prefabrik kolonların güçlendirilmesi amacı ile bölgesel ince betonarme manto kullanarak 4 adet 1/1 ölçekli numuneyi denemiştir. İnce manto kalınlığı 7.5 cm olup, kendinden yerleşen beton ile üretilmiştir. Bu teknikle güçlendirilen kolonlar orijinal durumlarına göre daha büyük yatay yük taşıma kapasitesine erişmişlerdir. Rodrieguez ve Park (1993), dört adet betonarme kolon üzerinde sismik yükleme durumunu temsil eden deneyler uygulayarak onarım ve güçlendirme tekniklerini araştırmışlardır. Kolonlar 35 x35 cm kare kesitli olup yetersiz etriyeye sahiptir. İki adet kolon önce test edilmiş sonra onarılıp güçlendirilerek tekrar denenmiştir. Diğer iki kolon güçlendirildikten sonra denenmiştir. Manto kalınlığı 1 cm dir. Orijinal kolonlar deneyler sırasında düşük süneklik ve taşıma gücünde önemli derecede azalmalar göstermiş olup, mantolanmış kolonlar bunun tam tersi bir davranış sergileyerek sünek davranmış, yüksek taşıma yükü değerlerine erişmiş ve yük taşıma kapasitesinde küçük azalmalar olmuştur. Ersoy ve diğerleri (1993), kolonların davranışını incelemek üzere iki seri deney yapmışlardır. İlk seride, aynı boyutlara sahip dört kolon monotonik olarak denenmiştir. Bu testlerden sonra denenen numuneler mantolama ile güçlendirilerek tekrar denenmiştir. İkinci seri deneylerde aynı boyutlara ve donatı düzenine sahip 3 adet mantolanmış kolon ve iki adet referans numunesi hem eksenel kuvvet hem de eğilme etkisi altında denenmiştir. Orjinal kolonların boyutları 13x13 cm ve manto kalınlığı da 2.5 cm dir. Onarılıp güçlendirilen numunelerin davranışı hem tek yönlü hem de yön değiştiren yükler etkisinde iyileşmiştir. Julio ve diğerleri (25), betonarme manto ile güçlendirilmiş kolonların yapısal davranışını inceleyen deneyler gerçekleştirmiştir. Kompozit elemanın monolitik davranışı, betonarme manto ile güçlendirilirken yüzey pürüzlülüğü olmadan bağlayıcı maddeler veya çelik bağlantı elemanları kullanılarak iyileştirilebilir. Kendinden yerleşen beton özelliklerine sahip beton ve yüksek dayanımlı beton kullanımı durumunda manto kalınlığının azaltılabileceği belirtilmiştir. Vandoros ve Dritsos (26), önceden eksenel yüklemeye maruz bırakılmış betonarme kolonların betonarme manto ile güçlendirilmesini araştırmıştır. Eksenel kuvvet altında yapılan mantolamanın elemanın dayanımında ve şekildeğiştirme kapasitesinde pozitif etkisi olduğu tespit edilmiştir. Önyükleme başlangıç rijitliğini azaltmakla beraber deneyler sırasında rijitliğin korunmasını sağlamıştır. Önyükleme etkisinde güçlendirilmiş numunenin önyüklemeye maruz kalmadan güçlendirilmiş numuneye göre daha fazla enerji tükettiği gözlenmiştir. Endüstri yapılarında kolon güçlendirmesinde kullanılan betonarme mantonun kalınlığı ve yüksekliği göz önünde tutulması gereken önemli parametrelerdir. Bu tip yapıların içerisinde çok miktarda boru ve kablo sistemi bulunduğundan, mantolama işlemi için sıkışık bir çalışma ortamı söz konusudur. Bu sebeple bu çalışmada prefabrik kolonların ¼ ve ½ yüksekliğe kadar betonarme güçlendirilmesine karar verilmiştir. Boyutların minimize edilmesi ile yapıya mantolama işlemi sonucu eklenecek kütle miktarı da azaltılmış olacaktır. İnce mantonun oluşturulmasında kendinden yerleşen beton kullanılmıştır. Betonun ince manto içindeki donatılar arasında iyi yerleşmesi, boşluk oluşmaması ve işçiliğin kolay olması bu betonun önemli üstünlükleridir. DENEYSEL ÇALIŞMA Prefabrik kolonlar atölyede üretilmiş ve İTÜ İnşaat Fakültesi Yapı ve Deprem Mühendisliği Laboratuvarına getirilmiştir. Bu çalışmada x cm boyutlarında iki adet kolon denenmiştir. Kolon boyu 4 m. dir. Her iki kolon için, beton ortalama silindir basınç dayanımı 25 MPa ve donatı akma dayanımı da 42 MPa dır. Birinci kolonda 8Φ2 (%1.5), diğer kolonda ise 12Φ2 (%2.4) boyuna donatı bulunmaktadır, Şekil 1. Orijinal numuneler denendikten sonra, her iki numunede de kolon-temel birleşim bölgesinde beton ezilmiş ve dağılmış, boyuna donatıların çoğu burkulmuş ve bazıları da kopmuştur.

3 K.Taşkın, E.Yüksel, S.Z.Yüce ve H.F.Karadoğan 641 Bu çalışmada, CFRP betonda sargı etkisi oluşturmak üzere enine sarılma biçiminde uygulanmamış, kolon boyuna doğrultusunda boyuna donatı olarak kullanılmıştır. CFRP nin gevrek bir malzeme olması ve boyuna doğrultuda kullanılması nedeni ile burkulmasının engellenmesi için, CFRP tabakası üzerinde 7.5 cm kalınlıklı betonarme manto oluşturulmuştur. Orjinal ve güçlendirilmiş kolonlara ait özellikler topluca Tablo 1 de verilmektedir. 55 İNCE BETONARME MANTO 55 Φ2 55 Φ2 Φ2 55 Φ2 CFRP Şekil 1. Orjinal ve güçlendirilmiş kolon kesit özellikleri Tablo 1. Orijinal ve güçlendirilmiş kolonların karakteristik özellikleri a a a a a a a a b b h 2 h 1 b b h 1 h 2 NUMUNE N1 N1_R N2 N2_R h 1 1m 2m h 2 2m 3m Kesit a-a x cm x cm x cm x cm Kesit b-b 55 x 55 cm 55 x 55 cm DONATI Boyuna 8 Φ 2 1Φ2 12Φ 2 1 Φ 2 Enine Φ8/1-15 Φ8/5 Φ8/1-15 Φ8/5 HPK ların güçlendirilmesinde izlenen sıra aşağıda özetlenmiştir: 1. Hasarlı kolonlar düşey konumuna getirilmiştir. Plastik mafsal bölgesinde zayıf beton tabakalar temizlenerek numuneden uzaklaştırılmış ve donatılar açığa

4 642 Prefabrik Kolonların İnce Mantoile Güçlendirilmesi çıkarılmıştır. Plastik mafsal bölgesinin üzerinde kolon yüksekliğince oluşan çatlakların çevresi temizlenmiştir. Plastik mafsal bölgesinde burkulan ve kopan boyuna donatılar 15-2 cm lik bölümlerinden kesilmiş ve aynı çaplı yeni donatı kaynakla birleştirilmiştir, Şekil 2. Bu işlemler tamamlandıktan sonra, numunenin üzeri temizlenerek, CFRP uygulamasına hazır hale getirilmiştir. 2. Manto boyuna donatıları için ankraj delikleri açılmıştır. Herbir delik 3 cm derinliğindedir. Kolonda oluşan çatlaklar epoksi enjeksiyonu ile kapatılmıştır. 3. CFRP belirli boylarda kesilerek hazırlanmıştır. N1 numunesinde 2m lik, N2 numunesinde ise 3m lik parçalara ayrılmıştır. Tablo 1 den de anlaşılacağı gibi her iki numunede de CFRP, betonarme mantonun 1m yukarısına kadar devam ettirilmiştir. Daha önceden kesilerek hazırlanan CFRP parçaları yüzeye yapıştırılmış ve sonra bir kat daha epoksi reçinesi ile kaplanmıştır, Şekil 2. CFRP temele ankre edilmemiştir. 4. Mantolanmış kesit alanının yaklaşık %1 ine karşı gelen manto boyuna donatısı soket temel üzerinde açılan ankraj deliklerine epoksi ile sabitlenmiştir. Boyuna donatı ankrajı yeterli dayanıma ulaştığında manto için hazırlanan etriyeler yerlerine bağlanmıştır, Şekil 3. Daha sonra manto betonu dökülmüştür. Manto betonunun silindir beton basınç dayanımı 35 MPa olarak tespit edilmiştir Şekil 2. Boyuna donatının onarımı, manto boyuna donatısın yerleştirilmesi ve CFRP uygulaması 1 2 Şekil 3. Manto boyuna donatısı yerleşimi ve kalıp sistemi Prefabrik kolonlara eksenel yük taşıma kapasitesinin yaklaşık %5 ine karşılık gelen sabit eksenel kuvvet etkitilmiştir. Eksenel kuvvet, halatlar ve rijit bir kiriş vasıtası ile numune üzerine yerleştirilen hidrolik kriko vasıtası ile oluşturulmuştur. Kolon tepesine yatay konumda bağlanan

5 K.Taşkın, E.Yüksel, S.Z.Yüce ve H.F.Karadoğan 643 MTS-25 kn luk bilgisayar kontrollü hidrolik veren ile tersinir tekrarlı yerdeğiştirme çevrimleri numunelere etkitilmiştir, Şekil 4. Her yerdeğiştirme düzeyi üçer kez tekrarlanmıştır. Yük Hücresi ve Hidrolik Veren MTS Hidrolik Actuator Çelik Reaksiyon Duvarı Çelik Halatlar Ard Germe Çubukları Laboratuvar Test Döşemesi Şekil 4. Deney düzeneği Numune üzerinde değişik kesitlere yerleştirilen yerdeğiştirme ölçerler ile yerdeğiştirme ve eğrilik okumaları yapılmıştır, Şekil 5. AXIAL LOAD LATERAL LOADING AXIAL LOAD δ1 LATERAL LOADING CH.57 CH.16 CH.56 δ4 δ1 CH.55 δ mm CH.32 CH.31 CH.54 CH.34 CH.33 CH mm 995 mm θ1 ε3 δ8 ε6 ε2 δ7 ε5 CH.36 CH. CH.38 CH.35 CH.37 ~ mm CH mm CH mm 3 mm CH.51 θ5 θ2 θ3 ε1 δ6 ε4 θ4 δ5 CH.42 ~815 mm CH.41 CH.14 θ6 ~1383 mm 33 mm δ2 Şekil 5. Yerdeğiştirme ve Eğrilik Ölçüm Düzeneği

6 644 Prefabrik Kolonların İnce Mantoile Güçlendirilmesi DENEY SONUÇLARI Orijinal kolonlar için (N1 ve N2 numuneleri) elde edilen tepe yerdeğiştirmesi-yatay kuvvet ilişkisi ve zarf eğrileri Şekil 6 ve Şekil 7 de verilmiştir. Taban Kesme Kuvveti (kn) Yerdeğiştirme (mm) Yerdeğiştirme (mm) Şekil 6. N1 ait Taban Kesme Kuvveti-Yerdeğiştirme ve Zarf Eğrisi Grafikleri Yerdeğiştirme (mm) Yerdeğiştirme(mm) Şekil 7. N2 ye ait Taban Kesme Kuvveti-Yerdeğiştirme ve Zarf Eğrisi Grafikleri Güçlendirme sonrasında yapılan deneylerde (N1_R ve N2_R) elde edilen yatay yük tepe yerdeğiştirmesi ilişkileri de Şekil 8 ve Şekil 9 da verilmektedir. Taban Kesme kuvveti(kn) Yerdeğiştirme (mm) Yerdeğiştirme(mm) Şekil 8. N1_R e ait Taban Kesme Kuvveti-Yerdeğiştirme ve Zarf Eğrisi Grafikleri

7 K.Taşkın, E.Yüksel, S.Z.Yüce ve H.F.Karadoğan Yerdeğiştirme(mm) Taban Kesme Kuvveti (kn) Yerdeğiştirme(mm) Şekil 9. N2_R ye ait Taban Kesme Kuvveti-Yerdeğiştirme ve Zarf Eğrisi Grafikleri N1 ve N2 numunelerinde güçlendirme öncesi ve sonrası davranışa ait zarf eğrileri sırası ile Şekil 1 un sol ve sağ bölümünde verilmiştir. Şekil 1 dan da görüldüğü gibi, güçlendirme sonrasında rijitlik, dayanım değerlerinde önemli artışlar olmuştur. Taban Kesme Kuvveti( kn) N N1_R Yer Değiştirme(mm) Yer Değiştirme(mm) N2 N2_R Şekil 1. Numunelerin zarf eğrilerinin karşılaştırılması Gerçekleşen en büyük kesme kuvvetine karşı gelen tepe yerdeğiştirmesi ve rijitlik değerleri de tüm numuneler için Tablo 2 de özetlenmiştir. Tablo 2. En büyük taban kesme kuvvetine karşılık gelen yerdeğiştirme ve rijitlik değerleri Numune En Büyük Taban Kesme Kuvveti Yerdeğiştirme En Büyük Taban Kesme Kuvvetine Karşı Gelen Rijitlik [kn] [mm] [kn/mm] N1 +62 / -58 ± N1_R +12 / -18 ± N / -83 ± N2_R / ±

8 646 Prefabrik Kolonların İnce Mantoile Güçlendirilmesi N1_R numunesinde betonarme mantonun üzerindeki 1 m lik bölümde CFRP kolon yüzeyinden tamaman ayrılmıştır, Şekil 11. Şekil 11. N1_R numunesinde CFRP nin ayrılması N1_R numunesinde FRP ayrıldıktan sonra, manto betonunun üzerindeki orijinal kolon kesitinde plastikleşme meydana geldiği tespit edilmiştir. Betonarme manto yüzeyinde dağılı olarak ince çatlaklar meydana gelmiştir, Şekil 12. Şekil 12. N1_R nin deney sonrası hasar durumu N2_R numunesinde betonarme manto üzerindeki 1 m lik CFRP bölümünde gözlenen ayrılma çok az olmuştur. Betonarme manto yüzeyinde oluşan eğilme çatlaklarının genişliği N1_R ye göre küçüktür. Deneyin son aşamasında, N2_R numunesinin kolon-soket birleşim bölgesinde soket köşe noktalarında önemli hasar gözlenmiştir, Şekil 13.

9 K.Taşkın, E.Yüksel, S.Z.Yüce ve H.F.Karadoğan 647 Şekil 13. N2_R ün deney sırasında ve sonrasında oluşan hasar durumu N1 ve N2 numunelerinde güçlendirme öncesi ve sonrasında farklı göreli kat öteleme oranları için gerçekleşen kümülatif enerji tüketim miktarları sırası ile Şekil 14 ve Şekil 15 de verilmiştir. 2 Kümülatif Enerji [knmm] N1_ R N1.% 2.% 4.% 6.% Göreli Kat Ötelemesi Şekil 14. N1_R nin enerji tüketim grafiği 2 Kümülatif Enerji [knmm] N2_ R N2.% 2.% 4.% 6.% Göreli Kat Ötelemesi Şekil 15. N2_R nin enerji tüketim grafiği

10 648 Prefabrik Kolonların İnce Mantoile Güçlendirilmesi SONUÇ Farklı boyuna donatı oranına sahip x cm kesitli ve 1/1 ölçekli iki adet betonarme öndöküm kolon ağır hasar düzeyine kadar test edildikten sonra CFRP ve ince betonarme manto birlikte kullanılarak güçlendirilmiş ve sabit normal kuvvet ve depremi çağrıştıran tersinir tekrarlı yatay yükler etkisinde denenmiştir. Deneysel çalışmada elde dilen sonuçlar aşağıda özetlenmektedir. Güçlendirme sonrasında kolon kesme kuvveti kapasitesi, N1 numunesi için %73 oranında, N2 numunesi için ise %56 oranında artmıştır. Uygulanan güçlendirme tekniği neticesinde değişik tepe yerdeğiştirmesi düzeylerinde gözlenen yatay rijitlik artımları küçüktür. En büyük taban kesme kuvvetine karşı gelen durum için, yatay rijitlikteki artış N1 numunesinde %3, N2 numunesinde ise %8 olarak kaydedilmiştir. Güçlendirilmiş kolonlarda en büyük taban kesme kuvvetine karşı gelen tepe yerdeğiştirmesi değeri büyümüştür. N1 numunesinde %3 göreli kat ötelemesi değeri için, güçlendirme sonrasında elde edilen kümülatif enerji tüketimi miktarı orijinal duruma göre yaklaşık % artmıştır. Bu oran N2 numunesinde %148 olarak kaydedilmiştir. N1_R numunesinde mantolanan bölgenin üzerinde kalan kolon bölümünde hasar oluşurken, N2_R numunesinde ise gözlenen hasar kolon-soket birleşim bölgesinde yoğunlaşmıştır. Gözlenen hasar durumları ve enerji tüketim grafikleri değerlendirildiğinde, N2_R numunesinin N1_R ye göre daha başarılı bir davranış sergilediği söylenebilir. Teşekkür Çalışmanın gerçekleştirilmesi için sağladıkları katkılardan dolayı Türkiye Prefabrik Birliğine ve İTÜ Yapı ve Deprem Mühendisliği Laboratuarı çalışanlarına teşekkür ederiz. KAYNAKLAR Bıngol Y.(24), Bölgesel İnce Manto ile Güçlendirilmiş Kare Kesitli Kolonların Davranışı, Yüksek Lisans Tezi, Fen Bilimleri Enstitüsü,İstanbul Teknik Üniversitesi, Türkiye Ersoy,U., Tankut, T., Suleiman, R., (1993), Behavior of Jacketed Columns, ACI Structural Journal, 9(3), Julio, E., Branco, F., Silva, V., (25), Reinforced Concrete Jacketing Interface Influence on Monotonic Loading Response, ACI Structural Journal, 12(2), Posada, M., Wood, S.L., (21) The Third U.S.-Japan Workshop on Performance-Based Earthquake Engineering Methodology for Reinforced Concrete Building Structures,Washington, pp Rodrieguez M. and Park R., (1993), Seismic Load Tests on Reinforced Concrete Columns Strengthened by Jacketing, ACI Structural Journal, 91(2), Vandoros, K., Dritsos, S. (26), Axial Preloading Effects When Reinforced Concrete Columns Are Strengthened by Concrete Jackets, Prog. Structural Engineering Materials, 8,