Dokuz Eylül Üniversitesi İnşaat Mühendisliği Bölümü. Alternatif Yapı Malzemeleri

Transkript

1 Dokuz Eylül Üniversitesi İnşaat Mühendisliği Bölümü Alternatif Yapı Malzemeleri 4. Yapılarda polimer kullanımı 4.5. FRP kompozitlerin onarım ve güçlendirmede kullanımı Giriş Eğilme ve kesmeye çalışan elemanlarda (kirişler ve döşemeler) kullanılan malzeme ve yöntemler Eksenel yük altındaki elemanlarda (kolonlar, viyadük ayakları) kullanılan malzeme ve yöntemler Diğer yapı elemanlarında ve dolgu duvarlarda kullanılan malzeme ve yöntemler Onarım ve güçlendirmede kullanılan FRP malzemelerle ilgili örnekler Düğüm noktalarının güçlendirilmesi ile ilgili yaklaşımlar 1

2 Giriş Onarım (repair): Yapı elemanında çeşitli nedenlerle meydana gelen bozulmaların tamiratıdır. Yapısal bir taşıma gücü artışı yoktur. Güçlendirme (retrofitting or strengthening): Yapı sisteminin belli bir amaç için mevcut taşıma gücünün arttırılması için yapılan çalışmalardır. Yapı sistemi güçlendirme; uzmanlık, tecrübe ve bilgi birikimi gerektiren bir iştir. Beton çekmede zayıf, basınçta kuvvetli iken plaka formundaki FRP kompozitler çekmede güçlüdür ancak düşük basınç kuvvetlerinde bile kolayca burkulur. Bu iki malzemenin kombinasyonu ile her iki malzemenin avantajlı özellikleri biraraya getirilirken zayıflıkları ortadan kalıdırılabilir. 2

3 Giriş Betonarme elemanların onarım ve güçlendirilmesinde kullanılan yöntemler: 1. Dıştan FRP plaka yapıştırma [external plate bonding (EPB)] ve kumaş FRP ile sarma 2. Çubuk formda veya plakadan kesilmiş şerit formda FRP'nin yüzeye yakın bölgeye uygulaması [Near Surface Mounted (NSM) rods or plates] EPB NSM Mevcut betonarme elemanın eğilme etkisinde en çok zorlanan kesitine monte edilebilir. 3

4 Giriş Güçlendirme yöntemleri iki sınıfa ayrılır: a) Pasif güçlendirme: Yapıya gelen yükler dikkate alınmadan sadece mevcut yapı elemanlarının enkesitleri büyütülerek veya yeni elemanlar eklenerek-yapıştırılarak yapılan güçlendirmedir. -Yapı elemanının eksenel, eğilme veya kesme yüklerine karşı taşıma gücü ve rijitliği arttırılır. Ancak yeterli bir yaklaşım değildir. Çünkü tek bir elemanı güçlendirmek sistemin performansı açısından olumsuz sonuçlar doğurabilir. Daha çok mevcut taşıma gücünü herhangi bir nedenden dolayı yitirmiş elemanlarda eski performansına geri dönüş için tercih edilmesi gereken bir yöntemdir. -Yapı sistemi modellenerek, sistemin performansını arttırıcı güçlendirme yöntemleri kullanmak daha doğru bir yaklaşımdır. Bu tür hesap yöntemleri dersin kapsamı dışında olup, burada sadece güçlendirme malzemeleri, uygulama teknikleri ve yapılan bazı deney sonuçları üzerinde durulacaktır. Vid slayt 4a b) Aktif güçlendirme: Art germe yöntemleri kullanılarak kirişlerde eğilme rijitliğini arttırıcı yöntemlerdir. Vid slayt 4b: Kolonlarda art germe ile güçlendirme 4

5 Giriş Onarım ve/veya güçlendirmeye ne zaman ihtiyaç duyulur: -Yapıya etkiyen hareketli yüklerde hesapta öngörülmeyen artışlar olduğunda -Yapının kullanım amacı değiştirilip daha yoğun kullanım olduğunda - Köprülerde genişletme gereksinimi olduğunda - Ön gerilmeli kirişlerde, gerilme kaybı tespit edildiğinde - Yeni tasarım yaklaşımları ile şartname ve yönetmeliklerde değişiklikler yapıldığında - Üretim sırasında yetersiz malzeme kullanımı, hatalı işçilik vb. problemler yapısal sistemde risk oluşturduğunda. - Zamana bağlı olarak yapı elemanlarının dış etkilerle yıpranması ve taşıma gücünü kaybetmeleri nedeniyle. Pek çok betonarme ve çelik yapı servis ömründen daha kısa sürelerde yukarıda sıralanan nedenlerden dolayı onarım ve/veya güçlendirmeye ihtiyaç duymaktadır. 5

6 Giriş Onarım ve/veya güçlendirmede FRP kompozitlerin kullanımı Hesap yöntemleri ile ilgili öneriler 6

7 Eğilme ve kesmeye çalışan elemanlarda (kirişler ve döşemeler) kullanılan malzeme ve yöntemler Betonarme ve çelik yapıların eğilmeye çalışan elemanlarında kullanılabilecek malzemeler - Plaka veya kumaş formundadır. Kirişe alttan yapıştırılır. -Tek başına kullanıldığında eğilme yükü altında betondan kolayca sıyrılır. Bu nedenle FRP kumaşlarla sarılarak (U sarma kullanılması daha uygundur.) - Çubuk formda elemanlar betona ankraj ve yapıştırma yoluyla uygulanır. Plaka (plate, strip) formunda CFRP Vid 7a Vid 7b Kumaş (sheet) formunda CFRP Vid 7c 7

8 Eğilme ve kesmeye çalışan elemanlarda (kirişler ve döşemeler) kullanılan malzeme ve yöntemler a) Sadece kirişlerin eğilme rijitliğinin arttırılması amacıyla rijit FRP plakalar epoksi reçinesi ile yüzeye yapıştırılır. Sağlıklı bir uygulama değildir. Çünkü plakalar eğilme etkisi sonucu oluşan sehimle birlikte betondan delamine olabilir. 8

9 Eğilme ve kesmeye çalışan elemanlarda (kirişler ve döşemeler) kullanılan malzeme ve yöntemler 9

10 Eğilme ve kesmeye çalışan elemanlarda (kirişler ve döşemeler) kullanılan malzeme ve yöntemler b) Plakalarla eğilme rijitliği arttırılan kirişte plakaların delaminasyonunu engellemek için kumaş FRP ile sarılması avantajlı olacaktır. U şeklindeki sarma aynı zamanda kayma donatısına destek olur ve sıyrılmayı zorlaştırır. FRP kumaşlar yüzeye çeşitli reçine ve boyalarla uygulanır. (UV ve yangın dayanıklılığı) 10

11 Eğilme ve kesmeye çalışan elemanlarda (kirişler ve döşemeler) kullanılan malzeme ve yöntemler Gatwick Havaalanı güney ternimaline yeni yürüyen merdivenlerin eklenmesi planlanmış. Bu merdivenleri taşıyacak sistemin yeniden tasarlanması bazı kirişlerin güçlendirmesi gerekmiştir. Güçlendirme için CFRP malzemesi kullanılmıştır (2010). Önce CFRP plakalar yapıştırılıp üzerine CFRP kumaşlar sarılmıştır. 11

12 Eğilme ve kesmeye çalışan elemanlarda (kirişler ve döşemeler) kullanılan malzeme ve yöntemler GFRP ile sarılmış bir kiriş örneğinin eğilme deneyi 12

13 Eğilme ve kesmeye çalışan elemanlarda (kirişler ve döşemeler) kullanılan malzeme ve yöntemler c) Araç çarpması kaynaklı darbe ile hasar gören prefabrik kirişlerin yerinde onarımı 13

14 Eğilme ve kesmeye çalışan elemanlarda (kirişler ve döşemeler) kullanılan malzeme ve yöntemler d) Korozyon nedeniyle paspayı tabakası kapak atan kirişin donatı arkasına kadar açılıp temizlendikten sonra tamir harcı uygulanması ve FRP ile eğilme rijitliğinin lokal olarak arttırılması 14

15 Eğilme ve kesmeye çalışan elemanlarda (kirişler ve döşemeler) kullanılan malzeme ve yöntemler e) Sadece döşeme sehiminin sınırlandırılması veya yük taşıma kapasitesinin arttırılması için yapılan uygulamalar Vid slayt 15 f) Tarihi yapılarda kubbe rijitliğinin arttırılması için yapılan uygulamalar (İtalya) 15

16 Eğilme ve kesmeye çalışan elemanlarda (kirişler ve döşemeler) kullanılan malzeme ve yöntemler g) Tarihi kemerlerde kilittaşı bozulmalarının yaratacağı göçük riskinin azaltılması (İtalya) 16

17 Eğilme ve kesmeye çalışan elemanlarda (kirişler ve döşemeler) kullanılan malzeme ve yöntemler Alttaki FRP Üstteki FRP 17

18 Eğilme ve kesmeye çalışan elemanlarda (kirişler ve döşemeler) kullanılan malzeme ve yöntemler h) Kirişlerde kayma direncinin arttırılması için kullanılabilecek FRP uygulamaları Bu amaçlı pahlı L formunda rijit plaklar da mevcut 18

19 Eğilme ve kesmeye çalışan elemanlarda (kirişler ve döşemeler) kullanılan malzeme ve yöntemler i) Viyadük ayaklarında kesme güçlendirmesi Sika 1999 j) Üzerinden yük ağır yük geçecek köprünün eğilme ve kesmeye karşı güçlendirilmesi (İnş.Müh.A.Ceylan) 19

20 Eğilme ve kesmeye çalışan elemanlarda (kirişler ve döşemeler) kullanılan malzeme ve yöntemler k) FRP plaka ve kumaşlar kullanılarak tüm köprü kiriş-tabliye sistemi güçlendirilebilir. 20

21 Eğilme ve kesmeye çalışan elemanlarda (kirişler ve döşemeler) kullanılan malzeme ve yöntemler l) Çelik profillerde ek yük taşıma kapasitesi veya sehim sınırı için CFRP uygulaması CFRP: 1500 MPa çekme dayanımı ve isteğe göre GPa E-modülü Glulam Çelik ve ahşap kirişlerde de CFRP kullanımı mümkündür. 21

22 Eğilme ve kesmeye çalışan elemanlarda (kirişler ve döşemeler) kullanılan malzeme ve yöntemler m) Ahşap kompozit kirişlerde eğilme ve kesme rijitliği artışı 22

23 Eğilme ve kesmeye çalışan elemanlarda (kirişler ve döşemeler) kullanılan malzeme ve yöntemler n) Tarihi dökme demir (cast iron) kirişlerin güçlendirilmesi (2003) Linney Lane Rail Bridge, Oldham 23

24 Eğilme ve kesmeye çalışan elemanlarda (kirişler ve döşemeler) kullanılan malzeme ve yöntemler o) Öngerilmeli betonarme kirişlerde öngerilme kaybı kirişte çatlaklara neden olmuştur (İtalya) yılında yapılan CFRP uygulamasında krikolarla kaldırılan kirişe CFRP plaka ve kumaşlar sarılarak sehim yapması engellenmiştir. Ayrıca hesaplar sonucu kirişin kesme etkisinde kalan bölgelerine plakalar monte edilmiştir. 24

25 Eğilme ve kesmeye çalışan elemanlarda (kirişler ve döşemeler) kullanılan malzeme ve yöntemler p) Özellikle çelik köprü kirişlerinde art germe uygulamalarında CFRP donatı çubukları kullanılmaktadır. CFRP çubuk veya halatlar kullanarak ard germeli güçlendirme uygulamaları 25

26 Eğilme ve kesmeye çalışan elemanlarda (kirişler ve döşemeler) kullanılan malzeme ve yöntemler r) Betonarme yapılarda FRP kompozitleri, tek boyutlu çelik donatı veya hasır donatı yerine kullanılabilir. Ön veya art gerilmeli beton uygulamalarında yüksek dayanımlı öngerilme donatısı veya halatı olarak başarı ile kullanılmaktadır. Ancak işlenebilirlik? Karbon ve cam takviyeli donatı çubukları 26

27 Eğilme ve kesmeye çalışan elemanlarda (kirişler ve döşemeler) kullanılan malzeme ve yöntemler s) CFRP donatı çubukları daha çok köprü genişletme çalışmalarında art germeli kiriş imalatında (post-tensioning systems) kullanılmaktadır. Uygulaması köprü genişletme 27

28 Eksenel yük altındaki elemanlarda (kolonlar, viyadük ayakları) kullanılan malzeme ve yöntemler a) Kolonlarda boyuna ve enine donatı (etriye) desteği sağlama ve böylece eksenel yük taşıma kapasitesini arttırma amacıyla FRP plaka ve kumaşlar kullanılır. 28

29 Eksenel yük altındaki elemanlarda (kolonlar, viyadük ayakları) kullanılan malzeme ve yöntemler 29

30 Eksenel yük altındaki elemanlarda (kolonlar, viyadük ayakları) kullanılan malzeme ve yöntemler Dıştan etriye sıklaştırılması Dikdörtgen kesitlerde pahlamaya dikkat edilmelidir. 30

31 Eksenel yük altındaki elemanlarda (kolonlar, viyadük ayakları) kullanılan malzeme ve yöntemler b) Rijitlik-düktilite dengesini sağlamak için biraz daha düşük dayanımlı ve şekil değiştiren kapasitesi fazla liflerle üretilen FRPler ile yapılan çalışmalar son yıllarda önem kazanmaktadır. 31

32 Eksenel yük altındaki elemanlarda (kolonlar, viyadük ayakları) kullanılan malzeme ve yöntemler c) Korozyondan hasar görmüş betonarme kolonların FRP ile tamiri (GFRP ve CFRP yan yana uygulanmıştır.) Cam lifi kumaş uygulaması Karbon lifi kumaş uygulaması 32

33 Eksenel yük altındaki elemanlarda (kolonlar, viyadük ayakları) kullanılan malzeme ve yöntemler? Cam lifi kumaş uygulaması Karbon lifi kumaş uygulaması 33

34 Eksenel yük altındaki elemanlarda (kolonlar, viyadük ayakları) kullanılan malzeme ve yöntemler d) Islanma-kuruma bölgelerinde korozyondan hasar görmüş çelik iskele kazıklarının FRP sargılarla güçlendirilmesi ve korunması Profil ile FRP arası boşluğa genleşen şerbet dökülmüştür. 34

35 Eksenel yük altındaki elemanlarda (kolonlar, viyadük ayakları) kullanılan malzeme ve yöntemler e) Deformasyonların sınırlandırılması için kolonlarda FRP plaka ve sargılar kullanılabilir. Utah, ABD,

36 Diğer yapı elemanlarında ve dolgu duvarlarda kullanılan malzeme ve yöntemler f) Silolarda FRP ile onarım ve güçlendirme Silo dış çeperinde izler açılıp CFRP çubuklar yerleştirilmiş ve epoksi ile kaplanarak donatılandırma yapılmıştır. NSM (near surface mounting) yöntemi 36

37 Diğer yapı elemanlarında ve dolgu duvarlarda kullanılan malzeme ve yöntemler g) Bacalarda FRP ile onarım ve güçlendirme Isı önemli 37

38 Diğer yapı elemanlarında ve dolgu duvarlarda kullanılan malzeme ve yöntemler h) Termik santral soğutma kulelerinin güçlendirilmesi projesi (2000) 1974'te yapılan kuleler 104 m yüksekliğindedir. Kevlar (aramit) FRP Koruyucu poliüretan kaplama West Burton Power Station, Nottinghamshire 38

39 Diğer yapı elemanlarında ve dolgu duvarlarda kullanılan malzeme ve yöntemler i) Çelik borularda ve boru hatlarında onarım ve güçlendirme için FRP kaplama 39

40 Diğer yapı elemanlarında ve dolgu duvarlarda kullanılan malzeme ve yöntemler j) Tünellerde FRP kullanımı 40

41 Diğer yapı elemanlarında ve dolgu duvarlarda kullanılan malzeme ve yöntemler k) Tarihi yapılarda taş veya tuğla duvarların rijitliğini arttırmak için FRP plaka ve şerit kumaşlar kullanılmaktadır. Dolgu duvarlarda da FRP uygulamaları 41

42 Diğer yapı elemanlarında ve dolgu duvarlarda kullanılan malzeme ve yöntemler l) Betonarme çerçevelerin dolgu duvarların FRP kumaşlar yardımıyla rijit çerçeve elemanları oluşturulabilir. Vid. CFRP ankraj 42

43 GFRP 43

44 Diğer yapı elemanlarında ve dolgu duvarlarda kullanılan malzeme ve yöntemler Betonarme çerçevelerin dolgu duvarların FRP kumaşlar yardımıyla rijit elemanları oluşturulabilir. çerçeve Prof.Dr. Alper İlki İstanbul Teknik Üniversitesi,

45 Diğer yapı elemanlarında ve dolgu duvarlarda kullanılan malzeme ve yöntemler m) Patlamalara dayanıklı dolgu duvar tasarımında modifiye FRP kompozitler kullanılmaktadır. FRP kompozitlerin gevrek yapısı kullanılan reçine değiştirilerek azaltılmakta, böylece darbe etkisinde düktil davranış göstermeleri sağlanmaktadır. Bu amaçla poliüretan reçineler kullanılarak FRP kompozitlerin uzama kapasitesi %400'e kadar çıkartılabilmiştir (Casadei and Agneloni). Birkaç tabaka FRP kompoziti biribirine yapıştırarak kullanmak duvarın deformasyon yapma ve enerji sönümleme özelliğini arttırmıştır. Elastic Systems for Dynamic Retrofitting of Structures E.S.D.R. 45

46 Onarım ve güçlendirmede kullanılan FRP malzemelerle ilgili örnekler 1. Eski öngerilmeli köprü kirişlerinin güçlendirilmesi ile ilgili deneysel bir çalışma Bu çalışmada, 40 yıllık öngerilmeli betonarme kirişlerin çeşitli CFRP malzemeleri ile dıştan yapıştırma (Externaly Bonded) veya yüzeye yakın bölgeye montaj (Near Surface Mounted) yöntemiyle güçlendirilmesi sonucu elde edilen performanslar Rizkalla vd. tarafından kıyaslanmıştır. 46

47 Onarım ve güçlendirmede kullanılan FRP malzemelerle ilgili örnekler 47

48 Onarım ve güçlendirmede kullanılan FRP malzemelerle ilgili örnekler 48

49 Onarım ve güçlendirmede kullanılan FRP malzemelerle ilgili örnekler 49

50 Onarım ve güçlendirmede kullanılan FRP malzemelerle ilgili örnekler 50

51 Onarım ve güçlendirmede kullanılan FRP malzemelerle ilgili örnekler CFRP şerit plakalar (strip) CFRP kumaşlar (sheet) 51

52 Onarım ve güçlendirmede kullanılan FRP malzemelerle ilgili örnekler 52

53 Onarım ve güçlendirmede kullanılan FRP malzemelerle ilgili örnekler 53

54 Onarım ve güçlendirmede kullanılan FRP malzemelerle ilgili örnekler Yüzeye yakın bölgeye montaj (Near Surface Mounted) yöntemiyle güçlendirilen kirişlerde beton kırılarak göçme meydana gelmiştir. 54

55 Onarım ve güçlendirmede kullanılan FRP malzemelerle ilgili örnekler Dıştan yapıştırma şerit EB-1 Kumaş formundaki CFRP şerit plakaların yapıştırıldığı kirişlerde göçme, şeritlerin betondan ayrılması şeklinde gerçekleşmiştir. Şeritlerin beton kirişe U şeklinde sarmalandığı noktalarda ayılma olmadığı görülmektedir. 55

56 Onarım ve güçlendirmede kullanılan FRP malzemelerle ilgili örnekler Dıştan yapıştırma şerit CFRP (strip) EB-3 56

57 Onarım ve güçlendirmede kullanılan FRP malzemelerle ilgili örnekler Dıştan yapıştırma CFRP plaka (sheet) Göçme CFRP kompozit parçalanarak meydana gelmiştir. EB-2 57

58 Onarım ve güçlendirmede kullanılan FRP malzemelerle ilgili örnekler Dıştan yapıştırma CFRP plaka (sheet) Göçme CFRP kompozit parçalanarak meydana gelmiştir. EB-4 58

59 Onarım ve güçlendirmede kullanılan FRP malzemelerle ilgili örnekler 2. Yüzeye yakın kısma montaj mı? (NSM) Dıştan yapıştırma mı? (EB) Pek çok parametreye bağlı (uygulamaya, örnek boyutlarına, malzeme dayanımına.) Bu sefer bir önceki örnek gibi plaka kirişe sargılanmamış! Bu çalışmada fark belirgin olmamıştır. 59

60 Onarım ve güçlendirmede kullanılan FRP malzemelerle ilgili örnekler 3. Bir başka çalışmada betonarmeye ankrajlama uygulamasının FRP sıyrılmasını (debonding) engellediği belirlenmiştir. 60

61 Onarım ve güçlendirmede kullanılan FRP malzemelerle ilgili örnekler FRP plakaların ankrajlanması gerekmektedir. Kesme güçlendirmesi için tek başına FRP plaka yeterli gelmemekte, plaka betondan kolayca ayrılmaktadır. 61

62 Onarım ve güçlendirmede kullanılan FRP malzemelerle ilgili örnekler 4. Ankrajlama ve yapıştırma en etkili çözüm 2,3,6 CFRP straps 4,5 CFRP straps+plates Özgür Anıl, ,3,4,5 anchorages 62

63 Onarım ve güçlendirmede kullanılan FRP malzemelerle ilgili örnekler Özgür Anıl,

64 Onarım ve güçlendirmede kullanılan FRP malzemelerle ilgili örnekler 64 Özgür Anıl, 2007

65 Onarım ve güçlendirmede kullanılan FRP malzemelerle ilgili örnekler 5. Hem yapıştırma hem ankraj en etkili çözümdür (başka bir çalışma). 65

66 Düğüm noktalarının güçlendirilmesi ile ilgili yaklaşımlar İnş.Y.Müh. Nejat Bayülke 66

67 Düğüm noktalarının güçlendirilmesi ile ilgili yaklaşımlar Buraya kadar incelenen tüm örneklerde, eğilme ve basınç etkileri altındaki elemanların rijitlikleri arttırılmakta, ancak düğüm noktasına müdahale edilmemektedir. Düğüm noktası çerçeve sistemlerin en hassas bölümü olup, bu noktaların güçlendirilmesi için çeşitli yaklaşımlar geliştirilmiştir: Dış ve iç düğüm noktaları için önerilen bazı CFRP uygulama yöntemleri 67

68 Düğüm noktalarının güçlendirilmesi ile ilgili yaklaşımlar (Ghobarah and Said 2002) T1 and T2 original specimens 68

69 Düğüm noktalarının güçlendirilmesi ile ilgili yaklaşımlar Vid slayt 69 Donatısı az bir kolon kiriş birleşim bölgesinde tersinir yüklemeler sonucu elde edilen yük-şekil değişimi zarfları. Güçlendirme öncesi CFRP güçlendirmesi ile (Kayma dayanımında %70 artış) 69

70 Düğüm noktalarının güçlendirilmesi ile ilgili yaklaşımlar Betonarmenin yanında alüminyum veya çelik kaynaklı kafes sistemlerin düğüm noktalarında da onarım amacıyla ve düğüm noktası rijitliğini arttırmak için kaynak tamiri sonrası FRP sargılama yöntemleri kullanılmaktadır. Otoyol tabela askısı elemanlarında yorulma nedeniyle kaynak kopması örnekleri aşağıda görülmektedir. Alüminyum kaynak kopması 70

71 Düğüm noktalarının güçlendirilmesi ile ilgili yaklaşımlar Utah Üniversitesinde araştırmacılar, alüminyum kaynakta önceden çatlak oluşturup FRP kompozitlerle sarmış ve sargısız sağlam kaynaklı örneklerle kıyaslamalı yorulma deneyleri uygulamıştır. FRP ile sarılmış kompozit, orijinal kaynaklı kompozitten %15 daha yüksek dayanıma ulaşmıştır. 71

72 Vid: slayt 72 72