İKİ VE ÜÇ BİLEŞENLİ EPOKSİNİN ADERANS DAYANIMINA ETKİSİ

Transkript

1 İKİ VE ÜÇ BİLEŞENLİ EPOKSİNİN ADERANS DAYANIMINA ETKİSİ Ö. Çalışkan 1, M. Aras 2, T. Kaya 3 ÖZET: 1 Yrd. Doç. Dr., İnşaat Müh. Bölümü, Bilecik Şeyh Edebali Üniversitesi, Bilecik 2 Araş. Gör.,İnşaat Müh. Bölümü, Bilecik Şeyh Edebali Üniversitesi, Bilecik 3 Uzm.,İnşaat Müh. Bölümü, Bilecik Şeyh Edebali Üniversitesi, Bilecik murat.aras@bilecik.edu.tr Mevcut betonarme elemanlarına yeni yapısal eleman eklenmesinde kimyasal ankraj yöntemi sıklıkla kullanılmaktadır. Kimyasal ankraj uygulamaları mevcut beton, ankraj donatısı ve kimyasal yapıştırıcıdan oluşmaktadır. Kimyasal ankraj uygulamalarında, kimyasal yapıştırıcı olarak genellikle epoksi esaslı yapıştırıcılar tercih edilmektedir. Epoksi esaslı yapıştırıcılar iki ve üç bileşenli olarak üretilmektedir. Bu çalışmada, basınç ve çekme dayanımı açısından yakın değerlerde olan ve uygulamalarda sıkça kullanılan iki ve üç bileşenli epoksi esaslı yapıştırıcı kullanılmıştır. Kullanılan yapıştırıcılarla, ankraj aderans kuvveti arasındaki olan ilişkisi farklı donatı çapı ve gömme derinliklerinde çekip çıkarma deneyleri yapılarak araştırılmıştır. Deneysel çalışma sonucunda, eksenel çekme kapasitesi, göçme modları, yük-deplasman grafikleri, enerji yutma kapasiteleri, başlangıç rijitlikleri ve deplasman süneklik oranları elde edilmiştir. Ayrıca deney sonuçları, ACI 318 (2008) kapasite ve tasarım dayanımlarıyla karşılaştırılmıştır. Yapılan çalışmada tercih edilen iki bileşenli epoksi esaslı yapıştırıcının gerek eksenel çekme kuvveti gerekse beklenen göçme mekanizması olarak üç bileşenli epoksi esaslı yapıştırıcıya göre üstünlüğü görülmüştür. ANAHTAR KELİMELER: Kimyasal Ankraj, İki Ve Üç Bileşenli Epoksi, ACI 318 EFFECT OF TWO AND THREE COMPONENT EPOXY ADHESIVES ON ADHERENCE STRENGTH ABSTRACT: Chemical anchors are widely used to provide connection a new structural element to the load-bearing system for reinforcement applications. Chemical anchorage applications are consist of existing concrete, ribbed bar and chemical adhesives. In chemically anchorage implementations, adhesives generally are preferred to epoxy based. Epoxy based adhesives are produced according to use two and three components. This study was used to have approximate values in terms of compression and tensile strength. Also, the adhesives are preferred to implementations frequently. The used adhesives were investigated effect of two and three component epoxy adhesives on adherence strength. These anchors were subjected to pull-out test with regard to different anchor bar diameter and embedment depth. As a result of experimental study, axial load capacities, modes of collapse failure, load-displacement curves, energy dissipation capacity, initial stiffness and displacement ductility ratios were obtained. Furthermore, test results were compared with ACI 318 (2008) capacity and design strengths. It was observed to use two component epoxy adhesive both axial load capacity and expected collapse failure mode is superiority three component epoxy adhesive. KEYWORDS: Chemical Anchorage, Two And Three Component Epoxy, ACI 318

2 1. GİRİŞ Son yıllardaki depremler sonucunda maddi ve manevi kayıplar verilmesi, yapı stokumuzun büyük bir bölümünün deprem güvenliği olarak yeterli düzeyde olmadığını göstermektedir. Bu durum mevcut yapı stokumuzun sismik olarak güçlendirmesini kaçınılmaz hale getirmektedir. Ülkemizde güçlendirme uygulamalarının genelinde mevcut yapıya yeni yapısal eleman ekleme yöntemi kullanılmaktadır. Yapıya yeni betonarme eleman eklenmesi uygulamalarında kimyasal ankrajlar yaygın olarak tercih edilmektedir. Kimyasal ankraj yönteminde; çekme, kesme ve kesme-çekme yüklemelerine maruz kalacağı yükleme tiplerinde göstereceği yapısal davranışın, tasarımcı ve uygulayıcı tarafından dikkate alınması gerekmektedir. Kimyasal ankrajlar, sertleşmiş betona sonradan açılan deliğe yapılan bağ tipi ankrajlardır. Betonarme yapıların onarım ve güçlendirilmesinde, yeni yapısal eleman eklenmesi veya taşıyıcı sistemdeki elemanların boyutlarının artırılmasında ankraj donatıları, betona sonradan sabitlenerek beraber çalışması hedeflenmektedir (Cook R.A. (1993), Cook R.A. (2001), Eligehausen R. (2006), Maziligüney L. (2007)). Kimyasal ankrajlar planlama, tasarım ve uygulama aşamalarında kullanıcıya büyük esneklik sağlamaktadır (Seyhan E.C. (2006)). Ankraj elemanları; etkisi altında oldukları kuvvetin oluşturduğu gerilmeleri aderans ile betona aktarırlar. Bu aktarımın tam aderansla gerçekleşmesi için bağlantıyı oluşturan ara elemanın tam kenetlenmeyi sağlaması gerekmektedir. Kimyasal ankraj uygulamalarındaki yapıştırıcı olarak reçine malzemeleri kullanılmaktadır. Polyester, vinylester, epoksi, poliüretan, akrilik olmak üzere çeşitlere sahip olan reçineler arasında en yaygın olarak kullanılan epoksi esaslı yapıştırıcılardır (Gürbüz T. (2007)). Betona sonradan açılan silindirik deliğe uygulanan ankrajın çekme kuvvetine; donatı çapı, açılan delik çapı, gömme derinliği, mevcut beton dayanımı, nem, ortam sıcaklığı, yüzey temizliği, ankrajların kenardan olan uzaklığı, ankrajlar arası mesafe ve kimyasal yapıştırıcı türü olmak üzere birden çok unsur etkilemektedir. Kimyasal ankraj yönteminde kullanılan ve ankrajın performansını doğrudan etkileyen temel malzemelerden biri de kullanılan kimyasal yapıştırıcıdır. Kimyasal yapıştırıcının mekanik özellikleri ankrajın kapasitesini ve göçme tipini doğrudan etkilemektedir (Özen M.A. (2010)). Epoksi esaslı kimyasal yapıştırıcılar; yapışma kapasitesi, ısıl özellikler ve erken dayanım kazanması gibi özelliklerinden dolayı mühendislik uygulamalarında sıklıkla kullanılmaktadır (Çalışkan Ö. (2010), Swamy R.N. (1987)). Epoksi reçineleri ön polimer olarak bilinen birden fazla oksiran grubu içeren ve termoset ürünlere dönüşebilen çok kullanımlı bir malzemedir (Çalışkan Ö. (2010)). Epoksi reçineler genelde kendi başlarına kullanılmazlar ve plastisite özelliği için reaksiyona katılan diğer maddelerle polimerize olur veya çapraz bağlanırlar. Kimyasal reaksiyon sonucu elde edilen sert, geri dönüşü olmayan özelliklere sahip reçineler meydana gelmektedir (Kaya F. (2004), Binici H. (2006)). Kimyasal yapıştırıcılar üreticiler tarafından iki ve üç bileşenli olarak üretilmektedirler. İki bileşenli üretilen yapıştırıcıların biri sertleştirici diğeri ise epoksi reçinesidir. Üç bileşenli olan yapıştırıcı da ise üçüncü bileşeni dolgu malzemesi oluşturmaktadır. Üç bileşenli epoksinin kullanımının karışım oranı üretici tarafından öneri olarak tamamen uygulayıcıya bırakılmaktadır. Bu durumda uygulama anındaki karışım homojenliği, uygulayış biçimi ve işçilik kalitesi doğrudan ankraj çekme kuvvetini etkilemesine neden olmaktadır. Bu çalışmada, basınç ve çekme dayanımı açısından yakın değerlerde olan iki ve üç bileşenli epoksi esaslı yapıştırıcılarla farklı donatı çapı ve gömme derinliklerinde ankraj numuneleri oluşturulmuştur. Oluşturulan numunelere çekip çıkarma deneyleri yapılarak eksenel çekme kapasitesi, göçme modları, yük-deplasman grafikleri, enerji yutma kapasiteleri, başlangıç rijitlikleri ve deplasman süneklik oranları elde edilmiştir.

3 2. MATERYAL VE METOT 2.1. Deneysel Çalışma Ortalama basınç dayanımı 25 MPa olan donatısız beton bloklara; farklı donatı çaplarında (Ф) (12, 16, 20 ve 24 mm), gömülme derinliklerinde (10Ф, 15Ф, 20Ф ve 24Ф) ve yapıştırıcılarla ankraj elemanları oluşturulmuştur. Oluşturulan numunelere çekip çıkarma deneyi uygulanmıştır. Kullanılan kimyasal yapıştırıcıların mekanik özellikleri Tablo 1 de verilmiştir. İki bileşenli epoksi 2B, üç bileşenli epoksi 3B şeklinde gösterilmiştir. Tablo 1.Kimyasal yapıştırıcı özellikleri Malzeme Malzeme Yapısı Yoğunluk (kg/l) Basınç dayanımı (MPa) 2B İki B Üç Matkap ile istenilen çaplarda açılan silindirik delikler hava kompresörü ile temizlenerek tozdan arındırılmıştır. Donatı ekiminde iki bileşenli epoksi esaslı yapıştırıcı tabanca yardımıyla, üç bileşenli epoksi ise dökme yöntemiyle uygulanmıştır. 7 günlük priz süresi sonunda ankraj çekme işlemi Şekil 1 de verilen deney düzeneği yardımıyla gerçekleştirilmiştir. Şekil 1. Deney düzeneği. Betona ekilmiş ankrajın yukarı doğru çekilmesiyle beton ankraj arasındaki aderans kuvveti belirlenmiştir. Numunelerin aderans dayanımları 1 nolu denklem ile bulunmuştur. Ayrıca deney düzeneğine yük hücresi ve deplasman ölçer bağlanarak yük-deplasman-zaman grafikleri elde edilmiştir. τ = F (1) π..l τ= Aderans Dayanımı (MPa), F= Eksenel Çekme Kuvveti (N), Φ=Donatı Çapı (mm), L= Aderans Boyu (mm).

4 3. BULGULAR 3.1.Eksenel Çekme Değerleri ve Göçme Modları 2B epoksi esaslı kimyasal yapıştırıcı ile 12, 16, 20 ve 24 mm çapa sahip ankraj çubukları 5Ф, 10Ф, 15Ф ve 20Ф derinliğinde ekilmiştir. Numunelerin eksenel çekme kuvvetleri ve ankrajlarda oluşan göçme tipleri Tablo 2 de verilmiştir. Tablo incelendiğinde numunelerde genellikle koni ve sıyrılma göçmeleri bir arada gözlenmiştir. Genel olarak ankraj donatı çapının ve gömme derinliğinin artmasıyla çekme kuvvetinde artışlar görülmüştür. Derin ankrajlarda göçme donatının sıyrılması ile gerçekleşmiştir. 3B epoksi ile ekilen ankrajlarda oluşan göçme tipleri genel olarak koni göçmesi olarak gözlenmiştir. Koni yüksekliklerinin düşük olması kenetlenmenin gömme derinliği boyunca tam gerçekleşmediğini göstermektedir. Tablo 2. 2B ve 3B numunelerin eksenel çekme kuvvetleri ve göçme tipleri 2B 3B Num. Kodu 1 Donatı Çapı (mm) Gömme Derinliği (cm) Mak. Kuvvet (kn) Göçme Tipi Mak. Kuvvet (kn) Göçme Tipi 5Ф (6) 23.3 Koni 16.1 Koni 2 10Ф (12) 58.9 Koni 27.9 Koni Ф (18) 66.5 Koni 42.6 Koni 4 20Ф (24) 77.1 Koni Sıyrılma 54.5 Koni 5 5Ф (8) 49.3 Koni 38.9 Koni 6 10Ф (16) 87.3 Koni 31.7 Koni Ф (24) Koni Sıyrılma 45.7 Koni 8 20Ф (32) Koni 48.1 Koni 9 5Ф (10) 95.1 Koni 19.1 Koni 10 10Ф (20) 145 Koni 75.2 Koni Ф (30) Koni Sıyrılma 73.5 Koni 12 20Ф (40) Koni Sıyrılma 48.2 Koni 13 5Ф (12) Koni 73.5 Koni 14 10Ф (24) Sıyrılma Koni Ф (36) Sıyrılma 254 Sıyrılma 16 20Ф (48) Sıyrılma 248 Sıyrılma 3.2. Başlangıç Rijitlikleri, Deplasman Süneklik Oranları ve Enerji Yutma Kapasiteleri Deneysel çalışma sonrası oluşturulan elemanlardan elde edilen başlangıç rijitlikleri, deplasman süneklik oranları ve enerji yutma kapasiteleri Tablo 3 te verilmiştir. 2B malzemesiyle oluşturulan elemanlarda, başlangıç rijitleri ve enerji yutma kapasiteleri gömme derinliği ve ankraj çapının artmasıyla artarken, deplasman sünekliği aynı çapta gömme derinliğinin artmasıyla arttığı belirlenmiştir. 3B malzemesiyle oluşturulan elemanlarda ise süneklik düzeyleri 2B göre sağlanamazken enerji yutma kapasiteleri daha düşük değerlerde kalmıştır.

5 Aderans Dayanımı (MPa) Uluslararası Deprem Mühendisliği ve Sismoloji Konferansı Tablo 3. Başlangıç rijitlikleri, deplasman süneklik oranları ve enerji yutma kapasiteleri Ankraj Çapı (mm) Ankraj Derinliği (mm) Yapıştırıcı Türü Deplasman süneklik oranı Başlangıç rijitliği (kn/mm) Enerji yutma kapasite (kn mm) 2B 3B 2B 3B 2B 3B 5Ф Ф Ф Ф Ф Ф Ф Ф Ф Ф Ф Ф Ф Ф Ф Ф Aderans Dayanımları Deneysel çalışmada 2B ve 3B epoksi ile üretilen ankrajların aderans dayanımları Şekil 2 de verilmiştir. Şekil incelendiğinde iki bileşenli epoksi yapıştırıcıyla oluşturulan numunelerin aderans dayanım açısından üstünlüğü görülmektedir. 2B 3B Ф 10Ф 15Ф 20Ф 5Ф 10Ф 15Ф 20Ф 5Ф 10Ф 15Ф 20Ф 5Ф 10Ф 15Ф 20Ф 12 mm 16 mm 20 mm 24 mm Numuneler Şekil 2. 2B ve 3B numuneleri için eksenel yük kapasiteleri 3.4. Eksenel Gerilme Değerleri 2B ve 3B malzemesiyle farklı çap ve farklı gömme derinliklerinde oluşturulan ankraj elemanlarına ait eksenel gerilme-zaman grafikleri Şekil 3 te verilmiştir. 12 mm çaplı 6 cm gömme derinliğinde oluşturulan numunelerde donatı akmadan beton koni hasarı gözlenirken gruptaki diğer elemanlar içinse donatı akması gözlenmiştir. Gömme derinliğinin 5Ф den büyük olduğu durumlarda, ankraj çubukları akma değerlerinde taşıma

6 kapasitelerine ulaşmışlardır. 8 ve 16 cm gömme derinlikli, 16 mm çaplı ankraj çubuklarıyla oluşturulmuş elemanlarda; donatı akma dayanımına ulaşmadan önce sıyrılma ya da beton hasarıyla taşıma kapasitelerini kaybetmişlerdir. 3B malzemesiyle farklı çap ve farklı gömme derinliklerinde oluşturulan ankraj elemanlarının genelinde ankraj donatısı akması gözlenemezken donatı kapasitesine erişmeden önce sıyrılma ya da beton hasarıyla taşıma kapasitesine ulaşmıştır. 3B malzemesiyle oluşturulan deney elemanlarının 12 mm çaplı 20Ф ve 24 mm çaplı 15Ф ile 20Ф gömme derinliklerinde donatının akarak taşıma kapasitesine eriştiği görülmüştür. Şekil 3. Eksenel gerilme-zaman grafiği 3.5. Güvenlik Düzeyleri Deneysel eksenel çekme kapasitelerinin ACI 318 Ek-D nin önerdiği tasarım dayanımları ile kıyaslandığında elde edilen güvenlik düzeyleri Şekil 4 te verilmiştir. Elde edilen donatı ve beton koni kapasite dayanımlarına donatısız bloklarda işçilik kalitesi ve ortam koşullarından az etkilenen, güvenirliği yüksek durumlar için 0.65 olan dayanım azaltma katsayısı uygulanarak deneysel sonuçlarla ilişkilendirilmiştir. Yapılan çalışmada 2B için ACI 318 de hedeflenen %95 güvenlik düzeyi sağlanırken 3B için güvenlik düzeyleri 8 eleman için sağlanmadığı görülmüştür.

7 4. SONUÇ Şekil 4. Numune-güvenlik düzeyleri Bu çalışmada basınç dayanımı, çekme dayanımı ve yoğunluğu açısından yakın değerlerde olan iki ve üç bileşenli epoksi esaslı ürünlerin ankraj çekme kapasitesine etkisi incelenmiştir. İki bileşenli epoksi esaslı yapıştırıcıyla oluşturulan ankraj elemanların çap ve gömme derinliğinin artmasıyla beklendiği gibi göçme mekanizması beton koniden, beton koni/sıyrılma/ankraj donatısı kopmasına kaymaktadır. Yapılan çalışma sonucunda iki bileşenli epoksi esaslı yapıştırıcının dayanım, uygulanma kolaylığı ve sarfiyat bakımından üç bileşenli ürününe göre üstünlüğü görülmüştür. Üç bileşenli epoksi esaslı yapıştırıcıyla oluşturulan numunelerde gevrek davranış göstererek ankraj donatısı nihai kapasitesine ulaşamamaktadır. Bu durum üç bileşenli epoksi esaslı yapıştırıcılarla oluşturulan yeni yapısal elemanda hedeflenen performans düzeylere erişemediğini göstermektedir. Fakat üç bileşenli epoksi esaslı yapıştırıcılar gerek maliyet açısından gerekse doğru tercih edilen dolgu malzemesi ve yüksek işçilik kalitesi uygulanmasıyla yüksek performans elde edilebilir. 5. KAYNAKLAR Cook R. A., Konz J., Fuchs W. and Konz R. C., Behavior and design of single adhesive anchors undercut tensile load in uncracked concrete. ACI Structural Journal, 95(1), Cook R. A., and Konz R. C., Factor influencing bond strength of adhesive anchors. ACI Structural Journal 98 :1, Eligehausen R., Cook R. A. and Appl J., Behavior and design adhesive bonded anchors. ACI Structural Journal, 103 :6, Maziligüney L., Sonradan yerleştirilmiş kimyasal ankrajların düşük dayanımlı donatılı betonlardaki çekme davranışları, Yüksek Lisans Tezi, Orta Doğu Teknik Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Ankara, 113. Seyhan E. C., Kimyasal ankrajların davranışlarının incelenmesi, Yüksek Lisans Tezi, İstanbul Teknik Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul, 191. Gürbüz T., Yapıların güçlendirilmesinde kullanılan kimyasal ankrajların eksenel çekme etkisi altındaki davranışlarının incelenmesi, Yüksek Lisans Tezi, İstanbul Teknik Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul, 226.

8 Özen M. A., Düşük ve normal dayanımlı betonlarda epoksi ankrajların çekme davranışı, Yüksek Lisans Tezi, Pamukkale Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Denizli, 146. Çalışkan, Ö., Mevcut betonarme binaların dış perde duvar ile güçlendirilmesinde ankraj uygulamalarının deneysel olarak araştırılması. Doktora Tezi, Eskişehir Osmangazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Eskişehir,152. Swamy, R, N., Jones R. and Bloxham J. W., Structural Behavior of Reinforced Concrete Beams Strengthened by Epoxy Bonded Steel Plates. Structural Engineer London, Part A, 65: 2, Kaya F., Ana Hatları ile Yapıştırıcılar, Birsen Yayınevi. Binici H., Temiz, H., Zengin, H., Görür, E.B., Kaplan, H. ve Yılmaz, S., Epoksi ve Epoksinin Yapı Güçlendirmesinde Kullanımı. Yapısal Onarım ve Güçlendirme Sempozyumu,