BETONARME KİRİŞLERİN KESME GÜÇLENDİRMESİ İÇİN KULLANILAN YÖNTEMLERİN KARŞILAŞTIRILMASI

Transkript

1 BETONARME KİRİŞLERİN KESME GÜÇLENDİRMESİ İÇİN KULLANILAN YÖNTEMLERİN KARŞILAŞTIRILMASI A. Demir 1, A. Ergüt 2 ve B. Yüksel 3 1 Doç. Dr., İnşaat Müh. Bölümü, Manisa Celal Bayar Üniversitesi, Manisa 2 Yrd. Doç. Dr., İnşaat Müh. Bölümü, Manisa Celal Bayar Üniversitesi, Manisa 2 İnş. Yük. Müh., İl Özel İdaresi, Uşak ÖZET: ali.demir@cbu.edu.tr Kesme kapasitesi yetersiz olan betonarme kirişlerin güçlendirilmesi için çeşitli yöntemler uygulanmaktadır. Yapıların ani ve gevrek biçimde göçmesine sebep olan bu yetersizliğin giderilmesi için CFRP elemanlar, çelik elemanlar ve betonarme mantolama yöntemleri sıklıkla kullanılmaktadır. Bu çalışmanın amacı, farklı yöntemler ile betonarme kirişlerin kesme kapasitelerinin arttırılması ve uygulanan yöntemlerin etkinliklerinin karşılaştırılmasıdır. Bu amaç kapsamında, CFRP elemanlar ve dış çelik kelepçeler kullanılarak kirişler kesme yetersizliğine karşı güçlendirilmiştir. Çelik dış kelepçelerin detayları yazarlar tarafından geliştirilmiştir. CFRP elemanlar, hem şeritler şeklinde hem de kesme bölgelerinin tümüne yapıştırılarak iki farklı şekilde uygulanmıştır. Testler sonucunda, dış kelepçeler ile güçlendirilen kirişlerin yük taşıma ve deplasman kapasiteleri referans kirişlere göre oldukça artmıştır. CFRP elemanlar ile güçlendirilen kirişlerin yük taşıma kapasiteleri iyileştirilmiş olmasına rağmen, deplasman kapasiteleri artmamıştır. Testler esnasında CFRP elemanlar betonarme kirişlerden sıyrılmış ve dış kelepçeler kadar iyi bir performans sergileyememiştir. ANAHTAR KELİMELER: Güçlendirme, Çelik Kelepçe, CFRP, Deneysel Çalışma COMPARISON OF METHODS USED FOR SHEAR STRENGTHENING OF REINFORCED CONCRETE BEAMS ABSTRACT: Various methods are carried out in order to strength reinforced concrete (RC) beams having insufficient shear capacity. CFRP fabrics, steel elements and RC jacketing are frequently used to overcome the deficiency which causes sudden and brittle collapse of structures. The aim of this study is to enhance shear capacity of RC beams with CFRP fabrics and external steel clamps and compare efficiencies of the methods. In accordance with this purpose, shear inadequacy of the beams were eliminated by using CFRP fabrics and external clamps. Details of external steel clamps were developed by the authors. CFRP fabrics were implemented with two different wrapping methods. As a result of the tests, load carrying and displacement capacities of beams strengthened with external clamps considerably increased in comparison with reference beam. Although load carrying capacities of beams strengthened with CFRP fabrics were enhanced, displacement capacities of the beams didn t increased. CFRP fabrics were pulled away from RC beams during the tests and couldn t exhibit as much good performance as external clamp. KEYWORDS: Strengthening, Steel Clamp, Cfrp, Experimental Study

2 1. GİRİŞ Betonarme yapıların, kullanım amacı değişikliği, yönetmelik değişikliği, hasar vb. sebeplerden dolayı güçlendirilmesi gerekmektedir. Bu yapıların güçlendirilmesi için betonarme perde eklenmesi, çelik elemanlar eklenmesi gibi yapıların yatay rijitliklerini arttıran yöntemler kullanılmaktadır. Fakat yapılan güçlendirme neticesinde, bazı durumlarda yapısal elemanların davranışı istenilen seviyeye ulaşamamaktadır. Bu durumda kiriş, kolon veya perde gibi yapısal elemanların mantolama, CFRP ile sargılama, çelik elemanların eklenmesi yöntemleri ile güçlendirilmesi gerekmektedir. Gevrek davranış sergileyen kirişlerin güçlendirilmesi için kirişlerin yan ve alt yüzlerine betonarme kanat veya çelik levhalar eklenmektedir. Bunlara ek olarak, yan yüzeylere CFRP elemanlar yapıştırılmaktadır. Bu yöntemlerin avantajları olduğu gibi dezavantajları da bulunmaktadır. Birçok çalışmada CFRP elemanların ve çelik levhaların betonarme yüzeyden sıyrılmasını engellemek için yöntemler geliştirilmiştir. Ayrıca, çelik ve CFRP elemanların yerleşim şekilleri de önemli bir araştırma konusu olmuştur (Vulaş, 2010; Gao vd. 2017; Lee vd. 2017). Yaygın olarak kullanılan bu güçlendirme yöntemlerinin yanında, dış çelik kelepçelerin kullanımı da yapısal elemanların davranışlarını iyileştirmektedir (Altin vd. 2003). Bu çalışma kapsamında, kesme dayanımı yetersiz olan betonarme kirişlerin CFRP elemanlar ve dış çelik kelepçeler ile güçlendirilerek davranışlarının karşılaştırılması amaçlanmaktadır. Bu amaç kapsamında, 4 adet betonarme kiriş üretilmiş ve ilk çatlak oluşuncaya kadar yüklenerek hasar oluşumu sağlanmıştır. Bu kirişlerden 1 tanesi referans kiriş olarak seçilmiş, 2 tanesi CFRP elemanlar ile güçlendirilmiş, 1 tanesi de detayı yazarlar tarafından geliştirilmiş dış kelepçe sistemi ile güçlendirilmiştir. Tüm kirişler monotonik artan düşey yük altında test edilerek, davranışları belirlenmiş ve karşılaştırmalı olarak sunulmuştur. 2. MALZEME VE YÖNTEM 2.1 Malzeme Kirişlerin tasarımı aşamasında beton dayanımının 16 MPa olması hedeflenmiştir. Kiriş üretimi esnasında alınan 12 adet silindir numune üzerinde tek eksenli basınç deneyleri yapılarak betonun basınç dayanımı belirlenmiştir. Silindir numunelerin basınç dayanımları TS EN koşullarına uygun şekilde belirlenmiştir. Testler sonucunda, betonun ortalama silindir basınç dayanımı MPa olarak elde edilmiştir. Kirişlerin üretiminde 6 ve 14 mm çaplı S420 donatı çeliği kullanılmıştır. Bunların yanında güçlendirme aşamasında kelepçeler için 10 mm çaplı bağlantı çubukları kullanılmıştır. TS708 (2010) koşullarına göre her bir donatı çapı için 3 adet numune seti oluşturulmuş ve çekme deneyine tabi tutulmuştur. Deneyler sonucunda donatıların akma dayanımları (f y), kopma dayanımları (f u) ve elastisite modülleri (E s) belirlenmiş ve Tablo 1 de sunulmuştur. Tablo 1. Üretimde Kullanılan Donatının Karakteristik Özellikleri Akma Kopma Elastisite Numune Adet Dayanımı (f yk) MPa dayanımı (f yu) MPa Modülü (E s) MPa Ø Ø Kelepçe Ø Özel epoksi reçine CFRP elemanların betonarme kirişlere yapıştırılması için kullanılmıştır. Epoksi reçinenin çekme dayanımı 30 MPa ve elastisite modülü 3800 MPa dır. Birim hacim ağırlığı ise 1310 kg/m 3 dür. Epoksi reçine yaklaşık 1 mm kalınlığında kiriş yüzeyine sürülmüştür. Güçlendirme elemanı olarak kullanılan ve karbon liflerden oluşan tek doğrultulu CFRP elemanlar, uygulamada kirişlerin kesme dayanımlarını arttırmak için sıklıkla kullanılmaktadır. Bu çalışma da kullanılan CFRP elemanların

3 birim hacim ağırlığı 1780 kg/m³, çekme dayanımları 4200 MPa dır. Kopma uzaması 1.8% dir. Elastisite modülü MPa ve poisson oranı 0.2 dir Yöntem Elemanların davranışlarının belirlenebilmesi için toplam 4 adet kesme kapasitesi yetersiz kiriş üretilmiştir. Eksik etriyeli olarak üretilen bu kirişlerden 3 tanesi ilk çatlak oluşuncaya kadar yüklenmiş, çatlaklar oluştuktan sonra ise güçlendirilmiş (GK) ve tekrar yüklemeye tabi tutulmuştur. Geriye kalan bir kiriş ise referans kiriş (REF) olarak kullanılmıştır. Tablo 2 de kiriş numuneleri ve özellikleri verilmiştir. REF, referans kirişi temsil ederken, GK1 dış kelepçeler ile güçlendirilmiş kirişi temsil etmektedir. GK2, kesme bölgesi tamamı ile CFRP elemanlar ile sarılan kirişi temsil ederken, GK3 kesme bölgesi CFRP şeritler ile sarılmış kirişi temsil etmektedir. Tablo 2. Kiriş numuneleri ve özellikleri Numune Etriye Dış Kelepçe CFRP REF Ø6/ GK1 Ø6/425 Ø10/100/3 - GK2 Ø6/ GK3 Ø6/ :Yok, +:Var Çalışma kapsamında kullanılan tüm kirişlerin boyu 2000 mm, yüksekliği 300 mm, genişliği 150 mm dir. Tüm kirişlerin çekme bölgesine 3Ø14, basınç bölgesine 2Ø6 donatı yerleştirilmiştir. Eksik etriyeli üretilen bu kirişlerin etriye donatısı Ø6/425 dir. Kirişin iki mesnet arası uzaklığı 1700 mm dir. Kirişlere ait kesit ve donatı özellikleri aşağıdaki şekillerde verilmiştir. Şekil 1. REF kirişi detayları GK1 kirişi aşağıda detayı verilen dış çelik kelepçeler ile güçlendirilmiştir. Çelik kelepçelerin alt ve üstünde kullanılan plakaların kalınlığı 3 mm, kelepçelerin aralığı ise 100 mm dir. Kelepçe detayı yazarlar tarafından geliştirilmiştir.

4 Hole Nut Steel Plate (225x40x3) Steel Rod 10) Şekil 2. GK1 kirişi ve dış çelik kelepçe detayı GK2 kirişi, CFRP elemanların epoksi reçine yardımı ile kesme bölgesine U şeklinde sarılması ile üretilmiştir. Sarılan her bir CFRP nin boyutları 750x600 mm dir. Şekil 3. GK2 kirişi detayı GK3 kirişi, CFRP şeritlerin 100 mm aralıklar ile kesme bölgesine yapıştırılması sonucu üretilmiştir. Her bir şeritin uzunluğu 750 mm, genişliği ise 60 mm dir. Şekil 4. GK3 kirişi detayı 2.3. Kiriş Deney Elemanlarına Güçlendirme Öncesi Hasar Verilmesi Güçlendirilen GK1, GK2 ve GK3 kirişleri, kesme bölgelerinde ilk kılcal çatlak gözle görülene kadar yüklenmiştir. Deney kirişlerinin tamamında kılcal kesme çatlaklarının oluştuğu ve bu çatlakların kiriş kesme bölgesi ile mesnet bölgesi arasında 45º lik bir açı yaparak uzandığı gözlenmiştir. GK1 kirişi, kn yük ve 5.72 mm deplasman değerine ulaştığında ilk kılcal kesme çatlağı gözlenmiş ve yükleme durdurulmuştur. GK2 kirişi, kn yük ve 6.03 mm deplasman değerine ulaştığında ilk kılcal kesme çatlağı gözlenmiş ve yükleme durdurulmuştur. GK3 kirişi, kn yük ve 5.61 mm deplasman değerine ulaştığında ilk kılcal kesme çatlağı gözlenmiş ve yükleme durdurulmuştur. Referans kiriş ise kırılıncaya kadar yüklenmiştir.

5 3. BULGULAR Referans ve güçlendirilen kirişlerin yük-deplasman eğrileri Şekil 5 de sunulmuştur. Güçlendirilen tüm kirişlerin, yük taşıma kapasitelerinde önemli artışlar sağlanmıştır. GK1 kirişinin yük taşıma kapasitesi, REF e göre % 113, GK2 kirişinin % 65, GK3 kirişinin ise %16 artmıştır. GK1 ve GK2 deney elemanlarında hedeflenen taşıma gücü değerlerine ulaşılmasına rağmen GK3 elemanında daha küçük bir taşıma gücü artışı sağlanmıştır. Deneyler sonucunda dış kelepçelerin, CFRP ye oranla hasarlı kirişlerin yük taşıma kapasiteleri üzerinde daha önemli bir etkiye sahip olduğu gözlenmiştir. Şekil 5. Deney kirişlerinin yük-deplasman eğrileri Akma anındaki rijitlik, kirişlerin yük deplasman grafiklerindeki akma anındaki yük değerinin deplasman değerine oranı olarak hesaplanmıştır. Kirişlerin akma yükü, akma deplasmanı, göçme deplasmanı ile akma anındaki rijitlik değerleri Tablo 3 de verilmiştir. Numune Tablo 3. Kirişlerin yük, deplasman ve rijitlik değerleri Akma Yükü Akma Deplasmanı Göçme Deplasmanı (kn) δ y (mm) δ U (mm) Stiffness kn/mm REF GK GK GK Kirişlerin süneklik değerleri Tablo 4 de sunulmuştur. GK1, REF e göre % 46 daha fazla süneklik göstermiştir. GK3 kirişi ise REF ten % 34 daha fazla bir süneklik oranına sahiptir. GK2 kirişi ise REF ten % 9 daha kötü süneklik göstermiştir.

6 Numune Tablo 4. Kirişlerin süneklik değerleri Akma Deplasmanı Göçme deplasmanı δ y (mm) δ U (mm) Süneklik (δ U /δ y ) REF GK GK GK Kirişlerin enerji tüketme kapasiteleri, yük-deplasman eğrilerinin altında kalan alanların hesaplanmasıyla belirlenmiş ve Tablo 5 te gösterilmiştir. GK1 in enerji tüketme kapasitesi REF e göre % 608 oranında artmıştır. GK2 ve GK3 kirişleri ise REF e göre sırasıyla % 117 ve % 31 daha fazla enerji tüketme kapasitesine sahiptir. Tablo 5. Kirişlerin enerji tüketme kapasiteleri Numune Enerji Tüketme Kapasitesi (joule) REF 480 GK GK GK Hasar Şekilleri Testler sonucunda, REF kirişi tasarlandığı gibi kesme kuvveti etkisi altında gevrek bir şekilde göçmüştür. REF kirişinde meydana gelen çatlaklar Şekil 6 da gösterilmiştir. Dış çelik kelepçeler ile güçlendirilen GK1 kirişinde REF kirişi ile kıyaslandığında önemli yük ve deplasman artışları sağlanmıştır. Kiriş kesme çatlakları ile göçmüş olmasına rağmen 45 o lik çatlaklar daha yavaş ilerlemiş ve ani bir göçme yaşanmamıştır. GK1 kirişinde meydana gelen çatlaklar Şekil 7 de gösterilmiştir. Testler sonucunda, GK2 kirişini saran CFRP elemanında, kiriş eksenine dik bir vaziyette oluşan yırtılmalar gözlenmiştir. GK2 kirişinde uygulanan güçlendirme yöntemi ile dayanımda önemli artışlar sağlanmasına rağmen, iyi bir süneklik elde edilememiş ve ani göçme yaşanmıştır. GK2 kirişinde meydana gelen çatlaklar Şekil 8 de gösterilmiştir. Testler esnasında, GK3 kirişini saran CFRP şeritler kiriş gövdesinden koparak sıyrılmış ve kiriş de önemli bir kapasite artışı sağlanamamıştır. GK3 kirişinde meydana gelen çatlaklar ve hasar durumu Şekil 9 da gösterilmiştir.

7 Şekil 6. REF kirişinde meydana gelen çatlaklar Şekil 7. GK1 kirişinde meydana gelen çatlaklar Şekil 8. GK2 kirişinde meydana gelen hasarlar ve CFRP elemanın sıyrılması

8 4. SONUÇLAR Şekil 9. GK3 kirişinde meydana gelen hasarlar ve CFRP şeritlerin sıyrılması Çalışma kapsamında hasarlı betonarme kirişlerin farklı teknikler ile güçlendirilmesi amaçlanmıştır. Kesme kapasitesi yetersiz olarak tasarlanan kirişlerin ilk çatlakları yaklaşık olarak 50 kn yük seviyesinde oluşmuştur. Hasarlandırılan kirişler onarılmadan güçlendirilmiştir. Güçlendirilen tüm kirişler referans kirişin üstünde bir yük taşıma kapasitesine ulaşmışlardır. Kesme dayanımı yetersiz hasarlı kirişlerin güçlendirilmesinde dış kelepçelerin diğer yöntemlere göre daha başarılı olduğu gözlenmiştir. Kelepçeler ile güçlendirilen kirişlerin yük taşıma ve deplasman kapasiteleri, diğer kirişlere oranla önemli ölçüde artmıştır. Diğer taraftan CFRP ile güçlendirmede ise yük artışı sağlanmış olmasına rağmen, istenilen oranda deplasman artışları sağlanamamıştır. Deneyler sonucunda CFRP ile güçlendirilen kirişlerin kelepçe ile güçlendirilen kirişlere nazaran daha ani göçtüğü gözlenmiştir. CFRP elemanlarında sıyrılma problemi gözlenirken, dış kelepçelerde bu sorun yaşanmamıştır. Deney elemanlarının tümünde akma düzeyinde görülen rijitlikler birbirine oldukça yakındır. GK3, GK2 ye göre daha sünek davranmıştır. Güçlendirilen deney elemanlarının tamamının enerji tüketme kapasiteleri referans kirişe göre artmıştır. En büyük artış ise dış kelepçe ile güçlendirilen kirişte elde edilmiştir. GK1 kirişinin güçlendirme maliyeti diğer kirişlere göre daha düşüktür. GK2 ve GK3 kirişlerinin güçlendirme maliyetleri, GK1 e göre sırasıyla %4 ve %7.7 daha fazladır. Bu çalışma sonucunda, dış kelepçe yöntemi kullanılarak yapılarda bulunan hasarlı kirişlerin daha düşük maliyetler ile başarılı bir şekilde güçlendirilebileceği anlaşılmıştır. KAYNAKLAR TS EN : Beton - Sertleşmiş Beton Deneyleri - Bölüm 3 :Deney Numunelerinde Basınç Dayanımının Tayini, Ankara, TS 708: Çelik Betonarme İçin Donatı Çeliği, Türk Standartları Enstitüsü, Ankara Altin S., Tankut T., Anil Ö. ve Demirel Y. (2003). Response of reinforced concrete beams with clamps applied externally: an experimental study. Engineering Structures 25, Vulaş, Z., (2010). Betonarme kirişlerin kesme dayanımlarının lifli polimerlerle arttırılması, Yüksek Lisans Tezi, İnşaat Müh. Bölümü, Kocaeli Üniversitesi, Kocaeli, Gao, R., Cao, Q., Hu, F., Gao, Z., Li, F. (2017). Experimental study on flexural performance of reinforced concrete beams subjected to different plate strengthening. Composite Structures 176,

9 Lee, D.H., Han, S.J., Kim, K.S., LaFave, J.M. (2017). Shear strength of reinforced concrete beams strengthened in shear using externally-bonded FRP composites. Composite Structures 173,