ÇELİK PLAKA İLE GÜÇLENDİRİLEN BETONARME KİRİŞLERDE YAN PLAKALARIN ETKİSİ

Transkript

1 ÇELİK PLAKA İLE GÜÇLENDİRİLEN BETONARME KİRİŞLERDE YAN PLAKALARIN ETKİSİ Filiz SEVÜK 1, Güray ARSLAN 2, İbrahim EKİZ 3 sevuk@yildiz.edu.tr, aguray@yildiz.edu.tr, ekiz@yildiz.edu.tr Öz: Çelik plaka ile güçlendirilen betonarme kirişlerde aderans sıyrılması; plaka süreksizliklerinin sebep olduğu gerilme yığılmaları nedeniyle, plaka uçlarında başlar. Plaka uçlarında uygulanan kesme kuvveti (Oehlers, 1992; Ziraba ve diğ., 1994) ve eğilme momenti (Oehlers ve diğ., 1990) aderans sıyrılmalarına neden olur. Sürekli kirişlerin çekme yüzlerine yapıştırılan çelik plakaların uç bölgelerinde yan plakaların yapıştırılması, aderans sıyrılmalarını engelleyebilir. Dayanımdaki bu artış, sürekli kirişlerin tasarım yaklaşımlarında dikkate alınmalıdır (Oehlers ve diğ., 1998). Bu çalışmada; eğilme ile güç tükenmesi oluşan referans kirişleri onarılmış ve betonarme kiriş alt yüzüne çelik plaka yerleştirilerek eğilme mukavemeti artırılmıştır. Bunlara ilave olarak, eğilme mukavemetine katkısı olmadığı düşünülen yanal çelik plakaların farklı uzunluklarda yapıştırılmasının yükyer değiştirme eğrisindeki değişimi incelenmiştir Anahtar Kelimeler: Betonarme, Çelik Plaka, Güçlendirme, Onarım, Yük-Yer Değiştirme. Giriş Betonarme narin kirişlerin onarım ve güçlendirilmesinde çelik plakaların kullanılması, L Hermite ve diğ. nin (1967) öncü sayılan çalışmalarından zamanımıza kadar geçen sürede yaygın kullanılır hâle gelmiştir. Geçen zaman süresinde, pek çok araştırmacı eğilmeye karşı onarılan ve güçlendirilen yapıların ve/veya elemanların göçme mukavemetini tahmin etmeyi amaçlamıştır. MacDonald ve diğ. (1982) tarafından yapılan çalışmada, kirişlerin çekme yüzüne çelik plaka yapıştırılmasının elemanın davranışına etkisi araştırılmıştır. Hamoush ve diğ. (1990) çalışmasında; çelik plaka ve yapıştırıcı arasındaki kayma gerilmelerinden çelik plakanın ayrılması ile oluşan göçmeyi tahmin etmek için sonlu elemanlar yöntemini kullanmıştır. Swamy ve diğ. (1987) tarafından yapılan çalışmada ise; çelik plaka yapıştırılmasının betonarme kirişlerin ilk çatlama yüküne, çatlak şekline, sehime, kullanılabilirliğine ve göçme mukavemetine katkısı araştırılmıştır. Çelik plaka yapıştırılarak güçlendirilen betonarme kiriş deneylerinde (Swamy ve diğ., 1982; Jones ve diğ., 1988; Swamy ve diğ., 1989; Oehlers, 1992; Hussain ve diğ., 1995), örtü beton tabakasının çelik plakaya yapışarak kirişten ayrılması ile göçme oluşması yaygındır. Güçlendirilen betonarme kirişlerde aderans sıyrılması ile göçme oluşması gevrek kırılmadır. Bu durum, çelik plakadan betonarme kesite yüksek gerilme aktarımını işaret etmektedir. Yüzeyler arası gerilme aktarımı araştırılmış ve çok sayıda kapalı formda analitik çözüm önerilmiştir (Smith ve diğ., 2001; Teng ve diğ., 2002; Ye, 2001; Adhikary ve diğ., 2000; Raoof ve diğ., 2000). Çelik plaka ile onarılan ve/veya güçlendirilen betonarme kirişlerin göçme biçimleri tam olarak bilinmesine rağmen, kesme ve eğilme mukavemetleri yeteri kadar doğru tahmin edilememektedir. Kesme ve eğilme mukavemetlerine etki eden kesit ve malzeme özellikleri parametrelerinin çokluğu göçme mukavemeti tahminini zorlaştırmaktadır. Çelik paka ile güçlendirilen narin kirişlerin göçme ve çatlama mukavemeti, beton basınç mukavemeti, kesme donatısı oranı ve akma mukavemeti, boyuna donatı akma mukavemeti, eğilme donatısı oranı, kesme açıklığının kiriş etkili derinliğine oranı, kullanılan çelik plakaların alanı, yeri ve akma mukavemeti, çelik plakaların kenetlenme uzunluğu ve epoksi yapışkanının mekanik özelliklerine bağlıdır. Aderans sıyrılması plaka süreksizliklerinin sebep olduğu gerilme yığılmaları nedeniyle plaka sonlarında başlar. Plaka uçlarında uygulanan kesme kuvveti (Oehlers, 1992; Ziraba ve diğ., 1994) ve plaka uçlarında uygulanan eğilme momenti (Oehlers ve diğ., 1990) aderans sıyrılmalarına neden olur. Sürekli kirişlerin çekme yüzlerine yapıştırılan çelik plakaların uç bölgelerinde yan plakaların yapıştırılması, aderans sıyrılmalarını engelleyebilir. Dayanımdaki bu artış, sürekli kirişlerin tasarım yaklaşımlarında dikkate alınmalıdır (Oehler ve diğ., 1998). Bu çalışmada; eğilme ile güç tükenmesi oluşan betonarme basit kirişler onarılmış ve betonarme kiriş alt yüzüne çelik plaka yerleştirilerek eğilme mukavemeti artırılmıştır. Bunlara ilave olarak, eğilme mukavemetine katkısı olmadığı düşünülen yanal çelik plakaların farklı uzunluklarda yapıştırılmasının yük-yer değiştirme eğrisinde değişimi ve enerji tüketimi incelenmiştir. 974

2 Deney Kirişleri Kesit Ve Malzeme Özellikleri K2 serisi kirişler birlikte dökülmüş, aynı malzeme ve kesit özelliklerine sahiptir. Beton karışımda maksimum agrega çapı 16 mm ve ortalama basınç mukavemeti MPa dır. Betonarme kirişte; çekme donatısı olarak 2φ12, basınç donatısı 2φ8 ve 6 mm çaplı 160 mm aralıkla kesme donatısı kullanılmıştır. Referans kirişlerinin (K22 ve K23) kesit geometrisi Şekil 1a da, onarım ve güçlendirmesi yapılan K22S1 ve K23S21 kirişlerinin kesit geometrisi Şekil 1b ve 1c de verilmiştir (Sevük, 2000) x160=1600 mm a) Referans kirişleri 5/-00 5/ mm b) Güçlendirme örneği, S1 5/-0 5/ mm Şekil 1- Betonarme Kirişlerin Geometrik Özellikleri c) Güçlendirme örneği, S21 Önceden açıklık ortasında maksimum yükle yüklenerek hasar oluşturulmuş referans kirişlere ters yük uygulanarak kalıcı sehim kısmen düzeltilmiş ve çatlaklar özel epoksi enjeksiyon uygulanarak onarılmıştır. Daha sonra, pürüzlendirilip temizlenerek yağ ve tozdan arındırılan kiriş alt ve yan yüzeylerine, çelik plakalara epoksi astar tabakası uygulanmıştır. İlk olarak, plaka üzerine mm kalınlığında yapıştırma harcı sürülerek kiriş üzerine yerleştirilmiş ve işkence yardımıyla sıkıştırılmıştır. Çelik plakaların kalınlığı 5 mm, genişliği mm, akma mukavemeti 286 MPa ve kopma mukavemeti 420 MPa dır. Betonarme kirişte kullanılan donatıların mekanik özellikleri Tablo 1 de, verilmiştir. 975

3 Tablo 1. Donatı Çubuklarının Malzeme Özellikleri Donatı çubuğu çapı Akma mukavemeti (MPa) Çekme mukavemeti (MPa) φ φ φ Deney Sonuçları ve Değerlendirme K22REF ve K23REF kirişlerinde, basınç bölgesindeki betonun ezilmesi ile eğilmede göçme oluşmaktadır. Bunun anlamı referans kirişlerinin kesme mukavemeti eğilme mukavemetinden büyüktür. Şekil 2 de referans kirişleri ile K22S21 ve K23S1 kirişlerinin yüklenme ve göçme anında çatlakların şekli ve mekanizma durumu görülmektedir. K22S21 ve K23S1 kirişlerinde, ilk çatlaklar açıklık ortasında oluşmaya başlamıştır. Yük artışı ile mevcut çatlaklar tarafsız eksene doğru uzamakta ve bu esnada yeni eğilme çatlakları oluşmaktadır. K22S21 kirişinde, artan yüklerde plaka ucundaki çatlakta yaklaşık 45 eğim olmuş ve plaka kirişten ayrılarak kesme aderans sıyrılması gerçekleşmiştir. K23S1 kirişinde ise, plaka ucunda oluşan VI nolu çatlak önce yatay, sonra eğimli olarak yük uygulama noktasına doğru ilerlemiştir. Bu esnada; alt plaka ise, kirişten ayrılmış ve kesme-aderans sıyrılması gerçekleşmiştir. İki kiriş mekanizması karşılaştırıldığında, kiriş yan yüzlerinde yapıştırılan çelik plaka uzunluğunun kiriş alt yüzüne yapıştırılan plaka uzunluğu kadar olması tavsiye edilebilir. Çünkü; yan çelik plaka, alt çelik plaka ucundan yük uygulama noktasına çatlağın uzamasını engellemekte ve sünekliği kısmen artırmaktadır. K22REF kirişi K23REF kirişi K22S21 kirişi K23S1 kirişi K22S21 kirişi K23S1 kirişi Şekil 2- Kirişlerin Deney Düzeneği ve Mekanizma Durumu Eğilme ile güç tükenmesi oluşan referans kirişlerinde betonarme kiriş alt yüzüne çelik plaka yerleştirilerek eğilme mukavemeti artırılmıştır. Bunlara ilave olarak, eğilme mukavemetine katkısı olmadığı düşünülen yanal çelik plakaların farklı uzunluklarda yapıştırılmasının yük- yer değiştirme eğrisinde değişimi incelenmiştir. Yanal çelik plaka uzunluğu 00mm olan K23S1 kirişin çatlama yükü sonrası kiriş yer değiştirme kapasitesinin K22S21 kirişine göre artırdığı görülmektedir (Şekil 3). Ancak; K22S21 ile K23S1 kirişi yük taşıma kapasitelerinde önemli bir değişim olmadığı görülmektedir. 976

4 K22-K23 Kirişleri 60 Yük (kn) Yer değiştirme K22REF K23REF K22S21 K23S1 Şekil 3- K22-K23 Kirişleri Yük-Yer Değiştirme Eğrileri Deney elemanlarının enerji tüketme kapasiteleri, yük-yer değiştirme eğrileri altında kalan alana eşittir. Maksimum yüke karşılık gelen yer değiştirme göz önüne alınarak yük-yer değiştirme eğrisi altındaki alan hesaplanmıştır. Referans ve güçlendirilmiş kirişlerin enerji tüketme kapasiteleri, yer değiştirme ve yük taşıma kapasiteleri Tablo 2 de verilmiştir (Sevük, 2000). Tablo 2. Deney Kirişleri Enerji Tüketimi Oranları ve Göçme Şekilleri Kiriş isimleri P cr (kn) P u (kn) δ cr δ u Enerji tüketimi (knmm) Göçme şekli K22REF Eğilme K23REF Eğilme K22S Kesme-aderans sıyrılması K23S Kesme-aderans sıyrılması K23S1 ve K22S21 kirişlerinde göçme şekilleri aynı olmasına rağmen, K23S1 kirişi enerji tüketimi K22S21 kirişine göre %20 daha fazla bulunmuştur. Göçme yer değiştirmeleri karşılaştırıldığında ise, K23S1 kirişi açıklık ortası yer değiştirmesi K22S21 kirişine göre %26 fazladır. Sonuçlar K22S21 ve K23S1 kirişlerinde, ilk çatlaklar açıklık ortasında oluşmaya başlamıştır. Yük artışı ile mevcut çatlaklar tarafsız eksene doğru uzamakta ve bu esnada yeni eğilme çatlakları oluşmaktadır. K22S21 ve K23S1 kiriş mekanizmaları karşılaştırıldığında, kiriş yan yüzlerine yapıştırılan çelik plaka uzunluğunun, kiriş alt yüzüne yapıştırılan plaka uzunluğu kadar olması tavsiye edilebilir. Çünkü; yan çelik plaka, alt çelik plaka ucundan yük uygulama noktasına çatlağın uzamasını engellemekte ve sünekliği kısmen artırmaktadır. Yanal çelik plaka uzunluğu 00mm olan K23S1 kirişin çatlama yükü sonrası kiriş yer değiştirme kapasitesinin K22S21 kirişine göre artmaktadır. Ancak; K22S21 ile K23S1 kirişi yük taşıma kapasitelerinde önemli bir değişim olmadığı görülmektedir. K23S1 ve K22S21 kirişlerinde göçme şekilleri aynı olmasına rağmen, K23S1 kirişi enerji tüketimi K22S21 kirişine göre %20 daha fazla bulunmuştur. Göçme yer değiştirmeleri karşılaştırıldığında ise, K23S1 kirişi açıklık ortası yer değiştirmesi K22S21 kirişine göre %26 fazladır. 977

5 KAYNAKLAR 1. Adhikary B.B., Mutsuyoshi H. ve Sano M., Shear strengthening of reinforced concrete beams using steel plates bonded on beam web: experiments and analysis, Construction and Building Materials, 14, Hamoush S.H. ve Ahmad S.H., Debonding of steel-plate-strengthened concrete beams, Journal of Structural Engineering, ASCE, 116(2), Hussain M., Sharif A. Basunbul IA, Baluch M.H. ve Al-Sulaimani G.J., Flexural behavior of precracked reinforced concrete beams strengthened externally by steel plates, ACI Structural Journal, 92, L Hermite, R. and Bresson, J. (1967), Concrete reinforced with glued plates, RILEM International Symposium, Synthetic Resins in Building Construction, Paris, MacDonald M.D. and Calder A.J.J., Bonded steel plating for strengthening concrete structures, Int. J. Adhes., 2(2), Oehlers D.J., Reinforced concrete beams with plates glued to their Soffits, ASCE Journal of Structural Engineering, 118(8), Oehlers D.J. ve Moran J.P., Premature failure of externally plated reinforced concrete beams, ASCE Journal of Structural Engineering, 116(4), Oehlers D.J., Mohamed Ali M.S. ve Luo W., Upgrading continuous reinforced concrete beams by gluing steel plates to their tension faces, ASCE Journal of Structural Engineering, 124(3), Raoof M., El-Rimawi J. ve Hassanen M.A.H., Theoretical and experimental study on externally plated RC beams, Engineering Structure, 22, Sevük, F., Yapı hasarları ve hasarların iyileştirilmesi üzerine bir inceleme, Doktora tezi, YTÜ Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul. 11. Swamy R.N., Jones R. ve Ang T.H., Under and over reinforced concrete beams with glued steel plates, Int. J. Cement Composites Lightweight Concrete, 4, Swamy R.N., Jones R. ve Bloxham J.W., Structural behavior of reinforced concrete beams strengthened by epoxy-bonded steel plates, Structural Engineer, 65(2), Swamy R.N., Jones R. ve Charif A., The effect of external plate reinforcement on the strengthening of structurally damaged RC beams, Structural Engineer, 67(3), Teng J.G., Zhang J.W. ve Smith S.T., Interfacial stresses in reinforced concrete beams bonded with a soffit plate: a finite element study, Construction and Building Materials, 16, Ye J.Q., Interfacial shear transfer of RC beams strengthened by bonded composite plates, Cement & Concrete Composites, 23, Ziraba Y.N., Baluch M.H., Basunbul I.A., Sharif A.M., Azad A.K. ve Al-Sulaimani G.J., Guidelines toward the design of reinforced concrete beams with external plates, ACI Structural Journal, 91(6);