KENARA YAKIN EKİLEN KİMYASAL ANKRAJLARDA GÖÇME MODLARI ÖZET: Ö. Çalışkan 1, M. Aras 2, İ. Aydoğan 3, Y. Ağdağ 4 1 Yrd. Doç. Dr., İnşaat Müh. Bölümü, Bilecik Şeyh Edebali Üniversitesi, Bilecik 2 Araş. Gör., İnşaat Müh. Bölümü, Bilecik Şeyh Edebali Üniversitesi, Bilecik 3 Yüksek İnşaat Mühendisi, Ave İnşaat, Eskişehir 4 İnşaat Mühendisi, Ağdağ İnşaat, Bilecik Email: murat.aras@bilecik.edu.tr Kimyasal ankrajların çekme kuvvetini, ankraj çapı, kenar mesafesi, ankraj ekme derinliği, kullanılan kimyasal yapıştırıcı türü, ankrajların ekileceği deliğin nem ve temizlik durumu gibi birçok parametre etkilemektedir. Bu çalışmada, epoksi esaslı kimyasal yapıştırıcı kullanılarak oluşturulan ankraj elemanlarında farklı kenar mesafeleri dikkate alınarak çekip-çıkarma deneyleri yapılmıştır. Kullanılan ankraj çapının 5, 1, 15 ve 2 katı gömme derinliğinde ve donatı çapının 5, 7.5, 1, 15 ve 2 katı kenar mesafelerinde ankraj elemanları 27 MPa ortalama basınç dayanımına sahip betonlarda oluşturulmuştur. Yapılan deneysel çalışma sonucunda kenar mesafesi arttıkça çekme kuvvetinin arttığı görülmüştür. Ayrıca en uygun çekme kuvveti değerleri, donatı çapının 15 katı kenar mesafesindeki numunelerden elde edilmiştir. Eksenel çekme kuvvetleri, ACI 318 ankrajnominal kapasitesinin %95 güvenlikli olarak belirlenmesini esas alan yaklaşımla değerlendirilmiştir. Buna göre kenar mesafesinin, çapın 15 katı olması durumları için önerilen dayanım azaltma katsayıları kullanılarak nominal dayanımı sağlamaktadır. ANAHTAR KELİMELER: Kimyasal Ankraj, Kenar Mesafesi, ACI 318. FAILURE MODE OF CHEMICAL ANCHORS EMBEDDED TO NEAR EDGE ABSTRACT: Tensile strength of chemical anchors was affected by many parameters such as anchor diameter, edge distance, embedment depth, the chemicals used for bonding and cleaning and humidity conditions of the anchor hole. In this paper, epoxy based chemical adhesives were used to considering different edge distance. These anchors were subjected to pull-out test. Anchors were embedded to depths determined as 5, 1, 15 and 2 times of diameter and with an edge distance determined as 5, 7.5, 1, 15 and 2 times of diameter on average compressive strength of 27 MPa concrete blocks. Results of experimental study were presented an increase of tensile strength with increasing edge distance. Also, axial tensile load of anchors has increased until an embedment depth which was 15 times of diameter. The results were compared to capacity and strength values estimated according to ACI 318 qualification based on % 95 safeties. Accordingly, the results were indicated that keep nominal strength for embedment depth 15 times of diameter by using strength reduction coefficients. KEYWORDS: Chemical Anchor, Edge Distance, ACI 318 1. GİRİŞ Aktif deprem kuşaklarından Alp-Himalaya bölgesinde yer alan Ülkemiz için deprem kaçınılmaz bir gerçektir. Bu sebepten mevcut yapı stoğumuzun sismik performans açısından yeterli düzeyde olması gerekmektedir. Bir yapının rijitliği, dayanımı ve sünekliğinin artırılması için yapılan uygulamalara güçlendirme denilmektedir. Günümüzde, mevcut yapıya yeni yapısal eleman eklenerek yapısal güçlendirme uygulamalarında kimyasal
ankraj uygulaması sıklıkla tercih edilmektedir. Kimyasal ankraj uygulamalarında eksenel çekme kapasitesine; mevcut beton dayanımı, ankraj donatı çapı, ankraj ekilme derinliği, kimyasal yapıştırıcı türü, açılan delik çapı, delik temizlik durumu ve ankraj kenar-komşuluk durumu gibi birçok etken etkimektedir. Yapılan çalışmaların geneli etkili çap ve gömme derinliğini bulmaya yöneliktir (Cook R. A., Kunz J., Fuchs W. ve Konz R. C. (1998), Shirvani M., Klingner R. E. ve Graves H. L. (4), Çavunt, D.(213), Yılmaz, S., Ozen, M. A. ve Yardim Y. (213)). Diğer çalışmaların büyük bir kısmı ise analitik olarak kapasiteyi tahmin etmeye yöneliktir (Sakla S.S.S. ve Ashour A. F. (5), Çolak, A. (7), Bajer M. ve Barnat J. (212)). Bu çalışmada ise epoksi esaslı kimyasal yapıştırıcı kullanılarak oluşturulan ankraj elemanlarında farklı kenar mesafeleri dikkate alınarak çekip-çıkarma deneyleri yapılmıştır. Kimyasal ankraj uygulamalarında 16 mm çaplı nervürlü betonarme donatıları kullanılmıştır. Uygulamalarda, gömme derinliği çapın 5, 1, 15, 2 katı, kenar mesafesi çapın 5, 7.5, 1, 15 ve 2 katı olacak şekilde belirlenmiştir. Açılan delik çapı kullanılan donatı çapından 4 mm fazla olacak şekilde oluşturulmuştur. 2. YÖNTEM 2.1. Malzemeler Yapılan deneysel çalışmada, ankraj çapı D, gömme derinliği L, kenar mesafe ise K ile gösterilmiştir. Oluşturulan değişkenler Tablo 1 de verilmiştir. Numuneler, gömme derinliği çapın 5, 1, 15 ve 2 katı, kenar mesafesi ise çapın 5, 7.5, 1, 15 ve 2 katı olacak şekilde oluşturulmuştur. Bu çalışmada deney numuneleri; donatısız beton, epoksi esaslı kimyasal yapıştırıcı ve nervürlü çelik donatıdan oluşmaktadır. Donatıların ekilmesi için ortalama basınç dayanımları 27 MPa olan donatısız beton bloklar oluşturulmuştur. Kullanılan betona ait karışım oranları Tablo 2 de verilmiştir. Tablo 1. Çalışma parametreleri Çap- Gömme Derinliği (L) (D) (cm) (mm) 16 5 1 15 2 Kenar Mesafesi (K) (cm) 5 7.5 1 15 2 Tablo 2. Ağırlıkça beton karışım oranları Malzeme kg/m 3-4 mm 175 4-11 mm 27 11-22 mm CEM I 42.5 Kül 4 Su 185 Kimyasal Katkı 2.5 Çalışmada, 16 mm çapında nervürlü betonarme donatısı kullanılmıştır. Kullanılan donatının mekanik özelliklerinin elde edilmesi için çekme deneyleri yapılmıştır. Elde edilen mekanik özellikler Tablo 3 te verilmiştir. Deneysel çalışmada, kimyasal yapıştırıcı olarak epoksi esaslı yapıştırıcı kullanılmıştır. Epoksi esaslı kimyasal yapıştırıcının yoğunluğu 1.8 kg/l, basınç dayanımı 83 MPa dır. Çap (mm) 16 Tablo 3. S42a Ankraj çubuklarının mekanik özellikleri Akma Ortalama Akma Çekme Ortalama Çekme Kopma Dayanımı Dayanımı Dayanımı Dayanımı (MPa) Uzaması (MPa) (MPa) (MPa) (%) 473 577 3 47 473 578 582 28 475 582 29 2.2. Numunelerin Üretimi
Deney numunelerinin üretimi; beton temellerin yapılması, ankraj derinliklerinin açılması-temizlenmesi ve nervürlü donatıların ekilmesi olmak üzere üç aşamada gerçekleştirilmiştir. Beton blokların yüksekliği, tüm numunelerde gömme derinliğini sağlayacak şekilde cm olarak oluşturulmuştur (Şekil 1). Beton bloklara, 28 günlük dayanım sonrası kullanılacak donatı çapının +4 mm fazlası olacak şekilde matkap yardımıyla delikler açılmıştır (Şekil 2). Ankraj deliklerinin düşeye dik doğrultuda açılmasına özen gösterilmiştir. Her bir deliğin tozdan arındırılması hava kompresörü yardımıyla gerçekleştirilmiştir. Şekil 1. Donatısız beton blokların hazırlanması Şekil 2. Ankraj deliklerinin açılması 2.3. Deneysel Çalışma Açılan deliklere, epoksi esaslı yapıştırıcılar doldurularak ankraj donatılarının ekilme işlemi yapılmıştır. Epoksi yapıştırıcısı dayanım kazandıktan sonrası çekip-çıkarma deneyleri yapılmıştır. Deney düzeneği; göçme tipinin gözlemlenebilmesi için 2 adet U profille mevcut betondan yükseltilmiş platform, yük hücresi, hidrolik piston, donatının sıkışmasını sağlayan çeneler ve potansiyometrik cetvelden oluşmaktadır (Şekil 3).
Yük (kn) 4. Uluslararası Deprem Mühendisliği ve Sismoloji Konferansı 3. BULGULAR Şekil 3. Deney düzeneği 3.1. Yük-Deplasman Eğrileri D16L5 için yük-deplasman grafiği 16 mm çapındaki ankraj donatılarının farklı kenar mesafelerinde (8, 12, 16, 24 ve 32 cm), 5(8 cm) gömme derinliğinde oluşturulan numunelere ait yük-deplasman grafikleri Şekil 4 te verilmiştir. En büyük çekme dayanımı K24 te 88.7kN iken en düşük çekme dayanımı K8 de 48.5 kn olarak elde edilmiştir. Genel olarak beton koni kopması gözlenmiştir. 3 1 1 D16L8 1 2 3 4 Deplasman (mm) K8 K12 K16 K24 K32 Şekil 4. 16 mm çap ve 8 cm gömme derinliği için yük-deplasman eğrileri D16L1 için yük-deplasman grafiği Gömme derinliği 1(16 cm) olan numunelere ait yük-deplasman grafikleri Şekil 5 te verilmiştir. En büyük çekme dayanımı K32 de 111. 11 kn iken en düşük dayanım K8 de 72.5kN olarak elde edilmiştir.16 cm gömme derinliğine sahip numunelerde genel olarak beton koni göçmesi gözlenmiştir.
Yük (kn) Yük (kn) 4. Uluslararası Deprem Mühendisliği ve Sismoloji Konferansı D16L16 3 1 1 1 2 3 4 Deplasman (mm) K8 K12 K16 K24 K32 Şekil 5. 16 mm çap ve 16 cm gömme derinliği için yük-deplasman eğrileri D16L15 için yük-deplasman grafiği Gömme derinliği 15(24 cm) olan numunelere ait yük-deplasman grafikleri Şekil 6 da verilmiştir. Eksenel çekme dayanımları 12 kn civarında birbirine yakın olarak elde edilmiştir. Genel olarak göçme tipi olarak sıyrılma hasarı gözlemlenmiştir. 3 D16L24 1 1 1 2 3 4 Deplasman (mm) K8 K12 K16 K24 K32 Şekil 6. 16 mm çap ve 24 cm gömme derinliği için yük-deplasman eğrileri D16L2 için yük-deplasman grafiği Gömme derinliği 2(32 cm) olan numunelere ait yük-deplasman grafikleri Şekil 7 de verilmiştir. En büyük çekme dayanımı K24 te 1.8kN iken en düşük dayanım K8 de 92.7 kn olarak elde edilmiştir. Genel olarak göçme tipi olarak donatı sıyrılma hasarı gözlemlenmiştir.
Çekme kuvveti (kn) Yük (kn) 4. Uluslararası Deprem Mühendisliği ve Sismoloji Konferansı 3 D16L32 1 1 1 2 3 4 Deplasman (mm) K8 K12 K16 K24 K32 Şekil 7. 16 mm çap ve 32 cm gömme derinliği için yük-deplasman eğrileri Deney numunelerin tüm gömme ve kenar mesafelerine ait eksenel çekme kuvvetleri Şekil 8 de verilmiştir. 15 gömme derinliğine kadar eksenel çekme dayanım artışı gözlenirken 2 de dayanım artışları gerçekleşmemiştir. Farklı kenar mesafelerinde ekilen ankraj donatıların 5115ve2gömme derinliklerine göre ortalama eksenel çekme dayanımları sırasıyla 66.8, 9.3, 12.5 ve 97.1 kn elde edilmiştir. 3 1 1 5 1 15 2 Gömme derinliği (L) Şekil 8. Eksenel çekme dayanımları K5 K7.5 K1 K15 K2 3.2. Göçme Modları ve ACI 318 Güvenlik Düzeyleri Genel olarak deney elemanlarının eksenel çekme dayanımları, göçme modları Tablo 4 te verilmiştir. Eksenel çekme yükleri, kenar mesafesinin çapın 15 katı olması durumuna kadar artarken 2 katı olduğu durumlarda ise belirgin artışlar görülmemiştir. Gömme derinliğinin artmasıyla göçme modunun sırasıyla beton koni, beton koni+sıyrılma ve sıyrılma hasarı olarak gözlemlenmiştir.
Numune Adı Tablo 4. Eksenel çekme yükleri ve göçme modları Çap Gömme Kenar Göçme Göçme Modu (mm) Derinliği Mesafesi Yükü (mm) (mm) (kn) D16L8K8 8 8 48.5 Beton Koni D16L8K12 8 12 56.5 Beton Koni D16L8K16 8 16 73.4 Beton Koni D16L8K24 8 24 88.7 Beton Koni D16L8K32 8 32 66.8 Beton Koni D16L16K8 16 8 72.5 Sıyrılma D16L16K12 16 12 18.3 Beton Koni+Sıyrılma D16L16K16 16 16 85.5 Beton Koni+Sıyrılma D16L16K24 16 24 74. Beton Koni+Sıyrılma D16L16K32 16 16 32 111.11 Beton Koni+Sıyrılma D16L24K8 24 8 113.2 Beton Koni+Sıyrılma D16L24K12 24 12 123. Sıyrılma D16L24K16 24 16 119.9 Sıyrılma D16L24K24 24 24 123.2 Beton Koni+Sıyrılma D16L24K32 24 32 123.3 Sıyrılma D16L32K8 32 8 92.7 Sıyrılma D16L32K12 32 12 96.7 Sıyrılma D16L32K16 32 16 1.2 Sıyrılma D16L32K24 32 24 1.8 Sıyrılma D16L32K32 32 32 95.1 Sıyrılma ACI 318-Ek-D nin önerdiği, donatısız betonda işçilik kalitesi ve ortam koşullarından orta derecede etkilenen durum için dayanım azaltma katsayısı uygulanarak elde edilen güvenlik düzeyleri Şekil 9 da verilmiştir. Önerilen %95 güvenirlik düzeyinin sadece 3 ankraj numunesinde (D16L16K8, D16L16K16, D16L16K24) sağlanamadığı görülmüştür. 1.7 1.55 1.4 1.25 1.1.95.8.65.5 Güvenlik Düzeyleri 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 11 12 13 14 15 16 17 18 19 2 Numune Şekil 9.Tasarım kuvvetlerine göre güvenlik düzeyleri
4. SONUÇLAR Bu çalışmada, epoksi esaslı kimyasal yapıştırıcı kullanılarak ortalama 27 MPa beton basınç dayanımına sahip donatısız beton bloklara 16 mm çaplı S42a betonarme nervürlü ankraj donatıları, çapın 5, 1, 15 ve 2 katı gömme derinliğinde ve kenar mesafeleri çapın 5, 7.5, 1, 15 ve 2 katı olacak şekilde ekilerek deney numuneleri üretilmiştir. Oluşturulan ankraj numuneleri çekip-çıkarma deneyine tabii tutulmuştur. Deneysel sonuçlar, eksenel çekme kapasitesi, gömme derinliği ve kenar mesafesi açısından incelenmiştir. Elde edilen sonuçlar aşağıda maddeler halinde verilmiştir. Ankraj elemanlarında ortalama eksenel çekme dayanımı 93.7 knolarak elde edilmiştir. Gömme derinliğinin artmasıyla eksenel çekme kuvveti artması 15 e kadar devam ederken 2 de belirgin artışlar görülmemiştir. Gömme derinliği açısından, en büyük eksenel çekme kuvvetleri 24 mm de ekilen ankraj numunelerinde elde edilmiştir. Kenar mesafesinin artmasıyla eksenel çekme kuvvetinin artması 15 e kadar devam ederken 2 de belirgin artışlar görülmemiştir. Kenar mesafesi açısından, en büyük eksenel çekme kuvvetleri 24 mm ekilen ankraj numunelerinde elde edilmiştir. ACI 318 tasarım kuvvetlerine göre genel olarak %95 lik güvenlik düzeyleri sağlanmıştır. 5. KAYNAKLAR ACI 318, (5). Building Code Requirements for Reinforced Concrete, American Concrete Institute, Detroit, USA. Bajer M. and Barnat J. (212). The glue-concrete interface of bonded anchors, Construction and Building Materials, 34:1, 267-274. Cook R. A., Kunz J., Fuchs W. and Konz R. C. (1998). Behavior and design of single adhesive anchors under tensile load in uncracked concrete, ACI Structural Journal, 95: 9, 26. Çavunt, D. (213). Mevcut bir betonarme yapı üzerinde güçlendirme ankrajlarının performanslarının araştırılması. Yüksek Lisans Tezi, İstanbul Teknik Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul. Çolak, A. (7). Estimation of ultimate tension load of methylmethacrylate bonded steel rods into concrete, International Journal of Adhesion & Adhesives, 27:1, 653 66. Sakla S.S.S. and Ashour A. F. (5). Prediction of tensile capacity of single adhesive anchors using neural networks, Computers & Structures, 83:1, 1792-183. Shirvani M., Klingner R. E. and Graves H. L. (4). Breakout capacity of anchors in concrete-part 1: tension, ACI Structural Journal,11:6, 813-82 Yılmaz, S., Ozen, M. A. and Yardim Y. (213). Tensile behavior of post-installed chemical anchors embedded to low strength concrete, Construction and Building Materials, 47:1, 861-866.