ANKARA - TURKIYE KİMYASAL ANKRAJIN ÇEKME DAYANIMINA DELİK ÇAPI VE DERİNLİĞİNİN ETKİSİ EFFECT OF HOLE DEPTH AND DIAMETER ON CHEMICAL ANCHORAGE TENSILE STRENGTH Prof.Dr. İlker Bekir TOPÇU*a, Doç.Dr. Tayfun UYGUNOĞLUb, İnş.Yük.Müh. Murat GÜLERa a* Eskişehir Osmangazi Üniversitesi, İnşaat Mühendisliği Bölümü, Eskişehir, TÜRKİYE b Afyon Kocatepe Üniversitesi, İnşaat Mühendisliği Bölümü, Afyonkarahisar, TÜRKİYE Özet Gerek hasarlı yapıların onarım ve güçlendirilmesinde gerekse yeni inşaatlarda betona sonradan monte edilen ankrajlar yaygın olarak kullanılmaktadır. Kimyasal ankrajlar mevcut betonarme elemanlara sonradan yapılacak ek donatıların birlikte çalışması için uygulanabilecek en etkin ve basit yöntemdir. Ancak bu ankrajların dayanımları pek çok faktöre göre değişkenlik göstermektedir. Bu çalışmanın amacı diğer değişken ve koşullar sabit tutularak ankraj donatısının çapının, ankraj çapının ve ankraj derinliğinin çekme dayanımı üzerindeki etkilerini belirlemektir. Çalışma kapsamında literatürdeki çalışmalar incelenerek derlenmiş ve yapılan deneysel çalışmalarda ankraj donatı çapının, ankraj delik çapının ve ankraj derinliğinin göçme yükü üzerinde etkileri araştırılmıştır. Toplam 30 adet ankraj gurubu üzerinde çekme testi uygulanmıştır. Deneysel çalışmalarda yapıştırıcı türü ve ankraj deliğinin durumu özellikleri sabit tutulmuştur. Sonuç olarak ele alınan bu değişkenler arasında ankraj donatı çapının etkisinin daha baskın olduğu görülmüştür. Anahtar kelimeler: Ankraj, donatı, perde duvar, çekme dayanımı. Abstract Additional anchors are widely used for repair and strengthening of damaged structures, retrofit projects or in new constructions. Chemical anchors are the most effective and simplest method to subsequent addition to the existing reinforced concrete elements. However, this varies according to many factors such as strength of anchors, concrete quality, bonding strength, etc. In this study, influence of the diameter of the anchor reinforcement and embedding length and diameter of drilling hole were investigated on the collapse load, i.e. concrete failure. Tensile test was performed on a total of 12 anchor groups. Epoxy based resin was used as binder material between the hole and anchors. As a result of these variables, it was found that effect of the diameter of anchor reinforcement is more dominant than the others. Keywords: Anchorage, reinforcement, reinforcement wall, tensile strength. 1. Giriş Yapı kimyasalları ile hazırlanan bir ankraj deliğine donatının yapıştırılması olarak tarif edilebilecek kimyasal ankrajlar uygulama avantajları ve detay serbestisi ile yapıların onarım ve güçlendirme uygulamalarında sıklıkla kullanılmaktadır [1]. Ankraj uygulamasının yapılacağı betonun özellikleri, ankrajın beton/betonarme eleman üzerindeki geometrik konumu, komşu ankrajların birbirine yakınlıkları, ankraj derinliği, ankraj çapı, ankraj çubuğunun çapı, ankraj uygulamasında kullanılan kimyasal yapıştırıcının özellikleri, ortam sıcaklığı, ankraj deliklerinin hazırlanması ve fiziksel durumları, ankrajların maruz kalacağı yükler vb. farklı değişkenler ankrajların davranışları üzerinde etkilidir [2]. Ankrajlar hali hazırda kullanılmakta olan yapılara, çeşitli amaçlara hizmet edecek donanım ve eleman ilavelerine imkan tanımaktadır. Bugün dünyada prefabrik altyapı elemanlarının saha montajları, sanayi yapılarında hatta yüksek sıcaklıklarda da güvenli olması beklenen enerji santralleri gibi özel yapılarda 151
2 nd International Sustainable Buildings Symposium 152 donanım ve makinelerin zemine tutturulması, yapı onarım ve güçlendirilmelerinde yeni taşıyıcı elemanların mevcut elemanlarla birlikte çalışmasının sağlanması konularında ankrajlar sıkça kullanılagelmiştir. Tasarımcılar, yüklerin birleşimin yapıldığı kesitlerde güvenle aktarılmasını sağlayacak ankraj detayları ile yapıda sürekliliği koruyabilmekte ve tasarımlarına çeşitlik ve esneklik katabilmektedir. Betona yapılan ankrajlarda, tasarım felsefesi sünek yapı tasarımındaki gibidir. Beton güç tükenmesine ulaşmadan, ankraj donatısı yerinden sökülebilmelidir [3]. Genel itibariyle ankrajlar; mekanik ve kimyasal ankrajlar olarak ikiye ayrılır. Mekanik ankrajlar; üzerine etkiyen yükleri, uygulandıkları delik yüzeyince, mekanik kilitlenme mekanizmaları sayesinde aktaran ankrajlardır. Kimyasal ankrajlar; bağ tipi ankrajlar olup; yükleri, ankraj kesiti boyunca, kimyasal yapışma özellikleri sayesinde betona aktarırlar. Bu yük aktarımı; kimyasal ile donatı arasındaki bağ aderansına ve kimyasalın delik cidarına nüfus etmesine bağlıdır [3]. Kimyasal ankrajlar, eksenel çekme yükleri altında göçme yüküne çok yakın değerlere kadar elastik davranırlar [4]. Ancak ankraj betonu, çekme gerilmelerinin etkisi altında olduğu da düşünüldüğünde, yalnızca düşük yüklerde elastik davranacaktır. Çekme yükleri altındaki ankrajlarda, betonda yerel gerilme yığılmaları ve buna bağlı kılcal çatlaklar oluşur [5]. Kimyasal ankrajların dayanımı, kullanılan kimyasalın beton ve çelik yüzeylerle gösterdiği yapışma kabiliyeti (kimyasal aderans) ile ilgilidir [3]. Yapışma dayanımı, kullanılan malzemenin bileşenlerinin kimyasal özellikleriyle olduğu gibi, ankrajların imalat yöntemleri ve koşulları ile de farklılık gösterir [4]. Yük aktarımı yeteneği fazla olan, yapışma dayanımı yüksek malzemelerde; yapışma dayanımı beton dayanımı ile artarken, kimi malzemelerde beton dayanımının yapışma dayanımına bir etkisi olmamaktadır [6]. Türkiye de daha önce ankraj derinliğinin dayanıma etkisi üzerinde çalışma yapan Seyhan [7], derin ankrajlarda sıyrılmadan önce donatının büyük oranda pekleştiği ve ardından ani göçme ile göçtüğünü gözlemlemiştir. Kaya [1], ankraj derinliğinin beton plak kalınlığının % 75 inden daha derin olmasının sakıncalı olduğunu ve bu şekilde üretilmiş ankrajlarda göçme yüklerinin çok altındaki yüklerde gevrek göçme mekanizmaları sergilediklerini gözlemlemiştir. Ankraj çapının artması aderans gerilmelerinin oluşturduğu yüzey alanının artması veya azalmasını sağlayarak, ankraj kapasitesini etkilemektedir [8]. Özkul vd. [9], çalışmalarında üç farklı ankraj çapında çalışmışlar ve çapı büyük olan donatıların taşıyabildiği kuvveti daha büyük bulmuşlardır. Gürbüz vd. [10], çalışmalarında, ankraj çapının büyümesi aderans gerilmelerinin oluşturduğu yüzey alanının artmasına neden olarak, ankraj kapasitesinin yükseldiğini gözlemlemişlerdir. Özturan vd. [11], çalışmalarında; 6 ve 8 cm ekme boylarındaki 12 mm ve mm çaplı kimyasal ankrajların normal ve yüksek dayanımlı betonlardaki göçme yüklerini karşılaştırmışlardır. 6 cm derinliğe ekilen ankrajlar incelendiğinde normal ve yüksek dayanımlı yalın betonlarda ankraj çapının artmasıyla göçme yükü artmakta olup bu artış normal dayanımlı betonda daha küçüktür. Benzer davranış 8 cm derinliğe ekilen ankrajlar için de geçerlidir. Burada da yine çapın büyümesi ankraj göçme yükünün artmasını sağlamış ve bu artışın yüksek dayanımlı yalın ve lifli betonlarda daha etkili olduğu gözlenmiştir. Pamukkale Üniversitesi Deprem ve Yapı Teknolojileri Laboratuarında gerçekleştirilen bir çalışmada beton basınç dayanımı 5-10 MPa düzeyinde bulunan betonlara epoksi ile ankrajlar ekilerek tersinir tekrarlı kesme yüklemesine maruz bırakılmışlardır. Bu çalışmanın neticesinde donatı çapının artması ile kesme dayanımının arttığı ancak bu artışın alan artışı ile orantılı artmadığı görülmüştür. Bu sebeple, büyük çaplı donatılarda erişilen nihai gerilme değerlerinin düştüğü gözlenmiştir [12]. Bu çalışmanın amacı ankraj donatısının çapının, ankraj delik çapının ve derinliğinin ankraj çekme dayanımı üzerindeki etkilerini belirlemektir. 2. Deneysel Çalışma 2.1. Ankraj elamanları - Ankraj Çubukları Çalışmada kullanılan ankraj çubukları uygulamada kullanılacak boy olan 80 cm uzunlukta kesilmiş S420 sınıfında, Φ, Φ ve Φ çapında nervürlü donatılardır. Kullanılan donatıların teknik özellikleri Çizelge 1 de verilmiştir. Şekil 2 de perde eleman üzerine yapılan ankrajlar görülmektedir. Toplam 30 adet ankraj deliği açılmıştır. Özelik Çizelge 1. Kullanılan donatıların özellikleri (TS708) Donatı çapı Ø Ø Ø Çekme dayanımı, MPa 559 560.7 559 Akma dayanımı, MPa 442 447 448 Çekmede uzama oranı, % 25.6.9 38.8 Çekme dayanımı/akma dayanımı (Rm/Re) 1.25 1.25 1.25 - Kimyasal Yapıştırıcı Çalışmamızda ankraj donatılarını ankraj deliklerine monte etmek için Pattex Cf 900 Epoksi kullanılmıştır. Pattex Cf 900, epoksi akrilat esaslı, iki bileşenli, pasta kıvamında, çok hızlı sertleşen ankraj ve montaj harcıdır. İki hazneli kartuş ambalajda temin edilen malzemenin ucuna statik karıştırıcı takılarak özel kartuş tabancasına yerleştirilip uygulanmaktadır. Kullanılan malzemenin genel fiziksel özellikleri aşağıda verilmiştir.
28-30th May 2015 Ankara - TURKIYE Çizelge 2. Kullanılan kimyasal yapıştırıcı özellikleri Özelik Değer Standart - Basınç dayanımı - Gerilme dayanımı - Eğilme dayanımı - Elastisite modülü - Karışım yoğunluğu > 56 MPa > 10 MPa > MPa 3034 MPa 1.65 g/cm3 ASTM 695 ASTM 638 ASTM 790 çubuklarına uygulanacak eksenel çekme yüklerinden doğacak tepkiyi ankraj çevresinden yeteri kadar uzak olan bölgelere aktarmayı sağlamak olmuştur. Literatürde yapılmış çalışmalar incelendiğinde de deney düzeneğinin tasarımında aynı ilkenin esas alındığı gözlenmiştir. Ankrajlarda donatı çapı, ankraj çapı ve ankraj derinliği değerleri değişken tutulmuş olup kimyasal bağlayıcı tüm numunelerde sabittir. - Ankraj Çubuğu Çekme Deneyi 3. Ankraj Deneyleri Sonuçları Hazırlanan ankraj deliklerine yerleştirilen donatılar hidrolik bir kriko ve 50 ton kapasiteli uygulanan yükü ölçen yer değiştirme ölçer ile çekme deneyine tabi tutulmuşlardır. Yer değiştirme ölçer alet mümkün olduğunca ankraj çubuğunun betona yakın noktasından ölçüm alacak şekilde sabitlenmiştir. Deneyde 80 cm uzunluğunda, S420 sınıfı, Φ, Φ ve Φ kalınlığında nervürlü donatılar kullanılmıştır. Deney parametreleri Çizelge 3 te verilmiştir. Çizelgede belirtilen 6 grubun her birine beşer adet ankraj yapılıp çekme deneyi sonuçlarının aritmetik ortalaması alınmıştır. Ankraj delikleri kuru ve temiz özelliktedir. 3.1. Ankraj derinliğinin etkisi Ankrajlar C25/30 sınıfı betonla hazırlanan perde eleman üzerine yapılmıştır. Ankraj donatısının çapı, ankraj deliğinin çapı ve ankraj derinliğine göre çekme deneyi sonuçlarını etkileyen parametreler incelenmiştir. Şekil 2 de ankraj deneyinde elde edilen donatıların sıyrılma yükleri verilmiştir. Aynı grafikte ankraj derinliğine göre sıyrılma yükleri de görülmektedir. Donatı çapına göre sıyrılma yüklerinin arttığı açıkça gözlenmektedir. Çapının 10 katı ve 12 katı kadar gömülen donatılarda çapın mm den mm ye çıkmasıyla gerekli yük miktarı sırasıyla %85 ve %67 oranında artmıştır. Diğer yandan ankraj donatısı ekme derinliğinin donatı çapının 10 katından 12 katına arttırılmasıyla da sıyrılma için gerekli yük miktarı belirgin bir şekilde artmıştır. Ankraj ekiminde donatı çapının mm den mm ye arttırılmasıyla sıyrılma yükü 10 ve 12 kat açılan derinlikler için ortalama %47 oranında artış vardır. Hem donatı çapının hem de ankraj gömme derinliğinin arttırılmasıyla birlikte daha fazla yüzey alanı ile beton içerisinde ankrajlama yapılmış ve donatının betondan sıyrılması daha güç hale gelmiştir. Şekil 1. Ankraj deneyi Çizelge 3. Ankraj Parametreleri Grup No 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Donatı Çapı, D (mm) Ankraj Çapı (mm) Derinliği (mm) Ankraj çapı kodu 20 20 26 26 0 0 170 170 0 0 190 190 0 0 0 0 Oniki ankraj grubunun özellikleri Çizelge 3 te gösterilmiştir. Her bir deney grubundan beşer adet ankraj yapılmış sonuçların ortalaması alınarak ortalama bir değer elde edilmiştir. Deney düzeneği tasarlanırken dikkat edilen en önemli ilke ankraj Şekil 2. Ankraj deney sonuçları Şekil 3. Ankraj deney sonuçları 153
2 nd International Sustainable Buildings Symposium 154 Ankraj sıyrılma yüklerinin ankraj donatıları yüzey alanına oranlanmasıyla anraj-beton bağ (aderans) dayanımları elde edilmiş ve Şekil 3 te sunulmuştur. Sıyrılma yüklerine benzer şekilde anraj gömme derinliği ve çapının artmasıyla birlikte beton ile yapışma sağlayan donatının yüzey alanının artmasından dolayı aderans dayanımları da artmıştır. 3.2. Ankraj çapının etkisi Ankraj ekimlerinde delik çapı olarak donatı çapına 6 mm ve 8 mm olarak iki farklı değer eklenerek ankraj delik çapları oluşturulmuştur. Ankraj delik çaplarıın aderans sıyrılma yüküne etkisi incelendiğinde (Şekil 3), donatı çapının ve delik çapının artması durumunda sıyrılma yükü de artmıştır. Çapının 6 mm ve 8 mm kadar fazla açılan deliklere gömülen donatılarda çapın mm den mm ye çıkmasıyla gerekli yük miktarı sırasıyla %85 ve %67 oranında artmıştır. Ekilen donatıların her birinde ise ankraj çapı miktarının mm den mm ye arttırılmasıyla,, ve mm lik donatılar için sırasıyla, %10, %9 ve %8 oranlarında artış elde edilmiştir. Şekil 4. Ankraj deney sonuçları Şekil 5. Ankraj deney sonuçları Aderans deneyinde elde edilen sıyrılma yüklerinin donatı yüzey alanına oranlanmasıyla elde edilen donatı ve delik çapına bağlı aderans dayanımı da donatı ve delik çapına bağlı olarak artmıştır (Şekil 5). Her bir donatı çapı için açılan ankraj delik çapının arttırlmasıyla, ankraj uygulamasında kullanılan harç miktarı da arttırılmıştır. Ankraj harcının karakteristik özelikleri deneysel çalışmalarda kullanılan betonun karakterisitik özeliklerinden daha yüksek olması dolayısıyla aderans dayanımı da delik çapının artışıyla birlikte yükselmiştir. Donatı çapının ankrajda öneminin büyük olduğu açıkça görülmektedir. 4. Sonuçlar Bu çalışmada, sertleşmiş beton içerisine sonradan ankre edilen farklı çaptaki donatıların gömme derinlikleri ve çapları değiştirilerek aderans dayanımlarındaki değişimler araştırılmış ve aşağıdaki sonuçlar elde edilmiştir. Donatıların çaplarının arttırılarak ankre edilmesi ile beton içerisinden sıyrılması gereken yük miktarı artmıştır. Çapının 10 katı ve 12 katı kadar gömülen donatılarda çapın mm den mm ye çıkmasıyla gerekli yük miktarı sırasıyla %85 ve %67 oranında artmıştır. Ankraj ekiminde donatı çapının mm den mm ye arttırılmasıyla sıyrılma yükü 10 ve 12 kat açılan derinlikler için ortalama %47 oranında artış vardır. Donatı çapının ve delik çapının artması durumunda sıyrılma yükü de artmıştır. Çapının 6 mm ve 8 mm kadar fazla açılan deliklere gömülen donatılarda çapın mm den mm ye çıkmasıyla gerekli yük miktarı sırasıyla %85 ve %67 oranında artmıştır. Ekilen donatıların her birinde ise ankraj çapı miktarının mm den mm ye arttırılmasıyla,, ve mm lik donatılar için sırasıyla, %10, %9 ve %8 oranlarında artış elde edilmiştir. Sonuç olarak, donatı çapının ankrajda öneminin büyük olduğu açıkça görülmektedir. Özellikle kentsel dönüşümün yapıldığı bölgelerde güçlendirme uygulamalarında ankraj ekimi yapılması durumunda ankraj boyu ve çapı arttırılarak daha yüksek aderans dayanımlı ankrajlar elde edilecektir. 5. Referanslar [1]. [1] Kaya Y., Yapıların Güçlendirilmesi Uygulamalarında Kullanılabilecek Kısmi Bağlı Ankraj Detayı ve Yüzey Temizliği Koşulları Altında Ankrajların Eksenel Çekme Davranışlarının İncelenmesi, İ.T.Ü. Yüksek Lisans Tezi, 2007. [2]. [2] İlki A., Ard Yapı Kimyasalları tarafından betona ankre edilen donatı numuneleri üzerinde Gerçekleştirilen Deneyler Konusunda Teknik Rapor, 2006. [3]. [3] Cook R. A., Collins D. M., Klinger R., Polyzois D., Load Deflection Behavior of Cast-in-Place and Retrofit Concrete Anchors, ACI Structural Journal, V.89, No.6, 639-649, 1992. [4]. [4] ACI Committee 355, State-of-the-Art Report on Anchorage to Concrete, ACI 355.1R-91, American Concrete Institute, Detroit, 1991. [5]. [5] Peier W. H., Model for Pullout Strength of Anchors in Concrete, Journal of Structural Engineering, ASCE, V.109, No.5, 1115-1173, 1983. [6]. [6] Cook R. A., Kunz J., Fuchs W., Behaviour and Design of Single Adhesive Anchors Under Tensile Load in Uncracked Concrete, ACI Structural Journal, Vol.95, No.1, 9-26, 1998. [7]. [7] Seyhan E. C., Kimyasal Ankrajların Davranışlarının İncelenmesi, Yüksek Lisans Tezi, İ.T.Ü., 2006. [8]. [8] Kıraç N., Yılmaz S., Çalışkan Ö., Kaplan H., Kimyasal Ankrajların Dayanımını Etkileyen Faktörler, Esogü Müh. Mim. Fak. Dergisi Cilt: XXIII, Sayı: 1, ss: 123-134, 2010. [9]. [9] Özkul H., Mutlu M., Sağlam A. R., Beton Ankrajları, Teknik Bülten Sayı 4, 2001. [10]. [10] Gürbüz T., Yapıların Güçlendirilmesinde Kullanılan Kimyasal Ankrajların Eksenel Çekme Etkisi Altındaki Davranışlarının İncelenmesi, Yüksek Lisans Tezi, İ.T.Ü., 2007.
28-30th May 2015 Ankara - TURKIYE [11]. [11] Özturan T., Gesoğlu M., Özel M., Güneyisi E., Kimyasal, Harçlı ve Mekanik Ankrajların Çekme ve Kesme Yükleri Altındaki Davranışları, İmo Teknik Dergi, 3105-31, Yazı 208, 2004. [12]. [12] S. Yılmaz, Ö. Çalışkan ve H. Kaplan, Düşük ve orta dayanımlı betonlara yapılan kimyasal ankrajların kesme performansı, Uluslararası Sakarya Deprem Sempozyumu, Sakarya, 2009. [13]. [13] Cook R. A., Behaviour of Chemically Bonded Anchors, Journal of Structural Engineering, ASCE, V.119, No.9, 2744-2762, 1993. []. [] Eligehausen R., Malee R., Rehm G., Fixings Formed with Resin Anchors, Betonwerk+Fertigteil-Technik, V.12, 686-692, 1984. [15]. [15] Goto Y., Obata M., Maeno H., Kobayashi Y., Failure Mechanism of New Bolt-Type Anchor Bolt Subject to Tension. []. [] Doerr G. T., Cook R. A., Klinger, Adhesive Anchors, Behaviour and Spacing Requirements, Res.rep.no: 1126-2, Ctr. For Transp. Res., Univ. of Texas, Austin, Tex, 1989. [17]. [17] Cook R. A., Doer G. T., Klinger R. E., Bond Stress Model for Design of Adhesive Anchors, ACI Structural Journal, V.90, 5-5. []. [] Zamora N. A., Cook R. A., Konz R. C. and Consolazio G. R., Behavior and Design of Single, Headed and Unheaded, Grouted Anchors under Tensile Load, ACI Structural Journal, Cilt100, No 2, 2-230, 2003. [19]. [19] Cook, R.A., Konz R.C. 2001 Factors influencing bond strength of adhesive anchors, ACI Structural Journal, 98(1), 76-86. [20]. [20] Chronopoulus M. P., Load Transfer Mechanisms, 12- April 1989. [21]. [21] Bouazaoui L., Li A., Analysis of Steel/Concrete Interfacial Shear Stress by Means of Pull Out Test, International Journal of Adhesion&Adhesives 28, 101-108, 2008. 155