BETONARME KİRİŞLERİN KOMPOZİT MALZEMELER İLE GÜÇLENDİRİLMESİ Zeki ÖZCAN 1 ozcan@sakarya.edu.tr Öz:Kompozit malzemelerin mühendislik yapılarının güçlendirilmesinde ve onarımında kullanılması son yıllarda hızla artmaktadır. Kolay ve hızlıuygulanabilmeleri, düşük öz ağırlıkları, yüksek rijitlik/ağırlık ve dayanım/ağırlık oranları ile CFRP ler (Karbon Fiber Takviyeli Polimerler) geniş bir kullanım alanı bulmaktadır. Özellikle yapı ağırlığını arttırmadan yapılmak istenen güçlendirme çalışmalarında etkili bir şekilde kullanılmaktadır. Bu çalışmada, dikdörtgen kesitli betonarme kiriş elemanların FRP ile güçlendirilmesi uygulaması ve üç noktalı eğilme deneylerinden elde edilen sonuçlar verilmiştir. Deneyler, 2.20m boyunda ve 0.15x0.25m kesitli 8 adet betonarme kiriş üzerinde, üç grup olarak yapılmıştır. Deney sonuçları yük-yerdeğiştirme ve yük-şekil değiştirme grafikleri şeklinde ve tablolar halinde verilmiştir. Anahtar Kelimeler: BA Kiriş, Eğilme Davranışı, Eğilme Deneyi, FRP, Güçlendirme, Kompozit Giriş Betonarme yapılarda veya yapı elemanlarında kullanım sırasında zamanla güçlendirme ihtiyacı ortaya çıkmaktadır. Bu ihtiyaç deprem sonucu ortaya çıkabildiği gibi kullanım amacı veya servis yükleri değişen yapılar için de söz konusu olmaktadır. Bir başka güçlendirme gereği de deprem yönetmeliklerinin değiştirilmesi ile ortaya çıkmaktadır. Betonarme yapı elemanlarının onarım ve güçlendirmesinde değişik yöntemler kullanılmaktadır. Taşıyıcı sisteme yeni betonarme elemanlar ilave etmek ve/veya yapı elemanlarının betonarme mantolanması kullanılan yöntemlerin başında gelmektedir. Ancak bu yöntemler ile yapılan güçlendirmenin yapı ağırlığınıönemli ölçüde arttırdığı ve özellikle yumuşak zeminler üzerine inşa edilmiş yapılarda zemin taşıma gücünün aşılmasına, buna bağlı olarak temel sisteminde ilave düzenlemelere ve maliyet artışlarına neden olmaktadır. Bu nedenlerden dolayı yapıağırlığını arttırmayan, kolay ve hızlı uygulanabilen, elemanların kapasitelerini önemli ölçüde arttıran FRP uygulamaları ön plana çıkmaktadır (Arya ve diğ., 2002; Norris ve diğ., 1997). Bu yöntemle kiriş, kolon, perde, taşıyıcı duvar ve kat döşemeleri gibi taşıyıcı elemanlarda hızlı ve etkili bir güçlendirme yapılabilmektedir (Anania ve diğ., 2005). Betonarme kirişlerin güçlendirilmesinde, karbon elyafı çekme yüzeyine epoksi ile yapıştırmak etkili bir tekniktir. Deneyler, güçlendirilmiş kirişlerin, kiriş uzunluğu boyunca güçlendirilmiş bölgede elyafın yapıştırıldığı beton tabakada yerel kopmaların ve ayrılmaların olduğunu göstermektedir. Bunun yanında eğilmeye bağlı çatlamalar ve göçme durumları da meydana gelmektedir (Almusallam ve diğ., 2001; Buyukozturk ve diğ., 2004). Norris ve diğerleri FRP elyaflarla güçlendirilmiş hasarlı betonarme kirişlerin davranışınıbelirlemek için yaptıkları deneysel çalışmalarda, kirişin eğilme ve kesme mukavemetini arttırmak amacıyla çekme bölgesine ve çevresine farklı açılarda FRP malzemeyi epoksi ile yapıştırmışlardır. Fiber düzenlemelerine bağlı olarak kırılmanın farklıtürleri ve kiriş mukavemetinde meydana gelen artışları gözlemlemişlerdir (Norris ve diğ., 1997). Grace ve diğerleri de yaptıkları deneysel çalışmada FRP liflerin farklı açılarda sarılmasıyla oluşturulan deney kirişlerinin yük altındaki davranışlarını incelemişlerdir. Eğilme deneylerinde FRP kaplanmış kirişlerin güçlendirilmemiş normal kirişlerden %53 daha fazla yük taşıdığı gözlemlenmiştir (Grace ve diğ., 2003). Kullanılan Yöntem Bu çalışmada, eğilme etkileri altındaki dikdörtgen kesitli betonarme kirişlerin eğilme davranışının iyileştirilmesine yönelik yapılan uygulamalar ve deneysel çalışmalar sunulmuştur. Deneyler Sakarya Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, İnşaat Mühendisliği Bölümü, Yapı Mekaniği Laboratuarında gerçekleştirilmiştir. 1 Sakarya Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, İnşaat Mühendisliği Bölümü, 54187 Sakarya 1016
1017
Kirişlere yük uygulaması 20 ton yük kapasiteli deney çerçevesi ve manuel kontrollü hidrolik kriko ile yapılmıştır. Kiriş orta noktasında yerdeğiştirme ölçer ile düşey yerdeğiştirmeler, kiriş alt yüzünde FRP de çekme şekil değiştirmeleri ve kiriş üst yüzünde, betonda basınç şekil değiştirmeleri şekil değiştirme ölçerler ile ölçülmüştür (Şekil 4). Şekil 4. Eğilme kirişi test düzeneği ve şekil değiştirme ölçümleri Sonuçlar ve Yorumlar Sunulan bu deneysel çalışmada, hasarsız betonarme kirişlerin güçlendirilmesi için iki farklı FRP miktarıuygulanmıştır. Kontrol kirişleri ve güçlendirilmiş kirişlerde, kırılma mekanizmaları, kırılma yükü, yer değiştirme ve şekil değiştirmeler belirlenmiştir. Kontrol kirişlerinde elastik ötesi yüklemede oluşan çatlak haritasıçıkarılarak Şekil 5 de verilmiştir. Şekil 5. Grup-A-1 kontrol kirişi çatlak haritası Grup-A-1 kontrol kirişinde 49 kn yük altında ilk kılcal çatlaklar gözlenmiştir. Yük 61 kn ulaştığında donatıda akma başlamış ve yük almaz duruma gelerek 32 mm yerdeğiştirme elde edilmiştir (Şekil 6). Benzer davranış Grup-A-2 test kirişinde de 51 kn yük altında ilk çatlaklar, 63 kn yükte akma ve 34 mm yerdeğiştirme şeklinde gözlenmiştir (Şekil 7). Grup-B kirişlerinde yapılan yüklemelerde 102 kn, 102 kn ve 104 kn kopma yük değerlerinde sırası ile 22, 23 ve 18 mm düşey yerdeğiştirmeleri kiriş ortasında elde edilmiştir (Şekil 6). Beton yüzeyinde basınç şekil değiştirmeleri ortalama 1.8 (Şekil 8), FRP yüzeyinde çekme şekil değiştirmeleri ortalama 8 olarak belirlenmiştir (Şekil 9). Kiriş taşıma gücünü FRP nin kopması ile aniden kaybetmiştir. Betonda herhangi bir bozulma görülmezken fiber liflerde kopma ve yanlarda açılmalar gözlenmiştir. Grup-C kirişlerinde yapılan yüklemelerde 127 kn, 136 kn ve 130 kn kopma yük değerlerinde sırası ile 28, 33 ve 28 mm düşey yerdeğiştirme değerleri kiriş ortasında elde edilmiştir (Şekil 7). Beton yüzeyinde basınç şekil değiştirmeleri ortalama 2.2 (Şekil 10) ve FRP yüzeyinde çekme şekil değiştirmeleri ortalama %1.25 olarak belirlenmiştir (Şekil 11). Bu grupta yapılan deneylerde kırılma anına yakın kiriş üst yüzeyinde betonda kısmi ezilmeler ve FRP liflerde yana açılmalar gözlenmiştir (Şekil 12). 1018
Şekil 6. Grup-A-1 (Kontrol kirişi) ve Grup-B kirişlerinden elde edilen yük-yerdeğiştirme değişimleri Şekil 7.Grup-A-2 (Kontrol kirişi) ve Grup-C kirişlerinden elde edilen yük-yerdeğiştirme değişimleri Şekil 8. Grup-B kirişlerinde, beton yüzeyinde yük-basınç şekil değiştirmesi değişimleri 1019
Şekil 9. Grup-B kirişlerinde, FRP yüzeyinde yük-çekme şekil değiştirmesi değişimleri Şekil 10. Grup-C kirişlerinde, beton yüzeyinde yük-basınç şekil değiştirmesi değişimleri Şekil 11. Grup-C kirişlerinde, FRP yüzeyinde yük-çekme şekil değiştirmesi değişimleri 1020
Güçlendirme uygulamasının değerlendirmesi kontrol kirişine ve birbirlerine göre de yapılmıştır. Değerlendirmeler kiriş orta noktasında yerdeğiştirme, kırılma yükleri, FRP ve betonda şekil değiştirmeler ve süneklik oranlarışeklinde yapılmıştır. Güçlendirilen kirişlere ait deney sonuçlarıtablo 1 de karşılaştırmalıolarak verilmiştir. Kırılma biçimine örnek olarak Grup-C-2 kirişi verilmiştir (Şekil 12). Tablo 1. Güçlendirilen kirişlerin kontrol kirişlerine oranla kapasite artışları En büyük Akma Yükü Kopma Yükü Kiriş Adı yerdeğiştirme (mm) P (kn) Artış (%) P (kn) Artış (%) Grup-A1 32 49 61 Grup-A2 34 51 63 Grup-B1 22 75 50 102 65 Grup-B2 23 78 56 104 68 Grup-B3 20 80 60 102 65 Grup-C1 28 75 50 127 105 Grup-C2 33 81 62 136 119 Grup-C3 28 85 70 131 111 Grup-B kirişlerinde, beton basınç şekil değiştirmeleri sınıra ulaşmadan karbon liflerin yük taşıma kapasitelerinin yenildiği, böylece istenen tarzda göçme durumu elde edildiği, Grup-C kirişlerinde ise beton basınç şekil değiştirme sınırına yaklaştığı ve karbon lifler ile betonun dağılması eşzamanlı meydana gelerek dengeli bir kırılma olduğu belirlenmiştir. FRP ile güçlendirilen bütün kirişlerde kırılma yükünde orta noktada ölçülen düşey yerdeğiştirmeler, kontrol kirişinde ölçülen yerdeğiştirmelerden küçük kalmıştır (Şekil 6 ve Şekil 7). Yerdeğiştirme değerlerinin özetlendiği Tablo 2 de de kirişin dayanımındaki artışın yerdeğiştirmeleri azalttığı görülmektedir. Tablo 2. Şekil değiştirme ve yerdeğiştirmelerin akma ve kopma yük durumlarında karşılaştırılması 1021
Kiriş Adı Akma Durumu Kopma Durumu Süneklik Oranı εy (%) y (mm) εu (%) u (mm) µ = u / y Kontrol Kirişi 0,22 5 33 6,60 Grup-B (ort.) 0,2 9 0,8 21 2,33 Grup-C (ort.) 0,22 7 1,2 30 4,29 Şekillerin incelenmesinden FRP miktarının artmasının donatı akma sınırını artırdığı görülmektedir. Grup-B kirişlerinde, akma durumunda ortalama 9 mm, Grup-C kirişlerinde ortalama 7 mm, kontrol kirişinde is 5 mm lik orta nokta yerdeğiştirmesi elde edilmiştir. Kırılma yükünde ise bu değerler sırası ile 33 mm, 21 mm ve 30 mm olarak belirlenmiştir. Görüldüğü gibi güçlendirilmiş kirişlerin göçme anındaki yerdeğiştirmeleri kontrol kirişinden küçük kalmaktadır. Bu değerler, maksimum yük seviyesindeki yerdeğiştirmelerin kontrol kirişine göre Grup-C kirişlerinde %10, Grup-B kirişlerinde %36 oranında azaldığını göstermektedir. Kiriş için süneklik oranı, göçmeden önceki yerdeğiştirmenin, elastik sınırdaki yerdeğiştirmeye oranı olarak tanımlanabilir. Bu oran genellikle betonarme yapılar için eğrilik oranından, yerdeğiştirmeden veya dönmelerden hesaplanabilir. Bu çalışmada yerdeğiştirmeleri esas alan bir süneklik oranı tanımlanmıştır. Bu amaçla deneylerden elde edilen her bir grup için kırılma yükündeki ortalama yerdeğiştirmenin akma yükündeki ortalama yerdeğiştirmeye oranından hareketle Tablo 2 deki değerler elde edilmiştir. FRP ile güçlendirilmiş betonarme kirişlerin kırılma şekilleri ise kiriş alt yüzündeki FRP liflerin kopması ile ve/veya kirişin üst bölgesindeki betonun ezilmesi ile ortaya çıkmaktadır. Bu davranışlar, yeterli kayma dayanımının olması ve FRP liflerinin beton üzerine yeterli yapışmasının sağlandığı kabulü ile geçerlidir. Bunun yanında betonarme içindeki çelik çubuğun akmasının ilerlemesi ile ortaya çıkan eğilme çatlağı ve düşey yerdeğiştirmelerin ilerlemesi ile her iki kırılma biçimi de birlikte gözlenebilir. Sonuç olarak; betonarme kirişin çekme bölgesinde, dış yüzeyine uygun şartlarda ve şekilde yapıştırılan FRP lifleri ile kirişin eğilme dayanımınıdiğer bir ifade ile moment kapasitesini önemli bir şekilde artırmak mümkündür. KAYNAKLAR 1. ARYA, C., CLARKE, J.L., KAY, E.A., O REGAN, P.D., 2002. TR 55: Design guidance for strengthening concrete structures using fibre composite materials: a review, Engineering Structures, 24, pp.889-900. 2. ALMUSALLAM, T.H., AL-SALLOUM, Y.A., 2001. Ultimate strength prediction for RC beams externally strengthened by composite materials, Composites Part B: Engineering, 32, pp. 609-619. 3. ANANIA, L., BADALA, A., FAILLA, G., 2005. Increasing the flexural performance of RC beams strengthened with CFRP materials. Const. and Build. Materials, 19, pp.55-61. 4. BUYUKOZTURK, O., GUNES, O., KARACA, E., 2004. Progress on understanding debonding problems in reinforced concrete and steel members strengthened using FRP composites, Const. and Build. Materials, 18, pp.9-19. 5. GRACE, N.F., RAGHEB, W.F., ABDEL-SAYED, G., 2003. Development and aplication of innovative triaxially brided ductile FRP fabric for strengthening concrete beams, Composite Structures. 6. NORRIS, T., SAADATMANESH, H., EHSANI, M.R., 1997. Shear and flexural strenghthening of R/C beams with carbon fiber sheets, Journal of Structural Engineering, 123, pp. 903-911. 1022