Lifli polimerle farklı biçimlerde güçlendirilen betonarme kirişlerin eğilme performanslarının belirlenmesi

Abstract

Yirmi yıllık bir süreden beri lif takviyeli polimer (FRP) malzemeler betonarme elemanların güçlendirilmesinde kullanılmaktadır. Bu tez çalışmasının başlıca amacı betonarme kirişlerin eğilme dayanımını arttırmak için dıştan yapıştırma şeklinde uygulanan karbon lif takviyeli polimer (CFRP) kullanımında eğilme performansı/maliyet oranını iyileştirecek üç farklı güçlendirme biçiminin etkilerinin hem deneysel hem de sayısal yöntemlerle araştırılmasıdır. Çalışmanın başlangıcında, kirişlerde çekme donatısının altında kalan beton örtüsünün etkili olduğu kabul edilerek deney kirişleri için üç farklı güçlendirme biçimi belirlenmiştir. Bu amaçla altı adet betonarme kirişte: a) sadece kiriş alt yüzeyine, b) kiriş alt yüzeyi ile eğilme donatısı içine alacak şekilde iki yan yüzeye 50 ve 70 mm yükseklikte, c) kirişin alt yüzeyi ile birlikte yan yüzeylerinin tamamına yakın bir kısmına karbon lif takviyeli polimer kumaş yapıştırılmıştır. Kirişlerin boyutları 150×250×2600 mm olup 1. grup ve 2. grup deney kirişlerinin net beton örtüleri sırasıyla 20 mm ve 40 mm olarak seçilerek bu kısmın kirişin eğilme performansına olan etkisi incelenmiştir. Her bir deney serisinde yer alan bir adet kontrol numunesinin davranışı referans alınarak kirişlerin eğilme davranışlarında gözlenen iyileşmeler karşılaştırmalı olarak verilmiştir. Deneysel çalışmalarda tüm güçlendirme biçimlerinin kirişin eğilme kapasitesini, kontrol kirişlerine oranla %55 ila %116 arasında arttırdığı görülmüştür. Yan yüzeylerin büyük bir kısmını içine alacak şekilde yapılan U sargı uygulamasının kirişin donatı üzerinde kalan bölgesindeki kuşatma etkisiyle kirişin eğilme kapasitesinin diğer iki tür güçlendirmeye oranla beklendiği gibi bir miktar daha arttırdığı belirlenmiştir. Bu artış, U sargılama sırasında çekme donatısı altında kalan net betonun sargılanmasında kullanılan malzeme miktarı göz önüne alındığında performans/maliyet açısından diğer iki güçlendirme türüne göre çok daha düşük oranlarda kalmaktadır. Bu sonuç ile denge altı betonarme kirişlerdeki donatı kullanımı sonucunda eğilme kapasitesinde meydana gelen artışın denge üstü donatı kullanımında çok daha fazla olması ile bir analoji kurulabilir. Tez kapsamında deneysel olarak CFRP ile güçlendirilmiş kirişlerin davranışlarında çekme donatısı altında kalan beton örtüsünün etkisi araştırılmış ve sonrasında deneysel sonuçların modellenmesi amacıyla üç boyutlu doğrusal olmayan sonlu elemanlar yöntemi ile çözümde kullanılabilecek pratik bir bünyesel modelleme tekniği geliştirilmiştir. Modellemede en önemli varsayım deneysel çalışmanın da odak noktalarından biri olan donatı altındaki beton davranışı incelemek için yapılmıştır. Betonarme yönetmelikleri, tasarım için taşıma gücü sınır durumunu tanımlarken tarafsız eksen altında kalan betonun taşıma gücünü tamamen ihmal etmektedirler. Sadece minimum donatı hesabında, taşıma gücü değerinden çok düşük olan ve kesitin ilk çatladığı noktaya kadar olan çekme kapasitesi dikkate alınmaktadır. Önerilen modelleme yaklaşımında ise sadece çekme donatısı altında kalan ve taşıma gücü yönteminde hiçbir şekilde dikkate alınmayan net beton örtüsü için donatı üstündeki beton kısma nazaran daha zayıf bir malzeme (sanal malzeme) modeli kullanılması yoluna gidilmiştir. Geçmişte yapılan modelleme çalışmalarından yola çıkılarak sonlu eleman analizlerinde tercih edilen elasto-plastik hasar modeli hem zayıf hem de normal beton için kullanılmıştır. Ancak, daha zayıf bir malzeme (sanal malzeme) olarak tanımlanan donatı altı betonun CFRP ile etkileşmesi sonucunda kullanılan sargı miktar ve biçimine bağlı olarak bünyesel modelin ihtiyaç duyduğu parametreler orantılı bir şekilde değiştirilmiştir. Beton için bünyesel model olarak elasto-plastik hasar modeli seçilmiştir. Böylelikle CFRP sargı ile güçlendirilen dolayısıyla davranışları önemli oranda değişen bu üç malzemeli (beton, CFRP ve sanal malzeme) kompozit yapı elemanlarının sonlu elemanlar yönteminde uygun malzeme model ve parametreleri ile analizlerinin pratik ve hızlı bir şekilde yapılabilmesi amaçlanmıştır. Beton ile CFRP sargı arasındaki enterfaz davranış için ileri sürülen ve deneysel ölçümlere dayanmayan karmaşık sayısal modellerin etkisi de geliştirilen sanal malzemenin bünyesel davranışı içinde ifade edilmiştir. Bu bağlamda, daha önce yığma duvarlarda yığma-harç arasındaki enterfaz davranış için başarılı bir şekilde kullanılmış olan bir yaklaşımdan faydalanılmıştır. Bu modellemenin yanında elasto-plastik hasar modellemesi ile tüm kirişler ayrıca karşılaştırmalı olarak gerekli malzeme parametreleri için öneriler geliştirilerek incelenmiştir. Sayısal çözümlemelerin sonlandırılması sırasında örtü betonu için çizdirilen σ−ε eğrilerinden kırılma enerjileri hesaplanmış ve Gᶠ için öngörülen değerlere ulaştığında analizler sonlandırılmıştır. Bu aşamada belirleyici olan çatlak önü bölgesi genişliği değeri için önerilerde bulunulmuştur. Tez kapsamında önerilen bünyesel modelleme yaklaşımının deneysel verileri tahmin etmekteki hassasiyeti, çalışmanın deneysel kısmında kullanılan kirişler ile literatürde yer alan benzer deney kirişlerinin davranışları üzerinde denenmiştir.