Kiriş Mesnet Kesitleri Eğilme Kapasitelerinin Tekrarlı Ve Yön Değiştiren Etkiler Altında İleri Teknoloji Malzeme Kullanarak Arttırılması

Abstract

Ülkemizde mevcut yapı stoğunda gerek imalat hataları (kalitesiz işçilik ve yanlış malzeme kullanımı gibi) gerekse yapıların kullanım amaçları dışında değerlendirilmeleri yüzünden (konut olarak inşa edilen bir yapının okul, hastane veya iş merkezi olarak kullanılması gibi), kirişlerin eğilme kapasitelerinin yetersiz kalması önemli bir sorun olarak karşımıza çıkmaktadır. Yapısal güvenliğin sağlanması için kirişlerdeki bu tip eksikliklerin giderilmesi gerekli olabilmektedir. Bunun için izlenecek güçlendirme yöntemi, ülke ekonomisine katkıda bulunması ve kullanıcıya rahatsızlık vermemesi açısından, temel olarak hem pratik hem de ekonomik olmalıdır. Eğilme donatısı yetersiz olan kirişlerin güçlendirilmesi için önerilen en yenilikçi yöntemlerin başında lifli polimer malzemeler kullanılarak gerçekleştirilen güçlendirme metotları gelmektedir. Geçmişte kullanımı ekonomik bulunmayan lifli polimer (LP) malzemelerin ülkemizde zamanla daha çok tanınması ve üretimine başlanması bu durumu ortadan kaldırmış ve lifli polimerle güçlendirme yöntemlerine popülerlik kazandırmıştır. Yüksek çekme mukavemetleri, hafif oluşları, korozyondan etkilenmemeleri ve diğer güçlendirme yöntemlerine göre uygulamasının daha kolay oluşu LP malzemeler için tercih sebebi olmaktadır. LP malzemelerin kirişlerin eğilme kapasitesini arttırdığı, literatürde yapılan deneysel çalışmalar ile kanıtlanmıştır. Ancak yapılan çalışmalarda, hemen her zaman basit mesnetli kirişlerin açıklıklarındaki moment kapasitelerinin arttırılması hedeflenmiş deprem etkilerinin ön planda olduğu mesnet kesitlerindeki durum araştırılmamıştır. Ayrıca güçlendirme amaçlı olarak kullanılan LP malzemelerin kolon-kiriş birleşim bölgelerine ankraj edilmesi durumu da incelenmemiştir. Önerilen çalışmada 7 adet tam ölçekli kolon-kiriş birleşim bölgesi imal edilerek, yön değiştiren tekrarlı yükleme etkileri altında kirişlerin mesnet kesitlerindeki eğilme kapasitesinin arttırılması planlanmıştır. Eğilme kapasitesi yetersiz olarak tasarlanıp üretilen kirişler, düşey yük ve deprem etkilerini temsil etmek üzere monoton artan veya yön değiştiren tekrarlı yatay yükler altında deneye tabi tutulmuştur. Güçlendirilmiş numunelerin performansı orijinal numuneler ile karşılaştırılmıştır. Deneysel çalışmalar, yapı elemanlarının LP malzemeler ile güçlendirilmesi konusunda on yılı aşkın süredir ulusal ve uluslararası kuruluşlarca desteklenmiş birçok çalışmaya imza atan İTÜ (İstanbul Teknik Üniversitesi) Yapı ve Deprem Mühendisliği Laboratuvarı’nda gerçekleştirilmiştir. Çalışmanın temel amacı mühendislerin kullanabileceği pratik ve uygulanabilir bir yöntem ortaya koymaktır. Çalışmanın sadece laboratuvar koşullarına uygun olmaması için gerçek durumu yansıtmak amacıyla numunelerde enine kiriş ve döşeme detayları dış aks kolon- kiriş birleşim bölgesinde olduğu gibi uygulanmıştır. Yapılan çalışma birçok açıdan özgün nitelikler taşımaktadır. Bunlar şu şekilde sıralanabilir: Gerçek kolon-kiriş bölgelerine direkt olarak uygulanabilirlik, bütün numunelerin deprem etkilerini temsil eden geri dönen tersinir yükler altında test edilmesi, LP malzemenin kolon-kiriş birleşim bölgesine ankraj edilmesi ve yeni bir LP ürünü olan ip kullanılması. Bilgilerimize göre literatürdeki bu form ile yapılmış ilk çalışma olma özelliği taşımaktadır. Mevcut yönetmeliklerin LP malzemeler ile güçlendirilmiş yapı elemanları için öngörüleri monotonik yüklerle yapılmış çalışmalarla sınırlı olduğundan, deprem etkilerinin dikkate alındığı bu çalışmanun literatüre katkı sağlayacağı umulmaktadır. 7 adet numunenin 3 tanesi referans numune olarak seçilmiş olup, kalan 4 tanesine güçlendirme uygulanmıştır. Güçlendirme yöntemi olarak literatürde Near Surface Mounted (NSM) olarak isimlendirilmiş, beton yüzeyinde oluklar açarak malzemeyi bu olukların içerisine yerleştirmeyi öngören metod seçilmiştir. Bu metodun temel amacı, LP malzemenin erken ve beklenmedik şekilde sıyrılmasını engellemektir. Tüm numunelerde inşaat sektöründe yeni kullanılmaya başlanan ip Lifli Polimer olarak isimlendirilen bir malzeme kullanılmıştır. Güçlendirme malzemesi olarak dört numunede de aynı malzeme kullanılmış olmasına karşın, iki farklı güçlendirme yöntemi izlenmiştir. İlkinde LP malzeme döşeme üzerinde olacak şekilde kiriş üst kotundan itibaren kolon yan yüzüne mümkün olduğunca yakın olarak açılan oluklar içine yerleştirilmiş ve kolon yüksekliği boyunca devam ettirilmiştir. İkinci yöntemde ise LP malzeme döşeme üzerinde olacak şekilde kiriş üst kotundan itibaren açılan oluklara yerleştirilerek kolon-kiriş birleşim bölgesine ankraj edilmiştir. Her iki güçlendirme durumu için NSM metodu oluklarının boyutları literature ve dizayn yönetmeliğine uygun olacak şekilde belirlenmiştir. Deneysel ve analitik çalışmalar göstermiştir ki iki yöntem de belirli bir öteleme oranına kadar güçlendirilmiş numunelerde %15 ile %21 arasında değişen eğilme momenti artışı sağlanmıştır. Bu öteleme oranı genel olarak 0.02’ye denk gelmektedir. Bu orandan sonra her güçlendirilmiş numunede dayanım azalması gözlemlenmiştir. Bir başka deyişle bu malzemeyle yapılan güçlendirme yöntemlerinin 0.02 öteleme oranına kadar etkin olduğu ve bu orana kadar tasarlanması gerektiği gözlemlenmiştir. Yapılan deneysel çalışma teorik kapasite hesaplarıyla (hem mevcut yönetmeliğin öngördüğü hesapla hem de bilgisayar programları kullanılarak) desteklenmiş ve bulunan sonuçlar, bu hesaplarla karşılaştırılarak değerlendirilmiştir. Ayrıca deneyden elde edilen eğilme momenti kapasiteleri ACI (American Concrete Institute) yönetmeliğinin öngördüğü kapasite miktarları ile karşılaştırılmış ve yönetmeliğin önerdiği formüllerin geri dönen tersinir yükler altındaki geçerliliği ve doğruluğu yapılan hesaplarla sorgulanmıştır. Yapılan hesaplar sonucunda yönetmeliğin her iki yöntem durumu için de konservatif olmadığı gözlenlenmiştir. Her iki yöntem için de azaltma katsayıları ve mühendislerin iki yöntem arasında seçim yaparken hangi durumları göz önüne alacağı belirlenmiştir. 1. tip güçlendirme yöntemi için hesaplanan katsayı, bu yöntemle güçlendirilmiş olan iki numune için de gerçerli olmaktadır. Bir başka deyişle hesaplanan katsayı değeri her iki numune için de tutarlılık göstermektedir. 2. tip güçlendirme yapılmış numunelerde ise ankraj boyu uzamasıyla birlikte konservatif olma durumunun iyice azaldığı gözlenmiştir. Uygulamada mühendislerin hangi yöntemi hangi durumda tercih etmeleri gerektiği önerilmiştir.Ayrıca bu malzemeyle yapılan ilk çalışmalardan biri olması dolayısıyla malzemenin davranışını inceleyen çalışmalar yapılması ve çalışmada bulunan bulguların desteklenmesi önerilmektedir.

Many of existing structures in Turkey, have insufficient flexural capacity of beams due to the increased loading, manufacturing defects or changes in intended use. In order to increase the performance of these structures under both earthquake loads and sum of dead and live loads, those kind of deficiencies require retrofitting. The method of retrofit should be basically effective, economical and consist of easily applicable details, in order to contribute national economy and provide less disturbance to the occupants. Strengthening with fiber reinforced polymers (FRP) has become one of the innovative methods in order to enhance the flexural capacity of beams which have insufficient flexural reinforcement. Many experimental studies have been carried out to assess the flexural behavior of reinforced concrete (RC) beams strengthened with FRP, but always strengthening applied only on bottom side in span area of beams without taking into account the earthquake effects in support region of beams. And also, anchorage of FRP material to beam-column joints was not taken into consideration. In the scope of the experimental study, 7 full-scaled beam-column joint specimens with unsufficent flexural capacity were constructed. It was planned to increase the flexural capacity of beams in support region under reversed cyclic loads which represented the earthquake effects. The studies were carried out at ITU (İstanbul Technical University). The main objective of the study is to develop effective, economical, occupant friendly and easily applicable strengthening details with innovative materials. It was planned to incrase the flexural capacity of beams in support region. In order to propose realistic and applicable strengthening details, all the specimens contained column, beam, transverse beam and slab. Three of the specimens were tested in their original conditions while the remaining ones were retrofitted with new type of SIKA’S CFRP (Carbon Fiber Reinforced Polymer) Rope product. The study is original in many ways. The originalities of study can be listed as: the occupant-friendly appliciability to real exterior beam-column joints , usage of a new form of FRP which is named as rope , using anchorage in retrofitting methods and testing the full-scaled specimens under reversed cyclic loads. To the author’s knowledge, it would be the first study with the newly-formed FRP material, rope in literarature. For the retrofitting, the Near Surface Mounted (NSM) method was choosen in order to destrcit the debonding in early stages of experiments. Since the current design codes are limited for FRP applications with NSM (Near Surface Mounted) method under the reversed cyclic load, the study is believed to be significant due to the understanding of the FRP material under reversed cyclic loads. Two different methods were followed throughout the study. In the first retrofitting type, CFRP rope was bonded with NSM method on slab’s surface in longitudinal direction and also it was extended into the beam-column joint. In the second retrofitting type, CFRP rope was anchored into the beam-column joint and maintained with NSM method outside of the joint region The experimental study indicated that both retrofitting methods increase the bending moment capacity until the limited drift ratio of 0.02. After that drift ratio value, the performance of retrofitting specimens decline. In other words, the results showed that the retrofitting method for both technique with the CFRP rope is effective until the drift ratio reaches to 0.02. The accuracy of design codes were questioned by theoretical calculations throughout the study. The test results were evaluated in order to determine the accuracy of design codes formulations in reversed cyclic loadings. In order to predict the efficiency of retrofitted specimens, the calculations were made again. In consequence of these calculations, coefficient factors were determined for both retrofitting methods. Since the study has the feature of being one of the first studies using the new form of FRP rope, further studies under reversed cyclic loads should be carried out in order to reinforce the findings about FRP rope materials.