Strengthening Of Low-strength Short Columns With Sprayed Up Textile Reinforced Gfrc

Abstract

Mevcut yapıların depremlerde dayanım ve süneklik özelliklerini etkileyen düşük beton dayanımı ve yetersiz sargı donatısı gibi yetersizlikler, bu yapılarda deprem etkisi altında hasar oluşmasına neden olmaktadır. Betonarme elemanların dıştan sargılanması bu yapısal karakteristiklerin iyileştirilmesi için önemli yöntemlerden biridir. Dıştan sargılama ile güçlendirme yönteminde birbirinden farklı türde malzemeler kullanılabilmektedir. Lifli polimer kompozitler (LP); iyi korozyon dayanımı, yüksek dayanım/ağırlık oranı, kolay ve hızlı uygulaması ve güçlendirme sonrası geometri değişiminin küçük boyutlarda olması gibi avantajlar nedeniyle günümüzde dıştan sargılamada kullanılan malzemelerin en önemlilerinden olduğu yapılan deneysel çalışmalar ile ortaya konulmuştur. Belirtilen avantajlarının yanısıra, epoksi reçinenin yüksek sıcaklıklardaki düşük performansı, yüksek üretim maliyeti, ıslak yüzeylerdeki ve düşük sıcaklıklardaki uygulama zorluğu, epoksi reçine ile alt yüzeyin malzemesi arasındaki uyumsuzluk, uygulamada sağlığa zararlı gazların ortaya çıkması gibi LP ile güçlendirmenin çeşitli yetersizlikleri söz konusudur. Bu çalışmanın ana amacı cam lifli püskürtme beton (GFRC) ve tekstil takviyeli cam lifli püskürtme beton olarak iki kompozit malzemenin, dıştan sargılama ile güçlendirme yönteminde etkinliğinin incelenmesidir. Yazarın bilgisi dahilinde GFRC ilk kez bu çalışma kapsamında düşük dayanımlı betonun sargılanmasında kullanılmaktadır. Ayrıca yöntemin öne çıkan diğer bir orjinal özelliği ise pskürtme olarak uygulanması sonucunda ulaşılması güç bölgelerin de güçlendirilebilirliği ve diğer yöntemlere göre daha hızlı olarak uygulanabilmesidir. Bu çalışmada, sargılama malzemesi olarak kullanılan kompozitin içeriği (GFRC veya tekstil takviyeli GFRC), en kesit geometrisi (dairesel, kare veya dikgörtgen) ve tekstil takviyeli sargılamada ki basalt katmanı sayısı (bir, iki ve üç kat) gibi davranışta etkinliği öngörülen bir çok parametre incelenmiştir. Bu güçlendirme tekniğinin davranışa katkısı eksenel yük altında kısa kolonlar üzerinde yapılan deneysel çalışmalar ile birlikte eleman seviyeinde gerçekleştirilen teorik analizler ile araştırılmıştır. Deneysel çalışmada toplam 26 düşük dayanımlı (beton basınç dayanımı 10 MPa dan az) dört farklı en kesit geometrisine sahip kısa kolon numuneleri test edilmiştir. Dairesel kesitli numunelerin çapı 200 mm, kare kesitli numuneler 200x200 mm boyutlarında, dikdörtgen kesitli numuneler ise 200x300 mm ve 200x400 mm olmak üzere iki farklı boyuttadır. Numunelerin yüksekliği 500 mm dir. Bütün numuneler 5000 kN kapasiteli Amsler Universal deney aleti ile monotonik basınç yüklemesi altında test edilmiştir. Ayrıca kompozit malzeme davranışını belirlemek amacıyla 24 adet çekme numunesi üretilmiş ve test edilmiştir. Çekme deneylerinden elde edilen davranışa bağlı karakteristik değerler, analitik çalışmalarda sargılama sonucu değişen beton malzeme davranışının modellenebilmesi için kullanılmıştır. Kısa kolon numuneleri üzerinde gerçekleştirilen deneylerden elde edilen sonuçlar cam lifli püskürtme betonun ve basalt tekstil takviyeli cam lifli püskürtme betonun dıştan sargılama şeklinde güçlendirmenin dayanım ve süneklik özelliklerini önemli oranda arttırdığını göstermiş ve bu kompozitlerin güçlendirme için kullanılabilecek uygun malzemeler olduğunu ortay koymuştur. Deneylerde güçlendirilmiş kısa kolon numunelerinin monotonic artan eksenel yük altındaki davranışında maksimum dayanıma ulaşmaya yakın bölgelerde püskürtme cam lifli betonun davranışa hakim olduğu, maksimum dayanım değerinden sonra cam lifli betonda çatlakların oluşmaya başladığını ve basalt tekstillerin içeriği ve mekanik karakteristiklerine göre deformasyon özelliğinin değiştiği gözlemlenmiştir. Ayrıca dikdörtgen kesitli numunelerde kenar boyutları oranı büyüdükçe srgılama etkinliğinin ve tüketilen şekildeğiştirme enerjidinin azaldığı gözlenmiş, bu durumun güçlendirme tasarımında dikkate alınması gereken bir parametre olduğu ortaya konulmuştur. Çalışmanın analitik kısmında ilk olarak güçlendirilmiş beton numunelerinin en büyük dayanım ve deformasyon değerlerinin tahmini için ampirik bağıntılar deney sonuçlarının istatistiksel olarak değerlendirilmesinden elde edilmiştir. Sadece cam lifli püskürtme beton ile güçlendirilmiş numunelerde basalt tekstil bulunmaması ve buna bağlı olarak deformasyon kapasitesinde bir artış söz konusu olmaması nedeniyle analatik çalışmalar kısmında değerlendirilmemiştir. Tekstil takviyeli cam lifli püskürtme beton için deneysel sonuçlardan elde edilen sargılı beton ve şekildeğiştirme bağıntıları literatürde yer alan benzer deneysel çalışma sonuçları ile karşılaştırılmıştır ve verilen bağıntıların bu deneysel çalışmaların sonuçlarıyla oldukça uyumlu sonuçlar verdiği ortaya konulmuştur. Analitik çalışmanın ikinci kısmında elde edilen sargılı betona ait dayanım ve şekildeğiştirme bağıntılarından elde edilen değerler ile güçlendirilmiş beton davranış modeli belirlenmiştir. Bu model göz önüne alınarak literatürde tersinir tekrarlı yükleme altında test edilmiş farklı kesitlerdeki betonarme kolonların moment-eğrilik ilişkisine bağlı doğrusal olmayan eğilme davranışları incelenmiştir. Gerçekleştirilen analizlerde tekstil takviyeli püskürtme cam lifli beton ile dıştan sargılama güçlendirmesinin betonarme kolonların eleman davranışını önemli oranda arttıracağı belirlenmiş, buna bağlı olarak bu güçlendirme yönteminin yetersiz yapıların devrem davranışını dayanım ve süneklik açısından önemli oranda iyileştireceği ortaya konulmuştır. Analitik çalışmanın son kısmında tekstil takviyeli harçlar ile dıştan sargılama için önerilmiş diğer literatürdeki diğer modeller çalışmanın deneysel sonuçlarının tahmini için kullanılmış ve analitik sonuçlar ile deneysel sonuçlar karşılaştırılmıştır. Gerçekleştirilen geniş kapsamlı deneysel çalışmalar ve deneysel sonuçlara bağlı olarak yapılan analitik çalışmalar, tekstil takviyeli cam lifli püskürtme beton ile yetersiz betonarme elemanların güçlendirilmesininin dayanım ve süneklik özelliklerinin artışı açısından önemli bir yöntem olduğunu ortaya koymuştur. Sahip olduğu kolay ve hızlı uygulanabilirlik gibi avantajları, diğer alternatif dıştan sargılama yöntemlerine göre tekstil takviyeli cam püskürtme beton ile dıştan sargılama yöntemini ön plana çıkarmaktadır.

Many existing reinforced concrete structures suffer from effects of earthquakes due to low strength concrete and inadequate transverse reinforcement, which affect strength and ductility characteristics of structural elements adversely during earthquakes. One method to improve these characteristics is the external confinement of these elements. Different materials can be used for the purpose of external confinement. Nowadays FRPs (fiber-reinforced polymers) are popular for external confinement due to their advantages such as corrosion resistance, high strength to weight ratio, easy and prompt application and minimal geometry change after retrofitting. On the other hand, using FRPs have some drawbacks as well such as poor behavior of epoxy resins at temperatures above the glass transition temperature, high initial investment cost, difficulty of application of FRP on wet surfaces or low temperatures, incompatibility of epoxy resins and substrate materials, and emission of harmful gases during application. The main objective of this study is to investigate the effectiveness of two external jacketing materials, GFRC (glass fiber reinforced concrete) and textile-reinforced GFRC. Into best knowledge of authors, GFRC have not been used for the external confinement of concrete before. Furthermore, another originality of investigation is the use of spraying technique during application of external jacketing this technique allows application of retrofitting in difficult and narrow areas as well as being much more rapid with respected to other techniques of jacketing. In this study, effects of several parameters, which are effective on the behavior, such as type of jacket material (GFRC or textile-reinforced GFRC), cross-section shape (circular, square or rectangular), and number of basalt layers in textile reinforced jackets (varies from one to three layers) are examined with focus on failure mechanisms of different jackets. The contribution of this retrofitting technique is investigated on short columns experimentally under axial loads while member level theoretical analysis are carried out for the cases of axial loads as well as combined actions of axial loads and flexural moments. In this experimental study totally 26 low-strength (concrete compression strength less than 10 MPa) short columns with four different cross-section type were tested. Spans with circular section with 200 mm diameter, with square cross-section of 200x200 mm, with rectangular cross-section of 200x300 mm and with 200x400 mm, are included in testing program. The heights of all specimens were 500 mm. All specimens were tested under concentric monotonic compression load using Amsler universal testing machine with the capacity of 5000 kN. Additionally, 24 tensile test specimens representing each external jacketing type were also constructed and tested. The data from tensile tests were used in analytical study, and the investigation of tensile behavior for external jacketing. Experimental results showed that external confinement with glass fiber concrete provided a significant increase in axial compressive strength, while basalt textile was effective on enhancement of deformation capability in particular. In the analytical part of the study; firstly, a method was established for estimation of ultimate strength and deformation capacity of concrete members retrofitted with the proposed method. Then, the prediction of the analytical approach possessed are compared with the result of similar tests in the literature. In the second part of the analytical study, the nonlinear flexural behavior of reinforced concrete columns retrofitted with the proposed retrofitting technique are studied by relying use of moment-curvature analysis through fiber analysis approach and relying use of proposed strength and deformation characteristics of reinforced concrete members retrofitted with the proposed method. Finally, in the third part of the analytical study, other models originally proposed for the concrete members externally jacketed with textile-reinforced mortar are used for prediction of tested specimens and obtained analytical results are compared with experimental founding.