Bambu donatılı betonarme kirişlerin düşey yükler altında göçme davranışlarının deneysel olarak incelenmesi
Tests to collapse of bamboo reinforced concrete beams under vertical loads
Yazar: ÖZLEM KARAKUŞ ZAMBAK
Danışman: PROF. DR. OĞUZ CEM ÇELİK
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Mimarlık Ana Bilim Dalı / Çevre Kontrolü ve Yapı Teknoloji Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Mimarlık = Architecture ; İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering
Dizin: Bambular = Bamboo ; Betonarme kiriş = Reinforced concrete beam ; Donatılı beton = Reinforced concrete ; Düşey yük = Vertical lood

Özet:
Bambu, özellikle tropikal ve yarı-tropikal iklim özelliklerine sahip birçok ülkede hızlı bir şekilde büyüyen ve kısa sürede olgunluğa erişen bir bitkidir. Kullanım alanları oldukça geniş olan bambu, gerek sürdürülebilir doğal bir kaynak olması, gerekse yüksek dayanım özelliklerini barındırmasından dolayı eski çağlardan beri yapı malzemesi olarak inşaat sektöründe yerini almıştır. Daha çok su kanalları, köprüler ve kırsal evlerin inşasında taşıyıcı yapı elemanı olarak tercih edilen bambunun günümüzde tümüyle bambudan üretilen strüktürleri de bulunmaktadır. 
Son zamanlarda içerdiği yüksek dayanım özellikleri sayesinde betonun düşük çekme dayanımını gidermek amacıyla betonda çelik donatı yerine kullanılması için çeşitli araştırmalar yapılmıştır. Alternatif donatı elemanı olarak deneyleri gerçekleştirilen bambunun uygun koşullar sağlandığı durumda başarılı sonuçlar verdiği gözlemlenmiştir. Konu ile ilgili çalışmalar hızlanmakla birlikte, bu çalışma kapsamında ele alındığı biçimde kirişlerde seçilen bazı parametrelerin incelendiği deneysel bir çalışmaya ulaşılamamıştır. Bu doğrultuda, bambu ile ilgili literatür araştırması sonucu ortaya çıkan bu çalışma, çeşitli parametreler göz önünde bulundurularak farklı tiplerde oluşturulan bambu donatı malzemesinin sürdürülebilir bina üretimi uygulamalarında kullanımına odaklanılacak deneyleri kapsamaktadır. 
Bu bağlamda, ilk olarak bambu donatılı betonarme kiriş numunelerinde donatı elemanı olarak kullanılacak bambu kültürlerinin (culm) öngörülen çekme dayanımlarını belirlemek amacı ile İstanbul Teknik Üniversitesi, İnşaat Fakültesi, Yapı Malzemesi Laboratuvarı'nda çekme dayanım testleri gerçekleştirilmiştir.10 adet düğümsüz, 4 adet düğümlü olmak üzere toplam 14 adet çekme numunesine dayanım testi uygulanmıştır. Çekme testlerinde, tüm bambu çekme numunelerinin ortalama çekme dayanımı, akma dayanımı ve elastisite modülü sırasıyla 139.29 MPa, 109.43 MPa ve 6.1 GPa olarak hesaplanmıştır. 
Ardından, bambunun beton ile bağ (aderans) dayanımını arttırmaya yönelik daha önce yapılan çalışmalar incelenmiştir. Yapılan araştırmalar sonucunda, bu çalışma kapsamında kum püskürtmeli, iple sarmalı ve v çentikli bambu donatılı betonarme kirişler oluşturulmuştur. Özgün olarak tasarlanan v çentikli bambu donatılı betonarme kirişin diğer kiriş tipleriyle karşılaştırmalı olarak incelenmesi amaçlanmıştır. Ayrıca, yapılan araştırmalardan yola çıkarak bambunun etriye olarak kullanımıyla ilgili çalışmaların sınırlı kaldığı görülmüştür. Bu doğrultuda, bambunun betondaki davranışını incelemek üzere 200 mm x 300 mm x 1700 mm boyutlarında farklı özellikte tasarlanan donatı çeşitlerinden ikişer adet olmak üzere toplam 12 adet bambu donatılı betonarme kiriş üretilmiştir. Bambunun donatı elemanı olarak betonarme kirişlerdeki performansını karşılaştırmak amacıyla 2 adet donatısız (beton) kiriş ve çeliğe alternatif olma konusunda karşılaştırmalı olarak incelenmek üzere 2 adet çelik donatılı betonarme kiriş üretilmiştir. 
Kiriş numuneleri beton içinde barındırdıkları donatı özelliklerini ifade edecek şekilde isimlendirilmişlerdir. Donatısız betonarme kiriş PCC, çelik donatılı betonarme kiriş SRC, yüzeyi işlem görmemiş düz bambu donatılı betonarme kiriş BRC, aderansı arttırma amaçlı özgün olarak üretilen v çentikli bambu donatılı betonarme kiriş VBRC, aderansı arttırma amaçlı kum püskürtme işlemi görmüş bambu donatılı betonarme kiriş KBRC, aderansı arttırma amaçlı iple sarılma işlemi görmüş bambu donatılı betonarme kiriş SBRC, bambu etriyenin davranışa etkisini görmek amaçlı düz bambu donatılı betonarme kiriş BBRC, bambu etriyenin davranışa etkisini görmek amaçlı v çentikli ana bambu donatılı betonarme kiriş VBBRC olarak adlandırılmıştır.
Üretilen tüm kiriş numunelerine monotonik ve bazı numunelere dinamik yükler altında dört nokta eğilme deneyi uygulanmıştır. Yükleme protokolünün aderans üzerindeki etkisini görmek amacıyla yüzeyi işlem görmüş bambu donatılı betonarme kirişlere yükleme protokolü olarak monotonik ve dinamik yükleme ardışık olarak uygulanmıştır. Dört noktalı eğilme testi uygulanarak toplam 16 adet kiriş numunesi test edilmiştir. Kiriş numune deneylerinde düşey yükleme çerçevesi kullanılmış olup deneyler İstanbul Teknik Üniversitesi, İnşaat Fakültesi, Yapı ve Deprem Mühendisliği Laboratuvarı'nda (STEEL) gerçekleştirilmiştir. 
Deney sonuçlarında, SRC tipi kirişler ortalama 130 kN ile en yüksek yük taşıma kapasitesine sahip kirişler olmuştur. Yük taşıma kapasitesi donatısız beton kirişin yük taşıma kapasitesinden yaklaşık 3.7 kat daha fazladır. Bambu donatılı betonarme kiriş numunelerinin ortalama yük kapasitesinden ise yaklaşık 1.5 kat daha fazladır. Monotonik yükleme uygulanan bambu donatılı betonarme kirişlerin ortalama yük taşıma kapasitesi 90.12 kN olarak hesaplanmıştır. PCC kiriş numunesi, beklendiği üzere en düşük yük taşıma kapasitesine (34.50 kN) sahiptir. Bambu donatısı, donatısız beton kirişlerin kapasitesini %260 oranında arttırmıştır. Bu değer tüm bambu donatılı kiriş numunelerinin ortalama yük kapasitelerinin donatısız beton kiriş numunesinin (PCC) yük kapasitesine oranıyla bulunmuştur. Bambu donatılı kiriş tiplerine göre ayrı ayrı hesaplanacak olursa donatısız kirişlerin kapasitesini BRC kiriş tipi %262, VBRC kiriş tipi %215, KBRC kiriş tipi %327, SBRC kiriş tipi %308, BBRC kiriş tipi %230, VBBRC kiriş tipi %233 oranında arttırmıştır. SRC kiriş tipi ise donatısız kiriş kapasitesini %376 oranında arttırmıştır. Çelik donatılı betonarme kiriş tipinin (SRC) yük kapasitesi bambu donatılı betonarme kirişlerin ortalama yük kapasinesine oranı yaklaşık %143'dir. Ayrıca, göçme öncesi en yüksek düşey yerdeğiştime miktarına yaklaşık 50 mm ile SRC/1 ve BBRC kiriş numunelerinde ulaşılmıştır. En düşük düşey yerdeğiştirme kapasitesi 0.72 mm ile PCC kiriş numunesine aittir. 
Bambunun beton ile arasındaki bağı arttırmaya/iyileştirmeye yönelik farklı yüzey işlemleri uygulanarak oluşturulan VBRC, KBRC ve SBRC kiriş numunelerinden en yüksek yük taşıma kapasitesine KBRC grubundaki kirişler, en düşük yük dayanım kapasitesine ise VBRC grubundaki kirişler ulaşmıştır. VBRC, KBRC ve SBRC kiriş tiplerinin ortalama maksimum yük taşıma kapasiteleri sırasıyla 74.15 kN, 112.94 kN ve 106.35 kN'dur. BRC, KBRC, SBRC ve VBBRC kiriş tiplerinde, üretilen iki adet numunelerden birine monotonik artan düşey yük altında, diğerine ise dinamik düşey yük altında dört nokta eğilme deneyleri gerçekleştirilmiştir. Deney sonuçlarında KBRC dışında diğer kiriş numunelerinde dinamik yük uygulaması kiriş dayanım kapasitesini %7.2 ̴%25.2 aralığında düşürmüştür.
Tüm kirişlerin çatlama özellikleri benzerlik göstermiştir. Ancak, bambu donatılı betonarme kirişlerin eğilme çatlakları çelik donatılı betonarme kirişlere göre daha hızlı ilerlemiştir. Etriyesi bambu olan BBRC ve VBBRC kiriş tiplerinde eğilme çatlağı olarak başlayıp kayma çatlağına dönüşen çatlaklar görülmüştür. BBRC kiriş tipinde kayma çatlakları göçmeye neden olurken VBBRC kiriş tipinde eğilmeden dolayı göçme gerçekleşmiştir. Donatı olarak kullanılan doğal biçimli bambunun kirişin yük kapasitesini önemli düzeyde arttırdığı, çatlak oluşumlarına izin verdiği, sınırlı da olsa süneklik sağladığı ve göçme öncesi çatlayarak haberli göçmeye neden olduğu sonucuna ulaşılmıştır. 
Deneysel çalışma sonuçlarından, bambu donatı elemanlarıyla oluşturulan bambu donatılı betonarme kirişlerin davranış özelliklerindeki değişiklikler incelenmiş ve davranış özellikleri (örneğin, yük-yerdeğiştirme eğrileri, kirişlerin yerdeğiştirmiş durumları) her numunenin deney gözlemleri başlığı altında sunulmuştur. Üretilen kiriş numunelerinde donatı elemanı olarak bambunun kullanılması, referans kirişlere göre yük kapasitelerini önemli düzeyde arttırmış ve yapı elemanlarının taşıma gücüne ulaşmasında uygun bir davranış ortaya koymuştur. 
Özetle, kiriş elemanlarının eğilme davranışlarının ve çatlak oluşumlarının belirlenmesi yoluyla alternatif malzeme olarak bambunun çelik yerine donatı elemanı olarak kullanılmasıyla ilgili önemli veriler elde edilmiştir. Aynı zamanda elde edilen bilgiler doğrultusunda Türkiye'ye daha çok Uzak Doğu ülkelerinden getirilen bambunun peyzaj ve tekstil alanı dışında yapıda yük taşıyıcı eleman olarak da kullanılabilirliği gözlemlenmiştir. Özellikle Karadeniz Bölgesinin yoğun yağış alan bir bölge olması bambuyu hem yetiştirebilmeye hem de yapı elemanlarında kullanmaya zemin hazırlayabilir görüşü oluşmuştur. 
Tezin bölümlerinin içeriği aşağıda kısaca açıklanmıştır: 
1. Bölüm tezin motivasyon, amaç, kapsam ve yöntemine ayrılmıştır. 
Bambu donatılı betonarme kirişler ile ilgili daha önce yapılmış deneysel ve sayısal çalışmalara 2. Bölüm'de yer verilmiştir. 
3. Bölüm'de numunelerin tasarım parametreleri, malzeme deneyleri, numune üretim süreci, deney düzeneğinin hazırlanması, deney süresince kullanılan ölçüm/veri toplama cihazlarının konumlandırılması ve deneysel hazırlık sürecinin detayları açıklanmıştır. Ayrıca, deneyler süresince yapılan gözlemler, elde edilen veriler ile çizilen eğriler ve sonuçlar parametreler kapsamında birbirleri ile bu bölümde karşılaştırılmıştır. 
4. Bölüm'de ise çalışma kapsamında elde edilen sonuçlardan ve gelecekteki olası çalışmalar için önerilerden söz edilmektedir.

Abstract:
Bamboo is a plant that grows rapidly and reaches maturity in a short time, especially in many countries with tropical and subtropical climate characteristics. Bamboo, which has a very wide range of uses, has taken its place in the construction industry since ancient times as it is a sustainable natural resource and has high strength properties. Bamboo has been preferred as the main load-bearing structural element in the construction of water channels, bridges, and rural houses.
Recently, various researches have been conducted to use bamboo in concrete instead of steel reinforcement in order to compansate the low tensile strength of concrete thanks to its high strength properties. It has been observed that bamboo, as an alternative reinforcement element, gives successful results when appropriate conditions are provided. Although the studies on the subject have accelerated, an experimental study like this by examining various parameters selected in the tested beams has not been reached so far. In this regard, this study, which is originated from a thorough literature review on bamboo, covers various experiments that will focus on the use of bamboo reinforcement material created in different types in sustainable building production applications.
In this context, firstly, tensile strength tests (i.e. coupon tests) were carried out at Istanbul Technical University, Faculty of Civil Engineering, Building Materials Laboratory for the purpose of determining the tensile strength of bamboo cultures (culm) that will be used as reinforcement elements in reinforced concrete beam specimens. A total of 14 tensile specimens, 10 without nodes and 4 with nodes, were tested for strength. In the tensile tests, the average tensile strength, yield strength, and modulus of elasticity of all bamboo tensile specimens were calculated to be 139.29 MPa, 109.43 MPa, and 6.1 GPa, respectively.
After that, previous studies to increase the bond (adhesion) strength of bamboo with concrete were examined. As a result of the researches, sandblasted, rope-wrapped, and v-notched bamboo reinforced concrete beams were created within the scope of this study. It is aimed to analyze a newly developed v-notched bamboo reinforced concrete beam, which was originally designed for the first time in this work, in comparison with other beam types. In addition, based on the previous researches, it has been recognized that the studies on the use of bamboo as stirrups are limited. In this context, a total of 12 bamboo reinforced concrete beams, two specimens for each type, were produced from the reinforcing types designed with different characteristics, measuring 200 mm x 300 mm x 1700 mm in order to examine the behavior of bamboo in concrete. To compare performance of bamboo as a reinforcement element in reinforced concrete beams, 2 unreinforced concrete beams and 2 steel reinforced concrete beams were produced and tested.
The beam specimens are named to express the reinforcement properties they contain in the concrete. Unreinforced concrete beam PCC, steel reinforced concrete beam SRC, untreated/plain bamboo reinforced concrete beam BRC, v-notched bamboo reinforced concrete beam VBRC (originally produced to increase adherence), sandblasted bamboo reinforced concrete beam KBRC to increase adherence, bamboo reinforced concrete beam (SBRC) that has been wrapped with rope for a better bond behavior, plain bamboo reinforced concrete beam BBRC to see the effect of bamboo stirrup on the behavior, and v-notched main bamboo reinforced concrete beam VBBRC to observe the effect of bamboo stirrup on the shear behavior.
Four point bending test was applied to the produced beam samples under monotonic (for alla specimens) and dynamic (for selected specimens) loads. In order to see the effect of the loading protocol on the adherence, monotonic and dynamic loadings were applied sequentially on some of the bamboo reinforced concrete beams. A total of 16 beam specimens were tested by applying the four point bending test. The existing vertical loading frame was used in beam specimens' tests. These experiments were carried out at Istanbul Technical University, Faculty of Civil Engineering, Structural and Earthquake Engineering Laboratory (STEEL).
In the test results, SRC type beams were the beams with the highest load carrying capacity with an average of 130 kN. The load carrying capacity is approximately 3.7 times higher than the unreinforced concrete beam. This is approximately 1.5 times higher than the average load capacity of the bamboo reinforced concrete beam specimens. The average load carrying capacity of bamboo reinforced concrete beams with monotonic loading was calculated to be 90.12 kN. The PCC beam specimens had the lowest load carrying capacity (34.50 kN) as expected. Bamboo reinforcement has increased the capacity of unreinforced concrete beams by 260%. This value was found by the ratio of the average load capacity of all bamboo reinforced beam specimens to the load capacity of the unreinforced concrete beam specimen (PCC). When calculated separately and compared to the capacity of unreinforced beams, the following capasity increases are obtained for each specimens: BRC beam type by 262%, VBRC beam type by 215%, KBRC beam type by 327%, SBRC beam type by 308%, BBRC beam type by 230%, and VBBRC beam type by 233%. On the other hand, SRC beam type increased the unreinforced beam capacity by 376%. Ratio of the load capacity of steel reinforced concrete beam type (SRC) to the average load capacity of bamboo reinforced concrete beams is approximately 143%. In addition, the highest vertical displacement amount before collapse was approximately 50 mm in SRC/1 and BBRC beam specimens. The lowest vertical displacement capacity was 0.72 mm for the PCC beam specimen.
Among VBRC, KBRC, and SBRC beam samples designed by applying different surface treatments to improve the bond between bamboo and concrete, the beams in the KBRC group achieved the highest load carrying capacity, while the beams in the VBRC group reached the lowest load bearing capacity. The average maximum load carrying capacities of the VBRC, KBRC, and SBRC beam types are 74.15 kN, 112.94 kN, and 106.35 kN, respectively. In BRC, KBRC, SBRC, and VBBRC beam types, four point bending tests were carried out on one of the two specimens under monotonically increasing vertical load and the other subjected to dynamicly applied vertical load. In the test results, the application of dynamic loading in beam specimens (other than KBRC) decreased the beam strength capacity in the range of 7.2% ̴25.2%.
Cracking properties of all beams were similar. However, bending cracks of bamboo reinforced concrete beams propagated faster than the steel reinforced concrete beams. Cracks that started as bending cracks and turned into shear cracks were observed in BBRC and VBBRC beam types with bamboo stirrups. While shear cracks cause failure in BBRC beam type, failure occurred due to bending in VBBRC beam type. It has been concluded that the naturally shaped bamboo used as reinforcement significantly increases the load carrying capacity of the beam, allows crack formations, provides ductility, albeit limited, and cracks before failure.
From the experimental results, changes in the behavioral characteristics of bamboo reinforced concrete beams formed with bamboo reinforcement elements were examined and their behavioral characteristics (eg load-displacement curves) were presented under the title "Test Results and Discussion". The use of bamboo as reinforcement element in the produced beam specimens has shown that such reinforcement increases the load capacities significantly compared to the reference beams (i.e. unreinforced concrete beams). Results also show a suitable behavior in reaching the bearing strength of the structural members.
In summary, by determining the flexural behavior and crack formation of the beam elements, important data have been gathered about using bamboo as a main reinforcing element instead of steel. At the same time, according to the information obtained, it has been observed that bamboo which brought to Turkey from far eastern countries has also availability of using as a load-bearing element in construction industry instead of landscape and textiles sectors in which bamboo materials are generally used in various form. Since the Black Sea Region in Turkey is an area with heavy rainfall, this location could be suitable both growing and using bamboo in Turkey.
Outline of the thesis chapters are briefly given below: 
Chapter 1 is devoted to the motivation, purpose, scope, and methodology followed in this thesis.
Previous experimental and numerical studies on bamboo reinforced concrete beams are given in Chapter 2. In Chapter 3, design parameters of the specimens, material tests, production of the specimens, test set-up, instrumentation, data acquisition system, and details of the experimental preparation process are explained in great details. In addition, observations, evaluations of experimentally obtained behavioral curves, and the results are compared with each other in the scope of the parameters in this section. 
Results obtained from this thesis are summarized in Chapter 4. Also, recommendations for potential future work are discussed.