LP sargılı beton için önerilmiş olan dayanım ve şekil değiştirme modellerinin farklı boyutlar üzerindeki performanslarının incelenmesi
Investigation of the performance of proposed models of strength and strain for frp wrapped concrete on different sizes
Yazar: ALPER TURGUT
Danışman: PROF. DR. ALPER İLKİ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Yapı Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering

Özet:
Geçmişten günümüze, dünyada oluşan depremler birçok kez betonarme binaların 
toptan göçmesine veya ağır hasar görmesine yol açmışlardır. Günümüzde mevcut 
yapıların önemli bir kısmı güncel yönetmeliklerin istediği sınır şartları 
karşılayamamaktadır. Bu yapılar olası bir depremde göçme ya da ağır hasar görme 
tehlikesiyle karşılaşacaklardır. Mevcut yetersiz yapıların yıkılıp baştan yapılması, 
yüksek maliyet, kullanıma kapanma gibi birçok nedenden ötürü her koşulda
uygulanamamaktadır. Bu soruna çözüm olarak çeşitli güçlendirme yöntemleri 
önerilmiştir. Bir binanın yeniden yapılması yerine çeşitli güçlendirme yöntemleri ile 
yönetmelik şartlarını sağlar hale getirilmesi, olası bir depremde oluşacak maddi ve 
manevi kayıpların önüne geçmek için önemli bir uygulama halini almıştır. Yetersiz bir 
yapı güçlendirilirken, zaman, maliyet, uygulanabilirlik gibi birçok parametre göz 
önüne alınıp o yapı için en uygun güçlendirme yöntemi belirlenir. Bu güçlendirme 
yöntemlerinden bir tanesi son yıllarda popülerite kazanan lifli polimer ile dıştan 
sargılama yöntemidir. Lif doğrultusunda çekme dayanımının çok yüksek olmasının 
yanında oldukça hafif bir malzeme olması, korozyon gibi çevresel etkilere karşı 
dayanıklı olması, şekil verilebilir olması, uygulama sırasında yapının kullanımı 
engellememesi gibi özellikler LP ile sargılama yöntemini popüler yapan bazı 
özelliklerdir. Bu yöntem; kolon, kiriş, yığma duvar, döşeme gibi yapı elemanlarında 
farklı şekillerde uygulanabilir.
LP ile dıştan sargılama yönteminin en etkili olduğu yapı elemanlarından bir tanesi 
kolonlardır. Bugüne kadar yapılan çalışmalarda LP ile sargılanan kolonlarda, önemli 
ölçüde dayanım ve süneklik artışı olduğu gözlemlenmiştir. LP ile sargılanan 
kolonlarda dayanımın ve şekildeğiştirme kapasitesinin ne kadar artacağını teorik 
olarak hesaplamak için çeşitli modeller önerilmiştir. Bu modeller sayesinde bir 
yapıdaki kolonların LP ile ne kadar sargılanırsa yeterli dayanım ve şekildeğiştirme 
kapasitesine ulaşacağını hesaplamak mümkün olmuştur. Ancak bu modellerin önemli 
bir çoğunluğu 150 mm çapında ve 300 mm yüksekliğinde olan kolon numunelerinin 
deneyleri sonucunda elde edilmiştir.
Bu çalışmada, önde gelen 6 LP ile sargılama modeli, 2 farklı boyutaki kolon 
deneylerinden elde edilen sonuçlarla karşılaştırılmış ve modellerin farklı boyutlar için 
güvenilirliği test edilmiştir.
Çalışma kapsamında yükseklik/çap oranı 2 olan, 150 mm ve 300 mm olarak iki farklı 
çaptaki numuneler test edilmiştir. Iki boyutta da 3'er numune LP ile sargılanmayıp 
referans numune olarak kabul edilirken, 3'er numune tek kat, 3'er numune ise çift kat 
karbon LP ile sargılanmıştır. Çalışma kapsamında toplam 18 adet eksenel basınç 
deneyi yapılmıştır.
xxii
Deney sonuçları incelendiğinde, modellerin boyuttan bağımsız olarak dayanım 
hesabında deneysel sonuçlara yakın sonuçlar verdiği, şekildeğiştirme hesabında ise 
kendi içlerinde bile oldukça farklı sonuçlar verdiği saptanmıştır.
150 mm çaplı tek kat sargılı numune ile 300 mm çaplı çift kat sargılı numune sargı 
oranı olarak aynıdır. Bu iki numune arasındaki tek parametre farklı boyutlardır. Bu iki 
numune incelendiğinde sargılamanın dayanıma ve dayanıma karşı gelen 
şekildeğiştirmeye sağladığı artış birbirine oldukça yakındır. Dolayısıyla LP ile 
sargılamada boyut etkisine neden olan bölgesel kusurların, bu ölçekteki numunelerde 
etkisinin azaldığı, hatta ortadan kalktığı sonucuna varılmıştır.

Abstract:
Reinforced concrete structures constitute a significant part of the building stock in the world. In many parts of the world, existing reinforced concrete structures cannot meet the requirements of building codes and standards. It is known that many old buildings 
are not suitable for the conditions required by the current codes and are insufficient for
reasons such as active updating of codes and inadequate technology in the years when the structure was produced. Various types of damage have been observed in reinforced concrete structural elements in previous earthquakes. Although there are various reasons why buildings are damaged in earthquakes, low concrete strength and insufficient ductility stand out as two important reasons. This situation created a need for reinforcement in existing structures.
When strengthening an existing structure, the most appropriate method is determined, 
taking into account parameters such as time, cost, and applicability. One of these Methods is the external wrapping of a building element with a fiber polymer composite material, which has gained popularity in recent years as an alternative to traditional methods. This method has many unique advantages, such as its low weight and very high tensile strength in the fiber direction, resistance to environmental effects, such as corrosion, malleability, and allowing the structure to be used during application.
Fiber polymer composite materials are used with a combination of very small diameter fibers and polymer matrices. Fibers are generally based on carbon, glass or aramid, 
which gives strength and rigidity to the material. The polymer matrix transfers the stress to the fibers and enables the fibers to work together. The polymer matrix, usually epoxy-based, allows the fiber polymer composite material to work effectively and
provides full adherence between the material and the concrete.
One of the areas where the FRP wrapping method is most effective is the external wrapping of existing columns. Wrapping columns with FRP gives the columns a 
significant increase in strength, ductility, shear capacity and bending capacity.
Various models have been proposed to predict the increase in strength and strain in 
FRP-wrapped columns. However, the proposed models are generally obtained by using experimental results of the column specimens with a diameter of 150 mm and a 
height of 300 mm. Studies investigating the performance of these models in different dimensions are quite limited.
This study aims to investigate the performance of existing FRP-wrapped concrete 
models in different sizes.
In this study, 18 short concrete columns with circular cross-sections were tested under 
uniaxial compression. The test specimens were divided into two series (C-15 and C30) based on cross-sectional size. The test program included 9 cylinder columns with 
a diameter of 150 mm and 9 cylinder columns with a diameter of 300 mm. For all 
xxiv
specimens, the height-to-width ratio (h/d, where h= height of specimens; and 
d=diameter of specimens) was equal to 2. Both dimension groups consisted of 3 
unconfined specimens, three 1 ply CFRP jacketed specimens and three 2 ply CFRP 
jacketed specimens.
CEM-I 42.5R was chosen as the cement class for the concrete specimens used in this experimental study. Blast furnace slag was used as a mineral additive. GRACE 554 
was used as the plasticizer. Concrete compressive strength is aimed to be approximately 20 MPa. However, after the specimens were taken out of the mold, they waited for more than two years and gained strength.
The fiber polymer used in the study was produced by Dowaksa Advanced Composites 
Holdings B.V. The interaction between the fiber polymer and the concrete is provided 
by the CARBONWRAP Resin 530+, a two-component epoxy of the same company. 
Fiber polymer's mechanical properties are obtained from the company. The tensile 
strength, elasticity modulus, ultimate rupture strain, nominal thickness of FRP were 
4900 MPa, 250 GPA, 2%, and 0.166 mm, respectively.
Three different measurement devices were used to measure the average axial strains. 
Four longitudinally oriented linear variable differential transformers (LVDTs) were 
fixed on the columns by two steel frames that were spaced half of the column height 
at the column midheight region. For specimens with 150 mm diameter, one vertically bonded strain gauge was used, and for specimens with 300 mm diameter, three vertically bonded strain gauges were used. These strain gauges were bonded on the midheight region of concretes with a gauge length of 60 mm. In addition to these two measurement devices, the test setup had its own transducer that measured displacement between the bottom and the top of specimens.
Transverse strains in the jackets were measured with strain gauges with a gauge length of 60 mm. For specimens with 150 mm diameter, two horizontally bonded strain gauges were used, and for specimens with 300 mm diameter, three horizontally bonded strain gauges were used. 
Specimens were tested to failure under uniaxial load in the 5000 MPa capacity Instron testing machine located in the ITU Building Materials Laboratory. The testing rate was 
0.01 mm/sec.
As a result of examining the test results, it was determined that the CDP-25 type
LVDTs used in specimens with a diameter of 150 mm were not sensitive enough to be used in measuring the displacement of specimens with a diameter of 150 mm. Since only one strain gauge is used in 150 mm diameter specimens, it was decided that the strain gauge measurement didn't show the true values either. To solve this problem, an 
idealized measurement method is proposed, a combination of all the measurement 
device results. For the specimens with 150 mm diameter, the linear part of the stress-strain curve was obtained from a theoretical stress-strain model. After the unconfined concrete peak strain is reached, full-height transducer data was used to obtain the rest of the curve. For the specimens with 300 mm diameter, mid-height LVDT and strain gauge measurements were used for the linear part of the stress-strain curve. After the unconfined concrete peak strain is reached, full-height transducer data was used to obtain the rest of the curve.
From the test results, in specimens with 150 mm diameter, the average strength of the unconfined, one-layer CFRP wrapped and two-layer CFRP wrapped specimens were obtained as 38.6 MPa, 64.3 MPa, and 76 MPa, respectively. Average strain ratios of 
xxv
these specimens were obtained as 0.0021, 0.013 and 0.016, respectively. On the other 
hand, in specimens with 300 mm diameter, the average strength of the unconfined, 
one-layer CFRP wrapped and two-layer CFRP wrapped specimens were obtained as 
35.9 MPa, 44.7 MPa, and 58.5 MPa, respectively. The average strain ratios of these specimens were obtained as 0.0021, 0.009 and 0.013, respectively.
150 mm diameter specimens with a single CFRP wrap have the same confinement ratio as 300 mm diameter specimens with a double CFRP wrap. There is no significant difference between the experimental results of these two specimens. Thus, it can be 
said that the size effect does not play a significant role in both the strength and strain enhancement of FRP-confined concrete for these specimen sizes.