Lifli çimento esaslı kompozitlerle güçlendirilmiş dolgu duvarlı betonarme çerçevelerin deneysel incelenmesi
Experimental analysis of infilled rc frames retrofitted with fiber reinforced cement based composites
Yazar: MEHMET SELİM ÖKTEN
Danışman: PROF. DR. KAYA ÖZGEN ; DOÇ. DR. MUSTAFA GENÇOĞLU
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Mimarlık Ana Bilim Dalı / Yapı Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2013
Konu: Mimarlık = Architecture ; İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering
Dizin: Betonarme çerçeve = Reinforced concrete frame ; Dolgu duvarlar = Fill walls ; Lifli kompozitler = Fiber composites

Özet:
Ülkemizin birçok bölgesi ve özellikle İstanbul çevresi önemli ölçüde deprem kuşağında yer almaktadır. Betonarme yapıların tasarım aşamasında ve uygulamada, çerçeve sistemler içindeki bölme duvarlarının taşıyıcı sisteme olan etkileri genellikle ihmal edilmektedir. Son zamanlarda yapılan kuramsal ve deneysel araştırmalar çerçeveler içinde kalan bölme duvarlarının da betonarme çerçevelerin yatay yük taşıma kapasitelerine ve davranışına önemli katkılar sağladığını göstermektedir. Buna paralel olarak, 2007 yılında yayımlanan deprem yönetmeliğimizde, çerçeveler içinde kalan bölme duvarların betonarme binaların taşıma gücüne olan katkılarının dikkate alınmasının uygun olabileceği ifade edilmektedir. 1998 deprem yönetmeliğinden önce inşa edilen betonarme binaların büyük çoğunluğunun mevcut taşıyıcı sistem güvenlikleri açısından olası büyük beklenen depremlere karşı yeterli olmadığı bilinmektedir. Yeterli taşıyıcı sistem güvenliğine sahip olmayan mevcut yapıların güçlendirilmesi çeşitli yöntemlerle yapılmaktadır. Ülkemizde en yaygın güçlendirme yöntemleri betonarme çerçeveler arasında yer alan bölme duvarların yerine çerçeve ile birlikte çalışabilecek betonarme perdelerin mevcut taşıyıcı sisteme ilave edilmesi, kolonların mantolanması, çelik lamalar ve lifli polimerlerden (FRP) oluşan kompozit malzemelerle taşıyıcı sistem elemanlarının güçlendirilmesidir. 
FRP ile yapılan güçlendirmeler, genellikle cam ve karbondan oluşan lifli polimerlerin taşıyıcı sistem elemanlarının yüzeylerine epoksi reçinesi ile yapıştırılması şeklinde uygulanmaktadır. İstanbul Teknik Üniversitesi Yapı ve Deprem Mühendisliği Laboratuvarında karbon lifli polimer (CFRP) ile güçlendirilmiş bölme duvarlı betonarme çerçeveler üzerinde bir dizi deneysel çalışma yürütülmüş ve tamamlanmıştır. Bu çalışmalarda, CFRP ile güçlendirilen bölme duvarların belli bir yük kademesine kadar çerçevelerin yatay yük taşıma kapasitelerini ve rijitliklerini arttırdığı görülmektedir. Bununla birlikte artan yük adımlarında CFRP duvarda yapıştırıldığı ara yüzeyden ayrılmaktadır. Ancak CFRP çerçeve elemanlara ve bölme duvarına uygun şekilde ankre edilirse sistemin yük taşıma kapasitesi artmaktadır. Dolayısıyla CFRP?nin bu olumlu katkısını ara yüzün dayanımı ve ankrajlar belirlemektedir.  Ara yüzün yüzey hazırlığı için uygun malzeme seçiminin ve uygulama yöntemlerinin ara yüzün dayanımı üzerinde büyük etkisi bulunmaktadır. Ayrıca bu sistemin düşük dayanımlı betonarme taşıyıcı sistem elemanlarda etkili olmadığı, elemanın yüzeyine uygulanması nedeniyle bulunduğu ortamın atmosfer koşullarından ve yüksek sıcaklıklardan olumsuz etkilendiği (FRP ve epoksi reçinesinde bozulmalar oluşması), yangın esnasında dayanımının hızla azaldığı bilinmektedir. 
Yeni bir güçlendirme tekniği olarak lifli çimento esaslı kompozitlerle (FRC) yapılan uygulamalar, cam ve karbondan oluşan lifli polimerlerin taşıyıcı sistem elemanlarının yüzeylerine çimento harcı ile yapıştırılmasıyla uygulanmaktadır. Bu sistem detaylı bir yüzey hazırlığı veya titiz bir işçilik gerektirmemesi, yangına karşı dayanıklı olması, özellikle nem gibi atmosferik koşullardan etkilenmemesi ve ara yüzeyde çok iyi bir yapışma sağlaması gibi avantajlara sahiptir.
Bu malzemeyle ilgili gerçekleştirilen deneysel çalışmalar iki aşama halinde yapılmıştır. Birinci aşamada bölme duvarlar ile ilgili ön deneyler yer almaktadır. Duvar numunelerinin yapımında ülkemizde yaygın olarak kullanılan ince cidarlı 190mmx190mmx135mm boyutlarındaki tuğlalar ve çimento harcı kullanılmıştır. 755mmx755mm boyutlarında özel olarak üretilen 15 adet duvar numunesi, 5 grupta 3?er adet duvar numunesi olacak şekilde sınıflandırılmıştır. Bu gruplardan 4?ü karbon lifli çimento esaslı kompozitler (CFRC) ile değişik şekillerde güçlendirilmiş, bir grup ise güçlendirilmeyerek kontrol seti olarak bırakılmıştır. Bu aşamadan sonra bölme duvarlar, diyagonal kayma deneyine tabi tutulmuşlardır. Deneyler sonucunda duvarlara ait kayma gerilmesi-kayma açısı grafikleri elde edilmiş ve bu grafiklere bağlı olarak duvar kayma rijitliklerindeki değişim incelenmiştir. Deney sonuçları değerlendirildiğinde, CFRC ile güçlendirilen tüm numunelerin kayma dayanımı değerlerinde güçlendirilmeyen kontrol numunelerine göre belirgin bir artış elde edilmiştir. Güçlendirilen numunelerde maksimum kayma dayanımına karşılık gelen kayma şekil değiştirmelerinde azalmalar görülse de, göçme anındaki şekil değiştirmeler kontrol numunelerine göre daha fazla olmuştur. 
Deney sonuçları daha önce CFRP ve epoksi ile güçlendirilmiş benzer bir çalışma ile karşılaştırılmıştır. Bu çalışmada benzer duvar numuneleri çeşitli şekillerde CFRP bantlarla epoksi kullanılarak güçlendirilmişlerdir. CFRP ve CFRC ile yapılan deney sonuçları karşılaştırıldığında kayma dayanımı ve kayma şekil değiştirmesi değerlerinin oldukça yakın olduğu görülmüştür.
Deneysel çalışmanın ikinci aşamasında, 8 adet 1/3 ölçekli, tek açıklıklı ve dolgu duvarlı betonarme çerçeve tersinir tekrarlı yatay yükler altında test edilmiştir. Betonarme çerçeveler, pratikte olduğu gibi düşük dayanımlı betona sahip zayıf kolon, kuvvetli kiriş şeklinde üretilmiştir. Çerçevelerden 1 adeti içine dolgu duvar örülmeden kontrol çerçevesi olarak bırakılmış, diğer 7 adet çerçevenin içine ise delikli tuğlalar kullanılarak dolgu duvarlar örülmüştür. Mevcut yapılarda duvar üzerindeki sıvayı kaldırmadan sıva üzerinden pratik bir şekilde güçlendirme yapabilme tekniğini araştırmak amacıyla, dolgu duvarlı çerçevelerin her iki yüzü 10mm kalınlığında sıva ile kaplanmıştır. Dolgu duvarlı çerçevelerin 6 adeti, dolgu duvarların bir veya iki yüzüne, iki farklı tabakada CFRC güçlendirme malzemesi uygulanarak güçlendirilmiş, 1 adeti ise güçlendirilmemiştir. Duvar güçlendirmelerinde, CFRC sistemler, hem deprem yönetmeliğimizin önerdiği ankraj sistemine benzer olarak CFRC?den oluşan ankrajlarla hem de ankrajsız olarak doğrudan duvara monte edilmiştir. Bu numuneler, tersinir tekrarlı yükler altında test edilmiş, numunelerin yatay yük taşıma kapasiteleri, rijitliği, hasar seviyeleri ve enerji tüketme kapasiteleri birbirleriyle karşılaştırılmıştır. 
Bu çalışmadan elde edilecek en önemli sonuç; yeni bir güçlendirme malzemesi ve tekniği geliştirilerek ülkemizde yüksek deprem riski taşıyan pek çok betonarme binaların mevcut kullanım konumları ve amaçları değiştirilmeden daha hızlı ve ekonomik bir şekilde güçlendirme tekniğinin geliştirilmesidir. 
Bölme duvarlar üzerine kolaylıkla uygulanabilen yeni güçlendirme malzemesi kullanılarak yapılacak bu çalışmadan elde edilecek sonuçların değerlendirilmesiyle; pek çok betonarme binanın mevcut kullanım hacimleri ve amaçları değiştirilmeden daha hızlı ve ekonomik bir güçlendirme tekniği geliştirilebilecektir. Bu yoldan ülkemizde deprem riski taşıyan mevcut betonarme binaların güçlendirilmesine katkılar sağlayacağı düşünülmektedir.

Abstract:
Numerous regions of our country, particularly Istanbul and its surroundings are located on a seismic zone. Generally the lateral load carrying capacities of infill walls between beam and columns are ignored for reinforced concrete (RC) buildings. Recently, the both theoretical and experimental researches conducted in Turkey and in developed countries pointed out that the infill walls in the frames actually improve the load-carrying capacity and the behavior of the RC buildings. In contingency with these results, it was stated in the Turkish Seismic Code, which was revised in 2007, that it would be appropriate to take the contribution of these infill walls to the load-carrying capacity of RC buildings in to account. Pujol and Fick (2010) conducted experiments using a full-scale building structure and investigated the effect of infill walls in the case of a strong earthquake. They concluded that the masonry infill walls of the structure actually increased the stiffness and the strength. Additionally Prota et al. (2006) proposed to implement cementitious composite materials on infill wall panels in order to improve strength and ductility. Also for the study of improved shear strength and deformability Lignola et al. (2009) used a cementitious reinforcement system on wall panels and thus achieved better stress redistribution. In a study conducted in (2005) Aldea et al. showed that the cementitious material improved the strength of walls and was better in performance in comparison with fiber reinforced polymer (FRP) counterparts. 
It is also well known that most of the RC and masonry buildings, which were constructed before the Turkish Seismic Code 1998 was in effect, are not sufficient the present load-carrying capacities in the case of severe earthquakes. There are several ways to retrofit such buildings that do not meet the standards for sufficient load-carrying capacity. The most common methods in Turkey are addition of RC shear walls that can work with frame system to the existing structural system instead of infill walls in RC frames, concrete jacketing of columns, and retrofitting the members of structural system using composite materials derived from steel plates and fiber reinforced composite polymers (FRP). Retrofits with FRP are generally conducted by applying epoxy resin to the surfaces of structural system elements. Common knowledge states that this kind of application is not effective for the strengthening of RC load-carrying system members with low concrete strength, is adversely affected from high temperatures and atmospheric ambience conditions (degradation in FRP and the epoxy resin) due to surface application on the member. It is well known that the strength of FRP exposed to fire is sharply lost. A series of experiments were completed at the Istanbul Technical University Structure and Earthquake Engineering Lab in order to investigate the seismic behavior of RC frames with infill walls retrofitted by carbon fiber composite polymer (CFRP). The evaluation of these experiments demonstrated that retrofitting masonry walls using CFRP significantly improves the lateral load carrying capacity and rigidity. Although, some parts of CFRP composites split off from the infill wall at the increasing increments of loading, these composites continue to carry the load until they completely split off from infill wall or frame or are broken. Apparently, this characteristic behavior of CFRP show that such these composites need to be properly anchored to the structural member strengthened. However the weakest region on the masonry walls retrofitted with CFRP is the interface between the wall and CFRP as a result limiting factor on the load transfer capacity of CFRP is the low tensile strength of the wall.
This paper presents a retrofitting methodology of infill walls using carbon fiber reinforced cementitious matrix (CFRC) as lateral load resisting elements. CFRC is a structural composite material consisting of a carbon mesh which acts as continuous reinforcement and a stabilized inorganic matrix which joins the mesh to the infill walls. Inorganic matrix is consisting of a pozzolanic hydraulic binder that is perfectly chemically, physically, and mechanically compatible with the masonry support. CFRC composites have several advantages such as high fire resistance and high adherence to the interface, and they do not require a detailed preparation of surface and skilled labor. This retrofitting method is expected to improve the system behavior under strong earthquake loads as has been shown by test results. Moreover, this method also prevents the undesirable failure modes and facilitates modeling by eliminating the anisotropic nature of masonry panels and clearly defining the behavior of the retrofitted system. In order to determine the effects of CFRC on the behavior of infill walls, an experimental investigation was planned. Diagonal tension tests of fifteen infill wall specimens having the dimensions of 755mmx755mm, were conducted in order to observe the effects of different CFRC types over initial stiffness and shear strength. Dimensions for brick were 190mmx190mmx135mm and the compressive strength in the direction of the holes of brick was measured to be approximately 7.0 MPa. The void ratio of bricks was around 60%. All wall specimens had plaster on both sides. The thickness of plaster was approximately 10mm on each side. As a common practice in Turkey mortar binder and plaster were prepared using the same materials, namely water, cement, and sand. The water:cement:sand volumetric mixture proportions for mortar binder and plaster were 1:1:4 with a measured compressive strength of 7.0 MPa. The test results showed that the CFRC composites considerably increased the shear strength and stiffness of the infill walls and it contributed the shear strength of mortar between two brick units by transmitting the shear force to the bricks such as a bridge. The test results are given in tables and graphs comparatively.
In the second phase, strengthening of one story-one bay infilled reinforced concrete frames under lateral loads by applying CFRC composites was investigated. At the experimental study, eight pcs 1/3 scale, single bay, infill RC frames strengthened with CFRC were tested under reversed cyclic lateral loads. In order to simulate the real time specimens, RC frames were manufactured as weak column/strong beam with low strength concrete. An experimental work was conducted in order to observe the contribution of CFRC applied on infill walls over the lateral load carrying capacity and the effects of different FRCM application types. Experimental results showed that strengthening of infill walls with FRCM were effective on increasing lateral load carrying capacity, energy dissipation capacity and initial stiffness of infilled reinforced concrete frame specimens. It was also observed that the FRCM retrofit reduced the damage on the RC frame elements (columns and beam) by limiting top displacements.
The important outcome of this study is developing a rapid and financially feasible retrofitting technique without altering the present functional spaces and their purpose of usage for the RC buildings on the immediate impact area of seismic movements.