Betonarme kolonların CFRP levhalar ile güçlendirilmesi
Strengthening of reinforced concrete columns with CFRP plates
Yazar: SILA YAMAN
Danışman: DOÇ. DR. HAMİDE TEKELİ KABAŞ
Süleyman Demirel Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering

Özet:
Ülkemizin büyük bir bölümünde deprem riski bulunduğundan yapı sistemlerinin depreme karşı dayanıklı olmaları gerekmektedir. Ancak ülkemizde 2000 yılından önce inşaa edilen binalar incelendiğinde, o dönemde yürürlükte bulunan Deprem Yönetmeliği koşullarını sağlamayan, beton dayanımı düşük, etriye sıklaştırması yapılmamış, etriye kancası 90° bükülmüş, bindirme boyu yetersiz taşıyıcı sistem elemanları ile sıkça karşılaşılmaktadır. Bu zayıflıklar, depremin ülkemizdeki yıkıcılığını artırmaktadır. 

Yaşadığımız mekanlar genellikle çok katlı betonarme binalardan oluşur. Binaları ayakta tutan elemanlar kolonlardır. Dolayısıyla kolon elemanların tasarımının güvenli olması binaları da güvenli yapar. Betonarme kolon elemanlar genellikle her katta bir bindirme ekine sahiptir. Yük aktarımının güvenli şekilde sağlanabilmesi için donatılarda bu bindirme boyunun yeterli ve gerekli uzunlukta uygulanması gereklidir. Bindirme boyu yetersizliği betonarme kolonlarda ciddi yapısal sorunlara neden olabilir ve yapı güvenliğini tehlikeye atabilir. Bu nedenle, bindirme boyunun tasarım ve uygulama süreçlerinde dikkatlice ele alınması ve mevcut elemanlardaki kusurların tedbir alınarak giderilmesi gereklidir. 

Tez kapsamında bindirme boyu yetersizliği bulunan betonarme kolon elemanlarda meydana gelebilecek sıyrılma hasarının önlenmesi ve/veya eleman davranışının iyileştirilmesi amacıyla dokuz adet betonarme konsol kolon üretilmiş ve güçlendirme çalışmaları yapılmıştır. Numuneler, bindirme boyu yetersizliğine (15 db) sahip olacak şekilde ve etriyeleri 90° bükülmüş kanca ile mesnet bölgelerinde etriye sıklaştırması uygulanmadan üretilmiştir. Üretilen numunelerden biri referans olarak yalın halde bırakılmış, diğer kalan sekiz numuneye ise farklı parametrelerle güçlendirme işlemi uygulanmıştır. Güçlendirme işleminde, kolon elemanların paspayı tabakası boyunca oluk açılarak içerisine CFRP levhaların yerleştirildiği yüzeye yakın monte-NSM (Near Surface Mounted) yöntemi kullanılmıştır. NSM uygulaması yapılan bazı numunelerde dıştan yanal sargılamanın uygulandığı EBR (Externally Bonded Reinforcement) yöntemi de kullanılarak hibrit olarak güçlendirilmesi sağlanmıştır.  

Güçlendirme parametresi olarak levha yönü (paralel ve dik), levha sayısı (2 ve 3), sargılama malzemesi (karbon fiber takviyeli polimer (CFRP) ve tekstil takviyeli polimer (TRM)) parametre olarak seçilmiştir. Numuneler, sabit eksenel yük ve çevrimsel yatay yük altında test edilmiştir. Yapılan çalışmada seçilen parametrelerin elemanın hasar mekanizması, yük taşıma kapasitesi, enerji tüketme kapasitesi, başlangıç rijitliği ve sünekliği üzerindeki etkileri incelenmiştir. Deney numunelerinin eğilmeden kaynaklı yatay yük taşıma kapasiteleri teorik olarak hesaplanmış ve deneylerden elde edilen kapasiteler ile kıyaslanmıştır. Teorik hesaplamalarda bindirmeli donatının maksimum dayanımı, literatürde yer alan farklı yöntemlere göre belirlenmiş ve bu yöntemlerin deneylerde elde edilen kapasite değerlerine göre değişimi incelenmiştir.

Güçlendirilen numunelerde, CFRP levha sayısının artması ve kesite sargılama eklenmesi; elemanın yük taşıma kapasitesi, enerji tüketme kapasitesi, başlangıç rijitliği ve süneklik değerlerini referans numuneye göre artırmıştır. Ancak levha yönünün değişiminin etkisi %10 mertebesinin altında kalmıştır. Güçlendirilen numuneler arasındaki en iyi davranış üç levhanın kullanıldığı ve CFRP kumaş ile yanal sargılamanın yapıldığı N7-D3-F numunesinde gözlenmiştir. Genel olarak CFRP kumaş ile sargılanan numunelerdeki artış oranları, TRM uygulanan numunelerdekilere göre daha fazla olmuştur. Sonuç olarak, bindirme boyu yetersizliği bulunan betonarme kolonlara yeterli sayıda temele ankrajı bulunan CFRP levha ilave edilerek CFRP kumaş ile yanal olarak sargılanırsa yapısal özelliklerinde önemli iyileşmeler sağlanabilmektedir. Bazı yönetmeliklerde bindirme boyu yetersiz elemanların eğilme kapasitesi hesabında, boyuna donatının akma dayanımının belli bir oranda azaltılarak hesaplanması tavsiye edilmektedir. Tez çalışması kapsamında farklı kaynaklara göre kapasite değerleri elde edilmiş ve deney sonuçları ile kıyaslamalar yapılmıştır.

Abstract:
Since there is an earthquake risk in a large part of our country, building systems must be resistant to earthquakes. However, when the buildings constructed in our country before 2000 are examined, it is frequently encountered with structural system elements that do not meet the conditions of the Earthquake Regulation in force at that time, with low concrete strength, no stirrup tightening, stirrup hooks bent 90°, and insufficient lap length. These weaknesses increase the destructiveness of earthquakes in our country. 

The places we live in usually consist of multi-storey reinforced concrete buildings. The elements that keep the buildings standing are columns. Therefore, if the design of the column elements is safe, the buildings are also safe. Reinforced concrete column elements usually have a lap joint at each floor. In order to ensure safe load transfer, it is necessary to apply this lap length in reinforcements in sufficient and required length. Insufficient lap length can cause serious structural problems in reinforced concrete columns and jeopardize structural safety. For this reason, the lap length should be carefully considered in the design and application processes and defects in existing elements should be eliminated by taking precautions. 

Within the scope of this thesis, nine reinforced concrete cantilever columns were fabricated and retrofitted in order to prevent stripping damage and/or improve the behavior of reinforced concrete columns with insufficient lap length. The specimens were produced with a lap length deficiency (15 db) and with a hook with stirrups bent at 90° and without stirrup tightening in the bearing areas. One of the specimens was left bare as a reference and the remaining eight specimens were strengthened with different parameters. In the strengthening process, Near Surface Mounted (NSM) method was used in which CFRP plates were placed inside the column elements by cutting a groove along the mat layer. In some specimens where NSM was applied, EBR (Externally Bonded Reinforcement) method was also used for hybrid reinforcement.  

Plate orientation (parallel and perpendicular), number of plates (2 and 3), wrapping material (carbon fiber reinforced polymer (CFRP) and textile reinforced polymer (TRM)) were selected as reinforcement parameters. The specimens were tested under constant axial load and cyclic horizontal load. The effects of the selected parameters on the damage mechanism, load carrying capacity, energy dissipation capacity, initial stiffness and ductility of the element were investigated. The horizontal load carrying capacities of the specimens due to bending were calculated theoretically and compared with the capacities obtained from the experiments. In the theoretical calculations, the maximum strength of the lap reinforcement was determined according to different methods in the literature and the variation of these methods according to the capacity values obtained in the experiments was analyzed.

In the retrofitted specimens, increasing the number of CFRP plates and adding wrapping to the section increased the load carrying capacity, energy dissipation capacity, initial stiffness and ductility values of the member compared to the reference specimen. However, the effect of changing the plate orientation was less than 10%. The best behavior among the retrofitted specimens was observed in specimen N7-D3-F where three plates were used and lateral wrapping with CFRP sheet was performed. In general, the increase rates in the specimens wrapped with CFRP sheet were higher than those in the specimens with TRM. As a result, reinforced concrete columns with insufficient overlap length can achieve significant improvements in their structural properties if they are laterally wrapped with CFRP sheet by adding a sufficient number of CFRP plates anchored to the foundation. In some regulations, it is recommended to reduce the yield strength of the longitudinal reinforcement by a certain percentage in the calculation of the flexural capacity of elements with insufficient lap length. Within the scope of the thesis study, capacity values were obtained according to different sources and comparisons were made with the experimental results.