CFRP donatıların yüksek dayanımlı beton ile aderansına etki eden faktörlerin deneysel olarak incelenmesi
Experimental investigation to determine factors affecting bond behavior of CFRP rebars in high strength concrete
Yazar: TUNÇ TİBET AKBAŞ
Danışman: PROF. DR. OĞUZ CEM ÇELİK
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Yapı Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2018
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering

Özet:
Basınç kuvvetlerinin betonla, çekme kuvvetlerinin de çelik donatıyla karşılandığı davranış betonarmenin temelini oluşturmaktadır. Günümüzde değişen inşaat gereksinimleri, gelişen malzeme teknolojileri sayesinde yüksek performanslı betonlar ve donatılar üretilerek karşılanmaktadır. Mevcut yapıların kapasitelerinin arttırılmasında karbon lifli polimer (CFRP) malzemelerin kullanımı oldukça yaygınlaşmıştır. Çoğunlukla kumaş şerit olarak tercih edilen karbon lifli polimerlerin donatı formlarında üretilerek betonarme kesitlerde çekme kuvvetini karşılayan ana eleman olarak tasarlanması da mümkün olmaktadır. Bu doğrultuda, Amerika, Kanada ve Japonya başta olmak üzere, ülkeler tasarım yönetmeliklerini oluşturmuş ve günden güne geliştirmektedirler. Yüksek çekme dayanımları sayesinde küçük çaplarda bile çelik donatılara göre daha büyük kuvvetler taşıyabilen karbon lifli polimer donatılar betonarme kesitlerde daha az bir alan kaplamakta ve döküm sırasında betonun daha kolay yerleştirilmesine olanak sağlamaktadır. Hafif oluşu, yol, deniz ve liman yapılarındaki tuzlu ve asidik ortamlarla yapılardaki olası manyetik cihazlardan etkilenmemesi, çelik donatılı betonarme elemanlarda yağmur, kar, buzlanma etkisiyle gelişen korozyon hasarının karbon lifli polimer donatılarda söz konusu olmaması başlıca olumlu özellikleri olarak görülmektedir. Bu sayede betonarme kesitlerde rijitlik ve sürekliliğin/durabilitenin korunması sağlanmaktadır. 
Kompozit bir yapı malzemesi olan betonarmenin varoluş amacına uygun kullanılması, kendisini oluşturan malzemelerden beton donatının aralarında sürekli kuvvet aktarımı sağlanacak şekilde birlikte çalışmasıyla mümkündür. Bu kuvvet aktarımını, donatının, çevresini saran betona göre ve eksenine paralel olarak kaymasına karşı gelen bağ kuvvetleri sağlamaktadır. Çelik donatıların aderans dayanımıyla ilgili çok sayıda deneysel çalışma ve modelleme bulunmasına karşın karbon lifli donatıların aderans dayanımlarıyla ilgili çalışmalar sınırlı sayıda kalmakta, mevcut yönetmeliklerde önerilen bağıntılarla hesaplanan aderans dayanımları deney sonuçlarından önemli miktarda uzak kalmakta ve özellikle tekrarlı yükler altındaki aderans dayanımda olabilecek değişimi gözönüne almamaktadır. Bu çalışmanın özgün yönlerinden biri elde edilen deney sonuçlarını güncel yönetmeliklerle karşılaştırmak ve yüklemenin monotonik ya da tekrarlı olmasının aderans dayanımında oluşturduğu farklılığı gözlemlemektir. 
Aderans davranışının gözlemlenebilmesi amacıyla çekme deneylerinde kullanılmak üzere farklı özelliklerde 36 adet numune hazırlanmıştır. Numunelerin, 12'si yüzeyi kumlu, 2'si yüzeyi düz ve 22'si ise yüzeyi nervürlü karbon lifli donatıyla düzenlenmiştir. Üretilen numuneler, Boğaziçi Üniversitesi Yapı Mühendisliği Laboratuvarı'nda bu tez için özel olarak tasarlanmış deney düzeneğinde denenmişlerdir. Oluşturulan düzenek literatürdeki bilinen deney düzeneklerinden farklı olarak donatının betona bağlandığı yüzeyde dıştan basınç yaratan bir sargı etkisi oluşturmadan tam bir çekme alanı meydana getirdiğinden çekip-çıkartma deneyleri için bir ilk olma durumundadır. Karbon lifli donatılar beton yüzeyden maksimum 200kN çekme ve itme kapasiteli, toplam ±100mm yerdeğiştirme uygulayabilen hidrolik yükveren ile yerdeğiştirme ve kuvvet kontrollü olarak çekilmiştir. Numunelerden 25 tanesi monotonik olarak, 11 tanesi ise tekrarlı yüklerle test edilmiştir. Kullanılan yüksek dayanımlı beton karışımı bu çalışmaya özgü olarak tasarlanmış ve denenen tüm numuneler beton santralinde toplamda 5 seferde dökülüp, laboratuvara nakledilmiştir. 
Çalışmada beton ile donatı arasında oluşacak yük dağılımının gözlemlenebilmesi için beton dökümü öncesinde her bir donatının yüzeyine aderans bölgesinin başında, ortasında ve sonunda olmak üzere 3'er adet şekildeğiştirme ölçerler yerleştirilmiştir. Test edilen numunelerden elde edilen veriler doğrultusunda monotonik yüklenen numunelerin (10~18) MPa ve tekrarlı olarak yüklenen numunelerin de (10~14) MPa'lık aderans gerilmelerine ulaştıkları görülmüştür. Bu durum, monotonik olarak yapılan yüklemelerden elde edilen aderans dayanımının önemli oranda yüksek olduğunu, bu nedenle CFRP donatılı betonarme elemanlarda tekrarlı yük etkisi varsa (köprü hareketli yükleri, deprem, rüzgâr vs.) aderans dayanımındaki değişimin dikkate alınmasının gerektiğini göstermektedir. Ölçülen aderans gerilmesi değerleri ACI440'a göre hesap edilen değerlere göre genel olarak daha yüksek çıkmaktadır. Ankraj boyunun 15db, 20db ve 25db olduğu numunelerde yönetmelikten hesaplanan değerinin yaklaşık iki katında olan dayanımlara ulaşılmıştır. Ancak, 5db ve 10db'lik boylarda hesaplanan değerlerle ölçülenlerin neredeyse aynı olduğu görülmüştür. Donatı yüzeyine yerleştirilen şekildeğiştirme ölçer verilerinden görüldüğü üzere, donatıdan betona aktarılan kuvvet düzgün yayılı bir dağılım göstermemektedir. Göçme anına kadar donatı yüzeyinde kademeli bir gerilme artışı ve gerilmenin dağılımında değişim görülmüştür. Aderans bölgesinin sonunda yer alan şekildeğiştirme ölçerden yalnızca göçmenin hemen öncesinde yükselme oluşmaya başladığı gözlenmiştir. Bu bir bakıma plastikleşmenin aderans yüzeyi boyunca ilerlemesiyle açıklanmaktadır. Ortalama aderans gerilmeleri incelendiğinde, nervürlü donatıların sağladığı mekanik kenetlenme seviyesi kumlu yüzeyli donatıların sürtünmeyle sağladığı aderans dayanımına oranla %40 daha yüksek değerler verdiği görülmüştür. 
Elde edilen sonuçlar güncel yönetmeliklerle karşılaştırıldığında tasarım için önerilen bağıntı ve sınırlamaların gerçek durumdan uzak olduğu görülmüştür. Değerlendirilen yönetmeliklerden Kanada CAN.CSA.S806 ve Japon JSCE-E131 yönetmeliklerinin aşırı güvenli tarafta kaldığı Amerikan ACI 440'ın ise güvenli sayılabilecek sonuçlar vermediği sonucuna ulaşılmıştır. Ayrıca, aderans yüzeyinde donatıdan betona aktarılan kuvvetlerin oluşturduğu gerilme dağılımının daha iyi anlaşılabilmesine katkı sağlamak amacıyla monotonik olarak denenen kumlu numuneler ABAQUS 6.14 programı kullanılarak gerçeğe yakın olarak modellenmiş ve üç boyutlu olarak analiz edilmiştir. Bu kuramsal çalışma sonunda aderans-sıyrılma eğrileri elde edilmiş ve deney sonuçlarıyla karşılaştırılarak yakın aderans dayanımını değerlerine ulaşılmıştır. Bunların dışında literatürdeki çelik ve karbon lifli donatılar için geliştirilmiş aderans modelleri incelenmiş ve belirleyici başlıca parametreler kullanılarak deney sonuçlarına yakın değerler veren bir aderans bağıntısı düzenlenmiştir. 
Çalışmanın ana bölümlerinin kapsamı aşağıda özetlenmiştir: 
Birinci Bölüm'de çalışmanın amacı, konusu ve kapsamından söz edilerek kullanılan yöntemler hakkında bilgiler verilmiştir. 
Aderans konusunda günümüze kadar yapılmış kuramsal ve deneysel çalışmaların değerlendirilmesi İkinci Bölüm'de aktarılmıştır. Ayrıca, güncel yönetmeliklerde karbon lifli donatıların aderans dayanımıyla ilgili verilen tasarım kuralları özetlenmiştir. 
Üçüncü Bölüm'de, bu çalışma için özel olarak tasarlanan ve üretilen yükleme çerçevesinin düzeneğiyle ilgili detaylar verilmiştir. Yüksek dayanımlı betonun üretilmesi, donatı malzeme deneyleri, donatı için oluşturulan çelik kılıf ve deney ölçüm düzeneği üzerinde detaylı olarak durulmuştur. 
Çekip-çıkartma deneylerinde kullanılan yükleme protokolleri açıklanarak elde edilen sonuçlar, deneyler sırasında numunelerde gözlemlenen yapısal davranış ve göçme mekanizmaları/modları Dördüncü Bölüm'de açıklanmıştır. 
Deney sonuçlarının karşılaştırılmasından elde edilen çıkarımlar Beşinci Bölüm'de verilmiştir. 
Altıncı Bölüm, oluşturulan sonlu eleman (FEM) modeli ve yapılan varsayımlara ayrılmıştır. Ayrıca, analizi tamamlanan numunelerin deneysel ve sonlu eleman analizi sonunda elde edilen aderans-sıyrılma eğrilerinin karşılaştırması verilerek değerlendirmesi yapılmıştır. 
Deneylerden elde edilen veriler doğrultusunda, aderans kapasitesinin belirlenmesi için geliştirilen bağıntılar Yedinci Bölüm'de yer almaktadır. 
Sekizinci Bölüm'de, bu çalışma kapsamında elde edilen genel sonuçlar ve bu konuda ileride yapılabilecek çalışmalardan söz edilmektedir.

Abstract:
Basic behavior of reinforced concrete (RC) relies on resisting compression forces with concrete and carrying tension forces with steel rebar. In accordance with new requirements and advanced material technologies in structural engineering, high performance concretes and rebars can be produced with different properties for addressing new demands. Recently, the use of carbon fiber reinforced polymer (CFRP) materials has become widespread in increasing the capacities of existing structures. It is also possible to design carbon fiber polymers, which are mostly preferred as fabric strips, as the main reinforcing element, which can be produced in rebar shapes and resist tensile stresses in reinforced concrete sections. In this direction, countries, like America, Canada and Japan have established and developed their design specifications. Due to their high tensile strength, carbon fiber polymer rebars even with small diameters which can carry much bigger forces when compared to steel rebars provide less space in reinforced concrete sections and allow easier placement during pouring concrete. Corrosion problems caused by rain, snow and icing in steel RC elements is not the case with carbon fiber polymer rebars. High chemical resistances in salty and acidic environments of road, sea and port structures, lightweight, not affected by possible magnetic devices in structures are other remarkable features of composite rebars. In this way, it is ensured that the stiffness and durability of RC sections are protected. 
Effectiveness of RC being a composite building material can only be realized by providing an appropriate bond mechanism to transfer forces between concrete and rebars. This force transfer is provided by developed bonding forces, which resist sliding/slipping parallel to the axis of concrete, surrounded the rebar. Although there are many experimental studies and models on the bond strength of steel rebars, studies on the bond strength of carbon fiber rebars are somewhat limited and bond strengths calculated by the existing specifications are not realistic according to the test results. Additionally, considering repeated/cyclic loads are rare. One of the original aspects of this study is to compare the obtained test results with current specifications and to observe the possible differences in the bond strength of monotonic or cyclic loading.
In order to observe bond behavior, a total of 36 specimens was prepared with different properties to be used in the pull-out tests. Twelve of the samples were sandblasted (or sand-coated), two of them with smooth surface, and twenty-two of them were arranged with ribbed carbon fiber rebars. The specimens were tested at Bogazici University, Structural Engineering Laboratory with specially designed and modified test setup for this thesis. Unlike the known experimental setups in literature, the developed testing device is believed to be the first for pull-out experiments since it brings a complete pull-out area without creating a pressure and confinement effect on the surface of rebar connected to concrete. Carbon fiber rebars are pulled from the concrete surface under force and displacement control by a hydraulic actuator having 200kN tension and compression capacities and with ±100mm dispacement capacity. Twenty-five samples were tested monotonically and eleven of them were tested under cyclic loads. Note that cyclic loading was not fully cyclic (i.p. not reversed cyclic loading). High strength concrete mix was specially designed for this study and all specimens were poured at the concrete plant in five times and transported to the laboratory.
In order to observe distribution of the load between concrete and the rebar during the tests, tree strain gauges were attached on the surface of each rebar before pouring the concrete. Strain gauge measurements were taken at the beginning, in the middle, and at the end of bonded area. According to experimental data obtained from the tested specimens, measured bond strengths are (10~18)MPa and (10~14)MPa for monotonic and cyclically loaded specimens, respectively. This indicates that the bond strength obtained in monotonic loading is considerably higher and therefore it is necessary to take into account the change in the bond strength of CFRP RC elements when repeated load effect is possible (bridge moving loads, earthquake, wind etc.). Measured bond stress values are generally higher than those calculated according to ACI 440. Specimens with anchorage lengths of 15db, 20db, and 25db have reached bond strengths that are approximately twice the value calculated from the specifications. However, it is seen that measured bond strengths are almost the same with the code values for specimens having 5db and 10db anchorage lengths. As can be seen from the strain gauges data, which are taken from rebar surfaces, force transfer between concrete and rebar is not distributed uniformly. There was a gradual increase in stress on surface of the rebar and a change in the distribution of the stresses until the ultimate bond strength capacity. It has been observed that, strain gauges which are located at the end of bonding region, started to measure strain just before the ultimate bonding load. This can be explained by progressive plastification along the bonding region. When the average bond stresses are examined, it is seen that the mechanical interlocking level provided by the ribbed fixtures gives 40% higher values than the sand-coated surface resistance provided by the friction. 
When the obtained results are compared with current specifications, it is seen that the relations and limitations proposed for the design are far from the real situation. The evaluated specifications have shown that the Canada CAN.CSA.S806 and Japanese JSCE-E131 codes remain on the safe side, while the American ACI 440 code does not produce any reliable results. In addition, for a better understanding of the stress distribution of forces transferred from rebar to concrete on the bond surface, monotonically loaded sand-coated rebar specimens were modeled and analyzed using ABAQUS 6.14 software. This numerical study gave bond-slip curves of the tested specimens. Comparing experimental and numerical results suggests good estimation for bond strength values although the overall load-slip graphs have some discrimination. Other than these, improved bond models for steel and carbon fiber rebars in literature have been investigated and a bond formula has been established which gives values close to the test results using the principal parameters. 
Contents of the main chapters of this thesis are given below: 
In the first chapter, aim and scope of the study are explained and information on the methods followed are elucidated. 
An overall evaluation of the previous theoretical and experimental studies on bond mechanism is given in the Second Chapter. In addition, bond strength design rules for CFRP bars in the current codes are summarized. 
Design steps of specially designed and constructed loading frame and its details are given in Chapter 3. Moreover, producing of high strength concrete, rebar material tests, steel cover for rebars, and instrumentation of the test setup are explained in detail. 
Further information about the loading protocols followed and results of pull-out tests are given in Chapter 4. In addition, experimental observations and failure mechanisms for each specimen are presented herein. 
Main findings derived from the test results from this experimental work are given in Chapter 5. 
Chapter 6 includes details of the performed finite element model (FEM) and assumptions used in these analyses. Moreover, bond-slip curves from tests and finite element analyses are compared and interpreted. 
Correlations/formulas developed for the determination of bond capacity of CFRP bars in high strength concrete in the direction of data obtained from the experiments are given in Chapter 7.
In Chapter 8, general results reached are evaluated and suggestions for potential future studies are made.