Betonarme kirişlerin kesme kapasitesinin dış donatılar ile arttırılması
Increasing of reinforced concrete beams with insufficient shear capacity using external steel reinforcements
Yazar: SEFA ERGUN
Danışman: DOÇ. DR. GÖKHAN ALTINTAŞ ; YRD. DOÇ. DR. ALİ DEMİR
Celal Bayar Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Bölümü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2014
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering

Özet:
Betonarme yapılar deprem yükleri, düşey yükler, kullanım amacı değişikliği ve benzer sebeplerden dolayı hasar görebilmektedir. Bu yapılarda ve yapısal elemanlarda sıklıkla ortaya çıkan kesme hasarı yapıları oldukça güvensiz hale getirmekte ayrıca önemli sayıda can ve mal kayıplarına sebebiyet vermektedir. Özellikle kirişlerin kesme kapasitelerinin yetersizliği nedeniyle ortaya çıkan bu hasarları önlemek veya mevcut hasarlı binaları güçlendirmek için kirişlerin kesme kapasitelerini arttırılması gerekmektedir. Bu amaçla, kesme kapasitesi yetersiz kirişler için literatürde birçok yöntem önerilmiş ve uygulanmıştır. Bunlardan bazıları: beton katman eklenmesi, FRP, CFRP, çelik plaka yapıştırılması veya dış donatı eklenmesidir. Bu tez çalışmasında kesme kapasitesi yetersiz olan betonarme T kesitli kirişlerin güçlendirilmesi için yeni bir yöntem önerilmiştir. Bu kirişler yeni geliştirilen enine dış donatı sistemi ile sarılmıştır. Enine dış donatılara ek olarak kirişlerin çekme bölgesine boyuna dış donatılar ankre edilmiştir. Güçlendirilen bu kirişler iki noktadan yüklemeye tabi tutularak deneyleri yapılmıştır. Son olarak elde edilen deneysel ve yönetmelik sonuçları sonlu elemanlar programı ABAQUS' den elde edilen analiz sonuçları ile karşılaştırılmıştır.

Tez çalışması üç aşamadan oluşmaktadır. Birinci aşamada kirişlerin üretimi gerçekleştirilmiş, kirişler güçlendirilmiş ve deneysel olarak yüklemeye tabi tutulmuştur. İkinci aşamada kirişlerin ABAQUS programı ile sonlu elemanlar modelleri oluşturulmuş ve analizleri gerçekleştirilmiştir. Son olarak uygulama mühendislerinin önerilen yöntemi kolaylıkla kullanabilmesi için Türk Deprem Yönetmeliği-2007 (TDY-2007) ve TS500-2000 formülasyonları ile kirişlerin yük taşıma kapasiteleri belirlenmiş ve sonuçların uyumu karşılaştırılmıştır.

Çalışma kapsamında üretilen 21 adet kesme kapasitesi yetersiz betonarme T kesitli kirişlerin 3 adedi güçlendirilmeden (RF), geri kalan 18 adedi ise 6 farklı yöntem ile güçlendirilerek yüklemeye tabi tutulmuştur. Kesme kapasitesi yetersiz bu kirişler Ø6/400 mm eksik etriyeye, çekme bölgesinde 2Ø12, basınç bölgesinde 4Ø8 boyuna donatıya sahiptir. Kirişlerin beton dayanımları 16 Mpa olarak hesaplanmış ve üretilmiştir.

Kirişler sırasıyla, 3 mm kalınlığında levha ve 100 mm aralıklı enine dış donatılar ile (GK1), 3 mm kalınlığında levha ve 200 mm aralıklı enine dış donatılar ile (GK2), 6 mm kalınlığında levha ve 100 mm aralıklı enine dış donatılar ile (GK3), 6 mm kalınlığında levha ve 200 mm aralıklı enine dış donatılar ile (GK4) güçlendirilmiştir. Bunlara ek olarak kirişlerin çekme bölgelerine boyuna donatılar ankre edilmiştir. Bu kirişler 3 mm kalınlığında levha ve 100 mm aralıklı enine dış donatılara ek olarak 2Ø12 boyuna dış donatı (GK5), 3 mm kalınlığında levha ve 100 mm aralıklı enine dış donatılara ek olarak 1Ø12 boyuna dış donatı (GK6) ile güçlendirilmiştir. Güçlendirilmiş ve güçlendirilmemiş kirişler monotonik olarak artan yüklemeye tabi tutulmuştur. Yükler kirişe iki noktadan çelik transfer kirişi ile aktarılmıştır.

Deneyler sonucunda kirişlerin akma yükü, akma deplasmanı en büyük yükü, göçme yükü, göçme deplasmanı ve rijitliklerindeki değişim incelenmiştir. Bunlara ek olarak kirişlerin yük deplasman eğrileri ve hasar durumları karşılaştırmalı olarak sunulmuştur.

Kirişlerin sonlu elemanlar analizleri ABAQUS paket programı ile yapılmıştır. Beton malzeme özelliği ve hasar davranışı olarak Concrete Damage Plasticity (CDP) kullanılmıştır. Çelik için elasto-plastik malzeme varsayımı kullanılmıştır. Sonlu elemanlar ağ yapısı olarak C3D10M eleman özelliği kullanılmıştır. Ayrıca önerilen yöntemin teorik hesaplarının yapılabilmesi için TDY-2007 ve TS500-2000 formülasyonları kullanılmıştır. Son olarak analizlerden elde edilen sonuçlar deneysel sonuçlarla karşılaştırılmıştır.

Yapılan çalışmalar sonucunda deneysel ve teorik sonuçların birbirleri ile uyumlu olduğu anlaşılmıştır. Bu durum uygulama mühendislerinin önerilen yöntemi kolaylıkla kullanabileceğini göstermektedir. Tez çalışmasında önerilen yöntemin yapısal elemanların güçlendirilmesinde güvenle kullanılabileceği anlaşılmıştır. Ayrıca bu yöntemde yerinde kalıp, beton ve demir işçiliği gerekmemesi ve dış donatıların yapıların öz ağırlığını arttırmaması mantolama ve çelik plaka ekleme yöntemlerine göre önemli avantajlardır. Bunlara ek olarak yangın ve sıyrılma problemlerinin dış donatılar için önemli bir sorun teşkil etmemesi FRP, CFRP yöntemlerine karşı üstünlük olarak sayılabilir. 

Tez çalışmasıyla geliştirilen yöntemin güvenilir, ekonomik ve pratik bir şekilde uygulanabildiği görülmüştür. Bu nedenlerle önerilen yöntemin toplumsal birçok ihtiyaca ve toplumsal birikime önemli katkılar sağlayacağı düşünülmektedir.

Anahtar kelimeler: Güçlendirme, Dış Donatı, Betonarme T Kiriş, SEM Analizi, CDP Modeli

Abstract:
Reinforced concrete (R/C) buildings may be damage due to earthquakes, vertical loads, changes in usage objectives and similar reasons. Shear damage, which is often seen in these buildings and structural elements, makes them unsafe and unreliable causing many casualties and property loss. In order to prevent the damages due to insufficient shear capacity of beams or strength the existing damaged buildings, the shear capacity of beams must be increased. Based on this, various techniques have been proposed and applied in the literature regarding insufficient shear capacity of beams. Some of these are; addition of a concrete layer, FRP, CFRP and bonding a steel plate, and adding an external steel bar. In this study, a new strengthening method is proposed to strength the concrete T beams with insufficient shear capacity. These beams are wrapped with a newly developed external steel clamps system. In addition to these, external steel reinforcements are anchored to the tension region of the beams. The strengthening beams are then subjected to load tests at two points. At the end, the experimental and theoretical results are compared with analysis results of a finite elements computer software package "ABAQUS".

The study is composed of three stages. The production of the beams, their reinforcement and loading tests are done in the first stage. Their finite element models of the beams are formed in ABAQUS and analyzed in the second stage. Finally, at the third stage, theoretic load capacities of the beams are formulated by using Turkish Seismic Code-2007 and TS500-2000 enabling easy utilization by the application engineers. The accordance of the results is also compared. A total of 21 concrete T beams with insufficient shear capacity is produced to test the method. These 21 beams consist of 3 unreinforced beams and the rest 18 are strengthened by 6 different methods. The all of them are subjected to loading. Beams with insufficient shear capacity have Ø6/400 mm less stirrups, 2Ø12 in the tension region and 4Ø8 in the compression region. The concrete strength of the beams are designed and produced as 16 MPa.

The strengthening beams are manufactured as follows: GK1, 3 mm thick plates and external steel clamps each placed 100 mm apart; GK2, 3 mm thick plates and external steel clamps each placed 200 mm apart; GK3, 6 mm thick plates and external steel clamps each placed 100 mm apart and lastly GK4, 6 mm thick plates, each placed 200 mm apart. Also, external steel reinforcements to tension regions of the beams are anchored. In addition to 3 mm thick plates and 100 mm apart external steel clamps, 2Ø12 external steel reinforcements is added to obtain GK5; 1Ø12 external steel reinforcements to tension region is added to obtain GK6. All strengthened and un-strengthened beams are tested against monotonically increasing loads. The loads are carried to the beams by steel transfer beam from two points.

Yield load, highest load, yield displacement, failure load, failure displacement and change in the rigidities of the beams are investigated through experimental results. Additionally, load displacement curves and comparative damage conditions of the beams are presented.
Finite elements analyses of the beams are calculated by ABAQUS software package. As concrete material property and damage behavior, Concrete Damage Plasticity (CDP) is used. Elasto-plastic material is assumed for steel. The C3D10M element feature for finite element mesh structure is used. In order to do theoretical calculations of the proposed method, Turkish Seismic Code-2007 and TS500-2000 formulations are used. Consequently, the obtained results are compared with the experimental results.

The study reveals that the experimental and theoretical results are in accordance with each other. This shows that the proposed method can easily be utilized by the application engineers. The proposed method in the study can safely be used in strengthening of the structural elements. The new method doesn't require mold, concrete and steel labor in situ and increase the weight of structures; hence these are significant advantages with respect to jacketing and steel plate addition techniques. Moreover, fires and debonding problems do not constitute a major problem for external steel bars; thus it is an advantageous against FRP and CFRP methods.

This study shows that the developed technique is reliable, economical and easily applicable. For these reasons, it will provide significant contributions to many social needs and accumulation.

Keywords: Strengthening, External Steel Bars, R/C T Beam, FEM Analysis, CDP     Models