Betonarme kirişlerin karbon plaka ve kumaşlarla güçlendirilmesi
Strengthening of reinforced concrete beams with carbon plates and fabrics
Yazar: AHMET KAĞAN UZEL
Danışman: PROF. DR. SABAHATTİN AYKAÇ
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering

Özet:
Bu çalışma kapsamında; betonarme kirişlerin çekme bölgesine yapıştırılan karbon fiber (CFRP) plakalarla donatının kenetlenmesi ve karbon fiber plakadan donatıya yük aktarımının güvenli bir şekilde sağlanıp sağlanamayacağının değerlendirilmesi amacıyla deneysel çalışmalar gerçekleştirilmiştir. Deney değişkenleri; kullanılan donatının çapı, CFRP plaka kalınlığı, CFRP plaka boyu, elemanın ön hasarlı olup olmaması ve elemanın ankrajlı olup olmaması durumudur. Bu doğrultuda 200x400x3000 mm boyutlarında dikdörtgen kesite sahip 14 adet betonarme kiriş imal edilmiş olup bu kirişlerden sadece iki tanesinin çekme donatıları sürekli diğerlerinin ise çekme donatıları süreksizdir.  Çekme bölgesindeki donatıları sürekli olan iki adet kiriş güçlendirilmeksizin referans eleman olarak kullanılmıştır. Çekme bölgesindeki donatıları süreksiz olan 12 adet kirişin 8'ine ön hasar verildikten sonra onarım yapılarak,  4'üne ise ön hasar verilmeksizin, çekme bölgelerine içerisinde kullanılan donatının çapına göre belirlenen iki farklı kalınlıkta ve farklı bindirme boylarında karbon fiber plakalar yapıştırılmıştır. Ayrıca çekme bölgesine uygulanan karbon fiber plaka takviyesi yapıldıktan sonra, belirli genişliğe sahip karbon fiber şeritlerle ve sabit aralıklarla plakayı bir uçtan diğer uca kadar içine alacak şekilde ve kiriş iki yan yüzü de dahil olmak üzere "U" biçiminde saracak iki katman sargılama yapılmıştır. Sonrasında ön hasar verilmemiş kirişlere fan tipi ankraj uygulaması gerçekleştirilmiştir. Onarım ve güçlendirme işlemleri sonrasında epoksi malzemenin kürlenme süresi beklenilerek deney aşamasına geçilmiştir. Yapılan üç noktalı eğilme testleri sonucunda güçlendirme elemanlarının tamamında hasar mekanizmasının karbon fiber (CFRP) plakanın sıyrılması sonucu elemanın gevrek kırılmaya maruz kalması şeklinde oluştuğu görülmüştür.  Bu nedenle güçlendirme elemanları; dayanım, süneklik, rijitlik ve enerji dönüştürme kapasitesi temel ölçütleri bakımından referans elemanların ulaştığı değerlere ulaşamamıştır. Ayrıca CFRP plaka genişliğinin arttırılmasının nihai dayanım ve enerji dönüştürme kapasitelerine olumlu etki ettiği görülmüş olup bu duruma genişleyen plaka ile birlikte birim yapışma yüzeyinin artmasının sebep olduğu düşünülmektedir.  Öte yandan laboratuvar deneyleri sonucunda CFRP plakanın boyu ile nihai dayanım ve enerji dönüştürme kapasiteleri arasında anlamlı bir ilişki kurulamamış olup, gereğinden uzun kullanılan CFRP plakanın yapışma yüzeyi kusurlarından kaynaklı olarak daha düşük yükler altında sıyrılabileceği ve eleman performansını olumsuz etkileyebileceği düşünülmektedir.

Abstract:
In the scope of this study, experimental investigations were conducted to evaluate whether the bonding of carbon fiber reinforced polymer (CFRP) plates to the tension zone of reinforced concrete beams and the transfer of load from the CFRP plate to the reinforcement can be safely achieved. The experimental variables included the diameter of the reinforcement, thickness and length of the CFRP plate, presence of pre-existing damage in the element, and whether the element was anchored. In this context, 14 reinforced concrete beams with dimensions of 200x400x3000 mm were manufactured, out of which only two beams had continuous reinforcement in the tension zone while the others had discontinuous reinforcement. The two beams with continuous reinforcement in the tension zone were used as reference specimens without strengthening. Out of the 12 beams with discontinuous reinforcement in the tension zone, eight were subjected to prior damage and subsequently repaired, while four beams were not damaged initially and were strengthened by bonding CFRP plates of two different thicknesses and varying overlap lengths based on the diameter of the reinforcement used. After the application of CFRP plate reinforcement in the tension zone, two layers of wrapping were applied in a "U" shape to encase the plate from one end to the other, including both lateral sides of the beam, using carbon fiber strips of specific width and fixed intervals. Subsequently, fan-type anchorage was applied to the undamaged beams. After the completion of repair and strengthening procedures, the epoxy material was allowed to cure, and then the experimental phase commenced. The results of the three-point bending tests revealed that the failure mechanism in all strengthened specimens occurred due to the delamination of the carbon fiber (CFRP) plate, leading to brittle fracture of the element. Consequently, the strengthened elements failed to achieve the levels of strength, ductility, stiffness, and energy dissipation capacity attained by the reference specimens. Additionally, it was observed that increasing the width of the CFRP plate had a positive effect on the ultimate strength and energy dissipation capacities, which was attributed to the increase in the bonding surface area along with the widened plate. However, no significant relationship could be established between the length of the CFRP plate and the ultimate strength and energy dissipation capacities based on laboratory experiments. It was suggested that the use of excessively long CFRP plates could lead to lower load capacities due to defects in the bonding surface, thereby adversely affecting the performance of the element.