URM Duvarların FRP Sistemleriyle Kesme Güçlendirmesi

Duvar Güçlendirme

URM Duvarların FRP Sistemleriyle Kesme Güçlendirmesi

S. GRANDO, M. R. VALLUZZI
Ulaşım ve İnşaat Mühendisliği Bölümü, Padova Üniversitesi
VIAMARZOLO – 9 – 35131 Padova, İtalya
A. NANNI, J. G. TUMIA
Altyapı Mühendisliği Araştırma Merkezi
65409-00300, ABD, MO, Rolla, Minercircle

Bu makale, kil birimlerle inşa edilmiş donatısız duvarların (URM) fiber takviyeli polimer (FRP) sistemleri kullanılarak kesme güçlendirmesini ele alan bir deneysel programı sunar. Beş kil duvar paneli, FRP ile levha ve çubuk şeklinde güçlendirilmiş ve kesme performanslarını değerlendirmek için çapraz olarak yüklenmiştir. Duvar panellerinin plan boyutları 1.22 x 1.22 metre ve kalınlığı 120 mm idi. Çubuklar için belirtilen inşaat teknikleri kullanılmıştır; bu teknik, FRP çubuklarının duvarın yatak derzlerine yerleştirilmesini içerir. Öte yandan, levhalar için manuel yerleştirme tekniği uygulanmıştır. Sonuçlar, URM duvarların kesme performansında kapasite ve görünür süneklik açısından artan etkinliği göstermektedir.

Giriş

Bir düzlemsel yük, gerilmiş bir duvara uygulandığında, nihai kapasite kolayca belirlenebilir ve URM duvarı çökebilir. Bu tür yüklemenin temel etkisi, tüm uzunluk boyunca mevcut çatlaklarla ve kesme kırılma yönünde tanımlanabilen kesme gerilimidir. Çatlak açıldığında, duvar tüm kapasitesini kaybeder ve düzlemsel yük altında ve dışında kolayca çökebilir, insan hayatını tehlikeye atabilir. Bu nedenle, bu tür bir kırılmanın önlenmesi ve kontrol edilmesi büyük önem taşır.
FRP sistemlerinin kullanımı bu soruna ikna edici bir çözüm sunabilir. FRP kompozitleri kullanılarak, duvarın nihai kapasitesi ağırlık veya sertlik eklenmeden artırılabilir, böylece deprem olaylarından kaynaklanan tehlikeli sonuçlardan kaçınılır.

FRP Kullanımının Ek Avantajları

Ayrıca, FRP kullanımı, estetik ve pratik inşaat avantajları sağlar; bunlar arasında minimum kullanılabilir alan kaybı ve güçlendirme malzemelerinin basit bir sıva ile gizlenebilmesi yer alır. Bunun yanı sıra, Beto Plastik Kalıp gibi çözümler, yapıların güçlendirilmesinde tamamlayıcı bir yaklaşım olarak değerlendirilebilir.

İnşaat Malzemelerinin Tanımı (Çalışma Malzemeleri)

Bu çalışmada kullanılan inşaat malzemelerinin mekanik özelliklerini karakterize etmek için deneysel testler yapılmış ve sonuçlara ulaşılmıştır. Kil tuğlaların ortalama basınç dayanımı, prizma testinden elde edilen 15.78 MPa (ASTM C1314) olarak belirlenmiştir. Duvarlar, 6 mm çapında #2 GFRP çubuklarla ve epoksi yapıştırıcı içinde gömülü GFRP levhalarla güçlendirilmiştir; mekanik özellikleri üretim ve testlere göre belirtilmiş olup, Tablo 1’de sunulmuştur.

Tablo 1 – Mekanik Özellikler

Güçlendirme Yöntemi

Manuel Yerleştirme Tekniği

Manuel yerleştirme tekniği aşağıdaki adımları içerir:
(a) Duvar yüzeyinin gözenekliliğini azaltmak için astar uygulaması;
(b) Yüzeydeki düzensizlikleri düzeltmek için ikincil macun katmanı;
(c) Yapıştırıcı gibi doymuş bir malzeme katmanının silindirle uygulanması;
(d) FRP levhaların duvar yüzeyine yerleştirilmesi, doymuş malzeme ile lifler arasında sıkışan havayı çıkarmak için kabarcık silindiri kullanılması;
(e) İkinci bir doymuş malzeme katmanının uygulanması (Şekil 1’e bakınız).

Belirtilen FRP İnşaat Tekniği

Belirtilen FRP inşaat tekniği daha basit bir uygulama yöntemi gerektirir:
(a) Elmas bıçaklı bir taşlama makinesi kullanılarak çubuk çapının 1.5 katı kalınlığında oluklar kesilir;
(b) Uygun bir tabanca ile oluğa bir yapıştırıcı katmanı yerleştirilir; çubuk oluğa yerleştirilir ve ardından oluk tamamen yapıştırıcı ile doldurularak FRP çubuğu sabitlenir (Şekil 2’ye bakınız).

Şekil 2 – Belirtilen FRP İnşaat Tekniği
Şekil 1 – Manuel Yerleştirme Tekniği

Test Numuneleri

Toplamda beş kil tuğla duvar, 1220 x 1220 x 102 mm boyutlarında, 203 x 102 x 51 mm boyutlarında kil tuğlalar kullanılarak sürekli harç derz deseninde inşa edilmiştir. Tüm duvarlar, numune hazırlığı sırasında genellikle ortaya çıkan inşaat yöntemleri ve harç işlenebilirliği gibi ek değişkenlerden kaçınmak için uygun bir bıçakla yapılmıştır.

Deney Programı

Deney programı Şekil 3’te gösterilmiştir. Bir URM duvarı, Co1, kontrol numunesi olarak hizmet vermiştir: CB1 duvarı, her ikincil harç derzinde 2 GFRP çubukla karşı tarafta güçlendirilmiştir; CB2 duvarı da arka tarafında CB1 ile aynı miktarda FRP çubuğa sahipti; CL1 duvarı, her 152.5 mm’de (6 inç) 76.5 mm (3 inç) genişliğinde CFRP levhalarla donatılmıştır ve toplamda ön tarafta 5 şerit bulunmuştur. CL2 duvarı, CL1 ile benzer şekilde güçlendirilmiş, ancak arka tarafta da ön tarafa benzer bir konumda aynı miktarda levha ile donatılmıştır.
Farklı konfigürasyonlar için güçlendirme miktarı, eksenel sertlik E.A (elastikiyet modülü çarpı kesit alanı) açısından eşdeğerdir.

Şekil 3 – Test Programı

Test Kurulumu

Numuneler kapalı döngü yöntemiyle test edilmiştir. 30 ton kapasiteli iki hidrolik kriko, el pompası ile çalıştırılmış ve test altındaki duvarın çaprazında elektrik yükü üretmek için kullanılmıştır. Yükleme sırasında, üst köşeye yerleştirilmiş çelik bir pabuç aracılığıyla duvara kuvvet uygulanmış ve alt köşede yüksek mukavemetli çelik çubuklar aracılığıyla benzer cihazlara aktarılmıştır.

Yükleme Süreci

Şekil 4 test kurulumunu göstermektedir. Yük, yükleme döngülerinde uygulanmış ve sistem stabilitesini değerlendirmek için her 10 tonda bir boşaltılmıştır. Veriler, yerel hücreler ve doğrusal değişken diferansiyel transdüserler (LVDTs) kullanılarak toplanmış ve DAYTRONTZ veri toplama sistemi tarafından 1 Hz frekansla kaydedilmiştir. Duvarlardaki yer değiştirme ve çatlak açılmasını toplamak için, her duvar tarafının uzunluğu boyunca iki LVDT yerleştirilmiştir.

Şekil 4 – Test Kurulumu

Kırılma Mekanizması

Tek Taraflı Güçlendirme

Tek taraflı güçlendirilmiş duvarlar için genel kırılma mekanizması gözlemlenmiştir (Şekil 5’e bakınız). Bu kırılma iki aşamada gelişmiştir: biri düzlemde, diğeri düzlem dışında, aşağıda açıklandığı üzere:

(a) Düzlem İçi Aşama

Başlangıçta, harçtan duvar birimlerinin ayrılması nedeniyle bir çatlak oluşur; bu, donatısız tarafta meydana gelir ve duvar kalınlığı boyunca ilerleyerek duvar birimi arayüzünde epoksi yapıştırıcının kırılmasına kadar devam eder. Ardından, çekme gerilimi uzun süre FRP’ye aktarılmadığından duvar kırılır. Duvar çapraz olarak çatlar, ardından harç derzleri çatlar ve kesme ile katmanlı bir çatlak oluşur (Şekil 6).

(b) Düzlem Dışı Aşama

(Şekil 7) Donatısız taraftaki çatlak açılması, donatılı tarafa kıyasla daha fazla çatlak nedeniyle daha büyüktür (Şekil 8).

Çift Taraflı Güçlendirme

Duvarın her iki tarafının güçlendirilmesi durumunda, kırılma önceki durumdan daha ani ve hızlıdır. Kırılma daha yüksek bir yükte meydana gelir (Şekil 8), bu da güçlendirmedeki sıfır eksantriklikten kaynaklanır. Gerçekten de, duvarın her iki tarafında güçlendirme bulunması, kırılmada düzlem dışı aşamayı ortadan kaldırır.
Bu güçlendirilmiş duvarlarda, güçlendirme, bina birimleri boyunca hareket eden çapraz çatlakların oluşumuna neden olur (Şekil 9), katmanlı kesme çatlak eylemi üzerinde baskı yapmak yerine. Çatlak genellikle çalışma malzemeleri ve FRP sistemi üzerinde gelişir ve yönünü değiştirmeden derzler boyunca yayılır. Böylece, FRP’nin çapraz çatlağı köprüleyen çekme kuvvetleri, duvarların kesme kapasitesini artırır. Ayrıca, uygulanan yüklerden kaynaklanan bir bölünme durumu (CB2 duvarı, Şekil 9) ve bir kayma durumu (CL2 duvarı, Şekil 12) ortaya çıkar.

Şekil 5 – Tek Taraflı Güçlendirilmiş Duvarlar için Genel Kırılma Mekanizması
Şekil 8 – Duvarların Ön ve Arka Taraflarında Çatlak Açılması
Şekil 9 – Çift Taraflı Güçlendirmedeki Çatlak Eylemi (Ortada Bölünme)

Test Sonuçlarının Analizi

Kontrol duvarı Co1 için kırılma kırılgan ve aniydi, bina bileşenleri ve harç bağlantısı tarafından kontrol edildi. Tüm duvarlar kil yırtılması nedeniyle başarısız oldu, ancak güçlendirilmiş duvarlar daha fazla süneklik gösterdi. Son durumda, tüm güçlendirilmiş duvarlar arasında malzeme gevşemesi yalnızca CL2 duvarında gözlemlendi; bu, harç derzinin kaymasından kaynaklandı. Kesme kapasitesindeki maksimum artış (yaklaşık %200), iki duvarda (CB2 ve CL2) kaydedildi.

Süneklik Hesaplaması

Değişkenlik ve güçlendirme türünü karşılaştırmak için kesme deformasyonuna dayalı bir kriter belirlendi. Görünür süneklik “M”, aşağıdaki (1) ve (2) ilişkileri kullanılarak hesaplandı:
(1)
(2)
Bu, nihai kesme deformasyonu ve mevcut kesme deformasyonunu temsil eder (yük ile kesme deformasyon diyagramlarına göre eğimdeki değişikliğe karşılık gelir). Boyuna yükten kaynaklanan deformasyonlar birincil deformasyonlar olarak dikkate alınarak, maksimum kesme deformasyonu bu değişikliklerin toplamı olarak ifade edilir; sonuçlar Tablo 2’de belirtilmiştir.

Tablo 2 – Görünür Süneklik Karşılaştırması

Sonuçların Yorumu

Şekil 10, test edilen tüm duvarlar için düzlem içi yük ile kesme deformasyonu eğrilerini gösterir. Tablo 2 ve Şekil 10’a dayanarak, her iki tarafta simetrik olarak dağıtılmış levhalarla güçlendirilmiş CL2 duvarı en iyi performansı sergiler. Bu, hem nihai kapasiteyi hem de görünür sünekliği artırır. Genel olarak, bu duvar, beşinci derzin kaymasıyla kırılmadan sonra başarısız oldu. Ayrıca, maksimum değerin CL duvarlarıyla uyumlu olduğu belirtilir; bu, muhtemelen levhaların çubuklara kıyasla daha geniş bir alanı kaplamasından kaynaklanmaktadır.

Performans Faktörleri

Kil panellerin benzer beton duvarlara kıyasla uygun davranışı, harcın tuğla deliklerine nüfuz ederek sağlam ve sert bir sistem oluşturmasından kaynaklanır (Şekil 1’e bakınız). Bu, harcın dübel etkisi yaratır ve duvarın kapasitesini artırır. Bölünme kırılması (Şekil 9), CB2 duvarında sıkıştırılmış uzunluk boyunca merkezi bölgede, kil tuğlalar ile simetrik güçlendirme alanı (#2 GFRP çubuklar her iki tarafta) arasındaki yüksek tutma nedeniyle ortaya çıkan teğet gerilimden kaynaklandı.
Kayma kırılması (Şekil 12), CL2 duvarında nihai yükün artması (her iki tarafta güçlendirme varlığı nedeniyle) ve donatısız harç derz arayüzündeki daha düşük mukavemetin birleşiminden kaynaklandı. Bununla birlikte, bu durumda kesme kapasitesinde daha büyük bir artış kaydedildi; çünkü yatay levhalar, kaymanın meydana geldiği bina katmanlarını kısıtladı ve çatlaklar üst derzler boyunca köprülendi (köprü bağlantısı).