BETONARME KİRİŞLERİN KESME GÜÇLENDİRMESİ İÇİN …

4. Uluslararası Deprem Mühendisliği ve Sismoloji Konferansı

11-13 Ekim 2017 – ANADOLU ÜNİVERSİTESİ – ESKİŞEHİR

BETONARME KİRİŞLERİN KESME GÜÇLENDİRMESİ İÇİN KULLANILAN

YÖNTEMLERİN KARŞILAŞTIRILMASI

A. Demir1, A. Ergüt

2 ve B. Yüksel3

1 Doç. Dr., İnşaat Müh. Bölümü, Manisa Celal Bayar Üniversitesi, Manisa

2 Yrd. Doç. Dr., İnşaat Müh. Bölümü, Manisa Celal Bayar Üniversitesi, Manisa

2 İnş. Yük. Müh., İl Özel İdaresi, Uşak

Email: [email protected]

ÖZET:

Kesme kapasitesi yetersiz olan betonarme kirişlerin güçlendirilmesi için çeşitli yöntemler

uygulanmaktadır. Yapıların ani ve gevrek biçimde göçmesine sebep olan bu yetersizliğin giderilmesi için

CFRP elemanlar, çelik elemanlar ve betonarme mantolama yöntemleri sıklıkla kullanılmaktadır. Bu

çalışmanın amacı, farklı yöntemler ile betonarme kirişlerin kesme kapasitelerinin arttırılması ve

uygulanan yöntemlerin etkinliklerinin karşılaştırılmasıdır. Bu amaç kapsamında, CFRP elemanlar ve dış

çelik kelepçeler kullanılarak kirişler kesme yetersizliğine karşı güçlendirilmiştir. Çelik dış kelepçelerin

detayları yazarlar tarafından geliştirilmiştir. CFRP elemanlar, hem şeritler şeklinde hem de kesme

bölgelerinin tümüne yapıştırılarak iki farklı şekilde uygulanmıştır. Testler sonucunda, dış kelepçeler ile

güçlendirilen kirişlerin yük taşıma ve deplasman kapasiteleri referans kirişlere göre oldukça artmıştır.

CFRP elemanlar ile güçlendirilen kirişlerin yük taşıma kapasiteleri iyileştirilmiş olmasına rağmen,

deplasman kapasiteleri artmamıştır. Testler esnasında CFRP elemanlar betonarme kirişlerden sıyrılmış

ve dış kelepçeler kadar iyi bir performans sergileyememiştir.

ANAHTAR KELİMELER: Güçlendirme, Çelik Kelepçe, CFRP, Deneysel Çalışma

COMPARISON OF METHODS USED FOR SHEAR STRENGTHENING OF

REINFORCED CONCRETE BEAMS

ABSTRACT:

Various methods are carried out in order to strength reinforced concrete (RC) beams having insufficient shear

capacity. CFRP fabrics, steel elements and RC jacketing are frequently used to overcome the deficiency which

causes sudden and brittle collapse of structures. The aim of this study is to enhance shear capacity of RC beams

with CFRP fabrics and external steel clamps and compare efficiencies of the methods. In accordance with this

purpose, shear inadequacy of the beams were eliminated by using CFRP fabrics and external clamps. Details of

external steel clamps were developed by the authors. CFRP fabrics were implemented with two different wrapping

methods. As a result of the tests, load carrying and displacement capacities of beams strengthened with external

clamps considerably increased in comparison with reference beam. Although load carrying capacities of beams

strengthened with CFRP fabrics were enhanced, displacement capacities of the beams didn’t increased. CFRP

fabrics were pulled away from RC beams during the tests and couldn’t exhibit as much good performance as

external clamp.

KEYWORDS: Strengthening, Steel Clamp, Cfrp, Experimental Study



1. GİRİŞ

Betonarme yapıların, kullanım amacı değişikliği, yönetmelik değişikliği, hasar vb. sebeplerden dolayı

güçlendirilmesi gerekmektedir. Bu yapıların güçlendirilmesi için betonarme perde eklenmesi, çelik elemanlar

eklenmesi gibi yapıların yatay rijitliklerini arttıran yöntemler kullanılmaktadır. Fakat yapılan güçlendirme

neticesinde, bazı durumlarda yapısal elemanların davranışı istenilen seviyeye ulaşamamaktadır. Bu durumda kiriş,

kolon veya perde gibi yapısal elemanların mantolama, CFRP ile sargılama, çelik elemanların eklenmesi yöntemleri

ile güçlendirilmesi gerekmektedir. Gevrek davranış sergileyen kirişlerin güçlendirilmesi için kirişlerin yan ve alt

yüzlerine betonarme kanat veya çelik levhalar eklenmektedir. Bunlara ek olarak, yan yüzeylere CFRP elemanlar

yapıştırılmaktadır. Bu yöntemlerin avantajları olduğu gibi dezavantajları da bulunmaktadır. Birçok çalışmada

CFRP elemanların ve çelik levhaların betonarme yüzeyden sıyrılmasını engellemek için yöntemler geliştirilmiştir.

Ayrıca, çelik ve CFRP elemanların yerleşim şekilleri de önemli bir araştırma konusu olmuştur (Vulaş, 2010; Gao

vd. 2017; Lee vd. 2017). Yaygın olarak kullanılan bu güçlendirme yöntemlerinin yanında, dış çelik kelepçelerin

kullanımı da yapısal elemanların davranışlarını iyileştirmektedir (Altin vd. 2003).

Bu çalışma kapsamında, kesme dayanımı yetersiz olan betonarme kirişlerin CFRP elemanlar ve dış çelik

kelepçeler ile güçlendirilerek davranışlarının karşılaştırılması amaçlanmaktadır. Bu amaç kapsamında, 4 adet

betonarme kiriş üretilmiş ve ilk çatlak oluşuncaya kadar yüklenerek hasar oluşumu sağlanmıştır. Bu kirişlerden 1

tanesi referans kiriş olarak seçilmiş, 2 tanesi CFRP elemanlar ile güçlendirilmiş, 1 tanesi de detayı yazarlar

tarafından geliştirilmiş dış kelepçe sistemi ile güçlendirilmiştir. Tüm kirişler monotonik artan düşey yük altında

test edilerek, davranışları belirlenmiş ve karşılaştırmalı olarak sunulmuştur.

2. MALZEME VE YÖNTEM

2.1 Malzeme

Kirişlerin tasarımı aşamasında beton dayanımının 16 MPa olması hedeflenmiştir. Kiriş üretimi esnasında alınan

12 adet silindir numune üzerinde tek eksenli basınç deneyleri yapılarak betonun basınç dayanımı belirlenmiştir.

Silindir numunelerin basınç dayanımları TS EN 12390-3 koşullarına uygun şekilde belirlenmiştir. Testler

sonucunda, betonun ortalama silindir basınç dayanımı 15.73 MPa olarak elde edilmiştir.

Kirişlerin üretiminde 6 ve 14 mm çaplı S420 donatı çeliği kullanılmıştır. Bunların yanında güçlendirme

aşamasında kelepçeler için 10 mm çaplı bağlantı çubukları kullanılmıştır. TS708 (2010) koşullarına göre her bir

donatı çapı için 3 adet numune seti oluşturulmuş ve çekme deneyine tabi tutulmuştur. Deneyler sonucunda

donatıların akma dayanımları (fy), kopma dayanımları (fu) ve elastisite modülleri (Es) belirlenmiş ve Tablo 1’ de

sunulmuştur.

Tablo 1. Üretimde Kullanılan Donatının Karakteristik Özellikleri

Numune Adet

Akma

Dayanımı (fyk)

MPa

Kopma

dayanımı (fyu)

MPa

Elastisite

Modülü (Es)

MPa

Ø6 3 470 575 210000

Ø14 3 440 530 207000

Kelepçe Ø10 3 455 550 211000

Özel epoksi reçine CFRP elemanların betonarme kirişlere yapıştırılması için kullanılmıştır. Epoksi reçinenin

çekme dayanımı 30 MPa ve elastisite modülü 3800 MPa’ dır. Birim hacim ağırlığı ise 1310 kg/m3’ dür. Epoksi

reçine yaklaşık 1 mm kalınlığında kiriş yüzeyine sürülmüştür.

Güçlendirme elemanı olarak kullanılan ve karbon liflerden oluşan tek doğrultulu CFRP elemanlar, uygulamada

kirişlerin kesme dayanımlarını arttırmak için sıklıkla kullanılmaktadır. Bu çalışma da kullanılan CFRP elemanların



birim hacim ağırlığı 1780 kg/m³, çekme dayanımları 4200 MPa’ dır. Kopma uzaması 1.8%’ dir. Elastisite modülü

238000 MPa ve poisson oranı 0.2’ dir.

2.2. Yöntem

Elemanların davranışlarının belirlenebilmesi için toplam 4 adet kesme kapasitesi yetersiz kiriş üretilmiştir. Eksik

etriyeli olarak üretilen bu kirişlerden 3 tanesi ilk çatlak oluşuncaya kadar yüklenmiş, çatlaklar oluştuktan sonra ise

güçlendirilmiş (GK) ve tekrar yüklemeye tabi tutulmuştur. Geriye kalan bir kiriş ise referans kiriş (REF) olarak

kullanılmıştır. Tablo 2’de kiriş numuneleri ve özellikleri verilmiştir. REF, referans kirişi temsil ederken, GK1 dış

kelepçeler ile güçlendirilmiş kirişi temsil etmektedir. GK2, kesme bölgesi tamamı ile CFRP elemanlar ile sarılan

kirişi temsil ederken, GK3 kesme bölgesi CFRP şeritler ile sarılmış kirişi temsil etmektedir.

Tablo 2. Kiriş numuneleri ve özellikleri

Numune Etriye Dış Kelepçe CFRP

REF Ø6/425 - -

GK1 Ø6/425 Ø10/100/3 -

GK2 Ø6/425 - +

GK3 Ø6/425 - +

-:Yok, +:Var

Çalışma kapsamında kullanılan tüm kirişlerin boyu 2000 mm, yüksekliği 300 mm, genişliği 150 mm’ dir. Tüm

kirişlerin çekme bölgesine 3Ø14, basınç bölgesine 2Ø6 donatı yerleştirilmiştir. Eksik etriyeli üretilen bu kirişlerin

etriye donatısı Ø6/425’ dir. Kirişin iki mesnet arası uzaklığı 1700 mm’ dir. Kirişlere ait kesit ve donatı özellikleri

aşağıdaki şekillerde verilmiştir.

Şekil 1. REF kirişi detayları

GK1 kirişi aşağıda detayı verilen dış çelik kelepçeler ile güçlendirilmiştir. Çelik kelepçelerin alt ve üstünde

kullanılan plakaların kalınlığı 3 mm, kelepçelerin aralığı ise 100 mm’ dir. Kelepçe detayı yazarlar tarafından

geliştirilmiştir.



Nut

Hole

Steel Rod 10)

Steel Plate

(225x40x3)

Şekil 2. GK1 kirişi ve dış çelik kelepçe detayı

GK2 kirişi, CFRP elemanların epoksi reçine yardımı ile kesme bölgesine U şeklinde sarılması ile üretilmiştir.

Sarılan her bir CFRP’ nin boyutları 750x600 mm’ dir.

Şekil 3. GK2 kirişi detayı

GK3 kirişi, CFRP şeritlerin 100 mm aralıklar ile kesme bölgesine yapıştırılması sonucu üretilmiştir. Her bir şeritin

uzunluğu 750 mm, genişliği ise 60 mm’ dir.

Şekil 4. GK3 kirişi detayı

2.3. Kiriş Deney Elemanlarına Güçlendirme Öncesi Hasar Verilmesi

Güçlendirilen GK1, GK2 ve GK3 kirişleri, kesme bölgelerinde ilk kılcal çatlak gözle görülene kadar yüklenmiştir.

Deney kirişlerinin tamamında kılcal kesme çatlaklarının oluştuğu ve bu çatlakların kiriş kesme bölgesi ile mesnet

bölgesi arasında 45º’lik bir açı yaparak uzandığı gözlenmiştir.

GK1 kirişi, 51.22 kN yük ve 5.72 mm deplasman değerine ulaştığında ilk kılcal kesme çatlağı gözlenmiş ve

yükleme durdurulmuştur. GK2 kirişi, 53.77 kN yük ve 6.03 mm deplasman değerine ulaştığında ilk kılcal kesme

çatlağı gözlenmiş ve yükleme durdurulmuştur. GK3 kirişi, 49.63 kN yük ve 5.61 mm deplasman değerine

ulaştığında ilk kılcal kesme çatlağı gözlenmiş ve yükleme durdurulmuştur. Referans kiriş ise kırılıncaya kadar

yüklenmiştir.



3. BULGULAR

Referans ve güçlendirilen kirişlerin yük-deplasman eğrileri Şekil 5’ de sunulmuştur. Güçlendirilen tüm kirişlerin,

yük taşıma kapasitelerinde önemli artışlar sağlanmıştır. GK1 kirişinin yük taşıma kapasitesi, REF’ e göre % 113,

GK2 kirişinin % 65, GK3 kirişinin ise %16 artmıştır. GK1 ve GK2 deney elemanlarında hedeflenen taşıma gücü

değerlerine ulaşılmasına rağmen GK3 elemanında daha küçük bir taşıma gücü artışı sağlanmıştır. Deneyler

sonucunda dış kelepçelerin, CFRP’ ye oranla hasarlı kirişlerin yük taşıma kapasiteleri üzerinde daha önemli bir

etkiye sahip olduğu gözlenmiştir.

Şekil 5. Deney kirişlerinin yük-deplasman eğrileri

Akma anındaki rijitlik, kirişlerin yük deplasman grafiklerindeki akma anındaki yük değerinin deplasman değerine

oranı olarak hesaplanmıştır. Kirişlerin akma yükü, akma deplasmanı, göçme deplasmanı ile akma anındaki rijitlik

değerleri Tablo 3’ de verilmiştir.

Tablo 3. Kirişlerin yük, deplasman ve rijitlik değerleri

Numune Akma Yükü

(kN)

Akma Deplasmanı

δy (mm)

Göçme Deplasmanı

δU (mm)

Stiffness

kN/mm

REF 80.88 4.57 6.61 17.70

GK1 172.55 10.28 21.80 16.79

GK2 133.08 7.95 10.46 16.74

GK3 93.96 4.87 9.49 19.29

Kirişlerin süneklik değerleri Tablo 4’ de sunulmuştur. GK1, REF’ e göre % 46 daha fazla süneklik göstermiştir.

GK3 kirişi ise REF’ ten % 34 daha fazla bir süneklik oranına sahiptir. GK2 kirişi ise REF’ ten % 9 daha kötü

süneklik göstermiştir.



Tablo 4. Kirişlerin süneklik değerleri

Numune Akma Deplasmanı

δy (mm)

Göçme deplasmanı

δU (mm)

Süneklik

(δU /δy )

REF 4.57 6.61 1.45

GK1 10.28 21.80 2.12

GK2 7.95 10.46 1.32

GK3 4.87 9.49 1.95

Kirişlerin enerji tüketme kapasiteleri, yük-deplasman eğrilerinin altında kalan alanların hesaplanmasıyla

belirlenmiş ve Tablo 5’ te gösterilmiştir. GK1’ in enerji tüketme kapasitesi REF’ e göre % 608 oranında artmıştır.

GK2 ve GK3 kirişleri ise REF’ e göre sırasıyla % 117 ve % 31 daha fazla enerji tüketme kapasitesine sahiptir.

Tablo 5. Kirişlerin enerji tüketme kapasiteleri

Numune Enerji Tüketme

Kapasitesi (joule)

REF 480

GK1 3400

GK2 1040

GK3 630

3.1. Hasar Şekilleri

Testler sonucunda, REF kirişi tasarlandığı gibi kesme kuvveti etkisi altında gevrek bir şekilde göçmüştür. REF

kirişinde meydana gelen çatlaklar Şekil 6’ da gösterilmiştir. Dış çelik kelepçeler ile güçlendirilen GK1 kirişinde

REF kirişi ile kıyaslandığında önemli yük ve deplasman artışları sağlanmıştır. Kiriş kesme çatlakları ile göçmüş

olmasına rağmen 45o ‘lik çatlaklar daha yavaş ilerlemiş ve ani bir göçme yaşanmamıştır. GK1 kirişinde meydana

gelen çatlaklar Şekil 7’ de gösterilmiştir. Testler sonucunda, GK2 kirişini saran CFRP elemanında, kiriş eksenine

dik bir vaziyette oluşan yırtılmalar gözlenmiştir. GK2 kirişinde uygulanan güçlendirme yöntemi ile dayanımda

önemli artışlar sağlanmasına rağmen, iyi bir süneklik elde edilememiş ve ani göçme yaşanmıştır. GK2 kirişinde

meydana gelen çatlaklar Şekil 8’ de gösterilmiştir. Testler esnasında, GK3 kirişini saran CFRP şeritler kiriş

gövdesinden koparak sıyrılmış ve kiriş de önemli bir kapasite artışı sağlanamamıştır. GK3 kirişinde meydana gelen

çatlaklar ve hasar durumu Şekil 9’ da gösterilmiştir.

http://tureng.com/tr/turkce-ingilizce/ductility



Şekil 6. REF kirişinde meydana gelen çatlaklar

Şekil 7. GK1 kirişinde meydana gelen çatlaklar

Şekil 8. GK2 kirişinde meydana gelen hasarlar ve CFRP elemanın sıyrılması



Şekil 9. GK3 kirişinde meydana gelen hasarlar ve CFRP şeritlerin sıyrılması

4. SONUÇLAR

Çalışma kapsamında hasarlı betonarme kirişlerin farklı teknikler ile güçlendirilmesi amaçlanmıştır. Kesme

kapasitesi yetersiz olarak tasarlanan kirişlerin ilk çatlakları yaklaşık olarak 50 kN yük seviyesinde oluşmuştur.

Hasarlandırılan kirişler onarılmadan güçlendirilmiştir. Güçlendirilen tüm kirişler referans kirişin üstünde bir yük

taşıma kapasitesine ulaşmışlardır. Kesme dayanımı yetersiz hasarlı kirişlerin güçlendirilmesinde dış kelepçelerin

diğer yöntemlere göre daha başarılı olduğu gözlenmiştir. Kelepçeler ile güçlendirilen kirişlerin yük taşıma ve

deplasman kapasiteleri, diğer kirişlere oranla önemli ölçüde artmıştır. Diğer taraftan CFRP ile güçlendirmede ise

yük artışı sağlanmış olmasına rağmen, istenilen oranda deplasman artışları sağlanamamıştır. Deneyler sonucunda

CFRP ile güçlendirilen kirişlerin kelepçe ile güçlendirilen kirişlere nazaran daha ani göçtüğü gözlenmiştir. CFRP

elemanlarında sıyrılma problemi gözlenirken, dış kelepçelerde bu sorun yaşanmamıştır. Deney elemanlarının

tümünde akma düzeyinde görülen rijitlikler birbirine oldukça yakındır. GK3, GK2’ ye göre daha sünek

davranmıştır. Güçlendirilen deney elemanlarının tamamının enerji tüketme kapasiteleri referans kirişe göre

artmıştır. En büyük artış ise dış kelepçe ile güçlendirilen kirişte elde edilmiştir. GK1 kirişinin güçlendirme maliyeti

diğer kirişlere göre daha düşüktür. GK2 ve GK3 kirişlerinin güçlendirme maliyetleri, GK1’ e göre sırasıyla %4 ve

%7.7 daha fazladır. Bu çalışma sonucunda, dış kelepçe yöntemi kullanılarak yapılarda bulunan hasarlı kirişlerin

daha düşük maliyetler ile başarılı bir şekilde güçlendirilebileceği anlaşılmıştır.

KAYNAKLAR

TS EN 12390-3: Beton - Sertleşmiş Beton Deneyleri - Bölüm 3 :Deney Numunelerinde Basınç Dayanımının

Tayini, Ankara, 2003.

TS 708: Çelik – Betonarme İçin Donatı Çeliği, Türk Standartları Enstitüsü, Ankara 2010.

Altin S., Tankut T., Anil Ö. ve Demirel Y. (2003). Response of reinforced concrete beams with clamps applied

externally: an experimental study. Engineering Structures 25, 1217-1229.

Vulaş, Z., (2010). Betonarme kirişlerin kesme dayanımlarının lifli polimerlerle arttırılması, Yüksek Lisans Tezi,

İnşaat Müh. Bölümü, Kocaeli Üniversitesi, Kocaeli, 2010.

Gao, R., Cao, Q., Hu, F., Gao, Z., Li, F. (2017). Experimental study on flexural performance of reinforced concrete

beams subjected to different plate strengthening. Composite Structures 176, 565–581.



Lee, D.H., Han, S.J., Kim, K.S., LaFave, J.M. (2017). Shear strength of reinforced concrete beams strengthened

in shear using externally-bonded FRP composites. Composite Structures 173, 177–187.

Documents

BETONARME KİRİŞLERİN KESME GÜÇLENDİRMESİ İÇİN …