Lifli polimer donatı oranının hibrit FRP-çelik donatılı beton kirişlerin eğilme davranışı üzerindeki etkileri

Abstract

Çelik donatılarda meydana gelen korozyon, yapı ömrünü kısaltmakta ve yapısal elemanların taşıma güçlerini azaltmaktadır. Yüksek korozyon ve çekme dayanımına sahip olan lifli polimer (FRP) donatılar, çelik donatılara alternatif olarak görülmekte ve bu donatıların kullanımı gün geçtikçe yaygınlaşmaktadır. Ancak FRP donatıların, düşük elastisite modülüne ve gevrek malzeme davranışına sahip olmaları gibi farklı dezavantajları da bulunmaktadır. Bu olumsuz malzeme özellikleri sebebiyle, salt FRP donatılı betonarme elemanlarda büyük deformasyonlar ve geniş çatlaklar gözlemlenmekte ve süneklik problemleri ortaya çıkmaktadır. Salt FRP donatılı kirişlerde meydana gelen süneklik ve servis sınır durumu problemleri ile salt çelik donatılı kirişlerde gözlemlenen korozyon problemlerinin çözümünde, çekme bölgesinde her iki donatı çeşidinin de yer aldığı hibrit FRP-çelik donatılı kiriş tasarımın etkili bir alternatif olabileceği düşünülmektedir. Bu çalışma, her iki donatının dezavantajlarını minimize eden ve bu iki donatının üstün özelliklerini eleman davranışına yansıtan hibrit FRP-çelik donatılı kirişlerin davranışlarının anlaşılabilmesi amacıyla gerçekleştirilmiştir. Bu kapsamda, iki farklı tipte FRP donatısının kullanılmasıyla oluşturulan 3 farklı deney grubunda yer alan toplam 25 adet basit mesnetli kiriş, dört noktalı eğilme altında test edilmiştir. Hibrit donatılı kirişlerin davranış farklılıklarının en iyi biçimde ortaya konulabilmesi için her deney grubunda birer adet salt çelik ve salt FRP donatılı kirişe de yer verilmiştir. Çalışmada çelik/FRP donatı oranı değişken tutularak bu oranın eğilme davranışı üzerindeki etkileri araştırılmıştır. Hibrit donatılı kirişlerin eğilme taşıma gücü kapasiteleri, geliştirilen yeni bir model aracılığı ile deneysel verilere oldukça yakın bir biçimde tahmin edilmiştir. Hibrit donatılı ve salt FRP donatılı kirişlerin yük deformasyon eğrisi tahminleri için birer yeni metot önerilmiştir. Ayrıca literatürde yer alan farklı süneklik tanımları kullanılarak hibrit donatılı kirişlerin süneklikleri değerlendirilmiş ve enerjiyi temel alan süneklik tanımının hibrit FRP-çelik donatılı kirişler için en uygun tanım olduğu sonucuna ulaşılmıştır. Salt FRP, salt çelik ve hibrit-FRP çelik donatılı kirişlerin ilk çatlama yüklerinin tahmininde, deneysel eğilmede çekme dayanımının yanı sıra iki farklı beton yönetmeliğine göre hesaplanan eğilmede çekme dayanımı değerleri kullanılmıştır. Bu hesaplarda atalet momenti ifadesi olarak da, brüt kesit ve çatlamamış kesit atalet momenti ifadelerinden faydalanılmıştır. Yapılan detaylı analitik çalışmalar, salt FRP, salt çelik ve hibrit FRP-çelik donatılı kirişlerin ilk çatlama yüklerinin hangi çekme dayanımı ve atalet momenti kombinasyonu yardımıyla daha yakın olarak hesaplanabileceğini göstermiştir. Ayrıca, bu kirişlerde yük-sehim eğrilerinin yakın olarak tahmin edilebileceği deneysel yöntemler ve etkili eylemsizlik momenti ifadelerine ulaşılmıştır. Son olarak, hibrit FRP-çelik donatılı kirişlerin taşıma gücü dayanım azaltma katsayılarının hesaplanması için bir yöntem önerilmiştir. Bu yöntem, dayanım azaltma katsayısını kirişin kırılma moduna, en dış çekme donatısı nihai birim deformasyonuna ve toplam donatı içerisindeki çelik donatı oranına bağlı olarak ifade etmektedir.

The service life of a structure is shortened and the load-bearing capacities of structural members are reduced by the corrosion of steel reinforcement. The Fiber-Reinforced Polymer (FRP) bars, which have high corrosion resistance and tensile strength, are considered as alternative reinforcement for concrete to the converntional steel bars and the use of FRP reinforcement increases day by day. However, FRP reinforcement has various disadvantages, including but not limited to their low modulus of elasticity and brittle material behavior. Concrete members with FRP reinforcement undergo significant service-load deformations and wide cracks, accompanied by ductility problems, due to these unfavorable material properties. The hybrid FRP-steel reinforced concrete beam design, which is based on the simultaneous use of FRP and steel bars in the tension zone, is considered as an effective possible solution for the ductility and serviceability problems in FRP-reinforced concrete beams and the corrosion problems in steel-reinforced concrete beams. This study was carried out to understand the behavior of hybrid FRP-steel reinforced concrete beams, which minimize the disadvantages of the two types of reinforcement and incorporate the superior properties of the two into the member behavior. In this context, a total of 25 simply-supported beams in 3 different beam groups, having two different types of FRP reinforcement, were tested under four-point bending. In order to evaluate the behavior of hybrid reinforced beams in the most precise manner, a solely steel-reinforced and a solely FRP-reinforced reference beams were also included in each test beam group. The influence of steel-to-FRP reinforcement ratio on flexural behavior of hybrid steel-FRP reinforced concrete beams was investigated in the present study for varying reinforcement ratio. The experimental bending capacities of hybrid reinforced beams were closely estimated through a new analytical model. Furthermore, a new analytical method was proposed for the estimation of the load-deflection behavior of hybrid steel-FRP reinforced and solely FRP-reinforced concrete beams. Finally, using different ductility definitions in the literature, the ductilities of hybrid steel-FRP reinforced concrete beams were evaluated and the most appropriate definition, which is based on energy absorption, was established accordingly. In the prediction of initial cracking loads of pure FRP, pure steel and hybrid-FRP steel reinforced concrete beams, experimental modulus of rupture values were used as well as analytical tensile strength values from the formulations in two well-known international concrete codes. In these calculations, gross cross-section and uncracked transformed moment of inertia expressions were utilized. Detailed analytical studies illustrated the required tensile strength and uncracked moment of inertia combinations for closely estimating the first cracking load values of the solely FRP-, solely steel- and hybrid FRP-steel reinforced concrete beams. In addition, experimental methods and effective moment of inertia expressions for close estimation of load-deflection curves of hybrid FRP-steel reinforced concrete beams were proposed. Finally, a method for calculating the strength reduction coefficients of hybrid FRP-steel reinforced concrete beams was proposed. This method expresses the strength reduction coefficient according to the failure mode of the beam, the ultimate strain of the outermost tension reinforcement layer and the ratio of steel reinforcement area to the total reinforcement area.