Elyaf Takviyeli Polimer Kompozitlerin Betonarmede Kiriş Olarak Kullanılması

  • Makale
  • Ziyaret: 106
  • Son Güncelleme: 25-05-2017
  •  
    Share on Tumblr       

Serhat Oran - Doktora Öğrencisi / Polimer Mühendisliği Bölümü Mühendislik Fakültesi / Yalova Üniversitesi
Seda Bekin Acar - Araştırma Görevlisi / Polimer Mühendisliği Bölümü Mühendislik Fakültesi / Yalova Üniversitesi 
Gürkan Karayaka - Polimer Mühendisi / Polimer Mühendisliği Bölümü Mühendislik Fakültesi / Yalova Üniversitesi 
İsmail Uysal - Polimer Mühendisi / Polimer Mühendisliği Bölümü Mühendislik Fakültesi / Yalova Üniversitesi
Mehmet Atilla Taşdelen - Doçent Dr. / Polimer Mühendisliği Bölümü Mühendislik Fakültesi / Yalova Üniversitesi


Donatı çeliğinin korozyonu, inşaat sektörünün en önemli problemlerinden biridir. Betonun, deniz suyu veya tekrarlayan donma-çözülme olayı gibi çevresel faktörler etkisinde olduğu durumlarda donatı çeliğinde korozyon oluşabilmektedir. Bunun sonucunda, betonda hasar oluşması nedeniyle betonarme yapılarda zaman alıcı ve pahalı rehabilitasyon işlemleri uygulanması gerekebilmektedir. Bu gibi çevresel koşullar etkisindeki yapılar; otoparklar, liman yapıları, köprü tabliyeleri ve köprü ayakları gibi yapılardır. ETPK donatılarının avantajları; hafiflik, yüksek dayanım, istenen şeklin verilebilmesi, korozyona dayanıklılık, yorulma mukavemetinin yüksek olması, düşük ısı iletkenlik özelliği ve manyetik geçirgenliği olmaması, dezavantajları ise dayanımın lif doğrultusuna bağlı olarak değişmesi, aderans/kenetlenmede düz yüzeyden dolayı problem oluşması ve pahalı olması şeklinde sıralanabilmektedir. Lif takviyeli polimer donatıların (ETPK), yüksek korozyon dayanımına, yüksek çekme dayanımına ve hafif bir malzeme olma özelliklerine sahip olması nedeniyle, geleneksel çelik donatının yerine kullanılabileceği düşünülmektedir. Geleneksel çelik donatıdan daha pahalı olmasına rağmen, bakım maliyetlerindeki potansiyel tasarruf ETPK donatılarını uygulanabilir bir alternatif olarak ortaya koymaktadır. ETPK donatılarının başka bir özelliği de yapı elemanlarından kolaylıkla uzaktan algılamayla ölçüm yapılmasına imkan vermesidir. ETPK donatısının içine yerleştirilebilen alıcılarla akıllı yapılar oluşturulması mümkün olabilmektedir. Bu tip donatılar, dünyada yüzey deformasyonlu donatı çubukları, öngerme tendonları ve çift yönlü hasır donatı
sistemleri olarak kullanılmaktadır. ETPK kompozitlerini betonarme yapı elemanlarında donatı olarak etkin şekilde kullanabilmek ve ETPK malzemesiyle içten ve dıştan donatılmış/takviye edilmiş yapıların dizayn yöntemini standardize etmek için geniş ölçüde araştırmalar yapılmaktadır. Bununla birlikte, ETPK donatılı yapılar için uygun dizayn denklemlerini ve uygulama metotlarını geliştirmek için çalışmalar devam etmektedir. 1950’li yıllardan itibaren yaygınlık kazanmaya başlayan kompozit malzemeler, çoğu zaman organik bir reçine olan bir matristen ve bu matrise gömülü elyaf (lif) güçlendirme öğesinden oluşmaktadır. Kompozit malzemelerde cam lifi, karbon elyafı ve aramid lifleri (kevlar vb.) kullanımı yaygındır. Bunların yanında seramik elyafı (silisyum karbür), polietilen, silis ve bor elyafı da yaygın olmamakla beraber kullanılabilmektedir. Kompozit malzemeler, matrislerinin organik reçinelerden (plastikler) yapılması halinde Reinforced Polymer Composite "RPC” (polimer kompozit takviyeli plastik) olarak adlandırılmaktadır. Polimer kompozitlerin, taşıyıcı sistemlerde kullanımları şimdilik sınırlıdır. ETPK kompozit ürünlerinin mühendislik
sistemlerindeki kullanım amacı, geleneksel inşaat malzemelerine göre uzun yıllar ileri performans elde edilmesini hedeflemek, yani yapının kullanım ömrünü artırmaktır. Günümüzde, çevresel koşullar nedeniyle beton karbonatlaşma gibi kimyasal reaksiyonlarla zarar görebilmekte ve betonarme yapılarda kullanılan çelik donatı korozyona uğramaktadır. Bunun sonucu olarak, donatının bulunduğu bölgenin hacmindeki artıştan dolayı donatının çevresindeki beton hasar görmekte ve beton kabuğun dökülmesine neden olmaktadır. Amerika’da bulunan 581.000 adet köprünün yaklaşık 1/3’ünün korozyon nedeniyle yapısal zayıflığa uğradığı ve fonksiyonel olarak işlevini yerine getiremediği düşünülmektedir. Bu köprülerin büyük çoğunluğu betonarme veya öngerilmeli betondan imal edilmiş olup, onarım ve güçlendirmeyeihtiyaç göstermektedir. İnşa edilecek yeni binalarda korozyon hasarını engellemek için mümkün olan alternatif bir çözüm yöntemi çelik donatı çubuklarının yerine antikorozif malzemelerin kullanılmasıdır. Elyaf takmore  viyeli polimer kompozitler (ETPK) böyle uygulamalar için ideal malzeme olarak kullanılabilmektedir. Bu kompozit malzemeler aynı zamanda, betonarme binaların ve köprülerin dıştan yapıştırılan laminatlar veya şeritler şeklinde
kullanılarak onarılması ve güçlendirilmesi için de uygulaması kolay ve etkili bir malzeme olarak kabul görmektedir. Bunun yanında ETPK tendonları aynı zamanda eski öngerilmeli beton kirişlerin güçlendirilmesi için de kullanılabilmektedir. Bu çalışmada, genellikle ETPK olarak isimlendirilen kompozit malzemelerin fiziksel ve mekanik özellikleri, inşaat sektöründe kullanımı, malzeme karakteristikleri ve temel dizayn koşulları hakkında bilgi verilmekte, uygulama örnekleri sunulmaktadır. Ayrıca, ETPK donatılı betonarme yapıların davranışları, tasarım esasları ve uygulama alanları hakkında bilgi verilmekte, farklı donatı tiplerine sahip (kompozit ve çelik) toplam 4 adet betonarme kiriş elemanına ait moment-eğrilik davranışı ve moment taşıma kapasitesinin teorik olarak hesaplanmasından elde edilen sonuçlar karşılaştırılmaktadır.

1. Kompozitlerin Yapı Elemanlarında Kullanımı
Günümüzde, özellikle dış ortamlara açık olan yapılarda kullanılabilen farklı tiplerde ETPK donatıları mevcuttur; yüzey deformasyonlu donatı çubukları, öngerme tendonları, çift yönlü hasır donatılar ile güçlendirme amacıyla kullanılan laminatlar, tel veya şerit şeklindeki geleneksel betonarme donatısına ilave olarak kullanılan donatılar gibi (Şekil 1 ve 2). Dıştan şerit veya laminat şeklinde
yapıştırılarak uygulanabilen ETPK donatıları, beton yapıların ve köprülerin onarım ve güçlendirilmesinde kullanılmaktadır. Ayrıca, çelik yapılara alternatif olarak çelik profiller yerine ETPK profilleri kullanılarak hafif, yüksek dayanımlı, korozyona dayanıklı taşıyıcı sistemler oluşturulabilmektedir. Günümüzde betonarme ve öngerilmeli beton uygulamaları için kullanılan ve üretimi gerçekleştirilen ETPK donatıları, tek doğrultulu, düz veya nervürlü çubuklar ve burulmuş tendonlar şeklindedir. Bazı ETPK çubukları ise, aderans için gerekli olan yüzey deformasyonlarının elde edilebilmesi için helezonik tel sarma yöntemi gibi ikinci bir işleme maruz bırakılmakta veya kendisini çevreleyen betonla arasında daha iyi bir aderans olması için kumla kaplanmaktadır. Şekil
1’de farklı yüzey özelliklerine sahip ETPK donatı çubukları görülmektedir.




Şekil 1. Köprü tabliye betonlarında kullanılan ETPK donatı tipleri 



Şekil 3. ETPK donatı örnekleri

ETPK donatısının önemli avantajlarından biri, özel performans ve dizayn amacına yönelik olarak şekillendirilebilmesidir. Örneğin, ETPK donatısı çubuk, plak ve halat şeklinde oluşturulabilmektedir. Çelik donatıdan farklı olarak, standardize edilmiş kesin bir şekilleri, yüzey konfigürasyonları, lif doğrultusu, birleşim malzemeleri ve oranları yoktur. Benzer olarak, üretim metodlarının standardizasyonu da bulunmamaktadır (pultruzyon, örme, filament sarma gibi).
2. ETPK’in İç Yapısı
ETPK malzemelerin çekme dayanımı, geleneksel çelikten daha yüksektir. Ağırlığının az olması ise, taşıma, işçilik ve ekipman maliyetlerinin azalmasını sağlamakta ve inşaat sahasında çubukların yerleştirilmesini kolaylaştırmaktadır. Bundan başka, elektromanyetik izolasyonun kritik olduğu uygulamalarda (nükleer güç santralleri, hastaneler gibi), bu donatının non-manyetik özellikleri bir avantaj olarak ortaya çıkmaktadır. ETPK çubuklarının mekanik özellikleri çelik çubuklardan oldukça farklıdır ve esasen matris ve lif tipine bağlıdır. Genellikle ETPK çubukları, çeliğe göre daha düşük ağırlığa, daha düşük elastisite modülüne ve daha yüksek dayanıma sahiptir. Çizelge 1’de betonarme yapılarda kullanılan ETPK donatılarının çelik donatıya göre avantaj ve dezavantajları görülmektedir. Çekme etkisindeki özellikleri ETPK’yi çelik donatıya karşı kullanılabilecek bir alternatif yapmaktadır. ETPK çubukları çekme kuvveti etkisinde kopmadan önce herhangi bir plastik davranış (akma) sergilememektedir. Bundan dolayı, ETPK donatısı momentin yeniden dağılımının gerekli olduğu çerçevelerde veya bu tip bölgelerde önerilmemektedir. Çizelge 2’de
ACI 440.1R’de verilen en yaygın donatı çubuklarının çekme özellikleri görülmektedir.



ETPK donatı çubukları, uzun süreli yük etkisi altında dayanımda önemli azalmaya neden olan statik yorulmaya (sünme kırılması) hassastır. Genellikle, sünme kırılmasına karşı, karbon elyaf en az, aramid elyaf orta şiddetli ve cam elyaf en hassas elyaf tipleridir. Bu özellik, ısı ve nem gibi çevresel faktörlerden yüksek oranda etkilenmektedir. ETPK çubuğu ve etrafındaki beton arasındaki kenetlenme, değeri çubuk geometrisine, yüzeyinin kimyasal ve fiziksel karakteristiklerine ve beton basınç dayanımına bağlı olan gerilme dağılımıyla sağlanmaktadır. Son parametre, ETPK çubukları için çelik çubuklardan daha az önemlidir. Çelik yerine, ETPK donatı kullanılan betonarme elemanlarda; geleneksel betonarmeye göre daha büyük çatlak genişlikleri, önemli miktarda fazla sehim ve daha büyük eğilme dayanımı elde edileceği düşünülmektedir. Özellikle ETPK donatılı yapı elemanlarında beklenen gevrek kırılmadan dolayı, genellikle kullanılabilirlik sınır durumu belirleyici parametre olmaktadır. ETPK donatılarının yukarıda bahsedilen avantajlarına karşılık, araştırmacılar halen bu malzemenin aşağıdaki istenmeyen karakteristik özellikleri nedeniyle zorluklarla
karşılaşmaktadırlar:
• ETPK kompozitleri, lif yönünde yüklendiği zaman, lineer elastik malzeme özelliği göstermekte, kırılma gevrek olmaktadır. Halbuki, çelik donatı akma konumuna ulaşmakta ve sünek bir şekilde kırılmaktadır. Betonarme teorisi, yapısal elemanların dizaynında ani ve şiddetli kırılmayı önlediği için akmanın büyük bir emniyet faktörü sağlayacağını kabul
etmektedir.
• En yaygın kullanılan cam lif takviyeli kompozitlerin (CETPK) elastisite modülü çeliğinkinden daha düşüktür. Bu durum servis yükleri altında, çelik yerine aynı kesit alanına sahip ETPK donatısı kullanılması durumunda, büyük sehimler ve çatlak genişliklerinin
ortaya çıkmasına neden olacaktır.
• ETPK kompozitleri anizotropik bir yapıya sahiptir. Bu durum, bu malzemelerin karakterizasyonunu ve
standardizasyonu için yapılan çalışmaları daha karmaşık hale getirmektedir.
• Lif takviyeli polimerlerin, betonun içinde donatı olarak kullanılabilirliğindeki en kritik sorunlardan biri de aderans (kenetlenme) kapasitesidir. Nervürlü çelik donatının, kendisini çevreleyen betonla mükemmel bir aderansa sahip olmasına karşılık düz bir
ETPK donatısı böyle bir aderans (kenetlenme) kapasitesine sahip değildir. CETPK donatı çubuklarının aderans kapasitesinin, çelik donatı çubuklarınınkinden %60-90 daha düşük olduğu belirlenmiştir.

Çelik donatı kullanılması durumunda, yapışma aşağıdaki mekanizmalar üzerinden gerçekleşmektedir;
• Çelik beton ara yüzeyindeki kimyasal yapışma.
• Sıcakta çekilmiş donatı çubuklarının doğal pürüzlülüğü.
• İki malzeme arasında yüksek derecede kenetlenmeyi sağlayan, tel şeklinde yüzey deformasyonları.
ETPK donatı çubukları ve beton arasında bir kimyasal kenetlenme oluşmamakta ya da oluşturulan yüzey deformasyonlarıyla düşük seviyede gerçekleşmektedir. Aderans dayanımı, ETPK çubuklarının imalat yöntemine, mekanik özelliklerine ve yüzey karakteristiklerine bağlıdır. ETPK çubuklarının betonla kenetlenme mekanizması, geleneksel betonarmeden oldukça farklıdır.
Donatı çubuklarının, kenetlenme kapasitesini artırmak için genellikle kullanılan bir başka teknik "kumla kaplama”dır. Bu durumda, kum kaplama yüzeyi çelikçubuklardaki nervürler gibi davranış göstermektedir.
Çubuk yüzeyinin kumla kaplı olması, aderans dayanım ve rijitliğini artırmakta, fakat daha gevrek aderans davranışı elde edilmesine neden olmaktadır. Yüzeyi kumla kaplı ETPK çubuklar, çelik çubuklardan daha yüksek, düz yüzeyli ETPK çubukları ise daha zayıf bir
aderans dayanımına sahiptir. Spiral şeklinde lifle sarılmış çubukların aderans dayanımı, düz yüzeyli çubuklardan bir miktar daha yüksek bulunmuştur. ETPK donatı çubuklarının aderans (kenetlenme) özellikleri, çevresel koşullardan etkilenmektedir. Diğer bir yandan reçine matrisindeki malzeme azalımı, kenetlenme kapasitesinin azalmasına veya tamamen kaybolmasına neden olabilmektedir. Polimer matrisin özellikleri yangın güvenliğini belirleyen en önemli etkendir. Polimer matrisin artan sıcaklık nedeniyle mekanik özelliklerinde meydana gelen azalma, ETPK malzemesinin mekanik ve aderans özelliklerinin azalması şeklinde sonuçlanmaktadır.