An experimental study on the behavior of square short concrete columns confined with hybrid frpunder monotonic axial compression stress
Monotonik eksenel basınç yüklemesi altında hibrit liflipolimer malzeme ile sargılanmış kare beton kolonların davranışı üzerine deneysel bir çalışma
- Tez No: 854355
- Danışmanlar: DOÇ. DR. MEDİNE İSPİR ARSLAN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: İnşaat Mühendisliği, Civil Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2024
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Yapı Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 179
Özet
Deprem etkileri altında betonarme binaların performansını iyile¸stirmek/artırmak için kolon elemanların güçlendirilmesi yoluna gidilebilmektedir. Bu tür yapısal güçlendirmenin temel amacı, betonarme yapıların dayanımını ve sünekligini artırarak ˘ deprem gibi etkiler altında hasar/toptan göçme riskini azaltarak can kaybını önlemektir. Betonarme kolon elemanların güçlendirilmesi için kullanılacak hızlı ve etkin yöntemlerden biri, kolon elemanı Lifli Polimer (LP) kompozitlerle sargılamaktır. LP'nin kolonun çevresine, lifler enine donatılara paralel olacak ¸sekilde, sarılması ve yapı¸stırılması ile sargılama i¸slemi tamamlanır. Bu yöntemin uygulanması ile betonarme kolonların basınç dayanımının ve süneklik kapasitesinin artması dolayısıyla deprem etkileri altındaki performasının iyile¸stirilmesi/artırılması hedeflenmektedir. Performanstaki artı¸s, temel olarak, kullanılan LP'yi olu¸sturan liflerin özelliklerine (elastisite modülü, çekme dayanımı, kopma birim uzaması ve etkili kalınlık), kolonun en kesit geometrisine (dairesel, kare, dikdörtgen vb.), LP'nin uygulama kalitesine ve hacimsel oranına baglı olarak de ˘ gi¸smektedir. ˘ Son yıllarda karbon, cam, aramid ve basalt gibi geleneksel liflere ek olarak Polietilen Tereftalat (PET) ve polyethylene naphthalate (PEN) gibi yeni lifleri içeren LP kompozit malzemeler üretilmi¸stir. Bu yeni liflerin belirgin mekanik özelligi, ˘ geleneksel liflere göre daha çekme etkileri altında daha yüksek kopma uzamasına sahip olmalarıdır. Ayrıca, bu liflerin elastisite modülü ve çekme dayanımı daha dü¸sük olup lif kalınlıgı geleneksel liflere göre daha fazladır. ˘ Sunulan tez çalı¸sması, günümüzde tek tip lif kullanılarak yapılan LP uygulamalarından farklı olarak karbon ve PET LP kuma¸sların bir arada kullanılarak standart altı beton kolonların sargılanmasını ve monotonik eksenel basınç yüklemesi altında bu hibrit LP kompozit sargının performansını deneysel olarak belirlemeyi hedeflemektedir. Çalı¸sma, farklı mekanik özelliklere sahip iki farklı LP lifin aynı sargılama uygulamasında kullanımı ile bu liflerin avantajlarından en üst düzeyde faydalanmayı amaçlamaktadır. Karbon ve PET lifin avantajları, sırasıyla, elastisite modülünün ve uzama kapasitesinin yüksek olmasıdır. Bu liflerin birlikte kullanılmasıyla elde edilen kompozit malzemenin, daha iyi performans gösterebilecegi ve aynı zamanda maliyet açısından da daha avantajlı ˘ olabilecegi dü¸sünülmektedir. ˘ Hibrit LP sargılamanın etkinligini deneysel olarak ara¸stırmak üzere 18 adet numune ˘ dü¸sük dayanımlı betonla üretilmi¸stir. Numuneler kare kesitli olup en kesit boyutları 275x275 mm ve yüksekligi 550 mm'dir. Numunelerin kö¸se yarıçapları 30 mm olacak ˘ ¸sekilde üretim yapılmı¸stır. Test degi¸skenleri, LP sargılama konfigürasyonu ve LP sargı ˘ tabaka sayısı olarak planlanmı¸stır. Numuneler, kullanılan LP katmanlarının türüne göre sınıflandırılmı¸stır: (a) LP içermeyen yani sargılanmamı¸s numunelerin bulundugu˘ kontrol grubu, (b) geleneksel olarak yani tek tip lif içeren LP ile sargılanan numuneler ve (c) her iki lif türünü birle¸stiren hibrit-LP ile sargılanmı¸s numuneler olmak üzere 3 grup numune üzerinde testler gerçekle¸stirilmi¸stir. Bu ara¸stırmanın temel amaçları a¸sagıda sıralanmaktadır: ˘ (a) Basınç dayanımı ve eksenel süneklik açısından hibrit LP kompozitlerin etkinligini ˘ deneysel olarak ara¸stırmak. (b) Hibrit LP kompozit numunelerin basınç yüklemeleri altındaki davranı¸sını gösteren deneysel veri elde etmek. (c) Hibrit ve tek tip LP kompozitler ile sargılı kare kesitli beton numunelerin performansını kar¸sıla¸stırmalı olarak ele almak. (d) LP kompozit sargılı numunelerin davranı¸sını tahmin etmek üzere literatürde mevcut olan modellerin hibrit ve tek tip LP kompozit ile sargılanan numune davranı¸sını tahmin etmek üzere degerlendirilmesi. ˘ Bu çalı¸smanın amaçlarına ula¸smak için numune konfigürasyonu planlandıktan sonra eski betonarme binaların dü¸sük dayanımlı beton karakteristigini temsil etmek için ˘ dü¸sük dayanımlı beton elde etmek üzere farklı beton karı¸sımları denenmi¸s ve en uygun karı¸sım oranı belirlenmi¸stir. Tez çalı¸smasının ikinci a¸samasında ise karbon ve PET LP'nin çekme etkileri altındaki davranı¸sını belirlemek üzere ASTM D3039 [1] standardı esas alınarak kupon numuneler hazırlanmı¸stır. Kupon numuneler, ASTM D3039 [1] standardında belirtildigi ¸sekilde çekme etkileri altında test edilmi¸s ve test sonuçlarından elastisite ˘ modülü, çekme dayanımı, kopma birim uzaması ve göçme modları elde edilmi¸stir. Ayrıca, her bir kupon numunesinin çekme gerilmesi-birim uzama ili¸skilerini gösteren grafikleri çizilmi¸stir. LP sargı malzemelerinin çekme etkileri altındaki davranı¸sı belirlendikten sonra numune sargılama konfigürasyonu tekrar gözden geçirilmi¸s ve uygun olduguna ˘ karar verilmi¸stir. Kare numuneler, LP malzemelerle sargılanarak epoksi reçinenin kuruması için dı¸s ortamda bekletilmi¸stir. Numunelerin basınç etkileri altındaki davranı¸slarını anlamak için test öncesi, her bir numunenin her bir yüzeyinin orta bölgesine yerdegi¸stirme ölçerler yerle¸stirilmi¸stir. Ayrıca, LP malzemenin birim ˘ uzamalarını tespit etmek üzere numune orta bölgesine yatayda farklı konumlarda olmak üzere LP üzerine ¸sekildegi¸stirmeölçerler yapı¸stırılmı¸stır. Kare numunelerin ˘ basınç testleri, ITÜ, Yapı Malzemesi Laboratuvarı'nda bulunan 5000 kN kapasiteli ˙ Instron test cihazı kullanılarak gerçekle¸stirilmi¸stir. Test sonuçları kullanılarak her bir numunenin basınç dayanımı, bu dayanıma kar¸sı gelen birim kısalması ve kopma birim uzaması hesaplanmı¸stır. Ayrıca, numuneler test boyunca gözlemlenerek hasar geli¸simi ve göçme modu anla¸sılmı¸stır. Testlerden elde edilen veri kullanılarak her bir numunenin basınç gerilmesi-birim kısalma ve basınç gerilmesi-birim uzama ili¸skileri elde edilmi¸stir. Hibrit LP kompozitlerle ile sargılanmı¸s dü¸sük dayanımlı kare numunelerin basınç yüklemeleri altındaki test sonuçları, hibrit LP sargılamanın betonun hem basınç dayanımını hem de eksenel ¸sekildegi¸stirme sünekli ˘ gini önemli oranda ˘ artırttıgını göstermektedir. Hibrit LP kompozitlerle sargılanan numunelerin basınç ˘ gerilmesi-birim uzama ili¸skisini, üç bölgeyle tarif etmek mümkündür. Birinci bölgede, sargılanmamı¸s betonun özellikleri etkili olup bu bölgedeki egrinin ba¸slangıç e ˘ gimi, ˘ sargılanmamı¸s betonun elastisite modülüne e¸sdegerdir. ˘ Ikinci bölgede, betonda ˙ çatlakların olu¸smasıyla egrinin e ˘ gimi azalmakta ve hibrit sargının devreye girmesiyle ˘ basınç dayanımı artarken eksenel deformasyonlar da artmaktadır. Bu egilim karbon ˘ liflerin uzama kapasitesine eri¸sip kopmasıyla son bulmaktadır. Üçüncü bölgede ise karbonun devredı¸sı kalması nedeniyle sargılama basıncının sadece PET lifler tarafından saglandı ˘ gı dü¸sünülmektedir. PET LP sargı miktarına ba ˘ glı olarak üçüncü ˘ bölgenin egimi; azalma, sabit veya yükselme e ˘ giliminde olabilmektedir. PET ˘ liflerin kopma uzama kapasitesine ula¸smasıyla numune ta¸sıma gücüne eri¸smektedir. Sonuçlar, hibrit LP kompozit sargılı numunelerin dayanım artı¸sını daha çok karbon liflerin; uzama kapasitesi artı¸sını da PET liflerin sagladı ˘ gını göstermektedir. ˘ Test verileri kullanılarak hesap edilen eksenel ¸sekildegi¸stirme artı¸sı, uygulanan ˘ sargılama tekniginin dü¸sük dayanımlı betonun sünekli ˘ gini artırmada ba¸sarılı oldu ˘ gunu ˘ göstermektedir. Her iki malzemenin avantajlarını birle¸stiren hibrit LP kompozit sistemi ile, güçlendirilecek bir binanın dayanım ve süneklik ihtiyaçları dikkate alınarak, optimal tasarımlar yapmanın mümkün oldugu dü¸sünülmektedir. ˘ Karbon LP kompozit ile sargılanan kare numunelerin dayanımının büyük oranda arttıgı ˘ görülmü¸stür. LP katman sayısının ikiye çıkarılması durumunda, beklendigi üzere, ˘ tek katlılara göre dayanım ve eksenel ¸sekildegi¸stirme artı¸sları daha büyük olmu¸stur. ˘ PET LP ile sargılanan numuneler büyük deformasyon artı¸sları göstererek ta¸sıma gücüne eri¸smi¸slerdir. Sargı katman sayısının artması dayanım ve süneklikte daha büyük artı¸s oranları saglamı¸stır. Tek katman PET LP ile sargılanmı¸s numuneler (1P) ˘ basınç dayanımı artı¸sı açısından %1.23 ve birim kısalma artı¸sı açısından %15.51'lik bir degi¸sim göstermi¸stir. ˘ Ikinci bir katman eklenerek olu¸sturulan 2P numuneleri ˙ için dayanım ve birim kısalma artı¸s miktarları, sırasıyla, %1.29 ve %27.47 olarak hesaplanmı¸stır. Üç katman PET LP ile sargılanan numunelerin ortalama dayanım ve birim kısalma artı¸s oranları, sırasıyla, %1.44 ve %30.54 olarak bulunmu¸stur. Bu artı¸s miktarları, PET LP kompozit ile sargılı dü¸sük dayanımlı betonun ta¸sıma kapasitesine büyük deformasyonlarla ula¸stıgını göstermektedir. Bu nedenle bu tür kompozitlerle ˘ yapılacak sargılamanın, özellikle enerji yutma ve süneklik açısından iyile¸stirmeler saglayaca ˘ gı dü¸sünülmektedir. ˘ Ayrıca, tez çalı¸smasında, literatürdeki mevcut analitik modeller incelenmi¸s ve bu modeller kullanılarak test edilen kare numunelerin basınç dayanımı ve eksenel ¸sekildegi¸stirme kapasiteleri tahmin edilmi¸stir. Test sonuçları ile model tahminleri ˘ kar¸sıla¸stırılarak modellerin bu çalı¸smadaki LP sargılama konfigürasyonları için uygun olup olmadıgı ara¸stırılmı¸stır. Kar¸sıla¸stırmalar, özellikle, hibrit LP kompozitlerle ˘ sargılanmı¸s dü¸sük dayanımlı betonun gerilme-¸sekildegi¸stirme ili¸skisi için model ˘ önerme gerekliligini ortaya koymu¸stur.Sunulan tez çalı¸sması kapsamında elde edilen deneysel ve analitik çalı¸sma verisi ve sonuçlarının hibrit LP sargılama tekniginin geli¸stirilmesi için katkı sunaca ˘ gı ˘ dü¸sünülmektedir. Hibrit LP sargılama sisteminin farklı enkesitli beton/betonarme elemanlar için farklı tip liflerle olu¸sturulması ve farklı yüklemeler altında test edilerek etkinliginin ortaya ˘ çıkarılması, çevresel ko¸sullar açısından durabilite çalı¸smalarıyla incelenmesi vb. konularda ara¸stırmalara ihtiyaç duyuldugunu dü¸sünülmektedir.
Özet (Çeviri)
Column elements of structural systems are often in need of strengthening due to aging, damage, increased load demands, or adding floors to existing multistory buildings. The potential collapse of these columns necessitates retrofitting to boost their strength and ductility. Consequently, enhancing the resilience of building columns has become a focal point of recent research. The primary aim of such structural reinforcement is to improve strength and ductility, increasing the structure's ability to bear loads and reducing the risk of damage or failure during catastrophic events like earthquakes. A common technique for reinforcing such columns involves the application of Fiber Reinforced Polymer (FRP) jackets. This method wraps the concrete member with FRP jackets, which consist of fibers positioned at right angles to the member's longitudinal axis. FRP jackets provide passive confinement pressure to the concrete column and are activated (strain) only when the column faces additional axial load, leading to its expansion. The degree of strengthening and the overall increase in strength of the reinforced concrete depend on various factors. such as fibers used (modulus, thickness, and rupture strain) and the physical characteristics of the column (size and shape, whether circular, square, or rectangular). Traditionally, composite structures mainly utilized fibers like carbon, aramid, basalt, and glass for strengthening. However, the introduction of new fibers, such as PET and PEN, has been a game-changer in the construction industry. These materials have led to the development of new building materials that are crucial for strengthening and offer environmental advantages. Compared to traditional fibers, these new fibers exhibit distinctive mechanical properties, including a higher capacity to stretch before breaking (rupture strain) and lower strength values. Our research is primarily focused on hybrid fiber-reinforced polymers (FRP), particularly the combination of Carbon and Polyethylene Terephthalate (PET) fibers. Hybrid FRP involves using two different types of fibers together, each with its unique set of mechanical characteristics. By using these fibers together, the resulting composite material can show improved mechanical performance and may also be more cost-effective. The experimental part of our study 18 specimens, with two identical samples for each FRP wrapping configuration. Each sample was 300x300x550 mm in size and had a corner radius of 30 mm. The specimens were categoriaed with respect to the type and number of FRP layers used: a control group without FRP, a specimen group wrapped conventionally, and a hybrid-FRP wrapped specimen group that combined both fiber types. The last specimen group addresses a significant gap in existing research by examining the hybrid use of FRP types and assessing their practical application in real-world settings. Prior to the sample preparation phase, careful attention was given to the concrete mix design. The aim was to ensure that the produced concrete possessed lower strength characteristics, mimicking the quality commonly found in older buildings. The second phase of the thesis study is to characterize tensile behavior of CFRP and PET FRP. For each FRP type, five coupon specimens were prepared and tested under tensile loading in accordance to ASTM D3039 [1]. Thanks to these tests, the strength, strain capacity and modulus of elasticity were determined for each FRP type. This methodical approach was intended to provide a clear and comprehensive understanding of how each FRP material behaves when subjected to forces that aim to stretch it, ensuring a robust evaluation of their potential for retrofitting older building structures. The main variable parameters considered were the type of FRP material, the application of hybridization, and the number of layers used to wrap the columns. This allowed for a detailed comparison of various layer combinations under monotonic compression axial loads. Precise measurements of the hoop strain of the FRP and the longitudinal strain were obtained by strategically positioning strain gauges and LVDTs. Compression tests were conducted utilizing an Instron testing device with a maximum capacity of 5000 KN. The main goal of this study is to examine the axial strain ductility and strength of a column by using PET-FRP sheets that are wrapped around a carbon FRP layer. The sheets are layered on top of each other. The whole system is expected to exhibit a ductile behavior compared to the brittle behavior seen in concrete wrapped with conventional FRP application. The purpose of this research is carry out the following studies: (a) Investigate the efficiency of hybrid FRP composites in terms of strength and strain enhanchements (b) Conduct comparative studies to evaluate the performance of FRP wrapped and unwrapped specimens. (c) Analyze failure patterns (d) Contribute new insights to the existing knowledge on FRP wrapping techniques. (e) Perform theoretical analyses to predict axial behavior in confined samples and correlate these predictions, with empirical observations. The test results show that the use of CFRP wrapping greatly improved the mechanical characteristics of concrete, notably enhancing both its strength and strain capacity. It was discovered that employing two layers of CFRP material significantly magnified these effects. While the application of PET-FRP wrapping significantly improved the axial ductility of the specimens, that of CFRP wrapping greatly improved the strength.Additionally, PET FRP ensured that the integrity of the specimens was almost maintained even when the specimens were subjected to severe damages. The enhancement of concrete columns wrapped with PET-FRP layers reveals a direct correlation between the number of layers and the degree of enhancement in both strength and strain. Specifically, columns wrapped with a single layer of PET-FRP, designated as 1P, exhibit an ultimate strength enhancement of 1.23 and an ultimate strain enhancement of 15.51. When a second layer is added, creating 2P specimens, the strength enhancement increases to 1.29, and strain enhancement shows a more pronounced increase to 27.47. This trend continues with 3P specimens, where three layers of PET-FRP wrapping provide the highest recorded enhancements, with strength enhancement reaching 1.44 and strain enhancement escalating to 30.54. These figures suggest that each additional layer of PET-FRP not only contributes to a higher load-bearing capacity but also significantly improves ductility, allowing the column to undergo larger deformations before failure. This is particularly beneficial in seismic zones where energy absorption and ductility are critical for the structural integrity of buildings. The key findings of the test results of hybrid-FRP wrapped specimens show that the hybrid wrapping method works well at improving both the strength and axial strain ductility of concrete. Each extra layer of PET-FRP makes a big difference, especially when it comes to strain capacity, which makes the concrete stronger against forces that cause it to deform. PET-FRP significantly contributes to the ductility of the specimens, a desirable property, especially in seismic-prone areas. The hybrid-FRP system, combining the advantages of both materials, emerges as a good solution, striking an optimal balance between strength and flexibility. The thesis study also looked at existing predictive models and compared them to test results. This showed how hard it is to accurately model the behavior of FRP-confined concrete, especially in hybrid configurations. The discrepancies observed in strain predictions underline the need for more sophisticated models to accurately capture the complexities of material behavior under confinement. Looking ahead, the research opens several promising avenues for future exploration. The adaptability and performance of the hybrid system will be investigated across different column geometries and in conjunction with traditional reinforcement methods such as reinforced concrete (RC) columns. Furthermore, the durability of the hybrid system under various environmental conditions and loads will be a key focus, ensuring its long-term effectiveness and reliability as a structural reinforcement solution. In the future, researchers could look into the best ways to combine different type of FRP layers for different structural needs and also look into how well hybrid-FRP retrofitted structures work over time.
Benzer Tezler
- Eğilme, kesme ve eksenel basın etkisindeki kolonların kayma dayanım kapasitelerinin belirlenmesi için deneysel bir çalışma
An Experimental study for investigation the shear carrying capacity of columns under combined bending, shear and axial compression
İ.METE GERÇEK
- A preliminary investigation for potential use of 3D printed concrete in earthquake resistant construction
3D baskılı betonun depreme dayanıklı yapı inşaatında potansiyel kullanımı için ön bir araştırma
REZA PARTOVI MERAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiDeprem Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MEDİNE İSPİR ARSLAN
- Alüvyonel zeminlerde farklı geometri ve metotlarda imal edilen kazıkların laboratuvar modeli ve analizi
Laboratory model and analysis of piles manufactured in different geometry and methods on alluvial soils
TAYLAN ULAŞ DİNÇ
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
İnşaat Mühendisliğiİzmir Katip Çelebi Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. HASAN FIRAT PULAT
- Concrete filled steel tube beams with square sections: Effects of notches on the flexural performance
Kare kesitli içi beton doldurulmuş çelik tüp kirişler: Çentiklerin eğilme performansına etkisi
MOHAMMED MUNEAM MOHAMMED
Yüksek Lisans
İngilizce
2018
İnşaat MühendisliğiGaziantep Üniversitesiİnşaat Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MEHMET TOLGA GÖĞÜŞ
- Çimento esaslı kompozit plakalarla güçlendirilmiş bölme duvarlarının kayma dayanımının belirlenmesi
Determination of shear strength of infill walls strengthened by cement based composite plates
MUSTAFA GÜR
Yüksek Lisans
Türkçe
2017
Deprem Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiDeprem Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MUSTAFA GENÇOĞLU