Size effect on anchorage length of fiber-reinforced concrete structures
Lif katkılı betonların kenetlenme boyu ve boyut etkisi
- Tez No: 863635
- Danışmanlar: DOÇ. DR. AHMET ABDULLAH DÖNMEZ
- 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: 105
Özet
Kompozit çalışmanın etkili olması için betonarme yapılarda betonarme donatıları ve beton arasında sağlam bir aderansın olması şarttır. Bu aderansın kaybı betonarme yapılarda kırılmalara ve hatta göçmelere neden olabilmektedir. Özellikle deprem bölgelerinde oluşan yapı hasarlarında aderans kayıplarından kaynaklı bir çok kırılma tipi ve göçmelere rastlanılmaktadır. Aderansa bağlı dayanım kayıpları temelde çelik donatı ve etrafındaki betonun kimyasal ve mekanik tutulmalarının bu arayüz bölgelerinde oluşan kayma gerilemelerini karşılayamayacak duruma gelmelerinden kaynaklanmaktadır. Bu dayanım kaybının detaylı bir incelemesinin yapılabilmesi için kırılma mekaniğinin esaslarından faydalanılmalıdır. Bu iki malzeme arasındaki arayüzde oluşan kayma gerilmeleri kaynaklı çatlaklar aslında beton malzemesinin kırılmasından ileri gelir. Daha başka bir ifadeyle aderans kaybından oluşan kırılmalar yarı gevrek kırılma tiplerinden olup yarı gevrek kırılma tiplerinde kullanılan esaslar kullanılarak araştırılmalıdır. Yarı gevrek kırılma tiplerinden olan aderans kayıpları (donatı sıyrılması) boyut etkisi esaslarına göre değerlendirilmelidir. Boyut etkisi kırılma mekaniğinin araçlarından olup yarı gevrek kırılma tiplerinde uygulanması gereken bir kavramdır. Beton malzemesinin kayma kırılmaları boyut etkisine maruz kalmaktadır. Kısaca tanımlamak gerekirse, boyut etkisi geometrik olarak benzer olan numunelerin veya elemanların karakteristik boylarının artması ile dayanımlarının azalması anlamına gelmektedir. Genellikle günümüzde de kullanılan klasik enkesit tasarımlarında boyut etkisi yoktur. Toplam yükün enkesite göre normalize edilmesi ile elde edilen gerilmelere göre tasarım yapılır. Bu klasik yaklaşım ile hesaplanan belli bir kesit tesirine karşı olan dayanım sabit olup en kesite göre değişmez. Gerçekte bu durumun doğru sonuçlar vermediği ve en-kesitin artması ile elde edilen dayanımın azaldığı test sonuçları ile belirlenmiştir. Bu durum boyut etkisi ile açıklanmıştır. Boyut etkisinin bir çok çeşidi vardır. İstatistiksel olan boyut etkisi en eski boyut etkisi tipi olup en zayıf halka analojisi ile tanımlanabilir. Elemanın boyu arttıkça malzeme içerisindeki olası mikro çatlaklar veya zayıflıklar da artacaktır. Bu durum büyük en-kesitlerde rastgele dayanım dağılımında düşük dayanım elde etme ihtimalinin artması anlamına gelir. Bu çalışmada daha çok enerji tabanlı boyut etkisi ile ilgilidir. Bu boyut etkisinin en kapsamlı açıklaması ve matematiksel ifadesi 1984 yılında Bazant tarafından yapılmış olup ABD tabanlı standartlarda boyut etkisi çarpanı olarak yerini almaya başlamıştır. Kırılma enerjisi boyut etkisi 'Boyut etkisi Tip 2' olarak da adlandırılmaktadır. 1. Tip boyut etkisinde kırılma enerjisinin yanında istatistiksel boyut etkisi de etkili olmaktadır. Fiziksel olarak ifade etmek gerekirse çatlak ilerleyişi sırasında açığa çıkan enerji çatlağın birim uzunlukta ilerlemesi için gerekli olan enerjiden fazladır. Bu fazlalık çatlağın daha fazla ilerlemesine neden olmakta ve kararsız bir çatlak ilerleyişine neden olmaktadır. Çatlak ilerleyişi sırasında açığa çıkan enerji çatlağın boyuna ve kırılma yüzey alanına bağlıdır. Çatlağın 1 boyutlu çizgisel olarak ilerlediğini varsayarsak bu ilerleme 2 boyutlu bir yüzeyde elastik birim şekil değiştirme enerjisinin açığa çıkmasına (enerji boşalmasına) neden olmaktadır. Benzer şekilde çatlak 2 boyutlu bir yüzeyde ilerlediğinde açığa çıkan enerji 3 boyutlu bir hacimden kaynaklanmaktadır. Aradaki bu 1 boyut farkı boyut etkisini meydana getirmektedir. Tip 1 olarak adlandırılan boyut etkisinde ise çatlak enerjisinin yanında istatistiksel boyut etkisi de hesaba katılır. Bu boyut etkisi tipinde Weibull katsayısı olarak da bilinen istatistiksel terim dayanımın rastgele olmasına karşı gelir. Bu tipte çatlağın başlaması ile dayanım düşmesi gerçekleşir ve ani bir kırılma gerçekleşir. Donatı sıyrılma deneylerinden de anlaşılacağı üzere donatı ile beton arasındaki aderans kaybı aslında arayüzde oluşan çatlakların ilerlemesi şeklinde gerçekleşmektedir. Bu arayüz kırılması tam olarak çelik çubuk üzerinde olmayıp donatıyı çevreleyen beton malzemesi üzerinde gerçekleşmektedir. Bu çatlak kırılması yarı-gevrek bir kırılma biçimi olduğundan bu kırılma biçimi ile gerçekleşen dayanım kayıplarında boyut etkisi beklenmelidir. Şu ana kadar sıyrılma deneyleri üzerinden boyut etkisi analizi gerçekleştiren araştırmaların sayısı oldukça azdır. Bu yüzden sıyrılma (çekip çıkarma) deneylerinin kırılma mekaniği esasları ile incelenmesinin ihmal edildiği düşünülmektedir. Bu çalışma ile literatürdeki bu eksiğin giderilmesi amaçlanmaktadır. Bu çalışmada gerçekleştirilen deneyler çekip çıkarma deney numunelerinden meydana gelmektedir. Bu numuneler 20cm yüksekliğinde 16cm çapında silindir şeklinde lif takviyeli numunelerdir. Cam elyaf takviyeler ile güçlendirilen betonun basınç mukavemeti 60-75 MPa arasında değişmektedir. Cam elyaf ile güçlendirilen beton numunelere gömülü nervürlü donatılar farklı boyutlarda kenetlenme boyuna sahiptir. Farklı boyutlardaki kenetlenmeler numunelerin üstten ve alttan aderansını farklı uzunluklarda engelleyerek elde edilmiştir. Boyut etkisi analizi kapsamında seçilen karakteristik boy donatının aderans (kenetlenme) boyudur. Bu uzunlukları D sembolü ile gösterirsek deneylerde kullanılan D küçük, orta ve büyük boy numuneler için sırası ile 40, 80 ve 160mm dir. Bu çalışmada geometrik olarak ölçeklendirilen sadece danatının aderans uzunluğudur (D). Bunun 2 sebebi vardır. Birincisi amaçlanan kırılma tipi sıyrılma tipi kırılma olduğundan çatlak ilerlemesi sadece donatı çevresinde gerçekleşir. Bu durumda çatlağın ilerlemesi açısından numunelerin diğer boylarının ölçeklenmesi ikincil bir öneme sahip olmaktadır. Diğer bir sebep ise numunelerin 3 boyutlu ölçeklenmesi test yapma kabiliyeti açısından zorlu bir süreci gerektirmektedir. Ayrıca 3 boyutlu ölçeklendirme ile elde edeceğimiz olası fazladan elastik birim şekil değiştirme boşalması durumunun ihmal edilecek seviyelerde olacağını varsayıyoruz. Bu durumda optimum olan çözüm 1 boyutlu ölçeklendirme ile geometrik olarak benzer numuneler üzerinde çalışmaktır. Farklı bir şekilde ifade etmek gerekirse, kayma gerilmeleri çelik çubuk yüzeyinde tek bir noktada yoğunlaşmaz. Aksine, bu tip bir problemede çelik çubuk eleman üzerinde kayma gerilmeleri artan ve azalan bir trend gösterir. Bu durum çelik donatıdaki çekmenin betona kayma gerilmeleri vasıtası ile transferinden kaynaklanmaktadır. Bu transfer belli bir noktada değil fakat çubuk elemanın üzerinde homojen olmayan yayılı bir yük şeklinde meydana gelmektedir. Homojen olmama durumuı da bazı noktalarda kayma gerilmelerinin daha büyük değere sahip olmasına neden olur. Aderans kaybı durumunda çatlakların bu noktalardan başlayıp elemanın uzunluğu boyunca devam etmesi beklenmektedir. Kayma çatlağı elemanın boyu üzerindeki yolculuğunu tamamladığında ise sıyrılma kırılması tamamlanmış olur. Kayma gerilmelerinin artan ve azalan yapısı ise sıyrılma tamamlandığında çelik çubuk üzerinde büyüklü küçüklü beton parçalarının bulunmasına neden olur. Bu aderans kaybı betonarme üst yapılarında karşılaşılan bir kırılma cinsidir. Deneylerde ise beton ayrılma, konik kırılma ve kabuk atma gibi farklı kırılma tipleri ile de karşılaşılabilir. Bu, boyut etkisi analizi açısından arzu edilen bir durum değildir. Boyut etkisi analizlerinin sağlıklı olarak yapılabilmesi için benzer kırılma tipleri ve benzer çatlak gelişimini mümkün mertebe sağlamak gerekir. Bu çalışmada benzer kırılma tiplerinin tüm deneylerde oluşmasını sağlamak için bazı önlemler alınmıştır. Etriye donatılarının numunelere eklenmesi bu önlemlerden biridir. Deneysel çalışmalarda en çok karşılaşılan kırılma tipi olan beton ayrılmasının (splitting tensile) önlenmesi için betonun çekme kapasitesinin arttırılması amaçlanmıştır. Konulan donatı oranı tüm numuneler için sabit tutulmuştur. Cam elyaf katkısı da bu önlemlerden biridir. Cam elyaf çekme kapasitesini arttırdığı gibi kayma kapasitesini de arttırmaktadır. Fakat yapılan çalışmalar cam elyaf katkısı ile elde edilen çekme kapasitesi artma oranının kayma dayanımındaki artıştan daha fazla olduğunu göstermektedir. Bu yüzden bu önlemler muhtemel bu iki kırılma tiplerinde (aderans kaybı kırılma tipi ve beton ayrılması kırılma tipi) betonun çekme mukavemetini daha fazla arttırarak numunenin arzu edilen sıyrılma dayanım kaybından kırılmasına neden olur. 21 adet çekip çıkarma deney numunesi yanında malzeme deneyleri de gerçekleştirilmiştir. Bu malzeme deneyleri çelik çekme deneyi, beton basınç dayanımı deneyi, beton silindir ayrılma deneylerini kapsamaktadır. Bu deneylerin bir çoğu İTÜ İnşaat Fakültesi yapı malzemesi laboratuarında gerçekleştirilmiştir. Deneyler monolitik yükleme altında gerçekleştirilmiş ve kırılma tayini deney tipine göre yüklerdeki değişimin %20 ila %80 arasında azalması olarak tanımlanmıştır. Yapılan deneyler sırasında yükleme hızlarına dikkat edilmiş ve dinamik ve sünme etkilerinin deney sonuçlarını etkilememesine özen gösterilmiştir. Tüm beton numunelerin minimum 28 gün kür havuzunda bekletilerek dayanım kazanması sağlanmıştır. Her bir deney için farklı test mekanizmaları kullanılmış ve data okuma cihazları ile data okumaları gerçekleştirilmiştir. Beton deneylerinde tüm standartlara uygun malzeme testleri gerçekleştirilmiş olup ASTM standartlarına uyulmaya çalışılmıştır. Bu çalışma esas olarak deneysel içerikli bir çalışma olup boyut etkisi kanunu kullanılarak tasarım standartlarında kullanılabilecek bir çarpan önermektedir. Bazant'ın boyut etkisi kanunu olarak da bilinen bu çarpanın daha geniş bir data kümesi ile kalibre edilmesi gerektiği açıktır. Yalnız bu çalışma boyut etkisinin sıyrılma hesaplarından yola çıkılarak bulunan donatının kenetlenme boyu hesaplarında ihmal edilemiyecek seviyelerde olduğunu göstermektedir. Donatının sıyrılma kapasitesi hesaplandığında donatı uzunluğunun artması ile ortalama kayma dayanımının azaldığı görülmüştür. Yalnız farklı kırılma tiplerinin meydana geldiği durumlarda bazı parantezler açmak gerkmektedir. Sıyrılma dayanımının arrttığı küçük numunelerde kırılma tipleri değişebilmektedir. Bu durum da aslında beton ve donatı arasındaki kayma dayanımındaki değişimin doğal bir sonucudur. Dayanımı artan sıyrılma kapasitesi yerini daha az kapasiteli olan beton yarılma kırılma tipine bırakmaktadır. Kırılma tipleri arasında bu yer değiştirme tamamen dayanım farklılıklarının ve boyut etkisinin sonuçlarındandır. Bu çalışma ile elde edilen sonuçlar tasarım standartlarında güncellemelere neden olabilir. Bu çalışmanın farklı boyutlarda yapılması ile daha bariz sonuçlar elde edilebilir. 3 boyutlu ölçekleme ile ölçeklenen numuneler kullanılarak da deneyler yapılabilir ve 3D ölçeklemenin sonuçları ne kadar değiştirdiği incelenebilir. Bu çalışmanın kapsamı burada yapılan deneyler ve sonuçların boyut etkisi kanunu kullanılarak değerlendirilmesi ile sınırlı olsada bu çalışmadan elde edilen bulgular yapı mühendisliği açısından büyük etkiler doğurabilir.
Özet (Çeviri)
In reinforced concrete structures, a strong bond between the concrete and the reinforced bars is crucial for a complete composite action. The definition of the size effect requires an energy analysis of the type of fracture mechanics. For instance, larger structural elements utilized in the building of actual structures have a different nominal strength than laboratory-sized samples. This difference between their nominal strengths is due to the size effect. This dimension effect, originating from fracture mechanics, is a concept that occurs during the balancing of the energy released during crack propagation. As the cross-section dimensions increase, the energy released becomes greater than the work required for crack propagation. This difference appears as a decrease in nominal strength. The anchorage capacity of the reinforcing bars embedded in the steel-reinforced concrete or fiber-reinforced concrete structures is represented by the pullout strength. The development lengths are justified by the yielding point of the bars used. However, the bond failure of the embedded bars has a brittle nature and occurs when the shear strengths exceed the bonding capacity. Here, the bond strength of fiber-reinforced concrete structures is analyzed when the bars are being pulled out from the surrounding concrete. The steel fiber and steel reinforcement are used so that the desired failure type is the pullout rather than the splitting tensile of the concrete. The bonding strength is investigated according to the principles of the fracture mechanics of quasi-brittle materials. A size effect analysis is conducted with the help of scaled pullout specimens. The embedded bars are scaled in length so that the 2D scaling is ensured for the bars of which the surfaces undergo a bond failure. The embedded lengths used in the tests are 40, 80, and 160mm for small, medium, and large-sized specimens, respectively. The results of the scaled pullout tests indicate a strong size effect exhibited in the pullout mechanisms between the bar and steel fiber reinforced concrete. The experimental results can reveal the need for a size effect correction regarding the current code equations for the bar development. A key component of RC structures' ideal performance is the ability of the rebar and concrete to bond effectively. The bonding loss at critical locations, like beam-column joints, can be the main reason for failures, according to studies on earthquake disasters. Rebar slippage results from this, which reduces their stiffness and ability to carry loads. Since concrete is a brittle material with low tensile strength, it takes a lot of transverse rebars to provide lateral confinement, which can effectively stop splitting cracks from starting and spreading, thereby producing reliable bond resistance. However, this can also lead to rebar congestion, particularly in regions of high bond demand, as well as construction difficulties and elevated costs. Previous research has identified strain capacity and tensile strength as the primary factors influencing bonding performance. When geometrically similar structures are taken into consideration, the nominal strength (σn) of a structure is independent of the structure size, according to the classical theories of plastic or elastic structures made from a material with non-random strength. This property's deviation is referred to as the size effect. For instance, assuming two beams of the same material, the conventional strength of materials predicts that they will fail at the same stress for both large and tiny beams. Nonetheless, a larger beam will fail at a lower stress than its smaller counterpart due to the size effect. The project consists of 21 concrete samples with 16 mm diameter deformed steel reinforcements. The test specimens were subjected to monotonically increasing pull-out forces. The bonding properties between the fiber-reinforced concrete and steel bars were investigated in terms of size effect analysis. In this context, the embedment of the steel bars was scaled while keeping the reinforcement ratio constant for all sizes. These scaled embedments were formed by debonding the specimens from their top and bottom ends. The embedment lengths of the steel reinforcements into the cylindrical fiber-reinforced concrete blocks were 160, 80, and 40 mm. This scaling could be defined as a 1D scaling since only the bar lengths were scaled among specimens. It is desirable to have the same failure types in the specimens. To this end, additional transverse reinforcements were used, aiming to prevent splitting failure types. It is not easy to achieve the desired failure type on these specimens since splitting failure and pull-out failure are two failure types that are controlled by similar concrete parameters. Steel fiber reinforcement increases both the tensile and shear strengths of concrete. However, the increase in tensile strength is more pronounced than the shear strength promotion, which helps the specimens switch from possible splitting failure to pullout failure. Using ties as an additional reinforcement to fiber usage in concrete is also expected to resist tensile forces around the bar, aiming to avoid splitting failure types. The targeted compressive strength of the fiber-reinforced concrete was planned to be between (60-75) MPa on average. The pull-out force will be gradually increased until a specimen fails by one of the failure types. The experimental results of this study are used to explain the dimensional effect of fiber concrete compressive strength, embedded length, and adherence between fiber concrete and reinforcement.
Benzer Tezler
- Çelik lif uç geometrisinin beton özelliklerine etkisi
Effects of steel fiber geometry on mechanical properties of concrete
UĞUR ALPARSLAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2015
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ÖZKAN ŞENGÜL
- Polimerik inşaat donatılarının kimyasal ankraj performansının araştırılması
İnvestigation of chemical anchorage performance of polmeric rebar
NECMETTİN TÜRKAY
Yüksek Lisans
Türkçe
2020
İnşaat MühendisliğiAfyon Kocatepe Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. TAYFUN UYGUNOĞLU
- Çimento esaslı kompozitlerle güçlendirilen dolgu duvarlı betonarme çerçevelerin tersinir tekrarlı yükler altında davranışı
Behavior of rc frames with infill walls strengthened by cement based composites under reversed cyclic loads
CEMİL ÖZKAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2012
Deprem Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MUSTAFA GENÇOĞLU
- Kiriş-kolon birleşim bölgelerinin ileri teknoloji malzemelerle güçlendirilmesi
Beam-column joints retrofitted with advanced technological materials
SİNAN MURAT CANSUNAR
Doktora
Türkçe
2023
Deprem Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Yapı Ana Bilim Dalı
PROF. DR. KADİR GÜLER