Tez özetleri Astronomi ve Uzay Bilimleri Anabilim Dalı

Karbon Lifli Polimerler (CFRP) ile Güçlendirilmiş Çelik-Betonarme

Kompozit Kirişlerin Yorulma Davranışı
Köprüler, karayolu ve demiryolu ulaşım sisteminin en önemli unsurlarından biri olup hattın trafik hacmini ve taşınabilecek yük miktarını belirlemektedir. Köprülerin hizmete devam etmesi ve gerekli yapısal güvenliğe sahip olması, ulaşım sisteminin aksamaması açısından son derece önemlidir. Ülkemizde ve dünyada birçok çelik karayolu ve demiryolu köprüsü mevcuttur. Bu köprülerin bir kısmında; yorulma, korozyon, artan taşıt yükleri ve trafiği, ilave zati yükler, çevresel etkiler gibi sebeplerle zamanla yapısal emniyetin azalması veya kaybedilmesi gibi sorunlar ortaya çıkabilmektedir. Bu durumdaki köprülerin yıkılıp yeniden yapılması veya güçlendirilmesi gerekmektedir. Genellikle yapıların yıkılıp yeniden yapılma maliyeti, güçlendirme maliyetinden daha yüksektir. Sanayileşmekte olan birçok ülkede olduğu gibi ülkemizde de mevcut finans kaynaklarının sınırlı oluşu, bu durumdaki köprüler için güçlendirme yöntemini ön plana çıkarmaktadır. Ayrıca bir yapıyı yıkıp yeniden inşaa etme sürecinde çevresel açıdan ortaya çıkabilecek olumsuzluklar da göz ardı edilmemelidir. Bu bağlamda, yıkılan malzemelerin nasıl kullanılacağı önemli bir sorun olmakla beraber, yeni yapı malzemeleri için doğal kaynakların da tüketileceği unutulmamalıdır.
Çelik karayolu ve demiryolu köprüleri için geleneksel olarak uygulanan çeşitli güçlendirme yöntemleri mevcuttur. Fakat bu yöntemler, yapıya önemli miktarda zati ağırlık eklemenin yanı sıra zayıf yorulma mukavemeti ya da kesit kayıpları oluşmasına sebep olmaktadır. Ülkemizde ve dünyadaki geniş köprü envanteri düşünüldüğünde, mevcut köprülerin verdiği hizmetlerin aksamaması için efektif, ucuz ve hızlı bir güçlendirme yöntemine ihtiyaç vardır. Geleneksel güçlendirme yöntemlerine alternatif olarak; gittikçe ucuzlayan maliyeti, güçlü malzeme özellikleri ve kolay uygulanabilirliği ile karbon lifli polimer (CFRP) malzemelerle güçlendirme oldukça uygun bir yöntem olarak karşımıza çıkmaktadır.
Bu çalışmada; yapısal yetersizliği belirlenmiş, güçlendirme ihtiyacı olan korozyon hasarlı veya hasarsız çelik-betonarme kompozit kirişli köprüler için karbon lifli polimerler (CFRP) ile güçlendirme yöntemi ve bu köprülerin maruz kalacağı statik ve dinamik (tekrarlı) yükler altındaki yük-yerdeğiştirme ve yorulma davranışlarının incelenmesi ve iyileştirilmesi esas alınmıştır. Bu kapsamda deneysel çalışma yapılmış, analitik model geliştirilmiş ve ilgili yönetmeliklere göre köprülerin servis durumları incelenmiştir.
Deneysel çalışma kapsamında; malzeme deneylerinin yanı sıra yaklaşık 1/6 ölçekli numuneler ile dört noktalı yükleme altında, 6 adet statik ve 8 adet uzun süreli dinamik (yorulma) olmak üzere toplam 14 adet deney yapılmıştır. Tüm numuneler enine berkitme levhalarının çelik profilin başlıklarına ve gövdesine kaynaklandığı yorulma detayına sahiptir. Statik deneyler ile çukurcuk korozyonu hasarları ve CFRP güçlendirme uygulamalarının kirişlerin yük-yerdeğiştirme davranışına etkisi incelenmiştir. Dinamik deneylerde ise öncelikle hasarsız numunelerin yorulma davranışları incelenmiş, daha sonra çukurcuk korozyonu hasarları ve CFRP güçlendirme uygulamalarının bu davranışa etkisi belirlenmiştir.
Analitik çalışma kapsamında; statik yükler altında çelik-betonarme kompozit kirişlerin yük-yerdeğiştirme ve moment-eğrilik davranışlarının tahmin edilebilmesi amacıyla bir model geliştirilmiştir. Model korozyon hasarları ve CFRP güçlendirme uygulamalarını da içermektedir. Modelin daha kolay uygulanabilmesi amacıyla bir bilgisayar yazılımı hazırlanmıştır. CFRP plaka ile çelik kiriş arasındaki yapıştırıcının dayanımı için geliştirilmiş mevcut bir model, hazırlanan yazılıma aktarılmıştır.
Yönetmelik ve tasarım kapsamında ise ilgili yönetmeliklerde (AASHTO, 2002) (AASHTO LRFD, 2007) belirtilen tasarım ilkeleri ve yapılan bazı kabuller doğrultusunda, kompozit kirişlerin hareketli yük ve yorulma yükü kapasiteleri belirlenmiştir. Statik ve dinamik yükler altında çukurcuk korozyonu hasarları ve CFRP güçlendirme uygulamalarının bu kapasiteleri ne şekilde etkilediği ortaya konmuştur.
Çalışmada numuneler üç seriye ayrılmıştır:
Birinci seri numunelerde; enine berkitme levhalarının çelik profilin başlıklarına ve gövdesine kaynaklandığı yorulma detayına sahip çelik-betonarme kompozit kirişlerin yorulma davranışları incelenmiştir. Bu kirişlerde korozyon hasarları ve güçlendirme uygulaması yoktur. Bir statik (monotonik) ve dört dinamik (tekrarlı) olmak üzere toplam beş deney yapılmıştır. Monotonik deney ile numunelerin yük-yerdeğiştirme davranışı, dinamik deneyler ile yorulma davranışları belirlenmiştir. Yorulma deneylerinde numuneler farklı gerilme aralıklarında tekrarlı yüklere maruz bırakılmış ve gerilme aralığı-yük tekrar sayısı (S-N) verileri elde edilmiştir. Tekrarlı yüklemeler, ilgili yönetmeliklere göre yorulma kırılması olmasının beklendiği gerilme aralıklarında yapılmıştır. Bu seride, kritik yorulma bölgeleri olarak tanımlanan enine berkitmeyi alt başlığa bağlayan kaynağın ucunda (berkitme bölgeleri alt başlık üstü) çeliğin akma dayanımının %45’inin altında gerilme aralığına maruz bırakılan numunelerde yorulma hasarları ile karşılaşılmamıştır. Yorulma kırılması olan numunelerde yorulma çatlağı beklenildiği gibi berkitmeyi alt başlığa bağlayan kaynağın ucundaki kesitte; alt başlığın altında ya da kenarında oluşmuş ve bu çatlağın alt başlığı geçip gövde yüksekliği boyunca ilerlemesi ile numune göçmüştür. Yorulma deneyleri sonuçları bu detay tipi için ilgili yönetmeliklerdeki yorulma kategorileri ile kıyaslandığında, yönetmeliğin güvenli tarafta kaldığı görülmüştür. Deneysel çalışmadan elde edilen veriler literatürdeki kompozit olmayan çelik kiriş S-N verileri ile karşılaştırıldığında ise yüksek gerilme aralıklarında birbirine yakın sonuçlar elde edilmiş olmasına rağmen, daha düşük gerilme aralıklarında bu çalışmada daha yüksek yorulma dayanımı elde edilmiştir. Tekrarlı yükleme süresince sabit gerilme aralığı için numunelerin yerdeğiştirme aralıkları genel olarak artmış, buna bağlı olarak rijitlikleri azalmıştır. Fakat bu değişimler oldukça düşük seviyededir. Tekrarlı yükleme sırasındaki rijitlik değişimi, yorulma ömrü tayini için yeterli bir parametre değildir. Kritik yorulma bölgelerindeki şekildeğiştirme aralıklarında meydana gelen değişimler yorulma davranışında belirleyici olmaktadır. Tekrarlı yükleme sonunda yorulma kırılması olmayan numuneler artık dayanımının belirlenmesi amacıyla monotonik olarak yüklenmiş; bu yükleme sonunda rijitlik, akma dayanımı ve nihai kapasitede önemli bir azalma olmadığı görülmüştür. Çalışmada, tekrarlı yükleme sonunda yapılan monotonik deney sonuçları baz alınarak yönetmeliklerde belirtilen esaslar doğrultusunda, numunelerin hareketli yük ve yorulma yükü kapasitelerinin değişimi de belirlenmiştir. Buna göre tekrarlı yükleme sonunda akma dayanımındaki azalmaya paralel olarak numunelerin hareketli yük kapasitelerinde düşüşler olurken yorulma yükü kapasitelerinde önemli bir değişim olmadığı görülmüştür. Karşılaştırmalar tekrarlı yükleme uygulanmamış referans numuneye göre yapılmıştır.
İkinci seri numunelerde; çelik-betonarme kompozit kirişlerde oluşacak çukurcuk korozyonu hasarları ve CFRP güçlendirme uygulamalarının statik etkiler altında kirişlerin yük-yerdeğiştirme davranışını ne şekilde etkilediği incelenmiştir. Bu kapsamda beş adet statik deney yapılmıştır. Bunlardan dört tanesi monotonik bir tanesi ise tekrarlı (statik) yükleme deneyidir. Monotonik deneylerde korozyonlu, korozyonsuz, korozyonlu-güçlendirilmiş ve korozyonsuz-güçlendirilmiş numuneler, dört noktalı yükleme altında statik olarak yüklenerek; çukurcuk korozyonu hasarları ve CFRP güçlendirme uygulamalarının kirişlerin rijitliğini, akma dayanımını, nihai kapasitesini ve yük-yerdeğiştirme davranışını nasıl etkilediği ortaya konmuştur. Deneysel çalışmada, çelik profil alt başlığında oluşturulan çukurcuk korozyonu hasarlarının numunenin rijitlik, akma dayanımı ve nihai kapasitesini azalttığı görülmüştür. CFRP plakalar ile güçlendirme uygulaması ise kaybolan rijitliği ve dayanımı geri kazandırmanın yanı sıra elemanın eğilme performansını hasarsız numunenin üzerine çıkarmıştır. CFRP plakalar ile güçlendirilmiş kirişlerde akma dayanımı ve nihai kapasite önemli oranda artarken, kullanılan CFRP plakaların elastisite modülünün orta seviyede olmasından dolayı rijitlikteki artış daha az olmuştur. Güçlendirilmiş numunelerde monotonik yükleme sırasında öncelikle çelik profil akmış, daha sonra CFRP plakaların çelik profilden ayrılmasını takip eden betonarme tabliye ezilmesi ve donatı burkulması sonucu numune göçmüştür. CFRP güçlendirme uygulaması, numunelerin dayanımını arttırmış olmasına rağmen sünekliğini azaltmıştır. Çukurcuk korozyonu hasarları ise hem dayanımın hem de sünekliğin azalmasına neden olmuştur. Çalışmada korozyonlu, korozyonsuz, korozyonlu-güçlendirilmiş ve korozyonsuz-güçlendirilmiş çelik-betonarme kompozit kirişlerin yük-yerdeğiştirme ve moment-eğrilik davranışlarının tahmin edilebilmesi amacıyla analitik bir model geliştirilmiştir. Modelin daha kolay ve hızlı bir şekilde uygulanabilmesi için “CompCurv” adında “Visual Basic” tabanlı bir bilgisayar yazılımı hazırlanmıştır. Analitik model ile numunelerin akma dayanımı ve nihai kapasiteleri deneysel çalışmaya yakın olarak tahmin edilmekle beraber; rijitlik tahminlerinde daha yüksek değerler elde edilmiştir. Bu durumun analitik model kabulleri, betonarme tabliye ile çelik profil arasındaki muhtemel kaymalar, numunede oluşan yerel gerilme yığılmaları ve betonarme tabliyedeki rötre çatlaklarından kaynaklandığı düşünülmektedir. Numunelerin monotonik deney sonuçları baz alınarak ilgili yönetmeliklerde belirtilen esaslar doğrultusunda, hareketli yük ve yorulma yükü kapasiteleri belirlenmiştir. Buna göre korozyon hasarları, kirişlerin hareketli yük ve yorulma yükü kapasitesini azaltmış, CFRP güçlendirme uygulaması ise arttırmıştır. Numunelerin yorulma yükü kapasitelerindeki değişim, hareketli yüke göre daha az olmuştur.
Üçüncü seri numunelerde; enine berkitme levhalarının çelik profilin başlıklarına ve gövdesine kaynaklandığı yorulma detayına sahip çelik-betonarme kompozit kirişlerde oluşacak çukurcuk korozyonu hasarları ve CFRP güçlendirme uygulamalarının, kirişlerin yorulma davranışına etkisi incelenmiştir. Bu kapsamda bir adet hasarsız (korozyonsuz ve güçlendirilmemiş) numune, iki adet aynı korozyon hasarlarına sahip özdeş numune ve bir adet korozyonlu-güçlendirilmiş numune ile toplam dört yorulma deneyi yapılmıştır. Tekrarlı yükleme aralığı, hasarsız numunenin akma dayanımının yaklaşık %40’ı olarak belirlenmiştir. Tüm numunelere hasarsız numune ile aynı yükleme aralığında tekrarlı yükler uygulanmıştır. Tekrarlı yükleme sonunda, hasarsız numunede yorulma çatlağı oluşmazken, çukurcuk korozyonu hasarlı iki numunede de yorulma çatlağı ve kırılması görülmüştür. Çukurcuk korozyonu hasarları, yerel gerilme yığılmalarına neden olarak kritik yorulma bölgelerinde yorulma çatlağı oluşmasına sebep olmuştur. CFRP güçlendirme uygulaması ise aynı korozyon hasarlarına sahip numunede yorulma çatlağı oluşmasını engellemiştir. Çukurcuk korozyonu hasarlarından kaynaklanan ilave gerilmeler statik açıdan tolere edilebilir seviyede olmasına rağmen, tekrarlı yükleme durumunda yorulma hasarlarına neden olmakta ve köprünün hizmet ömrünü azaltabilmektedir. CFRP plakalar ile güçlendirme yöntemi, bu durumdaki köprülerin hizmet ömrünün arttırılması için uygun bir yöntemdir. Yorulma kırılması olan numunelerde ilk çatlak berkitmeyi alt başlığa bağlayan kaynağın ucundaki kesitte; alt başlığın altında ya da kenarında oluşmuş, bu çatlağın alt başlığı geçip gövde yüksekliği boyunca ilerlemesi ile numune göçmüştür. Tekrarlı yükleme süresince sabit yükleme aralığı için numunelerin yerdeğiştirme aralıklarındaki artış oldukça düşük seviyede kalmış; buna bağlı olarak rijitlikte önemli bir değişim olmamıştır. Tekrarlı yükleme sırasındaki rijitlik değişimi, yorulma ömrü tayini için yeterli bir parametre değildir. Kritik yorulma bölgelerindeki şekildeğiştirme aralıklarında meydana gelen değişimler yorulma davranışında belirleyici olmaktadır. Numunelerin S-N verileri, bu detay tipi için ilgili yönetmeliklerdeki yorulma kategorileri ile kıyaslandığında, yönetmeliğin güvenli tarafta kaldığı görülmüştür. Tekrarlı yükleme sonunda yorulma kırılması olmayan numuneler, artık dayanımlarının belirlenmesi amacıyla monotonik olarak yüklenmiş ve her numune kendisi ile aynı özellikleri taşıyan (malzeme, korozyon ve güçlendirme uygulaması açısından) tekrarlı yükler uygulanmamış numune ile karşılaştırılmıştır. Buna göre tekrarlı yükleme sonunda hasarsız numune ile korozyonlu-güçlendirilmiş numunenin rijitlik ve dayanım özelliklerinde önemli bir azalma olmadığı görülmüştür. CFRP güçlendirme uygulaması yapılmış kirişin tekrarlı yükleme sonundaki rijitlik ve dayanım kayıpları, güçlendirilmemiş numuneye oranla daha az olmuştur. Numunelerin tekrarlı yükleme sonunda yapılan monotonik deney sonuçları baz alınarak yönetmeliklerde belirtilen esaslar doğrultusunda hareketli yük ve yorulma yükü kapasiteleri belirlenmiş ve aynı özelliklere sahip tekrarlı yükler uygulanmamış numuneler ile karşılaştırılmıştır. Buna göre tekrarlı yükleme sonunda akma dayanımındaki azalmaya bağlı olarak numunelerin hareketli yük kapasitelerinde düşüşler olurken yorulma yükü kapasitelerinde önemli bir azalma olmadığı görülmüştür.
Tez çalışması beş bölümden oluşmaktadır:
Bölüm 1. Giriş: Bu bölümde tezin konusu, amacı ve kapsamı anlatılmış; çalışmada kullanılan yöntemler hakkında bilgiler verilmiştir. Numunelerin üç seriye ayrıldığı belirtilmiş; her serideki numunelerin amacı, kapsamı, mevcut çalışmalardan farkı ve literatüre olan katkısı açıklanmıştır.
Bölüm 2. Genel Kısımlar: Bu bölümde çelik üstyapı elemanlarına sahip mevcut karayolu ve demiryolu köprülerinin durumu, bu köprülerde güçlendirme ihtiyacı doğuran sebepler (yorulma, korozyon, artan taşıt yükleri vb.) ve bu konularda daha önce yapılan çalışmalar incelenmiştir. CFRP malzemeler ile güçlendirme kısmında ise yüzey hazırlığı, durabilite, yapıştırma işlemi, güçlendirme uygulamaları ve bu konularda yapılan çalışmalar hakkında bilgiler verilmiştir.
Bölüm 3. Malzeme ve Yöntem: Bu bölüm deneysel çalışma, analitik çalışma, yönetmelik ve tasarım olmak üzere üç kısımdan oluşmaktadır. Deneysel çalışmada; numunelerin tasarım özellikleri, imalatı, malzeme özellikleri, deney düzeneği, veri toplama sistemleri ve deney programı anlatılmıştır. Korozyon hasarları ve CFRP güçlendirme uygulamalarının detayları bu bölümde verilmiştir. Analitik çalışmada; malzeme modelleri, yapılan kabuller, modellemeye esas olan bağıntılar, korozyon hasarlarının modellenmesi, CFRP güçlendirme sisteminin modellenmesi ve yapıştırıcının davranışı anlatılmıştır. Ayrıca analitik modelin uygulanması için yazılan “CompCurv” bilgisayar programının özellikleri, kapsamı, veri girişi, kullanımı ve akış şeması verilmiştir. Yönetmelik ve tasarım kısmında ise ilgili yönetmeliklerdeki tasarım ilkeleri, yükler ve yük kombinasyonları, kesit ve dayanım kontrolleri ile yorulma limit durumu anlatılmıştır.
Bölüm 4. Bulgular: Bu bölümde deneysel çalışma, analitik çalışma ve yönetmelik ve tasarım kısımlarına ait sonuçlar verilmiştir. Deneysel çalışmada her üç seriye ait deney sonuçları verilmiş, numunelerde oluşan yerdeğiştirmeler ve deformasyonlar gösterilmiştir. Analitik çalışmada her serideki numuneler, analitik model esaslarına göre hazırlanan “CompCurv” bilgisayar yazılımı ile analiz edilmiş ve sonuçlar deney sonuçları ile karşılaştırılmıştır. Yönetmelik ve tasarım kısmında ise ilgili yönetmeliklerdeki tasarım esasları örnek bir numune üzerinde anlatılarak her serideki numunelerin deneysel çalışma ve yönetmeliğe göre yapılan tasarım sonucu bulunan hareketli yük ve yorulma yükü kapasiteleri belirlenmiştir.
Bölüm 5. Tartışma ve Sonuç: Bu bölümde çalışmadan elde edilen genel sonuçlar verilmiş; her serideki numunelerin deneysel, analitik ve yönetmelik ve tasarım sonuçları özetlenmiş, ileride yapılması önerilen çalışmalar anlatılmıştır.