EKSENEL YÜK ALTINDAKİ ÇELİK LİFLİ VE LİFSİZ ETRİYELİ BETONARME KOLONLARIN DAVRANIŞININ DENEYSEL VE ANALİTİK OLARAK İNCELENMESİ

DEÜ MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ FEN VE MÜHENDİSLİK DERGİSİ Cilt: 8 Sayı: 1 s. 65-85 Ocak 2006 EKSENEL YÜK ALTINDAKİ ÇELİK LİFLİ VE LİFSİZ ETRİYELİ BETONARME KOLONLARIN DAVRANIŞININ DENEYSEL VE ANALİTİK OLARAK İNCELENMESİ EXPERIMENTALLY AND ANALYTICAL INVESTIGATION OF AXIALLY LOADED TIED COLUMNS WITH AND WITHOUT STEEL FIBERS M.Yaşar KALTAKCI*, Ali KÖKEN*, Ülkü S.YIMAZ* ÖZET/ABSTRACT Bu çalışmada, eksenel yük altındaki çelik lifli/fiberli ve lifsiz/fibersiz etriyeli betonarme kolonların davranışı, hem deneysel hem de analitik olarak incelenmiştir. Deneysel bölümde 18 adet dikdörtgen kesitli etriyeli betonarme kolon eksenel yük altında test edilmiştir. Deney numunelerinin taşıma güçleri ile eksenel yük-boyuna birim kısalma ilişkisi elde edilmiştir. Analitik çalışmada ise, malzeme için geliştirilmiş olan matematiksel modellerden Saatcioğlu ve Ravzi, Sheikh ve Üzümeri ile Geliştirilmiş Kent ve Park Modelleri ayrıntılı bir şekilde ele alınmış, hesap esasları verilmiştir. Ayrıca, söz konusu bu matematiksel modeller kullanılarak deney numunelerinin analitik çözümü yapılmıştır. Elde edilen deneysel ve analitik sonuçlar karşılaştırılarak irdelenmiştir. In this study, the behaviour of axially loaded columns with and without steel fibers was investigated experimentally and analytically. In the experimental part, 18 rectangular reinforced concrete columns were tested under the axial load. Load carrying capacity and axial load-strain relationships of the specimens were obtained. In the analytical part, mathematical models (Saatcioglu and Ravzi, Sheikh and Uzumeri, Modified Kent and Park) which were derived for axially loaded column were investigated. In addition, the analytical solution which uses these mathematical models was carried out. Experimental and analytical results were compared and obtained results were discussed. ANAHTAR KELİMELER/KEYWORDS Eksenel yüklü kolonlar, çelik lifli beton, betonarme kolonlar için matematiksel modeller Axially loaded columns, concrete with steel fiber, mathematical models for R/C columns * Selçuk Üniversitesi, Müh. Mim. Fak., İnşaat Mühendisliği Bölümü, KONYA Sayfa No: 66 M. Y. KALTAKCI, A. KÖKEN, Ü. S.YIMAZ 1. GİRİŞ Kolonlar, yapı sistemindeki önemli taşıyıcı elemanlardır. Bu nedenle, betonarme kolonların davranışının ve taşıma gücünün bilinmesi oldukça önemlidir. Betonarme elemanların davranışlarının gerçekçi olarak belirlenebilmesi için, betonun gerilmeşekildeğiştirme ilişkisinin iyi bilinmesi önem taşır. Betonun gerilme-birim şekil değiştirme eğrisinin, çok sayıda değişkenden etkilendiği, bu nedenle her durum için geçerli tek bir eğrinin tanımlanmasının olanaksız olduğu bilinmektedir. Betonun gerilme-birim şekil değiştirme ilişkisi, enine donatı ile sarılması durumunda, sarılmamış duruma göre önemli farklılıklar gösterir. Sargı donatısının davranış üzerinde iki önemli etkisi vardır; bunlar basınç dayanımını ve sünekliği artırmasıdır. Sargılı betonun basınç gerilmeleri altındaki davranışının belirlenmesi amacı ile çok sayıda deneysel ve teorik çalışma yapılmıştır. Bu çalışmalara rağmen, mevcut deneysel veriler ile önerilmiş olan teorik modellerin verdiği sonuçlar arasında önemli farklılıklar görülebilmektedir. Bunun en önemli nedeni, sargılı betonun davranışını çok sayıda değişkenin etkilemesidir. Bu çalışmada, betonarmede kesit çözümlemesi yapmak üzere çeşitli araştırmacılar tarafından önerilmiş olan sargılı beton gerilme-birim şekil değiştirme ilişkileri ve uygulamalı örneklerle bazı modellerin karşılaştırmaları sunulmaktadır. Sargılı betonun davranışı, enine donatı hacimsel oranı, aralık, çap ve dayanımı, boyuna donatının kesit içinde dağılımı, beton basınç dayanımı, yükleme hızı ve biçimi gibi pek çok değişkenden etkilendiği için, bu değişkenlerin geniş aralıklarda farklı değerler almaları durumunda geçerliliğini koruyacak davranış modelleri belirlemek oldukça zordur. Önerilen modellerin ortak amacı, sarılmış betonun davranışını farklı durumlar için gerçeğe yakın şekilde yansıtmak ve kullanılan bağıntıların fazla karmaşık olmamasıdır. Çalışmada, Saatcioğlu ve Ravzi, Sheikh ve Üzümeri ile Geliştirilmiş Kent ve Park Modelleri kullanılarak, farklı özelliklerdeki 18 adet betonarme kolon numunesi için elde edilen sargılı beton eksenel yük-boyuna birim kısalma grafikleri, deneysel veriler ile karşılaştırmalı olarak verilmiştir. Karşılaştırmalarda göz önüne alınan deneysel çalışma, Selçuk Üniversitesi, Mühendislik- Mimarlık Fakültesi, İnşaat Mühendisliği Bölümü, Yapı Laboratuvarında gerçekleştirilmiştir. Söz konusu çalışmada, çelik lifli ve lifsiz aynı kalitedeki normal agregalı hazır betondan üretilmiş, değişik kalitede çelik donatı içeren ve farklı etriye aralıklarına sahip kare enkesitli kolonlar eksenel basınç altında denenmiştir. 2. DENEYSEL ÇALIŞMA Bu çalışmanın deneysel bölümünde, 18 adet çelik fiberli/lifli ve fibersiz/lifsiz etriyeli betonarme kolon eksenel yük altında test edilmiştir (Yılmaz, 2001; Kaltakcı ve Yılmaz, 2003). 2.1. Kullanılan Kolon Numunelerinin Özellikleri Kolonların üretiminde kullanılan normal betonların tamamı, hazır beton santralinde hazırlanarak, mikser yardımıyla karıştırılmıştır. Önceden sunta ile hazırlanan tüm kolon kalıpları hazır beton santraline götürülmüştür. Kolonlarda kullanılan donatılar, yine aynı hazır beton tesisinde bulunan hazır demir atölyesinde kesilerek bağlanmıştır. Deneyler için üretilen kolonlarda, beton için seçilen malzeme kalitesi C20 (fck=200 kg/cm2), donatıda ise S220 (fyk=2200 kg/cm2) ve S420 (fyk=4200 kg/cm2)’dir. C20 betonu, 350 kg/m3 çimento dozajlı ve su/çimento oranı (E/C)=0,49 olacak şekilde üretilmiş olup; çelik lifsiz ve değişik oranlarda çelik lifli betonlar için üçer adet beton numunesinin 28 günlük Fen ve Mühendislik Dergisi Cilt : 8 Sayı : 1 Sayfa No: 67 ortalama basınç dayanımı (fcm,28) kullanılmış ve değerler Çizelge 1’de verilmiştir (Yılmaz, 2001). Numunelerde kullanılan boyuna ve enine donatılar için ise, üçer adet numuneden elde edilen anma çapları, ortalama deneysel akma dayanımları (fsy, fswy), ortalama kopma dayanımları (fsu, fsuw) ve kopma uzamaları Çizelge 2’de verilmiştir. S220 ve S420 sınıfı donatıdan ayrı ayrı imal edilen kolon numuneleri, kendi içinde etriye sıklaştırması yapılmış ve yapılmamış olmak üzere ikiye ayrılmaktadır (Yılmaz, 2001). Çizelge 1. Kullanılan beton karışımlarının özellikleri Numune No Beton türü Beton sınıfı Nçelik lifsiz Nçl,20 kg/m3 Nçl,40 kg/m3 Nçl,60 kg/m3 Çelik lifsiz 20 kg/m3 Çelik lifli 20 kg/m3 Çelik lifli 20 kg/m3 Çelik lifli C20 C20 C20 C20 Dozaj (kg/m3) 350 350 350 350 (E/C) 0.49 0.49 0.49 0.49 fcm,28 (kg/cm2) 204 208 245 232 Çizelge 2. Kullanılan donatı çeliğinin çekme deneyi sonuçları Anma Donatı Donatı çapı çapı sınıfı (mm) (mm) 8 12 8 12 S220 S220 S420 S420 8.1 11.76 7.74 11.6 Akma dayanımı fyk (kg/cm2) Kopma dayanımı fsu (kg/cm2) Min. 2200 2200 4200 4200 Min. 3400 3400 5000 5000 Deneysel 2680 2669 4400 4486 Deneysel 3400 3465 6000 6400 Akma Kopma birim birim uzaması uzaması (εsu) (εsy) Teorik Deneysel 0 (...truncated)