Kolon güçlendirmede yenilikçi çözüm: Çelik Çekirdekli Karbon Kompozit

Yapısal güçlendirme alanında 90’ların başından itibaren kullanılan karbon malzemeler Türkiye’de 1999 Gölcük depreminden sonra yaygınlaşmaya başlamış, öyle ki lifli polimerlerle güçlendirme sistemleri (FRP) ülkemizin inşaat yönetmeliklerine de girmiştir. Ancak yapılara önemli ölçüde deprem mukavemeti kazandıran bu lifli polimer yapılar ile gerçekleştirilen güçlendirme sistemlerinde, çözülmemiş, ihmal edilen ve iyileştirilmesi gereken alanlar da mevcuttur.
Lifli yapılardaki en sınırlayıcı nokta yalnızca lif yönünde kuvvet taşıyabilmesi ve dolayısıyla yapısal elemanların çekme kuvveti dayanımını artırırken kesme ve basınç kuvveti dayanımlarına yeterince katkı sunamıyor olmasıdır. Karbon lifler için bir diğer sınırlayıcı nokta da karbon liflerin çok kırılgan olması, kıvrılıp büküldükleri zaman da mukavemetinin büyük bir kısmını kaybetmeleridir.
Çekme, Kesme ve Basınç Yüklerini Taşıyan Güvenilir Çözüm
Lifli polimer yapılar lif doğrultusunda yük taşırken çelik her doğrultuda yük taşımaktadır. Çelik çekirdekli karbon kompozitler bu anlamda bir adım daha ileri giderek, geliştirilen Oriented Fiber Placement OFP prosesi ile özel olarak oryante edilmiş flement’lere sahiptir ve çeliğe göre çekme yük dayanımı artırılmış bir yapısal güçlendirme malzemesidir.

Çelik çekirdekli karbon kompozitler, betonarme ile birlikte uygulanmasalar dahi, tek başlarına bile burkulma boyunda birbirlerine bağlanırlarsa çok yüksek yük dayanımına sahip bir kolon haline gelebilmektedir. Betonarme kolon etrafına uygulandığındaysa burkulma boyu sorunu ortadan kalkmakta, mükemmel bir sistem çözümü haline gelmektedirler.
Kolon Kiriş Birleşim Noktalarındaki Süreklilik Sorununu Çözüyor, Sisteme Süneklik Sağlıyor
Betonarme kolonların güçlendirilmesi; yalnızca kesme, çekme ve basınç kuvvet dayanımlarının artırılması ile değil, aynı zamanda sistemin sünek davranabilmesi ve enerji sönümleyebilmesi için katlar arasındaki sürekliliğin sağlanmasıyla gerçekleştirilmelidir. Lifli polimer güçlendirme elemanları sarıldıkları kolonun kuşatılmışlık (confinement) etkisini korusalar da basınç ve kesme kuvvetleri için yeterli bir çözüm olamamaktadır.

Yapısal güçlendirmede sıklıkla kullanılan lifli polimer elemanlardan, sarma işlemiyle uygulanan karbon elyaf ve doğrusal alanlara uygulanan karbon plaka malzemeler için yapı davranışına önemli etkileri bulunan düğüm dediğimiz kiriş-kolon birleşim noktalarında imkansızlıklar ve engeller bulunmaktadır. Yeni nesil yapısal güçlendirme malzemesi çelik çekirdekli karbon plakalar bu imkansızlıkları aşmak için geliştirilmiştir.
Konuyu detaylıca ele almak için betonarme kirişlerde oluşan deplasmanlar üzerinden açıklama gerekmektedir. Yük altında eğilmeye çalışan bir kiriş düşünelim. Bu kirişin basınç ve çekme kuvvetlerinin etkisinde olduğunu bilmekteyiz. Bu noktada eğilme dayanımına yönelik yapılacak güçlendirme için karbon plakalar sıklıkla tercih edilebilmekte, çekme donatısı görevini layıkıyla yerine getirebilmektedir. Ancak yük altındaki bu kirişe etki eden momentin haricinde kesme kuvvetleri mevcuttur. Kesme dayanımı için kirişin tamamına sarılmış karbon elyaf uygulaması gerçekleştirmek gerekmektedir ancak bu uygulama pratikte mümkün değildir. Çünkü döşemeyi kesme veya elyafları liflerin oryantasyonunu bozmadan döndürebilme şansımız bulunmamaktadır.
Kolon kiriş düğüm noktalarında iki kolon arasındaki süreklilik, sistemin sünek çalışabilmesi ve maksimum enerjiyi sönümleyebilmesi ve yapının deprem yükleri altındaki performansının artması için önemli bir etkendir. Çelik çekirdekli karbon kompozitler döşemeyi delip geçerek katlar arası süreklilik sorununu çözmektedir.
Kolonda Kuşatılmış Alanı Maksimuma Çıkıyor
Malzemeler yük etkisi altında şekil değiştirmekte, kısalıp genişlemektedir. Malzemenin eninin genişlemesini engellersek teoride malzemeye sonsuz yük taşıtabilmekteyiz. Betonun yük deformasyon grafiğine (stress strain) baktığımızda Görsel1’deki gibi bir grafik çizmektedir. Betonun kırıldığı nokta üstündeki maksimum yükte değil maksimum deformasyonda olmaktadır. Eğer bu deformasyonu göstermesini engellersek de teorik olarak istediğimiz kadar yük taşıtabilmekteyiz.

Yapısal güçlendirmede kolon yük dayanımını ve sünekliğini artırma uygulamaları bu temel prensibe göre şekillenmektedir. Kolonun kuşatılmış alanını genişletme amacıyla etrafını bir etriye gibi sarmak için genellikle karbon elyaf sarma uygulaması yapılmaktadır. Bu direkt olarak basınç yükünü karşılamasa da kuşatılmışlık prensibi nedeniyle, yani ikincil bir etkiyle, bu avantajı sağlamaktadır.
Dairesel kolonlarda çokça kullanılan bir yöntem olan spiral sarımlı donatılar, betonun içinde yer alan düşey demirlerin etrafına spiral olarak kesintisiz şekilde sarılmış bir etriye mevcudiyetidir. Bu betonun yük deformasyon diyagramında önce betonun, deplasmanlar arttığında ise spiral etriyenin yük taşımaya başladığı görülmektedir. Ancak deformasyon arttıkça betonun yük taşıyan alanı yalnızca kuşatılmış (confine edilmiş) alan olacaktır. Görsel2’de spiral sarımlı donatıyla güçlendirilmiş betonun kuşatılmış alanını görmekteyiz.

Ancak kolonlarımız genellikle karedir ve üzerine basınç yükü geldiğinde içeriden dışarıya doğru sistem şişmeye, aslında daire formuna ulaşmaya çalışmaktadır çünkü sistem daire formunda mükemmel çalışacaktır. Kare formdaki kolonda etriye aslında sadece köşe noktalarında tam anlamıyla çalışmakta çünkü ancak köşe noktalarda etriyenin bileşke kuvveti içeriden gelen basıncı karşılayabilmektedir. Bu durumda kesit olarak baktığımızda Görsel3’teki gibi bir kuşatılmış (confine edilmiş) alan ortaya çıkmaktadır.

Bu dörtgen kolonu karbon elyafla sardığımızda kuşatılmış (confine edilen) alan büyümektedir. Artık donatı kolonun dışında olduğuna göre kuşatılmış (confine edilmiş) alan iç donatının olduğu noktadan dışarıya doğru taşınmıştır. Kolonun basınç yükü dayanımını kuşatılmışlık ilkesiyle dolaylı yoldan artırmış, şişmesini ve patlamasını engellemiş duruma gelmekteyiz.
Çelik çekirdekli karbon kompozitler, kare kolonların köşelerine uygulanmakta, karbon elyaf sarma uygulamasındaki köşe noktalarına kıyasla köşeden yanlara doğru uzanan yüzey alanını da içine alacak şekilde çalışan kuşatılmış alan oluşturmaktadır. Görsel4’te, Görsel2 ve Görsel3’e göre artan kuşatılmış alanı rahatlıkla görebilmekteyiz.

Sonuç olarak çelik çekirdekli karbon kompozitler ile yapılan güçlendirmelerde kolonlara doğrudan bir basınç mukavemeti kazandırılırken, kuşatılmışlık etkisi de arttırılarak kolonların sünekliği çok daha yüksek bir noktaya taşınmaktadır.
Çelik çekirdekli karbon kompozitlerin montajının ardından karbon elyaf ile sarma işlemi yapılmakta, güçlendirme uygulaması tamamlanmaktadır. Bu uygulamada en önemli detay çözümlerinden birisi de döşemelerin delinerek katlar arasındaki sürekliliğin sağlanmasıdır. Bu sayede taşıyıcı sistemde moment kapasitesi ile birlikte kesme ve basınç mukavemeti artırılmakta, süreklilik ve süneklik sağlanarak depreme daha dayanıklı bir hale getirilmektedir. Öte yandan tüm bunlar elde edilirken yapı elemanları rijitleştirilmediğinden, binaların genel sistem çözümlerinde de bir değişiklik olmamaktadır. Bu da münferit yapı elemanlarına müdahale şansı vermektedir.