Tek Yönlü Karbon Fiber (CFRP)

Güçlendirmenin amaçları:

Genel olarak güçlendirmede amaç, yapının deprem olmak üzere her türlü kuvvete karşı dayanımını arttırmaktır. Elbette güçlendirmenin amacı her zaman yapının depreme karşı direncini artırmak değildir ve kullanım değişikliği, malzeme kalitesinin düşmesi gibi başka nedenleri de olabilir. Bina güçlendirme iki tip binada yapılabilir:

Mevcut ve kullanımda olan binalar
Depremde hasar gören binalar
Mevcut binaların yıkılması ve yeni binalarla değiştirilmesi çok maliyetli ve zaman alıcı olduğu için, binaların güçlendirilmesinin önemi her geçen gün arttırır.

Binada güçlendirme gerekenleri:

Aşağıda, bunlardan herhangi biri olması durumunda, bir bina güçlendirme uygulama ihtiyacı bulduğumuz durumlardan bahsediyoruz:

Eski binalardaki hasarlar:
Binalarda en sık karşılaşılan durumlardan biri de binanın kullanım süresi içerisinde hasar ve kusurların ortaya çıkmasıdır. Bu hasarlar yapılarda farklı şekillerde görülebilirler. Betonun segregasyonu, normal olmayan çatlaması, kiriş, kolon ve çatılarda donatıların korozyonu, beton binalarda sık ve sık olan arızalar arasında sayılabilir, ancak bu durumların pek çoğu kolaylıkla tespit edilemiyor ve bunun için çekirdek testi, inşaat demiri taraması dahil olmak üzere beton test yöntemleri gerekiyor.

Yürütme hatalar:
Güçlendirme uzmanları tarafından kontrol edilmesi gereken en önemli şeylerden biri, inşaat aşamasında hatalardır. Bu hatalar, beton test numunelerindeki zayıflık, beton tasarım dayanımının mevcut dayanımla farklı olması, kiriş ve kolonların bükülmesi, betonun segregasyon olması gibi farklı binalarda birçok farklı şekilde meydana gelebilir.

Binanın kullanımının değiştirilmesi:
Binaların kullanım amacını değiştirmek oldukça yaygın bir durum, bu işi yapmadan önce binanın uzmanlar tarafından baştan sona incelenmesi gerekiyor. Binanın kullanım amacındaki değişiklik, yapının tasarlanmadığı yapı elemanlarında yeni kuvvetlere neden olur ve bunların oluşması kiriş, kolon ve… taşıyıcı elemanların kırılmasına ve ağır hasar görmesine neden olabilir. Bu durumlarda, deneyimli mühendis mevcut yapıyı tam olarak değerlendirmesi ve kullanımının değiştirilmesinin imkânını gerçekleştirmesi gerekir, böylece nihai olarak yüksek dikkat ve tüm ayrıntılara sahip bir tasarım sunulur.

Kusurların zamanında tespiti ve doğru çözümün seçilmesi, inşaat maliyetlerini büyük ölçüde azaltır. Bir yapının güçlendirilmesi veya onarımı için uygun olmayan bir yöntemin seçilmesi durumu daha da kötüleştirebilir, bu alanda deneyimli ve uzman kişilerden yardım almak gerekir.

Çeşitli güçlendirme çözümleri olduğu gibi, işverenler bina güçlendirme konusunda da çeşitli seçeneklere sahiptir ve projelerinde uygulamak için tüm bu yöntemlerden birini seçmek zorundalar. Tek yönlü karbon fiber ile güçlendirme, her geçen gün daha yaygın olan bir yöntemdir. Peki tek yönlü karbon fiberlerle güçlendirmenin yaygınlaşmasının en önemli sebepleri nelerdir?

Yüksek direnç
Düşük ağırlık
Elektrik iletken olmaması
Maliyetlerde azalma
Ve…
Ayrıca, çelik ve beton mantolama gibi diğer yaygın güçlendirme yöntemlerinin bina için yarattığı, ağırlık artması, mimari değişmesi ve binanın kullanan altyapısının azaltması, binanın bir uzun süre kullanılmaması, artan maliyetler ve… Korozyon gibi sorunların tekrarlanması, tek yönlü karbon fiberler kullanılarak bunlar olmayacak ve güçlendirmenin faydalarına katkıda bulunur.

Genel olarak yapıların güçlendirmesi, yapının taşıma gücünü artırmak, korozyon ve erozyondan kaynaklanan eksiklikleri iyileştirmek, yapının şekil değiştirebilmesini artırmak, yapının kullanım değişikliği ihtiyacını, Tasarım ve uygulama hatalarını iyileştirmek amacıyla yapılır.

Tek yönlü karbon elyaflar veya tek yönlü karbon fiberler, korozyona dayanıklı ve yüksek çekme dayanımına sahip ve hafif olmaları güçlendirmenin amaçlarından biri olan, güçlendirme ve sismik iyileştirme projelerinde kullanılması artıyor.

Güçlendirme projelerinin yapılabilmesi için, elemanların mevcut taşıma kapasiteleri, kusurları ve sorunları, yapıya ait dosyaları, mevcut belge ve haritalar gibi yapının mevcut durumunun eksiksiz olarak incelenmesi gerekiyor.

Tek yönlü karbon fiberlerle güçlendirme tasarımının genel ilkeleri
Genel ilkeler ve tasarım yöntemler, kabul edilebilir bir performans ve güvenlik seviyesi sağlamak için LRFD dayanmaktadır ve FRP kompozitleri hakkında beton gibi diğer mevcut malzemelere göre daha az bilgi sahibi olunması nedeniyle, mukavemet azaltma katsayılarının uygulanması gerekmektedir. Tasarım güvenilirlik faktörü 3,5’tan büyük olacak şekilde. Ayrıca mevcut malzemelerin basınç dayanımı, elastisite modülü gibi özelliklerinin çekirdek testi, ultrasonik test gibi testlerin yapılması gibi testlerle ölçülmesi de gereklidir.

Tek yönlü karbon elyafların performansları

Tek yönlü karbon fiberin çekme performansı

Direkt çekme yüklemesinde, karbon fiberler kırılmadan önce herhangi bir yoğruk davranış sergilemezler. Malzemelerin çekme davranışı, kopma aniden meydana gelene kadar doğrusal bir elastik gerilme-gerinim ilişkisi ile karakterize edilir. Malzemelerin çekme dayanımı ve sertliği çeşitli faktörlere bağlıdır. elyaflar, FRP kompozitlerde yük taşımada önemli bir rol oynadığından, elyafların türü, yönelimi ve miktarı, gerilme özelliklerinde en önemli rolü oynar.

Tek yönlü karbon fiberlerle güçlendirilmiş elemanların basınç davranışı

Dış kaplama görevi yapan tek yönlü karbon fiber, basınç takviyesi olarak kullanılmamalıdır. Ama kolonlarda, basınca dayanıklı elyafın çevreleyici davranışından dolayı, kolonun kapasitesi artar.

Değerlendirme ve yeterlilik

FRP sistemini değerlendirmek için elyafın oryantasyonuna, katman ayrımının ve yüzeye yapışmanın varlığına, katmanların oryantasyonuna ve… bakmak gerekir. Ayrıca tasarım planlarına uygunluğu veya uygunsuzluğu gözetmen tarafından kontrol edilmelidir ki bu durumda gözetmenlerin bazı görevlerinden bahsedeceğiz.

Projelerde tek yönlü karbon fiber kullanmak için, bu malzemelerle ilgili laboratuvar bilgilerine göre kontrol edilmelidir. Laboratuvar bilgileri tedarikçi firma tarafından sağlanması gerekiyor.

CFRP kompozitlerin montajı ve mukavemetli olduktan sonra, karotlu numuneler üzerinde (pull-off testi) yapılır ve betonda ayrılma ve kopma olması için yapıştırıcının mukavemeti 1,4 MPa’dan fazla olması gerekir. Mukavemetin belirtilen değerden düşük olması veya FRP sisteminin betondan ayrılması sistemde problemlerin olduğunu ve karbon fiberin beklenen performansı sağlayamayacağını gösterir.

Kurulan fiberleri değerlendirmek için, bahsettiğimiz başka şeyler de dikkate alınmalıdır:

Fenomen ayrılık oluşumu

Katmanların oryantasyonu çok önemlidir ve belirlenen yönden 5 derece kadar kaymanın varlığı direncin düşürülmesinde büyük etki yapılır.
Reçine ile kullandıktan sonra kalınlığı
Fiber ek uzunluğu
Ve…

Tek yönlü karbon elyaf uygulama detayları yapının geometrisine, çalışma yüzeylerinin düzgünlüğüne ve… bağlıdır ve müteahhitlerin FRP malzemelerini danışman mühendis tarafından açıklanan özelliklere uygun mesela elyaf türü, reçine türü, katman sayısı, uygulama yöntemi ve… gibi Güçlendirme işlemini olarak kullanması gerekir.

Tek yönlü karbon elyaflarının uygulama adımları

Karbon fiber takviye sistemlerinin uygulanması, istenilen kaliteye ulaşmak için aşağıdaki adımlara göre ve dikkatli bir şekilde yapılmalıdır.

Beton tamiri ve işin hazırlanması

CFRP kompozitin bütünlüğünde sorun oluşturabilecek ana beton ve betondaki tüm kusurların, elyaf uygulanmadan önce ve ayrıca donatıların korozyon ve paslanma olasılığının olduğu durumlarda ilk betonda, Korozyonun etkileri ve birikintiler temizlenir ve hasarlar onarılır.

Reçinelerin Karıştırması

Reçinelerin karıştırılması projenin teknik datasheet’e göre imalatçının tavsiye ettiği prosedüre göre yapılmalıdır. Reçinenin tüm bileşenleri, malzeme monton bir duruma gelene kadar doğru sıcaklıkta ve yeterli miktarda karıştırılmalıdır.

FRP elyafın kurması

Çalışma yüzeyinin hazırlanmasından sonra sıra, farklı yöntemleri olan ve kurulum yönteminin danışman tarafından belirlenmesi gereken FRP elyaflarının kurulumuna gelir. Aşağıda, FRP fiber kurulum yöntemlerinin türlerinden bahsediyoruz:

Tek yönlü karbon fiberlerin kurulum farklı yöntemler

Tek yönlü karbon fiber ıslak yapıştırma sistemi

Bu yerleştirme yönteminde fiber sistem kuru veya reçine almamış şeklinde elle kurulur. Elyaflar, verimli ve doymuş reçine malzemeleriyle ayrı bir işlemde doyurmayabilir ve ardından beton yüzeyinde yerleştirilebilir.

Önceden karıştırılmış elyaf sistemi

Tek yönlü ön karıştırılmış sistemler fabrikada reçine ile karıştırıyor, ancak reçine kürlenmez. Bu elyaflar, ek reçineli veya reçinesiz yüzeylere yapıştırılır ve yerinde kürlenir.

Danışman ve üretici tarafından belirtilen yukarıdaki durumlardan herhangi birine uyulmaması, sistemin yük kapasitesinde zayıflamaya neden olur ve bazı durumlarda elyaflar yüzeyden ayrılır.

Köşelerin iç yüzeylerine tek yönlü karbon elyafı yapıştırmasını mümkün olduğunca yapmayın ve yeterli gelişme uzunluğu olmasını sağlayın.
Ek alanlarında overlap uygulanmalıdır.

FRP sisteminin uygulanmasından sonra kalite kontrol (QC) birimi tarafından kalite güvence ve kontrol programlarının uygulanması gerekmektedir. Kalite kontrol, birkaç gerekli inceleme ve test yapılmalıdır.

Kalite kontrol müfettişleri, FRP sistemine ve uygulaması ve kurulduğuna tam olarak tanık olmalı ve tek yönlü karbon fiber sistemin kurulum sırasında, aşağıdakileri içermesi gereken günlük kontroller yapmalıdır:

Ortam sıcaklığı, bağıl nem ve hava koşulları
Yüzeylerin kuru olmasının miktarı
Yüzey hazırlama yöntemleri
Reçinelerin sertleşme sürecini gözlemlemek
Herhangi bir katman ayrımının yeri ve boyutu veya hava kabarcıklarının varlığı
Ve…
Ayrıca, kalite kontrol grubu, uygulanan CFRP kompozitini periyodik olarak incelemeli ve değerlendirmelidir.

FRP sistem değerlendirme yöntemleri:

Genel değerlendirmeler:

Genel görsel kontroller ile her türlü renk değişikliği, elyaf ayrışması, çatlama ve… incelenir, bu faktörlerin her birinin varlığı sistemdeki zayıflığı ve yanlış uygulamayı gösterir. FRP kompozit malzemelerin doğası gereği mümkün olduğu kadar hiç veya çok nadiren onarılması gerekir, bu nedenle genel olarak FRP malzemelerle kaplanan yüzeylerin kontrol edilmesi gerekir.

FRP sistemlerinde yaygın olarak görülen arızalardan biri, çok tehlikeli bir arıza olan kompozit malzemelerin betondan ayrılmasıdır ve bu durumda FRP sistemi etkisizdir. Bu nedenle kompozit malzemelerin betondan ayrılması değerlendirilmelidir. Bu durumu tespit etmenin en iyi yolu, standartların gereği belirli aralıklarla yapılması gereken pull-off testi yapmaktır ve tek yönlü karbon fiberlerin beton yüzeyinden ayrılması durumunda incelenen yapının danışman tarafından yeniden incelenmeli ve ona göre bir değiştirme yöntemi belirlenmelidir. Kompozit malzemelerde küçük hasarlar tespit edilirse, malzemeye daha fazla zarar vermemeye dikkat edilerek reçine enjeksiyonu gibi yöntemlerle tamir edebiliriz. Büyük ölçekte pullanma veya tabakaların ayrılması gibi genel ve daha önemli hasarlar meydana gelirse, yapıştırıcı ve kompozit malzemelerin o yerden ayrılması gerekebilir. Yeterince geniş bir alanda arızalı malzeme beton yüzeyden kaldırılır ve çıkarılan kısım tekrar yeni malzeme ile kapatılır.

Uzun süreli değerlendirmeler:

Değerlendirme sistemine göre tüm yapı elemanlarında olduğu gibi tek yönlü karbon fiber ile donatı sisteminin de değerlendirmesi gerekiyor. Köprüler için bu tür önlemler genel olarak yılda bir ve ayrıntılı olarak altı yılda bir uygulanır, ancak binalarda düzenli denetimler nadiren yapılır. Bina kalite kontrol mühendislerinin, takviyeli elemanların düzenli olarak denetlenmesinde uzman olması ve CFRP kompozitleri ile güçlendirilen binalarda, takviyeli elemanlar için düzenli olarak değerlendirme edilmesi gerekir.