Epoksili Ankraj Donatı Çeliği İle Filiz Ekimi

EPOKSİLİ ANKRAJ DONATI ÇELİĞİ  İLE FİLİZ EKİMİ VE BU TESTLE İLGİLİ ŞARTNAMELERİN KARŞILAŞTIRILMASI – AHMET ÖZÜRÜN – Medeniyet Mühendisleri (28/01/2016)

Medeniyet Mühendisleri

Sanat yapıları ,liman, su-arıtmaları , baraj gibi özel projelerde sürekli iç içe olduğumuz birçok anlarlarda ,   epoksili ankraj  donatı çeliği filiz  ekimini  proje gereği karşılaşmaktayız.Hatta deprem bölgesi olan ülkemizde orta hasarlı güçlendirme projelerinde  kaçınılmaz olarak donatı çelik filiz ekimi  kullanmaktayız. Epoksili ankraj donatı çelik çekme testi nasıl yapılmalıdır.Nelere dikkat edilmelidir.? Bu konuda TSE 708,TSE 500 ve DBYBHY’e 2007 ve diğer kaynaklara birlikte inceleyelim.

A.)   Türkiye yönetmelikleri;

-TSE 708 göre;

Rm/Re=Demir kalitesi(Çizelge 3)
Nd=As*Rm(mm/kN)

TSe 708(2010) bakıldığı zaman ‘’beton konik kopması , beton parçalanması,göçmesi’’  gibi bir çalışma olmadığını görüyoruz.Bir güçlendirme yapıda beton sınıfı ile ilgili bir çalışma yapılamadığı halde  sadece çelik için yapılan bir çalışma bizi ne kadar doğruya götürecektir?Özelikle güçlendirmeli yapılarda beton basıncları çok düşük olan orta hasarlı yapılarda neye göre donatılı filiz çekme  kuvveti  alınmalı ve  ne kadar sağlıklı olacaktır..Beton sıyrılması veya kopması karşısında donatı çeliğin  çekme kN ne olacaktır.?

-DBYBHY’e 2007  Deprem yönetmeliğine göre

2007 yılında  ilave edilen  7. bölümle birlikte ankraj  donatı çeliğin çubuklarının kesme tasarımında yönetmeliğimiz olan 7.10.5.1 ‘de;’’ En küçük ankraj çubuğu 16 mm,en az ankraj derinliği çubuk çapının on katı ve en geniş çubuk aralığı 40 cm olmalıdır.’’

-TS-500’deki;

Sürtünme kesmesi esaslarının kullanılması gerektiği belirtilmektedir.  
İncelediğimizde;

Burada;

Vr=kesme kuveti
Awf: Birleşme düzlemine dik doğrultuda düzenlenmiş donatı çubuklarının toplam alanı
fyd: Boyuna donatı hesap akma dayanımı
μ: Sürtünme katsayısı şeklinde ifade edilmiş olup, sürtünme katsayısı değeri TS500 de şu şekilde tanımlanmıştır:
μ= 1.4 — Bir döküm beton (monolitik)
μ= 1    — Sertleşmiş beton ile yeni betonun birleştiği yüzeylerde pürüzlendirilmiş yüzey (pürüz ≥ 5 mm)
μ= 0.6 — Pürüzlendirilmemiş yüzey
μ= 0.7 — Çelik profil ve betonun birleştiği yüzeylerde

Kesme kuvvetinin donatıda çekme oluşturması durumunda;

Kesme kuvvetinin basınç oluşturması durumunda;

    Burada;
αf: Kesme sürtünme donatısının kesme düzlemi ile yaptığı dar açı
fcd: Beton tasarım basınç dayanımı (25 Mpa’dan büyük alınamaz.)
Ac: Kesit alanı
    şeklinde ifade edilmektedir.

Fakat çekme için ankraj çapı alt sınırı olarak 16 mm, ankraj gömülme derinliği alt sınırı olarak çubuk çapının 10 katı ve en geniş çubuk aralığı için ise 40 cm kısıtlamaları getirilmektedir. Bunun yanında ankraj çapı için bir üst sınır ve ankraj aralığı için bir alt sınır belirtilmemiştir. Ayrıca ankrajların serbest kenardan uzaklıkları için bir alt sınırdan da bahsedilmemiştir. Betonarme perde ile mevcut çerçeve ve betonarme perde ile temel arasındaki yük aktarımını sağlayan ankrajlarda farklı hasar şekilleri dikkate alınmaksızın sadece donatı kapasitesine bağlı bir tasarımın yanıltıcı sonuçlar verebileceği gözden kaçırılmaması gereken bir gerçektir. Özellikle beton dayanımının düşük olması durumunda bu şekilde yapılacak yanlış bir ankraj tasarımı tüm sistemin performansını olumsuz etkileyebilir. Bu sebeple düşük dayanımlı betonlara ekilen kimyasal ankrajların performanslarının araştırılması hayati öneme sahip bir konudur. Ankraj çekme dayanımının belirlenmesi için ACI 318  farklı göçme şekillerinin dikkate alındığı bir yaklaşım benimsenmiştir. Diğer yandan, Deprem Bölgelerinde Yapılacak Binalar Hakkında Yönetmelik (2007)’de ve TS500 de ankrajların çekme tasarım dayanımlarının belirlenmesi konusunda herhangi bir  hüküm verilmemiştir.

B-)Ülkemizde ki üniversitelerin yaptığı çalışmalar ise ;

Elimizden geldiği kadar inceleme yaptığımızda İTÜ öğretim görevlilerin çalışmaları aşağıda görmekteyiz.

Ankraj kuvveti;
Nd=fyd.As

Ankraj  filizlerin tahkiki;
σ=V/2.ƪ

Beton  kayma gerilmesi tahkiki;
Ґ=V/As

Ґ=Kayma gerilmesi
V=taban kesme kuvveti
Nd=Eksenel kuvvet,
fyd=Boyuna donatısının akması
As=Kesit alanı
 σ   = Yapı çeliğinin akma gerilmesi,
Ncb= Eksenel çekme kapasitesi,
ƪ=uzunluk

Sizlerinde  veya hocalarınızın bu konuyla ilgili paylaşımları , makalesi varsa forum sayfasında paylaşırsanız çok daha keyifli bir çalışma olacaktır.

C.)Amerikan Betonarme şartnamesini( ACI-318) incelediğimizde;

Çekme etkisi altındaki kimyasal ankrajlar, göçme mekanizmalarının oluşumuna göre beş şekilde sınıflandırılabilirler (Cook 1993, Eligehausen vd., 1984, ACI355, 2007)
 Bunlar;

1. Ankraj donatısının kopması
2. Ankraj donatısının sıyrılması
3. Betonun konik kopması
4. Konik kopma ve sıyrılmanın birlikte oluşumu
5. Betonun yarılarak göçmesi

Ankraj donatısının kopmasına, küçük donatı çaplı ankrajlarda ve yüksek beton dayanımına sahip ya da derin ankrajlarda rastlanır (ACI355, 2007). Bu göçme tipi ankrajın göçme yükünün üst sınırını belirler. Delik cidarında yapışma dayanımın aşılması ile sıyrılma gerçekleşir (Eligehausen vd., 1984, Goto vd., 1993). Sıyrılma yükü; Kullanılan kimyasal ve betonun özelliklerine ve birbiri ile etkileşimine bağlıdır (Peier, 1983). Malzemenin yapışma dayanımının yetersiz olması, kötü kür, tozlu yüzeyin temizliğinin yetersizliği gibi durumlarda sıyrılma görülür (Cook, 1993). Sıyrılma tipi göçme sonucu büyük çatlaklar görülmez (Goto vd., 1993).

Yeteri kadar derin olmayan ankrajlarda betonun çekme gerilmelerini karşılayamadığı durumlarda konik kopma biçiminde göçme mekanizmasına rastlanır. Daha derin ankrajlarda ise sıyrılma ve beraberinde konik kopma biçiminde göçme görülür. Kılcal çatlakların koni biçiminde oluşmaya başlaması ile yapışmaya çalışan boyu aniden kısalan ankrajda, yapışma dayanımına aniden ulaşılması ile konik kopma ve sıyrılma birlikte oluşur (Cook, 1993 Eligehausen vd., 1984, ACI355 2007, Cook vd., 1993).

c.1) Donatının kapasitesi;

Donatının koptuğu ankrajların kapasitesi için ACI 318’de verilen  formüle baktığımızda;

Nsa=n.Ase.futa

Bu denklemde n =ankraj sayısıdır, futa = 860 MPa

c.2)Beton Koni Kapasitesi

Ncb=Anc/ANco. Ψed,N. ΨCN. ΨCPN.Nb

 ANc beton öngörülen göçme alanı, ANco 1.5 hef kenar mesafesi olan ankrajın öngörülen göçme alanı, Ncb, nominal beton göçme dayanımı, Ncb ise Beton koni kapasitesidir.

Anco=9h²ef

 hef değeri ankrajın etkin gömülme derinliğidir.

Nb=kc√fc’hef¹’⁵

Sonradan ekilen ankrajlar için kc değeri olarak 17 alınır. fc ise belirlenmiş beton basınç dayanımıdır.  

ca,min değerleri ankrajin kenara olan en yakın mesafesidir. ca,c değerleri ankrajın kritik kenar mesafesi olarak tanımlanmaktadır.

Ψed,N değeri serbest kenara olan uzaklıkla ilgili azaltma katsayısıdır, Ψc,N değeri ise betonda çatlak bulunması ile alakalı azaltma katsayısıdır.

Betona sonradan ekilen ankrajlarda ise

Camin≥1,5hef            Ψed.N=1
Camin.≤1,5hef         Ψed.N=0,7+0,3Camin/1,5hef
ΨcN=1,4
Ca.min≥Cac         Ψcp.N=1.0
Camin≤Cac       Ψcp.N=Camin/Cac

c.3)Sıyrılma kapasitesi;

Np=0,9fc’eh.do

Np değeri ACI 318’de tanımlanan esas sıyrılma kapasitesidir, Npn değeri ise nominal sıyrılma kapasitesi olarak tanımlanmıştır. f c belirlenmiş beton basınç dayanımıdır, do değeri ise ankraj donatı çapıdır.  eh değeri ise ankraj donatının J veya L tipinde kancalı olmasına göre değişen bir katsayıdır.

Npn= Ψc,p.Np

Ψc,p değeri betonda çatlak olmasıyla ilgili bir azaltma katsayısıdır.
Ψc,p=1,4
3do≤eh˂4,5do

ACI 318 sonradan ekilen ankrajlar için sıyrılma kapasitesinin hesapla bulunmasını değil, deneysel olarak elde edilen verilerden %95 güvenli yönde kalacak şekilde nominal sıyrılma dayanımının hesaplanmasını öngörmektedir.

D.)Kimyasal malzeme Ar-ge mühendislerinin çalışmaları sonucu lisansını aldıkları  formül tasarımlarını  incelediğimizde ise ;

hef = efektif ankraj derinliği (mm)
fcm = beton basınç dayanımı (N/mm2 )
Scr = komşuluk (ankraj aralığı) mesafesi
Ccr = kenar mesafesi (mm)
hO = delik derinliği (mm)
dO = açılmış delik çapı (mm)
d = saplama veya donatı nominal çapı (mm)
NRK = Karakteristik çekme yükü (kN)
VRK = Karakteristik kesme yükü (kN)
Nrec = Tavsiye edilen yük = NRK’ nın yerel normlarda belirtilen toplam güvenlik faktörüyl faktörüyle çarpımı (kN)
RfcN = Kenar mesafesi azaltma faktörü, sadece çekmede
RfcV = Kenar mesafesi azaltma faktörü, sadece kesmede
RfsN = Komşuluk mesafesi azaltma faktörü, sadece çekmede
RfsV = Komşuluk mesafesi azaltma faktörü, sadece kesmede

Çekme yükü taşıma kapasitesi denklemi:  Nrk=hef-50/2,5
Kesme yükü taşıma kapasitesi denklemi: Vrk=hefxfcmx0,5/1000

Bu Konumuzla ilgili bir şantiye seçilerek bazı çalışmalar  yapmak istediğimizde ,

Ege zemin A.Ş. Avcılar Liman şantiyesi  sahası kullanılmısı seçimi yapılmış olup ,kimyasal malzeme olarakta Hilti Hit Re 500 kimyasal malzeme seçimi yapılmıştır. Ar-ge mühendislik çalışmaları resimlerde  görülmektedir. Yaklaşık 6.000 adet ekilen epoksili ankraj çelik filizlerinde %10 teste tabii tutulmuştur. Çelik filiz çekme testi için Türkiye laboratuarlarından olan  ABM Yapı laboratuvar  (İzmit ;TSE,TÜRKAK ve Çevre Şehirçilik bakanlığı   lisanslı) bizlere eşlik etmiştir.

Donatılı çelik filiz ankrajların ekilmesi ;

Filiz ekimden önce beton yüzeyi tozdan ve nemden arındırılmıştır. Bu işlemlerde hava  kompresör kullanılmıştır. Ankraj ekim işlemleri yapılmadan önce delik yerleri mutlak süretle gerekirse elektrik süpürgesi ile temizlenmelidir. Ekimlerden önce açılan delikler yağsız ve kuru basınçlı hava ile yeterince temizlenmelidir. Özelikle açılan demir filiz soketlerinin  temiz ve kuru olmasına önem verilmelidir. Delik içerisinde gevşek parçacıklar  var ise uzaklaştırılmalıdır.Kompresörler bile yağsız tercih edilmelidir.

Ortamdaki hava tozdan tamamen arındırıldıktan sonra ankraj karma işlemleri başlamıştır. Hilti Hit Re 500 Bileşenleri teknik kılavuzunda belirli olan karışım oranlarında karıştırılan epoksi kimyasal yapıştırıcılar karıştırıldıktan sonra yerine uygulanmıştır. Filiz ekimler tamamen profesyonel bir ekip tarafından yapılmıştır. Ekimlerde delik içinde hiç hava kalmaması sağlanmıştır. Ekimlerde öncelikle epoksi yapıştırıcı delik içinde belli seviyeye kadar doldurulduktan sonra ile donatı yüzeyine de boşluk kalmayacak şekilde sürülerek ankrajlar ekilmiştir. Ekimlerde donatılar ekseni etrafında çevrilerek içi kimyasal yapıştırıcı ile dolu deliğe yerleştirilmiştir ve delik içinde havanın kalıp  kalmadığı takip edilmelidir.. Gerektiğinde deliğe tekrar epoksi doldurularak ekim yenilenmelidir.. Bir ankrajın ekim işlemi donatı çapına ve derinliğine de bağlı olarak genellikle 10 dakika  süre içerisinde yapılmaktadır.. Ekimi tamamlanan ankraj çubuğuna dokunulmadan diğer deliklere ankrajlar ekimi devam edilmelidir..Testin yapılması için +5 ve +30 derece sıcaklık arası en az 24 saat ile 48 saat arası zaman dilimi seçilmiştir.

Kimyasal  yapıştırıcıları biraz inceleyecek olursak;

Ankrajlar, etkisi altında oldukları kuvveti derinliğince oluşan aderans ile betona aktarırlar. Ankrajlarda yapıştırıcı malzeme olarak reçine malzemeler kullanılır. Reçinelerin; polyester, vinylester, epoksi, poliüretan, akrilik olmak üzere çeşitleri vardır. Epoksi  ankraj çubuklarında kullanılan en yaygın bağlayıcı polimerlerdir. Sertleştirici polimer ile reçine karıştırıldıktan sonra deliğe doldurulur, kum ilavesi yapılan türleri de vardır. Ankraj elemanları mevcut elemanlar arasında iyi bir yük aktarımının sağlaması için açılan deliklerin iyice doldurulması ve ankraj macununun uygun kıvamda ekiminin yapılması gerekir. Kimyasal ankrajlarda; sertleşmiş mevcut betona delici uçlu alet yardımıyla açılan deliğe doldurulan kimyasalın ara yüzeyde oluşturduğu yapışma yardımıyla ankraj donatısının beton ile birlikte çalışması sağlanır.

Donatının kopması biçiminde hasarın ideal ankraj davranışı olduğu bu hasar biçiminin sünek bir göçme ile gerçekleştiği için söyleyenebilir, ayrıca en yüksek kapasite değerleri de ankraj donatısının koptuğu durumlarda elde edilmektedir. İdeal ankraj davranışı olan donatının koptuğu durumdaki gerilme-şekil değiştirme grafiği verilmiştir. Donatının kopması biçiminde hasar, donatı akma dayanımına ulaştıktan hemen sonra da gerçekleşebilir. Konik kopma biçiminde hasar donatı akma dayanımına ulaştıktan sonra ya da akma dayanımına ulaşmadan da gerçekleşebilir. Konik kopma hasarı gevrek bir hasar türü olduğu için ani bir dayanım kaybına neden olur. Sıyrılma hasarı, donatı akmaya başlamadan, akarken yada pekleşirken gerçekleşebilir.
Çekme deplasmanları,beton için gereken uygulama torkunun yarı değerlerinde çatlaksız beton için geçerlidir.

Pamukkale üniversiteninde yapmış olduğu deneyelerde ;

Donatı çapının 15 katı derinliğe ekilmiş ankrajlarda özellikle 12 mm çapındaki B-420-C donatısının göçme biçiminin gömülme derinliğinin 10 katı olduğu durumdan çok farklı olmadığı deneyler sonucu  görülebilmektedir. 16 ve 20 mm çaplı        B 420 C  donatılarda 15 kat  gömülme derinliğinin bazı numunelerde yeterli sonuç verdiği bazı numunelerde ise donatıda pekleşme başladıktan sonra göçmenin başladığı  deneylerde görülmektedir.Büyük donatı çaplarına sahip ankrajlarda gerilme yığılmalarının oluşturduğu ani göçme tiplerinin de bu deney sonuçlarında etken olabileceği göz önünde bulundurulmalıdır.

Kimyasal ankrajlarla ilgili olarak literatürde yer alan çalışmalar derlenerek ankraj dayanımını etkileyen faktörler irdelenmiştir. Bağlayıcı cinsi, ankraj deliğinin temizliği, ankraj deliğinin ıslaklığı, yüksek sıcaklık ve sünme, ankraj kenar uzaklığı ve ankrajlar arası uzaklık, ekme boyunun etkisi, beton dayanımının etkisi, ankraj çapının etkisi, kısa kür süresi etkisi ve ankrajların bağlılık durumlarına göre ankraj performanslarını değerlendirmiştir. Sonuç olarak ankraj dayanımını etkileyen faktörlerden bağlayıcı cinsi ve ankraj deliğinin temizlik durumunun diğerlerine göre daha baskın olduğu görülmüştür. Ekme boyunun ve beton sınıfının belli bir değere kadar etkili olduğu daha sonrasında ise dayanıma etkisinin sınırlı kaldığı gözlenmiştir.

Sonuç;
Ülkemizde epoksili çelik ankraj filiz çekme testi bu belirsizlik içinde devam ederken proje müelifi,şantiye şefi,yapı denetim proje denetcisi,laboratuar denetcisi karşı karşıya gelmektedir. Bu sorunun çözümlenmesi için öncelikle TSE’nin bu konuyu net bir açıklık getirmesi gerekmektedir.Çünkü bilim çağı olan dünyamız kimya alanında hayran bırakacak buluşlarla her an  karşı karşıya  gelmektedir.Devletinde bu olaya gelişmiş ülkeler gibi kendini revize etmesi ve güncelleşmesi gerekmektedir.
Şartnameleri  güçlü olan ülke zaten ekonomide de güçlü olacaktır.

TSE  neler yapmalıdır ?;

1.)Çekme testi yapılacak yerin mutlaka beton karot sonuçları alınmalı ve betonda yüzey karbonatlarının tescillenmesi(beton yaşı)  ve bilinmelidir..
2.)Beton yaşı belirlenen  yerin filiz ekim derinliği tablo halinde belirlenmesi,
3.)Türkiye’de kullanılacak kimyasal malzemelerin  TSE onay almaları  mecburiyeti  olması ,
4.)Epoksi filiz ekimi için yapı sınıfı ve coğrafi haritası belirlenmeli ve buna göre tolerans kotalarının  çizelgeyle düzenlenmesi.
5.)1.derece deprem bölgesi yerlerde projelerde   çeliğin kalitesi  mutlaka  B 420 C  kalitesi mecbur hale getirilmeli ve epoksili çekme testini yapmadan önce de çeliğin Agt(uzamasını) belirlenmelidir.
6.)Filiz çapının belirlendiğinde filiz  delik çapının tablo halinde şekillenmesi,
7.) Delik çapları toleransları bu hesaba dahil edilmesi gerekmektedir.(Özelikle nervürlü demirlerin dişleri  delik çapını genişletmektedir.)
8.)Tüm bu argümenler toplanarak tablo haline getirilmesi gereğini düşünmekteyiz.

Sizler okuyarak zaman ayırdığınız için ve ayrıca bu makalenin  gerçekleşmesine yardımcı olan Ege Zemin A.Ş. , ABM yapı  labarotuvar ,Hilti-Hismak ailesine de teşekkürlerimi sunarım.

28.01.2016
Ahmet Özürün
İnşaat Mühendisi

Kaynaklar ;

http://www.medeniyetmuhendisleri.com/makaleler-tezler/epoksili-ankraj-donati-celigi-ile-filiz-ekimi-ahmet-ozurun-28012016-t2065.0.html
ACI 318 2008, Building code requirements for reinforced concrete, American Concrete Institute, Detroit, USA.
ACI 318 2005, Building code requirements for reinforced concrete, American Concrete Institute, Detroit, USA.
TSE 500
TSE 708(2010)
DBBHY (Deprem Bölgelerinde Yapılacak Binalar Hakkında Yönetmelik (2007)’de)
Çelik Yapılar  kitabı; Prof.Dr Hilmi Deren  (İTÜ öğretim görevlisi)
Deprem mühendisliğine giriş ve depreme dayanıklı yapı tasarımı kitabı;Prof.Dr.Zekai Celep
Pamukkale Üniversitesi çalışmaları,