Experimental and Numerical Investigation of the Effect of Fiber Reinforcement on Compressive Strength in Fiber Reinforced Concrete

Abstract

Today, as a result of the rapidly developing technology, people prefer urban living environments where they can find a more comfortable life, as well as seeking to build a structure that is sufficiently resistant to the effect of dynamic loads, in addition to all kinds of natural disasters in cities where reinforced concrete (RC) multi-stores building type is dominant. The high strength and usability expected from the materials used in high-rise buildings direct us to the search for materials produced with new technologies. Especially in recent years, composite elements created by using superior properties of two or more materials of the same or different groups have given a new perspective to the construction sector. One of these materials is fiber material, which has wide usage in engineering field. It is tried to gain mechanical properties such as elasticity and ductility to concrete used in spraying or on-site concrete applications with the material defined as fiber reinforcement especially in concrete. In general, it has been observed that the mechanical properties of fiber reinforced concrete in bending effect are examined in the literature and R&D laboratories for marketing. To this end, in the study, the mechanical behaviors of fiber reinforced concrete in case of use in the structural elements under the influence of axial pressure are examined. In the experimental study, concrete pressure tests were carried out on twelve cylindrical samples produced from four different concrete classes with a different proportion of fiber added to the concrete mixture. Scope of work, the effects of adding a different proportion of fiber to concrete samples with different strength on concrete compressive strength was investigated. In addition, the finite element model of the concrete samples was analyzed with the help of the Abaqus / Standard finite element program using the Concrete Plasticization Damage Model and verified by comparison with the experimental results data.

Keywords

• Concrete
• Fiber Rebar
• Composite
• Finite Element Model
• Axial Compressive

Lif Katkılı Betonlarda Fiber Oranının Basınç Dayanımına Etkisinin Deneysel ve Nümerik İncelenmesi

Abstract

Günümüzde hızla gelişen teknolojinin sonucu olarak, insanların daha rahat yaşam bulabilecekleri kentsel yaşamı tercih etmeleri, betonarme çok katlı yapı kültürünün hâkim olduğu kentlerde, doğal afetin etkisine karşı yeterli dayanıma sahip yapı inşa etme arayışını beraberinde getirmektedir. Özellikle yüksek katlı yapılarda kullanılan malzemelerden beklenen yüksek dayanım ve kullanılabilirlik, inşaat sektörünü yeni teknolojiler ile üretilmiş malzeme arayışına yönlendirmektedir. Son yıllarda iki veya daha fazla sayıda, aynı veya farklı gruptaki malzemelerin üstün özellikleri kullanılarak oluşturulmuş kompozit elemanlar, inşaat sektörü alanına yeni bir bakış açısı kazandırmıştır. Bu malzemelerin başında mühendisliğin hertürlü alanında geniş kullanıma sahip fiber malzeme gelmektedir. Özellikle beton içine uygulanan, fiber donatı olarak tanımlanan malzeme, püskürtme veya saha betonuna süneklik özelliği kazandırmaya çalışılmaktadır. Genel olarak literatürde ve pazarlamaya yönelik ARGE laboratuvarlarında fiber donatı takviyeli betonun, eğilme etkisi altındaki davranışı incelenmekte olduğu gözlenmiştir. Bu nedenle bu çalışmada fiber donatılı takviye edilmiş betonun, eksenel basınç etkisi altındaki yapı elemanlarında kullanılması durumunda sergileyeceği davranış incelenmiştir. Yapılan deneysel çalışmada, beton karışım içine ilave edilen farklı oranda fiber ile dört farklı beton sınıfından üretilen on iki adet silindirik numune üzerinde eksenel basınç deneyleri yapılmıştır. Çalışma kapsamında; farklı dayanıma sahip beton numunelere, farklı oranda fiber ilave edilmesinin, beton basınç dayanımı üzerine olan etkileri incelenmiştir. Ayrıca çalışmada beton numunelerinin sonlu eleman modeli, Beton Plastikleşme Hasar Modeli yardımıyla hazırlanmıştır. Sonrasında, Abaqus/Standart sonlu eleman programı kullanarak numeneler analiz edilmiş ve deneysel veriler ile karşılaştırılarak sonlu eleman programı doğrulanmıştır.

Keywords

• Beton
• Fiber Donatı
• Kompozit
• Sonlu Eleman Modeli
• Eksenel Basınç

References

1. Akman, M. S. (2003). Yapı Malzemelerinin Tarihsel Gelişimi. TMH - Türkiye Mühendislik Haberleri Sayı 426 - 2003/4
2. Ağcakoca, E., & Yaman, Z. (2018). Effect On Pressure Resıstance Of Minimum Ratio Fiber Supply In Concrete Numbers. In 2nd International Symposium on Natural Hazards and Disaster Management, Sakarya University Culture and Congress Center, Sakarya-Turkey.
3. Yenidünya, E. (2013). Farklı maksimum sıcaklık değerleri altında buhar kürü uygulamasının çelik lifli betonların mekanik dayanımına etkisi. Doktora Tezi, Selçuk Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Konya.
4. Yildiz, S., & Ulucan, Z. (2008). Beton Borularda Cam Lif Katkısının Tepe Yük Dayanımına Etkisinin Araştırılması. Gazi Üniversitesi Mühendislik-Mimarlık Fakültesi Dergisi, 23:2.
5. Çelikten, S. (2014). Çelik Fiber İçeren Dayanımlı Beton Özellikleri Üzerine Metakaolin ve Öğütülmüş Pomzanın Etkisi, Yüksek Lisans Tezi, Niğde Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Niğde.
6. Avar, D. (2006). Karma Lifli Betonların Mekanik Davranışına Buhar Kürü Etkisi, Doktora tezi, İstanbul Teknik Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul.
7. Eruslu, S.Ö. (2008). Kısa Elyaf Takviyeli Kompozit Plaklarda Titreşim Analizi, Doktora Tezi, Trakya Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Edirne.
8. Eren, A., & Soyarslan, D. (2016). Tekstil Malzemelerinin İnşaat Mühendisliği Uygulamaları, Mehmet Akif Ersoy Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi, 7(Özel 1), 29-34.

9. Agcakoca, E., & Biyiklioglu, E. (2020). Experimentally and Numerically Investigating the Performances of Aramid Fiber-Reinforced Steel Beams Under Impact Loadings. Arabıan Journal For Scıence And Engıneerıng.
10. Hüsem, M., & Demir, S. (2013). Çelik ve Polipropilen Liflerin Geleneksel ve Yüksek Performansli Betonlarda Kirilma ve Çatlak Gelişimine Etkisi. Engineering Sciences, 8:4, 182-193.
11. Özşahin, B., Mülayim, B., ve Arkoç, O. (2015). Betonarme Yapı Elemanlarında Lif Takviyeli Polimerlerin Kullanımı. 9. Uluslararası Sinan Sempozyumu, 21-22 Nisan, Türkiye, 109-115.
12. Çelik, K.V., & Karaşin, H. (2014). Karbon elyaf ile betonun güçlendirilmesi. Dumlupınar Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Dergisi, 5(1), 1-11.
13. Taşdemir, M., Bayramov, F. (2012). Yüksek performanslı çimento esaslı kompozitlerin meri kanik davranışı. İstanbul Teknik Üniversitesi Dergisi, Aralık Cilt 1; Sayı 2, Sayfa 125-144.
14. Kim, H., Kim, G., Gucunski, N., Nam, J., & Jeon, J. (2015). Assessment of flexural toughness and impact resistance of bundle-type polyamide fiber-reinforced concrete. Composites Part B: Engineering, 78, 431-446.
15. Kim, H., Kim, G., Lee, S., Son, M., Choe, G., & Nam, J. (2019). Strain rate effects on the compressive and tensile behavior of bundle-type polyamide fiber-reinforced cementitious composites. Composites Part B: Engineering, 160, 50-65.
16. Yildizel, S. A., Tayeh, B. A., & Calis, G. (2020). Experimental and modelling study of mixture design optimisation of glass fibre-reinforced concrete with combined utilisation of Taguchi and Extreme Vertices Design Techniques. Journal of Materials Research and Technology.
17. Aydin, A. C., Yaman, Z., Ağcakoca, E., Kiliç, M., Maali, M., & Dizaji, A. A. (2019). CFRP Effect on the Buckling Behavior of Dented Cylindrical Shells. International Journal of Steel Structures, 1-11.
18. Maali, M., Kılıç, M., Yaman, Z., Ağcakoca, E., & Aydın, A. C. (2019). Buckling and post-buckling behavior of various dented cylindrical shells using CFRP strips subjected to uniform external pressure: comparison of theoretical and experimental data. Thin-Walled Structures, 137, 29-39.
19. Nasery, M. M., Hüsem, M., Okur, F. Y., & Altunişik, A. C. (2020). Damage effect on experimental modal parameters of haunch strengthened concrete-encased composite column–beam connections. International Journal of Damage Mechanics, 29(2), 297-334
20. Hüsem, M., Nasery, M. M., Okur, F. Y., & Altunişik, A. C. (2018). Experimental evaluation of damage effect on dynamic characteristics of concrete encased composite column-beam connections. Engineering Failure Analysis, 91, 129-150.
21. EN, B. 14889-2, (2006). Fibres for concrete-Part, 2.
22. ASTM C1116/C1116M-10a (2015). Standard Specification for Fiber-Reinforced Concrete
23. http://www.kordsa.com/kratos/assets/kratosbrosurtr.pdf/ 14:00 / (15.02.2018)
24. TS EN 12350-1, (2019), Beton - Taze beton deneyleri - Bölüm 1: Numune alma ve yaygın kullanılan aygıtlar.
25. TS EN 12390-1, (2014), Beton - Sertleşmiş beton deneyleri - Bölüm 1: Deney numunesi ve kalıplarının şekil, boyut ve diğer özellikleri.
26. TS EN 12390-2, (2019), Beton - Sertleşmiş beton deneyleri - Bölüm 2: Dayanım deneylerinde kullanılacak deney numunelerinin hazırlanması ve küre tabi tutulması.
27. TS EN 12390-3, (2019), Beton - Sertleşmiş beton deneyleri - Bölüm 3: Deney numunelerinin basınç dayanımının tayin.
28. TS EN 12390-4, (2019), Beton - Sertleşmiş beton deneyleri - Bölüm 4: Basınç dayanımı - Deney makinelerinin özellikleri.
29. TS EN ISO 6892-1, (2020). Metalik malzemeler - Çekme deneyi - Bölüm 1: Ortam sıcaklığında deney yöntemi
30. http://www.alsalab.com/hidrolik-universal-test-cihazi-utm3000.html / 13:00 / (15.02.2020)
31. Feng S., Thong ,M. P., Hong, H., Yifei ,H., (2020). Post-cracking behaviour of basalt and macro polypropylene hybrid fibre reinforced concrete with different compressive strengths, Construction and Building Materials,Volume 26230 November 2020Article 120108
32. George, J., Rama, J.K., Kumar, MS., & Vasan, A. (2017). Behavior of Plain Concrete Beam subjected to Three Point Bending using Concrete Damaged Plasticity (CDP) Model. Materials Today Proceedings, 4:9, 9742-9746.
33. Wu, WLJ.,(2017). A note on the ABAQUS Concrete Damaged Plasticity (CDP) model. In Civil, Architecture and Environmental Engineering (pp. 1301-1306). CRC Press.
34. ABAQUS, Abaqus Manuals. version 2018. Providence, RI: Dassault Systèmes Simulia Corp, 2018.