NSM-CFRP LEVHALARLA GÜÇLENDİRİLEN BETONARME KOLONLARDA YAPISAL DAVRANIŞ ANALİZİ

Abstract

Betonarme binanın deprem güvenliği için taşıyıcı sistem elemanlarının yeterli dayanım, rijitlik ve süneklik şartlarını sağlaması gerekmektedir. Betonarme kolonda meydana gelen bir hasar ya da zayıflık tüm taşıyıcı sistemi etkilemektedir. Mevcut betonarme elemanların güçlendirilerek performanslarının artırılması hem güvenlik hem de sürdürülebilirlik açısından önem taşımaktadır. Yapılan çalışmada Yüzeye Yakın Montaj (NSM) yöntemi ile karbon fiber takviyeli polimer (CFRP) levhalarla güçlendirilen betonarme bir kesitin yapısal davranış parametreleri analitik olarak incelenmiştir. Bu amaç doğrultusunda biri referans olmak üzere yedi model oluşturulmuştur. Oluşturulan bu modeller kullanılarak CFRP levha sayısının ve CFRP levha genişliğinin yapısal davranış üzerindeki etkisi araştırılmıştır. Modellerin öncelikle karşılıklı etkileşim diyagramları çizilmiştir. Etkileşim diyagramı üzerindeki bir eksenel yük seviyesi için kesitin moment eğrilik analizi yapılmıştır. Böylece kesitin etkin çatlama riijitliği ve eğrilik sünekliği değerlendirilmiştir. Analiz sonuçlarına göre; CFRP levha sayısı ve genişliğinin artmasıyla kesitin eksenel yük taşıma kapasitesi %1.65 ile %10.21 arasında, moment taşıma kapasitesi ise %11.17 ile %106.42 arasında artış göstermiştir. Kesitin etkin rijitliğinin %3.28 ile %13.01 arasında artarken, süneklik azalmış ve en yüksek süneklik değeri referans modelde elde edilmiştir. Elde edilen bulgular, CFRP levha ile yapılan güçlendirmelerin kesit davranışını iyileştirebileceğini ancak süneklik açısından olumsuz etkiler yaratabileceğini göstermektedir. Bu nedenle, CFRP levha sayısı ve genişliği dengeli şekilde seçilmelidir.

Keywords

• NSM
• CFRP Levha
• Karşılıklı Etkileşim Diyagramı
• Moment Eğrilik Analizi
• Süneklik

STRUCTURAL BEHAVIOR ANALYSIS OF REINFORCED CONCRETE COLUMNS STRENGTHENED WITH NSM-CFRP STRIPS

Abstract

For the seismic safety of reinforced concrete (RC) buildings, structural system elements must meet adequate strength, stiffness, and ductility requirements. Damage or weakness in a RC column affect the overall structural behavior. Strengthening existing RC elements to improve their behavior is crucial for both safety and sustainability. In this study, the structural behavior of a RC section strengthened with carbon fiber-reinforced polymer (CFRP) strips using the Near Surface Mounted (NSM) method were analytically investigated. For this purpose, seven models were developed, including one reference model. The effects of the number and the width of the CFRP strips on structural behavior were examined. Interaction diagrams were first generated for each model, and moment-curvature analysis was conducted at a selected axial load level from the diagram. This allowed for the evaluation of the effective cracked stiffness and curvature ductility of each section. The analysis results showed that increasing the number and width of CFRP strips enhanced the axial load capacity by 1.65% to 10.21% and the moment capacity by 11.17% to 106.42%. The effective cracked stiffness increased by 3.28% to 13.01%, whereas the ductility decreased. The highest ductility was observed in the reference model without any CFRP reinforcement. These findings indicate that while NSM CFRP strengthening can significantly improve the load-carrying capacity and stiffness of RC sections, it may have adverse effects on ductility. Therefore, a balanced selection of the number and width of CFRP strips is essential for optimal performance.

Keywords

• NSM
• CFRP Strip
• P-M Interaction Diagram
• Moment Curvature Analysis
• Ductility

References

1. Abdalla. J.A., Abokwiek. R., Hawileh. R.A., 2022. Models for predicting strength of RC columns strengthened with NSM-CFRP strips and CFRP-fabric wraps. Procedia Structural Integrity, 37(2022), 660-667.
2. ACI 440.2R-17. 2017. American Concrete Institute Technical Committee 440. Guide for the Design and Construction of Externally Bonded FRP Systems for Strengthening Concrete Structures.
3. Aydınoğlu, M. N., Gülenç, C., 2023. Şubat 2023 depremlerinde binaların ağır hasar ve yıkımlarında tasarım, yapım ve denetim hataları yanında depremlerin büyüklüğünden ve yönetmeliklerden kaynaklanan sorunlara ilişkin bir irdeleme: Antakya örneği. Türkiye Mühendislik Haberleri, 68(5), 7-39.
4. Aydoğdu Gürbüz. İ., Aslan. B., 2023. Kahramanmaraş Depreminde Hasar Tespit Çalışmaları Üzerine Bir Değerlendirme. Çevre Şehir ve İklim Dergisi. 2(4). 180-195.
5. Barros. J.A.O., Ferreira. D.R.S.M., Fortes. A.S., Dias. S.J.E., 2006. Assessing the effectiveness of embedding CFRP laminates in the near surface for structural strengthening. Construction and Building Materials. 20(2006). 478–491.
6. Barros. J.A.O., Varma. R.K., Sena-Cruz. J.M.S., Azevedo. A.F.M., 2008. Near surface mounted CFRP strips for the flexural strengthening of RC columns: Experimental and numerical research. Engineering Structures. 30(2008). 3412–3425.
7. Bournas. D.A., Triantafillou. T.C., 2008. Flexural Strengthening of RC Columns with Near Surface Mounted FRP or Stainless Steel Reinforcement: Experimental Investigation. In The 14th World Conference on Earthquake Engineering. 12-17 October. Beijing. China.
8. Bournas. D.A., Triantafillou. T.C., 2009. Flexural strengthening of RC columns with NSM FRP or stainless steel. ACI Structural Journal. 106(4). 495-505.

9. Celep. Z., 2011. Betonarme Yapılar. İhlas Matbaacılık Gazetecilik Yayıncılık Sanayi ve Ticaret A.Ş.. 865s.. İstanbul.
10. Chellapandian. M., Prakash. S.S., Sharma. A., 2017. Strength and ductility of innovative hybrid NSM reinforced and FRP confined short RC columns under axial compression. Composite Structures. 176(2017). 205-216.
11. Chellapandian. M., Prakash. S.S., Rajagopal. A., 2018. Analytical and finite element studies on hybrid FRP strengthened RC column elements under axial and eccentric compression. Composite Structures. 184(2018). 234–248.
12. Chellapandian. M., Prakash. S.S., Sharma. A., 2019. Experimental investigations on hybrid strengthening of short reinforced concrete column elements under eccentric compression. Structural Concrete. 2019;20:1955–1973.
13. De Lorenzis. L., Teng. J.G., 2007. Near-surface Mounted FRP Reinforcement: An Emerging Technique for Strengthening Structures. Composites Part B: Engineering. 38(2). 119-143.
14. Dilmaç, H., Ulutaş, H., Tekeli, H., Demir, F., 2018. An evaluation on seismic performance of existing reinforced concrete buildings in Turkey. Mehmet Akif Ersoy Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi, 9(Ek Sayı 1), 224-237.
15. Efe, Y., Bedirhanoğlu, İ., 2024. Betonarme Perde Duvarların Eğilme ve Kesme Etkilerine Karşı Güçlendirilmesi Üzerine Literatür Değerlendirmesi. Dicle Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Mühendislik Dergisi, 15(3), 663-675.
16. Ersoy. U., Özcebe. G., 1998. Sarılmış betonarme kesitlerde moment-eğrilik ilişkisi analitik bir irdeleme. Teknik Dergi. 9(44).
17. Gajdosova. K., Bilcik. J., 2013. Full-Scale Testing of CFRP-Strengthened Slender Reinforced Concrete Columns. Journal of Composites for Construction. 17(2): 239-248.
18. Gündoğay, A., Kabaş, H.T., 2022. Yüzeye Yakın Monte Yöntemi İle Güçlendirilen Kolonların Kapasite Hesabı. Academic Perspective Procedia, 5(3), 338-347.
19. Inel, M., Senel, S.M., Un, H., 2008. Experimental evaluation of concrete strength in existing buildings. Magazine of Concrete Research, 60(4), 279-289.
20. İnel, M., Özmen, H.B., Çaycı, B.T., 2013. Simav ve Van depremleri (2011) yapı hasar nedenlerinin değerlendirilmesi. Pamukkale Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi, 19(6), 256-265.
21. Kaltakcı. M.Y., Korkmaz. H.H., ve Korkmaz. S.Z., 2001. Basit eğilme etkisindeki betonarme elemanların moment-eğrilik ve tasarım değişkenleri üzerine analitik bir inceleme. Pamukkale Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi. 7(1). 71-80.
22. Khorramian, K., Sadeghian, P., 2019. Performance of high-modulus near-surface-mounted FRP laminates for strengthening of concrete columns. Composites Part B, 164 (2019), 90–102.
23. Maraş, M.M., 2021. Betonarme Yapıların Güçlendirilmesinde Kullanılan FRP Kompozitin Yapısal Performansa Etkisi. Avrupa Bilim ve Teknoloji Dergisi, (23), 108-119.
24. Noorzad. A.J., Dilmaç. H., 2025. Investigation of P-M interaction for RC columns confined with CFRP sheets under uniaxial bending. 4th International Civil Engineering & Architecture Conference. 17-19 May 2025. Trabzon. Türkiye.
25. Obaidat, Y. T., Barham, W. S., Obaidat, A. T., & Attar, K. M. (2021). Behavior of NSM CFRP reinforced concrete columns: Experimental and analytical work. Case Studies in Construction Materials, 15, e00589.
26. Obaidat, Y. T., Barham, W., & Abu libdeh, R. (2024). Development of interaction diagrams of reinforced concrete short columns strengthened by NSM-CFRP strips using finite element method. International Journal of Building Pathology and Adaptation, 42(6), 1304-1327.
27. Olivova. K., Bilcik. J., 2009. Strengthening of Concrete Columns with CFRP. Slovak Journal of Civil Engineering. 2009(1). 1-9.
28. Parviz. S., Jongsung. S., Jer-Wen. H., 1991. Axial/Flexural behaviour of reinforced concrete sections: effects of the design variable. ACI. 88(1). 17-21.
29. Perrone. M., Barros. J.A.O., Aprile. A., 2009. CFRP-Based Strengthening Technique to Increase the Flexural and Energy Dissipation Capacities of RC Columns. Journal of Composites for Construction. 13(5): 372-383.
30. Sadeghian. P., Fam. A., 2013. Strengthening Slender Reinforced Concrete Columns Using Bonded CFRP Laminates. FRPRCS-11. Portugal.
31. Shammari, F., Hasgür, Z., 2022. Optimization of NSM-CFRP reinforcement on pre-cracked RCB using Taguchi method: Numerical Analysis. AURUM Journal of Engineering Systems and Architecture, 6(1), 93-104.
32. TBDY, 2018. Türkiye Bina Deprem Yönetmeliği. Ankara: Afet ve Acil Durum Yönetimi Başkanlığı.
33. Tekeli, H., Dilmaç, H., Demir, F., Güler, K., 2020. Prediction of Seismic Performance of Existing Framed Reinforced Concrete Buildings. Journal of Performance of Constructed Facilities, 34(3), 04020030.
34. TS 500, 2000. TS 500: Betonarme Yapıların Tasarım ve Yapım Kuralları. Türk Standartları Enstitüsü.
35. Ulutaş, H., 2024. Investigation of the causes of soft-storey and weak-storey formations in low-and mid-rise RC buildings in Türkiye. Buildings, 14(5), 1308.
36. Yakut, A., Binici, B., 2023. Ülkemizdeki Riskli Yapıların Genel Özellikleri ve Deprem Performansı. Çevre Şehir ve İklim Dergisi, 2(4), 220-237.
37. Yaman. S., Tekeli Kabaş. H., 2024. Güçlendirilen Betonarme Elemanların Moment Taşıma Kapasitesine Beton Gerilme Modelinin Etkisi. 2nd International Symposium on Innovations in Civil Engineering and Technologies. October 30 – November 1. 2024. Isparta / TURKIYE.