FARKLI FRP KUMAŞ TÜRLERİ İLE GÜÇLENDİRİLEN BETONARME KOLONLARIN EKSANTRİK YÜK ETKİSİ ALTINDAKİ DAVRANIŞININ ANALİTİK OLARAK İNCELENMESİ

Abstract

Depremlerin yıkıcı etkilerinin azaltılması ve yapı güvenliğinin sağlanması amacıyla yetersiz betonarme elemanların güçlendirilmesi giderek büyük bir önem kazanmaktadır. Özellikle son yıllarda, yüksek mekanik özellikleri, uygulama kolaylığı vb. nedenlerden ötürü betonarme taşıyıcı elemanların güçlendirilmesinde fiber takviyeli polimer (FRP) kumaşlar çokça tercih edilmektedir. Bu gelişme, farklı FRP kumaş türlerinin ve sarılma yöntemlerinin betonarme kolon davranışı üzerindeki etkilerinin kapsamlı bir biçimde araştırılma gerekliliğini ortaya çıkartmıştır. Bu çalışmada, dört farklı FRP kumaş türü (AFRP, GFRP, BFRP ve CFRP) kullanılarak dıştan yapıştırma yöntemi (EBR) ile güçlendirilen betonarme kolonların, değişken eksantrik yük etkisi altındaki davranışları analitik olarak incelenmiştir. Dört farklı FRP kumaş türünün yanı sıra FRP katman sayısı, sarma yöntemi (tam ve kısmi), kumaş genişliği ve kumaş aralıkları ile eksantrisite seviyesi gibi önemli parametreler de ele alınmıştır. Analitik hesaplamalar yapılırken literatürde var olan bir deneysel çalışma referans alınarak doğrulanmış ve kapsamı genişletilmiştir. Elde edilen sonuçlara göre FRP kumaş ile sarılan betonarme kolonların eksenel yük kapasitelerinde referans numuneye kıyasla önemli bir artış meydana gelmiştir. Ancak eksantrisite seviyesinin artmasıyla beraber ikinci mertebe etkisiyle FRP kumaş tarafından sağlanan eksenel yük kapasite artış etkisinin azaldığı tespit edilmiştir. Tam sarma yöntemi, kısmi sarmaya kıyasla daha yüksek eksenel yük kapasite artışı sağlamış, kısmi sarmada ise kumaş genişliğinin arttırılması ve kumaşlar arası net boşluk mesafesinin azalması eksenel yük kapasitesini olumlu yönde etkilemiştir. Benzer şekilde FRP kumaş katman sayısındaki artış eksenel yük kapasitesinin artışına katkı sağlamıştır. Sonuç olarak bu çalışma FRP kumaş türü, sarma yöntemi, eksantrisite seviyesi ve uygulama detaylarının kolon performansını doğrudan etkilediğini ortaya koymakta ve güçlendirme tasarımları için önemli bulgular sunmaktadır.

Keywords

• Betonarme
• Kolon
• Güçlendirme
• FRP
• Eksantrisite

ANALYTICAL INVESTIGATION OF THE BEHAVIOR OF REINFORCED CONCRETE COLUMNS STRENGTHENED WITH DIFFERENT FRP SHEET TYPES UNDER ECCENTRIC LOADING

Abstract

Strengthening inadequately reinforced concrete elements to mitigate the destructive effects of earthquakes and ensure structural safety is becoming increasingly important. Recently, fiber-reinforced polymer (FRP) sheets have been widely preferred for the strengthening of reinforced concrete structural elements due to their high mechanical properties, ease of application, and other factors. This development has highlighted the need for a comprehensive investigation of the effects of different FRP sheet types and wrapping methods on reinforced concrete column behavior. In this study, the behavior of reinforced concrete columns strengthened with external bonding (EBR) using four different FRP sheet types (AFRP, GFRP, BFRP, and CFRP) under variable eccentric loading was analytically investigated. In addition to the four FRP sheet types, important parameters such as the number of FRP layers, wrapping method (full or partial), sheet width and spacing, and eccentricity level were also considered. Analytical calculations were validated and expanded by referencing an existing experimental study. According to the results, the axial load capacity of reinforced concrete columns wrapped with FRP sheets increased significantly compared to the reference sample. However, it was determined that the axial load capacity increase provided by the FRP sheets decreased with increasing eccentricity due to the second-order effect. The full wrapping method provided a greater increase in axial load capacity than partial wrapping, whereas in partial wrapping, increasing the sheet width and decreasing the net gap between the sheets positively affected axial load capacity. Similarly, increasing the number of FRP sheet layers increased the axial load capacity. In conclusion, this study demonstrates that the FRP sheet type, wrapping method, eccentricity level, and application details directly affect column performance and provide important findings for strengthening designs.

Keywords

• Reinforced concrete
• Column
• Strengthening
• FRP
• Eccentricity

References

1. Afet ve Acil Durum Yönetimi Başkanlığı (AFAD), Deprem istatistikleri. , 2025 (erişim tarihi 12.08.25).
2. Y.H. Chai, M.J.N. Priestley, F. Seible, Analytical model for steel-jacketed RC circular bridge columns, Journal of Structural Engineering 120(8) (1994) 2358-2376.
3. A. Gündoğay, H.T. Kabaş, Yüzeye yakın monte yöntemi ile güçlendirilen kolonların kapasite hesabı, Academic Perspective Procedia 5(3) (2022) 338-347.
4. H.S. Al-Nimry, R.A. Al-Rabadi, Axial–flexural interaction in FRP-wrapped RC columns, International Journal of Concrete Structures and Materials 13.1 (2019) 53.
5. X. Zeng, S.F. Jiang, K. Deng, H. Huang, E. Cui, Seismic performance of circular RC columns strengthened in flexure using NSM reinforcement and externally bonded BFRP sheets, Engineering Structures 256 (2022) 114033.
6. T. El-Maaddawy, A.S. El-Dieb, Near-surface-mounted composite system for repair and strengthening of reinforced concrete columns subjected to axial load and biaxial bending, Journal of composites for construction 15(4) (2011) 602-614.
7. A. Parvin, D. Brighton, FRP composites strengthening of concrete columns under various loading conditions, Polymers 6(4) (2014) 1040-1056.
8. J.M. Stallings, J.W. Tedesco, M. El-Mihilmy, M. McCauley, Field performance of FRP bridge repairs, Journal of Bridge Engineering 5(2) (2000) 107-113.

9. R. Ghoroubi, Ö. Mercimek, A. Özdemir, Ö. Anıl, Experimental investigation of damaged square short RC columns with low slenderness retrofitted by CFRP strips under axial load, Structures 28 (2020) 170-180.
10. A.J. Noorzad, H. Dilmaç, Structural behavior of RC columns retrofitted with FRP under axial load, Journal of Structural Engineering & Applied Mechanics 7(4) (2024) 315-342.
11. A. Gündoğay, Lifli polimer ile sargılanan betonarme kolonların gerilme-şekil değiştirme ilişkisinin anfis yöntemi ile elde edilmesi, Journal of Innovations in Civil Engineering and Technology 6(2) (2024) 111-130.
12. Y. Erbaş, M. Baran, Ö. Mercimek, Ö. Anıl, Karbon fiber takviyeli elyaf kumaşlarla güçlendirilen betonarme kolonların eş merkezli ve tek doğrultulu eğilme yüklemeleri altındaki davranışının deneysel olarak incelenmesi, Bayburt Üniversitesi Fen Bilimleri Dergisi 5(1) (2022) 91-103.
13. A. Müsevitoğlu, S. Sancıoğlu, S.K. Akın, A. İlgün, S. Kartal, Considering the existing stirrup location: The axial compressive behavior of partially carbon fiber‐reinforced‐wrapped square columns, Structural Concrete (2025).
14. O. Chaallal, M. Shahawy, Performance of fiber-reinforced polymer-wrapped reinforced concrete column under combined axial-flexural loading, ACI Structural journal 97(4) (2000).
15. T.E. Maaddawy, Strengthening of eccentrically loaded reinforced concrete columns with fiber-reinforced polymer wrapping system: Experimental investigation and analytical modeling, Journal of Composites for Construction 13(1) (2009):13-24.
16. M.N.S. Hadi, I.B.R. Widiarsa, Axial and flexural performance of square RC columns wrapped with CFRP under eccentric loading, Journal of Composites for Construction 16(6) (2012) 640-649.
17. W.M. Hassan, O.A. Hodhod, M.S. Hilal, H.H. Bahnasaway, Behavior of eccentrically loaded high strength concrete columns jacketed with FRP laminates, Construction and Building Materials 138 (2017) 508-527.
18. M. Elsayed, M. Elassaly, W. Esmail, Behavior of eccentrically loaded RC columns confined with CFRP composites, Inter. Res. J. Eng. Tech. IRJET 5 (2018) 1336-1343.
19. O.A. Hussein, N.N. Khalid, Behavior of slender RC columns strengthened with partial and full wrapping of BFRP sheet, subjected to variable eccentric loading, Journal of Building Pathology and Rehabilitation 9(1) (2024) 48.
20. E. Hognestad, N.W. Hanson, D. McHenry, Concrete stress distribution in ultimate strength design, Journal Proceedings 52(12) (1955) 455-480.
21. J.C. Lim, T. Ozbakkaloglu, Investigation of the influence of the application path of confining pressure: Tests on actively confined and FRP-confined concretes, Journal of Structural Engineering 141(8) (2015) 04014203.
22. L.J. Ouyang, W.Y. Gao, B. Zhen, Z.D. Lu, Seismic retrofit of square reinforced concrete columns using basalt and carbon fiber-reinforced polymer sheets: A comparative study, Composite Structures 162 (2017) 294-307.
23. L. Lam, J.G. Teng, Design-oriented stress–strain model for FRP-confined concrete, Construction and building materials 17(6-7) (2003) 471-489.
24. L. Lam, J.G. Teng, Design-oriented stress-strain model for FRP-confined concrete in rectangular columns, Journal of reinforced plastics and composites 22(13) (2003) 1149-1186.
25. A. Mirmiran, M. Shahawy, Behavior of concrete columns confined by fiber composites, Journal of structural engineering 123(5) (1997) 583-590.
26. M. Samaan, A. Mirmiran, M. Shahawy, Model of concrete confined by fiber composites, Journal of structural engineering 124(9) (1998) 1025-1031.
27. A. İlki, N. Kumbasar, Compressive behaviour of carbon fibre composite jacketed concrete with circular and non-circular cross-sections, Journal of Earthquake Engineering 7(03) (2003) 381-406.
28. S.A. Sheikh, S.M. Uzumeri, Strength and ductility of tied concrete columns, Journal of the structural division 106(5) (1980) 1079-1102.
29. A. Parvin, W. Wang, Behavior of FRP jacketed concrete columns under eccentric loading, Journal of Composites for construction 5(3) (2001) 146-152.
30. A. Fam, B. Flisak, S. Rizkalla, Experimental and analytical modeling of concrete-filled FRP tubes subjected to combined bending and axial loads, ACI Struct. J 100(4) (2003) 499-509.
31. X. Song, X. Gu, Y. Li, T. Chen, W Zhang, Mechanical behavior of FRP-strengthened concrete columns subjected to concentric and eccentric compression loading, Journal of Composites for Construction 17(3) (2013) 336-346.
32. M.P. Collins, D. Mitchell, Prestressed concrete basics, Canadian Prestressed Concrete Institute (CPCI) (1987).