Korozyona uğramış RC döşeme–kolon bağlantılarının darbe kesme altında ince tabaka hibrit FRP ile güçlendirilmesi

Neden eskimiş beton zeminler aniden çöker?

Birçok otopark, depo ve yüksek katlı bina, doğrudan kolonlar tarafından desteklenen düz beton döşemelere dayanır. Bu düzen alan ve malzemeden tasarruf sağlar, ancak tehlikeli bir zayıflığı gizler: döşemenin kolon etrafında neredeyse hiçbir uyarı vermeden kırılmasına neden olan gevrek bir durum olan darbe kesme (punching shear). Beton içindeki çeliğin paslanması bu riski artırır. Burada özetlenen çalışma, cam ve karbon liflerinden yapılmış çok ince, hafif kompozit şeritlerle bu hassas bağlantıları güçlendirmenin yeni bir yolunu araştırıyor.

Günlük yapıların gizli zayıf noktası

Düz döşeme–kolon sistemleri kirişleri ortadan kaldırdıkları ve açık, esnek mekânlar sağladıkları için popülerdir. Ancak takas şudur: her kolonun döşeme ile buluştuğu alan yoğun konsantre kuvvetlere maruz kalır. Beton ve donatı bu kuvvetlere dayanamazsa, döşeme kolon çevresinde koni biçimli bir parçayla aniden kopabilir. Geçmiş depremler ve otoparklardaki beklenmedik çökmeler, bu "punching" hasarının ne kadar yıkıcı olabileceğini gösterdi. Ek çelik, düşen paneller veya kalınlaştırılmış döşeme bölgeleri gibi geleneksel güvenlik önlemleri ek ağırlık, maliyet ve inşaat karmaşıklığı getirir ve eski binalarda sıklıkla bulunmaz. Sorunu daha da kötüleştiren bir etken olarak buz çözücü tuzlar ve sert çevresel koşullar iç donatıyı yavaşça korozyona uğratarak dayanımı azaltır ve punching riskini artırır.

Korozyonun beton bağlantılara etkisi

Donatı korozyona uğradığında genişler ve çevresindeki betonu çatlatır. Bu süreç, normalde darbe kesmeye karşı direnişe katkıda bulunan birkaç mekanizmayı zayıflatır: çatlamış beton yüzeyleri arasındaki pürüzlü kilitlenme (interlock), çatlakları kesen donatıların "dübelleme" etkisi ve çelik-beton arasındaki aderans. Orta dereceli pas bile döşemeyi daha hoşgörülü bir eğilme kırılmasından ani bir punching kırılmasına kaydırabilir. Önceki çalışmalar çoğunlukla korozyon veya güçlendirmeyi ayrı ayrı incelemiş ve genellikle kritik döşeme–kolon bağlantısından ziyade kirişler veya kolonlara odaklanmıştır. Bu çalışma, çeliğin zaten hasarlı olduğu durumda farklı güçlendirme düzenlerinin nasıl performans gösterdiğini inceleyerek bu özel bağlantıyı hedef alıyor.

Hasarlı bağlantılarda ince hibrit şeritlerin test edilmesi

Araştırmacılar, her biri düz bir döşeme katında tipik bir iç kolon temsil eden on bir ölçekli iç döşeme–kolon bağlantısı inşa ettiler. Bazı numuneler sağlam bırakılırken, diğerleri tuz çözeltisinde hızlandırılmış elektrokimyasal bir yöntemle donatıda yaklaşık %15 kütle kaybına kadar kasıtlı olarak korozyona uğratıldı. Daha sonra kolon çevresindeki döşemenin altına cam lifi (GFRP), karbon lifi (CFRP) veya her ikisinin hibriti olan ince kompozit şeritler bağladılar. Şeritler çeşitli düzenlerde yerleştirildi; özellikle punching sırasında oluşan radyal çatlakları kesmeyi amaçlayan eğik bir yerleşime özel dikkat gösterildi. Döşemeler kolon üzerinden aşağı doğru yüklenerek kırılma meydana gelene kadar test edildi; ekip, taşıyabildikleri yükü, ne kadar saptıklarını ve çatlakların nasıl yayıldığını ölçtü.

Yeni güçlendirme stratejisinin performansı

Sadece korozyon, hasarsız bağlantıya kıyasla darbe kapasitesini yaklaşık olarak üçte bir azalttı ve kırılmadaki saptamayı neredeyse iki katına çıkardı. Kompozit şeritlerin eklenmesi bu kaybın büyük bir kısmını tersine çevirdi. Cam lifi sistemleri korozyona uğramış kontrol numunesine göre darbe dayanımını yaklaşık %30–51 artırırken, karbon lifi sistemleri %40–60, hibrit cam–karbon şeritler ise yaklaşık %57–77 artırdı. Güçlendirilmiş bağlantılar çatlamadan önce daha rijit davranış, çatlak oluşumunda gecikme ve daha stabil bir yük–saptama tepkisi gösterdi. Ancak fayda sonsuza dek artmadı: yaklaşık iki katman veya toplam kompozit kalınlığı 0.6–1.2 mm civarını aşınca, ek malzeme sadece küçük dayanım artışları sağladı çünkü şeritler tam kapasite kullanılmadan önce betondan sıyrılmaya (debonding) başladı. Deneylerle kalibre edilmiş gelişmiş bilgisayar simülasyonları kullanarak yazarlar, şerit kalınlığı, katman sayısı, yerleşim ve korozyon seviyesindeki birçok varyasyonu incelediler. Test edilen geometri için kolon yüzünden 50 mm ötelenmiş eğik hibrit şeritlerin eklenen dayanım ve kontrollü çatlama arasında en iyi dengeyi verdiğini buldular.

Aşırı korozyona uğramış yapıların güçlendirilmesindeki sınırlar

Çalışma ayrıca korozyon şiddetlenince güçlendirmenin ne kadar yardımcı olabileceğine dair pratik bir sınır olduğunu gösteriyor. %5 ile %30 arasında değişen korozyon seviyelerine sahip simüle edilmiş bağlantılarda, optimal hibrit güçlendirmenin göreli faydası hafif korozyonda yaklaşık %51 ek kapasiteden incelenen en yüksek seviyede yaklaşık %25'e düştü. Daha fazla çelik paslandıkça ve çevresindeki beton bozuldukça bağlantı giderek gevrek punching ve şeritlerin debonding davranışıyla yönetilir hale geliyor. Bu noktada, bağlayıcıyı iyileştirmeden veya temel bozulmayı ele almadan daha fazla kompozit eklemenin etkisi sınırlıdır.

Gerçek binalar için ne anlama geliyor

Yaşlanan otoparklardan veya düz döşemeli binalardan sorumlu mühendisler için sonuçlar, çok ince, stratejik olarak yerleştirilmiş hibrit cam–karbon şeritlerin orta derecede korozyona uğramış döşeme–kolon bağlantılarında emniyeti kısmen geri kazandırmak için pratik bir güçlendirme olabileceğini gösteriyor. Sistem hafif, dıştan uygulanabilir ve döşemenin kalınlaştırılmasını veya ağır çelik donanım eklemeyi gerektirmez. Bununla birlikte, başarısı büyük ölçüde iyi bir bağlanmaya, şerit düzeninin dikkatli detaylandırılmasına ve henüz aşırı düzeye ulaşmamış korozyon seviyelerine bağlıdır. Kısacası, bu teknik risk altındaki bağlantılara değerli ek kapasite ve rijitlik kazandırabilir, ancak her şeyi çözen bir yöntem değildir: şiddetli korozyon daha kapsamlı onarım veya yenilemeyi gerektirir ve her bina bu araştırmada test edilen koşullar çerçevesinde değerlendirilmelidir.

Atıf: Gomaa, A.M., Ahmed, M.A., Khafaga, S.A. et al. Strengthening of corroded RC slab–column joints using thin-ply hybrid FRP under punching shear. Sci Rep 16, 6526 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36610-2

Anahtar kelimeler: darbe kesme, donatılı beton döşemeler, korozyon, FRP güçlendirme, döşeme-kolon bağlantıları