Daha güçlü ve daha hafif. FRP neden şimdiye kadar beton takviyesinde çeliğin yerini almadı?
Konvansiyonel beton yapılar genellikle, betonun normal alkalinite yapısı tarafından çevre koşullarından korunan takviye çelik çubuklar kullanılarak güçlendirilir. Ancak daha sert koşullarda daha dayanıklı malzemeye olan ihtiyaç arttı. Fiber takviyeli polimer (FRP) malzemeler, beton yapılarda kullanılmak üzere inşaat demiri üretmek için alternatif bir malzeme olarak ortaya çıkmıştır, buna dair araştırmalar da 1960'lı yılların başlarında başlamıştır. Beton yapılarda FRP takviyesinin kullanılması için gerekli teknik, yasal ve sözleşmeye dayalı çerçeveyi sağlamak için son birkaç yılda önemli ilerleme kaydedilmiştir.
FRP veya Fiber Takviyeli Polimer (bazıları Fiber Takviyeli Plastik olarak adlandırılır), bir polimerik reçine matrisine gömülü fiberlerden yapılmış alaşım bir malzemedir. Fiberler, alaşıma mukavemet ve sertlik kazandırır ve genellikle uygulanan yüklerin çoğunu taşır. Matris, kesme gerilmesi yoluyla fiberden fibere gerilim transferini sağlamak için onları bağlama ve koruma rolü oynar.
İki malzeme (fiber ve matris) ayrı olarak gerektiği gibi çalışmaz; matrisin gerilimi yetersizdir ve beton elemanı güçlendirmek için gerekli sünekliğe sahip değildir. Öte yandan, fiberler de aynı bölümdeki tüm fiberler arasında bir birim olarak eşit şekilde çalışmak için matrise ihtiyaç duyar.
Hem fiberin hem de matrisin mekanik özelliklerine, birbirlerine göre hacimlerine ve matris içindeki fiber uzunluğuna ve yönelimine bağlı olarak, fiber takviyeli bir polimerde mukavemet ve elastikiyet arttırılır. Matrisin güçlendirilmesi, tanımı gereği, FRP malzemesi matrisin tek başına mukavemet ve elastikiyetine göre artan mukavemet veya elastikiyet gösterdiğinde gerçekleşir.
Polimeri güçlendirmek için kullanılan fiberlerin cinsine göre; çeşitli FRP türleri ortaya çıkmıştır, örneğin:
Aramid Fiber Takviyeli Polimer (AFRP).
Karbon Fiber Takviyeli Polimer (CFRP).
Cam Fiber Takviyeli Polimer (GFRP).
FRP’nin Avantajları
Yüksek dayanıklılık
Farklı fiber türleri ve matrisler arasında çok çeşitli kombinasyonlar olduğundan, FRP'nin gücü büyük ölçüde değişir. Aralık, ASTM A615-20'ye göre 420 MPa ila 790 MPa arasında değişen çok daha düşük karbon çeliği aralığına kıyasla yaklaşık 2000 ila 6000 MPa üzerindedir.
Hafiflik
Yoğunluk yine büyük ölçüde değişir, ancak asla çelik kadar ağır değildir. Buradaki aralık, çeliğin yoğunluğunun 7,9 gm/cm3 olduğu noktada, 1,5 gm/cm3 ila 2,1 gm/cm3 arasındadır.
Aşınmaya Karşı Dayanıklılık
FRP'nin bileşimindeki polimerlerin metalik olmayan doğası göz önüne alındığında; ağır koşullarda beton elemanları tasarımcılarının büyük endişesi olan klorür aşınmalarına karşı dayanıklıdır; bu yapıların aşınma direncini önemli ölçüde artırabilir.
Bu, düşük sıcaklıktaki yerlerde buzun çözülmesine yardımcı olmak için buz çözücü kimyasalların kullanıldığı durumlarda özel bir önem kazanır.
Düşük Isı Geçirgenliği ile Boyutsal Kararlılık
Düşük Lineer Genleşme Katsayısı (çoğu FRP tipi için) 11.7 10–6/C çeliği kolayca geride bırakır. Bu, tasarım sırasında termal genleşme konusunda daha az sorun yaratır.
İletken Değil ve Elektromanyetik Olarak Şeffaf
MR çekimi yapılan kliniklerin veya hastanelerin tasarımında ve yapımında çalışmış olanlar, ferro-manyetik yapıları nedeniyle normal çelik çubukların MR makineleriyle oluşturduğu manyetik alanla etkileşimini önlemek için özel düzenlemeler yapılması gerektiğini bilirler.
Bozunma Faktörü
FRP bozunması durumunda, bozunma mekanizması, genleşen ve diğer yapı elemanlarında hasara neden olan çeliğe göre, kaplı olduğu beton için daha zararsızdır.
FRP’nin Dezavantajları
Yüksek Başlangıç Maliyeti (çelik takviyeye kıyasla)
FRP üreticilerinin çoğu ürünlerinin fiyatlarını açıklamasa da tarih boyunca, fiberglas, ürün veya parça ne olursa olsun, çelikteki muadilinden 1 ila 1,5 kat daha pahalı olmuştur. Bunun size sağladığı şey, ürün ömrü çok daha uzun olduğu için çok daha uzun süre kullanacak olmanızdır.
Yangına Hassasiyet (yalıtımsız)
FRP malzemeleri genellikle yüksek sıcaklıklara karşı inşaat demirlerinden daha hassastır, takviye tipi FRP olan beton elemanlar, yapının yangına dayanıklılığını etkiler; bunlar, eşdeğer ortam sıcaklığı kapasitesine sahip çelik takviyeli elemanlara kıyasla daha düşük yangın direncine sahip olabilir. (ACI 440.1R-15)
Şantiyede İşlenememe veya Bükülememe
GFRP inşaat demiri ortotropik ve sünek olmayan bir malzemedir, GFRP çelik testere, şerit testere ve/veya elmas bıçaklı öğütücü kullanılarak kesilebilir, ancak bunlar yaygın olarak kullanılan kesme makineleri değildir. Örneğin Vinyl-Ester Thermoset Matrix ile üretilen FRP çubuklarını kürleme döngüsünden sonra bükemezsiniz, tüm bükümler FRP'nin üretim tesislerinde yapılmalıdır.
Kırılmalara karşı Düşük Esneklik (Süneklik Eksikliği)
Çok sınırlı bir Cam FRP ve Aramid FRP kombinasyonu dışında, FRP'lerin elastisite modülü çeliğinkinden çok daha düşüktür. Yaygın FRP türleri için, FRP'nin elastisite modülü 35 ile 86 GPa arasında değişirken çelik 200 GPa gibi şaşırtıcı bir değerdedir.
FRP, normal çelik takviye çubuklarına nispeten yeni ve gelecek vaat eden bir alternatiftir.
FRP'nin, fiberin ve matrisin tipine bağlı olarak birkaç çeşidi vardır.
FRP, çelikten daha güçlüdür.
FRP çelikten daha hafiftir.
FRP, çelikten daha düşük elastisite modülüne sahiptir.
FRP genellikle kırılgandır.
Çoğu FRP çubuğu şantiyelerde işlenemez (bükülemez).
FRP, özellikle agresif bir ortamda, çeliğe kıyasla daha yüksek başlangıç maliyetine sahiptir ancak uzun vadeli maliyeti daha düşük olabilir.
ACI 440.1R-15: Guide for the Design and Construction of Structural Concrete Reinforced with Fiber Reinforced Polymer (FRP) Bars.
ASTM D7957/D7957M - 17: Standard Specification for Solid Round Glass Fiber Reinforced Polymer Bars for Concrete Reinforcement
Fiber-Reinforced Polymer: Reinforcement for Concrete Structures, Kiang Hwee Tan Concrete International magazine, volume 43 No.8
Properties evaluation of fiber reinforced polymers and their constituent materials used in structures – A review
ACI STRUCTURAL JOURNAL TECHNICAL PAPER: Tensile Lap Splicing of Fiber-Reinforced Polymer Reinforcing Bars in Concrete