İç FRP çubuklu beton dolgulu FRP sarımlı tübüler kemerlerin eğilme davranışı

Zorlu Yeraltı Koşulları İçin Daha Güçlü Tünel Destekleri

Modern şehirler ve ulaşım sistemleri giderek daha fazla tünellere ve yeraltı mekanlarına bağımlı hale geliyor; ancak bunları ayakta tutan beton ve çelik zamanla sessizce zayıflayabiliyor. Karanlık, ıslak ve çoğu zaman kimyasal açıdan saldırgan yeraltı ortamları çeliği aşındırır ve betona zarar verir; bu da bakım maliyetlerini ve güvenlik endişelerini artırır. Bu çalışma, paslanmaya yatkın çeliğin yerine cam elyaf takviyeli kompozitler ve özel olarak güçlendirilmiş beton kullanan yeni bir tünel destek kemeri türünü araştırıyor; amaç geleneksel malzemelerin zayıf kaldığı yerlerde uzun ömürlü dayanım sağlamaktır.

Koruyucu Yeni Bir Kemer Türü

Araştırmacılar, otomatik üretim sırasında önceden eğrilen cam elyaf–takviyeli polimer (GFRP) borulardan yapılan kemer biçimli desteklere odaklandı. Bu borular daha sonra yüksek dayanımlı harç (ince bir beton) ile dolduruluyor ve kemer boyu boyunca ince iç GFRP çubuklarla ek olarak güçlendiriliyor. GFRP paslanmadığı için bu kombinasyon, tüneller, menfezler ve koruyucu yapılar gibi nemli, asidik veya tuzlu yeraltı ortamları için özellikle çekici. Ekip, bu eğimli boruları tutarlı kalitede üretebilen endüstriyel filament sarma süreci geliştirdi; bu, kompozit kemerlerin geniş ölçekte kullanılmasının önündeki önemli bir engeli ele alıyor.

Kemerleri Teste Sokmak

Bu kompozit kemerlerin performansını anlamak için yazarlar sabit boyut ve şekilde fakat farklı iç düzenlemelere sahip 18 kemer numunesi inşa edip test ettiler. Bazı kemerler boş GFRP borulardı, bazıları yalnızca harçla doldurulmuştu ve diğerleri harçla doldurulmuş ve içinde dört adet iç GFRP çubuğu barındırıyordu. Ayrıca boru duvar kalınlıklarını (3, 5 veya 7 milimetre) değiştirdiler. Her kemer her iki uçtan kelepçelenip çatı noktasından evrensel bir test makinesinde aşağı doğru bastırıldı; bu düzen, açıklığın ortasında belirgin ve şiddetli bir eğilme durumu yaratacak şekilde seçildi. Yükleme sırasında ekip, kemerlerin ne kadar saptığını, nasıl çatladığını ve eğri etrafında nasıl deformasyonlar (strain) oluştuğunu kaydetti; bu sayede hasar biriktikçe iç kuvvetlerin nasıl değiştiğini izleyebildiler.

Kalınlık ve İç Çubuklar Davranışı Nasıl Değiştiriyor

Deneyler, GFRP borunun sadece kalınlaştırılmasının bile kemerlerin kırılmadan önce taşıyabileceği yükü önemli ölçüde artırdığını gösterdi. Hem boş hem de beton dolgulu kemerler için en ince borudan en kalın boruya geçiş, yaklaşık olarak nihai taşıma kapasitesini iki katına çıkardı ve daha kalın borular erken elastik aşamada kemerleri daha rijit hale getirdi. Boruları betonla doldurmak dayanımda ve enerji soğurma kapasitesinde bir diğer büyük artışı sağladı. Bununla birlikte en büyük sıçrama, iç GFRP çubukların eklenmesinden geldi: hem betonlu hem de çubuklu kemerler, boş borulara kıyasla yaklaşık iki buçuk ila neredeyse dört kat daha fazla yük taşıdı ve kapasite kaybına uğramadan önce iki kattan fazla deformasyona izin verdi. Hesaplamalar, çubukların kesit alanının yalnızca küçük bir kısmını kaplamasına rağmen toplam yük taşıma kapasitesinin yaklaşık yarısını sağladığını, betonun düzenli bir pay katkıda bulunduğunu ve borunun hem çekmeye karşı direnç gösterdiğini hem de betonu sıkıştırmada sınırladığını öne sürüyor.

Deney Verilerinden Öngörücü Tasarıma

Testlerin ötesinde, yazarlar böyle bir kemerin çatı noktasına yapılan yoğun bir kuvvet altında ne kadar yük taşıyabileceğini tahmin etmek için basitleştirilmiş bir hesap modeli kurdular. Kemerin, sonunda eğilmenin en şiddetli olduğu dört “plastik” mafsal bölgesi oluşturan sabit uçlu bir yapı olarak ele alındı. Eğri tübüler kesiti eşdeğer bir dikdörtgene dönüştürüp, sıkıştırılmış beton ve çekmedeki GFRP için oturmuş formülleri kullanarak bu mafsallardaki eğilme dayanımını ve buradan da genel nihai yükü türettiler. İç çubuklu kemerler için bu tahminleri test sonuçlarıyla karşılaştırdıklarında, farkların yaklaşık %10 civarında olduğu görüldü; bu da modelin bu özel kemer şekli ve yükleme koşulu için özlü davranışı yakaladığını gösteriyor.

Geleceğin Yeraltı Yapıları İçin Anlamı

Düz ifadeyle, çalışma gösteriyor ki iç lif çubuklu beton dolgulu GFRP kemerler, çeliği aşındıran koşullara karşı dayanıklı kalırken geleneksel beton kemerlere göre hem daha güçlü hem de daha tolere edilebilir olabilir. Endüstriyel olarak üretilmiş bir kompozit boru, sıkıştırılmış bir beton çekirdek ve yüksek dayanımlı iç çubukların kombinasyonu; ani çöküş olmadan büyük yükleri taşıyabilen ve deformasyona izin veren destekler ortaya koyuyor. Mevcut tasarım kuralları yalnızca test edilen kemerlere benzer yapılar için doğrulanmış olsa da, bulgular daha az bakım gerektiren, daha dayanıklı ve hafif bir tünel astarı ve koruyucu kemer ailesine işaret ediyor; bu da yeraltı altyapısını daha güvenli ve daha uzun ömürlü kılabilir.

Atıf: Li, B., Yang, Z., Qi, Y. et al. Bending behavior of concrete-filled FRP wound tubular arches with internal FRP bars. Sci Rep 16, 7876 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38886-w

Anahtar kelimeler: tünel destekleri, lif takviyeli polimer, beton kemerler, korozyon direnci, yeraltı yapıları