Işık geçiren betonun optik fiber oranları ve yerleşimlerine göre özelliklerini incelemeye yönelik deneysel bir çalışma
An experimental study aimed at investigating the properties of light transmitting concrete according to optical fiber ratios and arrangements
Yazar: SİNEM EMANET
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ HALET ALMILA BÜYÜKTAŞKIN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Mimarlık Ana Bilim Dalı / Çevre Kontrolü ve Yapı Teknoloji Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Mimarlık = Architecture ; İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering
Dizin: Fiber optik = Fiber optics ; Işık geçirgenliği = Light transmissivity ; Saydam beton = Clear concrete

Özet:
Beton, günümüzde başta yapı sektörü olmak üzere çok çeşitli alanlarda kullanılmakla birlikte 20. yüzyılda teknolojinin daha da ilerlemesi farklı beton türlerinin ortaya çıkmasını sağlamıştır. Son yıllarda beton, tasarımlarıyla dikkat çeken birçok yapıda  ve serbest formlu yapılarda tercih edilmektedir. Kullanıcıların ve tasarımcıların tekdüze betonarme yapı tasarımlarının dışına çıkmak istemeleri malzeme alanında da yeni ürünlerin ortaya çıkmasını sağlamıştır. 
Ülkemizde yapısal uygulamalarda sıkça tercih edilen beton da gelişen teknolojiyle birlikte farklı katkı maddelerinin geliştirilmesiyle ve içeriğine konulan farklı malzemelerle yeni özellikler kazanmıştır. Malzeme ve yapısal alandaki bu yeni gelişmeler estetik ve yaratıcılık değeri yüksek yapıların ortaya çıkmasında tasarımcılara da imkanlar sunmaktadır. Ayrıca son yıllarda estetik özelliklerin yanısıra yapılarda enerji tüketimini azaltmak amacıyla sürdürülebilir malzemelerin kullanımına da önem verilmeye başlanmıştır. 
Bu çalışmada da özellikle mimarların ve sanatçıların estetik anlamda farklı ve dikkat çeken bir tasarım yapmak için kullanabilecekleri ışık geçiren betonun özellikleri araştırılmıştır. Işık geçiren beton (light transmitting concrete)  ya da saydam beton (translucent concrete), opak bir malzeme olan betonun içerisine optik fiber, cam, polimer reçine gibi ışık geçiren bir malzeme konularak oluşturulmaktadır. Yapılan uygulamalarda daha çok polimer içerikli optik fiberler ve polimer şeffaf malzemeler kullanılmaktadır. Işık geçirgenliğine imkan vermesi sebebiyle yapılarda karanlık alanlarda ya da cephe paneli olarak kullanılması durumunda enerji tüketimini azaltacağı düşünülmektedir.  Işık geçiren panellere LED yerleştirilerek farklı renklerde ışığı geçirmesi  de sağlanabilmektedir. İstenilen renk ve formda üretilebilmesi bu anlamda tasarımcıya da çeşitlilik sunmaktadır. 
Bununla birlikte, ışık geçiren betonun inşaat sektöründe uygulanması işçilik maliyeti ve üretim sürecinin karmaşıklığı gibi nedenlerden dolayı küçük ve az sayıda üretimlerle sınırlı kalmıştır. 
Tez çalışması için yapılan literatür araştırması ışık geçiren betonun özellikleri, içerdiği malzemelerin özellikleri, üretici firmalar ve ürünleri, uygulama örneklerini içermektedir. Işık geçiren betonun farklı optik fiber oran ve yerleşimlerine göre mekanik özellikleri, ışık geçirgenlik özellikleri ve durabilite özelliklerini incelemeye yönelik bir deneysel çalışma yapılmıştır. 
Deneysel çalışmada plastik optik fiberler ve PMMA şeffaf üniteler betona yerleştirilerek ışık geçiren beton üretimi yapılmıştır. Optik fiberli gruplar için farklı oranlarda ve farklı yerleşimlerde plastik optik fiber konulmasının malzemenin mekanik özelliklerinde bir değişime sebep olup olmayacağı konusu araştırılmıştır. Ayrıca optik fiberli bir grupta hızlandırılmış yaşlandırma koşullarının numunelerin dayanımına etkisi belirlenmiştir. Fibrobeton Yapı Elemanlar A.Ş. firmasından temin edilen PMMA şeffaf ünitelerin kullanıldığı numune grubuna da hızlandırılmış yaşlandırma koşulları uygulanmış ve numune özelliklerindeki değişimler belirlenmiştir. 
Deneysel çalışmanın ilk aşamasında optik fiberlerle farklı desenler ortaya çıkarabilmek için bir üretim yöntemi belirlenmiştir. Çizgisel düzende ve demet halinde optik fiber gruplarının kullanılmasıyla farklı desen tipleri oluşturulmuştur. Bunlardan çizgisel düzene sahip olan numune grubu AR1 ve demet düzenine sahip olan numune grubu AR2 ismini almıştır. Yapılan üretimlerde 0,5 mm çapındaki optik fiberler karşılıklı olarak elek telinden geçirilerek belirlenen desenler oluşturulmuştur. Optik fiberlerin beton dökümü sırasında gerilmesiyle istenilen desenler elde edilebilmiştir. Beton, kalıba dökülüp sertleştikten sonra kesilerek belirlenilen numune boyutlarına getirilmiştir. Numune üretimleri gerçekleştikten sonra planlanan deneyler uygulanmıştır. 
0,5 mm optik fiber içeren gruplardan iki farklı optik fiber yerleşimine sahip 3 farklı optik fiber oranında toplamda 6 alt grup oluşturulmuştur. Kullanılan optik fiber hacimsel oranları %1, %1,6 ve %2,4'tür. Yapılan çalışmalarda optik fiberli iki grup (AR1 ve AR2) için 28 günlük basınç ve eğilme dayanımı, ışık geçirgenliği gibi özellikler karşılaştırılmıştır. Çizgisel düzende optik fiberlerin yerleştiği AR1 grubu numunelerinde hızlandırılmış yaşlandırma etkileri sonrası dayanım testleri yapılmıştır. Testler yapıldıktan sonra numunelerin özellikleri karşılaştırılmıştır.
2 mm çapında şeffaf tüplerden oluşan PMMA ünite konulan numune grubu PX olarak adlandırılmıştır. PX grubu numunelerinin, 7 ve 28 günlük basınç ve eğilme dayanımı, ışık geçirgenliği belirlenmiştir. Ayrıca numunelere donma-çözülme ve ıslanma-kuruma çevrimleri ve yüksek sıcaklık uygulanmıştır. Hızlandırılmış yaşlandırma etkileri sonrasında numune dayanımları belirlenip 28 günlük dayanımları ile karşılaştırması yapılmıştır.

Abstract:
Concrete is a composite material widely used in buildings for many years. Different types of concrete have emerged with the development of technology in the 20th century. In recent years, concrete has been preferred in different types of structures. Nowadays, users no longer want to live in uniform reinforced concrete structures because they expect a high aesthetic value of a building. This high expectation leads designers and engineers to search for new materials.
Concrete, which is often preferred in structural applications in our country, has also gained new properties with the development of different additives and different components. It also gives an opportunity to designers to use these new developments in the field of the material.  In addition to aesthetical concerns, sustainable materials have also started to be used in buildings to reduce energy consumption.
In this study, the properties of light-transmitting concrete have been investigated. Light-transmitting concrete or translucent concrete is first produced by Hungarian architect Aaron Losonczi in 2001. Light-transmitting concrete consists of concrete and a light-transmitting material such as optical fiber, waste glass or polymer resin. It can be produced as blocks or panels. The diameters of optical fibers are generally between 2 μm and 2 mm. Polymer optical fibers and polymer resin used in many researches and applications. 
Light transmitting concrete allows light to be transmitted through optical fibers placed in concrete and it reduces energy consumption in the buildings. Also, optical fibers can transmit the light in different colors by placing LEDs into the light-transmitting panels. The panels might be produced in different colors by adding pigment into the concrete mixture. 
However, the applications of light-transmitting concrete are limited in the construction industry because of the labor cost and complexity of the production process. Light transmitting concrete is not suitable for production in the field, as in traditional concrete production, and it can be produced in the form of blocks or panels in prefabricated factories or production facilities.
In the production of light-transmitting concrete, its physical and mechanical properties depends on some parameters such as the different ratios ,diameters, arrangements and  type of the optical fibers in the concrete. The increase of the optical fibers in light-transmitting concrete contributes to light transmission, but it affects the homogeneity of the concrete. Therefore, high compressive strength concrete is generally used in the applications.
The literature research for this study includes the properties of light-transmitting concrete, the properties of the materials it contains, the manufacturers and their products, and applications. An experimental study was carried out in order to better understand the behaviour of light-transmitting concrete and to determine its mechanical, light transmitting and durability properties according to different optical fiber ratios and arrangements. 
In the experimental study, light-transmitting concrete was produced by placing plastic optical fibers (for two groups) and PMMA transparent units (for one group) in the concrete. A reference sample group (REF group) without optical fiber was produced for comparison with light-transmitting concrete samples. Mechanical properties of light-transmitting concrete which have different ratios of optical fibers have been investigated. Two groups of samples (AR1 and AR2) include 0,5 mm diameter optical fibers. Optical fibers were placed in a regular arrangement into the concrete in AR1 group, AR2 group had a different arrangement of optical fibers. The physical changes in the samples and their mechanical properties were determined. 
At the first stage of the experimental study, a production method was determined to make different optical fiber patterns. Optical fibers with a diameter of 0,5 mm were mutually passed through a wire mesh to create the determined pattern. During concrete casting,  the optical fibers were stretched. After the concrete was poured into the mold and hardened, the concrete block was cut in specimen size. The specimens with the dimensions of 40 mm x 40 mm x 160 mm were obtained from the light transmitting concrete block.
There was a total of six subgroups containing 0,5 mm optical fibers with different arrangements and three different optical fiber ratios. The optical fiber ratios (by volume) were 1%, 1,6%, and 2,4% in the two main groups (AR1 and AR2). The optical fibers were placed in the longitudinal and latitudinal direction and of the sample in these two groups. The effect of the optical fiber direction to the strength was investigated and it was determined with the flexural strength tests. 
The compressive strength tests, flexural strength tests and light transmittance tests were applied to the AR1 and AR2  group samples. The loading direction was perpendicular to the optical fibers' direction. The results of the 28-day compressive test, 28-day flexural strength tests (in two directions), and light transmittance test were compared for these two groups. The light transmitting properties of specimens were measured by a luxmeter. Cube specimens with the dimensions of 40 mm x 40 mm x 40 mm were used for the light transmitting tests. Light transmitting values of the cube specimens were measured for the distances which were 10 cm and 20 cm from the specimen to the luxmeter. Durability tests were carried out for AR1 group where optical fibers were placed in a linear arrangement. For durability tests, freeze-thaw and wetting-drying cycles and high temperature were applied to the samples.
The PX group included PMMA units which have transparent tubes with 2 mm diameter. The mechanical properties and light transmittance of the samples were investigated. The results of 7 and 28-day compressive tests and 7 and 28-day flexural strength tests and light transmittance tests were determined. Durability tests were applied to the PX group in which PMMA transparent units supplied from Fibrobeton Inc. After the end of the aging process, the compressive strength test and flexural strength test were applied to the samples. The results of the tests were compared at the end of the study. 
For the AR1 and AR2 groups, according to the 28-day compressive strength test results, as the optical fiber ratios increased, the compressive strength of the samples decreased. According to the 28-day flexural strength test results, as the optical fiber ratios increased in the samples which include optical fibers in longitudinal direction, the flexural strength of the specimens increased. 
Reference (REF) group had the highest 28-day compressive strength values compared with the AR1, AR2 and PX groups. 
According to the light transmittance test results, when the number of the fiber was a certain value, light transmittance decreased with an increasing distance from the luxmeter and the specimen. The light transmittance of specimens increased in proportion with  the increase the optical fiber ratio for specified distances. The samples which had the highest optical fiber ratio (%2,4) had the highest light transmittance value in AR1 and AR2 groups. Also, the AR2 group specimens had higher light transmitting values compared with the AR1 group. 
After the effects of wet-dry cycles, freeze-thaw cycles and high temperature applied to AR1 and PX group specimens, the compressive and flexural strength values of specimens determined. After the effects, the compressive and flexural strength values decreased some of the AR1 group samples. Also, there were significant decreases in the light transmittance values of the AR1 group specimens after the high temperature effect. 
In terms of the PX group, it included PMMA units, there were significant decreases in flexural and compressive strengths after wet-dry cycles and high temperature effect. After the high temperature effect, light transmittance of the PX group decreased. 
In conclusion, light transmitting concrete was produced by using different types of light transmitting materials in this experimental study. The mechanical properties, light transmitting properties and durability properties of the specimens were investigated. In order to better understand the durability properties of light transmitting concrete, it is recommended to increase the specimen numbers. In this thesis, a different and laborious production method was applied due to the production of an unprecedented pattern with using small diameter (0,5 mm diameter) optical fibers. The emergence of easier and less costly production methods related to light-transmitting concrete will be possible by conducting research studies together with manufacturing companies.