Stratejik koruyucu yapılar için yüksek performanslı kompozitlerin üretimi ve mekanik davranışı
High performance composite's production and mechanical behaviour for strategically protective construction
Yazar: FARUK GÜL
Danışman: PROF. DR. EŞREF ÜNLÜOĞLU
Eskişehir Osmangazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Yapı Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2017
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering
Dizin: Lifli kompozitler = Fiber composites ; Metal matrisli kompozitler = Metal matrix composites ; Tabakalı kompozit levhalar = Laminated composite plates

Özet:
Beton, farklı performans seviyelerinde mermi direnci sağlayan ve bu alanda çok yaygın kullanılan bir yapı malzemesidir. Beton teknolojisindeki son gelişmeler, 200 MPa üzerinde basınç dayanımına sahip Yüksek Performanslı Çelik Lif Takviyeli Çimento Esaslı Kompozitler (HPFRCC) önemli bazı prefabrike elamanların üretimine izin vermekte ve şehir altyapısında kullanılabilmektedir. Yüksek performanslı betonlar kayda değer eğilme mukavemetine ve çok yüksek sünekliğe sahiptir. Kapalı çevrim deplasman kontrollü yükleme koşulları altında, HPFRCC'nin ilk uyumluluğunda kayda değer bir kayıp yoktur, yani yükleme-boşaltma çevrimlerinin eğimleri, yük-sehim eğrisinin başlangıçtaki yükselen bölümünün eğimi ile hemen hemen aynıdır. Kalan mukavemet, maksimum gerilmeden sonra aşamalı olarak azalmakla birlikte, tekrarlı yükleme altında rijitlik azalması önemli olmamaktadır. Sunulan çalışmanın esas amacı ise HPFRCC panellerinin silah etkilerine karşı korunak olarak kullanılmasının yeterliliğini ortaya koyan bu malzemelerin diğer bir kullanım alanını araştırmaktır.
Bu çalışmada, çeşitli basınç dayanımlarına sahip çelik tel takviyeli HPFRCC'den yapılmış panellerden oluşan koruyucu bir sisteme, hem küçük silahların hem de tanksavar silahların etkileri incelenmiştir. İnce çelik telin bir matris olarak kullanıldığı koruyucu panel sistem olan HPFRCC, patlamaya karşı koruma plakaları, füze depoları ve telekominikasyon barınakları gibi koruma gerektiren yapılarda kullanılabilir. Hafif silahlar, tabanca, tüfek, av tüfeği ve 12.7 mm'ye (0.50 kalibreli) kadar olan makineli tüfekler gibi balistik silahları içerirken, Tanksavar silahlar ise çukur imla haklı silahlardan oluşan farklı RPG türleri ve M-72 tipi Hafif Anti-Tank Silahları (LAWs) gibi omuzdan ateşlenen roketlerden oluşmaktadır. Çelik kafes takviyeleri, panel kalıbının çeşitli seviyelerine yerleştirilmektedir. Panellerden oluşan sistemin daha fazla darbe enerjisi yutma kabiliyetini artırmak amacıyla panel aralarında boşluk veya zayıf malzeme eklenerek farklı sistemler geliştirilmiştir.
Hem kırılma enerjisinin hem de HPFRCC'nin mukavemetinin arttırılması ile test edilen panellerin penetrasyon direncini arttırdığı söylenebilir. Örneğin, HPFRCC ile üretilen ve kalınlıkları 4, 5, 5, 10 ve 15 cm olan panellerin inceden kalına sıralandığı durumda, bir M-72 tipi LAW silahının başarısız olduğu, panellerin tamamını geçemediği, 10 cm kalınlığındaki panele nüfuz ettiği ancak 15 cm kalınlığındaki panele penetre edemediği, herhangi bir yüzeyden kopma veya krater oluşmadığı görüldü. 
Bunun nedeni, ilk ince panellerin, hedef yapının silaha karşı korunmasında patlayıcı etkisini engelleyici rol oynamasıdır. Bu uygulamada görüldüğü gibi, beton, taş ve ahşap gibi patlama durdurma perdeleri, tehditlerin azalmasını sağlamaktadır. Bununla birlikte, yukarıda belirtilenin aksine, panellerin kalından inceye doğru sıralandığı sistemlerde, füzenin tüm panellere nüfuz ettiği ve en sonda yer alan 4 cm kalınlığındaki ince panelin arkasında büyük bir krater oluşturduğu görüldü. Bu araştırmada, hem klasik hem de çelik tel donatının yüksek miktarda kullanımının patlayıcıların nüfuz derinliğini azalttığı görülmüştür. Özellikle çelik kafes tabakalarının kullanımının, penetrasyon derinliği ile ön ve arka yüzeylerde oluşan hasarları azaltarak HPFRCC panellerin silah penetrasyon direncini arttırdığı tespit edildi.

Abstract:
Concrete is the most widely used construction material that provides bullet resistance at different levels of performance. The recent advances in concrete technology allow numerous special applications such as making some important prefabricated elements made with High Performance Steel Fiber Reinforced Cementitious Composites (HPFRCCs), having compressive strengths over 200MPa. These high performance concretes allow remarkable flexural strength and very high ductility. Under cyclic loading conditions, there is no significant loss in the initial compliance of HPFRCC, i.e. the slopes of the unloading-reloading loops are almost the same as the slope of the initial ascending part of the load-deflection curve. Although the residual strength gradually decreases after the peak stress, the stiffness degradation is not significant under cyclic loading. The main objective of the presented study, however, is to investigate some other properties of HPFRCCs which are the sufficiency of HPFRCC panels to be used as shelters against the weapon effects.
In this work, the effects of both small arms and anti-tank weapons on a protective system consisting of panels made of a combination of HPFRCCs having various compressive strengths and a wire steel mesh. HPFRCC was employed as a matrix in the proposed protective panel system which a quite common application of fine steel fibers in protective elements such as detonation slabs, missile storage and telecom shelters. Small arms include ballistic weapons such as pistols, rifles, shotguns, and submachine guns up to 12.7 mm (0.50 caliber), while anti-tank weapons are limited to shoulder fired rockets that have shape charge effects such as different types of RPGs and M-72 type Light Anti-tank Weapons (LAWs). Wire steel mesh reinforcements were welded together in different layers positioned at the various levels of the square panel mould depending on the applied ballistic weapons. Laminated panels that were organized in a sequence where either some space or weak materials were present in between them were developed for demonstrating the ability of the system to absorb more impact/blast energy.
It can be concluded that increasing both the fracture energy and the strength of HPFRCC enhances the penetration resistance of the panels tested. It was shown that if the five panels made with only HPFRCC were arranged in a sequence from thin to thick ones, where their thicknesses from front to rear were 4, 5, 5, 10 and 15cm, an M-72 type LAW was not able to penetrate into the 10 cm thick panel while there was no rear face spalling, no crater being formed or no penetration into the 15 cm thick panel. Reason for this result is that, the initial thin panels played the detonation arrester role in the protection of the target structure against the weapon. Thus, as seen in the application, detonation arresting screens such as concrete, masonry and wood provide threat mitigation. However, in opposite arrangements, the missile penetrated through all panels creating a large crater at the rear of the thin (4 cm thick) panel. Large volume fraction of both classical and fiber reinforcements reduced the penetration depth in this investigation. Especially the use of wire mesh steel layers enhanced the penetration resistance of HPFRCC panels by reducing the penetration depth and the front and rear face damages.