Geleceğin Altyapısı İçin Kompozit Donatılar

Cam Elyaf Takviyeli Polimer (Glass Fiber Reinforced Polymer), trafik, şehirleşme ve aşırı hava koşulları arttıkça geleceğe dönük talepleri karşılayan betonarme yapılar için korozyon riskini ortadan kaldırmakta ve dayanıklılığı dört kat artırmaktadır.

Yaklaşık 11.000 kilometrelik GFRP donatı, Suudi Arabistan’ın Jizan kentindeki betondan yapılan sel azaltma kanalını güçlendirerek 100 yıllık hizmet ömrünü garanti ediyor.

Dünya çapında, betonarme yapılar daha önce hiç olmadığı kadar çevresel etkilere maruz kalmaktadır. Yollar, köprüler ve üst geçitlerin trafik yoğunluğunun artmasının yanı sıra değişen iklim koşullarından dolayı betonarme yapılar şiddetli hava olaylarına maruz kalmakta ki bunlar; şiddetli fırtına, ani sel oluşturan aşırı yağmur gibi diğer yıkıcı olaylardır. Bu sert koşullar ve gerilmeler altında betonarme yapılarda çatlak oluşumları artabilir. Betonarme yapılarda meydana gelen herhangi bir çatlak, tuzlu su gibi çelik donatı için korozyona sebep olan maddelerin betonun içine nüfuz etmesine olanak sağlar ve bu tür agresif ortamlar betonarme yapılarda hızla bozulmaya yol açabilir.

Florida Ulaştırma Bakanlığı inovasyon web sitesi, çatlaklara, “agresif ortam etmenlerinin çelik donatıya ve/veya ön gerilimli çeliğe ulaşmasını sağlayan aşındırıcı oksidasyon sürecinin başlamasının” yol açtığını belirtiyor. “Bu önemli sorunla mücadele için yenilikçi bir yaklaşım, geleneksel çelik çubuk ve tel takviyesini lifli polimer (FRP) ile değiştirmektir.” Florida Ulaştırma Bakanlığı, Amerikan Beton Enstitüsü (ACI) tarafından yayımlanan kullanım standartları ve tasarım standartlarının geliştirilmesinin yanı sıra, lifli polimer (FRP) donatı kullanımı ve testinde lider konumda. Kompozit donatı esas olarak cam elyafı (GFRP veya GRP) ile yapılsa da bazalt (BFRP) veya karbon elyafı (CFRP) kullanılarak da ürünler geliştirildi.

Endüstri lideri olan GFRP donatı üreticisi Mateenbar’ın CEO’su Nick Crofts, “Dünya çapında uzun ve maliyetli bir korozyon geçmişi bulunan çelik artık agresif ortamlarda uygun, az maliyetli bir seçenek olarak görülmüyor.” dedi.

Bahsi geçen proje, Suudi Arabistan’ın Jizan kentinde 23 kilometre uzunluğunda ve 80 metre genişliğe kadar sel azaltma kanalının yapımını içeriyor. Crofts, GFRP donatının 30-40 yıldır piyasada olmasına rağmen, Jizan Flood Channel gibi önemli projeler sayesinde altyapı inşasında kullanımının yaygın hâle getirildiğini söylüyor. Bu büyüme şimdiden Mateenbar’ın Suudi Arabistan ve ABD’deki yeni fabrikalarını işlevli kılıyor. 

Öncü GFRP donatı teknolojisi

Mateenbar GFRP donatı, pultrüzyon teknolojisi ve ürün inovasyonunda öncü ve uzman olan Pultron Composites tarafından geliştirilmiştir. Mateenbar, yüksek hacim ve düşük maliyet talep eden ve proje mimar ve mühendislerinin isteklerini tanzim etmesi beklenen donatı piyasasının benzersiz sorunlarını ele alıyor. Böylece, Mateenbar’ın 2008 yılında işleve sokulan ilk fabrikası, büyük altyapı projeleriyle birlikte inşaatta kompozit kullanımının öncüleri olarak tanınan Dubai’deki potansiyel müşterilere ve firmalara yakın bir yerde inşa edildi. Putron, Mateenbar’ın stratejik ortağı olmasıyla birlikte aynı zamanda eş zamanlı arz durumunda imalatı yapan ve geliştiren ana tedarikçi firma konumundadır.

Üretim Adımları

Mattenbar’ın fabrikası, uçucu organik bileşik (VOC) emisyonlarına yol açmadan yüksek verimde oldukça istikrarlı pultrüzyon donatı üretmek için Pultron’un ileri teknolojisini kullanıyor. Crofts, “Reçine enjekte ediyoruz ve mühendislik ürünü çelik pultrüzyon kalıbının içinde sertleştiriyoruz.” şeklinde belirtti.

Crofts, “Üretilen donatı, boyutsal performansı ±%1’den daha iyi olan bir mühendislik ürünüdür. Yerde reçine veya havada toz görmenin hiçbir mazereti olamaz. Kullanılan elyaf, Owens Corning’den korozyona dayanıklı ECR camdır ve reçine, epoksi sırtlı vinil ester kendi ürünümüzdür. Tokluğu, gücü ve dayanıklılığı en üst düzeye çıkarır ve epoksi uçlara sahip bir polyester yapıdan çok daha üstündür.” dedi.

Pultrude yuvarlak çubuklar daha sonra betonda aderansı sağlayan bir spiral profil oluşturmak için işlenir. Crofts, “Bu aynı zamanda Donaldson hava filtreleme sistemleriyle donatılmış işleme kabinlerinin kullanıldığı kapalı bir operasyondur. Daha sonra, donatının betona tutunmasını geliştirmek için donatının dış kısmına reçine film uyguluyoruz.” şeklinde belirtti. “Mateenbar’ın donatısı 24 metreye kadar uzunluklarda üretilmekte ve gerektiği gibi kesilmektedir. Çoğu altyapı ve inşaat projesi için 12 metrelik uzunluklar normaldir.” dedi.

Crofts, “Ortalama düz donatı çapımız 0,75 inç, çekme modülü ise 11.600 ksi (80-GPa)’dir, bu sonuç ham madde olarak çekme modülü 8.700 ksi (60 GPa) olan cam elyaf kullanılmasıyla elde edilmiştir bu nedenle, lif içeriği ağırlıkça %80’den fazla olup oldukça yüksektir. Bunu bükmenin bir yolu yok, bu nedenle bükülmüş GFRP donatı, tescilli teknoloji ile farklı bir süreç ve reçine kullanılarak yapılıyor.” diye ekledi.

Dünyanın en büyük GFRP donatı projesi

Jizan (Jazan olarak da bilinir), Suudi Arabistan’ın güneybatı köşesinde, Yemen sınırının kuzeyinde yer alan Jizan Bölgesi’nin başkentidir. Yakınlardaki dağlardan gelen akış nedeniyle periyodik şiddetli yağmurlar sırasında ani sel meydana gelmesi olasıdır. 23 kilometre uzunluğundaki betonarme yağmur suyu drenaj kanalı, Suudi Aramco’nun petrol rafinerisini içeren büyük bir sanayi bölgesini korumak için inşa edildi.

Suudi Aramco, COVID-19 pandemisine kadar gelir açısından dünyanın en büyük şirketiydi. Krallığın tüm petrol ve türev ürünleri işini yürütmekte ve ayrıca Suudi Arabistan’daki tüm inşaatların %10’unu üstlenmektedir. Crofts, “Suudi Aramco, yıllık bütçesinin büyük bir bölümünün beton yapıların değiştirilmesine harcandığını fark etti. Bölgenin kumundaki yüksek tuzluluk ve gündüzden geceye sıcaklıktaki yüksek değişim, betonda daha hızlı çatlamalara neden oluyor. Alternatif teknolojiler aramaya başlayan Aramko, ACI üyesi olarak stratejilerini FRP donatı standartları üzerine kurup, Suudi Aramco standartları olarak uyarlayıp geliştirdiler. Şirket daha sonra bazı yüksek korozyonlu ortamlarda GFRP donatı kullanımını zorunlu kıldı.” dedi.

Jizan taşkın kanalı projesi için ihale isteyen Aramco, ardından üç GFRP donatı tedarikçisi seçti. Mateenbar, sözleşmenin %50’sini aldı. Projenin hazırlanması için birkaç ay beklediklerini belirten Crofts, “aniden tüm malzemelere ihtiyaç duyuldu. Dubai fabrikası yedi ayda yaklaşık 6.000 kilometre GFRP donatı üretti.” şeklinde konuştu.

Üretim Adımları

Teslim edildikten sonra, Yüklenici Firma Al Yamama Group tarafından donatının montajı yapıldı. Crofts, “Montaj sırasında çok fazla yardım gerekeceğini düşündük, ancak beklediğimiz gibi olmadı. Çelik donatıya göre montajı çok daha hızlı buldular. Çelik donatının ağırlığının %25’i kadar olan GRFP donatı, daha uzun olsa dahi daha az çalışanla taşınabiliyor, bu nedenle yerleştirilmesi daha kolay.” dedi. Crofts daha az konumlandırma borusuna ihtiyaç olduğunu ekleyerek “Dairesel boru parçalar, donatıyı beton içinde doğru yükseklikte desteklemek için kullanılıyor.” diye ekledi.

Donatı yerleştirilip, paslanmaz çelik tellerle bağlanıp kontrol edildikten sonra üzerine beton dökülmeye hazır hâle geliyor. Crofts, montaj ekibinin çok hızlı hareket ettiğini, beton dökme işleminin bu hıza yetişemeyeceğini fark etmeden önce 40 ila 80 metre genişliğindeki kanalın bir kilometre aşağısında olduklarını belirterek “Sonuç olarak durdular ve betonun yetişmesine izin verdiler. Bu önemli çünkü şiddetli yağmurlar gelirse sel kanalı kumla doluyor. Bu, birkaç kez gerçekleşerek gecikmelere neden oldu; ancak aynı zamanda drenaj kanalının önemini de yeniden gösterdi.” dedi.

Betonu, donatı üzerine döktükten sonra, montaj ekibi hava kabarcıklarını gidermek için sıkıştırdı ve takip eden haftalarda kürleme işlemi yaptı. Crofts, “Bu adımlar için GFRP ve çelik donatı arasında hiçbir fark yok. Ocak 2020’de donatı tedarik sürecini bitirdik ve kanal daha yeni tamamlandı.” şeklinde yorum yaptı.

Tasarım, maliyet ve GFRP’nin geleceği

Crofts, GFRP donatının çeliğin doğrudan yerine geçmediğine dikkat çekerek “GFRP donatı, çelik donatıdan farklı özelliklere sahip. Tasarımda bu farklılıklara yer verilmelidir. Bu nedenle, çelikle güçlendirilmiş beton tipik olarak ACI 318’e göre tasarlanırken, bu ACI 440 Tasarım Kılavuzu’na dayanan GFRP donatı için uygun olmayacaktır. Örneğin; GFRP donatı çelikten daha yüksek çekme dayanımına, ancak daha düşük bir çekme modülüne sahiptir. Ayrıca GFRP deformasyon oluşan yerde daha esnek davranış gösterir.” diye ekledi. Crofts, çelik donatı tasarımında, donatı miktarının tipik olarak çekme dayanımı tarafından belirleneceğini belirtti ancak, GFRP için çekme modülü, tipik olarak gereken donatı miktarını belirleyen faktördür. Bu durum, nihai dayanım gereksinimlerini fazlasıyla karşılayacak bir yapı ile sonuçlanır. Ayrıca GFRP donatı, yapıda arzulanan deformasyon sınırını temin eder.

Dikkat edilmesi gereken bir diğer husus, bükümlerin ve şekillerin üretimidir. Crofts, projelerde bükülmüş/düz donatı oranının ortalama olarak yaklaşık %30 olduğunu belirtiyor. Çelik donatı imalatın genellikle sahada tamamlanmasına olanak sağlıyor. Crofts, “Mateenbar bükülmüş çubuklar bizim kontrolümüzde çevre fabrikamızda imalatı yapılır ve ara imalat adımları olmadan doğrudan sahaya teslim edilir.” diye açıkladı. Crofts, “İhtiyaçlar değişiklik gösterdiğinden, tedarik açısından bu bir zorluk teşkil edebilir. Esnekliğin ve aynı bölgede fabrika sahibi olmanın çok önemli olduğunu gördük. Maliyetini hacme göre ölçtüğünüzde, GFRP donatı çelikle maliyet açısından rekabet edebilir.” dedi.

Crofts, GFRP donatının maliyetinin kilo başına dolar olarak hesaplandığında çeliğe göre 3-4 kat daha yüksek olduğunu belirterek “Bunun sebebi ürünümüzün özgül ağırlığının çeliğinkine göre 4 kat az olmasıdır. Uygun kriter metre başına dolar olmalıdır, çünkü inşaat demiri aslında beton hacminin bir kısmı olarak belirlenir ve satın alınır.” dedi.

Crofts, “Jizan, çelik kullanılmayan ilk betonarme mega projeydi.” şeklinde belirtti. Crofts, “100 yıldan fazla hizmet ömrüne sahip gerekli yapıları tasarlayacak bir ekibe sahiplerdi. Birçok GFRP donatı imalatçısı, talep arttıkça Suudi Arabistan’a yerleşmek istiyor.” dedi.

Mateenbar, ayrıca Suudi Arabistan’da yeni bir fabrika inşa etmenin yanı sıra Orta Doğu’dan sonra en büyük ikinci pazar olan Kuzey Amerika’ya hizmet vermek için ABD’nin Kuzey Carolina eyaletindeki Concord şehrinde de bir fabrika inşa ediyor. Her iki yeni fabrika da Pultron’un gelişmiş pultrüzyon teknolojisini kullanan modern, 100.000 metrekarelik tesisler olarak tasarlandı. Her ikisi için de ekipman ekim 2020’de teslim edildi ve üretimin 2021 başlarında başlaması bekleniyor.

Orta Doğu’da GFRP donatı talebi artarken, Kuzey Amerika’daki pazar olgunlaşmaya devam ediyor. Croft, “Şu anda, Kuzey Amerika’daki en büyük GFRP donatı uygulamaları, kıyı şeridi yapıları ve sahil boyunca uzanan köprüler ya da oldukça fazla tuza maruz kalan yolları kapsıyor ancak, Ulaştırma Bakanlıkları ve mülk sahipleri artık hem bakım ihtiyacını azaltmak hem de dayanıklı ve sürdürülebilir altyapı inşa etmek için genel maliyeti düşürmenin yollarını arıyorlar. Danışman mühendisler ve kullanıcılar, GFRP donatı teknolojisinin değerinin farkında. GFRP donatı üreticileri de kalite ve performans standartları konusunda iş birliğinden kaçınmıyor. Teknolojiyi teşvik eden, bilginin yayılması için uğraş gösteren ve diğer Ulaştırma Bakanlıklarına yardımcı olan Florida Ulaştırma Bakanlığı gibi önde gelen kuruluşlar da mevcut.” diye konuştu.

Crofts, Florida Ulaştırma Bakanlığının yakın zamanda 200 katılımcıyla GFRP ile güçlendirilmiş betonarme tasarımı üzerine bir web semineri düzenlediğini belirtti. Başka bir web seminerinde, Miami Üniversitesinde Florida Ulaştırma Bakanlığıyla çalışan önde gelen araştırmacılardan biri olan Dr. Antonio Nanni, “FRP donatı çıkışa geçmek için hazır.” dedi. Bunun kanıtlandığını dile getiren Crofts, artık tek yapılması gerekenin daha fazla şirketin bunu gereklilik hâline getirmesi ve müteahhitlerin daha yaygın kullanması olduğunu ekledi.

Kaynak: www.compositesworld.com/articles/composite-rebar-for-future-infrastructure-