Jüt Elyaf Takviyeli Kompozit Boruların Yanal Mekanik Davranışına Delik Çapının Etkisinin Deneysel İncelenmesi

Abstract

Kompozit malzemeler, yüksek mukavemet-ağırlık oranları nedeniyle yapısal ve makine bileşenleri olarak yaygın olarak kullanılmaktadır. Hafif yapıları, artan kullanım oranlarının en önemli özelliklerinden biridir. Kullanım sırasında, kompozit yapılar çalışma koşullarına bağlı olarak hasar görebilir. Ayrıca, diğer bileşenlere mekanik birleştirme genellikle gereklidir. Birleştirme sırasında lif hasarını önlemek için genellikle yapıştırıcı ile bağlama tercih edilir; ancak, bazı uygulamalarda mekanik bağlantı kaçınılmaz hale gelir ve delme gibi işleme operasyonlarını gerektirir. Bu çalışmada, sürdürülebilirliği teşvik etmek amacıyla doğal jüt lifleriyle güçlendirilmiş kompozit silindirik tüpler üretilmiştir. Epoksi reçine matrisi kullanılmış ve üretim sırasında homojen reçine dağılımı sağlanmıştır. Üretilen kompozit tüplerde birbirine çapraz olarak dairesel delikler açılmıştır. Delik çapları 3, 5 ve 7 mm olarak seçilmiştir. Delme ve potansiyel bağlantı uygulamalarıyla ilişkili mekanik performans düşüşünü değerlendirmek için delikli tüplerin tepe kuvveti ve enerji emme kapasiteleri, deliksiz bir referans numuneninkilerle karşılaştırılmıştır. En yüksek tepe kuvveti, deliksiz numuneden (S1) elde edildi ve 1,312 kN'ye ulaştı. Benzer şekilde, maksimum enerji emilim değeri de S1 için 11,65 J olarak kaydedildi. En düşük enerji emilim değeri ise, 7 mm çapında iki zıt deliğe sahip olan S4 numunesi için 9,94 J olarak ölçüldü. Delik çapındaki artış, kompozit tüplerin enerji emilim kapasitesinde neredeyse doğrusal bir azalmaya neden oldu.

Keywords

• Doğal elyaf kompozitler
• Delikli kompozit tüpler
• Tepe kuvveti
• Mekanik performans

Experimental Investigation of the Effect of Hole Diameter on the Lateral Mechanical Behavior of Jute Fiber-Reinforced Composite Pipes

Abstract

Composite materials are widely used as structural and machine components due to their high strength-to-weight ratio. Their lightweight nature is one of the most significant characteristics driving their increasing adoption. During service, composite structures may experience damage depending on operating conditions. In addition, mechanical joining to other components is often required. Adhesive bonding is generally preferred to avoid fiber damage during joining; however, in certain applications, mechanical fastening becomes unavoidable, necessitating machining operations such as drilling. In this study, composite cylindrical tubes reinforced with natural jute fibers were manufactured to promote sustainability. An epoxy resin matrix was used, and uniform resin distribution was ensured during production. Circular holes were drilled diametrically opposite each other in the fabricated composite tubes. The hole diameters were selected as 3, 5, and 7 mm. The peak force and energy absorption capacities of the perforated tubes were compared with those of an unperforated reference specimen to evaluate the mechanical performance degradation associated with drilling and potential fastening applications. The highest peak force was obtained from the unperforated specimen (S1), reaching 1.312 kN. Similarly, the maximum energy absorption value was recorded for S1 at 11.65 J. The lowest energy absorption value, 9.94 J, was measured for specimen S4, which contained two opposite holes of 7 mm diameter. An increase in hole diameter resulted in a nearly linear reduction in the energy absorption capacity of the composite tubes.

Keywords

• Natural fiber composites
• Perforated composite tubes
• Peak force
• Mechanical performance

References

1. [1] B. Erkek, M. Ş. Adin, E. Kosedag, M. Bronis, and H. Adin, ‘Effects of Artificial Hydrothermal Aging on Crush Boxes Made from Glass, Carbon and Aramid Fiber-Reinforced Hybrid Composites’, Polymers, vol. 18, no. 2, p. 249, 2026, doi: 10.3390/polym18020249.
2. [2] G. Örçen and E. Koyun, ‘Çevresel şartların tek tesirli yapışma bağlantılı kompozitler üzerinde etkisi’, Dicle Üniversitesi Mühendis. Fakültesi Mühendis. Derg., vol. 12, no. 2, pp. 263–273, Mar. 2021, doi: 10.24012/dumf.855501.
3. [3] H. Yıldırım, ‘Experimental investigation behavior of hollow cylindrical composite tubes under axial compression’, J. Mech. Sci. Technol., vol. 38, no. 8, pp. 4077–4084, Aug. 2024, doi: 10.1007/s12206-024-0506-1.
4. [4] D. Croccolo, M. De Agostinis, S. Fini, M. Y. Khan, M. Mele, and G. Olmi, ‘Optimization of Bolted Joints: A Literature Review’, Metals, vol. 13, no. 10, 2023, doi: 10.3390/met13101708.
5. [5] A. Seif, A. Fathy, M. M. Awd Allah, S. F. Mahmoud, D. I. Saleh, and A. A. Megahed, ‘To what extent can the drilling process affect the drilling performance in Al-mesh/GFRE hybrid composites?’, Polym. Compos., vol. 46, no. 8, pp. 7179–7196, Jun. 2025, doi: 10.1002/pc.29423.
6. [6] I. M. Alarifi, ‘A Review on Factors Affecting Machinability and Properties of Fiber-Reinforced Polymer Composites’, J. Nat. Fibers, vol. 20, no. 1, p. 2154304, Apr. 2023, doi: 10.1080/15440478.2022.2154304.
7. [7] P. Jagadeesh et al., ‘Drilling characteristics and properties analysis of fiber reinforced polymer composites: A comprehensive review’, Heliyon, vol. 9, no. 3, Mar. 2023, doi: 10.1016/j.heliyon.2023.e14428.
8. [8] A. Elhadi et al., ‘Precision drilling optimization in jute/palm fiber reinforced hybrid composites’, Measurement, vol. 236, p. 115066, Aug. 2024, doi: 10.1016/j.measurement.2024.115066.

9. [9] B. Yenigün and E. Kılıçkap, ‘KETP kompozitlerin delinmesinde delme parametrelerinin çekme kuvvetine etkisinin varyans analizi ile incelenmesi’, Dicle Üniversitesi Mühendis. Fakültesi Mühendis. Derg., vol. 11, no. 1, pp. 215–223, Mar. 2020, doi: 10.24012/dumf.500525.
10. [10] S. Ekşi, L. Salman, M. F. Beşiroğlu, and M. Memişoğlu, ‘Open hole strength and damage behavior of GFRP and CFRP composites’, Eng. Fail. Anal., vol. 176, p. 109584, Jul. 2025, doi: 10.1016/j.engfailanal.2025.109584.
11. [11] M. S. Abd-Elwahed, ‘Drilling Process of GFRP Composites: Modeling and Optimization Using Hybrid ANN’, Sustainability, vol. 14, no. 11, 2022, doi: 10.3390/su14116599.
12. [12] J. Kumar, Y. Singh, P. K. Rakesh, I. Singh, and J. P. Davim, ‘The Impact of Hole Diameter on the Molded and Drilled Holes in Jute-Fiber-Reinforced Epoxy Composites’, J. Compos. Sci., vol. 7, no. 9, 2023, doi: 10.3390/jcs7090376.
13. [13] A. Cengiz, M. F. Öztürk, A. Sabah, and E. Avcu, ‘Experimental and numerical analysis of drilled- and molded-hole glass fiber reinforced polymer matrix (GFRP) composites’, Polym. Compos., vol. 45, no. 9, pp. 7811–7819, Jun. 2024, doi: 10.1002/pc.28305.
14. [14] S. Morkavuk, K. Aslantaş, L. Gemi, U. Köklü, and Ş. Yazman, ‘The influence of drilling-induced damages and hole quality on hoop tensile and fatigue behavior of CFRP tubes’, Compos. Part Appl. Sci. Manuf., vol. 179, p. 108005, Apr. 2024, doi: 10.1016/j.compositesa.2024.108005.
15. [15] M. E. Deniz and R. Karakuzu, ‘Effect of hybridization type, hole-distance and number of holes on the resistance of intraply hybrid composite plates against multiple impact’, vol. 67, no. 4, pp. 690–702, 2025, doi: 10.1515/mt-2024-0435.
16. [16] B. Yalçın et al., ‘Effect of Drilling Parameters and Tool Diameter on Delamination and Thrust Force in the Drilling of High-Performance Glass/Epoxy Composites for Aerospace Structures with a New Design Drill’, Polymers, vol. 16, no. 21, p. 3011, 2024, doi: 10.3390/polym16213011.
17. [17] R. K. Thakur and K. K. Singh, ‘An investigation into the impact of graphene nanoplatelets reinforced with glass fiber reinforced polymer composite on the hole quality using abrasive water jet drilling’, Polym. Compos., vol. 43, no. 10, pp. 7007–7027, Oct. 2022, doi: 10.1002/pc.26762.
18. [18] E. Kosedag, R. Ekici, N. Yildiz, U. Calisksn, ‘Effect of SiC and graphene nanoparticles on the mechanical properties of carbon fiber-reinforced epoxy composites.’ Polym Compos. Vol. 44, no. 12, 8578-85882023, doi:10.1002/pc.27720
19. [19] B. Erkek, E. Kosedag, and H. Adin, ‘The impact of graphene filler on the energy absorption of hybrid composite crash boxes’, Int. J. Mech. Mater. Des., vol. 21, no. 2, pp. 339–355, Apr. 2025, doi: 10.1007/s10999-024-09739-z.
20. [20] M. M. A. Allah, D. A. Hegazy, H. Alshahrani, T. A. Sebaey, and M. A. A. El-baky, ‘Crush Analysis of Hybrid Glass/Nano-Silica/Epoxy Composite Cylinders Under Lateral Loading Conditions’, Fibers Polym., vol. 25, no. 1, pp. 289–299, Jan. 2024, doi: 10.1007/s12221-023-00407-1.
21. [21] D. Zhang, X. Zheng, and T. Wu, ‘Damage characteristics of open-hole laminated composites subjected to longitudinal loads’, Compos. Struct., vol. 230, p. 111474, Dec. 2019, doi: 10.1016/j.compstruct.2019.111474.
22. [22] H. Yıldırım, ‘Experimental examination of the axial compression conduct of filament-wound cylindrical composite tubes at different wall thicknesses and orientation angles’, Dicle Üniversitesi Mühendis. Fakültesi Mühendis. Derg., vol. 14, no. 3, pp. 455–460, Sep. 2023, doi: 10.24012/dumf.1304413.
23. [23] S. M. Demet, H. Sepetçi̇Oğlu, and M. Bağci, ‘Filament sarım Bazalt / Epoksi kompozit boruların iç yüzey erozif aşınma davranışına partikül hızı ve çarpma açısının etkisi’, Gazi Üniversitesi Fen Bilim. Derg. Part C Tasar. Ve Teknol., vol. 10, no. 4, pp. 1046–1058, Dec. 2022, doi: 10.29109/gujsc.1172231.
24. [24] J. Zhang, Y. He, G. Zhang, and D. Wang, ‘Tensile Behavior of Double-Hole CFRP Composite with Different Holes Position’, Appl. Compos. Mater., vol. 31, no. 3, pp. 983–1005, Jun. 2024, doi: 10.1007/s10443-023-10194-w.
25. [25] X. Li et al., ‘Size effect and damage mechanism of Double–Double open-hole composite laminates’, Compos. Sci. Technol., vol. 266, p. 111158, Jun. 2025, doi: 10.1016/j.compscitech.2025.111158.
26. [26] M. Saleem, L. Toubal, R. Zitoune, and H. Bougherara, ‘Investigating the effect of machining processes on the mechanical behavior of composite plates with circular holes’, Compos. Part Appl. Sci. Manuf., vol. 55, pp. 169–177, Dec. 2013, doi: 10.1016/j.compositesa.2013.09.002.
27. [27] E. Kosedag, Z. Araz, and B. Erkek, ‘Effect of Geometry and Fiber Type on Energy Absorption in Polymer Based Composite Crash Boxes: An Experimental Study’, Polym. Compos., p. pc.70311, Aug. 2025, doi: 10.1002/pc.70311.
28. [28] O. Alhyari and G. Newaz, ‘Energy Absorption in Carbon Fiber Composites with Holes under Quasi-Static Loading’, C, vol. 7, no. 1, p. 16, 2021, doi: 10.3390/c7010016.