6 th International Advanced Technologies Symposium (IATS 11), 16-18 May 2011, Elazığ, Turkey AASHTO Metodunda Rijit Üstyapı Kaplama Kalınlığına Etki Eden Parametrelerin İncelenmesi N. Kuloğlu 1, B. V. Kök 1, M. Yilmaz 1, M. Tanyıldızı 2 1 Fırat Üniversitesi, Elazig /Turkiye nkuloglu@firat.edu.tr 2 GATA Teknik Hizmetler Şube Müdürlüğü, Ankara/Turkiye mmtanyildizi@hotmail.com Investigation of the AASHTO Method Parameters Affcecting the Thickness of the Rigid Pavement Layer Abstract According to ambient conditions for highways in Turkey and it is important to choose the most appropriate option. By taking into account medium-and long-term maintenance and repair of the road, the most economical and efficient selection for our country is required. Concrete roads are a pavement type which provide the most efficient engineering service according to both material performance and reliability as well as construction methods at highways subjected to medium and high traffic volume. In this study how the AASHTO method parameters used for projecting the rigid pavement affects the concrete layer was investigated. In conclusion the parameter that should be most noticeable in designing rigid pavements, modulus of elasticity E c of concrete is emerging. Therefore, it can cause economic losses should be treated very precise determination of this parameter. Keywords Rigid pavement, AASHTO method, layer thickness G I. GİRİŞ ünümüzde taşıt endüstrisinde meydana gelen hızlı gelişmeler bir taraftan mevcut yol ağının yetersiz kalmasına diğer taraftan ise yol kaplamalarının artan trafik yüklerine maruz kalmasına neden olmaktadır. Türkiye de özellikle karayollarında, 1950 yılından itibaren büyük bir karayolu yapım etkinliği başlatılmıştır. Bu etkinlik, ulaşım hatlarının niteliğinden çok niceliği, yani yolların uzunluğu üzerinde yoğunlaştırılmış. 2009 yılı itibari ile Ülkemizde toplam 649 km uzunluğunda otoyol devlet ve il yolları bulunmaktadır [1]. Ancak nüfus ve ülkenin kapladığı alan dikkate alındığında yol uzunluğumuzun gelişmiş ülkelerden çok geride kaldığı görülmektedir. Karayolları üstyapılarının yapım harcamalarının çok fazla olmasından dolayı, karayolu bütçelerinin en verimli kullanımı için mevcut en iyi tasarım yönteminin ve seçim parametrelerinin uygulanması gerekmektedir. Yeni ya da takviye tabakası uygulanacak üst yapı bünyelerinin tasarımındaki gelişme veya yenilik, bu yapılardaki bakım masraflarını düşürmede önemli ve gözle görülür olanaklar sunmuştur. Üstyapı tipi seçimi, değişik ve çok sayıdaki ölçütlere dayandırılması gereken kapsamlı bir konu özelliği taşımaktadır [2]. Bu bağlamda Ülkemizde yol üst yapılarının büyük oranda esnek kaplama olarak tasarlanması kabul görmüştür. Ekonomik kalkınmanın ve refahın gelişmesinde büyük önemi olan karayolu taşımacılığı, kendi bünyesi içinde başlı başına bir ekonomik faaliyet olduğu gibi diğer bütün sektörlerle de çok yakın ilişkisi olan ve bu sektörleri olumlu veya olumsuz yönde etkileyen bir hizmet sektörüdür. Öte yandan karayolu; zemine, topografyaya, taşınacak yük miktarına ve zamana göre en esnek taşıma imkanı sağladığından, diğer taşıma sistemlerinden bağımsız olarak üretim yerinden tüketim yerine aktarmasız, kapıdan kapıya ve hızlı taşıma yapılmasına uygun olduğundan ve diğer sistemlere göre daha kolay ulaşım sağladığından, yük taşımacılığında %92 oranında tercih edilmektedir [3]. Yol üst yapısı trafik yüklerinin ve doğal şartların etkisi altındadır. Trafik yükleri, taşıtların hareketi sırasında dingil yüklerinden dolayı oluşan radyal çekme ve basınç gerilmeleri ile düşey basınç gerilmelerinden oluşmaktadır. Trafik yüklerinin şiddeti ve mertebesi oluşan gerilmelerin tekerrürü ile doğruda orantılıdır. Yol üst yapı tasarımında amaç tabakalarda kullanılacak malzemelerin özellikleri belirlenerek tekerrür etmesi planlanan yükleri, çevresel koşullar altında, büyük deformasyonlara, çatlamalara maruz kalmadan güvenli bir şekilde taşıyabilecek tabakaların kalınlıklarının belirlenmesidir [4,5]. Bu çalışmada; Rijit üstyapıların, projelendirilmesinde kullanılan AASHTO metodundaki parametrelerin rijit üstyapı beton kaplama kalınlığını ne ölçüde etkilediği araştırılmıştır. II. RİJİT ÜSTYAPI ESNEK ÜSTYAPI KARŞILAŞTIRILMASI Üstyapı tipi seçimi, değişik ve çok sayıdaki ölçütlere dayandırılması gereken kapsamlı bir konu özelliği taşımaktadır. Seçim yapılırken, üstyapı tipleri teknik ve ekonomik bakımdan karşılaştırılmalı ve ülke koşulları da dikkate alınarak, karara varılmalıdır. Esnek ve rijit üstyapılar, trafik yükünü taban zeminine 40
AASHTO Metodunda Rijit Üstyapı Kaplama Kalınlığına Etki Eden Parametrelerin İncelenmesi iletme yönünden farklılık gösterirler. Alt temel, temel ve kaplama tabakalarından oluşan esnek üstyapılar, tekerlek yükleri altında deforme olmakta ve her tabaka, üzerine gelen yükü bir alttakine biraz daha yayarak iletmektedir. Böylece taban zeminine ulaşan yük kısmen büyük bir alana yayılmış olmaktadır [6]. Rijit üstyapılar, taban zemini üzerine yapılan beton plaktan oluşmaktadır. Beton plağın elastisite modülü, taban zemininin elastisite modülünden çok büyüktür. Bu bakımdan beton yol, elastik zemine oturan bir kiriş şeklinde çalışmakta ve trafik yüklerini bu esasa göre, esnek üstyapıya nazaran daha geniş bir alana yayarak, taban zeminine iletmektedir. Trafik hacmi ve yıllık trafik artış oranı yüksek, ayrıca trafik içindeki ağır taşıt miktarı fazla olan yollar için rijit üstyapı dikkate alınmalıdır [7]. Mevsimler arasında büyük sıcaklık farklılıkları bulunan, kara ikliminin hakim olduğu bölgelerde, asfalt betonunun viskoelastik davranışlı bir malzeme olması nedeniyle, yazın tekerlek izi oluşmasına direnç gösteren, kışın ise çatlamayan bir bitümlü karışımın formüle edilmesi güç olmaktadır. Bu tip bölgelerde rijit üstyapıların kullanılması daha uygun olmaktadır. Ancak bu durumda, beton plaklar arasındaki derzler kışın çok açılacaktır. Bu da pompaj olayını kolaylaştırmaktadır [8]. Her iki kaplama türü, ilk yapıldığında, güvenli, konforlu ve zevkli bir seyir sağlamaktadır. Beton yollar açık renkleri nedeniyle, gece koşullarında kolay görünmekte, siyah renkli asfalt betonlu yollarda ise, durum tam tersi olmaktadır [9]. Üstyapı tipi seçiminin en önemli ölçütü, uzun bir zaman dilimi, proje ömrü için hesaplanan toplam ekonomik maliyettir. Bir karayolunun gerçek ekonomik maliyeti, ilk yapım maliyeti, proje ömrü süresindeki bakım maliyeti ve bakım işlemleri nedeniyle kullanıcı açısından ortaya çıkacak gecikme maliyetlerinin toplamıdır. Beton yolların ilk yapım maliyeti genellikle asfalt yollardan yüksektir. Ancak, asfalt üretiminde kullanılan ham petrolün çok büyük bir kısmının ithal edilmesine karşılık, Türkiye bugün çimento üretimi bakımından Dünyanın ve Avrupa nın önde gelen ülkeleri arasında yer almaktadır [10]. Birçok parametrenin birbiri ile çelişmesinden, her yönden olumlu sonuçlar verecek bir kaplama türünün uygulanması güçtür [11]. Bu nedenle üstyapı seçiminde, o yoldan beklenen performans ve ülkenin çeşitli koşulları (ekonomi, iklim, trafik, teknik olanaklar, kalite tercihi vs.) dikkate alınmak ve optimum sonuca ulaşmak zorunlu olmaktadır [12,13] III. AASHTO METODU İLE RİJİT ÜST YAPI T ASARIMI AASHTO metodu, yol testi sonuçları ile standart dingil yükü tekerrür sayısının kaplamanın performansına etkisi dikkate alınarak geliştirilmiştir. Esnek kaplamaların tasarımında olduğu gibi, kaplamanın servis yeteneğindeki azalma göz önüne alınmaktadır. Beton kaplamanın performansı için AASHTO yol testinden denklem (1) deki eşitlik elde edilmiştir [6]. Log 10 W 8,2 Z R 7 log 10[ PSI /(4,5 1,5)] S0,log 10( D 1) 0,06 7 8, 1 [1,624.10 /( D 1) 46 ] 0,75 ( S' c Cd [ D 1,132] 4,22 0,32P ) Log (1) t 10 0,75 0, 215,63J[ D [18,42 /( E / k c )]] Burada; W 8.2 : 8,2 ton eşdeğer tek-dingil yükü tekerrür sayısı Z R : Standart normal sapma S 0 : Trafik tahmini ve performans tahmininin bileşik standart hatası D : Rijit üstyapı beton kaplama kalınlığı (inç) ΔPSI : P 0 -P t (Servis kabiliyetinde azalma miktarı) P 0 : Başlangıç servis kabiliyeti indeksi P t : Nihai servis kabiliyeti indeksi S c : Betonun kopma modülü (Eğilmede çekme mukavemeti) J : Yük transfer katsayısı C d : Drenaj katsayısı E c : Betonun elastisite modülü k : Yatak katsayısı Bu çalışmada yük trasfer katsayısı J=3,2, drenaj katsayısı C d = 1,0 ve servis yeteneği kaybı ΔPSI= 2 olarak alınmış, rijit üstyapı beton kaplama kalınlığı D nin,, k, S 0, Z R, E c ile değişimi incelenmiştir. 8,2 ton eşdeğer tek-dingil yükü tekerrür sayısı 20-70 milyon arasında, yatak katsayısı -800 psi arasında, trafik tahmini ve performans tahmininin bileşik standart hatası %10-%60 arasında, Güvenilirlik %5-%99 arasında, beton sınıfı C16-C50 arasında seçilmiştir. Tablo 1 de standart dingil yükü tekerrür sayısının kaplama değerleri, Şekil 1 de ise standart dingil yükü tekerrür sayısının kaplama kalınlığına etkisi verilmiştir. Şekil 1 den görüldüğü üzere, standart dingil yükü tekerrür sayısının artması ile kaplama kalınlığı artış eğilimi azalarak artmaktadır Tablo 1. değerindeki değişime göre diğer parametrelerdeki değişim. k S 0 Z R E c D (cm) 20 30,607,6 30 32,492,236 40,894 45 300 0, -1,645 5.000.000,483 50,019 55,509 60,961 65 36,383 70 36,779
D (cm) D (cm) N. Kuloğlu, B. V. Kök, M.Yılmaz, M.Tanyıldızı 36 32 30 0 20 40 60 80 W8.2 (Milyon) Şekil 1 Kaplama kalınlığının standart dingil yükü tekerrür sayısı ile değişimi. Yatak katsayısının (k), rijit üstyapı beton kaplama kalınlığına etkisi Tablo 2 de verilmiştir. Tablodaki değerlerin değişimi Şekil 2 de grafik olarak gösterilmiştir. Şekilden de görüldüğü gibi, yatak katsayısının küçük değerlerinde, üstyapı beton kaplama kalınlığı büyük değerler almaktadır. Yatak katsayısı arttıkça üstyapı beton kaplama kalınlığı azalmaktadır. Tablo 2 Yatak katsayısındaki değişime göre diğer parametrelerdeki değişim. k S 0 Z R E c D (cm) ) m (c D,2 50,768 75,450 100,196 200,482 45 300 0, -1,645 5.000.000 32,977 36 32 30 400 32,568 500 32,217 600,910 700,628 800,369 0 200 400 600 800 1000 k Şekil 2. Kaplama kalınlığının yatak katsayısı ile değişimi. Trafik tahmini ve performans tahmininin bileşik standart hatasının (S 0 ), rijit üstyapı beton kaplama kalınlığına (D) etkisi Tablo 3. de verilmiştir. Tablodaki değerler Şekil 3 de grafik olarak gösterilmiştir. Şekil 3 de de görüldüğü gibi S 0 değeri arttıkça, kaplama kalınlığı lineer olarak artmaktadır. Tablo 3 S o daki değişime göre diğer parametrelerdeki değişim k S 0 Z R E c D (cm) 45 29 0,10 29,997 0,15 30,851 0,20,7 0, 32,621 0,30,5 45 300 0, -1,645 5.000.000,483 0,40,451 0,45 36,4 0,50,460 0,55 38,506 0,60 39,578 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 Şekil 3 Kaplama kalınlığının bileşik standart hataya göre değişimi. Tablo 4 te standart normal sapmanın (Z R ) kaplama değerleri, Şekil 4 te ise standart normal sapmaya karşılık gelen güvenilirlik faktörünün kaplama kalınlığına etkisi verilmiştir. Güvenilirliğin düşük değerleri arasında kaplama kalınlığı az miktarda değişirken özellikle %95 ve daha büyük bir güvenilirlik seviyesi için kaplama kalınlığı önemli derecede artmaktadır. Tablo 5 te betonun elastisite modülünün (E c ) kaplama değerleri, Şekil 5 te ise betonun elastisite modülünün kaplama kalınlığına etkisi grafiksel olarak verilmiştir. Betonun elastisite modülünün artması ile kaplama kalınlığının lineer kabul edilebilecek bir şekilde azaldığı, en kaliteli beton sınıfının (C50) kullanılması durumunda ele alınan diğer trafik, yatak katsayısı, normal standart sapma parametrelerin ortalama değerlerine ve %95 güvenilirlik seviyesine göre beton kaplama kalınlığının en az 32,8 cm olduğu belirlenmiştir. Parametrelerin etkinliklerini belirlemek için hesaplamalarda dikkate alınan değerlerin ortalama değerlerinde %20 lik bir artışın kaplama kalınlığını nasıl etkilediği araştırılmıştır. So 42
D (cm) D (cm) AASHTO Metodunda Rijit Üstyapı Kaplama Kalınlığına Etki Eden Parametrelerin İncelenmesi Tablo 4 Z R daki değişime göre diğer parametrelerdeki değişim. 46 40 28 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 Güvenilirlik Şekil 4 Kaplama kalınlığının güvenilirlik faktörüne göre değişimi. Tablo 5 E c deki değişime göre diğer parametrelerdeki değişim. =45.10 6, k=300, S 0 =0,, Z R =-1,645 S c k S 0 R E Z R E c D (cm) E c (MPa) 0,500 0,000 28,7 0,600-0,3 29,230 0,700-0,524 30,193 0,800-0,8,4 0,850-1,0 32,090 45 300 0, 0,900-1,282 5.000.000,0 0,950-1,645,483 0,970-1,881,453 0,990-2,327,361 0,999-3,090 40,8 0,9999-3,750 44,102 E c D (cm) C 406,10 27.000 3.916.017,5 C16 421,72 27.500 3.988.536 42,550 C18 4, 28.000 4.061.055,806 C20 499,82 30.000 4.1.1 39,182 C 562,30 32.000 4.6.206,005 C30 593,54.000 4.786.244 36,048 C 624,77.000 4.9.281,161 C40 687, 36.000 5.221.7,569 C45 718,49.000 5.366.394 32,852 C50 45 39 29 28 40 Ec(MPa) x 1000 Şekil 5 Kaplama kalınlığının beton elastisite modülüne göre değişimi. Eşdeğer standart dingil yükü sayısının ( ) 45 milyondan 54 milyona artması kaplama kalınlığını %2,55 oranında artırmaktadır. Yatak katsayısının (k) 300 psi den 360 psi a yükselmesi kaplama kalınlığını %0,8 azaltmaktadır. Trafik tahmini ve performans tahmininin bileşik standart hatasının (S 0 ) 0, den 0,42 ye yükselmesi kaplama kalınlığını %3,97 oranında artırmaktadır. Güvenilirlik seviyesinin (R E ) %80 den %96 ya yükselmesi %10,6 daha fazla kaplama kalınlığı gerektirmektedir. Beton elastisite modülünün (E c ) 30.000 MPa dan 36.000 MPa yani C sınıfı betondan C45 sınıfı betona yükselmesi kaplama kalınlığını % 16,7 oranında azaltmaktadır. IV. SONUÇ Bu çalışmada, AASHTO metodunda yer alan yük transfer katsayısı, drenaj katsayısı ve servis yeteneği kaybı parametreleri dışında kalan her bir parametrenin, rijit üstyapı beton kaplama kalınlığına etkisi araştırılmıştır. Trafik tahmini ve performans tahmininin bileşik standart hatasının ve betonun elastisite modülünün rijit kaplama kalınlığını lineer bir şekilde etkilediği, standart dingil yükü tekerrür sayısının, zemin yatak katsayısının ve güvenilirlik parametrelerinin kaplama kalınlığı üzerindeki etkisinin ise lineer olmadığı tespit edilmiştir. Özellikle %95 den daha yüksek güvenilirlik seviyeleri için çok fazla kaplama kalınlığı gerektiği belirlenmiştir. Ele alınan parametreler arasında rijit kaplama kalınlığı üzerinde en etkisiz parametrenin esnek üstyapılardaki durumun tersi olarak zemin yatak katsayısının, en etkili parametrenin ise betonun elastisite modülü olduğu, tespit edilmiştir. Bu nedenle rijit üstyapılarda kullanılacak beton kalitesinin artırılması ile daha az kalınlıkta beton tabaka imal edilebileceğinden yada aynı kalınlıkta daha fazla trafik yüküne, deforme olmadan direnç gösterebilecek bir kaplama oluşturulabileceğinden, tamamen yerli kaynaklarla üretilecek kaliteli betonlar ile ekonomik açıdan önemli bir kazanç sağlayacağı düşünülmektedir.
N. Kuloğlu, B. V. Kök, M.Yılmaz, M.Tanyıldızı KAYNAKLAR [1] Karayolları Genel Müdürlüğü, Trafi ve Ulaşım Bilgileri.Ankara : 2010. [2] E.J.Yoder, M.W.Witczak, Principles of Pavement Design. New York: 1975. [3] Karayolları Genel Müdürlüğü, Sratejik Plan 2007-2011. Ankara. [4] http://www.thbb.gov, Türkiye Hazır Beton Birliği. 2009. [5] E.Ağar, İ. Sütaş, G. Öztaş Beton Yollar. İTÜ Yayınları, İstanbul:1998. [6] American Association of State Highway and Transportation Officials, AASHTO Guide for Design of Pavement Structures.., Washington, D.C.: 1993 [7] W.Carey, W, P. Irick, The Pavement Serviceability-Performance Concept,Highway Research Board Special Report 61E, AASHO Road Test, 1962. [8] American Association of State Highway and Transportation Officials, AASHTO Guide for Design of Pavement Structures. Washington, D.C.:1986. [9] D.E.Peterson, Pavement Management Practices, NCHRP Synthesis 1, Transportation Research Board. 1987. [10] P.Sulten, Kayma Dirençli Gürültü Azaltıcı Betonlar, Federal Otoyol Araştırma Enstitüsü, Almanya. 2001. [11] K.Vqyeux, Renovation of two places at Dinant, 19th Belgian Road Congress, Belgium. 2001. [12] A.Tunç,. Yol Malzemeleri ve Uygulamaları, Nobel Yayınevi, Ankara: 2007. [13] M.M.Tanyıldızı. AASHTO Metodunda Rijit Üstyapı Beton Kaplama KalınlığınaEtki Eden Parametrelerin İrdelenmesi, Y.Lisans Tezi. Fırat Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, 2010. 44