BÖLÜM 5. ESNEK ÜSTYAPILARIN PROJELENDİRİLMESİ Yeni bir yol üstyapısının projelendirilmesindeki amaç; proje süresi boyunca, üzerinden geçecek trafiği, büyük deformasyonlara ve çatlamalara maruz kalmadan, güvenli bir şekilde taşıyabilecek üstyapının: - toplam kalınlığının belirlenmesi - tabakaların tek tek kalınlıklarının hesaplanması - kullanılacak malzemelerin özelliklerinin saptanmasıdır.
Bir esnek üstyapı projesi hazırlanırken değerlendirilmesi gereken faktörler: - Trafik hacmi, - Dingil yükü, - Dingil yüklerinin tekrarlanma sayısı - Taban zemininin taşıma gücü ve suya hassasiyeti, - Üstyapının alttemel, temel ve kaplama tabakalarında kullanılan çeşitli malzemelerin mekanik özellikleri, - Yoldan beklenen hizmetin kalitesi - Yolun ekonomik hizmet ömrü - Yolun yapıldığı yerin iklimi ve diğer bölgesel koşulları
5.1 Üstyapı Projelendirme Yöntemleri * Grup İndeksi Metodu * CBR Metodu (California Bearing Ratio-Kaliforniya Taşıma Oranı ) * AASHO Metodu (American Association of State Highway and Transportation Officials-Amerikan Devlet Karayolları Görevlileri Birliği Metodu)
5.1.1 Grup İndeksi Metodu Bu metotta üstyapı, zemin direncine göre projelendirilmektedir. Zemin direnci ise grup indeksi (GI) ile ölçülmektedir. Bir zeminin grup indeksi aşağıdaki formülle verilmektedir: GI=0.2(a)+0.005(a.c)+0.01(b.d)
GI=0.2(a)+0.005(a.c)+0.01(b.d) a=zeminin 200 nolu elekten geçen kısmının %35 den büyük, fakat %75 den küçük olan miktarıdır. b=zeminin 200 nolu elekten geçen kısmının %15 den büyük, fakat %55 den küçük olan miktarıdır. c= Zeminin nümerik likitlik limitinin 40 dan büyük, fakat 60 dan küçük olan kısmıdır. d= Zeminin nümerik plastiklik indisinin 10 dan büyük, fakat 30 dan küçük olan kısmıdır. Bulunan GI değeri tablolardan tabaka kalınlıklarına dönüştürülür.
5.1.2 CBR (California Bearing Ratio-Kaliforniya Taşıma Oranı) Metodu Bu deney, zemin direncini ölçer. CBR deneyi, esnek üstyapılar için granüler tabakaların davranışını belirler. CBR deneyi; bir malzemenin taşıma kapasitesini, iyi gradasyonlu kırmataşın taşıma kapasitesi ile karşılaştıran basit bir dayanım testidir. Yani, zeminin taşıma gücünün, kırmataş (referans) malzemenin taşıma gücü cinsinden ifade edilmesidir. Burada, iyi gradasyonlu kırmataş malzeme %100 lük CBR değerine sahip olmalıdır.
kullanılacak malzemede 0.25cm. çökme için gerekli yük CBR= standart kırmataş malzemede 0.25cm. çökme için gerekli yük Üstyapının her tabakasının kalınlığı bir alttaki tabakanın CBR ına ve tekerlek yüküne bağlı olmaktadır. Bu metotta önce taban, alttemel ve temel malzemeleri üzerinde CBR deneyleri yapılır. Elde edilen verilerden CBR değerleri hesaplanır.
Örnek: Aşağıda CBR değerleri verilen üstyapıyı 4080 kg. lık tekerlek yüküne göre, CBR metodunu kullanarak projelendiriniz. Killi tabana ait CBR=%5 Çakıl alttemele ait CBR =%12 İyi granülometrili çakıl temele ait CBR=%60
Abak 1 deki apsisten taban için CBR=%5 alınıp, ordinattan 4080 kg eğrisine inilir. Taban üzerinde gerekli toplam üstyapı kalınlığı =alttemel+temel+kaplama: 40cm. bulunur.
Aynı şekilde: alttemele ait CBR=%12 değeri için 4080 kg. eğrisi yardımıyla alttemel üzerinde gerekli kalınlık= temel+kaplama: 25cm. bulunur. Temele ait CBR=%60 değeri için 4080 kg eğrisi yardımıyla temel üzerinde gerekli kalınlık= kaplama : 10 cm bulunur.
Buna göre: Kaplama tabakası kalınlığı=10cm Temel tabakası kalınlığı=25-10=15 cm Alttemel tabakası kalınlığı=40-25=15 cm olacaktır. Buradaki tabaka kalınlıkları şartnamede belirtilen minimum kalınlıklara uymak zorundadır.
5.1.3 AASHO Metodu Bu metot, AASHTO (American Association of State Highway and Transportation Officials-Amerikan Devlet Karayolları) tarafından Ottawa kentinde yapılan deneme yolu sonuçlarından yararlanılarak hazırlanmıştır. AASHO yol deneyinden yararlanarak üstyapı kalınlıklarının hesabında kullanılmak üzere, üstyapıya etkiyen faktörleri içine alan AASHO Deney Yolu Denklemi kurulmuştur.
LogT 9.36 log(sn + 1) 0.20 + 0.40 + G t 1094 (SN + 1) 1 + log R + 0.372(S 8.2 = i 5.19 3.0) G t = 4.2 Pt log( ) 4.2 1.5 P t = Son servis kabiliyeti, T 8.2 = Pt ye düşünceye kadar tekerrür edecek (8.2 ton) dingil sayısı SN= Üstyapı sayısı R= Bölge faktörü S i = Zemin taşıma değeri (CBR)
Esnek üstyapıların projelendirilmesi, aşağıdaki sıraya göre verilerin seçilmesi ve hesaplanması ile yapılır. - Son servis kabiliyet indeksi (P t ) seçilir. - Bölge faktörü (R) seçilir. - Taban zemininin S i (veya CBR) değeri saptanır. - Proje trafiği hesaplanır. - P t, S i, R ve proje trafiği değerlerine karşılık olan üstyapı sayısı (SN), ilgili abaktan bulunur. - Üstyapı kompozisyonu, üstyapı tabakalarında kullanılacak malzeme cinsleri seçilir.
SN= a 1 D 1 + a 2 D 2 + a 3 D 3 Eşitliğinden yararlanarak üstyapıdaki tabakaların kalınlıkları saptanır. a 1, a 2, a 3 : Sırasıyla kaplama, temel ve alttemel tabakalarında kullanılan malzemelere ait tabaka katsayıları D 1, D 2, D 3 : Sırasıyla kaplama, temel ve alttemel tabakalarının kalınlıkları (cm)
Son Servis Kabiliyeti İndeksinin (Pt) Seçimi: Bir üstyapının servis kabiliyeti yüksek hız ve hacimdeki trafiğe hizmet edebilme kabiliyeti olarak tanımlanır. Mevcut servis kabiliyeti derecesi için 0 ile 5 arasında değişen bir ölçek tespit edilmiştir. Burada 5 değeri en yüksek, 0 değeri ise en düşük servis kabiliyeti derecesini gösterir. Üstyapı yüzeyinin belirli fiziksel özelliklerinin (pürüzlülük, tekerlek izi, çatlak uzunluğu, yama miktarı vb) ölçülmesi suretiyle ve bir formül yardımıyla hesaplanan sayıya mevcut servis kabiliyeti indeksi denir.
Üstyapılar; - seçilen bir trafik analiz dönemine - belli bir toplam trafik hacmine - belli sayıdaki dingil tekrarına maruz kaldıktan sonraki servis kabiliyeti indeksine (ki bu indeks yolun ilk yapımındaki değerine göre azalan bir değerdir) göre projelendirilebilir. P t nin seçimi, yeniden takviye veya bakım gerekmeden müsaade edilebilecek en düşük hizmet kabiliyetine bağlı olarak seçilir. Pt yolun standardına ve trafiğe bağlı olarak aşağıdaki değerleri alır: Otoyollar, ekspres yollar, devlet yolları için: P t =2.5 İl yolları için : P t =2.0
Bölge Faktörünün (R) Seçilmesi: Çevre ve iklim koşulları, üstyapı projelendirmesinde dikkate alınan önemli bir konudur. Bu koşullar üstyapının davranışını etkiler. Koşullar uygun olmadığı zaman trafik yükünün yola verdiği zarar, uygun koşullar altında vereceği zarardan çok daha büyüktür. AASHO yol deneyinin en önemli eksikliklerinden birisi, çok çeşitli yapısal farklılıklar gösteren üstyapıların değişik trafik yükleri ve sayıları karşısında davranışlarının incelenmesine karşın, tek bir çevre ve belirli iklim koşullarında yapılmış olmasıdır.
Çevre ve iklim koşullarını temsil etmek üzere AASHO projelendirme denklemine bölge faktörü denilen bir parametre dahil edilmiştir (yol deneyinin yapıldığı bölgeden farklı olan yerlerdeki üstyapının projelendirilmesini sağlamak için). Bazı iklim ve yağış değerlerinin yıllık miktarları bölge faktörünün tahminine esas teşkil etmektedir. Belirli tipik koşullar için AASHO yol deneyi bilgilerine dayanan bölge faktörü değerleri şunlardır: Donmuş taban zemini (12.5 cm veya daha fazla derinlikte) Kuru taban zemini Doygun taban zemini R=0.2-1.0 R=0.3-1.5 R=4.0-5.0
Taban Zemininin Taşıma Değerinin Saptanması (S i veya CBR): Taban zemininin üstyapı projelendirmesine esas olan taşıma gücü CBR değeri ile tanımlanır. Taban zeminlerinin taşıma gücü (CBR değeri) bulunurken tesviye yüzeyinin altındaki 40 cm lik kesimi dikkate alınmalıdır. Proje CBR değeri aşağıda anlatılan şekilde hesaplanır: a- Yol güzergahı üzerindeki değişik taban kesimlerinden CBR ölçümleri alınır. b- Toplam eşdeğer standart dingil tekrar sayısı (T 8.2 ) yardımı ile taban zemini proje emniyet yüzdesi bulunur.
c- Ölçülen CBR değerleri büyükten küçüğe doğru sıralanır ve her birinden büyük veya eşit CBR sayısı yüzdesi bulunur. d- Bulunan değerlere göre bir eğri çizilir. e- Bu eğri üzerinden proje emniyet yüzdesi yardımıyla proje CBR değeri seçilir. Bulunan CBR değerinin S i olarak karşılığı abaklardan bulunabilir.
Proje Trafiğinin Hesaplanması: AASHO rehberinde trafik tahminleri trafik analiz süresi için yapılır. Bu da 20 yıl olarak alınır. Bununla beraber, trafik, günlük veya toplam 8.2 tonluk tek dingil yükü uygulama sayıları cinsinden ifade edildiği için, bu projelendirme rehberi ile herhangi bir analiz süresi kullanılabilir. Toplam eşdeğer standart dingil yükü tatbik sayısı, yolun hizmete açılmasından hizmet kabiliyeti indeksinin seçilen değere (P t =2.5 veya P t =2.0) düşeceği zamana kadar hesap şeridinin taşıyacağı umulan toplam trafiktir.
Yolun hizmete açıldığındaki trafiğe ilk trafik, trafik analiz süresi sonundaki trafiğe de son trafik denir. İlk ve son trafik yardımıyla trafik analiz süresi için saptanan trafik, üstyapı hesabında proje trafiği olarak kullanılır. İlk yıl için günlük trafik (t 0 ) ve trafik artış katsayısı (r) belli ise (t) yıl sonraki günlük trafik t t =t 0 (1+r) t formülü ile bulunur.
İlk yıl için günlük trafik (t 0 ) ve son yıl için günlük trafik (t t ) belirlendikten sonra (t) süresi için ortalama günlük analiz trafiği (t p ): t p = 0.4343 t t t t log t 0 t 0 Yoldan analiz süresince geçecek toplam trafik (Tp) : T p = t p x365xt
Taşıt Eşdeğerlik Faktörleri: Taşıt eşdeğerlik faktörleri, - projesi yapılacak yolu karakterize eden lodometre çalışması - dingil yükü etüdleri sonucunda çıkacak dingil yükü dağılımı ile ilgili tablolardaki dingil eşdeğerlik faktörleri kullanılarak bulunur. Lodometre çalışmasının mümkün olmadığı durumlarda tablolarda verilen taşıt eşdeğerlik faktörleri kullanılmalıdır. Bu tablolarda farklı taşıt gruplarının değişik trafik kategorilerine göre ortalama taşıt eşdeğerlik faktörleri verilmektedir.
Yön Dağıtma Faktörü: Hesaplanan eşdeğer dingil yükleri, her iki yön için bütün şeritlerin toplamlarını temsil eder. Projelendirme amaçları için bu trafik, yön ve şeritler itibariyle dağıtılmalıdır. Özel şartlar başka bir dağıtım gerektirmedikçe, yön itibariyle dağıtım genellikle her yöne trafiğin yarısının verilmesi ile yapılır. Yani yön dağıtma faktörü genellikle (1/2) dir.
Hesap Şeridi: Ticari araçların kullandığı şerit trafiği projelendirmede önemlidir. Hesap şeridindeki trafik hesaplanırken aşağıdaki tablodaki şerit dağıtma faktörleri gözönünde bulundurulmalıdır. Bir yöndeki ticari trafiğin diğer yöne göre daha ağır yüklü olduğu durumlarda daha ağır trafiğin oluştuğu şerit, hesap şeridi olarak alınmalıdır. İki Yöndeki Şerit Sayısı Şerit Dağıtma Faktörü 2 1.0 4 0.9 6 veya daha fazla 0.8
SN Üstyapı Sayısının Bulunması: Üstyapı sayısı; - verilen bir zemin taşıma değeri - toplam eşdeğer standart dingil yükü tekrarı - son servis kabiliyeti indeksi - bölge faktörü değeri için gerekli üstyapı direncini ifade eden soyut bir sayıdır ve abaklardan bulunur.
Üstyapı Sayısı (SN) Yardımıyla Tabaka Kalınlıklarının Saptanması: Hesaplanan SN, üstyapı tabakalarının mukavemet katsayıları ile bağlantılı olarak üstyapı kalınlıklarına dönüştürülecektir. Tabaka kalınlıklarının tayini için kullanılacak formül aşağıda verilmiştir. SN= a 1 D 1 + a 2 D 2 + a 3 D 3 Burada a lar tabakalarda kullanılan malzeme özelliklerine bağlı katsayılardır. D ler de tabakaların kalınlıklarıdır. Hesaplanan SN değerini sağlayacak şekilde ekonomi de dikkate alınarak farklı malzemeler için tabaka kalınlıkları bulunur.
Örnek: Yol 2x2 = 4 şeritli devlet yolu, Bölge faktörü R = 1, Proje başlangıç yılındaki (2009) trafik değerleri (YOGT) Kamyon : 2200 Treyler : 250 Otobüs : 300 Otomobil : 2000 Yıllık trafik artış yüzdeleri Kamyon ve treyler için : %5 Otobüs ve otomobil için : %4 Taban zemininin CBR değerinin %10 olması durumuna göre esnek üstyapıyı AASHO metoduna göre projelendiriniz. Şerit dağıtma faktörü 0.90 (iki yöndeki şerit sayısı 4 olduğundan) Yön dağıtma faktörü: 1/2
Çözüm: Yol devlet yolu olduğuna göre P t =2.5 20 yıllık analiz süresi için yoldan geçecek trafik bilgileri aşağıdaki gibi hesaplanır. Taşıt Grubu İlk Trafik (günlük) Son Trafik (günlük) Ortalama Günlük Trafik (Proje Trafiği) 20 Yıllık Toplam Trafik Kamyon 2200 5837 * 3727 ** 27207100 *** Treyler 250 663 424 3095200 Otobüs 300 657 456 3328800 Otomobil 2000 4382 3037 22170100
t t =t 0 (1+r) t formülünden; t 20 =2200(1+0.05) 20 = 5837 * olarak bulunur. t p t t t = 0.4343 t log t 5837 2200 t p = 0.4343 = 5837 log 2200 0 t 0 3727 **
3727x20x365 = 27207100*** Bu yolda özel olarak yapılan lodometre(araçların standart dingil yükü cinsinden eşdeğer ölçümleri) çalışması sonucu taşıt eşdeğerlik faktörleri aşağıdaki gibi bulunmuştur(bu değerler verilir). Kamyon : 1.85 standart dingil/araç (1 kamyon geçişi üstyapıya 1.85 standart dingil geçişi kadar zarar veriyor.) Treyler Otobüs : 2.86 standart dingil/araç : 0.95 standart dingil/araç Otomobil : 0.0006 standart dingil/araç
Hesap şeridindeki ortalama günlük standart dingil sayıları: Kamyon : (Yön dağıtma fak.)x(şerit dağıtma fak.)x(taşıt eşdeğerlik fak.) x(ortalama günlük trafik) Kamyon = (1/2)x0.90x1.85x3727 = 3103 Treyler = (1/2)x0.90x2.86x424 = 546 Otobüs = (1/2)x0.90x0.95x456 = 195 Otomobil = (1/2)x0.90x0.0006x3037 = 1 Günlük Toplam Wg = 3845 standart dingil/gün 20 Yıllık Toplam T8.2 = 3845x20x365 = 28068500 standart dingil / 20 yıl
SN=13 W g =3845 R=1 CBR=10 SN=13
Üstyapı tabakalarında kullanılacak malzeme cinsleri, tabaka kalınlıkları, tabaka katsayıları aşağıdaki gibi seçilmiştir(soruda verilmiştir, bunlara bağlı olarak SN hesaplanır). Tabaka Adı Aşınma Binder Temel Temel Kullanılaca k Malzeme Cinsi Asfalt Betonu Asfalt Betonu Sıcak Bitümlü Karışım Plentmiks Kırmataş Önerilen Tabaka Kalınlığı (cm) Tabaka Katsayısı SN 5 a 1 =0.40 2,0 * 5 a 1 =0.40 2,0 15 a 2 =0.32 4.80 15 a 2 =0.15 2.25 Alttemel Kum-Çakıl? a 3 =0.11 - Toplam SN 11.05...
SN= a x D = 5 x 0.42 = 2* Tabaka katsayıları, tabaka tipine bağlı olarak ilgili tablodan bulunur. Taban CBR değeri : %10 Mevcut SN : 11.05 Gerekli SN :13.00 SN = 13-11.15 = 1.95 (alttemel SN) a3= 0.11 Alttemel tabaka kalınlığı = SN / a3 =1.95 / 0.11 = 17.7 cm buradan D3 = 20 cm olarak alınır.
Bulunan kalınlıkların kontrolü: Plentmiks kırmataş temel CBR = %100 (Tablodan) Kum-çakıl alttemel CBR = %30 (Tablodan) Bu tabakalar üzerine gerekli SN değerleri sırasıyla SN1 ve SN2 olsun. Abaktan: SN1 = 8.30 SN2 = 11.00 bulunur.
CBR=100 SN=11 W g =3845 SN=8,30 CBR=30 R=1 SN=8,30
Plentmiks kırmataş temel üzerindeki tabakaların SN leri toplamı SN1* Plentmiks kırmataş CBR = %100 için SN = 8.30 (olması gereken) SN1* = 5 x 0.40 + 5 x 0.40 + 15 x 0.32 = 8.80 (tasarımda mevcut) (SN1* = 8.80) > ( SN1 = 8.30) uygundur.
Kum-çakıl alttemel üzerindeki tabakaların SN leri toplamı SN2* Kum-çakıl CBR = %30 için SN = 11.00 (olması gereken) SN2* = 5 x 0.40 + 5 x 0.40 + 15 x 0.32 + 15 x 0.15 = 11.05 (tasarımda mevcut) (SN2* = 11.05) > ( SN2 = 11.00) uygundur.
Taban zemini üzerindeki tabakaların SN leri toplamı SN3* Taban CBR = %10 için SN = 13 (olması gereken) SN3* = 5 x 0.40 + 5 x 0.40 + 15 x 0.32 + 15 x 0.15 + 20 x 0.11 = 13.35 (tasarımda mevcut) (SN3* = 13.35) > ( SN3 = 13.00) uygundur.
20 yıllık analiz süresi için önerilecek tabaka kalınlıkları: Asfalt betonu (Aşınma) Asfalt betonu (Binder) Sıcak bitümlü temel Plentmiks kırmataş temel Kum-çakıl alttemel : 5 cm : 5 cm : 15 cm : 15 cm : 20 cm