Üstyapı Sayısı (SN)

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.
CBR=
kullanılacak malzemede 0.25cm. çökme için gerekli yük
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.
LogT8.2 = 9.36 log(SN + 1) − 0.20 +
G t = log(
Gt
1
+ log + 0.372(Si − 3.0)
1094
R
0.40 +
(SN + 1) 5.19
4.2 − Pt
)
4.2 − 1.5
Pt= Son servis kabiliyeti,
T8.2= Pt’ye düşünceye kadar tekerrür edecek (8.2 ton) dingil sayısı
SN= Üstyapı sayısı
R= Bölge faktörü
Si= Zemin taşıma değeri (CBR)
Esnek üstyapıların projelendirilmesi, aşağıdaki sıraya göre verilerin
seçilmesi ve hesaplanması ile yapılır.
- Son servis kabiliyet indeksi (Pt) seçilir.
- Bölge faktörü (R) seçilir.
- Taban zemininin Si (veya CBR) değeri saptanır.
- Proje trafiği hesaplanır.
- Pt, Si, R ve proje trafiği değerlerine karşılık olan üstyapı sayısı (SN), ilgili
abaktan bulunur.
- Üstyapı kompozisyonu, üstyapı tabakalarında kullanılacak malzeme
cinsleri seçilir.
SN= a1 D1 + a2 D2 + a3 D3
Eşitliğinden yararlanarak üstyapıdaki tabakaların kalınlıkları saptanır.
a1, a2, a3: Sırasıyla kaplama, temel ve alttemel tabakalarında kullanılan
malzemelere ait tabaka katsayıları
D1, D2, D3 : 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.
Pt’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:
Pt=2.5
İl yolları için
Pt=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) R=0.2-1.0
Kuru taban zemini
R=0.3-1.5
Doygun taban zemini
R=4.0-5.0
Taban Zemininin Taşıma Değerinin Saptanması (Si 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 (T8.2) 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 Si 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 (Pt=2.5 veya
Pt=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 (t0) ve trafik artış katsayısı (r) belli ise (t) yıl sonraki
günlük trafik
tt=t0(1+r)t
formülü ile bulunur.
İlk yıl için günlük trafik (t0) ve son yıl için günlük trafik (tt) belirlendikten
sonra (t) süresi için ortalama günlük analiz trafiği (tp):
tt − t0
t p = 0.4343
tt
log
t0
Yoldan analiz süresince geçecek toplam trafik (Tp) :
Tp= tpx365xt
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
2
Şerit Dağıtma Faktörü
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= a1 D1 + a2 D2 + a3 D3
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 Pt=2.5
20 yıllık analiz süresi için yoldan geçecek trafik bilgileri aşağıdaki gibi
hesaplanır.
Taşıt
Grubu
İlk Trafik
(günlük)
Kamyon
Treyler
Otobüs
Otomobil
2200
250
300
2000
Ortalama
20 Yıllık
Son Trafik
Günlük Trafik
(günlük)
Toplam Trafik
(Proje Trafiği)
*
**
***
5837
3727
27207100
663
424
3095200
657
456
3328800
4382
3037
22170100
t
tt=t0(1+r) formülünden;
t20=2200(1+0.05)20= 5837* olarak bulunur.
tt − t0
t p = 0.4343
tt
log
t0
5837 − 2200
= 3727 **
t p = 0.4343
5837
log
2200
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
: 2.86 standart dingil/araç
Otobüs
: 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
=
Günlük Toplam Wg
= 3845 standart dingil/gün
1
20 Yıllık Toplam
T8.2 = 3845x20x365 = 28068500 standart dingil / 20 yıl
SN=13
Wg=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
Kullanılaca
k Malzeme
Cinsi
Önerilen
Tabaka
Kalınlığı
(cm)
Tabaka
Katsayısı
SN
Aşınma
Asfalt
Betonu
5
a1=0.40
2,0*
Binder
Asfalt
Betonu
5
a1=0.40
2,0
Temel
Sıcak
Bitümlü
Karışım
15
a2=0.32
4.80
Temel
Plentmiks
Kırmataş
15
a2=0.15
2.25
Alttemel
Kum-Çakıl
?
a3=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.
SN=11
CBR=100
Wg=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)
: 5 cm
Asfalt betonu (Binder)
: 5 cm
Sıcak bitümlü temel
: 15 cm
Plentmiks kırmataş temel
: 15 cm
Kum-çakıl alttemel
: 20 cm