Çelik cürufu ile yapılan yol altyapısı katmanlarının statik ve tekrarlı yükler altında sayısal analizleri
Numerical analysis of road infrastructure with steel slag under statical and repeated loads
Yazar: MÜRÜVET ÖZSOY
Danışman: PROF. DR. SEYHAN FIRAT
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Geoteknik Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering

Özet:
Ulaşım yolları tüm Dünya'da ekonomik ve sosyal alanda gelişmenin devamlılığı açısından oldukça önemlidir. Bu yüzden yük ve yolcu taşımacılığında en çok tercih edilen ulaşım türlerinden olan karayollarının servis ömrünün artırılması, servis ömrü boyunca yoldan beklenilen performansı garanti etmesi, bakım-onarım faaliyetlerinin en düşük seviyede olması arzu edilmektedir. Ancak son yıllarda araç trafiğinin yoğun artışı nedeniyle çok sayıda taşıt yüküne maruz kalan yollar yapısal ve işlevsel olarak bozulmaktadır. Trafik yüklerinden kaynaklanan deformasyonu azaltmak amacıyla çelik üretim süreci sonrasında yan ürün olarak ortaya çıkan çelik cüruflarının doğal agregaların yerine kullanılması oldukça önemlidir. Bu çalışmada yol temel ve alttemel tabakalarında çelik cüruf kullanılarak yolun toplam düşey deformasyon değişimi doğal agrega kullanılan kesitle kıyas edilerek ayrıntılı bir şekilde incelenmiştir. 10 cm kalınlığındaki asfalt kaplama tabakasının altında yer alan 30 cm kalınlığında granüler temel, 40 cm kalınlığında alttemel tabakalarından ve taşıyıcı doğal zemin ise kilden oluşan yol üst yapısı 3D sonlu elemanlar yöntemi ile sayısal analizleri yapılmıştır. Seçilen taşıt türünün lastik yerleşim planı dikkate alınarak gerçekleştirilen 3D modelin dinamik ve statik analizleri sonuçlarına göre uygun model tasarımı ve doğru malzeme seçimi ile yolun performansının artırılmasının mümkün olduğu görülmektedir. Elde edilen bulgulara göre yol temel ve alttemel tabakalarında çelik cürufunun kullanılması durumunda tekrarlı trafik yükleri altında yapılan dinamik analizlerde düşey deformasyon değerlerinin azaldığı belirlenmiştir. Aynı zamanda geogrid donatı tabaka sayısına ve yerleşim konumuna bağlı olarak değişim gösteren, çelik cürufu kullanılan kesitlerin emniyetli taşıma yükü değerlerinde %10-70 aralığında artışların meydana geldiği tespit edilmiştir. Bu sayede yol katmanları arasında geogrid takviyelerin kullanılması ile trafik yüklerinin daha geniş bir alana dağıtılarak yolun çekme dayanımının artırılması yoluyla performansının iyileştiği ve emniyetli taşıma yükünün de artırıldığı gözlemlenmiştir. Ayrıca çelik cüruflarının yol inşaatlarında agrega olarak kullanılması ile çelik cüruflarının düzenli depolama alanlarındaki atıkların bertarafına yönelik çalışmalara olan ihtiyaç azalmakta, doğal kaynakların verimli kullanılması ve atık malzemelerin geri dönüştürülmesi ile sürdürülebilir bir sistem sağlanmaktadır.

Abstract:
Transportation routes are very important for the continuity of economic and social development all over the world. Highways are one of the most preferred modes of transportation in freight and passenger transportation. Therefore, it is desired to increase their service life, to guarantee the expected performance of the road throughout its service life, and to keep maintenance and repair activities at the lowest level. However, due to the intense increase in vehicle traffic in recent years, roads exposed to many vehicle loads are deteriorating structurally and functionally. To reduce deformation caused by traffic loads, it is vital to use steel slag, which emerges as a by-product after the steel production process, instead of natural aggregates. In this study, the total vertical deformation changes of the road by using steel slag in the road base and subbase layers were examined in detail by comparing it with the section using natural aggregate. The road superstructure, which consists of a 30 cm thick granular foundation located under a 10 cm thick asphalt pavement layer, 40 cm thick subbase layers, and the carrier natural soil is clay, was numerically analyzed using the 3D finite element method. According to the results of the dynamic and static analysis of the 3D model, which was carried out by considering the tire layout plan of the selected vehicle type, it is seen that it is possible to increase the performance of the road with appropriate model design and proper material selection. According to the findings, it was determined that the vertical deformation values were reduced in the dynamic analyzes carried out under repeated traffic loads when steel slag was used in the road base and subbase layers. At the same time, it has been determined that there is an increase of 10-70% in the safe bearing load values of the sections using steel slag, which varies depending on the number of geogrid reinforcement layers and settlement location. In this way, it has been observed that by using geogrid reinforcements between road layers, traffic loads are distributed over a larger area, and the tensile strength of the road is increased, thus improving its performance, and safe bearing load. In addition, the need for waste disposal in regular storage areas of steel slag decreases by using steel slag as aggregate in road construction. Furthermore, a sustainable system is provided by efficient use of natural resources and recycling of waste materials.