Modüler beton yol (MBY) kaplama sistemi ve tekrarlı yükler altında dinamik davranışı
Modular concrete road (MCR) wearing course system and dynamic behaviour under the repetitive loading
Yazar: EGEMEN KAYA
Danışman: PROF. DR. HALİL MURAD ALĞIN
Harran Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Ulaşım = Transportation ; İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering

Özet:
Rijit ve esnek üstyapılar, karayolunun kullanıma açılması için geçen sürenin yanı sıra inşa tekniğinin pratikliği açısından çeşitli eksikliklere ve üstünlüklere sahiptirler. Bu çalışmada, laboratuvar ortamında önceden üretilen modüler elemanların birleştirilmesi ile sahada pratik bir şekilde oluşturulabilen ve hemen kullanıma sunulabilen üstün mekanik özelliklere sahip bir kaplama olan Modüler Beton Yol (MBY) sisteminin uygulanabilirliği ve dinamik ağır taşıt yükü altındaki davranışı incelenmiştir. İlk aşamada modüler elemanların maliyet ve mekanik özellikleri açısından optimum sınırlarını belirlemek amacıyla laboratuvar ortamında bir dizi parametrik deneysel çalışma yapılmıştır. Modüler elemanlar, tabakalı şekilde üretilmiş olup üst ve alt tabakalarda farklı kalınlıklarda yüksek dayanımlı özel bir lifli beton türü olan Çimento Harcı Emdirilmiş Lifli Beton- (Slurry Infiltrated Fiber Concrete) (SIFCON) kullanılmıştır. Tabaka kalınlıkları ve bu tabakalarda bulunan lif uzunlukları değiştirilerek laboratuvarda numuneler üretilmiş ve test edilmiştir. Elde edilen deneysel verilere göre Tepki Yüzey Optimizasyon Metodu (Response Surface Method, RSM) kullanılarak tabaka kalınlığı ve lif uzunluğu optimum sınırları belirlenmiş olup kapsamlı parametrik çalışmanın deneysel sonuçları üzerinde çok amaçlı verimlilik analizi yürütülmüştür. Optimum verimlilik sınırları bir dizi çok amaçlı analize dayanan ikili optimizasyon dikkate alınarak belirlenmiştir. Sonraki aşamada optimum verimlilik sınırları içerisinde bulunan üstün mekanik özelliklere sahip pratik bir şekilde üretilebilen bir numune, arazide MBY kaplama sistemi olarak kullanılmak üzere modüler eleman olarak belirlenmiştir. Bu modüler elemanların sahada birleştirilmesi ile oluşturulan MBY kaplama sistemi üzerinden spesifik hale getirilmiş bir konumda yasal maksimum sınıra kadar yüklenmiş damperli kamyon nominal hız değerinde geçirilerek kaplama yüzeyindeki düşey deformasyonların ölçülmesi sağlanmıştır. Sahada gerçekleştirilen bu analiz, arazi ve yükleme koşullarına uygun üç boyutlu bir model oluşturularak tekrarlı yükler altında dinamik sonlu eleman analizine tabi tutulmuştur. Elde edilen kaplama yüzeyi düşey deformasyon değerleri ile sahada ölçülen değerler karşılaştırılarak analiz kalibrasyonu ve doğrulama işlemi gerçekleştirilmiştir. Böylelikle, özgün MBY karayolu sistemi ve SIFCON kaplama uygulamasına yönelik verimlilik analizi konularına ek olarak 3B-SE çözümlemeleri açısından da bu tez çalışmasında orijinal teknikler geliştirilmiştir. Örneğin, günümüzde yaygınlaşan mekanistik tasarımlar için kullanılabilecek, karayolunda farklı malzeme uygulamaları ve arazi koşullarında sayısal analiz temelli, süspansiyon ve dinamik dönüş hareketini dikkate alabilen karayolu tepkilerinin çözümüne yönelik bir teknik de geliştirilmiştir. MBY kaplama sistemi yüzeyinde meydana gelen düşey deformasyon değerlerinin, literatürdeki benzer çalışmalardaki düşey deformasyon değerleri ile uyumlu olduğu görülmüştür. Optimizasyon işlemleri sonucunda rijit yol üstyapı uygulaması konusunda sonraki çalışmalara yol gösterebilecek optimum verimlilik sınırlarına ulaşılmıştır.

Abstract:
Rigid and flexible pavements have various shortcomings and advantages in terms of the time it takes to put the highway into use as well as the practicality of the construction technique. In this study, the applicability of Modular Concrete Road (MCR) system, which is a pavement with superior mechanical properties that can be practically constructed in the field by combining prefabricated modular elements in the laboratory and can be immediately put into use, and its behavior under dynamic heavy vehicle loading were investigated. In the first stage, a series of parametric experimental studies were carried out in the laboratory to determine the optimum limits of the modular elements in terms of cost and mechanical properties. The modular elements were produced in layers and Slurry Infiltrated Fiber Concrete (SIFCON), a special type of high strength fiber concrete, was used in different thicknesses in the upper and lower layers. Samples were produced and tested in the laboratory by varying the layer thicknesses and fiber lengths in these layers. Based on the experimental data obtained, the Response Surface Method (RSM) was used to determine the optimum limits of layer thickness and fiber length, and a multi-objective efficiency analysis was performed on the experimental results of the comprehensive parametric study. The optimum efficiency limits were determined by considering binary optimization based on a series of multi-objective analyses. In the next stage, a practically manufacturable sample with superior mechanical properties within the optimum efficiency limits was determined as a modular element to be used as an MBM coating system in the field. By combining these modular elements in the field, a dump truck loaded to the legal maximum limit at a specific location was passed over the MBY pavement system at the nominal speed value and the vertical deformations on the pavement surface were measured. This analysis performed in the field was subjected to dynamic finite element analysis under repetitive loads by creating a three-dimensional model suitable for the terrain and loading conditions. The obtained pavement surface vertical deformation values were compared with the measured values in the field to calibrate and validate the analysis. Thus, in addition to the efficiency analysis for the original MBY highway system and SIFCON pavement application, original techniques have been developed in this thesis in terms of 3D-SE analysis. For instance, a technique for solving highway responses based on numerical analysis for varying material applications and site conditions, taking into account suspension and dynamic rolling motion, has also been introduced for mechanistic design implimentations that are currently becoming more common practice. It was observed that the vertical deformation values occurring on the surface of the MBY pavement system are consistent with the vertical deformation values in similar studies in the literature. As a result of the optimization process, optimum efficiency limits have been reached that can guide future studies on rigid pavement application.